МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД


Рассмотренные методы определения относительного возраста горных пород не дают реального представления о геологическом возрасте Земли и о продолжительности установленных геохронологических подразделений. Относительная геохронология позволяет судить лишь о последовательности во времени отдельных геохронологических единиц, но их истинную продолжительность (в тысячах и миллионах лет) можно установить радиогеохронологическими методами, часто называемыми методами определения абсолютного возраста.
Термин «абсолютный возраст», противопоставляемый названию «относительный возраст», удобен для употребления, но он является неверным, так как любые полученные результаты не являются абсолютно точными. Известно, что каждая полученная цифра несет в себе определенную ошибку и требует проверки. Численные оценки возраста горных пород, используемые в наше время, основаны на данных радиоактивного распада некоторых элементов. Установленный таким образом возраст следует называть изотопным, а методы его определения — радиогеохронологическими, или радиологическими, хотя последнее- название менее удачно; часто употребляемое название «радиометрические методы» является неверным.
Несмотря на то что методы относительной геохронологии до сих пор являются основными в стратиграфии и в течение более 200 лет совершенствуются, ученые начиная с XVIII в. пытались разработать приемлемую методику определения «абсолютного» возраста горных пород. Для этого старались использовать различные химические, физические, геологические и даже биологические явления и процессы: подсчет скорости накопления солей в Мировом океане, оценку скорости аккумуляции, денудации, потери тепла Землей при остывании, эволюции разных групп организмов и т. д. Однако все эти попытки не принесли положительных результатов, из-за того что процессы, которые легли в основу примененных методов, не протекают с постоянной скоростью.

В конце XIX и начале XX в. представление о геологическом времен! и о возрасте Земли было совершенно неверным: многие ученые оцени вали возраст Земли в пределах 40—100 млн. лет.
Явление радиоактивности, открытое и изученное на рубеже XIX \
  1. вв. А. Беккерелем, П. Кюри и М. Кюри-Склодовской, знаменовало начало новой эры в геохронологии. Геологи получили надежный мето,д определения истинного возраста горных пород. Явление радиоактивности связано с процессом распада ядер атомов радиоактивных элементов, протекающим самопроизвольно, с постоянной скоростью, не зависящим от физико-химических явлений, происходящих в земной коре. Любые физические усилия, преобразующие земную кору (давление, температура и др.), не оказывают влияния на атомные ядра радиоактивных и стабильных радиогенных элементов. В природе наблюдается несколько типов ядерного распада; кратко охарактеризуем три основных: альфа-распад, бета-распад и электронный захват.

При альфа-распаде ядрами радиоактивных элементов выбрасываются альфа-частицы (ядра гелия, несущие двойной положительный заряд). Это происходит с наиболее тяжелыми элементами конца системы Менделеева (№ 81—92). Масса ядра атома гелия равна 4, при альфа- распаде атомный вес уменьшается на 4. Изотопы представляют собой атомы (точнее, атомные ядра) одного и того же элемента, отличающиеся по массе. После альфа-распада порядковый номер элемента уменьшается на 2, а масса на 4. Новое ядро в системе Менделеева займет место на две клетки левее.
При бета-распаде ядра самопроизвольно испускают бета-частицы, представляющие собой поток электронов, вылетающих из ядра с огромной скоростью. В самом ядре свободные электроны отсутствуют, при бета-распаде внутри ядра рождаются электроны, и сам процесс можно рассматривать как распад одного из ядерных нейтронов на протон и электрон (+нейтрино). Новый элемент в таблице Менделеева займет следующую клетку вправо.
При электронном захвате происходит поглощение орбитального электрона одним из внутриядерных протонов, это явление противоположно бета-распаду. Атомный номер элемента уменьшается на единицу и новый элемент займет место в таблице Менделеева на одну клетку левее. Встречаются радиоактивные элементы, у которых происходит и электронный захват, и бета-распад. Например, у радиоактивного изотопа 40К происходят оба процесса.
Рассмотренные ядерные превращения выражают формулами: альфа-распад 226Ra-gt;-a+222Rn, бета-распад 40К-gt;-р+40Са, электронный захват 40К-|-е-И0Аг.
Постоянная скорость радиоактивного распада обоснована теоретически и доказана опытным путем. Она характеризуется периодом полураспада— временем, в течение которого радиоактивное вещество уменьшается наполовину. Для установления изотопного возраста горных пород используются радиоактивные элементы с длительными периодами полураспада, исчисляемыми миллионами и миллиардами лет. Например, периоды полураспада у 232Th= 13,8 млрд. лет, 238U == = 4,53 млрд. лет, 235U = 4,13 млрд. лет, 235U = 713 млн. лет. Учитывая периоды полураспада и сравнивая их с геологическим возрастом Земли, несомненно, что перечисленные радиоактивные элементы полностью еще не распались и распад их ядер продолжается в наше время.

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 определять возраст, зная период полураспада радиоактивного изотопа.
В наше время применяют следующие типы самопроизвольных ядер- ных превращений при определении изотопного возраста:
238U_gt;84He+206pb;40K+e_gt;40Argt;
235U_^74He+207Pb)              40K_v40Ca              +              p)
232Th-*-64He+208Pb, S7Rb-v87Sr+p.
Названия методов определения изотопного возраста горных пород происходят от конечного продукта распада радиоактивного элемента: свинцовый, гелиевый, аргоновый, кальциевый и стронциевый. 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.
Для получения удовлетворительных результатов надо иметь минералы хорошей сохранности без включений других минералов и не подвергшиеся выветриванию, в процессе которого возможен как вынос, так и привнос изотопов. Радиоактивные минералы подвержены химическим изменениям, которые зачастую приводят к потере радиоактивных элементов, продуктов их распада или тех и других вместе. Все это может привести к неверным результатам, к так называемому «омоложению» возраста породы.
Свинцовый метод начал применяться ранее других, его впервые использовал Б. Болтвуд в Канаде в 1907 г. В основе этого метода лежит процесс радиоактивного распада изотопов 235U, 23sU, 232Th на изотопы свинца. Для определения изотопного 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. Повышение чувствительности анализа позволяет применять свинцовый метод и к слаборадиоактивным минералам (ксенотим, пирохлор и др.). Все указанные минералы встречаются в гранитах, пегматитах и кварцевых жилах.
20фЬ
Возраст вычисляется по четырем изотопным отношениям:
207Р5              207Р5 208РІЗ
-235Ц- , аоарь -ІЗЇТЇ7 с использованием закона распада радиоактивных
элементов. Для удобства возраст вычисляют по заранее составленным таблицам, номограммам и графикам.
Свинцовый метод наиболее надежен и хорошо разработан, более или менее удовлетворительные результаты получают для древних пород. Применение этого метода ограничено тем, что пригодные минералы хорошей сохранности встречаются редко.

Гелиевый метод был разработан на начальном этапе исследований, но основан на накоплении гелия при распаде урака и тория в разных минералах. К сожалению, гелий устойчиво сохраняется в кристаллических решетках лишь некоторых минералов; более или ме
нее прочно он удерживается магнетитом, самородным железом и пи- роксенами — железисто-магнезиальными силикатами. В наше время гелиевый метод применяют редко.
40Аг хе
Аргоновый метод был предложен советским ученым Э. К-Гер- лингом в 1949 г. и вскоре получил всеобщее признание. Естественной радиоактивностью обладает изотоп 40К, который путем электронного захвата превращается в аргон: 40К+е-^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
[e(Xe+V' — |],
«К хе + \
где Яе — константа электронного захвата 40К,              —              константа бета-
распада 40К, / — возраст минерала.
Длительность периода полураспада калия в аргон, равная 1,3 млн. лет, идеальна для определения изотопного возраста во всех интервалах геологического времени; характер распределения калия в горных породах позволяет применять метод в условиях почти любого геологического объекта; аргон хорошо сохраняется в кристаллической решетке минералов. В настоящее время аргоновый метод является основным, он широко применяется для определения возраста магматических, метаморфических и осадочных пород благодаря тому, что калиевые минералы распространяются в большом количестве в любых породах. Важнейшими минералами, пригодными для аргонового метода, являются: слюды (биотит, мусковит, лепидолит)*, калиевые полевые шпаты, роговая обманка, пироксены, сильвин, карналлит, глауконит. Возраст осадочных пород наиболее надежно устанавливают по глаукониту, магматических — по биотиту, мусковиту и по калиевым полевым шпатам.
Кальциевый метод, основанный на превращении 40К путем бета-распада в 40Са, применяется очень редко ввиду большой примеси нерадиогенного кальция в различных минералах.
Стронциевый метод основан на распаде 87Rb и превращении его в 87Sr путем бета-распада. Он применяется для определения возраста докембрийских пород из-за очень большого периода полураспада S7Rb (49,9 млрд. лет)'. Однако в последнее время в связи с наличием точной аналитической аппаратуры 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. Стронциевый метод применим к тем же минералам, которые используют в аргоновом; оба метода для контроля часто применяют вместе.
Радиоуглеродный метод основан на изучении радиоактивного изотопа углерода 14С, который образуется в атмосфере при реакции космических частиц с азотом 14N, а затем усваивается тканями растений. После гибели последних происходит распад накопленного в них

І4С с определенной скоростью, что и позволяет определять изотопный возраст растений и слоев, в которых они захоронены. Период полураспада 14С равен 5750 лет, поэтому с помощью радиоуглеродного метода можно установить возраст лишь таких пород, время образования которых не превышает 50—70 тыс. лет. Этот метод используют для определения возраста молодых четвертичных отложений, а также в археологии и антропологии. Объектом исследований являются остатки различных растений, а также обугленные растительные и животные ткани в золе кострищ доисторического человека.
Радиогеохронологические методы быстро совершенствуются, область их применения непрерывно расширяется. Как было отмечено, наибольшую ценность они имеют для определения возраста магматических и древних метаморфических пород, лишенных палеонтологических остатков. В последние 15—20 лет применение радиогеохроно- логических методов привело к полной ревизии стратиграфии докембрия. Они широко используются и для установления изотопного возраста фанерозойских отложений.
Долгое время неточности определения изотопного возраста возникали из-за несовершенства лабораторных исследований. Широкое внедрение универсальных методов исследования и главным образом масс- спектрометрии значительно повысило точность измерений и позволило перейти к массовым анализам.
Радиогеохронологические методы имеют большое будущее. Уже к нашему времени по всему земному шару проведены многочисленные
Таблица 9

Относительное летоисчисление

Изотопное летоисчисление
Зоны (млн. лет) Эры (мли. лет) *
Периоды
Длительность (млн. лет) Датировка рубежей (млн. лет)

Фанерозойский PH 580

Кайнозойская
KZ
65
Четвертичный Q 0,7
0,7
23
65
130
204
245
290
350
410
435
480
580+20
2550+100
Нижняя границе архея неизвестна
Неогеновый N 22,3
Палеогеновый -Р 42

Мезозойская
MZ
180
Меловой К 65
Юрский J 74
Триасовый Т 41

Палеозойская
PZ
335
Пермский Р 45
Каменноугольный С 60
Девонский D 60
Силурийский S 25
Ордовикский О 45
Кембрийский ? 100
Протерозойский PR Около 2000
Архейский AR Более 1500


измерения, которые позволяют составить достаточно хорошо согласуемые представления о продолжительности основных этапов геологической истории Земли. 'По данным измерения изотопного возраста в СССР и во-многих других странах давно разработаны геохронологические шкалы, которые продолжают совершенствоваться и уточняться. Для протерозойского зона установлены продолжительность и границы основных этапов, для палеозойской эры — продолжительность периодов, эпох и отдельных веков, а для мезозоя и кайнозоя — продолжительность всех эпох и веков. Особый интерес представляют результаты определения изотопного возраста мезо-кайнозойских отложений в океанах по результатам глубоководного бурения, осуществляемого с 1968 г. на специальном судне «Гломар Челленджер». Для отложений мела, палеогена и неогена непрерывно уточняются изотопные датировки не только для продолжительности и границ эпох и веков, но даже для палеонтологических зон.
В табл. 2 приведена геохронологическая шкала, составленная преимущественно по данным аргонового метода, опубликованным в 1981 — 1982 гг. Для фанерозоя указаны цифровые данные для периодов, а для эпох они приведены в таблицах геохронологических подразделений, которые помещены е начале описания истории Земли по эрам (главы 6, 7, 8).
 
<< | >>
Источник: Немков Г. И.. Историческая геология. Учебник для вузов. 1986

Еще по теме МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИЗОТОПНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД:

  1. Г л а в а 1 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  2. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД
  3.   § 1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД И ИЗУЧЕНИЯ ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ МИНУВШИХ ЭПОХ
  4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ВОЗРАСТА МАГМАТИЧЕСКИХ ПОРОД
  5.   § 1. СОСТОЯНИЕ И ВИДЫ ВОДЫ В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
  6. Свойства горных породи их роль в рельефообразовании
  7. § 1. ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ МАГМАТИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД
  8. ОСОБЕННОСТИ ДОКЕМБРИЙСКИХ КОМПЛЕКСОВ, МЕТОДЫ ИХ ИЗУЧЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВОЗРАСТА
  9. § 2. ВОДОПРОНИЦАЕМОСТЬ И ДРУГИЕ СВЯЗАННЫЕ С НЕЙ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД
  10. СВЕДЕНИЯ О ГОРНЫХ ПОРОДАХ (ПЕТРОГРАФИЯ)
  11. § 2. МЕТАМОРФИЗМ ГОРНЫХ ПОРОД, ЕГО ВИДЫ И СВЯЗАННЫЕ С НИМ ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ
  12. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер., 2012