Метод датировки по следам деления.

Введение

Радиометрическая датировка

Датирование по трекам деления – это радиометрическая техника, основанная на анализе дорожек повреждений, или треков, оставленных фрагментами деления в определенных минералах и стеклах, содержащих уран. Датирование по трекам деления – относительно простой метод радиометрической датировки, оказавший значительное влияние на понимание тепловой истории континентальной коры, времени вулканических событий, а также источника и возраста различных археологических артефактов. Метод заключается в использовании количества событий деления, возникающих в результате спонтанного распада урана-238 в распространенных акцессорных минералах, для определения времени охлаждения породы ниже температуры закрытия. Треки деления чувствительны к нагреву, поэтому эта техника полезна для изучения термической эволюции пород и минералов. Большинство современных исследований с использованием треков деления направлены на: а) изучение эволюции горных поясов; б) определение источника или происхождения осадочных пород; в) исследование тепловой эволюции бассейнов; г) определение возраста плохо датированных слоев; и д) датирование и определение происхождения археологических артефактов. В 1930-х годах было обнаружено, что уран (в частности, U-235) подвергается делению при воздействии нейтронов. Это вызывает дорожки повреждений в твердых телах, которые можно выявить с помощью химического травления.

Метод

В отличие от других методов изотопного датирования, "дочерний" продукт в датировании по трекам деления – это эффект в кристалле, а не дочерний изотоп. Уран-238 подвергается спонтанному делению с известной скоростью, и это единственный изотоп, скорость деления которого существенно влияет на образование естественных треков деления; другие изотопы имеют слишком низкую скорость деления, чтобы иметь значение. Фрагменты, образующиеся в результате этого процесса деления, оставляют в кристаллической структуре минерала, содержащего уран, дорожки повреждений (ископаемые или ионные треки). Механизм образования треков в целом аналогичен тому, как треки образуются при воздействии быстрых тяжелых ионов. Химическое травление полированных внутренних поверхностей минералов выявляет треки спонтанного деления, и определяется их плотность. Поскольку вытравленные треки относительно крупные (в диапазоне от 1 до 15 микрометров), подсчет может проводиться с помощью оптической микроскопии, хотя используются и другие методы визуализации. Плотность ископаемых треков коррелирует с возрастом охлаждения образца и содержанием урана, которое необходимо определять независимо. Для определения содержания урана применялись различные методы. Один из них – нейтронное облучение, при котором образец облучается тепловыми нейтронами в ядерном реакторе с использованием внешнего детектора, например, слюды, прикрепленного к поверхности зерна. Нейтронное облучение индуцирует деление урана-235 в образце, а образующиеся индуцированные треки используются для определения содержания урана в образце, поскольку отношение 235U:238U хорошо известно и считается постоянным в природе. Однако это соотношение не всегда постоянно. Для определения количества событий индуцированного деления, произошедших во время нейтронного облучения, к образцу прикрепляется внешний детектор, и образец и детектор одновременно облучаются тепловыми нейтронами. В качестве внешнего детектора обычно используют пластинку слюды с низким содержанием урана, но также применяются и пластмассы, такие как CR-39. Индуцированное деление урана-235 в образце создает индуцированные треки во внешнем детекторе, которые впоследствии выявляются химическим травлением. Отношение спонтанных треков к индуцированным пропорционально возрасту. Другой метод определения концентрации урана – LA ICPMS, технология, при которой кристалл подвергается воздействию лазерного луча и абляции, а затем материал анализируется с помощью масс-спектрометра.

Приложения

В отличие от многих других методов датирования, датирование по трекам деления уникально подходит для определения низкотемпературных термических событий с использованием распространенных акцессорных минералов в очень широком геологическом диапазоне (обычно от 0,1 до 2000 млн лет). Апатит, сфен, циркон, слюды и вулканическое стекло обычно содержат достаточно урана, чтобы быть полезными для датирования образцов относительно молодого возраста (мезозой и кайнозой) и являются наиболее применимыми материалами для этой методики. Кроме того, эпидоты и гранаты с низким содержанием урана могут использоваться для датирования очень древних образцов (палеозойский – докембрийский). Метод датирования по трекам деления широко применяется для изучения тепловой эволюции верхней коры, особенно в горных поясах. Треки деления сохраняются в кристалле, когда температура породы опускается ниже температуры отжига. Эта температура отжига варьируется в зависимости от минерала и является основой для определения температурно-временных зависимостей низкотемпературных процессов. Хотя детали температур закрытия сложны, они приблизительно составляют 70–110 °C для типичного апатита, ок. 230–250 °C для циркона и ок. 300 °C для титанита. Поскольку нагрев образца выше температуры отжига приводит к восстановлению или отжигу треков деления, метод полезен для датирования последнего события охлаждения в истории образца. Этот сброс «часов» может быть использован для изучения тепловой истории осадочных бассейнов, километровых масштабов эксгумации, вызванной тектоникой и эрозией, низкотемпературных метаморфических событий и образования геотермальных жил. Метод треков деления также применялся для датирования археологических объектов и артефактов. Он был использован для подтверждения датировок по калий-аргоновому методу для отложений в ущелье Олдувай.

Анализ происхождения детритных зерен

Ряд минералов, поддающихся датировке, встречаются в виде обычных детритных зерен в песчаниках, и если слои не были погребены слишком глубоко, эти минеральные зерна сохраняют информацию об исходной породе. Анализ треков деления в этих минералах предоставляет информацию о тепловой эволюции исходных пород и, следовательно, может быть использован для понимания происхождения и эволюции горных поясов, являющихся источником осадочного материала. Этот метод детритального анализа наиболее часто применяется к циркону, поскольку он широко распространен и устойчив в осадочных системах, а также обладает относительно высокой температурой отжига, благодаря чему во многих осадочных бассейнах кристаллы не подвергаются переустановке при последующем нагреве. Датирование детритального циркона методом треков деления – это широко используемый аналитический инструмент для понимания тектонической эволюции областей-источников, оставивших длительную и непрерывную эрозионную запись в прилегающих слоях бассейна. Ранние исследования были сосредоточены на использовании возраста охлаждения в детритальном цирконе из стратиграфических последовательностей для определения времени и скорости эрозии пород в смежных орогенных поясах (горных хребтах). В ряде недавних исследований комбинировали U/Pb и/или гелиевое датирование (U+Th/He) отдельных кристаллов для документирования специфической истории каждого кристалла. Этот подход двойного датирования является чрезвычайно эффективным инструментом для определения происхождения, поскольку можно получить почти полную историю кристалла, и, следовательно, исследователи могут с высокой степенью уверенности указать на конкретные области-источники с различными геологическими историями. Возраст треков деления в детритальном цирконе может варьироваться от 1 млн лет до 2000 млн лет.