Использование радиоактивных изотопов для

ОПРЕДЕЛЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО ВОЗРАСТА

ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ

Цель работы: ознакомиться с основными методами определения абсолютного возраста горных пород.

 

Краткая теория

Ранее единственным способом установления относительного геологиче­ского возраста пород был закон их последовательного напластования. Согласно этому закону, в ненарушенной стратиграфической последовательности пластов самыми древними считаются породы, лежащие в основании, а самыми моло­дыми — в верхах разреза. Ископаемые остатки фауны и флоры помогают вы­яснению относительного возраста осадочных образований. Определение же возраста интрузивных пород, не имевших фауны, нередко было спорным. Применение радиоактивных методов позволяет выражать возраст минералов и пород в единицах времени, а не только получать сравнительные данные. Поэтому эти методы называют методами определения абсолютного возраста.

Радиоактивные методы определения абсолютного возраста геологических образований основаны на том, что превращение радиоактивных элементов про­текает с постоянной и неизменной для данного изотопа скоростью. Следова­тельно, изотопы являются точными индикаторами возраста тех образований, в которые они входят.

Методы определения абсолютного возраста условно разделяют на первичные, основанные на вычислении времени по самому процессу радиоактивных превращений, и вторичные, базирующиеся на изучении явлений, возникающих в минералах под действием излучений от радиоактивных элементов, входящих в минерал. Вторичные методы практически пока не применяются.

К первичным относятся свинцовый, гелиевый, аргоновый и стронциевый методы. Начинает развиваться осмиевый метод. С помощью перечисленных методов можно рассчитать возраст пород в диапазоне миллионы — миллиарды лет. Выбор метода, с помощью которого может быть определен возраст геологического образования, зависит от наличия в породе определенных минералов сингенетичного происхождения и хорошей их сохранности. Потеря или привнос элементов не должен происходить в течение всего времени с момента образования минерала до наших дней. Кроме того, имеются специфические условия применения каждого радиоактивного метода в отдельности.

Свинцовый метод является наиболее надежным и разработанным методом. В основе его лежит процесс превращения урана, тория и актиноурана в радиогенный свинец:

Для определения абсолютного возраста свинцовым методом выбирают ра­диоактивные минералы с содержанием U и Th более 1 %, например уранинит, монацит, ортит и циркон. Пригодные для свинцового метода минералы хорошей сохранности встречаются чаще всего в пегматитах и кварцевых жилах. В наи­более простом случае, когда минерал содержит элементы только уранового ряда, а возраст его относительно мал (меньше 200 млн. лет), расчет возраста произ­водится следующим образом. Пусть N ₀ — число атомов урана в минерале во время его образования, N _t— число атомов урана по прошествии времени t (в настоящее время), Рb _U— число атомов свинца-206, образовавшихся за вре­мя t, l_U — константа распада урана. Согласно закону превращения радиоак­тивного вещества, N ₀ = . При t < 200 млн. лет решение этого выражения относительно t:

.

Содержание свинца и урана определяется обычно методами химического анализа и выражается в граммах, поэтому в окончательной формуле для рас­чета возраста необходимо учесть атомные веса урана и свинца:

.

При одновременном присутствии в минерале урана и тория последний вы­ражают в виде эквивалента урана, учитывая соотношение их активностей. Формула для расчета возраста (в млн. лет) в этом случае имеет вид

.

Эта формула не учитывает распада актиноурана и уменьшение количества U и Th со временем.

Для вычисления возраста древних минералов (t > 200 млн. лет) следует произвести изотопные определения свинца и урана. Формулы для расчета возраста по различным вариантам свинцового метода имеют следующий вид:

;

Для удачно подобранных минералов хорошей сохранности значения воз­раста, рассчитанные по этим формулам, обычно совпадают.

В случае изотопного анализа свинца, извлеченного из минерала, возраст можно рассчитать без применения урана по формуле

.

Метод определения возраста минералов по отношению изотопов свинца считается наиболее надежным.

Гелиевый метод вычисления абсолютного возраста основан на определении соотношения между количествами накопившегося гелия и ис­ходного изотопа (U, Th, AcU). Минералы с большим содержанием радиоактив­ных элементов не пригодны для определения их возраста гелиевым методом, так как скопление большого количества радиогенного гелия создает повышен­ное давление газа внутри минерала, и гелий диффундирует из него в окружа­ющую среду. Для определения возраста годятся кристаллы самородных метал­лов (железа, меди, платины), а также минералы хорошей сохранности из группы танталониобатов и шлиховой магнетит. Однако и в этом случае возраст пород, определенный гелиевым методом, получается обычно заниженным.

При отсутствии потери гелия возраст минералов, млн. лет (t < 200 млн. лет) рассчитывается по формуле

,

где количество гелия и тория дано в граммах.