Самарий-неодимовое датирование

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

Самарий-неодимовое датирование — это радиометрический метод датирования , полезный для определения возраста горных пород и метеоритов , основанный на альфа-распаде долгоживущего изотопа самария (¹⁴⁷
Sm ) к стабильному радиогенному изотопу неодима (¹⁴³
Nd ). Соотношения изотопов неодима вместе с соотношениями самария и неодима используются для получения информации о возрасте и источнике магматических расплавов. Иногда предполагается, что в момент формирования корового материала из мантии соотношение изотопов неодима зависит только от времени, когда произошло это событие, но впоследствии оно развивается таким образом, который зависит от нового соотношения самария и неодима в коровом материале, которое будет отличаться от соотношения в мантийном материале. Самарий-неодимовое датирование позволяет определить, когда образовался коровый материал.

Полезность датирования Sm–Nd 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 фельзических минералов изменяет соотношение Sm/Nd в полученных материалах. Это, в свою очередь, влияет на скорость, с которой соотношение ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd увеличивается из-за образования радиогенного ¹⁴³ Nd.

Во многих случаях данные изотопов Sm–Nd и Rb–Sr используются совместно.

Радиометрическое датирование Sm–Nd

Самарий имеет семь природных изотопов, а неодим — семь. Эти два элемента связаны родительско-дочерними отношениями посредством альфа-распада родительского ¹⁴⁷ Sm в радиогенный дочерний ¹⁴³ Nd с периодом полураспада 1,066(5) × 10¹¹ лет и альфа-распадом ¹⁴⁶ Sm (почти вымершего радионуклида с периодом полураспада 9,20(26) × 10⁷ лет ^{[2] [a]} ) для производства ¹⁴² Nd.

Чтобы найти дату образования породы (или группы пород), можно использовать метод изохронного датирования . ^[6] Изохрона Sm–Nd отображает отношение радиогенного ¹⁴³ Nd к нерадиогенному ¹⁴⁴ Nd против отношения родительского изотопа ¹⁴⁷ Sm к нерадиогенному изотопу ¹⁴⁴ Nd. ¹⁴⁴ Nd используется для нормализации радиогенного изотопа в изохроне, поскольку он является квазистабильным (с периодом полураспада 2,29(16) × 10¹⁵ лет) 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 — постоянная распада ¹⁴⁷ Sm,

( 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 время формирования можно снова рассчитать (см. #Модель CHUR). ^{[6] [1]}

Геохимия Sm и Nd

Концентрация Sm и Nd в силикатных минералах увеличивается с порядком, в котором они кристаллизуются из магмы в соответствии с серией реакций Боуэна . Самарий легче встраивается в основные минералы, поэтому основная порода, которая кристаллизует основные минералы, будет концентрировать неодим в расплавленной фазе относительно самария. Таким образом, по мере того, как расплав подвергается фракционной кристаллизации от основного к более фельзитовому составу, изменяется распространенность Sm и Nd, как и соотношение между Sm и Nd.

Таким образом, ультрамафические породы имеют высокое содержание Sm и низкое содержание Nd и, следовательно, высокие отношения Sm/Nd. Фельзитовые породы имеют низкие концентрации Sm и высокое содержание Nd и, следовательно, низкие отношения Sm/Nd (например, коматиит имеет 1,14 частей на миллион (ppm) Nd и 3,59 ppm Sm против 4,65 ppm Nd и 21,6 ppm Sm в риолите ).

Важность этого процесса очевидна при моделировании возраста формирования континентальной коры .

Модель CHUR

С помощью анализа изотопных составов неодима ДеПаоло и Вассербург (1976 ^[6] ) обнаружили, что земные магматические породы во время их формирования из расплавов близко следовали линии « хондритового однородного резервуара » или «хондритового однородного резервуара» (CHUR) — пути увеличения отношения ¹⁴³ Nd: ¹⁴⁴ Nd со временем в хондритах . Считается, что хондритовые метеориты представляют собой самый ранний (несортированный) материал, который образовался в Солнечной системе до образования планет. Они имеют относительно однородные следы элементов, и поэтому их изотопная эволюция может моделировать эволюцию всей Солнечной системы и «массовой Земли». После нанесения возрастов и начальных соотношений ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd в земных магматических породах на диаграмму эволюции Nd во 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 эволюционной линии CHUR очень малы, ДеПаоло и Вассербург утверждали, что было бы полезно создать форму обозначения, которая описывала бы ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd с точки зрения их отклонений от эволюционной линии CHUR. Это называется обозначением эпсилон, в котором одна единица эпсилон представляет собой отклонение от состава CHUR на одну часть на 10 000. ^[7] Алгебраически единицы эпсилон можно определить с помощью уравнения

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

Поскольку единицы эпсилон более тонкие и, следовательно, более ощутимое представление начального соотношения изотопов Nd, используя их вместо начальных изотопных соотношений, легче понять и, следовательно, сравнить начальные соотношения коры с разным возрастом. Кроме того, единицы эпсилон нормализуют начальные соотношения к CHUR, тем самым устраняя любые эффекты, вызванные различными применяемыми методами коррекции аналитического массового фракционирования. ^[7]

Nd модель возрастов

Поскольку CHUR определяет начальные соотношения континентальных пород с течением времени, было сделано заключение, что измерения ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd и ¹⁴⁷ Sm/ ¹⁴⁴ Nd с использованием CHUR могут дать модельные возрасты для сегрегации из мантии расплава, который сформировал любую коровую породу. Это было названо T _CHUR . ^[1] Для того, чтобы возраст T _CHUR был рассчитан, фракционирование между Nd/Sm должно было произойти во время извлечения магмы из мантии для создания континентальной породы. Это фракционирование затем вызвало бы отклонение между линиями эволюции изотопов коры и мантии. Пересечение между этими двумя линиями эволюции затем указывает возраст формирования 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 T _CHUR может дать возраст формирования коры в целом, если образец не подвергался возмущениям после своего формирования. Поскольку Sm/Nd являются редкоземельными элементами (РЗЭ), их характеристика позволяет иммобилизованным отношениям тейта противостоять разделению во время метаморфизма и плавления силикатных пород. Таким образом, это позволяет рассчитать возраст формирования коры, несмотря на любой метаморфизм, которому подвергся образец.

Модель истощенной мантии

График, демонстрирующий модель истощенной мантии ДеПаоло (1981)

Несмотря на хорошее соответствие архейских плутонов линии эволюции изотопов Nd CHUR, ДеПаоло и Вассербург (1976) заметили, что большинство молодых океанических вулканитов (базальты Срединно-океанического хребта и базальты островных дуг) лежат на +7–+12 единиц ɛ выше линии CHUR (см. рисунок). Это привело к пониманию того, что архейские континентальные магматические породы, которые нанесены в пределах погрешности линии CHUR, вместо этого могут лежать на линии эволюции истощенной мантии, характеризующейся увеличением соотношений Sm/Nd и ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd с течением времени. Для дальнейшего анализа этого разрыва между данными архейского CHUR и молодыми вулканическими образцами было проведено исследование протерозойского метаморфического фундамента хребтов Колорадо Фронт (формация Айдахо-Спрингс). ^[8] Начальные отношения ¹⁴³ Nd/ ¹⁴⁴ Nd в проанализированных образцах нанесены на диаграмму зависимости ɛNd от времени, показанную на рисунке. ДеПаоло (1981) подогнал квадратичную кривую к данным Айдахо-Спрингс и усреднил ɛNd для современных данных океанической островной дуги, таким образом представив эволюцию изотопа неодима истощенного резервуара. Состав истощенного резервуара относительно линии эволюции CHUR в момент времени T определяется уравнением

${\displaystyle \varepsilon Nd(\mathbf {T} )=0.25\mathbf {T} ^{2}-3\mathbf {T} +8.5}$.

Возрасты моделей Sm–Nd, рассчитанные с использованием этой кривой, обозначены как возрасты TDM. ДеПаоло (1981) утверждал, что возрасты моделей TDM дадут более точный возраст для формирования земной коры, чем возрасты моделей TCHUR — например, аномально низкий возраст модели TCHUR в 0,8  Гр из композита Гренвилля Маккалока и Вассербурга был пересмотрен до возраста TDM в 1,3 Гр, типичного для формирования ювенильной коры во время орогении Гренвилля .

Смотрите также

• Радиометрическое датирование

Примечания

1. Прежнее используемое значение было 1,03(5) × 10⁸ лет; значение 6,8(7) × 10⁷ лет также использовались в период с 2012 по 2023 год. ^{[3] [4] [5]}

Ссылки

1. McCulloch, MT; Wasserburg, GJ (1978). "Sm–Nd и Rb–Sr хронология формирования континентальной коры". Science . 200 (4345): 1003–11. Bibcode :1978Sci...200.1003M. doi :10.1126/science.200.4345.1003. PMID  17740673. S2CID  40675318.
2. Chiera, Nadine M.; Sprung, Peter; Amelin, Yuri; Dressler, Rugard; Schumann, Dorothea; Talip, Zeynep (1 августа 2024 г.). «Повторное измерение периода полураспада 146Sm: консолидация хронометра для событий в ранней Солнечной системе». Scientific Reports . 14 (1). doi : 10.1038/s41598-024-64104-6 . PMC 11294585 . 
3. Вилла, ИМ; Холден, штат Невада; 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. Киносита, Н.; Пол, М.; Кашив, Ю.; Коллон, П.; Дейбель, CM; ДиДжиовайн, Б.; Грин, Дж. П.; Цзян, КЛ; Марли, СТ; Пардо, РК; Рем, К. Э.; Робертсон, Д.; Скотт, Р.; Шмитт, К.; Тан, XD; Вондрасек, Р.; Ёкояма, А. (30 марта 2023 г.). «Retraction». Science . 379 (6639): 1307. doi : 10.1126/science.adh7739 . PMID  36996231.
5. Джоэлвинг, Фредерик (30 марта 2023 г.). «Одна маленькая ошибка для физика, один гигантский промах для планетарной науки». Retraction Watch . Получено 30 марта 2023 г.
6. Depaolo, DJ; Wasserburg, GJ (1976). "Nd изотопные вариации и петрогенетические модели" (PDF) . Geophysical Research Letters . 3 (5): 249. Bibcode :1976GeoRL...3..249D. doi :10.1029/GL003i005p00249.
7. Dickin, AP, 2005. Геология радиогенных изотопов, 2-е изд. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-82316-1 стр. 76–77. 
8. DePaolo, DJ (1981). Изотопы неодима в хребте Колорадо Фронт и эволюция коры – мантии в протерозое. Nature 291, 193–197.

Внешние ссылки

• Портал геохронологических и изотопных данных