Радиоизотопное датирование

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Радиоизото́пное или радиометри́ческое дати́рование — метод определения возраста различных объектов, в составе которых есть какой-либо радиоактивный изотоп. Основан на определении того, какая доля этого изотопа успела распасться за время существования образца. По этой величине, зная период полураспада данного изотопа, можно рассчитать возраст образца.

Радиоизотопное датирование широко применяется в геологии, палеонтологии, археологии и других науках. Это источник практически всех абсолютных датировок различных событий истории Земли. До его появления были возможны только относительные датировки — привязка к определённым геологическим эрам, периодам, эпохам и т. д., длительность которых была неизвестна.

В различных методах радиоизотопного датирования используются разные изотопы разных элементов. Поскольку они сильно отличаются по химическим свойствам (и, следовательно, по содержанию в различных геологических и биологических материалах и по поведению в геохимических циклах), а также по периоду полураспада, у разных методов отличается область применимости. Каждый метод применим только к определённым материалам и определённому интервалу возрастов. Самые известные методы радиоизотопного датирования — это радиоуглеродный, калий-аргоновый и уран-свинцовый анализ.

История[править | править вики-текст]

Идею радиоизотопного датирования предложил Эрнест Резерфорд в 1904 году, через 8 лет после открытия радиоактивности Анри Беккерелем. Тогда же он сделал первую попытку определить возраст минерала по содержанию урана и гелия[Комм. 1][1][2][3]. Уже через 2 года, в 1907, Бертрам Болтвуд, радиохимик из Йельского университета, опубликовал первые уран-свинцовые датировки ряда образцов урановой руды и получил значения возраста от 410 до 2200 млн лет[4]. Результат имел большое значение: он показал, что возраст Земли во много раз больше 20-40 млн лет, полученных десятью годами ранее Уильямом Томсоном на основании скорости остывания планеты. Однако тогда не было известно про образование части свинца в результате распада тория и даже про существование изотопов, и поэтому оценки Болтвуда обычно были завышены на десятки процентов, иногда почти вдвое[5][6].

В последующие годы шло интенсивное развитие ядерной физики и усовершенствование технологий, благодаря чему к середине 20 века была достигнута хорошая точность радиоизотопных датировок. Этому особенно помогло изобретение масс-спектрометра[7]. В 1949 году Уиллард Либби разработал радиоуглеродный анализ и продемонстрировал его пригодность на образцах дерева известного возраста (в интервале 1400 — 4600 лет)[8], за что в 1960 году получил Нобелевскую премию по химии.

Физические основы[править | править вики-текст]

Количество любого радиоактивного изотопа уменьшается со временем по экспоненциальному закону (закон радиоактивного распада):

,

где:

 — количество атомов в начальный момент,
 — количество атомов по прошествии времени ,
 — постоянная распада.

Таким образом, каждый изотоп имеет строго определённый период полураспада — время, за которое его количество уменьшается вдвое. Период полураспада связан с постоянной распада следующим образом:

Тогда можно выразить отношение через период полураспада:

Исходя из того, какая часть радиоизотопа распалась за некоторое время, можно рассчитать это время:

Период полураспада не зависит от температуры, давления, химического окружения, интенсивности электромагнитных полей. Единственное известное исключение относится к тем изотопам, которые распадаются путём электронного захвата: у них есть зависимость скорости распада от электронной плотности в районе ядра. К таким относятся, например, бериллий-7, стронций-85 и цирконий-89. У таких радиоизотопов скорость распада зависит от степени ионизации атома; есть также слабая зависимость от давления и температуры. Существенной проблемой для радиоизотопного датирования это не является[9][10].

Источники трудностей[править | править вики-текст]

Главные источники трудностей для радиоизотопного датирования — это обмен веществом между исследуемым объектом и окружающей средой, который мог происходить после образования объекта, и неопределённость начального изотопного и элементного состава. Если на момент образования объекта в нём уже было некоторое количество дочернего изотопа, рассчитанный возраст может быть завышен, а если впоследствии дочерний изотоп покидал объект — занижен. Для радиоуглеродного метода важно, чтобы не было нарушенным соотношение изотопов углерода в начальный момент, так как содержание продукта распада — 14N — невозможно узнать (он ничем не отличается от обычного азота), и возраст можно определить только исходя из измерений нераспавшейся доли материнского изотопа. Таким образом, необходимо как можно более точное изучение истории исследуемого объекта на предмет возможного обмена веществом с окружающей средой и возможных особенностей изотопного состава.

Метод изохрон[править | править вики-текст]

Решить проблемы, связанные с привносом или потерей материнского или дочернего изотопа, помогает метод изохрон. Он работает независимо от изначального количества дочернего изотопа и позволяет установить, был ли в истории объекта обмен веществом с окружающей средой.

Этот метод основан на сравнении данных по разным образцам из одного геологического объекта, которые имеют заведомо одинаковый возраст, но отличаются элементным составом (следовательно, содержанием материнского радионуклида). Изотопный же состав каждого элемента в начальный момент должен быть одинаковым во всех образцах. Также эти образцы должны содержать вместе с дочерним изотопом какой-либо другой изотоп того же элемента. Образцы могут представлять как разные минералы из одного куска горной породы, так и разные части одного геологического тела.

Тогда для каждого образца выполняется:

,

где:

 — концентрация дочернего изотопа в начальный момент,
 — концентрация нерадиогенного изотопа того же элемента (не изменяется),
 — концентрация материнского изотопа в начальный момент,
 — количество материнского изотопа, распавшееся за время (к моменту измерений).

В справедливости этого соотношения нетрудно убедиться, сделав сокращение в правой части.

Концентрация дочернего изотопа на момент измерений будет , а концентрация материнского . Тогда:

Отношения и можно измерить. После этого строится график, где эти величины откладываются по ординатам и абсциссам соответственно.

Если в истории образцов не было обмена веществом с окружающей средой, то соответствующие им точки на этом графике ложатся на прямую линию, потому что коэффициент и слагаемое одинаковы для всех образцов (а отличаются эти образцы только изначальным содержанием материнского изотопа). Эта линия называется изохроной. Чем больше наклон изохроны, тем больше возраст исследуемого объекта. Если обмен веществом в истории объекта был, точки не лежат на одной прямой и это показывает, что в данном случае определение возраста ненадёжно.

Метод изохрон применяется в разных радиоизотопных методах датировки, таких как рубидий-стронциевый, самарий-неодимовый и уран-свинцовый.

Температура закрытия[править | править вики-текст]

Если минерал, кристаллическая решётка которого не удерживает дочерний нуклид, достаточно сильно разогревается, этот нуклид диффундирует наружу. Таким образом, «радиоизотопные часы» обнуляются: время, прошедшее с этого момента, и получается в результате радиоизотопной датировки. При остывании ниже некоторой температуры диффузия данного нуклида прекращается: минерал становится закрытой системой в отношении этого нуклида. Температура, при которой это происходит, называется температурой закрытия[en].

Температура закрытия сильно отличается для разных минералов и разных рассматриваемых элементов. Например, биотит начинает заметно терять аргон при нагреве до 280±40 °C[11], а циркон теряет свинец при температурах более 950—1000 °C[12].

Методы радиоизотопного датирования[править | править вики-текст]

Используются разные радиоизотопные методы, которые годятся для разных материалов, разных интервалов возраста и имеют разную точность.

Уран-свинцовый метод[править | править вики-текст]

Микроскопический кристалл циркона, датированный уран-свинцовым методом. Видно лунку от лазерной абляции.

Уран-свинцовый метод — один из самых старых и хорошо разработанных способов радиоизотопного датирования и, при хорошем исполнении, самый надёжный метод для образцов с возрастом порядка сотен миллионов лет. Позволяет получить точность в 0,1 % и даже лучше[13][14]. Датировать можно и образцы, близкие по возрасту к Земле, и образцы младше миллиона лет. Большая надёжность и точность достигаются благодаря использованию двух изотопов урана, цепочки распада которых кончаются разными изотопами свинца, а также благодаря некоторым свойствам циркона — минерала, обычно используемого для уран-свинцовых датировок.

Используются следующие превращения:

238U206Pb с периодом полураспада 4,47 млрд лет (ряд радия — см. Радиоактивные ряды),
235U207Pb с периодом полураспада 0,704 млрд лет (ряд актиния).

Иногда в дополнение к ним используют распад тория-232 (уран-торий-свинцовый метод):

232Th208Pb с периодом полураспада 14,0 млрд лет (ряд тория).

Все эти превращения идут во много стадий, но промежуточные нуклиды распадаются намного быстрее материнских.

Чаще всего для датировок уран-свинцовым методом используют циркон (ZrSiO4); в некоторых случаях — монацит, титанит, бадделеит[15]; реже — многие другие материалы, в том числе апатит, кальцит, арагонит[16], опал и горные породы, состоящие из смеси разных минералов. Циркон имеет большую прочность, стойкость к химическим воздействиям, высокую температуру закрытия и широко распространён в извержённых породах. В его кристаллическую решётку легко встраивается уран и не встраивается свинец, поэтому весь свинец в составе циркона обычно можно считать радиогенным[17]. В случае надобности количество нерадиогенного свинца можно рассчитать по количеству свинца-204, который не образуется при распаде изотопов урана[18].

Использование двух изотопов урана, распадающихся до разных изотопов свинца, даёт возможность определить возраст объекта даже в случае потери им некоторой части свинца (например, вследствие метаморфизма). Кроме того, можно определить возраст этого события метаморфизма.

Свинец-свинцовый метод[править | править вики-текст]

Свинец-свинцовый метод обычно используется для определения возраста образцов, состоящих из смеси минералов (его преимущество в таких случаях перед уран-свинцовым методом связано с высокой подвижностью урана). Этот метод хорошо подходит для датировки метеоритов, а также земных пород, испытавших недавнюю потерю урана. Он основан на измерении содержания 3 изотопов свинца: 206Pb (образуется при распаде 238U), 207Pb (образуется при распаде 235U) и 204Pb (нерадиогенный).

Изменение со временем соотношения концентраций изотопов свинца выводится из следующих уравнений:

,

где индекс означает концентрацию изотопа в момент измерений, а индекс  — в начальный момент.

Удобно использовать не сами концентрации, а их отношения к концентрации нерадиогенного изотопа 204Pb.
Опуская квадратные скобки:

Разделив первое из этих уравнений на второе и учитывая, что современное отношение концентраций материнских изотопов урана 238U/235U почти одинаково для всех геологических объектов (принятое значение — 137,88),[Комм. 2][19][16][13] получим:

Далее строится график с отношениями 207Pb/204Pb и 206Pb/204Pb по осям. На этом графике точки, соответствующие образцам с разным исходным соотношением U/Pb, будут выстраиваться вдоль прямой (изохроны), наклон которой показывает возраст образца.

Свинец-свинцовым методом было определено время формирования планет Солнечной системы (то есть возраст Земли). Это впервые сделал Клэр Кэмерон Паттерсон в 1956 году по исследованиям метеоритов разных типов. Поскольку они представляют собой осколки планетезималей, которые прошли гравитационную дифференциацию, разные метеориты имеют разное значение U/Pb, что позволяет построить изохрону. Оказалось, что на эту изохрону ложится и точка, представляющая среднее соотношение изотопов свинца для Земли. Современное значение возраста Земли — 4,54 ± 0,05 млрд лет[15].

Калий-аргоновый метод[править | править вики-текст]

В этом методе используется распад изотопа 40K, который составляет 0,012 % природного калия. Он распадается в основном двумя способами:

Период полураспада 40K с учётом обоих путей распада равен 1,25 млрд лет. Это позволяет датировать и образцы с возрастом, равным возрасту Земли, и образцы с возрастом в сотни, а иногда и десятки тысяч лет[15].

Калий — 7-й по содержанию элемент в земной коре, и многие извержённые и осадочные породы содержат большое количество этого элемента. Доля изотопа 40K в нём постоянна с хорошей точностью[15]. Для калий-аргонового датирования используются различные слюды, застывшая лава, полевые шпаты, глинистые минералы, а также многие другие минералы и горные породы. Застывшая лава годится и для палеомагнитных исследований. Поэтому калий-аргоновый метод (точнее, его разновидность — аргон-аргоновый метод) — основной метод калибровки шкалы геомагнитной полярности[15][20].

Основной продукт распада 40K — 40Ca — ничем не отличается от обычного (нерадиогенного) кальция-40, которого в исследуемых породах, как правило, много. Поэтому обычно анализируют содержание другого дочернего изотопа — 40Ar. Поскольку аргон — это инертный газ, он легко улетучивается из пород при нагреве до нескольких сотен градусов. Соответственно, калий-аргоновая датировка показывает время последнего разогрева образца до таких температур[15].

Основная проблема для калий-аргонового датирования, как и для других радиоизотопных методов, — обмен веществом с окружающей средой и трудности определения начального состава образца. Важно, чтобы образец в начальный момент не содержал аргон, а потом не терял его и не загрязнялся атмосферным аргоном. На это загрязнение можно сделать поправку, исходя из того, что в атмосферном аргоне есть, кроме 40Ar, и другой изотоп (36Ar), но из-за малости его количества (1/295 всего аргона) точность этой поправка невелика.

Есть усовершенствованный вариант калий-аргонового метода — 40Ar/39Ar-метод (аргон-аргоновый метод). По этому методу вместо содержания 40K определяется содержание 39Ar, который образуется из 39K при искусственном облучении нейтронами. Количество 40K можно однозначно определить из количества 39K за счёт постоянства изотопного состава калия. Преимущество этого способа связано с тем, что химические свойства 39Ar и 40Ar идентичны, так что содержание этих изотопов можно определить из одной навески образца одним и тем же способом. Но каждая аргон-аргоновая датировка требует калибровки с помощью образца известного возраста, облучённого тем же потоком нейтронов[21][22].

Сравнение калий-аргоновых датировок с уран-свинцовыми показывает, что калий-аргоновые обычно меньше примерно на 1 %. Вероятно, это объясняется неточностью принятого значения периода полураспада калия-40[15].

Радиоуглеродный метод[править | править вики-текст]

Метод основан на распаде углерода-14 и применяется для объектов биологического происхождения. Он позволяет определить время, прошедшее с момента гибели биологического объекта и прекращения обмена углеродом с атмосферным резервуаром. Отношение содержания углерода-14 к стабильному углероду (14C/12C ~ 10−10%) в атмосфере и в тканях животных и растений, находящихся в равновесном обмене с ней, определяется потоком быстрых нейтронов в верхней атмосфере. Нейтроны, создаваемые космическими лучами, реагируют с ядрами атмосферного азота-14 по реакции образуя в среднем около 7,5 кг углерода-14 в год. Период полураспада 14С равен 5730±40 лет; существующие методики позволяют определять концентрации радиоуглерода в биообъектах на уровне приблизительно в 1000 раз меньше равновесной атмосферной концентрации, то есть с возрастом до 10 периодов полураспада 14С (около 60 тыс. лет).

Примечания[править | править вики-текст]

Комментарии
  1. Оценка Резерфорда основывалась на данных Рамзая и Траверса по содержанию урана и гелия в фергусоните (о том, что из урана образуется не только гелий, но и намного лучше подходящий для датировок свинец, ещё не было известно). Она составляла 40 млн лет; в следующем году Резерфорд пересмотрел её с учётом уточнённой скорости образования гелия и получил 500 млн лет.
  2. Современные исследования показывают, что среднее для земных пород соотношение немного меньше рекомендованного Подкомиссией по геохронологии Международного союза геологических наук в 1979 году значения 137,88 и составляет около 137,82, причём в разных образцах оно отличается на сотые и даже десятые доли процента. Природный ядерный реактор в Окло — единственный известный пример существенно большего отклонения.
Источники
  1. Lewis C. L. E. Arthur Holmes' unifying theory: from radioactivity to continental drift // The Earth Inside and Out: Some Major Contributions to Geology in the Twentieth Century / D. R. Oldroyd. — Geological Society of London, 2002. — P. 168. — 369 p. — (Geological Society special publication 192). — ISBN 9781862390966.
  2. Mattinson J. M. The geochronology revolution // The Web of Geological Sciences: Advances, Impacts, and Interactions / M. E. Bickford. — Geological Society of America, 2013. — P. 304. — 611 p. — (Geological Society of America special paper 500). — ISBN 9780813725000.
  3. Rutherford E. Present Problems of Radioactivity // International Congress of Arts and Science. Vol. IV / H. J. Rogers. — University Alliance, 1906. — P. 185–186. — DOI:10.5962/bhl.title.43866.
  4. Boltwood B. (1907). «On the Ultimate Disintegration Products of the Radio-active Elements. Part II. The Disintegration Products of Uranium». American Journal of Science 23, ser.4: 77–88. DOI:10.2475/ajs.s4-23.134.78.
  5. Dalrymple G. B. Early Appeals to Radioactivity // The Age of the Earth. — Stanford University Press, 1994. — P. 69–74. — 474 p. — ISBN 9780804723312.
  6. White W. M. 2.1. Basics of Radioactive Isotope Geochemistry // Isotope Geochemistry. — John Wiley & Sons, 2015. — P. 32–33. — 496 p. — ISBN 978-0-470-65670-9. (pdf).
  7. Geologic Time: Radiometric Time Scale. United States Geological Survey (16 June 2001). Архивировано из первоисточника 29 октября 2012.
  8. Arnold, J. R.; Libby, W. F. (1949). «Age Determinations by Radiocarbon Content: Checks with Samples of Known Age». Science 110 (2869): 678–680. DOI:10.1126/science.110.2869.678. PMID 15407879. Bibcode1949Sci...110..678A.
  9. G. Brent Dalrymple. Ancient Earth, Ancient Skies. — Stanford University Press, 2004. — P. 58–60. — 247 p. — ISBN 9780804749336.
  10. Johnson, B. (1993) How to Change Nuclear Decay Rates. Usenet Physics FAQ.
  11. Rob Butler (2001). Closure temperatures Dynamic Earth. School of Earth and Environment.
  12. Scoates J. S., Wall C. J. Geochronology of Layered Intrusions // Layered Intrusions / B. Charlier, O. Namur, R. Latypov, Ch. Tegner. — Springer, 2015. — P. 23–28. — 748 p. — ISBN 9789401796521.
  13. 1 2 Schoene B. 4.10. U–Th–Pb Geochronology // Treatise on Geochemistry / H. Holland, K. Turekian. — 2nd ed. — Elsevier, 2014. — Vol. 4: The Crust. — P. 341–378. — ISBN 978-0-08-098300-4. — DOI:10.1016/B978-0-08-095975-7.00310-7.
  14. Robert Sanders 2004. Uranium/lead dating provides most accurate date yet for Earth’s largest extinction UC Berkeley News
  15. 1 2 3 4 5 6 7 Dickin A. P. Radiogenic Isotope Geology. — 2nd ed. — Cambridge University Press, 2005. — P. 29–31, 101–135, 275, 324–382. — 512 p. — ISBN 0-521-82316-1.
  16. 1 2 Parrish R. Uranium–Lead Dating // Encyclopedia of Scientific Dating Methods / W. J. Rink, J. W. Thompson. — Springer Netherlands, 2015. — P. 848–857. — 978 p. — ISBN 978-94-007-6304-3. — DOI:10.1007/978-94-007-6304-3_193.
  17. Andrew Alden. Uranium-Lead Dating About.com Geology
  18. Геохронология — статья из Большой советской энциклопедии. Б. М. Келлер, А. И. Тугаринов, Г. В. Войткевич.
  19. White W. M. 3. Decay systems and geochronology II: U and Th // Isotope Geochemistry. — John Wiley & Sons, 2015. — P. 72–100. — 496 p. — ISBN 978-0-470-65670-9. (pdf).
  20. Singer S. B., Hoffman K. A., Chauvin A., Coe R. S., Pringle M. S. (1999). «Dating transitionally magnetized lavas of the late Matuyama Chron: Toward a new 40Ar/39Ar timescale of reversals and events». Journal of Geophysical Research 104 (B1): 679–693. DOI:10.1029/JB084iB02p00615.
  21. Титаева Н. А. Ядерная геохимия: Учебник. — 2-е изд. — М.: Издательство МГУ, 2000. — С. 99—102. — 336 с. — ISBN 5-211-02564-4.
  22. K/Ar and 40Ar/39Ar Methods — The New Mexico Bureau of Geology & Mineral Resources

Литература[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]