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 ( 87 Rb) и стронций ( 87 Сэр, 86 Ср). Один из двух встречающихся в природе изотопов рубидия. 87 Rb, распадается на 87 Sr с периодом полураспада 49,23 миллиарда лет. Радиогенная , дочь 87 Sr, 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 87 Rb увеличивает количество радиогенных 87 Sr, тогда как количество других изотопов Sr остается неизменным.
Соотношение 87 старший/ 86 Sr 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 87 старший/ 86 Сэр. Разные минералы, кристаллизовавшиеся из одного и того же кремниевого расплава, будут иметь одинаковую начальную 87 старший/ 86 Сэр 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 87 старший/ 86 В 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 87 Сэр, измерил 87 старший/ 86 Значения Sr в минералах будут разными, увеличиваясь в одном порядке. Таким образом, сравнение различных минералов в образце горной породы позволяет ученым сделать вывод об оригинале. 87 старший/ 86 Sr 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 87 старший/ 86 Sr 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 87 старший/ 86 Sr, 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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]Возраст образца определяется путем анализа нескольких минералов в нескольких подобразцах из разных частей исходного образца. 87 старший/ 86 Отношение Sr для каждой подвыборки построено в зависимости от ее 87 руб./ 86 Отношение 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 : , получим выражение, описывающее рост стронция-87 при распаде рубидия-87: — константа распада рубидия. Кроме того, мы учитываем количество как константа, поскольку она стабильна и не радиогенна. Следовательно, представляет собой уравнение изохроны. После измерения концентрации рубидума и стронция в минерале мы можем легко определить возраст, значение t образца. [ 4 ]
Источники ошибок
[ редактировать ]Датирование Rb-Sr основано на правильном измерении соотношения Rb-Sr в образце минерала или всей породы, а также на получении точного 87 старший/ 86 Коэффициент Sr для образца минерала или всей породы.
Прежде чем Rb-Sr дату можно будет рассматривать как отражающую время внедрения или формирования 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 камня.
Таким образом, определение возраста результата требует изучения метасоматической и термической истории породы, любых метаморфических событий и любых свидетельств движения жидкости. Дата Rb-Sr, которая отличается от других геохронометров, не может быть бесполезной, она может предоставлять данные о событии, которое не отражает возраст образования породы.
Использование
[ редактировать ]Геохронология
[ редактировать ]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 87 старший/ 86 Соотношение 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 одинаковые свойства. 87 старший/ 86 Сэр 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
[ редактировать ]Исходный 87 старший/ 86 Отношения Sr являются полезным инструментом в археологии , криминалистике и палеонтологии , поскольку 87 старший/ 86 Sr 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 87 старший/ 86 соотношение Sr (и часто 143 Нд- 144 Коэффициенты Nd) можно измерить геологический отпечаток объекта или скелета, что позволяет определить закономерности миграции.
Стратиграфия изотопов стронция
[ редактировать ]Стратиграфия изотопов стронция основана на признанных различиях в 87 старший/ 86 Соотношение 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
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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
[ редактировать ]- 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 .