Датирование уран-свинец , сокращенно U-Pb-датирование , является одной из старейших [1] и наиболее совершенных схем радиометрического датирования . Его можно использовать для датировки горных пород, которые сформировались и кристаллизовались в период от примерно 1 миллиона лет до более 4,5 миллиардов лет назад, с обычной точностью в диапазоне 0,1–1 процента. [2] [3]
Этот метод обычно применяется к циркону . Этот минерал включает в свою кристаллическую структуру атомы урана и тория , но при формировании сильно отторгает свинец . В результате вновь образовавшиеся кристаллы циркона не будут содержать свинца, а это означает, что любой свинец, обнаруженный в минерале, радиогенен . Поскольку точная скорость распада урана на свинец известна, текущее соотношение свинца и урана в образце минерала можно использовать для надежного определения его возраста.
Метод основан на двух отдельных цепочках распада : серии урана от 238 U до 206 Pb с периодом полураспада 4,47 миллиарда лет и серии актиния от 235 U до 207 Pb с периодом полураспада 710 миллионов лет.
Уран распадается на свинец посредством серии альфа- и бета -распадов, в которых 238 U и его дочерние нуклиды претерпевают в общей сложности восемь альфа-распадов и шесть бета-распадов, тогда как 235 U и его дочерние элементы испытывают только семь альфа-распадов и четыре бета-распада. [4]
Существование двух «параллельных» путей распада урана и свинца ( от 238 U до 206 Pb и от 235 U до 207 Pb) приводит к появлению множества возможных методов датирования в рамках всей U-Pb системы. Термин U-Pb-датирование обычно подразумевает совместное использование обеих схем распада в «диаграмме конкордии» (см. Ниже).
Однако использование единой схемы распада (обычно от 238 U до 206 Pb) приводит к изохронному методу U-Pb датирования, аналогичному методу датирования рубидий-стронций .
Наконец, возраст также можно определить по системе U-Pb путем анализа только соотношений изотопов Pb. Это называется методом датирования свинца-свинца . Клэр Кэмерон Паттерсон , американский геохимик, который был пионером в изучении методов радиометрического датирования урана и свинца, использовал его для получения одной из самых ранних оценок возраста Земли .
Хотя чаще всего используется циркон (ZrSiO 4 ), другие минералы, такие как монацит (см.: Геохронология монацита ), титанит и бадделеит, также могут использоваться.
Там, где невозможно получить такие кристаллы, как циркон с включениями урана и тория, методы уран-свинцового датирования также применялись к другим минералам, таким как кальцит / арагонит и другие карбонатные минералы . Возраст этих типов минералов часто бывает менее точным, чем для магматических и метаморфических минералов, традиционно используемых для датирования возраста, но они чаще доступны в геологических записях.
На этапах альфа-распада кристалл циркона испытывает радиационное повреждение, связанное с каждым альфа-распадом. Эти повреждения наиболее сконцентрированы вокруг родительского изотопа (U и Th), вытесняя дочерний изотоп (Pb) из его исходного положения в решетке циркона.
В областях с высокой концентрацией исходного изотопа повреждение кристаллической решетки довольно обширно и часто взаимосвязано, образуя сеть радиационно поврежденных участков. [4] Следы деления и микротрещины внутри кристалла еще больше расширят эту сеть радиационных повреждений.
Эти следы деления действуют как каналы глубоко внутри кристалла, обеспечивая метод транспорта, способствующий выщелачиванию изотопов свинца из кристалла циркона. [5]
В условиях, когда не произошло никаких потерь или притока свинца из внешней среды, возраст циркона можно рассчитать, предположив экспоненциальный распад урана. То есть
где
Это дает
который можно записать как
Наиболее часто используемые цепочки распада урана и свинца дают следующие уравнения:
(Обозначение , иногда используемое в этом контексте, относится к радиогенному свинцу. Для циркона исходное содержание свинца можно принять равным нулю, и обозначения можно игнорировать.) Говорят, что они дают согласованный возраст ( t из каждого уравнения 1 и 2). Именно эти согласованные возрасты, нанесенные на ряд временных интервалов, и приводят к согласованной линии. [6]
Потеря (утечка) свинца из образца приведет к расхождению в возрасте, определенном каждой схемой распада. Этот эффект называется дискордантностью и показан на рисунке 1. Если серия образцов циркона потеряла разное количество свинца, образцы образуют дискордантную линию. Верхняя точка пересечения линии конкордии и линии дискордии будет отражать первоначальный возраст формирования, а нижняя точка будет отражать возраст события, которое привело к поведению открытой системы и, следовательно, к потере лидерства; хотя существуют некоторые разногласия относительно значения нижнего возраста пересечения. [6]
Неповрежденный циркон сохраняет свинец, образующийся в результате радиоактивного распада урана и тория, вплоть до очень высоких температур (около 900 ° C), хотя накопленные радиационные повреждения в зонах с очень высоким содержанием урана могут существенно снизить эту температуру. Циркон очень химически инертен и устойчив к механическому выветриванию – неоднозначное благо для геохронологов, поскольку отдельные зоны или даже целые кристаллы могут пережить плавление материнской породы, сохранив свой первоначальный уран-свинцовый возраст. Таким образом, кристаллы циркона с длительной и сложной историей могут содержать зоны совершенно разного возраста (обычно самая старая зона образует ядро, а самая молодая зона образует край кристалла), и поэтому считается, что они демонстрируют «наследственные характеристики». Распутывание таких сложностей (которые также могут существовать в других минералах, в зависимости от их максимальной температуры удерживания свинца) обычно требует микролучевого анализа in situ с использованием, например, ионного микрозонда ( ВИМС ) или лазерного ИСП-МС .
