Методы определения абсолютного возраста горных пород

Исходное уравнение для  расчета возраста имеет следующий  вид:

И соответственно его решение:

      Так как различие в атомных весах Аr-40 и К-40 очень мало, то за величины Аr-40 и К-40 можно брать их весовые количества. Принято указывать количества Аr-40 и К-40 в граммах, отнесенных к 1 г образца. [9]

 

1.2.3 Применение, преимущества и недостатки метода.

Основным преимуществом  метода, благодаря которому он получил большую известность является широкая распространенность калийсодержащих минералов во всех разновидностях горных пород. Важнейшими минералами, пригодными для использования определения возраста по аргоновому методу, являются: полевые шпаты, слюды (причем слюды, в сравнении с полевыми шпатами, обычно лучше сохраняют радиогенный аргон, что качественно сказывается на результаты определения возраста), роговая обманка, пироксены, глауконит, сильвин, карнолит. При помощи аргонового метода можно решать не только чисто геохронологические вопросы геологических событий, но и целый ряд генетических вопросов магмообразования, осадконакопления, образования коренных и россыпных полезных ископаемых.

Одним из существенных недостатков  метода является невозможность получения  информации о вторичных наложенных процессах, которые приводят к изменению  пород и минералов, выщелачиванию  и привносу интересующих нас изотопов, а следовательно, и к искажению  результатов определения возраста. Также у метода нет внутреннего  самоконтроля. [4]

 

3.  Рубидий-стронциевый метод.

Данный метод основан  на накоплении Sr-87, образующегося в минералах при распаде Rb-87

Rb-87 → Sr-87 + β.

Радиоактивность рубидия  была обнаружена Томсоном и подтверждена Кэмпбеллом и Вудом. В результате прямых измерений постоянная распада  изотопа Rb-87 была определена Флайном и Глендениным и оказалась равной 1, 47 * . Соответственно период полураспада рубидия равен 4,7 * лет. Большая величина периода полураспада дает возможность определять данным методом возраст древних горных пород и минералов. [7]

 

1.3.1 Изотопы рубидия  и стронция.

Природный рубидий состоит  из смеси изотопов Rb-85 – 72, 15 % и Rb-87 – 27, 85%. Из двух естественных изотопов рубидий-85 стабильный, а изотоп рубидий-87 обладает бета-активностью. Изотопный состав обычного стронция выражается следующими величинами: Sr-84 – 0, 56%; Sr-86 – 9, 86%; Sr-87 – 7, 02%; Sr-88 – 82, 56%. Изотоп Sr-87 продукт бета-распада естественного радиоактивного изотопа Rb-87. В различных породах и минералах, в зависимости от их происхождения и от содержания в них рубидия, количество изотопа Sr-87 колеблется в определенных пределах. За 4, 5 млрд. лет жизни на Земле около 7% рубидия превратилось в изотоп Sr-87. [2]

 

1.3.2 Уравнения для определения возраста.

Большая величина периода полураспада Rb-87 дает возможность определять возраст древних пород и минералов стронциевым методом. Пределы применимости зависят не только от величины периода полураспада, но и от чувствительности метода определения радиогенного стронция. Содержание радиогенного стронция даже в самых древних образцах значительно меньше содержания Rb-87. Поэтому для вычислений возраста по стронциевому методу можно использовать упрощенную формулу:

t=   [5]

 

1. Применение, преимущества и недостатки метода.

Рубидий-стронциевый метод  в настоящее время приобретает  особо важное значение при определении  возраста глинистых сланцев в  связи со значительным накоплением  в них рубидия, который концентрируется  в глауконите (до 0, 06%); при определении возраста морских осадков, где широко используются такие минералы, как кальцит, доломит, ангидрит, гипс; при определении возраста метеоритов; при датировке формаций докембрийского возраста, характеризующихся как широким распространением соответствующих минералов, так и многократными периодами расплавления и метаморфизма горных пород.

Преимущества метода в  том, что: конечный продукт радиоактивного распада не является летучим, поэтому потери его маловероятны при вторичных процессах, протекающих в течение геологического времени; излучение Rb-87 является мягким, что не приводит к разрушению кристаллической решетки минерала; используются минералы, широко распространенные в природе.

К числу недостатков рассматриваемого метода можно отнести: большой период полураспада  Rb-87, что позволяет использовать только минералы, возраст которых превышает 5 * лет; пригодными могут быть только минералы, в которых содержание рубидия достигает 1% и в которых отсутствует нерадиогенный Sr-87. [4]

 

4.  Иониевый метод.

Иониевым методом определяется возраст морских осадков. В настоящее  время в связи с развитием  морской геологии, с поисками, разведкой  и добычей полезных ископаемых в  районах шельфа очень важно знать  возраст морских осадков. Это  важно еще и потому, что 71% поверхности  земного шара занимают моря и океаны. Основная масса осадков формируется  в области шельфа и континентального склона. Мощность и скорость отложения  осадков в различных частях океанов  различны и зависят от многих причин.

При использовании того или  иного изотопа для определения  возраста морских осадков необходимо, чтобы его период полураспада  был бы того же порядка, что и ожидаемый  возраст. Наиболее подходящими являются радиоизотопы:  радий-226, ионий-230 –  оба из семейства урана-238 и протактиний-231 – из семейства урана-235. [5]

1. Иониево-радиевый метод.

В 1941 году Пиггот и Урри, изучая вертикальное распределение радия в кернах глубоководных морских осадков, установили, что нарастание и падение содержания радия по длине керна является функцией времени и зависит от начальных количеств урана, иония, радия, заключенных в поверхностных частях осадка.

При применении иониевого  метода определения возраста морских  осадков должны соблюдаться следующие  условия:

1. Содержание иония-230 и урана-238 в океане должно оставаться постоянным в течение интервала времени, определяемого иониевым методом.
2. Должна отсутствовать миграция в осадках урана, тория и радия.
3. Размещение осадочного материала в керне должно определяться нормальным процессом осадконакопления и не должно быть последующих нарушений первичного состава осадка.
4. Скорость осаждения иония на океаническом дне должна быть постоянной во времени. [4]

 

2. Ионий-ториевый метод.

Метод основан на одновременном осаждении из морской воды изотопов иония-230 и тория-232 и применяется для определения возраста шельфовых осадков. Установлено, что ионий и торий из морской воды осаждаются почти всегда в постоянной пропорции, поэтому возраст, определенный по их отношению, не зависит от скорости осадконакопления. Ионий-ториевый метод требует следующих допущений:

1. Отношение иония к торию в водах океанов должно оставаться постоянным в течение всего времени существования осадка.
2. При осаждении не должно происходить химического фракционирования изотопов.
3. Осадки не должны содержать обломочного материала, содержащего существенные количества того или иного изотопа.
4. После образования осадков в них не должна происходить миграция изотопов.

При соблюдении всех этих допущений  величина отношения иония к торию  будет убывать с увеличением  глубины (возраста) осадка до нуля. Таким  образом может быть рассчитан  возраст осадка относительно его  поверхности. Если величина отношения  иония к торию с увеличением  глубины не приблизится к нулю, то это говорит о том, что в  осадках содержится уран, за счет которого и образуется ионий. В этом случае необходимо вносить поправку на ионий, образующегося за счет распада урана-238. [4]

3. Метод протактиния-иония.

Изотопы протактиний-231 и  ионий-230 обладают близкими химическими  свойствами и, следовательно, осаждаются на дно океанов с одинаковой скоростью  и в одинаковых условиях. При применении этого метода должны соблюдаться  следующие условия:

1. Изотопы урана-238, урана-235, иония-230 должны иметь в морской воде нормальные относительные содержания.
2. Присутствующий в осадках уран должен находиться в равновесии с продуктами его распада.
3. Время существования изотопов протактиния-231 и иония-230 в морских осадках должно быть сопоставимым.

Предел определения возраста этим методом составляет 175 тыс. лет. Иониевый метод является в настоящее  время единственным радиоактивным  методом, пригодным для абсолютного  датирования геологических событий, прошедших во второй половине четвертичного  периода (в интервале от 50 до 400 тыс. лет). [4]

 

5.  Радиоуглеродный метод.

 

1. Изотопный состав углерода.

Углерод в природе существует в виде двух стабильных изотопов: С-12 – 98,9% и С-13 – 1,1%. В результате воздействия  космического излучения на атмосферу  образуется радиоактивный изотоп углерода С-14 с периодом полураспада 5568 лет.

Радиоуглерод усваивается  растениями и живыми организмами, и  пока они живут количество его  в живом веществе остается постоянным. В момент смерти организма как  бы заводятся радиоуглеродные часы, т. к. С-14 перестает поступать в  организм, а его количество начинает убывать согласно закону радиоактивного распада. Радиоуглерод позволяет определять малый (археологический) абсолютный возраст в пределах от 1000 до 40000 и даже 100000 лет.

Требования, предъявляемые  к исследуемому природному объекту: концентрация изотопа С-14 в природном  объекте не изменялась со временем его выхода из обменного фонда  никакими процессами, кроме естественного  радиоактивного распада. [4]

 

1.5.2 Уравнение  для определения возраста.

В любом живом организме  имеется радиоуглерод, который генерируется в процессе жизнедеятельности организма. Когда организм гибнет, новый углерод  в него уже не поступает, с этого  момента происходит непрерывное  уменьшение содержания изотопа С-14 за счет бета-распада.

Либби предложил уравнение  для определения возраста углеродсодержащего природного объекта:

t= τ ln

где t – возраст исследуемого объекта; τ – средняя продолжительность жизни атома С-14, равная 8110 лет; - удельная активность углерода из современного объекта, равная 14 распад * (т.е. в грамме «живого» углерода каждую минуту происходит 14 актов радиоактивного распада); - удельная активность углерода исследуемого объекта. [5]

Используя данное уравнение, мы должны учитывать следующие допущения:

1. Интенсивность космической радиации за последние 30-40 и более тыс. лет была постоянной и радиоуглерод был равномерно распределен на все планете.
2. Как следствие из первого допущения следует, что и содержание изотопа С-14 в атмосфере Земли было постоянным в течение определяемого возраста.
3. Время обмена атмосферного углерода с углеродом гидросферы и биосферы должно быть малым, распределение радиоуглерода постоянным и равномерным в течение периода, охватываемого радиоуглеродным методом.
4. Природный объект, подлежащий исследованию, должен быть неизменным, с отсутствием явления привноса или выноса радиоуглерода.

Радиоуглеродный метод широко применяется в геологии, археологии и антропологии. С развитием радиоуглеродного метода стало возможным датировать время геологических событий  позднечетвертичного периода, сопоставить  в абсолютной шкале времени этапы  эволюции человеческого общества в  разных районах Земли, определить периоды  и продолжительность оледенения, изучить изменение земного климата  в позднечетвертичный период и целый  ряд других задач, стоящих перед  исследователями нашей планеты. [7]

 

ГЛАВА 2. Нераспространенные методы определения абсолютного  возраста горных пород.

В этой главе представлены менее распространенные методы датировки  горных пород. Данные методы не получили большого распространения в силу трудностей их осуществления. Так же в этой главе рассматриваются некоторые вторичные методы определения.

2.1 Ксеноновый  метод.

Принципиально определение  возраста минерала можно производить  по накоплению любого продукта спонтанного  деления урана. В настоящее время  для ксенона, одного из осколков деления, разработана высокочувствительная и точная методика, позволяющая определять его ничтожно малые количества.

Метод, использующий накопление ксенона для определения возраста минералов, был предложен Хлопиным и применен им для установления времени  образования некоторых уранинитов.

Полученная величина возраста для уранинита оказалась в  удовлетворительном согласии с данными  свинцового метода. В дальнейшем было показано, что в урановых минералах ксенон так же может образовываться в результате деления урана под действием вторичных нейтронов.

Для определения возраста урановых минералов ксеноновым методом  пригодны образцы с большим содержанием  урана, имеющие плотную кристаллическую структуру хорошей сохраненности, так как необходима уверенность в отсутствии потерь радиогенного ксенона, накопившегося в течение жизни минерала.

В силу ограниченного числа  минералов, пригодных для определения  возраста ксеноновым методом, а также  сложности выделения и определения  ксенона метод не имеет практического  значения. [5]

 

2.2 Кальциевый  метод.

Данный метод был предложен  Холмсом. На основании имевшихся  данных он предположил, что по накоплению Сa-41, образующегося в результате β-распада К-41, можно определить возраст пород.

Некоторые исследователи (Полевая  и т.п.) применили кальциевый метод  для определения возраста сильвинов. Определение радиогенного кальция  велось масс-спектрометрическим методом  изотопного разбавления.

Практическое применение кальциевого метода было затруднено ввиду сложности выделения и  определения ничтожно малых количеств  радиогенного кальция. [4]