Радиологические методы

Радиологические методы основаны на использовании явления самопроизвольного распада радиоактивных элементов - урана, тория, рубидия, углерода, калия и др. Радиоактивные изотопы не только распадаются сами, и, следовательно, их содержание в геологических телах не остается постоянным, уменьшается во времени, но и порождают ядра новых (дочерних) элементов, количество которых во времени растет. В закрытой системе все они остаются в одном теле и их соотношение, учитывая постоянство скорости распада, позволяет надежно рассчитать время образования данного геологического тела (время закрытия системы). На этом основаны методы определения радиологического возраста, называемого часто абсолютным, что не точно. В данной системе за 0 принимается текущий момент.

В геохимии в настоящее время для определения геологического возраста используются следующие пары материнских и дочерних элементов:

Рис. 5.1. Время появления на Земле различных групп растений и животных.

На основании законов радиоактивного распада можно написать соотношение между числом атомов материнского нуклида (М) и образующегося из него дочернего изотопа (D): D = M(e^λt – 1)

Это уравнение является основным для исчисления радиогенных нуклидов по величине константы распада (λ) за время (t). Если известны количества материнского и дочернего нуклидов и константа распада, то можно вычислить то время, за которое накопились эти дочерние продукты. Для этого необходимы два основных условия:

1. Минерал в течение всей своей истории должен быть закрытой системой для D и M, в нем не должно происходить ни выноса, ни привноса как дочерних так и материнских атомов.

2. В момент кристаллизации минерал не содержал атомов дочернего нуклида, т.е. все обнаруженные в нем атомы D образовались в результате распада атомов типа M и являются радиогенными

Наибольшее распространение для датирования геологических объектов имеют уран – свинцовый и калий - аргоновый методы.

Свинец имеет четыре изотопа ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb. Первый из них не радиогенный, а потому сохраняющий свое содержание, но не распределение, в земной коре. Три остальные представляют собой конечные члены рядов радиоактивного распада ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th c периодами распада 4,5 млрд. лет, 0,7 млрд. лет и 14 млрд. лет, соответственно. На рисунке 5.2. приведены вариации изотопного состава свинцов, как функция времени.

Значения для радиогенных свинцов нормированы по стабильному изотопу ²⁰⁴Pb. Кривые показывают накопление разных изотопов свинца во времени.

Если система остается закрытой все время существования природного объекта (не испытывает ни привноса, ни выноса урана и свинца), по четырем изотопам свинца можно определить возраст ее образования. В этом случае все три радиогенных изотопа дают одинаковые возрастные значения. Цифры возраста, полученные по отношениям ²⁰⁷Pb/²³⁵U и ²⁰⁶Pb/²³⁸U должны ложиться на кривую, называемую конкордия. Однако, во многих случаях результаты, полученные по разным изотопам, несколько различаются между собой (дискордантны). В этих случаях применяют специальные методы корректировки полученных данных.

Калий-аргоновый метод определения абсолютного возраста горных пород основан на распаде широко распространенного в природе изотопа калия с атомной массой 40 (⁴⁰К). Около 12% указанного изотопа калия в процессе радиоактивного распада переходит в аргон с тем же атомным весом (⁴⁰Ar), который остается внутри кристаллической решетки минерала. Определяется соотношение в калиевых минералах изотопов аргона и калия с атомным весом 40 (⁴⁰Ar/⁴⁰К).

Каждый метод, естественно, имеет определенные рамки точности, т.е. определенный доверительный интервал. В последнее для датировок время геологических объектов начинает использоваться все боле широкий спектр радиоактивных элементов. Существенную помощь в расшифровке геологических процессов оказывают и стабильные изотопы.

Благодаря внедрению в геологию радиологических методов, удалось выявить продолжительность геологической истории Земли, каждой ее эры, периода и т.д. Геологическая история из относительной последовательности (раньше позже) перешла в историю временную.

Более того, в геологии появилось понятие интенсивность, которое подразумевает результат какого-либо процесса в единицу времени.