Введение
Радиометрический метод датирования, полезный для определения возраста пород и метеоритов.
Самарий-неодимовое датирование – это радиометрический метод датирования, полезный для определения возраста пород и метеоритов, основанный на альфа-распаде долгоживущего изотопа самария в стабильный радиогенный изотоп неодима. Соотношения изотопов неодима в сочетании с соотношениями самария и неодима используются для получения информации о возрасте и источнике магматических расплавов. Иногда предполагается, что в момент образования материала коры из мантии соотношение изотопов неодима зависит только от времени этого события, но впоследствии оно изменяется в зависимости от нового соотношения самария к неодиму в материале коры, которое отличается от соотношения в материале мантии. Самарий-неодимовое датирование позволяет определить время образования материала коры. Эффективность Sm–Nd датирования обусловлена тем, что эти два элемента являются редкоземельными элементами и, следовательно, теоретически не склонны к разделению в процессе седиментации и диагенеза, в результате чего образуется 142Nd. Для определения времени образования породы (или группы пород) можно использовать метод изохронного датирования. Было обнаружено, что земные магматические породы в момент образования из расплавов в значительной степени соответствуют линии "хондритового однородного резервуара" или "хондритового нефракционированного резервуара" (CHUR) – закономерности изменения соотношения 143Nd:144Nd с течением времени в хондритах. Считается, что хондритные метеориты представляют собой самый ранний (неотсортированный) материал, образовавшийся в Солнечной системе до формирования планет. Они характеризуются относительно однородным содержанием микроэлементов, поэтому их изотопная эволюция может служить моделью эволюции всей Солнечной системы и "общей Земли". После нанесения на диаграмму эволюции Nd во времени возраста и начальных соотношений 143Nd/144Nd земных магматических пород ДеПаоло и Вассербург установили, что архейские породы имели начальные соотношения изотопов Nd, очень близкие к тем, что определены линией эволюции CHUR.
Samarium–neodymium dating is a radiometric dating method useful for determining the ages of rocks and meteorites, based on the alpha decay of the long lived samarium isotope to the stable radiogenic neodymium isotope Neodymium isotope ratios together with samarium neodymium ratios are used to provide information on the age and source of igneous melts. It is sometimes assumed that at the moment when crustal material is formed from the mantle the neodymium isotope ratio depends only on the time when this event occurred, but thereafter it evolves in a way that depends on the new ratio of samarium to neodymium in the crustal material, which will be different from the ratio in the mantle material. Samarium–neodymium dating allows us to determine when the crustal material was formed. The usefulness of Sm–Nd dating stems from the fact that these two elements are rare earth elements and are thus, theoretically, not particularly susceptible to partitioning during sedimentation and diagenesis.) to produce 142Nd. To find the date at which a rock (or group of rocks) formed one can use the method of isochron dating.) discovered that terrestrial igneous rocks at the time of their formation from melts closely followed the "chondritic uniform reservoir" or "chondritic unifractionated reservoir" (CHUR) line – the way the 143Nd:144Nd ratio increased with time in chondrites. Chondritic meteorites are thought to represent the earliest (unsorted) material that formed in the Solar system before planets formed. They have relatively homogeneous trace element signatures, and therefore their isotopic evolution can model the evolution of the whole Solar system and of the "bulk Earth". After plotting the ages and initial 143Nd/144Nd ratios of terrestrial igneous rocks on a Nd evolution vs. time diagram, DePaolo and Wasserburg determined that Archean rocks had initial Nd isotope ratios very similar to that defined by the CHUR evolution line.
Эпсилон
Поскольку отклонения 143Nd/144Nd от линии эволюции CHUR очень малы, ДеПаоло и Вассербург предположили, что было бы полезно создать обозначение, описывающее 143Nd/144Nd через их отклонения от линии эволюции CHUR. Это обозначение эпсилон, где одна единица эпсилон соответствует отклонению в одну часть на 10 000 от состава CHUR. Алгебраически, единицы эпсилон могут быть определены следующим уравнением:
Поскольку единицы эпсилон более точны и, следовательно, представляют собой более наглядное представление исходного изотопного соотношения Nd, их использование вместо исходных изотопных соотношений облегчает понимание и, следовательно, сравнение исходных соотношений коры разного возраста. Кроме того, единицы эпсилон нормализуют исходные соотношения к CHUR, тем самым устраняя любые эффекты, вызванные различными методами коррекции массового фракционирования. Для расчета возраста TCHUR необходимо, чтобы произошло фракционирование между Nd/Sm при извлечении магмы из мантии для образования континентальной породы. Это фракционирование приведет к отклонению между линиями изотопной эволюции коры и мантии. Пересечение этих двух линий эволюции указывает на возраст образования коры. Возраст TCHUR определяется следующим уравнением:
Возраст TCHUR породы может дать возраст формирования коры в целом, если образец не подвергался изменениям после своего образования. Поскольку Sm/Nd являются редкоземельными элементами (REE), их свойства обеспечивают устойчивость иммобильных соотношений к перераспределению во время метаморфизма и плавления силикатных пород. Это позволяет рассчитывать возраст образования коры, несмотря на метаморфизм, которому подвергался образец.
Модель с истощенной мантией
Несмотря на хорошее соответствие архейских плутонов линии эволюции изотопов Nd CHUR, ДеПаоло и Вассербург (1976) отметили, что большинство молодых океанических вулканитов (базальты срединно-океанических хребтов и базальты островных дуг) располагаются на +7–12 единиц ɛ выше линии CHUR (см. рисунок). Это привело к осознанию того, что архейские континентальные магматические породы, которые ранее определялись в пределах погрешности линии CHUR, могли на самом деле лежать на линии эволюции истощенной мантии, характеризующейся увеличением соотношений Sm/Nd и 143Nd/144Nd с течением времени. Для дальнейшего анализа этого расхождения между данными по архейскому CHUR и молодыми вулканическими образцами было проведено исследование протозойского метаморфического фундамента Колорадского фронта (формация Айдахо-Спрингс). На рисунке представлена диаграмма зависимости ɛNd от времени, на которой показаны начальные соотношения 143Nd/144Nd анализируемых образцов. ДеПаоло (1981) аппроксимировал эту зависимость квадратичной кривой, используя данные по формации Айдахо-Спрингс и средние значения ɛNd для современных океанических островных дуг, тем самым представляя эволюцию изотопов неодима истощенного резервуара. Состав истощенного резервуара относительно линии эволюции CHUR в момент времени T задается уравнением:
ɛNd(T) = 0,25T² – 3T + 8,5. Модели возраста, рассчитанные с использованием этой кривой, обозначаются как TDM-возраста. ДеПаоло (1981) утверждал, что эти TDM-возраста дают более точную оценку возраста формирования коры, чем TCHUR-возраста. Например, аномально низкий TCHUR-возраст в 0,8 Гн, полученный Маккалохом и Вассербургом для композита Гренвилля, был пересмотрен до TDM-возраста в 1,3 Гн, что типично для формирования молодой коры в период Гренвильского орогенеза.