Геохронологя (геохронометрия). Изотопная хронометрия

При геологических исследованиях приходится обращаться к проблеме времени. Существуют разные концепции понимание природы времени - как абсолютная (время – абсолютно, протекает равномерно, не связано ни с пространством, ни с какими-либо процессами) или относительная (время следует анализировать с позиции теории относительности, т.к оно существует постольку, поскольку идёт какой-то процесс) природная составляющая. В земных условиях мир геологических тел и явлений являются частью физического мира, где действуют законы ньютоновской механики и эвклидовой геометрии и большинство геологических процессов проходят с незначительной скоростью и в постоянном поле тяготения, Поэтому при геологических исследованиях применяется ньютоновское понятие абсолютного времени.

При характеристике геологических событий рассматривают два временных аспекта: возраст (время) данного события в истории Земли и его длительность. Результаты могут быть представлены, как в относительных, так и в абсолютных единицах.

Датировкой возраста и длительности событий занимается геохронология ( син. геохронометрия). Этот раздел геологии при помощи специальных геохронометрических методов дает количественную. характеристику событию или процессу, т.е. определяется количество стандартных единиц физического времени со времени образования геологических объектов до современности или продолжительность их существования Длительность геологического времени измеряется в обычных единицах – астрономических годах.

Для определения абсолютного возраста обычно используются ряд изотопных (радиометрических, или изотопно-геохронометрических) методов.Они основаны на особенности радиоактивных химических элементов, входящих в состав многих минералов, преобразовываться: – в их стабильные изотопы с постоянной скоростью, свойственной каждому элементу. Устанавливая соотношение мобильные и стабильных изотопов в анализируемой пробе, можно определить в единицах астрономического времени удаленность образования радиоактивного элемента и, соответственно, возраст породы, в строении которой принимает участие исследуемый минерал;

- в другие элементы, причем количество атомов этих элементов в минералах сокращается и вместо них в кристаллических решетках появляются устойчивые изотопы дочерних элементов. По соотношению материнского и дочернего изотопов в минерале, зная скорость распада неустойчивого элемента, можно судить о возрасте минерала и соответственно о возрасте породы, в которой он заключен.

Возраст минерала начинается отсчитываться с того момента, когда возникает кристаллическая решетка. С этого времени минерал становится замкнутой системой, в которой накапливаются продукты радиоактивного распада. Для получения точных и надежных чисел геологического возраста необходимо соблюдение следующих условий:

1. Постоянная скорость распада. Это условие соблюдается. Было показано как теоретическими расчетами, так и экспериментами, что скорость радиоактивного распада постоянна и не зависит от физических и химических условий в земной коре.

2. Сохранность радиоактивных элементов и продуктов их распада за все время существования минерала. Это условие во многих случаях не соблюдается, так как неизбежны следующие геологические процессы:

а) переотложение минералов в осадочных породах (например, глауконита);

б) ассимиляция интрузией элементов из вмещающих пород;

в) гидротермальный привнос изотопов из более древних пород;

Во всех этих случаях (а-в) следствием является удревнение возраста.

г) потери газообразных продуктов распада (He, Ar);

д) выщелачивание (вынос) продуктов распада;

е) изменение количественных соотношений радиоактивных изотопов при выветривании.

В этих случаях (г-е) происходит удревнение или омоложение возраста.

3. Отсутствие первичных элементов, не связанных с распадом (например, Pb, He, Ar). Это условие, очевидно, не может соблюдаться.

4. Точность определения констант радиоактивного распада. Это условия соблюдается частично, так как для разных элементов (изотопов) существует различная степень точности определения констант.

Геохронологичекая шкала.

Для отнесения геологических объектов по радиологическим данным к конкретному отрезку геологического времени используется геохронологическая шкала — совокупность геохронологических эквивалентов общих стратиграфических подразделений в их таксономической подчиненности, выраженная в единицах астрономического времени (миллионы лет). В основу геохронологической (геохронометрической) шкалы положены так называемые реперные (опорные) точки — породы и минералы, имеющие строго определенное стратиграфическое положение, для которых надежно установлены значения радиологического возраста. Таких точек пока мало, так как радиологические методы применимы для датирования лишь некоторых типов осадочных пород.

Ведущими методами ядерной геохронологии являются уран-ториевые, калий-аргоновый, рубидиево-стронциевый, самарий-неодимовый и радиоуглеродный и ряд других.

Уран-ториевые методы базируются на том, что определяется количество свинца и гелия, являющиеся конечными продуктами распада урана и тория.

Его разновидности: 1. Уран-торий-свинцовый метод, основанный на схеме распада ²³⁸ U → ²⁰⁶ Pb + 8 Не

²³⁵ U → ²⁰⁷ Pb + 7 Hе

При этом методе используются следующие минералы: уранинит, самарскит, монацит, циркон и др, встречающиеся в магматических породах.

2. Уран-торий-гелиевый метод использует в своих целях магнетит, циркон, самарскит. Схема распада следующая:

²³² Th → ²⁰⁸ Pb + 6 He

Достоинство ураново-свинцовых методов заключается в том, что они дают возможность определять абсолютный возраст изверженных и метаморфических пород, для которых палеонтологические методы неприменимы.

Калий-аргоновый (аргоновый) метод является наиболее распространенным. Он основан на том, что в процессе самопроизвольного распада калия 11% атомов изотопа К-40 переходят в изотоп Ar-40, а остальные 89%—в изотоп Са-40. Определяется количество этих изотопов. Приманяется следующая схема:

⁴⁰ К → + е →⁴⁰ Ar

 

⁴⁰ Ca + β

Широкое применение этого метода вызвано тем, что калий присутствует в составе распространенных в природе минералов – калиевых полевых шпатов, плагиоклазов, биотита, мусковита, пироксенов, роговой обманке и, что самое важное, в минералах осадочного происхождения – глауконита, сильвина, карналлита. Метод позволяет установить абсолютный возраст не только интрузивных и эффузивных, но и осадочных пород.

Однако этот метод пригоден лишь для тех пород, которые не подвергались достаточно сильному нагреванию (свыше 300 °С) и большому давлению.

Рубидий-стронциевый метод основан на распаде изотопа рубидия – 87 и превращении его в изотоп стронция –87 по следующей схеме:

⁸⁷ Rb _→⁸⁷ Sr + β

Изотоп Rb-87 присутствует в виде примеси в калиевых минералах. Для этого метода чаще всего используют слюды: биотит, мусковит, лепидолит,, поллуцита, Из-за длительной скорости распада рубидия метод применяется в основном для определения возраста докембрийских пород.

Самарий-неодимовый метод используется для древних образований пород, он основан на следующей схеме:

¹⁴⁷ Sm _→ ¹⁴³ Nd + α

Радиоуглеродный метод является одним из наиболее точных. Он базируется на определении в органических остатках радиоактивного изотопа ¹⁴ C. Этот изотоп постоянно образуется в атмосфере из изотопа ¹⁴ N под воздействием космического излучения (¹⁴ N + n →¹⁴ C + P) и затем усваивается живыми организмами. ¹⁴С в результате круговорота в биосфере попадает в растения, а затем в животные организмы, таким образом, в живых организмах содержание ¹⁴С должно быть постоянным. После гибели организмов происходит распад ¹⁴ C с известной скоростью, что и позволяет определить время захоронения организма и возраст вмещающих его слоев. Из-за высокой скорости распада изотопа ¹⁴С радиоуглеродный метод применим для отложений, не древнее 60 тысяч лет, т.е. в археологии и четвертичной геологии.

Кроме перечисленных основных методов, существует радио-бериллиевый и радиоиониевый методы, использующиеся для определения возраста океанических осадков и другие методы.

Недостатком ядерной геохронологии является значительное искажение результатов вследствие наложенного на породы и минералы метаморфизма и высокая стоимость анализов. Точность определений изотопными методами очень относительна. Чем с более древними геологическими образованиями мы имеем дело, тем больше погрешность результатов и менее точен возраст. Существует серьёзное ограничение в применении изотопных методов – во многих осадочных породах радиоактивные элементы часто отсутствуют и, следовательно, применение радиологических методов не возможно.осадочные породы.

Определение возраста изотопными методами достаточно трудоемко, используется сложная техника химического анализа, физическая аппаратура и сложные расчеты.

Однако, это не умаляет главного, что дали изотопные методы – возможность определить в абсолютных единицах продолжительность геологической истории Земли и отдельных её периодов.

ВЫВОДЫ: изотопная геохронометрия имеет большое значения для определения возраста геологических тел и геологических событий. При помощи ее методов возможно определение продолжительности подразделений геохронологической шкалы и датирование разнообразных геологических процессов в абсолютных единицах возраста.

Применения методов изотопной геохронометрии для определения возраста имеет ряд ограничений и требует корректировки при помощи других методов.

Контрольные вопросы к разделу 12.

1. На каком физическом процессе основана изотопная геохронометрия?

2. геологические явления могут повлиять на сохранность минералов, содержащих радиоактивных элементов и продуктов их распада?

3. Как создается международная геохронологическая шкала?

4. В чем заключается радиоуглеродный метод?

5. Какие явления положены в основу уран-ториевых, калий-аргонового методов,?

Список литературы

Часть 1

1. Владимирская Е.В.,Кагарманов А.Х. и др., Историческая геология с основами палеонтологии. Наука, 1985

2. Михайлова И.А., Бондаренко О.Б. Палеонтология. Ч.1 и Ч.2,: Учебник, - М.: Изд-во МГУ, 2000, 1997

3. Михайлова Е. Д., Цинкобурова М.Г., Основы палеонтологии беспозвоночных, СПГГИ (ТУ), 2009

4. Друщиц А.В. Палеонтология беспозвоночных М,: Изд-во МГУ, 1974

5. Рауп Д., Стенли С. Основы палеонтологии. М.: Мир, 1974

Часть 2

1. Данбар, К. Основы стратиграфии / К. Данбар, Дж. Роджерс. -М.: ИЛ, 1962. 363 с.

4. Зубкович, М.Е. Методы палеонтолого-стратиграфических исследований. Основы биостратиграфии / М.Е. Зубкович. - М.: Высш.шк., 1968. 232 с.

5. Красилов, В.А. Эволюция и биостратиграфия / В.А. Красилов. - М.: Наука, 1977. 256 с.

6. Мейен, С.В. Понятия «естественность» и «одновременность» в стратиграфии / С.В.Мейен // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1974. № 5. С. 47-58.

7. Мейен, С. В. Введение в теорию стратиграфии. - М.: Наука, 1989. -216 с..

8. Практическая стратиграфия. Л.: Недра, 1984. 319 с.

10. Современная палеонтология: справ.пособие Текст: в 2 т. / под ред. В.Д.Меннера, В.П.Макридина. - М.: Недра, 1988. Т. 1. 540 с.; Т. II. 383 с.

11. Степанов, Д.Л., Месежников М.С. Общая стратиграфия Принципы и методы стратиграфических исследований. - Л.: Недра, 1979. 423 с.

12. Стратиграфический кодекс / Межвед. стратигр. ком.- Изд. третье. СПб.: 2006. 96 с.

13. Халфин, Л.Л. Теоретические вопросы стратиграфии / Л.Л.Халфин. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1980. 200 с.