Датирование урана и свинца

Датирование уран-свинцом , сокращенно U-Pb-датирование , является одним из старейших и наиболее совершенная из схем радиометрического датирования . Его можно использовать для датировки горных пород, образовавшихся и кристаллизовавшихся в период от 1 миллиона лет до более 4,5 миллиардов лет назад, с обычной точностью в диапазоне 0,1–1 процента.

Этот метод обычно применяется к циркону . Этот минерал включает урана и тория атомы в свою кристаллическую структуру сильно отторгает свинец , но при формировании . В результате вновь образовавшиеся кристаллы циркона не будут содержать свинца, а это означает, что любой свинец, обнаруженный в минерале, радиогенен . Поскольку точная скорость распада урана на свинец известна, текущее соотношение свинца и урана в образце минерала можно использовать для надежного определения его возраста.

Метод основан на двух отдельных цепочках распада : ряд урана от ²³⁸ Ты, чтобы ²⁰⁶ Pb с периодом полураспада 4,47 миллиарда лет и актиниевой серией из ²³⁵ Ты, чтобы ²⁰⁷ Pb, с периодом полураспада 710 миллионов лет.

Маршруты распада

Уран распадается на свинец посредством серии альфа- и бета- распадов, при которых ²³⁸ U и его дочерние нуклиды претерпевают в общей сложности восемь альфа- и шесть бета-распадов, тогда как ²³⁵ U и его дочери испытывают только семь альфа-распадов и четыре бета-распада.

Существование двух «параллельных» путей распада урана и свинца ( ²³⁸ Ты, чтобы ²⁰⁶ Pb и ²³⁵ Ты, чтобы ²⁰⁷ Pb) приводит к появлению множества возможных методов датирования в рамках всей U-Pb-системы. Термин U-Pb-датирование обычно подразумевает совместное использование обеих схем распада в «диаграмме конкордии» (см. Ниже).

Однако использование единой схемы распада (обычно ²³⁸ Ты, чтобы ²⁰⁶ Pb) приводит к U-Pb изохронному методу датирования, аналогичному методу рубидий-стронциевого датирования .

Наконец, возраст также можно определить по системе U-Pb путем анализа только соотношений изотопов Pb. Это называется методом датирования свинца-свинца . Клер Кэмерон Паттерсон , американский геохимик, который был пионером в изучении методов радиометрического датирования урана и свинца, использовал его для получения одной из самых ранних оценок возраста Земли .

Минералогия

Хотя циркон (ZrSiO ₄ чаще всего используется ), другие минералы, такие как монацит (см.: Геохронология монацита ), титанит и бадделеит, также могут использоваться.

Там, где невозможно получить такие кристаллы, как циркон с включениями урана и тория, методы уран-свинцового датирования также применялись к другим минералам, таким как кальцит / арагонит и другие карбонатные минералы . Возраст этих типов минералов часто бывает менее точным, чем для магматических и метаморфических минералов, традиционно используемых для датирования возраста, но они чаще доступны в геологических записях.

Механизм

На этапах альфа-распада кристалл циркона испытывает радиационное повреждение, связанное с каждым альфа-распадом. Эти повреждения наиболее сконцентрированы вокруг родительского изотопа (U и Th), вытесняя дочерний изотоп (Pb) из его исходного положения в решетке циркона.

В областях с высокой концентрацией исходного изотопа повреждение кристаллической решетки довольно обширно и часто взаимосвязано, образуя сеть радиационно поврежденных участков. Следы деления и микротрещины внутри кристалла еще больше расширят эту сеть радиационных повреждений.

Эти следы деления действуют как каналы глубоко внутри кристалла, обеспечивая метод транспорта, способствующий выщелачиванию изотопов свинца из кристалла циркона.

Вычисление

В условиях, когда не произошло никаких потерь или притока свинца из внешней среды, возраст циркона можно рассчитать, предположив экспоненциальный распад урана. То есть

$N_{\mathrm {n} }=N_{\mathrm {o} }e^{-\lambda t}\,$

где

• $N_{\mathrm {n} }=\mathrm {U}$ — это количество атомов урана, измеренное сейчас.
• $N_{\mathrm {o} }$ исходное количество атомов урана - равно сумме атомов урана и свинца $\mathrm {U} +\mathrm {Pb}$ сейчас мерил.
• $\lambda =\lambda _{\mathrm {U} }$ - скорость распада урана.
• $t$ – возраст циркона, который необходимо определить.

Это дает

$\mathrm {U} =\left(\mathrm {U} +\mathrm {Pb} \right)e^{-\lambda _{\mathrm {U} }t},$

который можно записать как

${{\mathrm {Pb} } \over {\mathrm {U} }}=e^{\lambda _{\mathrm {U} }t}-1.$

Наиболее часто используемые цепочки распада урана и свинца дают следующие уравнения:

${{^{\text{206}}\,\!{\text{Pb}}^{*}} \over {^{\text{238}}\,\!{\text{U}}}}=e^{\lambda _{238}t}-1,$ ( 1 )

${{^{\text{207}}\,\!{\text{Pb}}^{*}} \over {^{\text{235}}\,\!{\text{U}}}}=e^{\lambda _{235}t}-1.$ ( 2 )

(Обозначение ${\text{Pb}}^{*}$, иногда используемый в этом контексте, относится к радиогенному свинцу. Для циркона исходное содержание свинца можно принять равным нулю, а обозначения можно игнорировать.) Говорят, что они дают согласованный возраст ( t из каждого уравнения 1 и 2). Именно эти согласованные возрасты, нанесенные на ряд временных интервалов, и образуют согласующуюся линию.

Потеря (утечка) свинца из образца приведет к расхождению в возрасте, определенном каждой схемой распада. Этот эффект называется дискордантностью и показан на рисунке 1. Если серия образцов циркона потеряла разное количество свинца, образцы образуют дискордантную линию. Верхняя точка пересечения линии конкордии и линии дискордии будет отражать первоначальный возраст формирования, а нижняя точка будет отражать возраст события, которое привело к поведению открытой системы и, следовательно, к потере лидерства; хотя существуют некоторые разногласия относительно значения нижнего возраста пересечения.

Рисунок 1: Диаграмма Concordia для данных, опубликованных Mattinson. для образцов циркона из гор Кламат в Северной Калифорнии. Возраст конкордии увеличивается с шагом в 100 миллионов лет.

Неповрежденный циркон сохраняет свинец, образующийся в результате радиоактивного распада урана и тория, вплоть до очень высоких температур (около 900 ° C), хотя накопленные радиационные повреждения в зонах с очень высоким содержанием урана могут существенно снизить эту температуру. Циркон очень химически инертен и устойчив к механическому выветриванию – неоднозначное благо для геохронологов, поскольку отдельные зоны или даже целые кристаллы могут пережить плавление материнской породы, сохранив свой первоначальный уран-свинцовый возраст. Таким образом, кристаллы циркона с длительной и сложной историей могут содержать зоны совершенно разного возраста (обычно самая старая зона образует ядро, а самая молодая зона образует край кристалла), и поэтому считается, что они демонстрируют «наследственные характеристики». Раскрытие таких сложностей (которые также могут существовать в других минералах, в зависимости от их максимальной температуры удерживания свинца) обычно требует микролучевого анализа in situ с использованием, например, ионного микрозонда ( ВИМС ) или лазерного ИСП-МС .