Радиогенный нуклид — это нуклид , который образуется в процессе радиоактивного распада . Он сам по себе может быть радиоактивным ( радионуклид ) или стабильным ( стабильный нуклид ).
Радиогенные нуклиды (чаще называемые радиогенными изотопами ) образуют некоторые из важнейших инструментов в геологии. Они используются двумя основными способами:
Некоторые встречающиеся в природе изотопы полностью радиогенны, но все они являются радиоактивными изотопами, периоды полураспада которых слишком коротки, чтобы они могли возникнуть изначально и существовать сегодня. Таким образом, они присутствуют только как радиогенные дочерние продукты либо текущих процессов распада, либо космогенных (вызванных космическими лучами) процессов, которые производят их в природе свежими. Несколько других естественным образом производятся нуклеогенными процессами (естественными ядерными реакциями других типов, такими как поглощение нейтронов).
Для радиогенных изотопов, которые распадаются достаточно медленно, или которые 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 встречаться радиогенно.
Свинец , возможно, является лучшим примером 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 изначально, в то время как остальные три изотопа могут также встречаться в качестве радиогенных продуктов 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, тем самым предоставляя оценку времени, когда порода затвердела, а минерал удерживал соотношение изотопов фиксированным и на месте.
Другим заметным радиогенным нуклидом является аргон -40, образованный из радиоактивного калия . Почти весь аргон в атмосфере Земли является радиогенным, тогда как первичный аргон — это аргон-36.
Часть азота -14 является радиогенной и образуется при распаде углерода-14 (период полураспада около 5700 лет), однако углерод-14 образовался некоторое время назад из азота-14 под воздействием космических лучей.
Другие важные примеры радиогенных элементов — радон и гелий , оба из которых образуются при распаде более тяжелых элементов в горных породах. Радон полностью радиогенен, так как у него слишком короткий период полураспада, чтобы возникнуть изначально. Гелий, однако, изначально встречается в земной коре, так как и гелий-3 , и гелий-4 стабильны, и небольшие количества были захвачены земной корой по мере 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 . Глобальный запас гелия (который встречается как в газовых скважинах, так и в атмосфере) в основном (примерно на 90–99%) радиогенный, о чем свидетельствует его обогащение в 10–100 раз радиогенным гелием-4 относительно изначального соотношения гелия-4 и гелия-3. Это последнее соотношение известно из внеземных источников, таких как некоторые лунные породы и метеориты, которые относительно свободны от родительских источников гелия-3 и гелия-4.
Как было отмечено в случае свинца-204, радиогенный нуклид часто не является радиоактивным. В этом случае, если его предшественник имеет период полураспада, слишком короткий, чтобы сохраниться с первобытных времен, то родительский нуклид исчезнет, и теперь он известен исключительно по 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 вымершие радионуклиды , поскольку сегодня они не наблюдаются непосредственно на Земле.
Примером вымершего радионуклида является йод-129 ; он распадается до ксенона-129, стабильного изотопа ксенона, который появляется в избытке относительно других изотопов ксенона. Он обнаружен в метеоритах, которые конденсировались из первичного пылевого облака Солнечной системы и захватили первичный йод-129 (период полураспада 15,7 миллионов лет) когда-то в относительно короткий период (вероятно, менее 20 миллионов лет) между созданием йода-129 в сверхновой и образованием Солнечной системы путем конденсации этой пыли. Захваченный йод-129 теперь появляется как относительный избыток ксенона-129. Йод-129 был первым вымершим радионуклидом, который был выведен в 1960 году. Другие - алюминий-26 (также выведенный из дополнительного магния-26, обнаруженного в метеоритах) и железо-60.
В следующей таблице перечислены некоторые из наиболее важных радиогенных изотопных систем, используемых в геологии, в порядке уменьшения периода полураспада радиоактивного родительского изотопа. Значения, указанные для периода полураспада и константы распада, являются текущими консенсусными значениями в сообществе Isotope Geology. [1]
** указывает на конечный продукт распада ряда.
Единицы, используемые в этой таблице:
Gyr = гигагод = 10 9 лет
Myr = мегагод = 10 6 лет
kyr = килогод = 10 3 лет
Радиогенный нагрев происходит в результате высвобождения тепловой энергии от радиоактивного распада [4] во время производства радиогенных нуклидов. Наряду с теплом от Первичного тепла (в результате планетарной аккреции), радиогенный нагрев, происходящий в мантии и коре , составляет два основных источника тепла в недрах Земли . [5] Большая часть радиогенного нагрева в Земле является результатом распада дочерних ядер в цепочках распада урана -238 и тория-232 , а также калия-40 . [6]