I.2.4. Геохронологические методы

Рассмотренные методы определения относительного возраста - горных пород не дают реального представления о геологическом возрасте Земли и о продолжительности установленных геохронологических подразделений. Относительная геохронология позволяет судить лишь о последовательности во времени отдельных геохронологических единиц, но их истинную продолжительность (в тысячах и миллионах лет) можно установить радиогеохронологическими методами, часто называемыми методами определения абсолютного возраста.

Термин «абсолютный возраст», противопоставляемый названию, «относительный возраст», удобен для употребления, но он является неверным, так как любые полученные результаты не являются абсолютно точными. Известно, что каждая полученная цифра несет в себе определенную ошибку и требует, проверки. Численные оценки возраста горных пород, используемые в наше время, основаны на данных радиоактивного распада некоторых элементов. Установленный таким образом возраст следует называть изотопным, а методы его определения – радиогеохронологическими.

Несмотря на то что методы относительной геохронологии до сих пор являются основными в стратиграфии и в течение более 200 лет совершенствуются, ученые начиная с XVIII в. пытались разработать приемлемую методику определения «абсолютного» возраста горных пород. Для этого старались использовать различные химические, физические, геологические и даже биологические явления и процессы: подсчет скорости накопления солей в мировом океане, оценку скорости аккумуляции, денудации, потери тепла Землей; при остывании, эволюции разных групп организмов и т. д. Однако все эти попытки не принесли положительных результатов, из-за того что процессы, которые легли в основу примененных методов, не протекают с постоянной скоростью.

В конце XIX и начале ХХ в. представление о геологическом времени и о возрасте Земли было совершенно неверным: многие ученые оценивали возраст Земли в пределах 40-100 млн. лет.

Явление радиоактивности, открытое и изученное на рубеже ХIХ и ХХ вв. А. Беккерелем, П. Кюри и М. Кюри-Склодовской, знаменовало начало новой эры в геохронологии. Геологи получили надежный метод определения истинного возраста горных пород. Явление радиоактивности связано с процессом распада ядер атомов радиоактивных элементов, протекающим самопроизвольно, с постоянной скоростью, не зависящим от физико-химических явлений, происходящих в земной коре. Любые физические усилия, преобразующие земную кору (давление, температура и др.), не оказывают влияния на атомные ядра радиоактивных и стабильных радиогенных элементов. В природе наблюдается несколько типов ядерного распада: три основных: альфа-распад, бета-распад и электронный захват.

Постоянная скорость радиоактивного распада обоснована теоретически и доказана опытным путем. Она характеризуется периодом полураспада- временем, в течение которого радиоактивное вещество уменьшается наполовину. Для установления изотопного возраста горных пород используются радиоактивные элементы с длительными периодами полураспада, исчисляемыми миллионами и миллиардами лет. Например, периоды полураспада у 232Th= 13,8 млрд. лет, 238U

=4,53 млрд. лет, 235U=4,13 млрд. лет, 235U=713 млн. лет. Учитывая периоды полураспада и сравнивая их с геологическим возрастом Земли, несомненно, что перечисленные радиоактивные элементы полностью еще не распались и распад их ядер продолжается в наше время.

Изотопный возраст определяется по минералам, имеющим в своем составе радиоактивные элементы. С момента образования таких минералов в них непрерывно происходит накопление продуктов распада - радиогенных стабильных изотопов. По любой паре радиоактивного и радиогенного стабильного изотопа можно определять возраст, зная период полураспада радиоактивного изотопа. В наше время при меняют следующие типы самопроизвольных ядерных превращений при определении изотопного возраста:

²³⁸U→8⁴Не+^2О6РЬ

²³⁵U→7⁴Не+^2О7РЬ

²³²Th→6⁴Не+^2О8РЬ

⁴⁰К + е→^4О Ar

⁴⁰K→40Ca

⁸⁷Rb→87Sr+

Названия методов определения изотопного возраста горных пород происходят от конечного продукта распада радиоактивного элемента: урано-ториево-свинцовый, гелиевый, калий-аргоновый, кальциевый и рубидий-стронциевый. Для определения возраста надо знать соотношение начального и конечного элементов, для чего аналитическим путем устанавливают содержание радиоактивного вещества и продукта его распада в исследуемом минерале.

Для получения удовлетворительных результатов надо иметь минералы хорошей сохранности без включений других минералов и не подвергшиеся выветриванию, в процессе которого возможен как вынос, так и привнос изотопов. Радиоактивные минералы подвержены химическим изменениям, которые зачастую приводят к потере радиоактивных элементов, продуктов их распада или тех и других вместе. Все это может привести к неверным результатам, к так называемому «омоложению» возраста породы.

Свинцовый метод начал применяться ранее других, его впервые использовал Б. Болтвуд в Канаде в 1907 г. В основе этого метода лежит процесс радиоактивного распада изотопов 235U, 238U, 232Тh на изотопы свинца. Для определения изотопного возраста надо знать содержание урана или тория и изотопа свинца в радиоактивном минерале. Обычно используют сильно радиоактивные минералы, содержащие более 1 % урана или тория: уранинит, монацит, ортит, циркон.

Возраст вычисляется по четырем изотопным отношениям: 206РЬ/238U; 207РЬ/235U; 208РЬ/232Th; 207РЬ/206РЬ с использованием закона распада радиоактивных элементов. Для удобства возраст вычисляют по заранее составленным таблицам, номограммам и графикам.

Этот метод используется для докембрийских пород в двух вариантах: свинцово-изотопном и свинцово-изохронном. Первым исследуются минералы, содержащие уран. Второй вариант исследует породы: гнейсы, кристаллические сланцы, мраморы. Совпадение результатов свидетельствует об их достоверности.

Калий-аргоновый метод был предложен советским ученым Э. К Герлингом в 1949 г. и вскоре получил всеобщее признание. Используется для магматических и метаморфических пород по минералам, содержащим калий (слюды, п.ш., роговые обманки), для осадочных пород – по глаукониту. Исследуются только мономинеральные пробы. Естественной радиоактивностью обладает изотоп 40К, который путем электронного захвата превращается в аргон: 40K→4ОАг. Применяя этот метод, надо знать, какая доля радиоактивного изотопа 40К превращается в аргон путем электронного захвата и какая в кальций путем бета-распада.

Рубидий-стронцевый метод применяется для магматических и метаморфических пород по минералам, содержащим рубидий (амазонит, биотит, мусковит, микроклин) и основан на распаде 87Rb и превращении его в 87Sr путем бета-распада. Он применяется для определения возраста докембрийских пород из-за очень большого периода полураспада 87Rb (49,9 млрд. лет). Однако в последнее время в связи с наличием точной аналитической аппаратуры стронциевый метод стал применяться для определения возраста фанерозойских пород.

Радиоуглеродный метод основан на изучении радиоактивного изотопа углерода 14С в органических остатках, который образуется в атмосфере из азота 14N, а затем усваивается тканями растений. Период полураспада его равен 5750 лет, поэтому с помощью радиоуглеродного метода можно установить возраст лишь таких пород, время образования которых не превышает 50-70 тыс. 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 растительные и животные ткани в золе кострищ доисторического человека.

Радиогеохронологические методы быстро совершенствуются, область их применения непрерывно расширяется. Как было отмечено, наибольшую ценность они имеют для определения возраста магматических и древних метаморфических пород, лишенных палеонтологических остатков. Они широко используются и для установления изотопного возраста фанерозойских отложений. Вместе с тем, все изотопные методы имеют ряд недостатков, которые следует учитывать при геологических построениях. Во-первых, это не полевые методы. Они требуют точного и трудоёмкого опробования. Анализы требуют дорогой аппаратуры.

Во-вторых, средняя погрешность составляет +_5%.

Но главным недостатком всех методов является то, что чаще нет уверенности в датировке событий. Что означают цифры: время образования объекта или время его преобразования?

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: