Методы ядерной геохронологии

Ядерная геохронология базируется на ядерном распаде элементов в минералах и горных породах, что приводит к накоплению определенных продуктов распада в течение геологического времени. Эта новая отрасль геологической науки стала развиваться после открытия радиоактивности и изучения геохимии радиоактивных элементов. Методы ядерной геохронологии, или радиологические методы измерения геологического возраста, основываются на использовании основного закона радиоактивного распада, который имеет статистический характер. Согласно этому закону, количество распавшихся атомов за единицу времени пропорционально первоначальному числу атомов:

где —первоначальное число атомов; — число атомов по истечении времени —постоянная радиоактивного распада; — основание натуральных логарифмов (2.71 828 182).

Постоянная, или константа радиоактивного распада, обозначает, какая часть атомов данного радиоактивного элемента распадается за единицу времени (год, сутки, часы, минуты, секунды) по отношению к общему первоначальному количеству, т. е.

Для более четкого представления о характере ядерного распада вводят понятие периода полураспада, который равен тому промежутку времени, в течение которого любое первоначальное количество радиоактивного вещества уменьшается наполовину. Связь между константой и периодом полураспада выражается следующим образом:

При измерении возраста минералов используются следующие естественные типы ядерных превращений: -распад, электронный захват, -распад и спонтанное осколочное деление тяжелых ядер.

Превращение атомов химических элементов прираспаде определяется правилом сдвига: образующийся при распаде новый элемент занимает в таблице Д. И. Менделеева следующую клетку вправо от родоначальиогоактивного элемента, -активность атомных ядер можно рассматривать как распад одного ядерного нейтрона на протон и электрон (плюс нейтрино):

Явление электронного захвата как бы противоположнораспаду. Оно заключается в самопроизвольном поглощении орбитального электрона ядром атома. Обычно происходит поглощение электрона с ближайшей к ядру К-оболочки. Отсюда данный процесс называют К-захватом. При электронном захвате атомный номер элемента (Z) уменьшается на единицу, и новый элемент займет место в таблице Д. И. Менделеева на одну клетку левее. Среди естественных неустойчивых изотопов существуют такие, которые одновременно испытываютраспад и К-захват. К ним относятся и.

Схему электронного захвата можно представить в следующем виде:

Наиболее тяжелые атомные ядра, располагающиеся в конце периодической системы элементов, испытываютраспад. Послераспада порядковый номер элемента уменьшается на 2, а массовое число — на 4. Новый элемент, возникающий послераспада, займет место в таблице Менделеева на две клетки влево. Обычноактивные изотопы группируются в естественные радиоактивные ряды. Схемураспада можно изобразить следующим образом:

Спонтанное деление тяжелых ядер заключается в раскалывании их на два осколка, которые с огромной скоростью разлетаются в разные стороны. Массы осколков соответствуют изотопам средней части таблицы Менделеева, примерно от галлия (Z = 31) до гадолиния (Z = 62). Первоначальные продукты деления обычно обладают избытком нейтронов и избавляются от них путемраспада. При делении выбрасывается также два-три свободных нейтрона. Одним из стабильных продуктов деления урана является ксенон, накапливающийся в древних урановых минералах. На этом основан ксеноновый метод определения возраста, который ввиду методических трудностей используется редко.

Тяжелые радиоактивные изотопы образуют радиоактивные ряды. Каждый ряд представляет собой цепь изотопов, последовательно образующихся друг от друга путем — ираспада и оканчивающих свой распад на изотопах свинца 20®Pb (RAG), 207Pb (ACD), 208Pb (ThD).

Геологический возраст измеряется путем определения содержания радиоактивных элементов и продуктов их распада в минералах и горных породах. По любой паре радиоактивного и радиогенного стабильного изотопа можно определить возраст если известна скорость распада радиоактивного изотопа.

Основные типы естественных ядерных превращений, которые используются для измерения геологического возраста, следующие:

• 238U20вР b + 8Не,
• 7РЬ+7Не,

Th aospb 6He,.

+ e->40Ar,.

ок->40Са + р, 87Rb->87Sr + P, 147Sm-^142Nd + p, 187Re -> 1870s + PR.

В зависимости от конечных продуктов распада основные методы ядерной геохронологии получили названия: свинцовый, гелиевый, аргоновый, стронциевый и т. п. При определении возраста древних геологических образований используются в основном три радиологических метода: свинцовый, аргоновый и стронциевый. Наиболее широко распространен калий-аргоновый метод.

Наряду с этими методами все более широкое применение получили методы определения возраста молодых геологических образований: радиоуглеродный, радиево-иониевый и др. Радиоуглеродный метод основан на измерении |4С, поступающего в живые организмы из атмосферы, где этот изотоп образуется под действием космических излучений. Метод дает возможность определять возраст углесодержащих остатков до 60 000 лет. Иониевый метод основан на измерении иония и радия в колонках морских грунтов, в которых радиоактивное равновесие в ряду U — Io—Ra является функцией времени. Метод позволяет определять возраст прослойков в кернах морских грунтов и оценивать скорость осадконакопления в пелагических частях Мирового океана.