Радиогенный нуклид — это нуклид , образующийся в результате радиоактивного распада . Он сам по себе может быть радиоактивным ( радионуклид ) или стабильным ( стабильный нуклид ).
Радиогенные нуклиды (чаще называемые радиогенными изотопами ) являются одними из наиболее важных инструментов в геологии. Их используют двумя основными способами:
Некоторые встречающиеся в природе изотопы полностью радиогенны, но все они являются радиоактивными изотопами, период полураспада которых слишком короток, чтобы они существовали изначально и существуют до сих пор. Таким образом, они присутствуют только как радиогенные дочери либо продолжающихся процессов распада, либо космогенных (индуцированных космическими лучами) процессов, которые производят их в природе в свежем виде. Некоторые другие образуются естественным путем в результате нуклеогенных процессов (естественных ядерных реакций других типов, таких как поглощение нейтронов).
Для радиогенных изотопов, которые распадаются достаточно медленно или являются стабильными изотопами , первичная фракция всегда присутствует, поскольку все достаточно долгоживущие и стабильные изотопы фактически встречаются в природе изначально. Дополнительная фракция некоторых из этих изотопов может также возникать радиогенным путем.
Свинец , пожалуй, лучший пример частично радиогенного вещества, поскольку все четыре его стабильных изотопа ( 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb и 208 Pb) присутствуют изначально в известных и фиксированных соотношениях. Однако 204 Pb присутствует только в первозданном виде, тогда как остальные три изотопа могут также встречаться как продукты радиогенного распада урана и тория . В частности, 206 Pb образуется из 238 U, 207 Pb из 235 U и 208 Pb из 232 Th. В породах, содержащих уран и торий, избыточное количество трех более тяжелых изотопов свинца позволяет «датировать» породы, обеспечивая тем самым оценку времени того, когда порода затвердела и минерал удержал соотношение изотопов фиксированным и на месте.
Другой известный радиогенный нуклид — аргон -40, образовавшийся из радиоактивного калия . Почти весь аргон в атмосфере Земли радиогенен, тогда как первичный аргон — это аргон-36.
Некоторая часть азота -14 радиогенна, образуясь в результате распада углерода-14 (период полураспада около 5700 лет), но углерод-14 образовался некоторое время назад из азота-14 под действием космических лучей.
Другими важными примерами радиогенных элементов являются радон и гелий , которые образуются при распаде более тяжелых элементов в коренных породах. Радон полностью радиогенен, поскольку у него слишком короткий период полураспада, чтобы он мог существовать в первозданном виде. Однако гелий изначально встречается в земной коре, поскольку и гелий-3 , и гелий-4 стабильны, и небольшие количества были задержаны в земной коре во время ее формирования. Гелий-3 почти полностью первичен (небольшое количество образуется в результате естественных ядерных реакций в земной коре). Гелий-3 также может быть получен как продукт распада трития ( 3 H), который является продуктом некоторых ядерных реакций, включая тройное деление . Глобальные запасы гелия (который встречается в газовых скважинах, а также в атмосфере) в основном (около 90–99%) радиогенны, о чем свидетельствует его обогащение радиогенным гелием-4 в 10–100 раз по сравнению с первоначальным соотношением. гелия-4 в гелий-3. Последнее соотношение известно из внеземных источников, таких как некоторые лунные породы и метеориты, которые относительно свободны от материнских источников гелия-3 и гелия-4.
Как отмечалось в случае со свинцом-204, радиогенный нуклид часто не является радиоактивным. В этом случае, если его нуклид-предшественник имеет период полураспада слишком короткий, чтобы выжить с первобытных времен, тогда родительский нуклид исчезнет и будет известен теперь исключительно благодаря относительному избытку своего стабильного дочернего элемента. На практике это происходит со всеми радионуклидами с периодом полураспада менее 50–100 миллионов лет. Такие нуклиды образуются в сверхновых , но известны как потухшие радионуклиды , поскольку сегодня их непосредственно на Земле не видно.
Примером вымершего радионуклида является йод-129 ; он распадается на ксенон-129, стабильный изотоп ксенона, который появляется в избытке по сравнению с другими изотопами ксенона. Он обнаружен в метеоритах, которые конденсировались из первичного пылевого облака Солнечной системы и захватили первичный йод-129 (период полураспада 15,7 миллионов лет) где-то за относительно короткий период (вероятно, менее 20 миллионов лет) между созданием йода-129 в сверхновой. и образование Солнечной системы путем конденсации этой пыли. Захваченный йод-129 теперь выглядит как относительный избыток ксенона-129. Йод-129 был первым вымершим радионуклидом, о котором было сделано предположение в 1960 году. Другими являются алюминий-26 (также выведенный из дополнительного количества магния-26, обнаруженного в метеоритах) и железо-60.
В следующей таблице перечислены некоторые из наиболее важных радиогенных изотопных систем, используемых в геологии, в порядке убывания периода полураспада исходного радиоактивного изотопа. Значения периода полураспада и константы распада являются текущими консенсусными значениями в сообществе изотопной геологии. [1]
** обозначает конечный продукт распада ряда.
Единицы измерения, используемые в этой таблице.
Год = гигагод = 10 9 лет
Мир = мегагод = 10 6 лет
тысячелетие = килогод = 10 3 года
Радиогенный нагрев происходит в результате выделения тепловой энергии радиоактивного распада [4] при образовании радиогенных нуклидов. Наряду с теплом Первичного тепла (образующегося в результате планетарной аккреции), радиогенное нагревание, происходящее в мантии и коре, составляет два основных источника тепла в недрах Земли . [5] Большая часть радиогенного нагревания на Земле возникает в результате распада дочерних ядер в цепочках распада урана -238 , тория-232 и калия-40 . [6]