АБСОЛЮТНАЯ ГЕОХРОНОЛОГИЯ

Истинную продолжительность отдельных геохронологических единиц (в тысячах и миллионах лет) можно установить радиогеохронологическими методами, называемыми также радиологическими или методами определения абсолютного возраста.

Для установления абсолютного возраста горных пород используются радиоактивные элементы с постоянной скоростью радиоактивного распада. Постоянная скорость радиоактивного распада обоснована теоретически и доказана опытным путем. Она характеризуется периодом полураспада - временем, в течение которого радиоактивное вещество уменьшается наполовину. Для установления абсолютного возраста горных пород используются радиоактивные элементы с длительными периодами полураспада, исчисляемыми миллионами, миллиардами лет. Учитывая периоды полураспада и сравнивая их с геологическим возрастом Земли, можно считать их вполне сопоставимыми, а это значит, что радиоактивные элементы (232Th = 15,17 млрд. лет, 238U = 4,51 млрд. лет, 235U = 0,713 млрд. лет) могут дать объективные данные возраста даже самых древних пород.
Абсолютный (изотопный) возраст определяется по минералам, имеющим в своем составе радиоактивные элементы. С момента образования таких минералов в них непрерывно происходит накопление продуктов распада - радиогенных стабильных изотопов. По любой паре радиоактивного и радиогенного стабильного изотопа можно определить возраст, зная период полураспада радиоактивного изотопа.
В наше время применяют следующие типы самопроизвольных ядерных превращений при определении изотопного возраста:
(альфа-распад)

(электронный захват)

(бета-распад) (альфа-распад) (альфа-распад) (бета-распад)
Для определения возраста надо знать соотношение начального и конечного элементов, для чего аналитическим путем устанавливают содержание радиоактивного вещества и продукта его распада в исследуемом минерале. Радиоактивные минералы подвержены выветриванию (химическим изменениям), которые приводят к потере радиоактивных элементов и продуктов их распада. Все это может привести к неверным результатам, к так называемому "омоложению" возраста породы.
Свинцовый метод начал применяться впервые в 1907 г. в Канаде ученым Б.Болтвудом. В основе этого метода лежит процесс радиоактивного распада изотопов 235U, 238U, 232Th на изотопы свинца. Для определения возраста надо знать содержание урана или тория и изотопа свинца в радиоактивном минерале. Обычно используют сильно радиоактивные минералы, содержащие более 1% урана или тория: уранинит, монацит, ортит, циркон. Указанные минералы встречаются в гранитах, пегматитах и кварцевых жилах. Возраст вычисляют по 4 изотопным отношениям: 206 Pb/238U, 207Pb/235U, 207РЬ/20бРЬ, 208Pb/232Th с использованием закона распада радиоактивных элементов. Для удобства возраст вычисляют по заранее составленным таблицам, номограммам, графикам.
Свинцовый метод наиболее надежен и употребляется для определения возраста древних пород, но применение его ограничено, так как редко встречаются пригодные и хорошей сохранности минералы.
Гелиевый метод был разработан на начальном этапе исследований, но основан на накоплении гелия при распаде урана и тория в разных минералах. К сожалению, гелий устойчиво сохраняется в кристаллических решетках лишь некоторых минералов, более или менее прочно он удерживается магнетитом, самородным железом и пироксенами - железисто-магнезиальными силикатами. В наше время гелиевый метод применяют редко.
Калий-аргоновый (аргоновый) метод был предложен советским ученым Э.К.Герлингом в 1949 г. и вскоре получил всеобщее признание. Естественной радиоактивностью обладает изотоп 40К, который путем электронного захвата превращается в аргон: 40К + е —gt; 40Аг. Применяя этот метод, надо знать, какая доля радиоактивного изотопа 40К превращается в аргон путем электронного захвата и какая в кальций путем бета-распада. Установлено, что примерно 88% ядер превращается ; в 40Са, а 12% - в 40Аг. По кальцию возраст определить трудно, а по аргону методика хорошо разработана. Вычисление возраста производится по отношению 40Аг/40К в минералах и горных породах, содержащих калий, по формуле

где Хе - константа электронного захвата 40К; А,р - константа бета-распада 40К; / - возраст минерала.
Длительность периода полураспада калия и образования аргона, равная 1,3 млрд. лет, идеальна для определения изотопного возраста во всех интервалах геологического времени. Аргон хорошо сохраняется в кристаллической решетке минералов.
В настоящее время калий-аргоновый метод является основным, он широко применяется для определения возраста магматических, метаморфических и осадочных пород благодаря тому, что калиевые минералы имеются в большом количестве в любых породах. Важнейшими минералами, пригодными для калий-аргонового метода, являются: слюды (биотит, мусковит, лепидолит), калиевые полевые шпаты, роговая обманка, пироксены, сильвин, глауконит. Возраст осадочных пород наиболее надежно установлен по глаукониту, магматических - по биотиту, мусковиту и по калиевым полевым шпатам.

Кальциевый метод, основанный на превращении 40К путем бета-распада в 40Са, применяется редко ввиду большой примеси нерадиогенного кальция в различных минералах.
Рубидий-стронциевый метод основан на распаде 87Rb и превращении его в 87Sr путем бета-1
распада. Он применяется для определения возраста докембрийских пород из-за очень большого"
периода полураспада 87Rb (47 млрд.

лет). Однако в последнее время с появлением точной анали
тической аппаратуры рубидий-стронциевый метод стал применяться для определения возраста
фанерозойских пород. Самостоятельных минералов рубидий не образует, а встречается в виде
примеси в калиевых минералах. Чаще всего используют слюды, в них содержится очень мало
стронция, но его достаточно для определения возраста пород. Рубидий-стронциевый метод приме
ним к тем же минералам, которые используются в калий-аргоновом; оба метода для контроля при
меняют вместе. ' = v! ''
Самарий-неодимовый метод основан на очень медленном распаде изотопа самария l47Sm, который встречается в смеси со стабильными изотопами |44, |48"150? 152, 154Sm с периодом полураспада 153 млрд. лет (постоянная радиоактивного распада % ~ 0,00654 млрд. лет"1). Конечным продуктом распада является радиогенный 144Nd. Возраст минерала, содержащего самарий, рассчитывается по формуле

Самарий-неодимовый метод считается одним из наиболее надежных (наряду с U/Pb по циркону) для определения возраста глубокометаморфизованных раннедокембрийских пород, хотя также иногда дает заниженные значения.
Радиоуглеродный метод основан на изучении радиоактивного изотопа углерода 14С, который образуется в атмосфере при реакции космических частиц с изотопом I4N, а затем усваивается тканями растений. После их гибели происходит распад накопленного в них 14С с определенной скоростью, что и позволяет определять изотопный возраст растений и слоев, в которых они захоронены. Период полураспада |4С равен 5750 лет, поэтому с помощью радиоуглеродного метода можно установить возраст лишь таких пород, время образования которых не превышает 50-70 тысяч лет. Этот метод используют для определения возраста молодых четвертичных отложений, а также в археологии и антропологии. Объектом исследования являются остатки различных растений, а также обугленные остатки растений и животные ткани в золе кострищ доисторического человека.
Метод треков осколочного деления базируется на том, что во всех минералах, содержащих уран, возникают структурные изменения, фиксирующие пробег осколков от спонтанного деления урана. Они видны в виде треков при увеличении под микроскопом. Обычно подсчитывается плотность этих треков, т.е. их число на единицу поверхности. Чем больше возраст минерала, тем больше плотность треков при прочих равных условиях. Для определения содержания урана образец минерала облучают нейтронами. Возникают новые треки от деления присутствующего урана, вызванного нейтронами. При этом возраст минерала будет являться функцией отношения числа треков от спонтанного деления урана к числу вновь появившихся треков на единицу площади или объема. Хотя метод не очень точен, его можно рассматривать как новый перспективный способ исследования. В последние годы трековый метод стали использовать для определения возраста четвертичных вулканических пород.
Радиологические методы непрерывно совершенствуются, возрастает их точность, разрабатываются новые, более тонкие методики. Они имеют наибольшую ценность для определения возраста магматических и метаморфических пород, лишенных каких-либо органических остатков, широко применяются также для установления возраста фанерозойских отложений, для определения продолжительности стратиграфических подразделений разного ранга, выделенных на основе палеонтологического метода.

Наиболее подходящими для радиометрического датирования, кроме радиоуглеродного метода, являются магматические породы. Меньше подходят метаморфические породы, поскольку ониgt; часто прошли не один, а два-три этапа метаморфизма, каждый из которых мог сопровождаться потерей радиогенных изотопов. Возраст осадочных пород обычно определяют косвенным образом, по возрасту прорывающих их и перекрываемых ими интрузивов или по прослаивающим их эффузивам и вулканическим туфам и пеплам. Именно так в основном была построена глобальная геохронологическая шкала фанерозоя. Но делаются попытки и непосредственно определить возраст песчаных пород K/Ar-методом по К-содержащему минералу глаукониту, а глинистых пород - по слюдам или валовым анализам. Последний метод дает часто завышенные значения, поскольку К-содержащие минералы являются обычно обломочными и более древними, чем сами глины, если только последние не состоят в основном из аутигенных глинистых минералов.
Опыт радиометрического датирования магматических и метаморфических горных пород показал, что наибольший смысл имеет комплексное применение разных методов к одной и той же породе и к разным составляющим ее минералам, а также к породе в целом ("по валу"). Дело в том, что разные изотопы обладают разной способностью к улетучиванию и разные минералы - к утрате этих изотопов при нагревании; например, амфиболы и пироксены устойчивее, чем слюды, аргон теряется легче всего и т.д. Измеряя возраст пород разными методами, мы получаем возраст, наиболее близкий к первичному возрасту породы или ее первому метаморфизму, а данные других методов позволяют датировать более поздние эпохи метаморфизма. К/Аг-метод обычно дает для интрузивных магматических пород заниженные значения возраста, поскольку изотопные отношения в них становятся стабильными лишь после остывания породы до 300°, что достигается через несколько миллионов и даже первые десятки миллионов лет после внедрения интрузии.

<< | >>

↑

Источник: В.М.Подобина, С.А.Родыгин. ИСТОРИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ. 2000

Еще по теме АБСОЛЮТНАЯ ГЕОХРОНОЛОГИЯ:

- Историческая геология, палеонтология - Геодезия - Геология -