Введение

Техника, используемая для датирования материалов, таких как породы или углерод. Радиометрическое датирование, радиоактивное датирование или радиоизотопное датирование – это метод, применяемый для определения возраста материалов, таких как породы или углерод, в которых при их формировании избирательно включались следовые количества радиоактивных примесей. Метод основан на сравнении количества естественно встречающегося радиоактивного изотопа в материале с количеством продуктов его распада, образующихся с известной и постоянной скоростью. Впервые применение радиометрического датирования было опубликовано в 1907 году Бертрамом Болтвудом, и в настоящее время это основной источник информации об абсолютном возрасте пород и других геологических образований, включая возраст окаменелостей или возраст самой Земли. Метод также может использоваться для датирования широкого спектра природных и искусственных материалов. Наряду со стратиграфическими принципами, радиометрические методы датирования используются в геохронологии для установления геологической временной шкалы. К наиболее известным методам относятся радиоуглеродное датирование, калий-аргоновое датирование и уран-свинцовое датирование. Позволяя устанавливать геологические временные шкалы, этот метод предоставляет важные сведения о возрасте окаменелостей и оценках скорости эволюционных изменений. Радиометрическое датирование также применяется для датирования археологических материалов, включая древние артефакты. Различные методы радиометрического датирования отличаются по диапазону точности и типам материалов, к которым они могут быть применены.

Радиоактивный распад

Вся обычная материя состоит из комбинаций химических элементов, каждый из которых имеет свой атомный номер, указывающий на количество протонов в атомном ядре. Кроме того, элементы могут существовать в различных изотопах, причём каждый изотоп элемента отличается количеством нейтронов в ядре. Определённый изотоп определённого элемента называется нуклидом. Некоторые нуклиды по своей природе нестабильны, то есть в какой-то момент времени атом такого нуклида подвергнется радиоактивному распаду и спонтанно превратится в другой нуклид. Это преобразование может происходить различными способами, включая альфа-распад (выделение альфа-частиц) и бета-распад (электронная эмиссия, позитронная эмиссия или захват электрона). Другой возможностью является спонтанное деление на два или более нуклидов. Хотя момент времени, когда конкретное ядро распадается, непредсказуем, совокупность атомов радиоактивного нуклида распадается экспоненциально со скоростью, определяемой параметром, известным как период полураспада, который обычно измеряется в годах при обсуждении методов датирования. После истечения одного периода полураспада половина атомов рассматриваемого нуклида превратится в "дочерний" нуклид или продукт распада. Во многих случаях сам дочерний нуклид является радиоактивным, что приводит к цепи распадов, которая в конечном итоге завершается образованием стабильного (нерадиоактивного) дочернего нуклида; каждый этап в такой цепи характеризуется своим периодом полураспада. В этих случаях, как правило, в радиометрическом датировании представляет интерес самый длинный период полураспада в цепи, который является лимитирующим фактором в конечном превращении радиоактивного нуклида в его стабильный дочерний продукт. Изотопные системы, используемые для радиометрического датирования, имеют периоды полураспада от примерно 10 лет (например, тритий) до более чем 100 миллиардов лет (например, самарий-147). Для большинства радиоактивных нуклидов период полураспада зависит исключительно от ядерных свойств и практически постоянен. Это известно, поскольку константы распада, измеренные различными методами, дают согласованные значения в пределах аналитических погрешностей, а возраст одних и тех же материалов, определённый разными методами, согласуется. На него не влияют внешние факторы, такие как температура, давление, химическая среда или наличие магнитного или электрического поля. Исключение составляют лишь нуклиды, распадающиеся посредством захвата электрона, такие как бериллий-7, стронций-85 и цирконий-89, скорость распада которых может зависеть от локальной плотности электронов. Для всех остальных нуклидов соотношение исходного нуклида к продуктам распада изменяется предсказуемым образом по мере распада исходного нуклида с течением времени. Эта предсказуемость позволяет использовать относительное содержание родственных нуклидов в качестве часов для измерения времени от момента включения исходных нуклидов в материал до настоящего времени.

Определение константы распада

Константа радиоактивного распада, вероятность распада атома в течение года, является надежным фундаментом общепринятого измерения радиоактивности. Точность и прецизионность определения возраста (и периода полураспада нуклида) зависят от точности и прецизионности измерения константы распада. Метод накопления дочерних продуктов распада – один из способов измерения константы распада системы, включающий в себя аккумулирование дочерних нуклидов. К сожалению, для нуклидов с высокими константами распада (которые полезны для датирования очень древних образцов) требуются длительные периоды времени (десятилетия) для накопления достаточного количества продуктов распада в единичном образце, чтобы их можно было точно измерить. Более быстрый метод предполагает использование счетчиков частиц для определения альфа-, бета- или гамма-активности, с последующим делением на количество радиоактивных нуклидов. Однако точное определение количества радиоактивных нуклидов является сложной и дорогостоящей задачей. В качестве альтернативы, константы распада можно определить путем сравнения изотопных данных для горных пород известного возраста. Этот метод требует, чтобы хотя бы одна из изотопных систем была очень точно откалибрована, например, система Pb–Pb.

Точность радиометрического датирования

Основное уравнение радиометрического датирования требует, чтобы ни родительский нуклид, ни дочерний продукт не могли поступать или удаляться из материала после его формирования. Необходимо учитывать возможные искажающие эффекты загрязнения родительских и дочерних изотопов, а также последствия потери или приобретения этих изотопов с момента создания образца. Поэтому крайне важно располагать максимально полной информацией о датируемом материале и проверять наличие возможных признаков изменения. Точность повышается при проведении измерений на нескольких образцах из разных точек в теле породы. В качестве альтернативы, если несколько различных минералов из одного образца могут быть датированы и предполагается, что они образовались в результате одного и того же события и находились в равновесии с резервуаром в момент формирования, они должны формировать изохрону. Это позволяет снизить проблему загрязнения. При датировании уран-свинцовым методом используется диаграмма конкордии, которая также уменьшает проблему потери нуклидов. Наконец, для подтверждения возраста образца может потребоваться сопоставление результатов, полученных различными методами изотопного датирования. Например, возраст гнейсов Амитсока из западной Гренландии был определен как 3,60 ± 0,05 млрд лет назад с использованием уран-свинцового датирования и 3,56 ± 0,10 млрд лет назад с использованием свинцово-свинцового датирования, результаты которых согласуются друг с другом. Точная радиометрическая датировка обычно требует, чтобы период полураспада родительского нуклида был достаточно велик, чтобы он присутствовал в значительных количествах во время измерения (за исключением случаев, описанных ниже в разделе «Датирование короткоживущими вымершими радионуклидами»), период полураспада родителя был точно известен, и производилось достаточное количество дочернего продукта для его точного измерения и отличия от первоначального количества дочернего продукта, присутствующего в материале. Процедуры, используемые для выделения и анализа родительских и дочерних нуклидов, должны быть точными и прецизионными. Обычно это включает в себя изотопную масс-спектрометрию. Точность метода датирования частично зависит от периода полураспада используемого радиоактивного изотопа. Например, углерод-14 имеет период полураспада 5730 лет. После того, как организм погибает и проходит 60 000 лет, остается так мало углерода-14, что установить точную дату становится невозможно. С другой стороны, концентрация углерода-14 снижается настолько быстро, что возраст относительно молодых останков можно определить с точностью до нескольких десятилетий.

Температура закрытия

Температура закрытия или блокирования – это температура, ниже которой минерал представляет собой замкнутую систему для изучаемых изотопов. Если материал, избирательно отторгающий дочерний нуклид, нагреть выше этой температуры, любые дочерние нуклиды, накопившиеся за время существования материала, будут потеряны в результате диффузии, что приведет к обнулению изотопных "часов". По мере охлаждения минерала начинается формирование кристаллической структуры, и диффузия изотопов затрудняется. При определенной температуре кристаллическая структура формируется настолько, что предотвращает диффузию изотопов. Таким образом, магматическая или метаморфическая порода, или расплав, медленно остывая, не начинает демонстрировать измеримый радиоактивный распад, пока не остынет ниже температуры закрытия. Возраст, который можно определить радиометрическим датированием, таким образом, соответствует времени, когда порода или минерал охладились до температуры закрытия. Эта температура варьируется для каждого минерала и изотопной системы, поэтому система может быть замкнутой для одного минерала, но открытой для другого. Датирование различных минералов и/или изотопных систем (с разными температурами закрытия) в одной и той же породе позволяет, таким образом, проследить термическую историю породы во времени, и, следовательно, детально восстановить историю метаморфических событий. Эти температуры экспериментально определяются в лаборатории путем искусственного "сброса" изотопного состава образцов минералов с использованием высокотемпературной печи. Эта область науки известна как термохронология или термохронометрия.

Современные методы датирования

Радиометрическое датирование проводится с 1905 года, когда оно было изобретено Эрнестом Резерфордом как метод определения возраста Земли. За прошедшее столетие эти методы были значительно усовершенствованы и расширены. Все образцы демонстрируют потерю изотопов свинца, однако точка пересечения errorchron (прямой линии, проходящей через точки образцов) и concordia (кривой) указывает на истинный возраст породы. Для более молодых мезозойских пород достигнута погрешность в 2–5%. Уран-свинцовое датирование часто проводят на минерале цирконе (ZrSiO4), хотя его можно применять и к другим материалам, таким как бадделеит и монозит (см.: геохронология монозита). Циркон и бадделеит включают атомы урана в свою кристаллическую структуру, замещая цирконий, но активно отторгают свинец. Циркон обладает очень высокой температурой закрытия, устойчив к механическому выветриванию и крайне химически инертен. Циркон также формирует несколько кристаллических слоев в процессе метаморфических событий, каждый из которых может фиксировать изотопный возраст этого события. Анализ микролучей in situ может быть выполнен методами лазерной ICP MS или SIMS. Одним из главных преимуществ является то, что любой образец предоставляет два "часа": один, основанный на распаде урана-235 в свинец-207 с периодом полураспада около 700 миллионов лет, и другой – на распаде урана-238 в свинец-206 с периодом полураспада около 4,5 миллиардов лет. Это обеспечивает встроенную перекрестную проверку, позволяющую точно определить возраст образца, даже если часть свинца была потеряна. Это наглядно видно на диаграмме конкордии, где образцы располагаются вдоль errorchron (прямой линии), пересекающей кривую конкордии в точке, соответствующей возрасту образца.

Метод датирования на основе самария и неодима

Это включает в себя альфа-распад 147Sm в 143Nd с периодом полураспада 1,06 x 10¹¹ лет. Достижима точность определения возраста в пределах двадцати миллионов лет для образцов возрастом в два с половиной миллиарда лет.

Метод датирования калия-аргона

Это включает захват электронов или позитронный распад калия-40 в аргон-40. Период полураспада калия-40 составляет 1,3 миллиарда лет, поэтому этот метод применим к самым древним горным породам. Радиоактивный калий-40 широко распространен в миках, полевых шпатах и роговых смесях, однако температура закрытия для этих материалов относительно низкая – примерно от 350 °C (для мики) до 500 °C (для роговых смесей).

Метод датирования рубидием-стронцием

Это основано на бета-распаде рубидия-87 в стронций-87, с периодом полураспада в 50 миллиардов лет. Эта методика используется для датирования древних магматических и метаморфических пород, а также применялась для датирования лунных образцов. Температуры закрытия достаточно высоки, чтобы не представлять собой проблему. Рубидий-стронциевое датирование менее точно, чем уран-свинцовый метод, с погрешностью от 30 до 50 миллионов лет для образца возрастом 3 миллиарда лет. Применение in situ анализа (лазерная абляция ICP MS) в отдельных минеральных зернах в зонах разломов показало, что метод Rb-Sr может быть использован для установления эпизодов движения по разломам.

Метод датирования ураном-торием

Сравнительно короткий метод датирования основан на распаде урана-234 в торий-230, вещество с периодом полураспада около 80 000 лет. Этот процесс сопровождается другим, связанным с ним, в котором уран-235 распадается в протактиний-231, имеющий период полураспада 32 760 лет. Поскольку уран растворим в воде, а торий и протактиний – нет, они избирательно выпадают в осадок в отложениях на дне океана, где их соотношение и измеряется. Этот метод позволяет датировать образцы в пределах нескольких сотен тысяч лет. Связанным методом является датирование ионием-торием, которое измеряет соотношение иония (тория-230) к торию-232 в океанических отложениях.

Метод радиоуглеродного датирования

Радиоуглеродное датирование также называется просто датированием по углероду-14. Углерод-14 – радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада 5730 лет (что очень мало по сравнению с вышеуказанными изотопами), который распадается до азота. В других методах радиометрического датирования тяжёлые родительские изотопы образуются в результате нуклеосинтеза в сверхновых, что означает, что любой родительский изотоп с коротким периодом полураспада должен был бы уже исчезнуть к настоящему времени. Однако углерод-14 непрерывно образуется в результате столкновений нейтронов, генерируемых космическими лучами, с азотом в верхних слоях атмосферы и поэтому поддерживается на Земле на почти постоянном уровне. Углерод-14 в конечном итоге попадает в атмосферный углекислый газ (CO2) в виде примеси. Углеродсодержащие организмы приобретают углерод в течение жизни. Растения получают его посредством фотосинтеза, а животные – потребляя растения и других животных. Когда организм умирает, он перестаёт поглощать новый углерод-14, а существующий изотоп распадается с характерным периодом полураспада (5730 лет). Соотношение оставшегося углерода-14 при исследовании останков организма даёт представление о времени, прошедшем с момента его смерти. Это делает углерод-14 идеальным методом для датирования костей или останков организмов. Предел датирования углеродом-14 составляет примерно от 58 000 до 62 000 лет. Скорость образования углерода-14 кажется приблизительно постоянной, поскольку перекрёстная проверка результатов датирования по углероду-14 с другими методами датирования показывает их согласованность. Однако локальные извержения вулканов или другие события, сопровождающиеся выбросом больших объёмов углекислого газа, могут снизить локальную концентрацию углерода-14 и привести к неточным датам. Выбросы углекислого газа в биосферу в результате индустриализации также снизили долю углерода-14 на несколько процентов; в отличие от этого, количество углерода-14 увеличилось в результате наземных испытаний ядерного оружия, проводившихся до начала 1960-х годов. Кроме того, увеличение солнечного ветра или магнитного поля Земли выше текущего значения привело бы к снижению количества углерода-14, образующегося в атмосфере.

Метод датирования треков деления

Это включает в себя исследование полированного среза материала для определения плотности "треков", оставленных в нем в результате спонтанного деления примесей урана-238. Содержание урана в образце должно быть известно, но его можно определить, поместив пластиковую пленку на полированный срез материала и облучив его медленными нейтронами. Это вызывает вынужденное деление 235U, в отличие от спонтанного деления 238U. Треки деления, образовавшиеся в результате этого процесса, регистрируются в пластиковой пленке. Содержание урана в материале затем можно рассчитать по количеству треков и нейтронному потоку. Эта методика применима к широкому диапазону геологических возрастов. Для определения возраста образцов до нескольких миллионов лет лучше всего подходят слюды, тектиты (осколки стекла вулканического происхождения) и метеориты. Более древние материалы можно датировать, используя циркон, апатит, титанит, эпидот и гранат, содержащие переменное количество урана. Поскольку треки деления "заживают" при температурах выше примерно 200 °C, эта методика имеет как ограничения, так и преимущества. Она может быть использована для детального изучения тепловой истории месторождения.

Метод датирования хлором-36

Большое количество редко встречающегося изотопа 36Cl (период полураспада ~300 тыс. лет) образовалось в результате облучения морской воды при атмосферных ядерных взрывах в период с 1952 по 1958 год. Время жизни 36Cl в атмосфере составляет около 1 недели. Таким образом, 36Cl является полезным индикатором вод 1950-х годов в почве и грунтовых водах, а также может использоваться для датирования вод, возраст которых менее 50 лет. 36Cl нашел применение и в других областях геологических наук, включая датирование льда и отложений.

Методы датирования люминесценцией

Методы датирования по свечению не являются радиометрическими методами, поскольку они не основаны на определении количества изотопов для вычисления возраста. Вместо этого они являются результатом воздействия фонового излучения на определенные минералы. Со временем ионизирующее излучение поглощается минеральными зернами в отложениях и археологических материалах, таких как кварц и калийный полевой шпат. Это излучение приводит к удержанию заряда внутри зерен в структурно нестабильных "электронных ловушках". Воздействие солнечного света или тепла высвобождает этот заряд, эффективно "обесцвечивая" образец и обнуляя отсчет времени. Накопленный заряд увеличивается со временем со скоростью, определяемой интенсивностью фонового излучения в месте захоронения образца. Стимуляция этих минеральных зерен светом (оптически стимулированная люминесценция или инфракрасно-стимулированная люминесценция) или теплом (термолюминесцентное датирование) вызывает излучение люминесцентного сигнала при высвобождении накопленной нестабильной электронной энергии, интенсивность которого зависит от количества поглощенного во время захоронения излучения и специфических свойств минерала. Эти методы могут использоваться для определения возраста слоя отложений, поскольку вышележащие слои препятствуют "обесцвечиванию" и обнулению зерен под воздействием солнечного света. Осколки керамики можно датировать по времени последнего значительного нагрева, обычно во время обжига в печи.

Датирование продуктами распада короткоживущих вымерших радионуклидов

Для абсолютного радиометрического датирования необходимо, чтобы в образце породы оставалась измеримая доля родительских ядер. Для пород, возраст которых определяется началом формирования Солнечной системы, это требует использования чрезвычайно долгоживущих родительских изотопов, что снижает точность определения их точного возраста. Чтобы различать относительный возраст пород, образовавшихся в столь древние времена, и достичь более высокого разрешения по времени, чем это возможно при использовании долгоживущих изотопов, применяют короткоживущие изотопы, которые уже отсутствуют в породе. В начале формирования Солнечной системы в солнечной туманности присутствовали несколько относительно недолговечных радионуклидов, таких как 26Al, 60Fe, 53Mn и 129I. Эти радионуклиды, вероятно образовавшиеся в результате взрыва сверхновой, в настоящее время вымерли, но продукты их распада можно обнаружить в очень древних материалах, например, в метеоритах. Измеряя продукты распада вымерших радионуклидов с помощью масс-спектрометра и используя изохронные диаграммы, можно определить относительный возраст различных событий в ранней истории Солнечной системы. Методы датирования, основанные на вымерших радионуклидах, также могут быть откалиброваны методом U–Pb для получения абсолютных возрастов. Таким образом, можно получить как приблизительное значение возраста, так и высокое временное разрешение. Как правило, более короткий период полураспада обеспечивает более высокое разрешение по времени, но ограничивает охватываемый временной интервал.

Хронометр 129I 129Xe

I 129 бета-распадается до Xe 129 с периодом полураспада 16 миллионов лет. Ксеноно-йодный хронометр является методом изохронного датирования. Образцы подвергаются облучению нейтронами в ядерном реакторе. Это преобразует единственный стабильный изотоп йода (I 127) в Xe 128 посредством захвата нейтрона с последующим бета-распадом (I 128). После облучения образцы нагревают ступенчато, и анализируется изотопный состав ксенона, выделяющегося на каждой ступени. Если стабильное соотношение Xe 129/Xe 128 наблюдается на нескольких последовательных температурных ступенях, это интерпретируется как время, когда образец перестал терять ксенон. Образцы метеорита Shallowater обычно включают в облучение для контроля эффективности преобразования I 127 в Xe 128. Разница между измеренными соотношениями Xe 129/Xe 128 для образца и Shallowater соответствует различным соотношениям I 129/I 127 в момент прекращения потерь ксенона каждым из них. Это, в свою очередь, соответствует разнице во времени закрытия в ранней Солнечной системе.

Хронометр 26Al 26Mg

Другим примером короткоживущего вымершего радионуклидного метода датирования является хронометр Алюминий-26 – Магний-26, который может быть использован для оценки относительного возраста хондр. Алюминий-26 распадается в Магний-26 с периодом полураспада 720 000 лет. Датирование заключается в определении отклонения от естественного содержания Магния-26 (продукта распада Алюминия-26) по сравнению с отношением стабильных изотопов Алюминия-27/Магния-24. Избыток Магния-26 (часто обозначаемый Mg-26*) определяется путем сравнения отношения Mg-26/Mg-27 с этим отношением в других материалах Солнечной системы. Хронометр Алюминий-26 – Магний-26 позволяет оценить период формирования примитивных метеоритов всего в несколько миллионов лет (1,4 миллиона лет для формирования хондр).

Проблема с терминологией

В статье, опубликованной в июле 2022 года в журнале Applied Geochemistry, авторы предложили отказаться от терминов "родительский изотоп" и "дочерний изотоп" в пользу более описательных "предшествующий изотоп" и "результирующий изотоп", по аналогии с "предшествующим ионом" и "результирующим ионом" в масс-спектрометрии.