ИЗОТОПНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА МИНЕРАЛОВ И ГОРНЫХ ПОРОД
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
|
| 2 М |
| после 713 млн лет |
| 713 млн лет |
| ос |
| V IH6HJ |
| 23 8 |
| и |