Уранның спонтанды бөлінуі арқылы жас анықтау әдісі

Кіріспе

Радиометриялық даталау техникасы

Жарылу жолымен даталау – уранды құрайтын белгілі бір минералдар мен шынылардағы бөліну фрагменттері қалдырған зақымдану іздерін немесе жолдарын талдауға негіделген радиометриялық даталау техникасы. Жарылу жолымен даталау – континенттік қыртыстың жылулық тарихын, жанартаулық құбылыстардың уақытын, түрлі археологиялық артефакттардың тегі мен жасын түсінуге маңызды үлес қосып, салыстырмалы түрде қарапайым радиометриялық даталау әдісі. Бұл әдіс, тау жыныстарының жабылу температурасынан төмен салқындау уақытын анықтау үшін, 238 уранның спонтанды ыдырауынан пайда болатын бөліну оқиғаларының санын пайдалануды қамтиды. Жарылу іздері жылуға өте сезімді, сондықтан бұл техника тау жыныстары мен минералдардың жылулық эволюциясын зерттеуге көмектеседі. Қазіргі кездегі жарылу іздерін пайдаланатын зерттеулердің көпшілігі: а) тау белдеулерінің эволюциясын түсінуге; б) шөгінділердің тегін анықтауға; в) бекендердің жылулық эволюциясын зерттеуге; г) нашар даталанған қабаттардың жасын анықтауға; және д) археологиялық артефакттарды даталауға және олардың тегін анықтауға бағытталған. 1930 жылдары уранның (әсіресе U 235) нейтрондармен соққанда бөлінуге ұшырайтыны анықталды. Бұл қатты денелерде зақымдану іздерін пайда етті, оларды химиялық жолмен ашуға болады.

Әдіс

Басқа изотоптық жас анықтау әдістерінен өзгешелігі, бөліну іздерімен жас анықтаудағы "қызы" – қыз изотопы емес, кристаллдағы эффект. Уран-238 белгілі бір жылдамдықпен спонтанды бөлінуге ұшырайды және табиғи бөліну іздерін маңызды мөлшерде жасау үшін қажетті жылдамдыққа ие жалғыз изотоп болып табылады; басқа изотоптардың бөліну жылдамдығы тым төмен. Осы бөліну процесінде шығарылған фрагменттер уранды қамтитын минералдың кристалдық құрылымында зақымдану іздерін (көне іздер немесе иондық іздер) қалдырады. Іздердің пайда болу процесі, жылдам қозғалған ауыр иондардың иондық іздерді жасау процесімен бірдей. Осы минералдардың жылтыратылған ішкі беттерін химиялық өңдеу спонтанды бөліну іздерін ашады, және іздердің тығыздығын анықтауға болады. Химиялық өңделген іздер салыстырмалы түрде үлкен болғандықтан (1-ден 15 микрометрге дейін), санау оптикалық микроскопия арқылы жүргізіледі, бірақ басқа бейнелеу техникалары да қолданылады. Көне іздердің тығыздығы сынаманың салқындау жасымен және уранның мөлшерімен байланысты, оны жеке анықтау қажет. Уранның мөлшерін анықтау үшін бірнеше әдіс қолданылады. Бір әдіс – нейтрондық сәулелендіру, онда сынама ядролық реакторда термиялық нейтрондармен сәулелендіріледі, ал дәннің бетіне мика сияқты сыртқы детектор бекітіледі. Нейтрондық сәулелендіру сынамадағы уран-235-тің бөлінуін тудырады, ал нәтижесінде пайда болған индукцияланған іздер сынамадағы уранның мөлшерін анықтау үшін қолданылады, өйткені 235U:238U қатынасы жақсы белгілі және табиғатта тұрақты деп есептеледі. Дегенмен, ол әрқашан тұрақты бола бермейді. Нейтрондық сәулелендіру кезінде болған индукцияланған бөліну оқиғаларының санын анықтау үшін сынамаға сыртқы детектор қосылады және сынама мен детектор бір уақытта термиялық нейтрондармен сәулелендіріледі. Сыртқы детектор әдетте аз уранды мика жалаты немесе CR 39 сияқты пластиктер болып табылады. Сынамадағы уран-235-тің индукцияланған бөлінуі нәтижесінде сыртқы детекторда индукцияланған іздер пайда болады, олар кейін химиялық өңдеу арқылы ашылады. Спонтанды және индукцияланған іздердің арақатынасы жасқа пропорционалды. Уранның концентрациясын анықтаудың тағы бір әдісі – LA ICPMS, онда кристалл лазер сәулесімен соққыға ұшыратылып, абляцияланады, содан кейін материал массалық спектрометр арқылы өтеді.

Unlike other isotopic dating methods, the "daughter" in fission track dating is an effect in the crystal rather than a daughter isotope. Uranium 238 undergoes spontaneous fission decay at a known rate, and it is the only isotope with a decay rate that is relevant to the significant production of natural fission tracks; other isotopes have fission decay rates too slow to be of consequence. The fragments emitted by this fission process
leave trails of damage (fossil tracks or ion tracks) in the crystal structure of the mineral that contains the uranium. The process of track production is essentially the same by which swift heavy ions produce ion tracks. Chemical etching of polished internal surfaces of these minerals reveals spontaneous fission tracks, and the track density can be determined. Because etched tracks are relatively large (in the range 1 to 15 micrometres), counting can be done by optical microscopy, although other imaging techniques are used. The density of fossil tracks correlates with the cooling age of the sample and with uranium content, which needs to be determined independently. To determine the uranium content, several methods have been used. One method is by neutron irradiation, where the sample is irradiated with thermal neutrons in a nuclear reactor, with an external detector, such as mica, affixed to the grain surface. The neutron irradiation induces fission of uranium 235 in the sample, and the resulting induced tracks are used to determine the uranium content of the sample because the 235U:238U ratio is well known and assumed constant in nature. However, it is not always constant. To determine the number of induced fission events that occurred during neutron irradiation an external detector is attached to the sample and both sample and detector are simultaneously irradiated by thermal neutrons. The external detector is typically a low uranium mica flake, but plastics such as CR 39 have also been used. The resulting induced fission of the uranium 235 in the sample creates induced tracks in the overlying external detector, which are later revealed by chemical etching. The ratio of spontaneous to induced tracks is proportional to the age. Another method of determining uranium concentration is through LA ICPMS, a technique where the crystal is hit with a laser beam and ablated, and then the material is passed through a mass spectrometer.

Қолданбалар

Көптеген басқа да жас анықтау әдістерінен өзгеше, бөліну іздері арқылы жас анықтау, өте кең геологиялық ауқымда (әдетте 0,1 млн жылдан 2000 млн жылға дейін) кездесетін, жалпы қосымша минералдарды қолдана отырып, төмен температуралық жылулық құбылыстарды анықтауға ерекше жарайды. Апатит, сфен, циркон, микалар және вулканилік шыны әдетте салыстырмалы түрде жас (мезозой және кайнозой) сынамаларды жас анықтау үшін жеткілікті уран мөлшерін қамтиды және осы әдіс үшін ең тиімді материалдар болып табылады. Сонымен қатар, өте көне (палеозойдан кембрийге дейін) сынамалар үшін төмен уранды эпидоттар мен гранаттарды да қолдануға болады. Бөліну іздері арқылы жас анықтау әдісі Жер қыртысының жоғарғы бөлігінің, әсіресе таулы аймақтардың жылулық эволюциясын түсінуде кеңінен қолданылады. Бөліну іздері кристаллда тау жынысының температурасы оттық температурадан төмен түскен кезде сақталады. Бұл оттық температура минералдан минералға қарай өзгереді және төмен температура мен уақыт арасындағы қатынасты анықтау үшін негіз болып табылады. Жабылу температурасының толық сипаттамасы күрделі болғанымен, олар әдеттегі апатит үшін шамамен 70-110 °C, циркон үшін шамамен 230-250 °C, ал титанит үшін шамамен 300 °C құрайды. Сынаманы оттық температурадан жоғары қыздырғанда бөліну зақымдары жазылады немесе оттық процеске түседі, сондықтан бұл әдіс сынама тарихындағы соңғы салқындау оқиғасын анықтау үшін пайдалы. Осы «сағатты қайта іске қосу» арқылы шөгінді бассейндердің жылу тарихын, тектоникалық және эрозиялық процестерге байланысты километрлік масштабтағы экзумацияны, төмен температуралық метаморфтық құбылыстарды және геотермальдық тамырлардың пайда болуын зерттеуге болады. Бөліну іздері әдісі археологиялық ескерткіштер мен артефакттарды жас анықтау үшін де қолданылған. Ол Олдувай шатқалындағы кен орындарының калий-аргондық жасын растау үшін пайдаланылды.

Детрит түйіршіктерінің шығу тегі

Санды анықтауға болатын минералдар құмтастарда жиі кездесетін детриттік түйіршіктер түрінде кездеседі, және егер қабаттар тым тереңге көмілмесе, бұл минералдар түйіршіктері бастапқы тау жынысы туралы ақпаратты сақтайды. Бұл минералдардың фиссиондық іздерін талдау бастапқы тау жыныстарының жылулық эволюциясы туралы мәліметтер береді, сондықтан оларды шөгінділерді шашып шығаратын тау белдеулерінің генезисі мен эволюциясын түсіну үшін қолдануға болады. Бұл детриттік талдау әдісі цирконға ең көп қолданылады, себебі ол шөгінді жүйеде өте кең таралған және берік, сондай-ақ оның салыстырмалы түрде жоғары қайта кристалданба температурасы бар, сондықтан көптеген шөгінді алаптарында кристалдар кейінгі қыздырудан қалпына келтірілмейді. Детриттік цирконның фиссиондық іздерін анықтау – көршілес алаптардағы қабаттарда ұзақ және үздіксіз эрозиялық жазба қалдырған бастапқы аймақтардың тектоникалық эволюциясын түсіну үшін қолданылатын кең таралған талдамалық құрал. Алғашқы зерттеулер жапсарлас орогендік белдеулердегі (тау тізбектері) тау жыныстарының эрозиясының уақытын және қарқынын анықтау үшін стратиграфиялық тізбектердегі детриттік цирконның салқындау жастарын пайдалануға бағытталған. Жақында жүргізілген бірқатар зерттеулер жеке кристалдардың нақты тарихын анықтау үшін U/Pb және/немесе Гелий (U+Th/He) сынамаларын біріктірді. Бұл екі рет анықтау тәсілі өте қуатты генезис құралы болып табылады, өйткені кристаллдың дерлік толық тарихын алуға болады, сондықтан зерттеушілер ерекше геологиялық тарихы бар нақты көз аймақтарын салыстырмалы түрде анық анықтай алады. Детриттік цирконның фиссиондық іздерінің жасы 1 млн жылдан 2000 млн жылға дейін болуы мүмкін.