Изохронные датировки

Изохронный график радиогенного дочернего изотопа (D*) в сравнении с родительским изотопом (P), все нормализованные по стабильному изотопу дочернего элемента (D _ref ). Он демонстрирует изотопную эволюцию по мере старения образца от t ₀ до t ₁ и до t ₂ .

Изохронное датирование — распространенный метод радиометрического датирования , который применяется для датировки определенных событий , таких как кристаллизация , метаморфизм в истории горных пород , ударные события и дифференциация расплавов-предшественников . Изохронное датирование можно разделить на изохронное датирование минералов и изохронное датирование всей породы ; оба метода часто применяются для датировки земных, а также внеземных пород ( метеоритов ). Преимущество изохронного датирования по сравнению с простыми методами радиометрического датирования заключается в том, что не требуется никаких предположений о начальном количестве дочернего нуклида в последовательности радиоактивного распада . Действительно, начальное количество дочернего продукта можно определить с помощью изохронного датирования. Этот метод можно применить, если дочерний элемент имеет хотя бы один стабильный изотоп , отличный от дочернего изотопа, на который распадается родительский нуклид. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}

Основа метода

Все формы изохронного датирования предполагают, что источник породы или пород содержал неизвестные количества как радиогенных , так и нерадиогенных изотопов дочернего элемента, а также некоторое количество родительского нуклида. Таким образом, в момент кристаллизации отношение концентрации радиогенного изотопа дочернего элемента к концентрации нерадиогенного изотопа представляет собой некоторую величину, не зависящую от концентрации родительского элемента. С течением времени некоторое количество родительского элемента распадается на радиогенный изотоп дочернего элемента, увеличивая соотношение концентрации радиогенного изотопа к концентрации нерадиогенного изотопа дочернего элемента. Чем больше начальная концентрация родительского изотопа, тем выше будет концентрация радиогенного дочернего изотопа в определенный момент времени. Таким образом, соотношение радиогенных и нерадиогенных изотопов дочернего элемента со временем будет увеличиваться, а соотношение родительского и дочернего элементов будет уменьшаться. Для пород, которые начинаются с небольшой концентрации родительского элемента, соотношение радиогенного/нерадиогенного дочернего элемента не будет меняться так быстро, как для пород, которые начинаются с большой концентрации родительского элемента.

Предположения

Изохронная диаграмма даст действительный возраст только в том случае, если все образцы являются когенетическими , что означает, что они имеют одинаковый первоначальный изотопный состав (т. е. породы происходят из одной и той же породы, минералы из одной породы и т. д.), все образцы имеют одинаковый первоначальный изотопный состав (при t ₀ ), и система осталась закрытой .

Изохронные графики

Математическое выражение, из которого получается изохрона: ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

${\mathrm {D*} }={\mathrm {D} }_{\mathrm {0} }+\mathrm {n} \cdot (e^{\lambda t}-1),$

где

t — возраст образца,

D * — число атомов радиогенного дочернего изотопа в образце,

D ₀ — число атомов дочернего изотопа в исходном или исходном составе,

n — число атомов родительского изотопа в образце в настоящее время,

λ - константа распада исходного изотопа, равная обратной величине периода радиоактивного полураспада исходного изотопа. ^{[ 6 ]} умноженный на натуральный логарифм 2, и

( и ^λλt-1) — наклон изохроны, определяющий возраст системы.

Поскольку изотопы измеряются с помощью масс-спектрометрии , вместо абсолютных концентраций используются соотношения, поскольку масс-спектрометры обычно измеряют первое, а не второе. (См. раздел, посвященный масс-спектрометрии соотношений изотопов .) Таким образом, изохроны обычно определяются следующим уравнением, которое нормализует концентрацию родительских и радиогенных дочерних изотопов до концентрации нерадиогенного изотопа дочернего элемента, который, как предполагается, быть постоянным:

$\left({\frac {\mathrm {D*} }{\mathrm {D} _{ref}}}\right)_{\mathrm {present} }=\left({\frac {\mathrm {D_{0}} }{\mathrm {D} _{ref}}}\right)_{\mathrm {initial} }+\left({\frac {\mathrm {P_{t}} }{\mathrm {D} _{ref}}}\right)\cdot (e^{\lambda t}-1),$

где

D_{ref}

– концентрация нерадиогенного изотопа дочернего элемента (считается постоянной),

D*

— текущая концентрация дочернего радиогенного изотопа,

D_{0}

– начальная концентрация дочернего радиогенного изотопа,

P_{t}

- это текущая концентрация исходного изотопа, который распался с течением времени

t

.

Для датирования горную породу измельчают в мелкий порошок, а минералы разделяют различными физическими и магнитными способами. Каждый минерал имеет разные соотношения между родительской и дочерней концентрациями. Для каждого минерала соотношения связаны следующим уравнением:

{\mathrm {D} _{0}+\Delta {P}_{t} \over D_{ref}}={\Delta {P}_{t} \over P_{i}-\Delta {P}_{t}}\left({P_{i}-\Delta {P}_{t} \over D_{ref}}\right)+{D_{0} \over D_{ref}}

(1)

где

P_{i}

- начальная концентрация родительского изотопа, а

\Delta {P}_{t}

общее количество родительского изотопа, распавшегося с течением времени

t

.

Доказательство (1) сводится к простой алгебраической манипуляции. В такой форме он полезен, поскольку демонстрирует взаимосвязь между величинами, которые действительно существуют в настоящее время. А именно, $P_{i}-\Delta {P}_{t}$ , $D_{0}+\Delta {P}_{t}$ и $D_{ref}$ соответственно соответствуют концентрациям родительских, дочерних и нерадиогенных изотопов, обнаруженных в породе на момент измерения.

Соотношения ${\frac {\mathrm {D*} }{\mathrm {D} _{ref}}}$ или $D_{0}+\Delta {P}_{t} \over D_{ref}$ (относительная концентрация присутствующих дочерних и нерадиогенных изотопов) и ${\frac {\mathrm {P_{t}} }{\mathrm {D} _{ref}}}$ или ${P_{i}-\Delta {P}_{t} \over D_{ref}}$ (относительная концентрация присутствующего исходного и нерадиогенного изотопа) измеряются с помощью масс-спектрометрии и наносятся друг на друга на трехизотопном графике, известном как изохронный график .

Если все точки данных лежат на прямой линии, эта линия называется изохроной. Чем лучше точки данных соответствуют линии, тем более надежна результирующая оценка возраста. Поскольку соотношение дочерних и нерадиогенных изотопов пропорционально соотношению родительских и нерадиогенных изотопов, наклон изохроны со временем становится круче. Изменение наклона от начальных условий (при условии, что начальный наклон изохроны равен нулю (горизонтальная изохрона) в точке пересечения (пересечения) изохроны с осью y) до текущего расчетного наклона дает возраст породы. Наклон изохроны, $(e^{\lambda t}-1)$ или $\Delta {P}_{t} \over P-\Delta {P}_{t}$ , представляет собой соотношение дочерей и родителей, используемое при стандартном радиометрическом датировании , и может быть получено для расчета возраста выборки на момент времени t . Пересечение y изохронной линии дает начальное радиогенное дочернее отношение, ${\frac {\mathrm {D_{0}} }{\mathrm {D} _{ref}}}$ .

При изохронном датировании всей породы используются одни и те же идеи, но вместо разных минералов, полученных из одной породы, используются разные типы пород, полученные из общего резервуара; например, тот же расплав-предшественник. Можно датировать дифференциацию расплава-предшественника, который затем охлаждался и кристаллизовался в разные типы пород.

Одной из наиболее известных изотопных систем для изохронного датирования является система рубидий-стронций . Другие системы, которые используются для изохронного датирования, включают самарий-неодим и уран-свинец . Некоторые изотопные системы, основанные на короткоживущих вымерших радионуклидах, таких как ⁵³Мн , ²⁶Ал , ¹²⁹я , ⁶⁰Fe и другие используются для изохронного датирования событий ранней истории Солнечной системы . Однако методы, использующие вымершие радионуклиды, дают только относительный возраст и должны быть откалиброваны с помощью методов радиометрического датирования, основанных на долгоживущих радионуклидах, таких как датирование Pb-Pb, для определения абсолютного возраста.

Приложение

Изохронное датирование полезно при определении возраста магматических пород , первоначально возникших в результате остывания жидкой магмы . Также полезно определить время метаморфизма, шоковых событий (например, последствий удара астероида ) и других событий в зависимости от поведения конкретных изотопных систем при таких событиях. Его можно использовать для определения возраста зерен в осадочных породах и понимания их происхождения с помощью метода, известного как исследование происхождения .

См. также

Радиометрическое датирование

Ссылки

^ Альбаред, Фрэнсис (2009). «4.3 Изохронный метод». Геохимия: Введение . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9781107268883 .
^ Янг, Мэтт; Строде, Пол К. (2009). Почему эволюция работает (а креационизм терпит неудачу) . Нью-Брансуик, Нью-Джерси: Издательство Университета Рутгерса. стр. 151–153. ISBN 9780813548647 .
^ Протеро, Дональд Р.; Шваб, Фред (2004). Осадочная геология: введение в осадочные породы и стратиграфию (2-е изд.). Нью-Йорк: Фриман. ISBN 9780716739050 .
^ Фор, Гюнтер (1998). Принципы и приложения геохимии: комплексный учебник для студентов-геологов (2-е изд.). Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси : Прентис Холл . ISBN 978-0-02-336450-1 . ОСЛК 37783103 . ^{[ нужна страница ]}
^ Уайт, WM (2003). «Основы геохимии радиоактивных изотопов» (PDF) . Корнеллский университет .
^ «Геологическое время: радиометрическая шкала времени» . Геологическая служба США . 16 июня 2001 г.

Внешние ссылки

[Albarede-1] Альбаред, Фрэнсис (2009). «4.3 Изохронный метод». Геохимия: Введение . Издательство Кембриджского университета. ISBN 9781107268883 .

[Young-2] Янг, Мэтт; Строде, Пол К. (2009). Почему эволюция работает (а креационизм терпит неудачу) . Нью-Брансуик, Нью-Джерси: Издательство Университета Рутгерса. стр. 151–153. ISBN 9780813548647 .

[Prothero-3] Протеро, Дональд Р.; Шваб, Фред (2004). Осадочная геология: введение в осадочные породы и стратиграфию (2-е изд.). Нью-Йорк: Фриман. ISBN 9780716739050 .

[Faure-4] Фор, Гюнтер (1998). Принципы и приложения геохимии: комплексный учебник для студентов-геологов (2-е изд.). Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси : Прентис Холл . ISBN 978-0-02-336450-1 . ОСЛК 37783103 . ^{[ нужна страница ]}

[Cornell-5] Уайт, WM (2003). «Основы геохимии радиоактивных изотопов» (PDF) . Корнеллский университет .

[usgs-6] «Геологическое время: радиометрическая шкала времени» . Геологическая служба США . 16 июня 2001 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]