Физико-химические основы уран-свинцового метода датирования.

Физические основы

Весь свинец в основном является смесью изотопов Pb²⁰⁴, Pb²⁰⁶, Pb²⁰⁷, Pb²⁰⁸ (в первые доказал Ф. Содди). В целом это не так, поскольку установлено, что на Землю постоянно поступает большое количество космического вещества, содержащего повышенные концентрации Pb²⁰⁴. Поэтому географически его концентрации изменяются в широких пределах (см. рис.1). Изотопы Pb²⁰⁶ (RaG), Pb²⁰⁷ (AcD), Pb²⁰⁸ (ThD) являются радиогенными и образуются в результате радиоактивного распада соответственно U²³⁸, U²³⁵ и Th. Схемы радиоактивного распада имеют вид (торий, при распаде которого образуется Pb²⁰⁸, не рассматривается, поскольку его роль в геохронологии не велика):

U²³⁸ → Pb²⁰⁶ + 8He⁴;

U²³⁵ → Pb²⁰⁷ + 7⁴He;

Уравнения распада имеют вид соответственно:

где U²³⁸_o, U²³⁵_o — современные концентрации изотопов урана; год^{− 1}, год^{− 1} — постоянные распада атомов соответственно урана U²³⁸ и U²³⁵. На практике обычно пользуются уравнениями

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

где ψ = λ ₅/λ ₈; 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 Pb, как это иногда не верно утверждается, а только по радиогенным его компонентам.
Поскольку уран на много подвижнее свинца, то объединение уравнений (3) и (4) позволяет избавиться от него через выражение

где K_o^U = U²³⁸_o/U²³⁵_o - величина, зависящая только от возраста урана и на данный момент K_o^U = 137, 8

Отношение изотопов Pb и K_o^U - отношение изотопов U берутся на некоторый момент времени t отложения U.

Особый интерес представляет система с конкордией (рис. 4.). Формально, для построения 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 расщепление и носит название " дискордантности". Чаще всего между ними устанавливаются отношения t₁ < t₂ < t₃, и связь между ними имеет вид

;

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, 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, т.е. субъективна. Особенно одиозна нижняя точка пересечения. Только C.J. Allegre 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 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, т.е. произвольно и субъективно.

Уран-Свинцовый метод.

Свинцовый метод основан на распаде элементов радиоактивных рядов урана, актиноурана и тория, в результате которого в радиоактивных минералах накапливаются стабильные изотопы свинца. Зная скорость распада материнских нуклидов, и определив их содержание и изотопный

состав свинца можно установить возраст минералов по отношениям: 206Pb/238U; 207Pb/235U; 207Pb/206Pb; 208Pb/232Th. Совпадение значений возраста, вычисленных по различным изотопным соотношениям, свидетельствует об их надежности. Природный свинец состоит из смеси четырех стабильных изотопов: 204Pb, 206Pb (RaG) 207Pb (AcD) и 208Pb (ThD), средняя относительная распространенность которых в природной смеси изотопов соответственно равна: 1, 48%, 23, 6%, 22, 6% и 52, 3%. Свинец-204 имеет нерадиогенное происхождение. Последние три изотопа являются конечными продуктами распада урана-238, урана-235 и тория-232 соответственно. Изотопный состав свинца весьма разнится для образцов различных месторождений и может служить критерием геологического возраста породы. В природе образуются и радиоактивные изотопы свинца – продукты распада трех семейств генетически связанных радионуклидов: 214Pb (RaB, T=26, 8 мин), 210Pb (RaD, T=23, 3 года), 211Pb (АсB, Т=36, 1 мин) и 212Pb (ThB, T=10, 64 часа). Еще один нуклид - 209Pb (Т=3, 3 часа) – образуется в природных средах в ходе некоторых ядерных реакций. Для полноты картины отметим, что некоторые техногенные радионуклиды (209Pb и 210Pb) получаются в ядерных реакторах, и попадают в окружающую среду при несанкционированных выбросах.Кривые изменения изотопного состава свинца в земной коре со временем приведены на Рис.2, а изменение во времени изотопов свинца-206 и 207 – на Рис.3. Если в минерале, содержащем уран или торий, присутствуют только изотопы свинца, образованные при распаде рядов, то по количеству этих изотопов можно точно определить количество урана и тория, претерпевающие распад. Свинцовый метод можно считать более надежным, чем гелиевый, так как потери свинца, например путем медленной диффузии, маловероятны. Однако соотношение количеств урана и свинца или тория и свинца может измениться при выщелачивании или в результате какой-либо другого процесса. Продукты радиоактивного распада рядов 238U и 232Th (соответственно 206Pb и 208Pb) отличают от других изотопов свинца с помощью масс-спектроскопического анализа. Если в пробе обнаруживается 204Pb, то следует вводить соответствующие поправки. Расчеты возраста по отношению содержаний 238U/206Pb, более надежны, чем по 232Th/208Pb. При этом получены значения возраста минералов, доходящие до 3*109 лет. Отметим, что для минералов, возраст которых более 500 тыс. лет, принимают, что уран превращается сразу в свинец, так как промежуточные продукты распада имеют небольшую продолжительность жизни по сравнению с продолжительностью жизни изотопов урана и находятся с ним в равновесии. Для минералов тория равновесие устанавливается через 50 лет. Если исследуемый минерал содержит только торий и не содержит изотопов урана и примеси свинца нерадиогенного происхождения, то определение возраста сводится к простой аналитической задаче – определению содержания тория и свинца и вычислению возраста по формуле: или в весовых единицах При определении возраста урановых минералов приходится учитывать состав элемента урана, состоящего из двух самостоятельных изотопов: урана-238 и урана-235, распадающихся с различной скоростью. Если в минерале одновременно присутствуют изотопы урана (238 и 235) и тория, то суммарное количество свинца, накопившееся за время t будет

следует

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒