Использование радиоактивных изотопов для
ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО ВОЗРАСТА
ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ
Цель работы:ознакомиться с основными методами определения абсолютного возраста горных пород.
Краткая теория
Ранее единственным способом установления относительного геологического возраста пород был закон их последовательного напластования. Согласно этому закону, в ненарушенной стратиграфической последовательности пластов самыми древними считаются породы, лежащие в основании, а самыми молодыми — в верхах разреза. Ископаемые остатки фауны и флоры помогают выяснению относительного возраста осадочных образований. Определение же возраста интрузивных пород, не имевших фауны, нередко было спорным. Применение радиоактивных методов позволяет выражать возраст минералов и пород в единицах времени, а не только получать сравнительные данные. Поэтому эти методы называют методами определения абсолютного возраста.
Радиоактивные методы определения абсолютного возраста геологических образований основаны на том, что превращение радиоактивных элементов протекает с постоянной и неизменной для данного изотопа скоростью. Следовательно, изотопы являются точными индикаторами возраста тех образований, в которые они входят.
Методы определения абсолютного возраста условно разделяют на первичные, основанные на вычислении времени по самому процессу радиоактивных превращений, и вторичные, базирующиеся на изучении явлений, возникающих в минералах под действием излучений от радиоактивных элементов, входящих в минерал. Вторичные методы практически пока не применяются.
К первичным относятся свинцовый, гелиевый, аргоновый и стронциевый методы. Начинает развиваться осмиевый метод. С помощью перечисленных методов можно рассчитать возраст пород в диапазоне миллионы — миллиарды лет. Выбор метода, с помощью которого может быть определен возраст геологического образования, зависит от наличия в породе определенных минералов сингенетичного происхождения и хорошей их сохранности. Потеря или привнос элементов не должен происходить в течение всего времени с момента образования минерала до наших дней. Кроме того, имеются специфические условия применения каждого радиоактивного метода в отдельности.
Свинцовый метод является наиболее надежным и разработанным методом. В основе его лежит процесс превращения урана, тория и актиноурана в радиогенный свинец:
Для определения абсолютного возраста свинцовым методом выбирают радиоактивные минералы с содержанием U и Th более 1 %, например уранинит, монацит, ортит и циркон. Пригодные для свинцового метода минералы хорошей сохранности встречаются чаще всего в пегматитах и кварцевых жилах. В наиболее простом случае, когда минерал содержит элементы только уранового ряда, а возраст его относительно мал (меньше 200 млн. лет), расчет возраста производится следующим образом. Пусть N0 — число атомов урана в минерале во время его образования, Nt— число атомов урана по прошествии времени t (в настоящее время), РbU— число атомов свинца-206, образовавшихся за время t, lU — константа распада урана. Согласно закону превращения радиоактивного вещества, N0 = . При t < 200 млн. лет решение этого выражения относительно t:
.
Содержание свинца и урана определяется обычно методами химического анализа и выражается в граммах, поэтому в окончательной формуле для расчета возраста необходимо учесть атомные веса урана и свинца:
.
При одновременном присутствии в минерале урана и тория последний выражают в виде эквивалента урана, учитывая соотношение их активностей. Формула для расчета возраста (в млн. лет) в этом случае имеет вид
.
Эта формула не учитывает распада актиноурана и уменьшение количества U и Th со временем.
Для вычисления возраста древних минералов (t > 200 млн. лет) следует произвести изотопные определения свинца и урана. Формулы для расчета возраста по различным вариантам свинцового метода имеют следующий вид:
;
Для удачно подобранных минералов хорошей сохранности значения возраста, рассчитанные по этим формулам, обычно совпадают.
В случае изотопного анализа свинца, извлеченного из минерала, возраст можно рассчитать без применения урана по формуле
.
Метод определения возраста минералов по отношению изотопов свинца считается наиболее надежным.
Гелиевый метод вычисления абсолютного возраста основан на определении соотношения между количествами накопившегося гелия и исходного изотопа (U, Th, AcU). Минералы с большим содержанием радиоактивных элементов не пригодны для определения их возраста гелиевым методом, так как скопление большого количества радиогенного гелия создает повышенное давление газа внутри минерала, и гелий диффундирует из него в окружающую среду. Для определения возраста годятся кристаллы самородных металлов (железа, меди, платины), а также минералы хорошей сохранности из группы танталониобатов и шлиховой магнетит. Однако и в этом случае возраст пород, определенный гелиевым методом, получается обычно заниженным.
При отсутствии потери гелия возраст минералов, млн. лет (t < 200 млн. лет) рассчитывается по формуле
,
где количество гелия и тория дано в граммах.