В России создан новый изотопный геохронометр

На протяжении 4,6 млрд. лет существования Земли в ее недрах идет самопроизвольное деление ядер изотопа урана ²³⁸U. Мерой геологического времени могло бы служить соотношение концентраций в минерале радиоактивного материнского изотопа ²³⁸U и образующихся из него радиогенных изотопов ксенона. Ксенон — самый редкий химический элемент Земли. Его концентрация в минералах пренебрежимо мала в сравнении с концентрацией радиогенного ксенона, поэтому не возникает проблемы захваченного при кристаллизации минералов ксенона. Ксенон принадлежит к группе благородных газов и в природе необычайно инертен. Следовательно, при воздействии химически активных подземных растворов на минералы инертные атомы радиогенного ксенона должны оставаться на своих местах, не участвуя ни в каких химических процессах, в отличие от радиогенных свинца, стронция или неодима, атомы которых нередко вступают в химические реакции и мигрируют из минералов. У ксенона есть и еще важное преимущество — его атомы сравнительно крупные, поэтому их миграция сквозь кристаллическую структуру минералов происходит гораздо медленнее, чем передвижение атомов радиогенного свинца, стронция или неодима. Однако нужно было преодолеть одно серьезное препятствие: в минералах образуется очень мало ксенона. Представим объем газа в один кубический сантиметр. Отберем от этого объема одну миллионную часть. Это будет кубик с длиной ребра в 0,1 мм. Его и вообразить-то трудно! А теперь разделим этот микроскопический кубик на миллион еще более мелких кубиков; грань каждого из них окажется равной 0,001 мм, а объем — 10- 12 см³. Вот столько ксенона может содержаться в одном грамме минерала, возраст которого нужно определить с помощью ксенон-уранового геохронометра, причем требуется точность не хуже нескольких относительных процентов. Кажется, задача невыполнимая, уж слишком мало газа. Но мало ли? В мире атомов это понятие очень относительное. Дело в том, что в таком сверхмалом объеме газа содержится около 10 миллионов атомов, и если бы удалось научиться подсчитывать атомы поштучно, проблема была бы решена. Правда, перед этим нужно было бы еще научиться извлекать из минералов сверхмалое количество радиогенного ксенона, ничего при этом не потеряв и не захватив ксенон из воздуха, ведь в каждом кубическом сантиметре воздуха содержится 8,7*10^-8 см³ ксенона, то есть приблизительно 100 миллиардов атомов.

Для выделения радиогенного ксенона из минералов и очистки его от посторонних примесей в нашей лаборатории были сконструированы высоковакуумные установки. Вместе с ксеноном из минералов выделяются во много раз большие количества и других газов. Прежде всего, в любом урансодержащем минерале при a-распаде (альфа-распаде) урана одновременно с ксеноном накапливается в 2 миллиона раз больше изотопа гелия ⁴Не; именно во столько раз этот вид радиоактивного распада быстрее, чем спонтанное деление²³⁸U. Объем выделяющихся в эксперименте химически активных газов — водорода, азота, диоксида углерода, воды, сероводорода — в миллиарды раз больше объема ксенона. Задача определения ксенона становится потруднее, чем извлечение грамма золота из тонны руды!

Для ее решения в высоковакуумных установках применяют два в сущности очень простых процесса. Один из них физический. В трубку помещают несколько крупинок активированного угля, такого, например, какой используется в противогазах (самый лучший уголь получают из скорлупы кокосовых орехов). Уголь пронизан огромным числом пор, так что внутренняя поверхность этих крупинок составляет десятки квадратных метров. Для отделения ксенона от всех других благородных газов пользуются тем, что все они адсорбируются на активированном угле при разной температуре (от — 78⁰С до — 196⁰С), а гелий вовсе не адсорбируется.

От химически активных газов ксенон отделяют при помощи химических процессов. В высоковакуумной системе есть трубка, заполненная титаном. Он может поглотить объем газа, в сотни раз превышающий его собственный объем. При температурах от 200 до 900њС газы вступают в химические соединения с металлом, образуя оксиды, карбиды, нитриды, гидриды. Остается чистейший ксенон. Количество и изотопный состав ксенона определяют на изотопном масс-спектрометре — сложном физическом приборе. С его помощью можно узнать, сколько ксенона содержится в минерале, и рассчитать изотопный состав ксенона.

Однако для применения ксенон-уранового геохронометра нужно было еще многое изучить в самом его механизме. В отличие от других видов радиоактивного распада, когда из каждого радиоактивного материнского изотопа рождается обязательно единственный дочерний изотоп, при делении ядер урана в минералах генерируются пять стабильных изотопов. Нужно было знать изотопный состав ксенона спонтанного деления ²³⁸U, чтобы отличать его от другого радиогенного ксенона, от продукта деления ²³⁵U под действием естественного потока нейтронов, всегда присутствующего в горных породах. Мы предложили способ решить эту проблему, воспользовавшись тем, что в природе существуют химические элементы, интенсивно поглощающие нейтроны. Например, изотопы гадолиния, самария, европия захватывают нейтроны в сотни и тысячи раз эффективнее, чем делящийся под действием нейтронов ²³⁵U. Воспользовавшись этим, мы определили изотопный состав ксенона в таких минералах, где элементы-поглотители нейтронов значительно преобладали над ²³⁵U. В них на долю ²³⁵U нейтронов не остается, и поэтому в этих минералах [самарскит (Y, Er, Ce)(U ⁺⁴, Fe ⁺²)(Nb, Ta)₂O₆, монацит Ce (PO)₄, гадолинит Y₂FeBe₂(OSiO₄)] ксенон представляет собой чистый продукт только спонтанного деления ²³⁸U.

Другая проблема, которую нам также удалось решить — определение скорости спонтанного деления ²³⁸U. Из результатов исследований физиков-ядерщиков следовало, что скорость спонтанного деления невообразимо мала. За год в 10 — 15 граммах некоторых радиоактивных минералов накапливается всего один атом! Мы разработали «геохимический» метод точного определения скорости спонтанного деления. Были выбраны минералы с такой кристаллической структурой, которая для атомов ксенона почти непреодолима: монацит Сe (PO)₄ и эшинит CeNbTiO₆. Образовавшись при делении, атомы ксенона могут бесконечно долго оставаться в таких минералах. Измерив концентрацию ксенона в них и определив с помощью уран-свинцового изотопного геохронометра возраст минералов, мы рассчитали скорость спонтанного деления. Среднее время жизни атомов ²³⁸U оказалось огромным — 5,9*10¹⁵ лет.

Рис. 2. Кривая выделения ксенона спонтанного деления из уранового минерала.

Теперь, зная изотопный состав ксенона и скорость спонтанного деления, можно было приступать к применению нового изотопного геохронометра — ксенон-уранового. Сначала был определен возраст большой коллекции радиоактивных минералов из Карелии, Украины, с Урала, из Сибири, Средней Азии, Германии, с Дальнего Востока. Но раз за разом получались обескураживающие результаты: ксенон-урановый геохронометр часто отставал. Лишь очень немногие минералы сохранили свой радиогенный ксенон. Из большинства он явно мигрировал.

Нужно было разобраться с самим процессом миграции, чтобы выяснить причину неисправности геохронометра. Начались многочасовые эксперименты по моделированию миграции: минералы нагревали и наблюдали за выделением ксенона деления. Вот здесь-то и обнаружилась разгадка отставания ксенон-уранового геохронометра. Ксенон покидал минералы странно: сначала скорость выделения возрастала, достигала максимума и уменьшалась почти до нуля, но затем снова резко увеличивалась, и лишь при самой высокой температуре падала (рис. 3). Мы обнаружили, что в каждом из таких пиков миграция ксенона из радиоактивных минералов происходит по закону, напоминающему закон протекания простейших химических реакций. Скорость миграции ксенона из минерала сильно зависит от особого параметра — энергии активации, говорящей о способности кристаллической структуры каждого минерала удерживать ксенон при заданной температуре.

Чем больше энергия активации, тем прочнее удерживается радиогенный ксенон в структуре минерала. Накрепко связан в структуре минерала ксенон высокотемпературных пиков. Для его выделения из минерала требуется огромная энергия активации, достигающая 160 — 200 ккал/моль ксенона. Даже больше того, что необходимо затратить для разрушения химических связей атомов в минералах. Но ксенон низкотемпературных пиков выделяется из минералов с затратой гораздо меньшей энергии, поскольку в кристаллической структуре есть не только доброкачественные, ненарушенные зоны, но и дефектные участки, легко отдающие радиогенный ксенон. Вероятно, они получаются в результате самооблучения радиоактивных минералов и внешних химических природных воздействий. Эту неоднородность кристаллической структуры минералов нам и удалось использовать для создания нового метода изотопной геохронологии.

Рис. 3. Определение возраста минералов по «плато» с помощью ксенон-уранового изотопного геохронометра.

Для определения возраста минерала облучим его нейтронами в ядерном реакторе. К тому ксенону спонтанного деления (Xes), который уже накопился в минерале за геологическое время t, добавится ксенон от деления ²³⁵U под действием нейтронов (Xen) с иным изотопным составом. Концентрация того и другого зависит от концентрации их материнских изотопов ²³⁸U и²³⁵U, но Xen — еще и от потока нейтронов в реакторе, а Xes — от возраста минерала t. Следовательно, если поток нейтронов известен, соотношение концентраций Xes / Xen есть функция²³⁸U / ²³⁵U и t. Но во всех минералах изотопный состав урана один и тот же: ²³⁸U / ²³⁵U = 137,8. Значит, соотношение Xes / Xen связано только с величиной t или, наоборот, определяемый возраст t зависит только от соотношения Xes / Xen. Таким образом, в ксенон-урановом геохронометре, в отличие от всех других упомянутых геохронометров, используется соотношение изотопов одного элемента — ксенона. Следовательно, не требуется никаких определений концентраций химических элементов. Важное дополнительное достоинство нового геохронометра — возможность определить правильное геологическое время не по серии минералов, как при пользовании уран-свинцовым или рубидий-стронциевым геохронометрами, а всего лишь по одному образцу.

Это видно на примере определения возраста минерала циркона одного из древнейших регионов Земли — Антарктиды. В районе горы Нейпир сотрудники нашей лаборатории нашли очень древние породы с возрастом более 3 млрд. лет, но при помощи лишь уран-свинцового изотопного геохронометра. Нужно было убедиться в правильности этих данных. Из гранита выделили кристаллики циркона размером 0,1 — 0,2 мм. Их облучили в ядерном реакторе и исследовали ксенон методом ступенчатого нагрева (рис. 3). Сначала в выделившемся ксеноне соотношение Xes/Xen было небольшим, потому что при низкой температуре газ выделяется только из нарушенных участков кристаллической структуры минерала. За геологическое время они потеряли часть ксенона спонтанного деления Xes. Геохронометр показывает малый возраст, отстает. Но по мере перехода к более высоким температурам ступеньки изотопной «лестницы» поднимаются все выше. Кажущийся возраст все увеличивается. Наконец, в самом высокотемпературном диапазоне вместо ступеней возникает плато. Теперь ксенон выделяется из доброкачественных, ненарушенных участков кристалла. Соотношение Xes / Xen здесь истинное, не искаженное потерями за геологическое время. И рассчитанный по нему возраст минерала тоже правильный — 3,2 млрд. лет!

А теперь перейдём, непосредственно, к характеристике самих изотопов химических элементов.