Свинец-свинцовый метод
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 трёх 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 t означает концентрацию изотопа в момент измерений, а индекс 0 - 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), 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.
Гипотеза О.Ю.Шмидта
Советский геофизик О.Ю.Шмидт несколько иначе представлял себе развитие Солнечной системы, работая в первой половине XX века. Согласно его гипотезе, Солнце, путешествуя по Галактике, проходило сквозь газопылевое облако и увлекло часть его за собой. Впоследствии твердые частицы облака подверглись слипанию и превратились в планеты, изначально холодные. Разогревание этих планет произошло позже в результате сжатия, а также поступления солнечной энергии. Разогрев Земли сопровождали массовые излияния лав на поверхность в результате вулканической деятельности. Благодаря этому излиянию сформировались первые покровы Земли.
Из лав выделялись газы. Они образовали первичную атмосферу, которая еще не содержала кислорода. Больше половины объема первичной атмосферы составляли пары воды, а температура ее превышала 100°С. При дальнейшем постепенном остывании атмосферы произошла конденсация водяных паров, что привело к выпадению дождей и образованию первичного океана. Это произошло около 4,5-5 млрд. лет назад. Позднее началось формирование суши, которая представляет собой утолщенные, относительно легкие части литосферных плит, поднимающихся выше уровня океана.
Газопылевое облако
Рис.1 Газопылевое облако
Гипотеза Ф. Хойла (XX век)
Английским астрофизиком Фредом Хойлом была предложена своя гипотеза. Согласно ей, у Солнца была звезда-близнец, которая взорвалась. Большая часть осколков унеслась в космическое пространство, меньшая — осталась на орбите Солнца и образовала планеты.
Все гипотезы по-разному трактуют происхождение Солнечной системы и родственные связи между Землей и Солнцем, но они едины в том, что все планеты произошли из единого сгустка материи, а дальше судьба каждой из них решалась по-своему. Земле предстояло пройти путь в 5 млрд. лет, испытать ряд фантастических превращений, прежде чем мы увидели ее в современном облике. Однако необходимо заметить, что гипотезы, не имеющей серьезных недостатков и отвечающей на все вопросы о происхождении Земли и других планет Солнечной системы, пока еще нет. Но можно считать установленным, что Солнце и планеты образовались одновременно (или почти одновременно) из единой материальной среды, из единого газово-пылевого облака.
Уран-свинцовый метод — один из видов радиоизотопного датирования. Применим к геологическим объектам, содержащим уран, и основан на определении того, какая его доля успела распасться за время существования объекта (с момента кристаллизации минералов в нём). Используются два изотопа урана, цепочки распада которых кончаются разными изотопами свинца; это сильно повышает надёжность результатов.
Данный метод — один из самых старых и хорошо разработанных способов радиоизотопного датирования и, при хорошем исполнении, — самый надёжный метод для объектов возрастом в сотни миллионов лет.
Используются следующие превращения изотопов:
238U → 206Pb с периодом полураспада 4,4683 ± 0,0024 млрд лет (ряд радия — см. Радиоактивные ряды),
235U → 207Pb с периодом полураспада 0,70381 ± 0,00048 млрд лет (ряд актиния).
Иногда в дополнение к ним используют распад тория-232 (уран-торий-свинцовый метод):
232Th → 208Pb с периодом полураспада 14,0 млрд лет (ряд тория).
Все эти превращения идут во много стадий, но промежуточные нуклиды распадаются намного быстрее материнских.
Периоды полураспада 235U и 238U определены точнее, чем для всех остальных используемых в геохронологии изотопов. Но при самых точных исследованиях погрешность периодов полураспада выходит на первое место среди источников ошибок.
Распад урана создаёт возможность определять возраст и другими способами:
· по изотопам одного только свинца, без учёта урана (свинец-свинцовый метод);
· по трекам от деления урана-238;
· по урану, торию и гелию;
· по урану и промежуточным продуктам его распада (234U, 230Th, 231Pa, 226Ra, 210Pb, 210Po; только в пределах миллиона лет).
Калий-аргоновый метод
В этом методе используется распад изотопа 40K, который составляет 0,012 % природного калия. Он распадается в основном двумя способами]:
· β−-распад (вероятность 89,28(13) %, парциальный период полураспада 1,398 млрд лет):
{\displaystyle \mathrm {{}_{19}^{40}K} \rightarrow \mathrm {{}_{20}^{40}Ca} +e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}\,;}
· электронный захват (вероятность 10,72(13) %], парциальный период полураспада 11,64 млрд лет):
{\displaystyle \mathrm {{}_{19}^{40}K} +e^{-}\rightarrow \mathrm {{}_{18}^{40}Ar} +{\nu }_{e}\,.}
Период полураспада 40K с учётом обоих путей распада равен 1,248(3) млрд лет]. Это позволяет датировать и образцы с возрастом, равным возрасту Земли, и образцы с возрастом в сотни, а иногда и десятки тысяч лет.
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]. 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.
Основной продукт распада калия-40 — 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].
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 поправки 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.
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.