Радиометрическое датирование , радиоактивное датирование или радиоизотопное датирование — это метод, который используется для датирования таких материалов, как горные породы или углерод , в которые следовые радиоактивные примеси были селективно включены при их формировании. Метод сравнивает распространенность естественного радиоактивного изотопа в материале с распространенностью продуктов его распада , которые образуются с известной постоянной скоростью распада. [1] Использование радиометрического датирования было впервые опубликовано в 1907 году Бертрамом Болтвудом [2] и в настоящее время является основным источником информации об абсолютном возрасте горных пород и других геологических объектов , включая возраст окаменелых форм жизни или возраст самой Земли , а также может использоваться для датирования широкого спектра природных и искусственных материалов .
Вместе со стратиграфическими принципами радиометрические методы датирования используются в геохронологии для установления геологической шкалы времени . [3] Среди наиболее известных методов — радиоуглеродное датирование , калий-аргоновое датирование и уран-свинцовое датирование . Позволяя устанавливать геологические шкалы времени, он обеспечивает значительный источник информации о возрасте ископаемых и выведенных скоростях эволюционных изменений. Радиометрическое датирование также используется для датирования археологических материалов, включая древние артефакты.
Различные методы радиометрического датирования различаются по временному интервалу, в пределах которого они остаются точными, и по материалам, к которым их можно применять.
Вся обычная материя состоит из комбинаций химических элементов , каждый из которых имеет свой собственный атомный номер , указывающий число протонов в атомном ядре . Кроме того, элементы могут существовать в различных изотопах , причем каждый изотоп элемента отличается числом нейтронов в ядре. Конкретный изотоп конкретного элемента называется нуклидом . Некоторые нуклиды по своей природе нестабильны. То есть в какой-то момент времени атом такого нуклида подвергнется радиоактивному распаду и спонтанно превратится в другой нуклид. Это превращение может быть осуществлено несколькими различными способами, включая альфа-распад (испускание альфа-частиц ) и бета-распад ( испускание электронов , испускание позитронов или захват электронов ). Другая возможность — спонтанное деление на два или более нуклидов. [ требуется ссылка ]
В то время как момент времени, в который распадается конкретное ядро, непредсказуем, совокупность атомов радиоактивного нуклида распадается экспоненциально со скоростью, описываемой параметром, известным как период полураспада , который обычно указывается в единицах лет при обсуждении методов датирования. По истечении одного периода полураспада половина атомов рассматриваемого нуклида распадется на «дочерний» нуклид или продукт распада . Во многих случаях сам дочерний нуклид является радиоактивным, что приводит к цепочке распада , в конечном итоге заканчивающейся образованием стабильного (нерадиоактивного) дочернего нуклида; каждый шаг в такой цепочке характеризуется отдельным периодом полураспада. В этих случаях обычно период полураспада, представляющий интерес для радиометрического датирования, является самым длинным в цепочке, что является фактором, ограничивающим скорость в конечном преобразовании радиоактивного нуклида в его стабильное дочернее вещество. Изотопные системы, которые использовались для радиометрического датирования, имеют периоды полураспада от всего лишь около 10 лет (например, тритий ) до более 100 миллиардов лет (например, самарий-147 ). [4]
Для большинства радиоактивных нуклидов период полураспада зависит исключительно от ядерных свойств и по существу постоянен. [5] Это известно, потому что константы распада, измеренные разными методами, дают согласованные значения в пределах аналитических ошибок, а возрасты одних и тех же материалов согласованы от одного метода к другому. На него не влияют внешние факторы, такие как температура , давление , химическая среда или наличие магнитного или электрического поля . [6] [7] [8] Единственным исключением являются нуклиды, которые распадаются в процессе захвата электронов, такие как бериллий-7 , стронций-85 и цирконий-89 , скорость распада которых может зависеть от локальной электронной плотности. Для всех других нуклидов пропорция исходного нуклида к его продуктам распада изменяется предсказуемым образом по мере распада исходного нуклида с течением времени. [ требуется ссылка ] Эта предсказуемость позволяет использовать относительное содержание родственных нуклидов в качестве часов для измерения времени от включения исходных нуклидов в материал до настоящего момента.
Константа радиоактивного распада, вероятность того, что атом распадется за год, является прочной основой общепринятого измерения радиоактивности. Точность и достоверность определения возраста (и периода полураспада нуклида) зависят от точности и достоверности измерения константы распада. [9] Метод врастания является одним из способов измерения константы распада системы, который включает накопление дочерних нуклидов. К сожалению, для нуклидов с высокими константами распада (которые полезны для датирования очень старых образцов) требуются длительные периоды времени (десятилетия) для накопления достаточного количества продуктов распада в одном образце для точного их измерения. Более быстрый метод включает использование счетчиков частиц для определения альфа-, бета- или гамма-активности, а затем деление этого на количество радиоактивных нуклидов. Однако точное определение количества радиоактивных нуклидов является сложным и дорогим. В качестве альтернативы константы распада можно определить путем сравнения изотопных данных для пород известного возраста. Этот метод требует, чтобы по крайней мере одна из изотопных систем была очень точно откалибрована, например, система Pb–Pb . [ необходима цитата ]
Основное уравнение радиометрического датирования требует, чтобы ни родительский нуклид, ни дочерний продукт не могли войти или выйти из материала после его образования. Необходимо учитывать возможные смешивающие эффекты загрязнения родительских и дочерних изотопов, а также эффекты любой потери или приобретения таких изотопов с момента создания образца. Поэтому важно иметь как можно больше информации о датируемом материале и проверять возможные признаки изменения . [10] Точность повышается, если измерения проводятся на нескольких образцах из разных мест тела породы. В качестве альтернативы, если несколько различных минералов могут быть датированы из одного и того же образца и предполагается, что они образовались в результате одного и того же события и находились в равновесии с резервуаром, когда они образовались, они должны образовывать изохрону . Это может уменьшить проблему загрязнения . При датировании урана и свинца используется диаграмма конкордии , которая также уменьшает проблему потери нуклидов. Наконец, для подтверждения возраста образца может потребоваться корреляция между различными методами изотопного датирования. Например, возраст гнейсов Амитсока из Западной Гренландии был определен как 3,60 ± 0,05 млрд лет назад с использованием уран-свинцового датирования и 3,56 ± 0,10 млрд лет назад с использованием свинцово-свинцового датирования, результаты которых согласуются друг с другом. [11] : 142–143
Точное радиометрическое датирование обычно требует, чтобы родительский элемент имел достаточно длительный период полураспада, чтобы он присутствовал в значительных количествах во время измерения (за исключением случаев, описанных ниже в разделе «Датирование с короткоживущими потухшими радионуклидами»), период полураспада родительского элемента был точно известен, и было произведено достаточно дочернего продукта, чтобы его можно было точно измерить и отличить от первоначального количества дочернего элемента, присутствующего в материале. Процедуры, используемые для выделения и анализа родительских и дочерних нуклидов, должны быть точными и аккуратными. Обычно это включает в себя масс-спектрометрию изотопного отношения . [12]
Точность метода датирования частично зависит от периода полураспада радиоактивного изотопа. Например, период полураспада углерода-14 составляет 5730 лет. После того, как организм умер в течение 60 000 лет, остается так мало углерода-14, что точное датирование невозможно. С другой стороны, концентрация углерода-14 падает так круто, что возраст относительно молодых останков можно определить с точностью до нескольких десятилетий. [13]
Температура закрытия или температура блокировки представляет собой температуру, ниже которой минерал является закрытой системой для изучаемых изотопов. Если материал, который селективно отвергает дочерний нуклид, нагревается выше этой температуры, любые дочерние нуклиды, которые были накоплены с течением времени, будут потеряны посредством диффузии , сбрасывая изотопные «часы» на ноль. По мере охлаждения минерала начинает формироваться кристаллическая структура, и диффузия изотопов становится менее легкой. При определенной температуре кристаллическая структура сформирована достаточно, чтобы предотвратить диффузию изотопов. Таким образом, магматическая или метаморфическая порода или расплав, которые медленно остывают, не начинают демонстрировать измеримый радиоактивный распад, пока не остынут ниже температуры закрытия. Таким образом, возраст, который можно рассчитать с помощью радиометрического датирования, является временем, за которое порода или минерал остыли до температуры закрытия. [14] [15] Эта температура варьируется для каждого минерала и изотопной системы, поэтому система может быть закрытой для одного минерала, но открытой для другого. Датирование различных минералов и/или изотопных систем (с разными температурами закрытия) в пределах одной и той же породы может, таким образом, позволить отслеживать термическую историю рассматриваемой породы с течением времени, и, таким образом, история метаморфических событий может стать известной в деталях. Эти температуры экспериментально определяются в лаборатории путем искусственного сброса образцов минералов с использованием высокотемпературной печи. Эта область известна как термохронология или термохронометрия. [ необходима цитата ]
Математическое выражение, связывающее радиоактивный распад с геологическим временем, выглядит следующим образом: [14] [16]
где
Уравнение удобнее всего выражать через измеряемую величину N ( t ), а не через постоянное начальное значение N o . [ требуется ссылка ]
Для расчета возраста предполагается, что система закрыта ( ни родительские, ни дочерние изотопы не были потеряны из системы), D 0 либо должен быть пренебрежимо мал, либо может быть точно оценен, λ известен с высокой точностью, и имеются точные и точные измерения D* и N ( t ). [ необходима цитата ]
Приведенное выше уравнение использует информацию о составе родительских и дочерних изотопов в момент охлаждения испытываемого материала ниже температуры закрытия . Это хорошо известно для большинства изотопных систем. [15] [18] Однако построение изохроны не требует информации об исходных составах, используя только текущие отношения родительских и дочерних изотопов к стандартному изотопу. Изохронный график используется для графического решения уравнения возраста и расчета возраста образца и исходного состава. [ необходима цитата ]
Радиометрическое датирование проводится с 1905 года, когда оно было изобретено Эрнестом Резерфордом как метод, с помощью которого можно было бы определить возраст Земли . За прошедшее с тех пор столетие методы были значительно улучшены и расширены. [17] Теперь датирование можно проводить на образцах размером с нанограмм с помощью масс-спектрометра . Масс-спектрометр был изобретен в 1940-х годах и начал использоваться в радиометрическом датировании в 1950-х годах. Он работает, генерируя пучок ионизированных атомов из исследуемого образца. Затем ионы проходят через магнитное поле, которое направляет их в различные датчики отбора проб, известные как « чаши Фарадея », в зависимости от их массы и уровня ионизации. При ударе в чаши ионы создают очень слабый ток, который можно измерить, чтобы определить скорость ударов и относительную концентрацию различных атомов в пучках. [ необходима цитата ]
Радиометрическое датирование урана и свинца предполагает использование урана-235 или урана-238 для датирования абсолютного возраста вещества. Эта схема была усовершенствована до такой степени, что погрешность датирования пород может быть менее двух миллионов лет за два с половиной миллиарда лет. [20] [21] Погрешность в 2–5% была достигнута для более молодых мезозойских пород. [22]
Уран-свинцовое датирование часто выполняется на минерале циркон (ZrSiO 4 ), хотя его можно использовать и на других материалах, таких как бадделеит и монацит (см.: геохронология монацита ). [23] Циркон и бадделеит включают атомы урана в свою кристаллическую структуру в качестве заменителей циркония , но решительно отвергают свинец. Циркон имеет очень высокую температуру закрытия, устойчив к механическому выветриванию и очень химически инертен. Циркон также образует несколько кристаллических слоев во время метаморфических событий, каждый из которых может регистрировать изотопный возраст события. Анализ микропучка in situ может быть выполнен с помощью лазерных методов ICP-MS или SIMS . [24]
Одним из его больших преимуществ является то, что любой образец обеспечивает два часа, один из которых основан на распаде урана-235 до свинца-207 с периодом полураспада около 700 миллионов лет, а другой — на распаде урана-238 до свинца-206 с периодом полураспада около 4,5 миллиарда лет, что обеспечивает встроенную перекрестную проверку, которая позволяет точно определить возраст образца, даже если часть свинца была потеряна. Это можно увидеть на диаграмме конкордии, где образцы располагаются вдоль эррохрона (прямой линии), которая пересекает кривую конкордии в возрасте образца. [ необходима цитата ]
Это включает в себя альфа - распад 147 Sm до 143 Nd с периодом полураспада 1,06 x 10 11 лет. Уровни точности в пределах двадцати миллионов лет в возрасте два с половиной миллиарда лет достижимы. [25]
Это включает в себя электронный захват или позитронный распад калия-40 до аргона-40. Калий-40 имеет период полураспада 1,3 миллиарда лет, поэтому этот метод применим к самым старым породам. Радиоактивный калий-40 распространен в слюдах , полевых шпатах и роговых обманках , хотя температура закрытия в этих материалах довольно низкая, около 350 °C (слюда) до 500 °C (роговая обманка). [ необходима цитата ]
Это основано на бета-распаде рубидия-87 в стронций-87 с периодом полураспада 50 миллиардов лет. Эта схема используется для датирования старых магматических и метаморфических пород , а также использовалась для датирования лунных образцов . Температуры закрытия настолько высоки, что они не вызывают беспокойства. Рубидий-стронциевое датирование не так точно, как уран-свинцовый метод, с ошибками от 30 до 50 миллионов лет для образца возрастом 3 миллиарда лет. Применение анализа in situ (лазерная абляция ICP-MS) в пределах отдельных минеральных зерен в разломах показало, что метод Rb-Sr может быть использован для расшифровки эпизодов движения разломов. [26]
Методика датирования на относительно коротких расстояниях основана на распаде урана-234 в торий-230, вещество с периодом полураспада около 80 000 лет. Он сопровождается родственным процессом, в котором уран-235 распадается в протактиний-231, период полураспада которого составляет 32 760 лет. [ необходима цитата ]
В то время как уран растворим в воде, торий и протактиний — нет, и поэтому они выборочно осаждаются в осадках на дне океана , из которых измеряются их соотношения. Схема имеет диапазон в несколько сотен тысяч лет. Связанный метод — ионий-ториевое датирование , которое измеряет соотношение иония (тория-230) к торию-232 в океанических отложениях . [ требуется ссылка ]
Радиоуглеродное датирование также просто называется датированием по углероду-14. Углерод-14 — это радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада 5730 лет [28] [29] (что очень мало по сравнению с вышеуказанными изотопами), распадающийся на азот. [30] В других методах радиометрического датирования тяжелые родительские изотопы были получены путем нуклеосинтеза в сверхновых, что означает, что любой родительский изотоп с коротким периодом полураспада должен был бы исчезнуть к настоящему времени. Однако углерод-14 непрерывно создается в результате столкновений нейтронов, генерируемых космическими лучами , с азотом в верхних слоях атмосферы и, таким образом, остается на почти постоянном уровне на Земле. Углерод-14 оказывается в качестве следового компонента в атмосферном углекислом газе (CO 2 ). [31]
Углеродная форма жизни приобретает углерод в течение своей жизни. Растения приобретают его посредством фотосинтеза , а животные приобретают его при потреблении растений и других животных. Когда организм умирает, он перестает поглощать новый углерод-14, а существующий изотоп распадается с характерным периодом полураспада (5730 лет). Доля углерода-14, оставшегося при исследовании останков организма, дает представление о времени, прошедшем с момента его смерти. Это делает углерод-14 идеальным методом датирования для определения возраста костей или останков организма. Предел датирования углеродом-14 составляет около 58 000–62 000 лет. [32]
Скорость создания углерода-14, по-видимому, примерно постоянна, поскольку перекрестные проверки датирования углерода-14 с другими методами датирования показывают, что она дает последовательные результаты. Однако локальные извержения вулканов или другие события, которые выделяют большие количества углекислого газа, могут снизить локальные концентрации углерода-14 и дать неточные даты. Выбросы углекислого газа в биосферу в результате индустриализации также снизили долю углерода-14 на несколько процентов; напротив, количество углерода-14 было увеличено наземными испытаниями ядерных бомб , которые проводились в начале 1960-х годов. Кроме того, увеличение солнечного ветра или магнитного поля Земли выше текущего значения снизило бы количество углерода-14, созданного в атмосфере. [33]
Это включает осмотр полированного среза материала для определения плотности следов «треков», оставленных в нем спонтанным делением примесей урана-238. Содержание урана в образце должно быть известно, но его можно определить, поместив пластиковую пленку на полированный срез материала и бомбардировав его медленными нейтронами . Это вызывает вынужденное деление 235 U, в отличие от спонтанного деления 238 U. Треки деления, полученные в результате этого процесса, записываются в пластиковую пленку. Затем содержание урана в материале можно рассчитать по количеству следов и потоку нейтронов . [ требуется ссылка ]
Эта схема применима к широкому диапазону геологических дат. Для дат до нескольких миллионов лет лучше всего использовать слюду , тектиты (стеклянные осколки вулканических извержений) и метеориты. Более старые материалы можно датировать с помощью циркона , апатита , титанита , эпидота и граната , которые имеют различное количество содержания урана. [34] Поскольку следы деления залечиваются при температурах свыше 200 °C, у этого метода есть как ограничения, так и преимущества. Этот метод имеет потенциальные применения для детализации термической истории месторождения. [35]
Большие количества редкого 36 Cl (период полураспада ~300 тыс. лет) были получены путем облучения морской воды во время атмосферных взрывов ядерного оружия между 1952 и 1958 годами. Время пребывания 36 Cl в атмосфере составляет около 1 недели. Таким образом, как маркер событий 1950-х годов в почве и грунтовых водах, 36 Cl также полезен для датирования вод менее чем за 50 лет до настоящего времени. 36 Cl нашел применение в других областях геологических наук, включая датирование льда [36] и осадков.
Методы люминесцентного датирования не являются методами радиометрического датирования, поскольку они не полагаются на изотопное содержание изотопов для расчета возраста. Вместо этого они являются следствием фонового излучения на некоторых минералах. Со временем ионизирующее излучение поглощается минеральными зернами в отложениях и археологических материалах, таких как кварц и калиевый полевой шпат . Излучение заставляет заряд оставаться внутри зерен в структурно нестабильных «электронных ловушках». Воздействие солнечного света или тепла высвобождает эти заряды, эффективно «отбеливая» образец и сбрасывая часы на ноль. Захваченный заряд накапливается со временем со скоростью, определяемой количеством фонового излучения в месте, где был захоронен образец. Стимулирование этих минеральных зерен с помощью света ( оптически стимулированная люминесценция или инфракрасно стимулированная люминесценция) или тепла ( термолюминесцентное датирование ) вызывает испускание сигнала люминесценции по мере высвобождения накопленной нестабильной электронной энергии, интенсивность которой варьируется в зависимости от количества поглощенного во время захоронения излучения и конкретных свойств минерала. [ необходима цитата ]
Эти методы можно использовать для датирования возраста осадочного слоя, поскольку слои, отложенные сверху, предотвратят «отбеливание» зерен и их повторное использование под воздействием солнечного света. Керамические черепки можно датировать по последнему времени, когда они подвергались значительному воздействию тепла, как правило, когда их обжигали в печи. [ необходима цитата ]
Другие методы включают: [ необходима ссылка ]
Абсолютное радиометрическое датирование требует, чтобы измеримая доля родительского ядра осталась в образце породы. Для пород, датируемых началом солнечной системы, это требует чрезвычайно долгоживущих родительских изотопов, что делает измерение точного возраста таких пород неточным. Чтобы иметь возможность отличать относительный возраст пород от такого старого материала и получить лучшее временное разрешение, чем то, которое доступно для долгоживущих изотопов, можно использовать короткоживущие изотопы, которые больше не присутствуют в породе. [38]
В начале солнечной системы в солнечной туманности присутствовало несколько относительно короткоживущих радионуклидов, таких как 26 Al, 60 Fe, 53 Mn и 129 I. Эти радионуклиды, возможно, образовавшиеся в результате взрыва сверхновой, сегодня вымерли, но продукты их распада можно обнаружить в очень старом материале, например, в том, что составляет метеориты . Измеряя продукты распада вымерших радионуклидов с помощью масс-спектрометра и используя изохронные графики, можно определить относительный возраст различных событий в ранней истории солнечной системы. Методы датирования, основанные на вымерших радионуклидах, также можно откалибровать с помощью метода U–Pb для получения абсолютных возрастов. Таким образом, можно получить как приблизительный возраст, так и высокое временное разрешение. Как правило, более короткий период полураспада приводит к более высокому временному разрешению за счет временной шкалы. [ необходима цитата ]
129
я
бета-распады в129
Хе
с периодом полураспада16,14 ± 0,12 миллионов лет . [39] Хронометр йода-ксенона [40] является изохронной техникой. Образцы подвергаются воздействию нейтронов в ядерном реакторе. Это преобразует единственный стабильный изотоп йода (127
я
) в128
Хе
через захват нейтрона с последующим бета-распадом (128
я
). После облучения образцы нагреваются в несколько этапов, и анализируется изотопный состав ксенона в газе, выделяющемся на каждом этапе. При последовательном129
Хе
/128
Хе
соотношение наблюдается на протяжении нескольких последовательных температурных шагов, его можно интерпретировать как соответствующее времени, в которое образец перестал терять ксенон. [ необходима цитата ]
Образцы метеорита под названием Шаллоуотер обычно включаются в облучение для контроля эффективности преобразования из127
я
к128
Хе
. Разница между измеренными129
Хе
/128
Хе
Соотношения образца и Шаллоуотера затем соответствуют различным соотношениям129
я
/127
я
когда они оба перестали терять ксенон. Это в свою очередь соответствует разнице в возрасте закрытия в ранней солнечной системе. [ необходима цитата ]
Другим примером датирования по короткоживущим потухшим радионуклидам является26Эл–26
Мг
хронометр, который можно использовать для оценки относительного возраста хондр .26
Эл
распадается на26
Мг
с периодом полураспада 720 000 лет. Датировка — это просто вопрос нахождения отклонения от естественного содержания26
Мг
(продукт26
Эл
распада) по сравнению с соотношением стабильных изотопов27
Эл
/24
Мг
. [41]
Избыток26
Мг
(часто обозначается как26
Мг
*) находится путем сравнения26
Мг
/27
Мг
соотношение с другими материалами Солнечной системы. [42]
The26
Эл
–26
Мг
Хронометр дает оценку периода формирования примитивных метеоритов всего в несколько миллионов лет (1,4 миллиона лет для формирования хондры). [43]
В статье, опубликованной в июле 2022 года в журнале Applied Geochemistry , авторы предложили избегать терминов «родительский изотоп» и «дочерний изотоп» в пользу более описательных «изотоп-предшественник» и «изотоп-продукт», аналогичных «иону-предшественнику» и «иону-продукту» в масс-спектрометрии . [44]