2.3. Абсолютная геохронология

Палеонтологические и геолого-геофизические методы определения относительного возраста горных пород не дают реального представления об абсолютном возрасте тех или иных осадочных, вулканогенныхилиинтрузивныхобразований, не позволяют оценивать продолжительность времени их формирования. Относительная геохронология дает возможность, как указывалось выше, судить лишь о последовательности геологических событий. Время их действия и продолжительность можно установить, только используярадиогеохронологическиеметоды или, как их еще. называют, методы определения абсолютного возраста. В абсолютной геохронологии применяется обычная астрономическая системалетосчис.ления:год — период обращения Земли вокруг Солнца. Однако употребление слова «абсолютный» неверно, ввиду того что любые полученные результаты не являются абсолютно точными, так как каждое полученное значение несет в себе определенную, иногда существенную ошибку. Кроме того',продолжительность астрономического'года современной эпохи не соответствует продолжительности года в палеозое и тем более в протерозое илиархее. Поэтому возраст горных пород, установленный по данным распада естественно-радиоактивных химических элементов, вернеена-

-36

зыватьрадиогеохронологическимили говорить просто о радиометрическом возрасте.

Методику определения «абсолютного» возраста горных пород ученые пытались разработать начиная с XVIII в. Для этого использовались геологические, физические, химические и биологические процессы и явления. Одни пытались вести подсчет времени накопления солей в Мировом океане до современного уровня их содержания, другие оценивали время накопления осадков, отложенных начиная с докембрийскихвремен, исходя из современной скорости их аккумуляции, третьи рассчитывали потери тепла Земли при ее остывании, принимая первоначальное состояние расплавленное™. Однако все эти попытки определения продолжительности истории Земли и отдельных ее.этапов не увенчались успехом, давая сильно заниженные значения.

Открытие радиоактивного распада в конце XIX в. дало возможность ученым впервые достаточно достоверно оценить возраст ряда минералов и горных пород с помощью анализа их изотопного состава, т. е.по содержанию в них исходных, промежуточных и конечных продуктов распада естественно-радиоактивных элементов. Такие'исследования дают достоверный результат при условии, что со времени образования исследуемого минерала или породы не происходило частичного выноса или последующегопривноса радиоактивного элемента или продукта его распада.

Явление радиоактивности связано с распадом ядер атомов радиоактивных элементов, который протекает самопроизвольно, с постоянной скоростью, не зависящей от каких-либо физико-химических процессов, протекавших на земной поверхности и в недрах Земли. Постоянство скорости радиоактивного распада обосновано теоретически и доказано опытным путем. Радиоактивные изотопы химических элементов распадаются так, что их количество убывает со временем по экспоненциальному закону.

В настоящее время широко применяют следующие радиогеохронологические методы: урано-ториево-свинцовый,свинцовый, рубидий-стронциевый, калий-аргоновый,самарий-неодимовый,радиоуглеродный.

Урано-ториево-свинцовый методбазируется на использовании трех процессов радиоактивного распада изотоповурана и тория:

238TJ^ao6pb^235TJ-^207p^232т-^20.8р^Период полураспада^U

составляет 4510 млн лет, ^U— 713 млн лет и^Th— 15170 млн лет. Исходя из продолжительности распада минералы, содержащие эти элементы, используются для определения возраста. Измерив в.минерале содержание,радиоактивных изотопов урана и тория и радиогенных частей трех изотопов свинца, а также содержаниенерадиогенногоизотопа свинца^РЬ,находят шесть изотопных отношений. Одно из них в настоящее время считается фиксированным{²³⁸Vf²³⁵V=\37,7},а остальные пять(^РЬ/²³^,

207pb/235T^ 208pb/232^h, ^РЬ/^РЬ, ^РЬ/^РЬ) ДВЮТ ВОЗМОЖНОСТЬ

оценить возраст минерала. Близость всех пяти результатов свидетельствует о достоверности проведенного анализа. В том случае,

37

когда оценки расходятся, а изотопный анализ проведен надежно, то, вероятно, содержание изотопов в минерале менялось не в результате радиоактивного распада, а вследствие утечки или привносакаких-то продуктов радиоактивных превращений.

Простейшим из перечисленных является метод определения возраста по общему свинцу, т. е.по отношениюPb/U+Th.Он не требует дополнительного изотопного анализа свинца, но не учитывает того, что часть свинца являетсянерадиогеннойи, следовательно, дает завышение возраста. Вследствие этого такой способ определения сейчас не применяется.

Более перспективен способ определения возраста по обыкновенному свинцу — по любому из соотношений^Pb,^Pbили 208р)д^204р)зgгалените, который содержит ничтожные количества урана и тория, а также поU/Pbв цирконе. Эти отношения практически не меняются со временем, и они тем больше, чем позднее выделились из содержащей уран и торий магмы.

Свинцовый метод —наиболее старый и хорошо разработанный метод ядерной геохронологии. Впервые его применил в 1907 г. Б.Болтвудв Канаде. В настоящее время он значительно усовершенствован и используется с непременным анализом изотопного свинца на масс-спектрометре. Поэтому его нередко называютсвинцотао-изотопнымметодом. Для измерения возраста посвинцово-изотопномуметоду используются минералы, содержащие уран и торий.

Рубидий-стронциевый методоснован на очень медленном распаде радиоактивного изотопа^Rbи превращении его в изотоп стронция^Sr.Ныне радиоактивный изотоп рубидия составляет в среднем 27,85% природного рубидия. Период полураспада рубидия равен 47000 млн лет [постоянная распада%=0,0147 млрд лет-¹]. Возраст.минерала оценивается по формуле

При анализе минералов с очень малым содержанием рубидия (менее 0,1%) вносится поправка на исходный нерадиогенный стронций.

Возраст пород, содержащих только стронций, но без рубидия, оценивается грубым стронциевым методом по отношению ^Sr/^Sr. Это же отношение используется для оценки происхождения магматических пород — мантийного иликорового.Изотоп рубидия присутствует в виде, примеси в калиевых минералах, чаще всего в биотите, мусковите и лепидолите. Рубидий-стронциевым методом определяется возраст по валовому содержанию этих элементов в породе. Из-за низкой скорости распада рубидия данный метод широко применяется для определения возрастадокембрийскихи палеозойских пород.

Калий-аргоновый методоснован на распаде радиоактивного^К,при котором около 12% этого изотопа превращаются в аргон

38

*°Атс периодом полураспада 1300 млн лет. Постоянная радиоактивного распада%к==0,0585 млрд лет-¹.Остальные 88% калия переходят в^Кс более высокой скоростью (постоянная радиоактивного распада^^0,472). По количеству выделившегося из минераланерадиогенногоаргона и по отношению^Аг/^Квозраст минерала оценивается по формуле

Этот метод применяется при исследовании слюд, амфиболов, калиевого полевого шпата, глауконита и валовых проб изверженных пород с возрастом от десятков тысяч до сотен миллионов лет. Определение возраста метаморфических пород калий-аргоновым методом не рекомендуется из-за значительных утечек аргона, происходящих при температурах свыше 300 °С и при больших давлениях.

Самарий-неодимовыйметод основан на очень медленном распаде изотопасамария^Sm,который встречается в смеси со стабильными изотопами¹⁴'⁴,¹⁴⁸-¹⁵⁰,^\52^i^Smс периодом полураспада .153 млрд лет (постоянная радиоактивного распадау»0,00654•млрд.лет-¹).Конечным продуктом распада является радиогенный^Nd.Возраст.минерала, содержащегосамарий,рассчитывается по формуле

Самарий-неодимовый метод считается одним из наиболее надежных (наряду с U/Pb по циркону) для определения возраста глубокометаморфизованныхраннедокембрийскихпород, хотя также иногда дает заниженные значения.

Радиоуглеродный методбазируется на определении радиоактивного изотопа^Св органических остатках или в породах с высоким содержанием органического вещества. Этот изотоп постоянно образуется в атмосфере из азота'''Nпод воздействием космического излучения и усваивается живыми организмами. После отмирания происходит распад'^и, зная скорость его распада, удается определить возраст захоронения организма. Периодполураспада^Сравен 5750 лет. Поэтому с помощью этого метода определяется возраст осадков не древнее 60—80 тыс. лет.

Метод треков осколочного делениябазируется на том, что во всех минералах, содержащих уран, возникают структурные изменения, фиксирующие пробег осколков от спонтанного деления урана. Они видны в виде треков при увеличении под микроскопом. Обычно'подсчитывается плотность этих треков, т. е. их число на единицу'поверхности. Чем больше возраст минерала, тем больше плотность треков при прочих равных условиях. Для определения содержания урана образец минерала облучают нейтронами. Возникают новые треки от деления присутствующего урана, вызванного нейтронами. При этом возраст минерала будет являться 39

функцией отношения числа треков от спонтанного деления урана к числу вновь появившихся треков на единицу площади или объема. Хотя метод не очень точен, его можно рассматривать как новый перспективный способ исследования. В ряде случаев с помощью этого метода расшифровывается термическая история породы, которая отражается в исчезновении части треков и искажает истинную величину возраста. В последние годы трековый метод стали использовать для определения возраста четвертичных вулканических пород.

Радиогеохронологическиеметоды непрерывно совершенствуются, возрастает их точность, разрабатываются новые более тонкие методики. Они имеют наибольшую ценность для определения возраста магматических и метаморфических пород, лишенных какихлибо органических остатков, широко применяются также для установления возрастафанерозойскихотложений, для определенияпродолжительности стратиграфических подразделений разного. ранга, выделенных на основе палеонтологического метода.

Наиболее подходящими для радиометрического датирования, кроме радиоуглеродного метода, являются магматические породы. Меньше подходят метаморфические породы, поскольку они часто прошли не один, а два-три этапаметаморфиз.ма,каждый изкоторых мог сопровождаться потерей радиогенных изотопов. Возраст осадочных пород обычно определяют косвенным образом, по возрасту прорывающих их и перекрываемых имиинтрузивовили по прослаивающим ихэффузивами вулканическим туфам ипепламИменнотак в основном была построена глобальная геохронологическая шкалафанерозоя.Но делаются попытки и непосредственно определить возраст песчаных пород К/Аг методом п& К-содержащемуминералу глаукониту, а глинистых пород — послюдам или валовым анализам. Последний метод дает часто завышенные значения, посколькуК-содержащиеминералы являются обычно обломочными и более древними, чем сами глины, если только последние не состоят в основном изаутигенныхглинистых минералов.

Опыт радиометрического датирования магматических и метаморфических горных пород показал, что наибольший смысл имеет комплексное применение разных методов к одной и той же породе и к разным составляющим ее минералам, а также к породе в целом («по валу»).Дело в том, что разные изотопы обладают разной способностью кулетучиваниюи разные минералы — к утрате-чтихизотопов при нагревании; например, амфиболы ипироксены устойчивее, чем слюды, аргон теряется легче всего и т. д. Измеряя возраст пород разными методами, одним методом и по одним минералам, напримерU/Pbметодом по циркону илисамарий-неодимовымпо породе, мы получаем возраст, наиболее близкий к первичному возрасту породы или ее первому метаморфизму, а данные других методов и по другим минералам позволяют датировать более,поздние эпохи метаморфизма. К/Аг метод обычно дает дляинтрузивныхмагматических пород заниженные значения воз-

40

раста,поскольку изотопные отношения в них становятся стабильными лишь после остывания породы до 300°, что достигается через несколько миллионов и даже первые десятки миллионов лег после внедренияинтрузии.