Уран-свинцовый метод

Ура́н-свинцо́вый ме́тод — один из видов радиоизотопного датирования. Применим к геологическим объектам, содержащим уран, и основан на определении того, какая его доля успела распасться за время существования объекта (с момента кристаллизации минералов в нём). Используются два изотопа урана, цепочки распада которых кончаются разными изотопами свинца; это сильно повышает надёжность метода.

Данный метод — один из самых старых и хорошо разработанных способов радиоизотопного датирования и, при хорошем исполнении, — самый надёжный метод для образцов с возрастом порядка сотен миллионов лет. При таком возрасте достижима точность порядка 0,1 %^[1]. Позволяет датировать даже образцы, близкие по возрасту к Земле, вследствие большого периода полураспада используемых изотопов урана. Большая надёжность и точность достигается благодаря тому, что используются данные по двум цепочкам распада, а также благодаря некоторым свойствам циркона — минерала, обычно используемого для уран-свинцовых датировок. Этот метод считается «золотым стандартом» геохронологии^[2].

Используются следующие превращения изотопов:

²³⁸U → ²⁰⁶Pb с периодом полураспада 4,47 млрд лет (ряд радия — см. Радиоактивные ряды),

²³⁵U → ²⁰⁷Pb с периодом полураспада 704 млн лет (ряд актиния).

Иногда в дополнение к ним используют распад тория-232 (уран-торий-свинцовый метод):

²³²Th → ²⁰⁸Pb с периодом полураспада 14,01 млрд лет (ряд тория).

Все эти превращения идут во много стадий, но промежуточные нуклиды распадаются намного быстрее материнских.

Периоды полураспада изотопов урана определены с очень высокой точностью (большей, чем, например, для ⁴⁰K). Но в случае самых точных датировок погрешность периодов полураспада выходит на первое место среди источников ошибок^[2].

Используемые минералы

Чаще всего для датировок уран-свинцовым методом используют циркон (ZrSiO₄); в некоторых случаях — монацит, уранинит, титанит, бадделеит^[3], цирконолит (CaZrTi₂O₇)^[4] и даже кальцит и арагонит^[5][2]. Иногди используются и горные породы, состоящие из смеси разных минералов.

Циркон имеет большую прочность, стойкость к химическим воздействиям, высокую температуру закрытия (то есть не обменивается веществом с окружающей средой вплоть до сильного нагрева). Также важно, что он широко распространён в извержённых породах. В его кристаллическую решётку легко встраивается уран и не встраивается свинец, поэтому весь свинец в составе циркона обычно можно считать радиогенным^[4]. В случае надобности количество нерадиогенного свинца можно рассчитать по количеству свинца-204, который не образуется при распаде данных изотопов урана^[6].

Методика учёта потерь свинца

Изогнутая линия — конкордия, на ней около круглых точек отмечены соотв. значения возраста. Квадратные точки — результаты измерений. Проведённая через них прямая пересекает конкордию в точке, показывающей возраст объекта (здесь около 2,6 млрд лет). По данным для циркона из архейских пород Зимбабве^[7].

Использование двух изотопов урана даёт возможность определить возраст объекта даже в случае потери им некоторой части свинца. Поскольку ²³⁵U распадается быстрее, чем ²³⁸U, отношение ${^\text{207}\,\!\text{Pb}} \over {^\text{235}\,\!\text{U}}$ растёт быстрее, чем ${^\text{206}\,\!\text{Pb}} \over {^\text{238}\,\!\text{U}}$. Для образцов, в истории которых не было потери или привноса рассматриваемых изотопов, оба этих соотношения растут с возрастом строго определённым образом. Поэтому на графике, вдоль осей которого отложены эти величины, точки, соответствующие таким образцам, могут лежать только на одной определённой линии. Эта линия известна как конкордия или кривая согласованных значений абсолютного возраста. По мере старения образца точка движется вдоль неё. Таким образом, каждой точке конкордии соответствует определённый возраст образца. Нулевому возрасту соответствует начало координат (0,0).

Если образец теряет свинец, то процент потерь одинаковый для всех его изотопов. Поэтому точка, соответствующая образцу, сдвигается с конкордии в направлении точки (0,0). Величина сдвига зависит от количества потерянного свинца. Если взять из одного геологического объекта несколько образцов, которые отличаются величиной этих потерь, соответствующие точки будут лежать на прямой, пересекающей конкордию и указывающей примерно на начало координат. Эта прямая известна как дискордия; она является изохроной (то есть все её точки соответствуют одному возрасту). Верхняя точка пересечения конкордии с этой прямой и показывает возраст объекта^[6][4].

Положение второй (нижней) точки пересечения часто интерпретируется как показатель возраста события метаморфизма, которое привело к потере свинца. Если оно произошло недавно, дискордия проходит точно через начало координат^[8][9]. Согласно математическим моделям, по мере старения образца дискордия поворачивается против часовой стрелки вокруг верхней точки пересечения, таким образом, нижняя точка пересечения движется в сторону большего возраста. Но если потеря свинца была не одномоментной, а растянутой на время, сравнимое с возрастом образца, дискордия перестаёт быть прямой линией. Тогда положение точки пересечения аппроксимирующей её прямой с конкордией ни о чём не говорит. Постепенная утечка свинца — нередкое явление благодаря тому, что она сильно облегчена в местах радиационного повреждения кристаллов. Поэтому сейчас считается, что нижнюю точку пересечения конкордии и дискордии нужно интерпретировать как показатель возраста возможного события метаморфизма только тогда, когда есть какие-либо признаки такого события^[2].

Положение верхней точки пересечения не зависит от того, одномоментной или постепенной была потеря свинца; эта точка показывает возраст объекта в обоих случаях.

Методы измерений

Степень повреждения радиацией и различными внешними факторами может сильно различаться в пределах одного кристалла, поэтому при измерениях концентрации изотопов бывает необходимо большое пространственное разрешение. Тогда используется такой метод, как масс-спектрометрия вторичных ионов с помощью ионного микрозонда. Также применяется масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой^[2].

Примечания

1. ↑ Robert Sanders 2004. Uranium/lead dating provides most accurate date yet for Earth’s largest extinction UC Berkeley News
2. ↑ ^{1 2 3 4 5} Dickin, A.P. Radiogenic Isotope Geology. — 2-е изд. — Cambridge: Cambridge University Press, 2005. — С. 101–135, 275, 324–382. — 512 с. — ISBN 0-521-82316-1
3. ↑ Родионов Н. В., Беляцкий Б. В., Антонов А. В., Пресняков С. Л., Сергеев С. А. Уран-свинцовый возраст бадделеита (ионный микрозонд SHRIMP-II) и его использование для датирования карбонатитовых массивов // Доклады Академии наук. — 2009. — Vol. 428. — № 2. — P. 244-248.
4. ↑ ^{1 2 3} Andrew Alden. Uranium-Lead Dating About.com Geology
5. ↑ Pickering, R., Kramers, J.D., Partridge, T., Kodolanyi, J., Pettke, T. U–Pb dating of calcite–aragonite layers in speleothems from hominin sites in South Africa by MC-ICP-MS // Quaternary Geochronology. — 2010. — Vol. 5. — № 5. — P. 544-558.
6. ↑ ^{1 2} Б. М. Келлер, А. И. Тугаринов, Г. В. Войткевич. Геохронология // Большая советская энциклопедия.
7. ↑ Vinyu, M. L.; R. E. Hanson, M. W. Martin, S. A. Bowring, H. A. Jelsma and P. H. G. M. Dirks (2001). «U-Pb zircon ages from a craton-margin archaean orogenic belt in northern Zimbabwe». Journal of African Earth Sciences 32 (1): 103–114. DOI:10.1016/S0899-5362(01)90021-1. Bibcode: 2001JAfES..32..103V.
8. ↑ Титаева Н. А. Ядерная геохимия: Учебник. — 2-е изд. — М.: Издательство МГУ, 2000. — С. 99—102. — 336 с. — ISBN 5-211-02564-4
9. ↑ Кривая согласованных значений абсолютного возраста (конкордия) // Геологический словарь: в 2-х томах. — М.: Недра. Под редакцией К. Н. Паффенгольца и др. 1978

Литература

• Титаева Н. А. Ядерная геохимия: Учебник. — 2-е изд. — М.: Издательство МГУ, 2000. — 336 с. — ISBN 5-211-02564-4
• Dickin, A.P. Radiogenic Isotope Geology. — 2-е изд. — Cambridge: Cambridge University Press, 2005. — 512 с. — ISBN 0-521-82316-1
• Ишханов Б. С. Основы геологии. 17. Ядерная хронология
• Короновский Н. В., Якушова А. Ф. Основы геологии. 18.2. Абсолютная геохронология