ИЗОТОПНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА МИНЕРАЛОВ И ГОРНЫХ ПОРОД - раздел Геология, ОБЩАЯ ГЕОЛОГИЯ Многочисленные Попытки Найти В Макромире Природные Часы, Которые Бы Позволял...
Многочисленные попытки найти в макромире природные часы, которые бы позволяли надежно устанавливать возраст горных пород и руд, время проявления и длительность геологических процессов, не увенчались успехом. Такие часы скрывались в микроскопическом мире атомов, и обнаружение их стало возможным только после открытия в 1896 г. французским физиком А. Беккерелем явления радиоактивного распада. Было также установлено, что процесс радиоактивного распада происходит с постоянной скоростью как на нашей Земле, так и в Солнечной системе. На этом основании П. Кюри (1902) и независимо от него Э. Резерфорд (1902) высказали мысль о возможности использования радиоактивного распада элементов в качестве меры геологического времени. Так наука в начале XX столетия подошла к созданию часов, основанных на радиоактивных природных превращениях, ход которых не зависим от геологических и астрономических явлений.
Первые определения возраста по отношению Pb/U были сделаны в США Б. Болтвудом в 1907 г. Для трех образцов уранинита были получены значения возраста от 410 до 535 млн лет, которые хорошо согласуются с более поздними датировками. Важным техническим достижением в геохронологии было изобретение Ф. В. Астоном (1927) масс-спектрографа — прибора, предназначенного для измерения масс изотопов. Изотопами называются разновидности атомов, имеющие одно и то же число протонов (Z), а следовательно, один и тот же атомный номер в Периодической таблице элементов, но разное число нейтронов (N) и, соответственно, разные массовые числа (А), т. к. масса ядра складывается из суммы масс входящих в него протонов и нейтронов, т. е. А = Z + N. При указании химического символа изотопа его массу принято записывать слева вверху, а заряд ядра слева внизу: g2,38U, 9„ 21SU, &wSm, 6иС и т. д.
Э. Резерфорд ом (1899) было установлено, что при радиоактивном распаде испускаются три вида компонентов, которые он обозначил буквами греческого алфавита — а, р иу (рис. 3.7). В последующем было установлено, что а-частицы являются быстродвижущимися ядрами гелия, р-частицы — быстрыми электронами, у-компонент представляет собой электромагнитное излучение, подобное рентгеновским Х-лучам. По наименованию частиц, испускаемых радиоактивными элементами, названы соответствующие типы радиоактивного распада.
а -распад испытывают только тяжелые химические элементы. Причиной этому служит, по-видимому, высокое содержание в их ядрах положительно заряженных частиц — протонов, создающих высокую энергию
Рис. 3.7. Три типа радиации, выявленные Э. Резерфордом. В свинцовой коробке находится радиоактивное вещество. Радиация состоит из трех типов: альфа (а), гамма (у) и бета ((5), что фиксируется на фотографической пластинке.
|
кулоновского отталкивания, ослабляющего связь нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) в ядре. При достижении некоторого критического значения Z и А ядру становится энергетически выгоднее переход в состояние с меньшим числом ядерных частиц. Распад ядра сопровождается испусканием а-частицы (иона .. .Не ) и образованием нового ядра, в котором нейтронов (N) и протонов (Z) меньше на 2, т.е. (A, Z) (А-4, Z-2) + + 2(Не.
Р-распад (электронный распад) состоит в том, что ядро самопроизвольно испускает р-частицу — электрон, характеризующийся отрицательным зарядом, и нейтральную элементарную частицу — антинейтрино (н). Для ядра энергетически не выгодно сверхнормативное число нейтронов относительно протонов, и оно будет стремиться избавиться от лишних нейтронов путем распада одного из них на протон, электрон и антинейтрино. Новообразованный электрон выбрасывается из ядра, а возникшее новое ядро будет обладать зарядом, на единицу большим: (A, Z) —> (A, Z+l) + Р~ + н. Из других видов радиоактивного распада отметим К-захват и спонтанное деление.
К-захват (электронный захват). При этом типе распада ядро захватывает электрон из ближайшего к нему К-уровня электронного облака. В ядре электрон соединяется с протоном и превращает его в нейтрон. В итоге при К-захвате заряд уменьшается на единицу, а массовое число остается постоянным: (A, Z) + Р'-> (A, Z-1) + у.
Спонтанное (самопроизвольное) деление ядра на два сравнимых по массе осколка является свойством очень тяжелых ядер. Оно было открыто в СССР К. А. Петржаком и Г. Н. Флеровым в 1940 г. Процесс этот очень медленный. Например, на 2 230 тыс. p-распадов '""и приходится всего один акт спонтанного деления. Возраст горных пород и минералов обычно выражается в 10s и 109 лет или в значениях Международной системы единиц (СИ):
Ма и Ga. Эта аббревиатура образована от латинских Mega anna и Giga anna, означающих соответственно «млн лет» и «млрд лет».
Все типы радиоактивных превращений подчиняются закону радиоактивного распада. Этот закон определяет зависимость между числом изотопов в закрытой системе (минерале, породе) в момент ее образования No и числом атомов Nt, не распавшихся по прошествии времени t: iV = Nreu, где
Я — постоянная распада — доля распавшихся ядер данного изотопа за единицу времени, от общего их количества в закрытой системе (минерале, породе). Размерность этой единицы — год1; е — основание натуральных логарифмов. Из закона радиоактивного распада выведено главное уравнение геохронологии, по которому вычисляется возраст, отсчитываемый радиоактивными часами:
t - 1/Х In (N/N +1),
где Nk — число изотопов конечного продукта распада; iV — число радиоактивных изотопов, не распавшихся по прошествии времени t. Таким образом, чтобы определить возраст минерала или породы (t), достаточно измерить количество материнского радионуклида и продукта его распада — стабильного дочернего изотопа. Численное значение л для каждого радиоизотопа определяется особо и при обычной работе берется из таблиц. Вместо постоянной распада радиоактивного изотопа на практике часто используется другая его характеристика — период полураспада (Т/2) — время, за которое число радиоактивных ядер данного изотопа убывает наполовину. Период полураспада связан с постоянной распада следующим отношением: Т V. = /и2/Я = 0,693/Л.
Названия изотопно-геохронологических методов обычно образуются от названий радиоактивных изотопов и конечных продуктов их распада. По этому признаку различают уран-торий-свинцовый (часто уран- свинцовый), калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, рений-осмиевый и другие методы. Иногда названия даются только по конечному (стабильному) продукту радиоактивного превращения: свинцовый, аргоновый, стронциевый методы и т. д.
Рассмотрим в качестве примеров некоторые изотопно-геохронологические методы (табл. 9).
Уран-торий-свинцовый метод. Радиоактивный распад урана и тория в стабильные изотопы свинца долгое время (до появления самарий-неоди- мового метода) рассматривался в качестве стандарта, с которым сравнивались данные других методов (рис. 3.8). Вместе с тем это один из наиболее сложных методов в изотопной геохронологии. В уран-ториевой изотопной системе существуют три независимых семейства радиоактивного распада:
238U 20бРь + 84Не + 6р- + Q.
235у 207pk + /,Нр + 4р- + Q-
232Th 208РЬ + 64Не + 4р- + Q
Таблица 9
Значения констант, принятых в изотопной геохронологии
| Радионуклид
| Тип распада
| Радиогенный изотоп
| X, 10"9/год
| T У2, 109 лет
| | 238JJ
| а
| 20Gpb
| 0,155125
| 4,4683
| | 235U
| а
| 207pb
| 0,98485
| 0,70391
| | 232JJ
| а
| 208pb
| 0,049475
| 14,01
| | 87Rb
| Р"
| B7Sr
| 0,0142
| 48,8
| | «к
| К-захват
| 40 Ar
| 0,0581
| 1,25
| | 147Sm
| а
| 143Nd
| 0,00654
|
| | 187Re
| Р"
| !S7Os
| 0,0164
| 42,256
| |
Все темы данного раздела:
Солнечная радиация
Длина волн
> 24 микрона 7% 0,17 - 0,35 мк 46% 0,35 * 0,75мк 47% 0,76 + 4,0 мк
ХИМИЧЕСКИЙ И МИНЕРАЛЬНЫЙ СОСТАВ НЕДР ЗЕМЛИ
Определение химического и минерального состава геосфер Земли представляет собой очень сложную задачу, которая во многом может быть решена лишь весьма приблизительно, основываясь на косвенных данных
ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
Законы падения тел на Земле изучал Галилео Галилей (1564-1642). Он первый определил величину ускорения свободного падения (силы тяжести): g = 9,8 м/с2.
Им была установлена незав
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
Более 400 лет назад У. Гильберт высказал предположение, что Земля сама является магнитом, но механизм возникновения ее намагниченности до сих пор не вышел за рамки гипотезы.
Минералы
Все вещество земной коры и мантии Земли состоит из минералов, которые разнообразны по форме, строению, составу, распространенности и свойствам. Все горные породы состоят из минералов или продукто
Горные породы
Горные породы представляют собой естественные минеральные агрегаты, формирующиеся в литосфере или на поверхности Земли в ходе различных геологических процессов. Основную массу горных пород слагают
СТРОЕНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ
зерен, как правило, увеличиваются по мере роста температур метаморфизма (рис. 2.26).
В предыдущем разделе было установлено общее внутреннее строение земног
ОТНОСИТЕЛЬНАЯ ГЕОХРОНОЛОГИЯ
Одной из главных задач геологии является воссоздание истории развития Земли и ее отдельных регионов. Сделать это возможно, только если известна последовательность геологических событий, если мы зн
Lt; • • »J
/
Л f
L
П ( 1ЧЧн J
235JJ
207pb
207рЬ
ТЕКТОНИКА ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ - СОВРЕМЕННАЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ
В 50-е гг. XX в. геологические и геофизические исследования Земли проводились исключительно интенсивно. Особенно это касалось океанов, о строении дна которых и тем более о структуре земной коры в
ВЫВЕТРИВАНИЕ
Большинство геологических процессов на поверхности Земли обусловлены действием солнечной энергии и силы тяжести. Такие процессы называются экзогенными. Все горные породы под воздействием целого
ПРОЦЕССЫ ГИПЕРГЕНЕВА И КОРЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ
Под зоной гипергенеза понимается поверхностная часть земной коры, непрерывно подвергаемая воздействию различных экзогенных факторов и в которой горные породы стремятся войти в равновесие с непрерыв
ОБРАЗОВАНИЕ ПОЧВ И ИХ СВОЙСТВА
Практически вся поверхность суши покрыта тонким слоем почвы, энергетически и геохимически весьма активным, в котором проявляется взаимодействие между живыми организмами, атмосферой, гидросферой и
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТЕКУЧИХ ВОД
Водные потоки производят огромную геологическую работу на поверхности суши. Реки, ручьи, ручейки переносят основную массу продуктов выветривания в озера, моря и океаны. Ежегодный твердый сток (вы
ВРЕМЕННЫЕ ВОДНЫЕ ПОТОКИ
Временные водные потоки возникают при выпадении атмосферных осадков или таянии снегов. В остальное время сток в равнинных условиях приводит к формированию оврагов, т. к. отдельные безрусловые пот
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ РЕК
Реки, протекающие на всех континентах, кроме Антарктиды, производят большую эрозионную и аккумулятивную работу. Полноводность и режим рек зависят от способа их питания и от климатических уело-
УСТЬЕВЫЕ ЧАСТИ РЕК, ДЕЛЬТЫ И ЗСТУАРИИ
Крупные реки впадают в моря и океаны, более мелкие — в озера и крупные реки. В том месте, где русло нижнего течения реки — устье — выходит к морю, образуется самостоятельный в ландшафтном и геолог
РАЗВИТИЕ РЕЧНЫХ ДОЛИН И ФОРМИРОВАНИЕ РЕЧНЫХ ТЕРРАС
В своем развитии любая река проходит ряд стадий: от молодости до зрелости.
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Все воды, находящиеся в порах и трещинах горных пород ниже поверхности Земли, относятся к подземным водам. Часть этих вод свободно перемещается в верхней части земной коры под действием гравитаци
ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
Вода в горных породах бывает нескольких видов.
1. Кристаллизационная вода находится в составе кристаллической решетки некоторых минералов, например в гипсе — CaS04 • 2Н2
ДВИЖЕНИЕ И РЕЖИМ ГРУНТОВЫХ ВОД
Зеркало грунтовых вод ведет себя в зависимости от рельефа, повышаясь на водоразделах и понижаясь к рекам, оврагам и другим местам дренирования. Естественно, вода в водоносном слое под действием с
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ И ОКРУЖАЮЩАЯ СРЕДА
Гидрогеологические процессы, происходящие в верхней части земной коры, тесно связаны с хозяйственной деятельностью человека — водоснабжением, эксплуатацией городских агломераций, обоснованием стро
КАРСТОВЫЕ ПРОЦЕССЫ
Карстовые процессы развиваются в растворимых природными поверхностными и подземными водами горных породах: известняках, доломитах, гипсах, ангидритах, каменной и калийной солях. Основой являются п
КАРСТОВЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА
На поверхности карстовые формы представлены каррами, желобами и рвами, понорами, воронками разных типов, западинами, котловинами, слепыми долинами (рис. 8.1).
Карры — это р
ГРАВИТАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ
Если горные породы приобретают неустойчивое состояние, то в один прекрасный момент под действием силы тяжести может произойти обвал или оползень. Причин создания неустойчивости может быть много. Эт
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ОЗЕР
Озеро — это углубление на поверхности суши — котловина, частично заполненная водой. Озера не обладают непосредственной связью с океанами или морями и наиболее широко развиты в областях гумидного к
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ БОЛОТ
Болото представляет собой аккумулятивное образование, характеризующееся временным или постоянным избыточным увлажнением, наличием влаголюбивой растительности и присутствием торфяных залежей. Влаж
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ВЕТРА
Ветер является одним из важных геологических агентов, изменяющих лик Земли. Он производит геологическую работу повсеместно, но весьма неравномерно. Работа ветра будет намного интенсивней там, где
ДЕФЛЯЦИЯ И КОРРАЗИЯ
Под дефляцией понимается выдувание рыхлых, дезинтегрированных горных пород с поверхности Земли, а корразией называется обтачивание выступов горных пород твердыми частицами, переносимыми потоками
АККУМУЛЯЦИЯ ЭОЛОВОГО МАТЕРИАЛА
Переносимые ветром частицы пыли, «перетекающие» пески, подброшенные ураганом обломки и гальки где-то должны накапливаться, формируя толщи эоловых отложений. Пыль, вулканический пепел и мельчайший
ТИПЫ ПУСТЫНЬ
Пустыни объединяются в типы на основании того, преобладает ли в них дефляция или разные способы аккумуляции рыхлого материала.
Каменистые (скальные) пустыни, или гаммады, представляют соб
ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ СНЕГА, ЛЬДА И ЛЕДНИКОВ
В современную эпоху 11 % суши, или 17 млн км2, занято ледниками и ледниковыми покровами, объемом около 30 млн км3. Из них 98 % приходится на материковые покровы, 2 % — на шель
РАЗРУШИТЕЛЬНАЯ (ЭКЗАРАЦИОННАЯ) ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЛЕДНИКОВ
Термин экзарация используется для обозначения эродирующей деятельности ледника, которая появляется благодаря огромному давлению, движению льда, а также воздействию на ложе ледника включенных в
ТРАНСПОРТНАЯ И АККУМУЛЯТИВНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЛЕДНИКОВ
При своем движении ледник захватывает и переносит различный материал, начиная от тонкого песка и кончая крупными глыбами весом в десятки тонн. Попадают они в тело ледника различными способами.
ВОДНО-ЛЕДНИКОВЫЕ ОТЛОЖЕНИЯ
Крупные материковые покровы льда при своем таянии поставляют огромную массу воды. Целые реки текут по поверхности краевой части ледника, внутри него и подо льдом, вырабатывая в нем туннели. Ст
Ш1щщшщшщ
Рис. 13.7. Схема миграции воды и сортировки обломочного материала в рыхлой породе (по А. К. Орвину, 1942). а — начало промерзания и миграция воды; б — выталкивание обломков к краям, т. к. в центре
СКЛАДЧАТЫЕ НАРУШЕНИЯ
Наблюдая толщи горных пород, смятые в складки, кажется, что формы складок бесконечно разнообразны. На самом деле их можно свести к нескольким основным типам и легко различать в кажущемся хаосе разл
РАЗРЫВНЫЕ НАРУШЕНИЯ
До сих пор речь шла о таких деформациях пластов горных пород, которые не нарушали сплошности пласта, хотя пласт при этом мог сильно изгибаться. Иными словами, даже в самых сложных складках можно пр
МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ
Землетрясение тектонического типа, т. е. связанное с внутренними эндогенными силами Земли, представляет собой процесс растрескивания, идущий с некоторой конечной скоростью, а не мгновенно. Он пред
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ И ИХ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ПОЗИЦИЯ
Распространение на земном шаре землетрясений носит крайне неравномерный характер (рис. 18.7). Одни места характеризуются высокой сейсмичностью, а другие — практически асейсмичны. Зоны концентрац
ПРОГНОЗ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Несмотря на все усилия различных исследователей, предсказать десятилетие, год, месяц, день, час и место, где произойдет землетрясение, пока невозможно. Сейсмический удар происходит внезапно и зас
СЕЙСМОСТОЙКОЕ СТРОИТЕЛЬСТВО И ПОВЕДЕНИЕ ГРУНТОВ ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ
Все строительство в сейсмооиасных районах осуществляется по специальным требованиям, направленным на повышение прочности зданий. Это и специальные фундаменты; и способы крепления стен зданий; и
ГЛАВНЫЕ СТРУКТУРЫ ЛИТОСФЕРЫ
Континенты и океаны обладают различным строением и возрастом земной коры. Континентальная кора имеет мощность до 75 км, в среднем 40 км, и, как уже говорилось, состоит из трех слоев (сверху вниз):
ЧЕЛОВЕК И ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ СРЕДА
Прошедший век ознаменовался небывалым наступлением человека на природную, в том числе геологическую, среду, под которой понимается самая поверхностная часть земной коры, подверженная техногенному
ДОСТИЖЕНИЯ В ИЗУЧЕНИИ ЗЕМЛИ
Вторая половина XX в. ознаменовалась бесспорными достижениями в изучении не только Земли, но и всех планет Солнечной системы. Решающими факторами были успехи в технике и технологиях. Человечество
КОНЦЕПЦИЯ НЕЛИНЕЙНОСТИ В ГЕОЛОГИИ
Изложенное в предыдущих разделах показывает многообразие задач геологии как науки. Они, однако, сводятся в конечном счете к одной главной задаче — к прогнозированию глубинных и приповерхностных з
ТЕПЛОВОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
Температура поверхностной части земной коры почти полностью зависит от солнечного излучения, но суточные и сезонные колебания температуры не проникают глубже нескольких десятков — сотен метров. Вс
Новости и инфо для студентов