Рубидий-стронциевое датирование

Метод рубидий-стронциевого датирования (Rb-Sr) — это метод радиометрического датирования, используемый учеными для определения возраста горных пород и минералов по содержанию в них определенных изотопов рубидия ( ⁸⁷Rb) и стронций ( ⁸⁷Сэр, ⁸⁶Ср). Один из двух встречающихся в природе изотопов рубидия. ⁸⁷Rb, распадается на ⁸⁷Sr с периодом полураспада 49,23 миллиарда лет. Радиогенная , дочь ⁸⁷Sr, образующийся в этом процессе распада, является единственным из четырех встречающихся в природе изотопов стронция, который не производился исключительно в результате звездного нуклеосинтеза до образования Солнечной системы. Со временем происходит распад ⁸⁷Rb увеличивает количество радиогенных ⁸⁷Sr, тогда как количество других изотопов Sr остается неизменным.

Соотношение ⁸⁷старший/ ⁸⁶Sr в пробе минерала можно точно измерить с помощью масс-спектрометра. Если можно определить количество изотопов Sr и Rb в образце при его формировании, то возраст можно рассчитать по увеличению ⁸⁷старший/ ⁸⁶Сэр. Разные минералы, кристаллизовавшиеся из одного и того же кремниевого расплава, будут иметь одинаковую начальную ⁸⁷старший/ ⁸⁶Сэр как родитель тает. Однако, поскольку Rb заменяет калий в минералах и эти минералы имеют разные соотношения K /Ca, минералы будут иметь разные начальные соотношения Rb/Sr, и конечные ⁸⁷старший/ ⁸⁶В минералах, бедных Rb, соотношение Sr не увеличится так сильно. Обычно Rb/Sr увеличивается в ряду плагиоклаза, роговой обманки, калишпата, биотита, мусковита. Поэтому при наличии достаточного времени для значительного образования (прорастания) радиогенных ⁸⁷Сэр, измерил ⁸⁷старший/ ⁸⁶Значения Sr в минералах будут разными, увеличиваясь в одном порядке. Таким образом, сравнение различных минералов в образце горной породы позволяет ученым сделать вывод об оригинале. ⁸⁷старший/ ⁸⁶Sr и определяют возраст породы.

Кроме того, Rb является крайне несовместимым элементом , который при частичном плавлении мантии предпочитает присоединяться к магматическому расплаву, а не оставаться в мантийных минералах. В результате Rb обогащается в породах коры по сравнению с мантией, и ⁸⁷старший/ ⁸⁶Sr выше для пород коры, чем для мантийных пород. Это позволяет ученым отличать магму, образовавшуюся в результате плавления коры, от магмы, образовавшейся в результате плавления мантийных пород, даже если последующая дифференциация магмы дает схожий общий химический состав. ^{[ 1 ]} Ученые также могут оценить ⁸⁷старший/ ⁸⁶Sr, когда порода коры впервые образовалась из магмы, извлеченной из мантии, даже если порода впоследствии метаморфизовалась или даже расплавлялась и перекристаллизовывалась. Это дает ключ к разгадке возраста континентов Земли. ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Развитию этого процесса способствовали немецкие химики Отто Хан и Фриц Штрассман , которые позже в декабре 1938 года открыли деление ядра .

Пример

Например, рассмотрим случай магматической породы , такой как гранит , которая содержит несколько основных минералов, содержащих Sr, включая плагиоклаз , полевой шпат , калиевый полевой шпат , роговую обманку , биотит и мусковит . Каждый из этих минералов имеет различное исходное соотношение рубидий/стронций, зависящее от содержания в них калия, концентрации Rb и K в расплаве и температуры, при которой образовались минералы. Рубидий замещает калий в решетке минералов со скоростью, пропорциональной его концентрации в расплаве.

Идеальный сценарий, согласно серии реакций Боуэна, предполагает, что гранитный расплав начнет кристаллизовать кумулятивную ассоциацию плагиоклаза и роговой обманки (т. е. тоналита или диорита ), которая имеет низкое содержание K (и, следовательно, Rb), но высокое содержание Sr (поскольку он заменяет Ca ), что пропорционально обогащает расплав K и Rb. Затем это приводит к осаждению ортоклаза и биотита, минералов, богатых калием, в которых может замещаться Rb. Полученные в результате соотношения Rb-Sr и содержания Rb и Sr как в породах в целом, так и в составляющих их минералах будут заметно различаться. Это, таким образом, позволяет с разной скоростью выделять радиогенный Sr в отдельных породах и входящих в них минералах с течением времени.

Расчет возраста

Возраст образца определяется путем анализа нескольких минералов в нескольких подобразцах из разных частей исходного образца. ⁸⁷старший/ ⁸⁶Отношение Sr для каждой подвыборки построено в зависимости от ее ⁸⁷руб./ ⁸⁶Отношение Sr на графике, называемом изохроной . Если они образуют прямую линию, то подвыборки последовательны и возраст, вероятно, надежен. Наклон линии определяет возраст образца.

Учитывая универсальный закон радиоактивного распада и следующий бета-распад рубидия : ${\ce {^{87}_{37}Rb->[{\beta ^{-}}]~_{38}^{87}Sr~+e^{-}\ +{\bar {\nu }}_{e}}}$ , получим выражение, описывающее рост стронция-87 при распаде рубидия-87: $_{38}^{87}{\text{Sr}}(t)=~_{38}^{87}{\text{Sr}}(0)+~_{37}^{87}{\text{Rb}}(e^{\lambda t}-1)\ ,$ ${\ce {\lambda}}$ — константа распада рубидия. Кроме того, мы учитываем количество ${\ce {^{86}_{38}Sr}}$ как константа, поскольку она стабильна и не радиогенна. Следовательно, ${\frac {^{87}{\text{Sr}}}{^{86}{\text{Sr}}}}=\left({\frac {^{87}{\text{Sr}}}{^{86}{\text{Sr}}}}\right)_{0}+{\frac {^{87}{\text{Rb}}}{^{86}{\text{Sr}}}}(e^{\lambda t}-1)$ представляет собой уравнение изохроны. После измерения концентрации рубидума и стронция в минерале мы можем легко определить возраст, значение t образца. ^{[ 4 ]}

Источники ошибок

Датирование Rb-Sr основано на правильном измерении соотношения Rb-Sr в образце минерала или всей породы, а также на получении точного ⁸⁷старший/ ⁸⁶Коэффициент Sr для образца минерала или всей породы.

Прежде чем Rb-Sr дату можно будет рассматривать как отражающую время внедрения или образования горной породы, необходимо выполнить несколько предварительных условий.

Система должна была оставаться закрытой для диффузии Rb и Sr с того момента, как порода образовалась или упала ниже температуры закрытия (обычно считающейся 650 ° C);
Минералы, которые извлекаются из породы для построения изохроны, должны образоваться в химическом равновесии друг с другом или, в случае отложений, отложиться одновременно;
Порода не должна была подвергнуться метасоматозу , который мог бы нарушить систему Rb-Sr ни термически, ни химически.

Одним из основных недостатков (и, наоборот, наиболее важного применения) использования Rb и Sr для получения радиометрической даты является их относительная подвижность, особенно в гидротермальных флюидах. Rb и Sr являются относительно подвижными щелочными элементами и поэтому относительно легко перемещаются горячими, часто карбонизированными гидротермальными флюидами, присутствующими во время метаморфизма или магматизма.

И наоборот, эти флюиды могут метасоматически изменять породу, вводя в породу новые Rb и Sr (обычно во время калиевых изменений или кальциевых ( альбитизаций ) изменений. Затем Rb-Sr можно использовать для изучения измененной минералогии, чтобы датировать время этого изменения, но а не дата образования породы.

Таким образом, присвоение значения возраста результату требует изучения метасоматической и термической истории породы, любых метаморфических событий и любых свидетельств движения жидкости. Дата Rb-Sr, которая отличается от других геохронометров, возможно, не бесполезна, она может предоставлять данные о событии, которое не отражает возраст образования породы.

Использование

Геохронология

Метод Rb-Sr широко используется при датировании земных и лунных пород, а также метеоритов. Если исходное количество Sr известно или может быть экстраполировано, возраст можно определить путем измерения концентраций Rb и Sr и ⁸⁷старший/ ⁸⁶Соотношение сэр. Даты указывают истинный возраст минералов только в том случае, если породы впоследствии не подвергались изменениям.

Важная концепция изотопного отслеживания заключается в том, что Sr, полученный из любого минерала в результате реакций выветривания, будет иметь одинаковую ⁸⁷старший/ ⁸⁶Сэр как минерал. Хотя это потенциальный источник ошибок для земных пород, он не имеет значения для лунных пород и метеоритов, поскольку в этих средах не происходит химических реакций выветривания.

Изотопная геохимия

Исходный ⁸⁷старший/ ⁸⁶Отношения Sr являются полезным инструментом в археологии , криминалистике и палеонтологии , поскольку ⁸⁷старший/ ⁸⁶Sr скелета, морской раковины или даже глиняного артефакта напрямую сопоставим с материнскими породами, из которых он образовался или на которых жил организм. Таким образом, измеряя текущий день ⁸⁷старший/ ⁸⁶соотношение Sr (и часто ¹⁴³Нд- ¹⁴⁴Nd (а также коэффициенты Nd) можно измерить геологический отпечаток объекта или скелета, что позволяет определить закономерности миграции.

Стратиграфия изотопов стронция

Стратиграфия изотопов стронция основана на признанных различиях в ⁸⁷старший/ ⁸⁶Соотношение Sr в морской воде с течением времени. ^{[ 5 ]} Применение изотопной стратиграфии Sr обычно ограничивается образцами карбонатов, для которых кривая Sr в морской воде хорошо определена. Это хорошо известно для кайнозойской временной шкалы, но из-за плохой сохранности карбонатных толщ в мезозое и ранее это не совсем понятно для более древних последовательностей. В более старых последовательностях диагенетические изменения в сочетании с большей неопределенностью в оценке абсолютного возраста из-за отсутствия перекрытия между другими геохронометрами (например, U-Th ) приводят к большей неопределенности в точной форме кривой изотопа Sr в морской воде. ^{[ 6 ]}

См. также

Радиометрическое датирование

Ссылки

^ Хоксворт, CJ; Воллмер, Р. (1979). «Коровое загрязнение по сравнению с обогащенной мантией: свидетельства 143Nd/144Nd и 87Sr/86Sr из итальянских вулканов». Вклад в минералогию и петрологию . 69 (2): 151–165. Бибкод : 1979CoMP...69..151H . дои : 10.1007/BF00371858 . S2CID 128876101 .
^ Моллер, А.; Мезгер, К.; Шенк, В. (1 апреля 1998 г.). «Области возраста земной коры и эволюция континентальной коры в Мозамбикском поясе Танзании: объединенные изотопные данные Sm-Nd, Rb-Sr и Pb-Pb» . Журнал петрологии . 39 (4): 749–783. дои : 10.1093/petroj/39.4.749 .
^ Маккалок, Монтана; Вассербург, GJ (2 июня 1978 г.). «Sm-Nd и Rb-Sr Хронология формирования континентальной коры: определены времена поступления на континенты химически фракционированных материалов мантийного происхождения» . Наука . 200 (4345): 1003–1011. дои : 10.1126/science.200.4345.1003 . ПМИД 17740673 . S2CID 40675318 .
^ Боуэн, Роберт (1994). «Рубидий-стронциевое датирование». Изотопы в науках о Земле . стр. 162–200. дои : 10.1007/978-94-009-2611-0_4 . ISBN 978-94-010-7678-4 .
^ Элдерфилд, Х. (октябрь 1986 г.). «Стратиграфия изотопов стронция». Палеогеография, Палеоклиматология, Палеоэкология . 57 (1): 71–90. дои : 10.1016/0031-0182(86)90007-6 .
^ Вейзер, Ян; Буль, Дитер; Динер, Андреас; Эбнет, Стефан; Подлаха, Олаф Г; Брукшен, Питер; Джаспер, Торстен; Корте, Кристоф; Шааф, Майкл; Ала, Дэвин; Азми, Карем (август 1997 г.). «Стратиграфия изотопов стронция: потенциальное разрешение и корреляция событий». Палеогеография, Палеоклиматология, Палеоэкология . 132 (1–4): 65–77. дои : 10.1016/S0031-0182(97)00054-0 .

Дальнейшее чтение

Якобсен, С.Б.; Уиллс, Дж.; Инь, К. (1997). Записи изотопов морской воды, эволюция земной коры, тектоника и эволюция атмосферы (PDF) . Седьмая ежегодная конференция В.М. Гольдшмидта. Тусон, Аризона. стр. 103–104. Архивировано (PDF) из оригинала 9 октября 2022 г.
«Таблица Менделеева – стронций» . Ресурсы по изотопам . Геологическая служба США. Январь 2004 года . Проверено 10 ноября 2016 г. .
Аттендорн, Х.-Г.; Боуэн, СРН (1997). «Рубидий-стронциевое датирование» . Геология радиоактивных и стабильных изотопов . стр. 159–191. дои : 10.1007/978-94-011-5840-4_7 . ISBN 978-94-010-6467-5 .
Вальтер, Джон Виктор (2009). «Рубидий-стронциевая систематика» . Основы геохимии . Джонс и Бартлетт Обучение. стр. 383–385. ISBN 978-0-7637-5922-3 .

Внешние ссылки

CSIRO Petroleum - Глобальная эволюция изотопов морской воды

[1] Хоксворт, CJ; Воллмер, Р. (1979). «Коровое загрязнение по сравнению с обогащенной мантией: свидетельства 143Nd/144Nd и 87Sr/86Sr из итальянских вулканов». Вклад в минералогию и петрологию . 69 (2): 151–165. Бибкод : 1979CoMP...69..151H . дои : 10.1007/BF00371858 . S2CID 128876101 .

[2] Моллер, А.; Мезгер, К.; Шенк, В. (1 апреля 1998 г.). «Области возраста земной коры и эволюция континентальной коры в Мозамбикском поясе Танзании: объединенные изотопные данные Sm-Nd, Rb-Sr и Pb-Pb» . Журнал петрологии . 39 (4): 749–783. дои : 10.1093/petroj/39.4.749 .

[3] Маккалок, Монтана; Вассербург, GJ (2 июня 1978 г.). «Sm-Nd и Rb-Sr Хронология формирования континентальной коры: определены времена поступления на континенты химически фракционированных материалов мантийного происхождения» . Наука . 200 (4345): 1003–1011. дои : 10.1126/science.200.4345.1003 . ПМИД 17740673 . S2CID 40675318 .

[4] Боуэн, Роберт (1994). «Рубидий-стронциевое датирование». Изотопы в науках о Земле . стр. 162–200. дои : 10.1007/978-94-009-2611-0_4 . ISBN 978-94-010-7678-4 .

[5] Элдерфилд, Х. (октябрь 1986 г.). «Стратиграфия изотопов стронция». Палеогеография, Палеоклиматология, Палеоэкология . 57 (1): 71–90. дои : 10.1016/0031-0182(86)90007-6 .

[6] Вейзер, Ян; Буль, Дитер; Динер, Андреас; Эбнет, Стефан; Подлаха, Олаф Г; Брукшен, Питер; Джаспер, Торстен; Корте, Кристоф; Шааф, Майкл; Ала, Дэвин; Азми, Карем (август 1997 г.). «Стратиграфия изотопов стронция: потенциальное разрешение и корреляция событий». Палеогеография, Палеоклиматология, Палеоэкология . 132 (1–4): 65–77. дои : 10.1016/S0031-0182(97)00054-0 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]