Абсолютный возраст горных пород

Термин «абсолютный» считается устаревшим. Название метода — условное, приведено только как антоним заголовку предыдущего раздела. Ряд исследователей дают другие названия: ядерная геохронология [15], прикладная геохронология [16], изотопная геохронология, например,[17], геохронология по данным абсолютнолго возраста, радиометрическое датирование и др. Все эти синонимы не определяют сущность геохронологии, а косвенно отражают только методы проведения исследований.

В основе метода лежит явление самопроизвольного радиоактивного распада, который по Резерфорду и Содди (1903 г.) протекает по закону, описывающему ход мономолекулярной реакции. В результате из материнского радиоактивного изотопа jR образуется радиогенный изотоп дочернего элемента iD

,

где iDr — современная измеренные концентрация дочернего радиогенного изотопа, jRo — современные измеренные концентрации материнского изотопа. λr — постоянная распада атома jR.

[править]

Теоретические основы геохронологии

[править]

Уран — свинцовый и свинец — свинцовый методы

Эти методы являются основными в решении геохронологических задач, поскольку характеризуются универсальностью (применяются практически для всех видов минералов, не обязательно урановых) и относительной технологичностью и низкой стоимостью анализов.

[править]

^ Физические основы

Весь свинец в основном является смесью изотопов 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb (впервые доказал Ф. Содди). Эти изотопы не радиоактивны, такие изотопы называются стабильными; считается [15], что общее содержание 204Pb в целом постоянно и не зависят от возраста Земли. В целом это не так, поскольку установлено, что на Землю постоянно поступает большое количество космического вещества, содержащего повышенные концентрации 204Pb. В целом же географически его концентрации изменяются в широких пределах (см. рис.1). Изотопы 206Pb (RaG), 207Pb (AcD), 208Pb (ThD) являются радиогенными и образуются в результате радиоактивного распада соответственно 238U, 235U и 232Th. Схемы радиоактивного распада имеют вид (торий, при распаде которого образуется 208Pb, не рассматривается, поскольку его роль в геохронологии не велика):

238U → 206Pb + 84He;

235U → 207Pb + 74He;

Уравнения распада имеют вид соответственно:

где 238Uo, 235Uo — современные концентрации изотопов урана; год−1, год−1 —постоянные распада атомов соответственно урана 238U и 235U [18] (см. Свинец). На практике обычно пользуются уравнениями

Зафиксировав значения возраста t, можно получить график, который называется конкордией (предложил Везерилл, 1956 г.). Её уравнение имеет вид

,

где ψ = λ5/λ8; ψ ≈ 2π. Именно эта форма конкордии используется в практических целях. Конкордия — это монотонно возрастающая без точек перегиба кривая. Главное свойство конкордии — это геометрическое место точек, в которых возраст рассчитан не просто по изотопам свинца, как это не верно утверждают Д. Гевауэр и М. Грюненфельдер [19], а по радиогенным свинцам.

Поскольку уран на много подвижнее свинца, то объединение уравнений (3) и (4) позволяет избавиться от него через выражение

где KoU = 238Uo/235Uo — величина, зависящая только от возраста урана и на данный момент KoU = 137,8[5]. Анализируя уравнение, Г. Фор (1989 г.) получил равенство

.

Отношение изотопов Pb и KoU- отношение изотопов U берутся на некоторый момент времени t отложения U. Тогда при известных значениях параметров правой части равенства получаем современное значение отношения радиогенных изотопов Pb (206Pbr/207Pbr)o = 21,798.

Приведённые уравнения являются исходными при разработке методов интерпретации свинцово-изотопных данных. На практике этот метод не реализуем, поскольку не известны составы радиогенных свинцов. Реальный свинец кроме радиогенного содержит другие формы, перечень которых приведён во многих работах, например,[15]. Однако эти формы свинца не имеют чёткого определения и образуют только информационный шум. Наиболее практичным оказались представления об обыкновенном, или примесном, свинце и задача его определения стала одной из важных в разработке методов геохронологии. На практике наиболее приемлемым оказалось определение понятия примесный свинец — свинец, находящийся в системе к моменту отложения урана и начала распада последнего или/и пришедший в систему вместе с ураном. Формально это отражается равенством iPb = iPbr + iPbo, например,

где iPbo — примесный свинец. С несколько иной интерпретацией члена iPbo это равенство использовано в методе Дамона — Гаутерманса[15].

[править]

Практические приёмы

В практической геохронологии в выражении (6) радиогенный свинец заменяется его выражением из (1)

где . Это уравнение является исходным для уран-свинцового метода. Однако в таком виде оно не используется; его сильно усложняют за счёт введения параметра 204Pb,[15],[5],[16], преобразуещего его в уравнение

;

Затем член 206Pbo/204Pb заменяется на (206Pb/204Pb)o, который принимается за «первоначальную распространённость» изотопов свинца. Это уравнение является одним из основных в методе Дамона-Гаутерманса.

Распределение изотопа свинца 204Pb.

Анализ уже этого уравнения выявляет несколько несуразиц.

1. Совершенно не ясно, зачем вообще вводится в систему 204Pb.

2. Не верен механизм ввода в систему этого свинца. Утверждается, что он вводится в связи с тем, что за всю историю Земли его абсолютная концентрация не изменяется[15]. Но в конкретных случаях в систему вводится не вообще 204Pb, а свинец конкретного объекта, который (рис.1) изменяется в очень широких пределах[13]. Следовательно в записи (6b) это уравнение должно рассматриваться либо как уравнение плоскости, либо уравнение с двумя неизестными, которое, как известно, решение не имеет. Эта ошибка возникла и повторяется во многих иностранных работах, например, Э. Р. Канасевича [20],G.L. Cumming (1969), J. S. Stacey (1974, 1975) и др. и систематически переписывается советскими (российскими) геохронологами, отражая незнание основ дифференцирования и интегрирования (под знак дифференциала или интеграла извне могут вводится (выводится) только постоянные величины).

3. Отсюда и не верен механизм замены одной формы свинца другой, поскольку не верна интерпретация свободного члена (современный свинец искусственно превращается в первоначальный).

4. Интерпретация свободного члена в уравнении (6b) вообще не верна. Это уравнение является линейным уравнением первой степени. В разделе математики, посвящённом геометрии на плоскости, имеется раздел об уравнении прямой, проведённой через заданную точку, а это как раз и относится к рассматриваемой выше задаче. Это уравнение имеет вид Y = AX + B. Если заданная точка имеет значение Xo и Yo (что соответствует составам «первоначального (?) свинца»), то B = Yo — AXo.

В настоящее время разработана методика оценки этих составов на основе представлений об уравнениях компенсации"[21],[22] [3]. Пример решения этой задачи отражён на рис.2. Тогда для пород получены значения Xo2= 18,75 и Yo2= 15,70; для метеоритов- Xo2= 9,79 и Yo2= 10,62 (здесь Х = 206Pb/204Pb, Y = 207Pb/204). Xo2 и Yo2 — составы свинцов в источнике вещества, общем для обыгрываемых пород, они отражают координаты точки пересечения нескольких изохрон.

Другим примером ложного уравнения является выражение в коордиинатах 207Pb/204Pb -206Pb/204Pb. Оно возникает из комбинации уравнений типа (6b) приобретаz, например, вид ([5], стр.17)

;

Здесь . Далее утверждается, что это решение даёт «действительное значение возраста».

Как видно, во- первых, и здесь существует проблема с 204Pb. Почему этот результат истинен? Подобных объединений создано очень много и всегда утверждается, что они дают истинный результат. Но если уравнения типа (6b) не дают правильный результат, то почему комбинация этих уравнений (вида (6c)) даёт верный результат? Если же уравнения типа (6b) дают верный результат, то эти построения бессмыслены.

Уравнение (6c) может иметь и другую интерпретацию: это уравнение прямой, отражающей характер распределения изотопов свинца в изотермических условиях, то есть это- изотерма. Следовательно имеются две альтернативные интерпретации — изохрона или изотерма. А значит при использовании её в качестве изохроны необходимо вводить поправки за влияние температуры образования минерала.

Во многих случаях в целях контроля авторы, например, Е. Б. Андерсон и др. (1987 г.); Э. К. Герлинг и др. (1976 г); и др. используют несколько геохронологических уравнений, количество которых достигает 5- 6. Естественно, что каждое из этих уравнений дает отличный от других результат; это различие рассматривается как проявление дискордантности, например,[23]. Анализ же показал (см. рис.3), что одни геохронологические уравнения выводятся из других, причём выявляется некоторая исходная группа уравнений (крайний левый прямоугольник).

Особый интерес представляет система с конкордией (рис. 4.). Формально, для посторения конкордии нужны данные о радиогенных свинцах, и для их определения в уравнение (6) вносят поправки за содержание примесного свинца. При использовании собственно уравнения (6) точки (например, точка А на рис.4) отскакивают от изохроны и им приписывается три значения возраста (см. рис.4). Это ращепление и носит название «дискордантности». Чаще всего между ними устанавливаются тношения t1 < t2 < t3, и связь между ними имеет вид[13]

;

здесь Y = t3/t1, X = t2/t1.

При анализе причин этого явления предложены различные модели (вообще правильно (!!!) — гипотезы):

Закрытые системы.

Незамкнутостые относительно Pb, U, Th минеральные системы.

В незамкнутых (или открытых) системах выделяют а)эпизодические нарушения замкнутости систем; б) непрерывные потери изотопов; в)диффузионные потери; г)потери за счёт химического взаимодействия; д) непрерывные потери свинца; е)потери за счёт расширения (метамиктного) решётки минерала. Таким образом придуманных гипотез, то бишь моделей, уйма, но они обладают одним недостатком: не созданы объективные критерии определения влияния именно предполагаемой модели в противовес другим гипотезам, поэтому любой исследователь действует, как ему вздумается.

Для решение задач, связанных с открытыми системами, предложена комбинация конкордии и изохроны, которая названа псевдоизохроной[13], поскольку в системе с конкордией изохрона не существует по определению. В этом случае наблюдается пересечение конкордии псевдоизохроной максимум в двух точках. Интерпретация точек пересечения неоднозначна, то есть субъективна. Особенно одиозна нижняя точка пересечения. Только C.J. Allegre ([5], С.41) справедливо указал, что нижняя точка не имеет реального смысла. Однако, этот вывод был отброшен и возобладал взгляд G.W.Wetherill, который приписывал ей некий физический смысл. Тогда по второй точке зрения[5] нижняя точка «отвечает значению возраста их образования (породы)», а вторая-«верхний предел времени дифференциации U и Pb в земной коре». По третьей — верхняя точка отвечает времени становления породы, нижняя — времени наложенной минерализации. Ясно, что это — разночтения одного и того же явления.

Главная и единственная причина возникновения всей дискордантности — это неверные оценки величины поправки за примесный свинец. Это обусловлено тем, что нет объективных критериев оценки состава этого свинца, а операция производится по геологическим соображениям, то есть произвольно и субъективно.

[править]