Датирование самарий-неодим

Метод радиометрического датирования, полезный для определения возраста горных пород и метеоритов.

Датирование самарием-неодимом — это радиометрический метод датирования, полезный для определения возраста горных пород и метеоритов , основанный на альфа-распаде долгоживущего изотопа самария (¹⁴⁷
Sm ) до стабильного радиогенного изотопа неодима (¹⁴³
Нд ). Соотношения изотопов неодима вместе с соотношениями самария и неодима используются для предоставления информации о возрасте и источнике магматических расплавов. Иногда полагают, что в момент формирования корового материала из мантии соотношение изотопов неодима зависит только от времени, когда это событие произошло, но в дальнейшем оно развивается таким образом, который зависит от нового соотношения самария и неодима в коре. материал, который будет отличаться от соотношения в материале мантии. Самариево-неодимовое датирование позволяет определить время формирования корового материала.

Полезность Sm-Nd датирования проистекает из того факта, что эти два элемента являются редкоземельными элементами и, таким образом, теоретически не особенно подвержены разделению во время седиментации и диагенеза . ^[1] Фракционная кристаллизация кислых минералов изменяет соотношение Sm/Nd в получаемых материалах. Это, в свою очередь, влияет на скорость увеличения соотношения ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd за счет образования радиогенного ¹⁴³ Nd.

Во многих случаях изотопные данные Sm–Nd и Rb–Sr используются вместе.

Sm – Nd радиометрическое датирование

У самария семь встречающихся в природе изотопов, а у неодима — семь. Эти два элемента соединяются в отношениях родитель-дочерний в результате альфа-распада родительского ¹⁴⁷ Sm до радиогенного дочернего ¹⁴³ Nd с периодом полураспада 1,06 × 10.¹¹ лет и альфа-распадом ¹⁴⁶ Sm (почти исчезнувшего радионуклида с периодом полураспада 1,03(5) × 10⁸ лет ^[а] ) для получения ¹⁴² Nd.

Чтобы определить дату образования породы (или группы пород), можно использовать метод изохронного датирования . ^[6] Изохрона Sm-Nd отображает соотношение радиогенного ¹⁴³ Nd и нерадиогенного ¹⁴⁴ Nd в зависимости от отношения исходного изотопа ¹⁴⁷ Sm к нерадиогенному изотопу ¹⁴⁴ Nd. ¹⁴⁴ Nd используется для нормализации радиогенного изотопа в изохроне, поскольку это стабильный и относительно распространенный изотоп неодима.

Изохрона Sm-Nd определяется следующим уравнением:

${\displaystyle \left({\frac {{}^{143}\mathrm {Nd} }{{}^{144}\mathrm {Nd} }}\right)_{\mathrm {present} }=\left({\frac {{}^{143}\mathrm {Nd} }{{}^{144}\mathrm {Nd} }}\right)_{\mathrm {initial} }+\left({\frac {{}^{147}\mathrm {Sm} }{{}^{144}\mathrm {Nd} }}\right)\cdot (e^{\lambda t}-1),}$

где:

t — возраст образца,

λ — константа распада ¹⁴⁷ См,

( e ^{λ t} −1) — наклон изохроны, определяющий возраст системы.

В качестве альтернативы можно предположить, что материал образовался из мантийного материала, который следовал тому же пути эволюции этих соотношений, что и хондриты , и тогда снова можно рассчитать время образования (см. #Модель CHUR). ^{[6] [1]}

Геохимия Sm и Nd

Концентрация Sm и Nd в силикатных минералах увеличивается в зависимости от порядка их кристаллизации из магмы в соответствии с рядом реакций Боуэна . Самарий легче внедряется в основные минералы, поэтому основная порода, в которой кристаллизуются основные минералы, будет концентрировать неодим в фазе расплава по сравнению с самарием. Таким образом, по мере фракционной кристаллизации расплава от основного к более кислому составу изменяется содержание Sm и Nd, а также соотношение Sm и Nd.

Таким образом, ультраосновные породы имеют высокое содержание Sm и низкое значение Nd и, следовательно, высокое соотношение Sm/Nd. Породы кислого состава имеют низкую концентрацию Sm и высокое содержание Nd и, следовательно, низкое соотношение Sm/Nd (например, в коматиите содержится 1,14 частей на миллион (ppm) Nd и 3,59 частей на миллион Sm по сравнению с 4,65 частей на миллион Nd и 21,6 частей на миллион Sm в риолите ).

Важность этого процесса очевидна при моделировании возраста образования континентальной коры .

Модель ЧУР

Посредством анализа изотопного состава неодима ДеПаоло и Вассербург (1976 ^[6] ) обнаружили, что земные магматические породы во время их образования из расплавов близко следовали линии « хондритического однородного резервуара » или «хондритического нефракционированного резервуара» (CHUR) – как соотношение ¹⁴³ Nd: ¹⁴⁴ Nd увеличивалось со временем в хондритах . Считается, что хондритовые метеориты представляют собой самый ранний (несортированный) материал, образовавшийся в Солнечной системе до образования планет. Они имеют относительно однородные характеристики микроэлементов, и поэтому их изотопная эволюция может моделировать эволюцию всей Солнечной системы и «массовой Земли». После нанесения возраста и начальных соотношений ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd земных магматических пород на диаграмму эволюции Nd в зависимости от времени, ДеПаоло и Вассербург определили, что архейские породы имели начальные соотношения изотопов Nd, очень похожие на те, которые определяются линией эволюции CHUR.

Обозначение Эпсилон

Поскольку отклонения ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd от линии эволюции CHUR очень малы, ДеПаоло и Вассербург утверждали, что было бы полезно создать форму обозначений, описывающую ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd с точки зрения их отклонений от линии эволюции CHUR. Это называется эпсилон-нотацией, согласно которой одна эпсилон-единица представляет собой одну часть на 10 000 отклонения от состава CHUR. ^[7] Алгебраически эпсилон-единицы можно определить уравнением

${\displaystyle \varepsilon _{{\text{Nd}}(t)}=\left[{\frac {\left({\frac {^{143}{\text{Nd}}}{^{144}{\text{Nd}}}}\right)_{{\text{sample}}(t)}}{\left({\frac {^{143}{\text{Nd}}}{^{144}{\text{Nd}}}}\right)_{{\text{CHUR}}(t)}}}-1\right]\times 10\,000.}$

Поскольку единицы эпсилон более мелкие и, следовательно, более ощутимые представления исходного соотношения изотопов Nd, используя их вместо начальных изотопных соотношений, легче понять и, следовательно, сравнить начальные соотношения в коре разного возраста. Кроме того, блоки эпсилон нормализуют исходные соотношения к CHUR, тем самым устраняя любые эффекты, вызванные различными применяемыми методами аналитической коррекции массового фракционирования. ^[7]

Возраст модели Nd

Поскольку CHUR определяет начальные соотношения континентальных пород во времени, был сделан вывод, что измерения ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd и ¹⁴⁷ Sm/ ¹⁴⁴ Nd с использованием CHUR могут дать модельные возрасты для отделения от мантии расплава, который образовался. любая горная порода. Это было названо T _CHUR . ^[1] Чтобы рассчитать возраст T _CHUR , фракционирование между Nd/Sm должно было произойти во время извлечения магмы из мантии для образования континентальной породы. Это фракционирование затем привело бы к отклонению между линиями изотопной эволюции коры и мантии. Пересечение этих двух линий эволюции указывает на возраст образования коры. Возраст T _CHUR определяется следующим уравнением:

${\displaystyle T_{\text{CHUR}}=\left({\frac {1}{\lambda }}\right)\ln \left[1+{\frac {\left({\frac {^{143}{\text{Nd}}}{^{144}{\text{Nd}}}}\right)_{\text{sample}}-\left({\frac {^{143}{\text{Nd}}}{^{144}{\text{Nd}}}}\right)_{\text{CHUR}}}{\left({\frac {^{147}{\text{Sm}}}{^{144}{\text{Nd}}}}\right)_{\text{sample}}-\left({\frac {^{147}{\text{Sm}}}{^{144}{\text{Nd}}}}\right)_{\text{CHUR}}}}\right].}$

Возраст породы по T _CHUR может дать возраст образования коры в целом, если образец не подвергся нарушениям после его образования. Поскольку Sm/Nd являются редкоземельными элементами (РЗЭ), их характеристики позволяют теитовым неподвижным соотношениям противостоять расслоению при метаморфизме и плавлении силикатных пород. Таким образом, это позволяет рассчитать возраст образования коры, несмотря на любой метаморфизм, которому подвергся образец.

Модель обедненной мантии

График, показывающий модель ДеПаоло с обедненной мантией (1981).

Несмотря на хорошее соответствие архейских плутонов линии изотопной эволюции CHUR Nd, ДеПаоло и Вассербург (1976) заметили, что большинство молодых океанических вулканитов (базальты Срединно-Океанского хребта и базальты Островной дуги) лежат на +7-+12 единиц выше CHUR. линия (см. рисунок). Это привело к осознанию того, что архейские континентальные магматические породы, нанесенные в пределах ошибки линии CHUR, вместо этого могут лежать на линии эволюции обедненной мантии, характеризующейся увеличением отношений Sm / Nd и ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd с течением времени. Для дальнейшего анализа этого разрыва между архейскими данными CHUR и образцами молодых вулканов было проведено исследование протерозойского метаморфического фундамента передних хребтов Колорадо (формация Айдахо-Спрингс). ^[8] Начальные соотношения ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd в проанализированных образцах нанесены на диаграмму зависимости ɛNd от времени, показанную на рисунке. ДеПаоло (1981) подобрал квадратичную кривую для Айдахо-Спрингс и усреднил ɛNd для данных современных океанических островных дуг, таким образом представляя эволюцию изотопов неодима в истощенном резервуаре. Состав истощенного резервуара относительно линии развития CHUR в момент времени T определяется уравнением

ɛNd( Т ) = 0,25 Т ² – 3 Т + 8,5.

Возраст модели Sm-Nd, рассчитанный с использованием этой кривой, обозначен как возраст TDM. ДеПаоло (1981) утверждал, что эти возрасты модели TDM дадут более точный возраст образования коры, чем возраст модели TCHUR - например, аномально низкий возраст модели TCHUR, составляющий 0,8  Гр из композита Мак-Каллоха и Вассербурга в Гренвилле, был пересмотрен до возраста TDM 1,3 Гр, типично для образования ювенильной коры во время Гренвильской складчатости .

Смотрите также

• Радиометрическое датирование

Примечания

1. Значение 6,8 (7) × 10.С 2012 по 2023 год также использовался срок ^{7 лет. [2] [3] [4] [5]}

Рекомендации

1. Маккалок, Монтана; Вассербург, Дж.Дж. (1978). «Sm-Nd и Rb-Sr хронология формирования континентальной коры». Наука . 200 (4345): 1003–11. Бибкод : 1978Sci...200.1003M. дои : 10.1126/science.200.4345.1003. PMID  17740673. S2CID  40675318.
2. Киношита, Н.; Пол, М.; Кашив Ю.; Коллон, П.; Дейбель, CM; ДиДжовин, Б.; Грин, JP; Хендерсон, диджей; Цзян, CL; Марли, Северная Каролина; Наканиши, Т.; Пардо, RC; Рем, Кентукки; Робертсон, Д.; Скотт, Р.; Шмитт, К.; Тан, XD; Вондрасек, Р.; Ёкояма, А. (30 марта 2012 г.). «Измеренный более короткий период полураспада 146Sm и последствия для хронологии 146Sm-142Nd в Солнечной системе». Наука . 335 (6076): 1614–1617. arXiv : 1109.4805 . Бибкод : 2012Sci...335.1614K. дои : 10.1126/science.1215510. ISSN  0036-8075. PMID  22461609. S2CID  206538240.(Отозвано, см. doi : 10.1126/science.adh7739, PMID  36996231, Retraction Watch . Если это намеренная ссылка на отозванную статью, замените ее на . ){{retracted|...}}{{retracted|...|intentional=yes}}
3. Вилла, ИМ; Холден, штат Небраска; Поссоло, А.; Икерт, РБ; Хибберт, Д.Б.; Ренне, PR (сентябрь 2020 г.). «Рекомендации IUPAC-IUGS по периодам полураспада 147Sm и 146Sm». Geochimica et Cosmochimica Acta . 285 : 70–77. дои : 10.1016/j.gca.2020.06.022. ISSN  0016-7037. ОСТИ  1644013.
4. Киношита, Н.; Пол, М.; Кашив Ю.; Коллон, П.; Дейбель, CM; ДиДжовин, Б.; Грин, JP; Цзян, CL; Марли, Северная Каролина; Пардо, RC; Рем, Кентукки; Робертсон, Д.; Скотт, Р.; Шмитт, К.; Тан, XD; Вондрасек, Р.; Ёкояма, А. (30 марта 2023 г.). «Отказ». Наука . 379 (6639): 1307. doi : 10.1126/science.adh7739 . ПМИД  36996231.
5. Джоэлвинг, Фредерик (30 марта 2023 г.). «Одна маленькая ошибка для физика, одна гигантская ошибка для планетологии». Часы втягивания . Проверено 30 марта 2023 г.
6. Депаоло, диджей; Вассербург, Дж.Дж. (1976). «Изотопные вариации Nd и петрогенетические модели» (PDF) . Письма о геофизических исследованиях . 3 (5): 249. Бибкод : 1976GeoRL...3..249D. дои : 10.1029/GL003i005p00249.
7. Дикин, А.П., 2005. Геология радиогенных изотопов, 2-е изд. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-82316-1 стр. 76–77. 
8. ДеПаоло, ди-джей (1981). Изотопы неодима в Переднем хребте Колорадо и эволюция коры и мантии в протерозое. Природа 291, 193–197.

Внешние ссылки

• Портал данных геохронологии и изотопов