Уран-свинцовое датирование

Тип радиометрического датирования

Датирование по урану и свинцу , сокращенно U–Pb датирование , является одной из старейших ^[1] и наиболее совершенных схем радиометрического датирования . Его можно использовать для датирования пород, которые образовались и кристаллизовались от примерно 1 миллиона лет до более 4,5 миллиардов лет назад с обычной точностью в диапазоне 0,1–1 процента. ^{[2] [3]}

Метод обычно применяется к циркону . Этот минерал включает атомы урана и тория в свою кристаллическую структуру , но решительно отвергает свинец при формировании. В результате новообразованные кристаллы циркона не будут содержать свинца, что означает, что любой свинец, обнаруженный в минерале, является радиогенным . Поскольку точная скорость распада урана на свинец известна, текущее соотношение свинца к урану в образце минерала можно использовать для надежного определения его возраста.

Метод основан на двух отдельных цепочках распада : ряд урана от ²³⁸ U до ²⁰⁶ Pb с периодом полураспада 4,47 миллиарда лет и ряд актиния от ²³⁵ U до ²⁰⁷ Pb с периодом полураспада 710 миллионов лет.

Пути распада

Уран распадается на свинец посредством серии альфа- и бета- распадов, в которых ²³⁸ U и его дочерние нуклиды претерпевают в общей сложности восемь альфа- и шесть бета-распадов, тогда как ²³⁵ U и его дочерние нуклиды претерпевают только семь альфа- и четыре бета-распада. ^[4]

Существование двух «параллельных» путей распада урана и свинца ( ²³⁸ U в ²⁰⁶ Pb и ²³⁵ U в ²⁰⁷ Pb) приводит к нескольким возможным методам датирования в рамках общей системы U–Pb. Термин « датирование U–Pb» обычно подразумевает совместное использование обеих схем распада в «диаграмме конкордии» (см. ниже).

Однако использование схемы одиночного распада (обычно от ²³⁸ U до ²⁰⁶ Pb) приводит к методу изохронного датирования U–Pb, аналогичному методу датирования рубидием–стронцием .

Наконец, возраст также может быть определен из системы U–Pb путем анализа только соотношений изотопов Pb. Это называется методом датирования свинцом–свинцом . Клэр Кэмерон Паттерсон , американский геохимик, который был пионером исследований методов радиометрического датирования ураном–свинцом, использовал его для получения одной из самых ранних оценок возраста Земли в 1956 году, которая составила 4,550 Гр ± 70 млн лет; эта цифра с тех пор оставалась практически неоспоренной.

Минералогия

Хотя циркон (ZrSiO ₄ ) используется чаще всего, могут использоваться и другие минералы, такие как монацит (см.: геохронология монацита ), титанит и бадделеит .

Если невозможно получить такие кристаллы, как циркон с включениями урана и тория, методы датирования по урану и свинцу также применялись к другим минералам, таким как кальцит / арагонит и другие карбонатные минералы . Эти типы минералов часто дают менее точные возрасты, чем магматические и метаморфические минералы, традиционно используемые для датирования возраста, но они более широко представлены в геологической летописи.

Механизм

На этапах альфа-распада кристалл циркона испытывает радиационное повреждение, связанное с каждым альфа-распадом. Это повреждение больше всего концентрируется вокруг родительского изотопа (U и Th), вытесняя дочерний изотоп (Pb) из его первоначального положения в решетке циркона.

В областях с высокой концентрацией родительского изотопа повреждения кристаллической решетки весьма обширны и часто будут соединяться, образуя сеть радиационно-поврежденных областей. ^[4] Треки деления и микротрещины внутри кристалла еще больше расширят эту сеть радиационных повреждений.

Эти следы деления действуют как каналы глубоко внутри кристалла, обеспечивая метод транспортировки, облегчающий выщелачивание изотопов свинца из кристалла циркона. ^[5]

Вычисление

В условиях, когда не происходит потери или притока свинца из внешней среды, возраст циркона можно рассчитать, предположив экспоненциальный распад урана. То есть

${\displaystyle N_{\mathrm {n} }=N_{\mathrm {o} }e^{-\lambda t}\,}$

где

• ${\displaystyle N_{\mathrm {n} }=\mathrm {U} }$— это число атомов урана, измеренное в настоящее время.
• ${\displaystyle N_{\mathrm {o} }}$— это первоначальное число атомов урана, равное сумме атомов урана и свинца, измеренных сейчас. ${\displaystyle \mathrm {U} +\mathrm {Pb} }$
• ${\displaystyle \lambda =\lambda _{\mathrm {U} }}$скорость распада урана.
• ${\displaystyle t}$возраст циркона, который требуется определить.

Это дает

${\displaystyle \mathrm {U} =\left(\mathrm {U} +\mathrm {Pb} \right)e^{-\lambda _{\mathrm {U} }t},}$

что можно записать как

${\displaystyle {{\mathrm {Pb} } \over {\mathrm {U} }}=e^{\lambda _{\mathrm {U} }t}-1.}$

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 обозначение можно игнорировать.) Говорят, что они дают конкордантные возрасты ( t из каждого уравнения 1 и 2). Именно эти конкордантные возрасты, нанесенные на график по ряду временных интервалов, дают конкордантную линию. ^[6] ${\displaystyle {\text{Pb}}^{*}}$

Потеря (утечка) свинца из образца приведет к расхождению в возрастах, определенных каждой схемой распада. Этот эффект называется дискордантностью и показан на рисунке 1. Если серия образцов циркона потеряла разное количество свинца, образцы образуют дискордантную линию. Верхнее пересечение линии конкордии и дискордии будет отражать первоначальный возраст образования, тогда как нижнее пересечение будет отражать возраст события, которое привело к поведению открытой системы и, следовательно, к потере свинца; хотя были некоторые разногласия относительно значения нижних пересеченных возрастов. ^[6]

Рисунок 1: Диаграмма конкордии для данных, опубликованных Маттинсоном ^[5] для образцов циркона из гор Кламат в Северной Калифорнии. Возрасты для конкордии увеличиваются с шагом в 100 миллионов лет.

Неповрежденный циркон сохраняет свинец, образующийся при радиоактивном распаде 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 зоны или даже целые кристаллы могут выдерживать плавление своей материнской породы с сохранением своего первоначального возраста урана и свинца. Таким образом, кристаллы циркона с длительной и сложной историей могут содержать зоны резко различающегося возраста (обычно самая старая зона образует ядро, а самая молодая зона образует край кристалла), и поэтому говорят, что они демонстрируют «унаследованные характеристики». Раскрытие таких сложностей (которые могут существовать и в других минералах, в зависимости от их максимальной температуры удержания свинца) обычно требует проведения микропучкового анализа in situ с использованием, например, ионного микрозонда ( SIMS ) или лазерной ICP-MS .

Ссылки

1. Болтвуд, BB (1907). «Конечные продукты распада радиоактивных элементов; Часть II, Продукты распада урана». American Journal of Science . 23 (134): 78–88. Bibcode : 1907AmJS...23...78B. doi : 10.2475/ajs.s4-23.134.78. S2CID  131688682.
2. Schoene, Blair (2014). "U–Th–Pb Geochronology" (PDF) . Принстонский университет, Принстон, Нью-Джерси, США . Получено 6 августа 2022 г. .
3. Schaltegger, U.; Schmitt, AK; Horstwood, MSA (2015). "U–Th–Pb геохронология циркона с помощью ID-TIMS, SIMS и лазерной абляции ICP-MS: рецепты, интерпретации и возможности" (PDF) . Химическая геология . 402 : 89–110. Bibcode :2015ChGeo.402...89S. doi :10.1016/j.chemgeo.2015.02.028.
4. Romer, Rolf L. (2003). «Альфа-отдача в геохронологии U–Pb: эффективный размер выборки имеет значение». Вклад в минералогию и петрологию . 145 (4): 481–491. Bibcode :2003CoMP..145..481R. doi :10.1007/s00410-003-0463-0. S2CID  129763448.
5. Mattinson, James M. (2005). "Метод химической абразии циркона U–Pb ("CA-TIMS"): комбинированный отжиг и многоступенчатый анализ частичного растворения для повышения точности и достоверности возраста циркона". Chemical Geology . 220 (1–2): 47–66. Bibcode : 2005ChGeo.220...47M. doi : 10.1016/j.chemgeo.2005.03.011.
6. Дикин, Алан П. (2005). Геология радиогенных изотопов . стр. 101. doi :10.1017/CBO9781139165150. ISBN 9781139165150.