Радиометрические методы датирования новейших ге оло г ических обра зо ваний (радиоуглеродный , ка л ий-аргоновый метод, методы по урановым сериям и др . ) .

Радиометрические методы

Радиометрические методы основаны на явлении радиоактивного распада химических элементов при условии, что скорость его за все время существования Земли оставалась постоянной, специфичной для каждого элемента.

При определении возраста молодых образований применяются только те изотопы, период полураспада которых сравним с продолжительностью исследуемого интервала времени.

Первая группа - изотопы, возникающие при расщеплении атомных ядер под воздействием космического излучения у поверхности земли: радиоуглерод 14С,радиохлор 36Cl, радиобериллий 10Ве др.

Вторая группа - продукты распада долгоживущих тяжелых радиоэлементов - тория и урана: 234U, ионий(230Th), протоактиний, радий и др.

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ХРОНОМЕТРИИ ЧЕТВЕРТИЧНОГО ПЕРИОДА

РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ МЕТОД

Радиоуглеродный метод наиболее надежный в настоящее время, но применение ограничивается возрастным пределом.

Основан на распаде радиоуглерода С14, образующегося в верхних слоях атмосферы при взаимодействии нейтронов космического излучения с ядрами атмосферного азота.

Радиоуглерод затем объединяется с кислородом и образует 14С02, которая смешивается равномерно с неактивной СО2 атмосферы. Радиоуглерод сравнительно быстро и равномерно распространяется в углероде атмосферы, растений, животных и растворенных в океане карбонатов. При смерти организма. 14С начинает распадаться с известной скоростью, и никакого дальнейшего замещения 14С из атмосферного СО2 не может происходить. Время смерти организма может быть определено, если

измерить число атомов 14С, которые остаются в материале.     

Быстрый распад 14С ограничивает период датирования приблизтельно

30 - 50 тыс. лет

Точность метода зависит от изменения в уровнях атмосферного 14С и от загрязнения. Наиболее серьезной проблемой является загрязнение радиоуглеродом после отложения из-за просачивания грунтовых вол, внедрения более старого или более молодою углерода, и загрязнения в полевых условиях или в лаборатории. Наиболее часто встречается загрязнение из более древнего (менее обогащенного 14С) карбоната кальция, каменного или древесного угля, вымытого из других слоев, что делает образец или слой старше, чем это фактически.

Ускорительная масс-спектрометрия (УМС. AMS) может количественно измерить содержание радиоуглерода образцов в 104 меньше (по сравнению с измерением счетчиком), а время эксперимента в 102 короче.

В дополнение к 14С, с помощью УМС возможно определение других космогенных изотопов (10ВЕ, 26Аl, 36Сl, 41Са и др.). Эти изотопы имеют

, л Ппт.п.р чем ,4С так что преимущества > МС над

полураспад намного дольше, чем 14 С, так что преимущества УМС над методом счетчика еще больше.

в 1962 г. полураспад 14С был переопределен с 5568 лет до 5730 лет, поэтому некоторые даты, определенные ранее, требуют корректировки. Шкала радиоуглеродного времени содержит и другие неопределенности, которые могут приводить к ошибкам в 2000 - 5000 лет.        

Первоначальная радиоуглеродная шкала основана на скорости распада 14С, исходя из того, что уровень распространенности 14С был как в настоящее время. Теперь установлено, что имелись колебания в скорости продуцирования 14С в верхних слоях атмосферы.

Различают два типа 14С-возраста - конвенциональный (по соглашению, договорной) и калиброванный. Конвенциональный возраст рассчитывается на основе определенной модели. Результат приводится в 14С годах. Затем этот возраст конвертируется в хронометрически корректные годы с помощью процедуры калибровки. Калиброванный возраст приводится в календарных годах.

Конвенциональные даты отсчитываются от 1950 г. н.э. и принимается, что начальная активность 14С была постоянной во времени. Для того, чтобы сохранить возможность сравнения измерений со сделанными ранее определениями 14С-возраста. используется «период полураспада Либби» (5568), хотя известно, что он ниже реального.

Ошибки, вносимые соглашением, устраняются процедурой калибровки, которая осуществляет преобразование конвенционального возраста в календарные даты. Для этой цели используются общепринятые кривые и программы, основанные на высокоточных радиоуглеродных измерениях дендрологически датированных последовательностей годовых колец деревьев. Для отличия калиброванного 14С-возраста от конвенционального в записи указывают «кал. лет- (календарных лет до 1950 г. н.э.). Поскольку мнения относительно перевода соответствующего возраста может измениться, когда большее количество данных поступит, интервалы времени на картах и разрезах теперь описываются в 14С - возрастной шкале.

КАЛИЙ-АРГОНОВЫЙ МЕТОД

Калий-аргоновый метод в целом включает несколько частных методов определения возраста. Наряду с традиционным К-Аг-методом (40К / 40Ar) разработаны аргон-аргоновый (40Ar / 39Ar) и лазерный аргон-аргоновый методы. В основе всех этих методов лежит явление радиоактивною распада изотопа кадия 40К с его превращением в изотоп аргона 40Ar. Количество накопленного радиогенного аргона по отношению к содержанию калия является мерой возраста.

В четвертичной геологин применение К-Аr-метода ограничено вулканическими породами и минералами. Этим методом датируется время вулканического извержения, т.е. последняя перестройка К-Аr- системы в процессе извержения: затвердение, образование минералов и термическая дегазация. Например, на основе 40Ar / 39Ar датировок, полученных по импактитам, определено время образования кратера (3,58 .млн лет назад) крупнейшего арктического озера Эльгыгытын на Чукотке.

Важное хронометрическое значение приобретают широко распространенные слои тефры (рыхлые вулканические выбросы). К-Аг-датирование позволяет получать тефрохронолОгические метки возраста, которые важны для датирования переслаивающихся с ними слоев осадочных пород.

Тефрохронологпя опирается на распознавание и корреляцию слоев тефры из отдельного извержения и на их привязку к временной шкале. Вулканические пеплы распространяются через атмосферу на значительные расстояния и слои тефры откладываются относительно мгновенно. Каждое вулканическое событие химически уникально и слои вулканического пепла относительно легко идентифицируются в осадках. Если известен возраст слоев тефры. они являются точными временными маркерами, которые связывают широко разделенные по местоположению толщи в единой хронологической структуре.

В ледниках выделение отдельных пепловых горизонтов гораздо проще, чем в осадочных толщах. Превосходные условия консервации продуктов вулканических извержений и отсутствие вымывания и выщелачивания позволяют выделить отдельные слои с большой достоверностью.

МЕТОДЫ ПО УРАНОВЫМ СЕРИЯМ, ИЛИ "НЕРАВНОВЕСНОМУ" УРАНУ

На радиоактивном неравновесии в рядах распада двух изотопов урана 238U и 235U основаны несколько тесно связанных методов датирования. Эти методы основаны на использовании системы "неравновесного урана", т.е. системы, в которой может быть недостаток или избыток продуктов распада против равновесного количества материнского радиоэлемента. Индивидуальные методы названы по парам Дочерний/материнский нуклид, например: 230Th / 234U, 231Ра 235U и 234U / 238U. Они включают измерения дочерних нуклидов вместе с первозданными изотопами урана. Эти методы широко используются в основном для датирования глубоководных осадков, по образцам окаменелых костей и карбоната кальция раковин, кораллов вне диапазона радиоуглеродного метода (до 1 млн лет 234U и 238U-методом).

Основные трудности этих методов связаны с возможностью миграции радиоизотопов во время существования данной системы в природе. Наиболее надежным материалом следует признать кораллы, которые содержат достаточное количество урана, а также представляют собой замкнутую систему, исключающую вторичную миграцию радиоэлементов.

Среди различных методов датирования по урановым сериям наиболее часто и успешно применяется уран-ториевый метод (230Th/234U). Этот метод применим к образцам морских и пресноводных карбонатов кальция, костей, зубов, торфа и вулканитов. Метод основан на избирательном захвате материнского изотопа 234U при формировании материала, не сопровождающемся одновременным захватом радиоактивного дочернего изотопа 230Th. Поскольку карбонаты кальция осаждаются из воды, они при этом в значительных количествах захватывают уран, который имеет относительно высокую растворимость в воде, но не включают торий.

Датирование континентальных органогенных отложений в отлично от морских началось сравнительно недавно (с середины 80-х годов). В торфянике предполагается, что уран адсорбируется органическим веществом из грунтовых вод в процессе образования торфа. После образования залегающие сверху слои исключают дальнейший обмен между торфом и грунтовыми водами. В России уран-ториевый метод применяется для исследования погребенных торфяников с 1998 г. Для районов криолитозоны (Западная и Центральная Сибирь, Новосибирские о-ва) в последние годы получено несколько Th-U датировок древних торфяников. Датировка торфяников часто встречает трудности, связанные с присутствием детритового тория и подвижностью урана.

Возрастной предел датирования методом Th-U при альфа спектрометрии до 350 тыс. лет. при термоионизациоиной масс-спектрометрии (ТИМС) - до 550 тыс. лет. Точность определения возраста уменьшается при уменьшении содержания урана и увеличении возраста.