Радиогеохронологические методы.

Рассмотренные ранее группы методов не дают реального представления о возрасте слоёв или пластов. Истинную продолжительность их формирования (в тысячах и миллионах лет) можно определить радиогеохронологическими методами. Они основаны на том, что скорость радиоактивного распада элементов постоянна и не зависит от условий, существовавших или существующих на Земле. При распаде элементов, находящихся в решетке накапливаются изотопы. Суть методов заключается в определении количества дочернего изотопа, образовавшегося вследствие радиоактивного распада материнского элемента. Зная скорость этого процесса, можно оценить возраст минерала. Скорость радиоактивного распада характеризуется периодом полураспада, в течение которого ядерное веществ уменьшается наполовину. Например, период полураспада ²³²Тh=13,8 млрд. лет, ²³⁸U=4,53 млрд. лет, ²³⁵U=713 млн лет. По любой паре радиоактивного радиогенного и стабильного изотопов можно определить возраст, зная период полураспада радиоактивного изотопа.

В наше время используют следующие виды самопроизвольных ядерных превращений при определении изотопного возраста: 1. ²³⁸U – 8 ⁴He +²⁰⁶Pb (альфа-распад); 2.⁴⁰К +е – Аr (электронный захват); 3.⁴⁰К – Са+б (бета-распад); 4.²³⁵U – 7 ⁴He +Pb (альфа-распад); 5.²³²Th – 6 ⁴He+²⁰⁸Pb (альфа-распад); 6. ⁸⁷Rb – ⁸⁷Sr +б (бета-распад). Ведущими методами ядерной геохронологии являются урано-ториево-свинцовый, калий-аргоновый, рубидий-стронциевый, самарий-неодимовый, радиоуглеродный, треков осколочного деления.

Урано-ториево-свинцовый базируется на процессах радиоактивного распада изотопов ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th на изотопы свинца в радиоактивном минерале, содержащем более 1% урана или тория: уранините, монаците, ортите, цирконе. Указанные минералы встречаются в гранитах, пегматитах и кварцевых жилах. Возраст вычисляют по четырём изотопным соотношениям: ²⁰⁶Pb/²³⁸U, ²⁰⁷Pb/²³⁵U, ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb, ²⁰⁸Pb/²³²Th с использованием закона распада радиоактивных элементов. Для удобства возраст вычисляют по заранее составленным таблицам, графикам, номограммам. Достоинство метода в его надёжности, а также возможностях определений абсолютного возраста метаморфических и изверженных пород, для которых другие методы неприемлемы.

Калий-аргоновый метод, предложенный российским учёным Э.К. Герлингом в 1949 году, основан на том, что в процессе самопроизвольного распада радиоактивного изотопа калия 11% ⁴⁰К переходит в ⁴⁰Ar, а остальные 89% – в изотоп ⁴⁰Са. Период полураспада калия и перехода его в аргон составляет 1300 млн лет, что идеально для определения дробных подразделений стратиграфической шкалы во всех интервалах геологического времени. Сейчас метод является основным, широко применяется для выяснения возраста осадочных и магматических пород, поскольку присутствует в составе полевых шпатов, слюд, амфиболов, глауконита, сильвина. При температурах более 300^о аргон улетучивается, поэтому метод не рекомендуется для определения возраста метаморфических пород.

Рубидий-стронциевый метод основан на распаде ⁸⁷Rb и превращении его в ⁸⁷Sr путём бета-распада. Он применяется для определения возраста докембрийских пород из-за очень большого периода полураспада ⁸⁷Rb (47 млрд. лет). Однако в последнее время с появлением точной аналитической аппаратуры этот метод стал использоваться для установления возраста и фанерозойских пород. Самостоятельных минералов рубидий не образует, а встречается в виде примесей в калиевых минералах. Чаще всего используются слюды, в них содержится очень мало стронция, но его достаточно для определения возраста пород. Рубидий-стронциевый метод применим к тем же минералам, которые используются и для калий-аргонового; оба метода для контроля применяются вместе.

Самарий-неодимовый метод базируется на очень медленном распаде изотопа самария ¹⁴⁷Sm, который встречается в смеси со стабильными изотопами ^{144, 148-150, 152, 154}Sm c периодом полураспада 153 млрд. лет. Конечным продуктом распада является радиогенный ¹⁴⁴Nd. Возраст минерала, содержащего самарий, рассчитывается по формуле: ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd =(¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd)₀+(e^xt – 1)¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd. Этот метод наряду с урано-ториево-свинцовым является наиболее надёжным для определения возраста глубокометаморфизованных раннедокембрийских пород, хотя также иногда даёт заниженные значения.

Радиоуглеродный метод основан на изучении радиоактивного изотопа углерода ¹⁴С, который образуется в атмосфере при реакции космических частиц с изотопом ¹⁴N, а затем усваивается тканями растений. После их гибели происходит распад накопленного в них ¹⁴С с определённой скоростью, что и позволяет определить изотопный возраст растений и слоёв, в которых они захоронены. Период полураспада ¹⁴С равен 5750 лет, поэтому с помощью радиоуглеродного метода можно установить возраст лишь тех пород, время образования которых не превышает 50-70 тысяч 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 остатки растений и животные ткани в золе кострищ доисторического человека.

Метод треков осколочного деления базируется на том, что в урансодержащих минералах возникают структурные изменения, фиксируемые пробегом осколков от спонтанного деления урана, которые проявлены в виде треков, заметных под микроскопом. Обычно подсчитывается плотность этих треков, т.е. число их на единицу поверхности. С увеличением возраста минерала возрастает плотность треков. Для определения содержания урана образец минерала облучают нейтронами. Возникают новые треки от деления присутствующего урана, вызванного нейтронами. При этом возраст минерала будет являться функцией отношения числа треков от спонтанного деления урана к числу вновь появившихся треков на единицу площади или объёма. Хотя метод и не очень точен, он может рассматриваться как новый перспективный способ исследования.

Рассмотренные методы особенно ценны для определения возраста магматических и метаморфических пород, которые не содержат органических остатков. Они широко применяются также для установления возраста осадочных и вулканогенно-осадочных отложений, определения продолжительности формирования стратиграфических подразделений разного ранга, выделенных палеонтологическими методами.

Радиогеохронологические методы имеют большое значение, области их применения расширяется. Они непрерывно совершенствуются, возрастает их точность, разрабатываются новые, более тонкие методики. Но они имеют недостатки, требующие осторожности при применении: 1 – невысокая точность (лучшие данные 3-5%); 2 – не все породы содержат радиоактивные элементы; 3 – искажения результатов при наложенных процессах; 4 – высокая стоимость анализов. Вместе с тем за этими методами большое будущее.