Metoda uraniu-plumb este unul dintre tipurile de datare cu radioizotopi . Aplicabil obiectelor geologice care conțin uraniu și se bazează pe determinarea proporției din acesta a degradat în timpul existenței obiectului (din momentul în care mineralele se cristalizează în el). Se folosesc doi izotopi ai uraniului , ale căror lanțuri de descompunere se termină în izotopi diferiți de plumb ; aceasta îmbunătățește considerabil fiabilitatea rezultatelor.
Această metodă este una dintre cele mai vechi și bine dezvoltate metode de datare cu radioizotopi și, dacă este bine realizată, este cea mai fiabilă metodă pentru obiecte vechi de sute de milioane de ani. Pentru una dintre variantele sale, eroarea medie a rezultatelor din cele mai citate articole a ajuns la 0,2% până în 2010, iar unele laboratoare primesc mult mai puțin [1] [2] . Este posibil să datați atât eșantioane apropiate ca vârstă de Pământ, cât și eșantioane mai tinere de 1 milion de ani [3] [4] [1] . Fiabilitate și acuratețe mai mari sunt obținute prin utilizarea datelor din două lanțuri de degradare și datorită unor proprietăți ale zirconului . - un mineral folosit în mod obișnuit pentru datarea uraniu-plumb. Această metodă este considerată „standardul de aur” al geocronologiei [5] [6] .
Se folosesc următoarele transformări izotopice:
238 U → 206 Pbcu un timp de înjumătățirede 4,4683 ± 0,0024 miliarde deani [7] (seria de radiu - veziseria radioactivă), 235 U → 207 Pbcu un timp de înjumătățire0,70381± 0,00048 Ga [7] (seria actiniului).Uneori, în plus față de acestea, este utilizată descompunerea toriu-232 ( metoda uraniu-toriu-plumb ):
232 Th → 208 Pbcu un timp de înjumătățire de 14,0 Ga [Comm. 1] [8] [9] (seria thorium).Toate aceste transformări trec prin mai multe etape, dar nuclizii intermediari se degradează mult mai repede decât cei părinte.
Timpurile de înjumătățire ale 235 U și 238 U sunt determinate mai precis decât pentru toți ceilalți izotopi utilizați în geocronologie. Dar cu cele mai precise studii, eroarea timpilor de înjumătățire iese pe primul loc printre sursele de erori .
Dezintegrarea uraniului face posibilă determinarea vârstei în alte moduri:
Ernest Rutherford a venit cu ideea de a determina vârsta rocilor pe baza degradarii uraniului la începutul secolului al XX-lea. La acel moment, nu se știa încă că plumbul s-a format în acest proces, iar primele încercări de datare s-au bazat pe cantitatea unui alt produs de descompunere a uraniului, heliu . Rutherford a exprimat prima estimare a vârstei uraniu-heliu (și radioizotop în general) la o prelegere din 1904 [Comm. 2] [14] [15] [16] .
În 1905, Bertram Boltwood a bănuit că plumbul s-a format și din uraniu, iar Ernest Rutherford a remarcat că datarea din acesta ar trebui să fie mai precisă decât din heliu, care părăsește cu ușurință rocile [17] . În 1907, Boltwood a făcut o estimare a constantei de dezintegrare a uraniului, a determinat raportul dintre concentrațiile de plumb și uraniu dintr-un număr de probe de minereu de uraniu și a obținut vârste cuprinse între 410 și 2200 de milioane de ani [18] . Rezultatul a fost de mare importanță: a arătat că vârsta Pământului este de multe ori mai mare decât cele 20-40 de milioane de ani obținute cu zece ani mai devreme de William Thomson pe baza vitezei de răcire a planetei [19] .
Următorul pas a fost munca lui Arthur Holmes , care a dezvoltat modalități mai precise de a măsura concentrația de uraniu și plumb. Erau potrivite nu numai pentru minereurile de uraniu, ci și pentru alte minerale, inclusiv zircon . În 1911, Holmes a publicat studii ale unui număr de noi probe privind constanta de descompunere rafinată a uraniului. Întrucât în acel moment nu se știa despre formarea unei părți a plumbului ca urmare a descompunerii toriului și chiar despre existența izotopilor, estimările lui Boltwood erau de obicei supraestimate cu zeci de procente; erori semnificative au fost găsite și la Holmes [17] [19] . Cu toate acestea, datele lui Holmes pentru probele devoniene (aproximativ 370 Ma) din Norvegia diferă de cele moderne cu nu mai mult de 5% [4] .
Dezvoltarea ulterioară a metodei a fost asociată cu dezvoltarea spectrometriei de masă și descoperirea izotopilor de plumb și uraniu datorită acesteia ( uraniul-235 a fost descoperit în 1935). În anii 1930 și 1940, Alfred Nir a dezvoltat instrumente capabile să măsoare compoziția izotopică a acestor elemente cu suficientă acuratețe [4] . Prima metodă de spectrometrie de masă utilizată a fost spectrometria de masă cu ionizare termică[1] . Mai târziu, metodele de studiere a secțiunilor microscopice ale probelor au intrat în practica datarii: la sfârșitul anilor 1970, spectrometria de masă cu ioni secundari [1] (care a devenit larg răspândită în anii 1990) [4] , iar la începutul anilor 1990, plasma cu spectrometrie de masă cuplată inductiv . și ablația cu laser [20] [21] . Cel mai bun model pentru datarea [5] al spectrometrului de masă cu ioni secundari - SHRIMP - a fost creat de William Compston împreună cu colegii de la Universitatea Națională Australiană în 1975-1980. Această invenție, prin reducerea masei necesare a probei cu 3 ordine de mărime și prin accelerarea semnificativă a măsurătorilor [22] , a marcat începutul unei noi etape în dezvoltarea datarii uraniu-plumb [4] .
În 1955, George Tiltondiluția izotopică pentru a determina compoziția probelor , ceea ce a deschis calea către o precizie ridicată a măsurătorilor și către utilizarea masivă a zirconului, care de atunci a devenit principalul mineral utilizat [21] . În anii 1950 și 1960, etichetele izotopilor de uraniu și plumb pentru diluare au devenit disponibile pe scară largă [4] . În 1956, George Weatherill a propus o vizualizare a metodei care a devenit obișnuită - diagrama concordia [1] , iar Claire Patterson a determinat vârsta Pământului prin metoda plumb-plumb. În 1971, au fost publicate valori foarte precise ale constantelor de dezintegrare ale izotopilor de uraniu [7] , care sunt încă folosite [1] . În 1973 , Thomas Krogh a propus o metodă de dizolvare a zirconului cu acid fluorhidric în recipiente de teflon , care a redus contaminarea cu plumb a probelor cu 3 ordine de mărime [23] . Acest lucru a crescut foarte mult acuratețea datării și numărul de laboratoare implicate în acestea [24] [21] [1] . Începând cu anii 1950, dezvoltarea metodelor de îndepărtare a zonelor deteriorate ale cristalelor de zircon a continuat [25] . În 1982, Thomas Krogh a propus o metodă mecanică de succes [26] iar în 2005 James Mattinson o metodă chimică [25] , care au devenit standard [1] [4] . Datorită acestor și altor invenții, în timpul existenței metodei uraniu-plumb, masa necesară a probei a scăzut cu multe ordine de mărime, iar precizia a crescut cu 1-2 ordine de mărime [1] . Numărul anual de publicații dedicate datării uraniu-plumb este în continuă creștere și s-a mai mult decât triplat între 2000 și 2010 [1] .
Cel mai adesea, zirconul (ZrSiO 4 ) este folosit pentru datare prin metoda uraniu-plumb. Următoarele cele mai importante minerale utilizate sunt monazit , titanit și baddeleyit [5] . În plus, se folosesc perovskit , apatit , alanit , rutil , xenotim , uraninit , calcit , aragonit , thorit , piroclor și altele [4] [27] . Uneori metoda se aplică rocilor constând dintr-un amestec de diferite minerale, precum și materialului necristalin - opal [28] .
Zirconul are o rezistență ridicată, rezistență la atacul chimic și o temperatură ridicată de închidere , mai mare de 950–1000°C [29] (adică nu schimbă plumbul cu mediul la temperaturi mai scăzute). În plus, este important ca acesta să fie distribuit pe scară largă în rocile magmatice . Uraniul este ușor de integrat în rețeaua sa cristalină , iar plumbul este mult mai dificil, astfel încât tot plumbul din zircon poate fi considerat de obicei format după cristalizare. Cantitatea de plumb de altă origine poate fi calculată din cantitatea de plumb-204, care nu se formează în timpul descompunerii izotopilor de uraniu [30] [1] [21] .
Baddeleyit , monazit și titanit au proprietăți similare (acesta din urmă, totuși, câștigă mai mult plumb în timpul cristalizării) [2] [29] . Temperaturile lor de închidere sunt >950°C , >750°C și , respectiv , 600–650°C [29] . Baddeleyita, iar la temperaturi scăzute, monazite cu titanită sunt mai puțin predispuse la pierderi de plumb decât zirconul [5] [2] .
Metoda uraniu-plumb datează, de asemenea, resturi fosile de organisme care conțin carbonat de calciu sau apatit , deși aceste materiale sunt mai puțin potrivite pentru aceasta. În special, există estimări ale vârstei apatitei din elemente de conodon și din dinții rechinilor și dinozaurilor [31] . Datarea acestui mineral este complicată de raportul inițial scăzut al concentrațiilor U/Pb și alte motive [32] . Temperatura sa de închidere este de 425-500°C [29] . Dinții în timpul vieții organismului practic nu conțin uraniu și toriu și le dobândesc numai în timpul fosilizării ; mult uraniu este absorbit și în timpul fosilizării oaselor [31] . Eroarea în datarea fosilelor de apatită disponibile pentru 2012 este de aproximativ 10% sau mai mult [33] . În carbonați, raportul inițial al concentrațiilor U/Pb, dimpotrivă, este mare, dar sunt mai susceptibili la schimbul de substanțe cu mediul (în special, în timpul transformării lor caracteristice a aragonitului în calcit ) [5] . Conform prognozei din 2015, datarea uraniu-plumb a fosfaților și carbonaților va fi intens dezvoltată în următorii ani [4] .
Cristale diferite și chiar regiuni de cristale din aceeași entitate geologică pot avea caractere de datare diferite: diferă prin gradul de deteriorare cauzat de radiații și factori externi; în plus, cristalul poate consta dintr-un miez străvechi („miez moștenit”), pe care ulterior au crescut noi straturi [1] [5] . Prin urmare, este necesar să selectați probe adecvate, regiunile sau fragmentele acestora la microscop. Pentru aceasta se folosește atât microscopia optică , cât și cea electronică [1] [6] .
Regiunile exterioare ale cristalelor de zircon sunt mai predispuse la deteriorare, și pentru că de obicei conțin mai mult uraniu [6] . Aceste zone pot fi îndepărtate mecanic sau chimic. De ceva timp, standardul a fost abraziunea cristalelor în timpul mișcării lor circulare într-un curent de aer într-o cameră de oțel (abraziune cu aer, Thomas Krogh , 1982) [26] , iar mai târziu - gravarea lor cu acid fluorhidric și acid azotic cu recoacere preliminară („abraziune chimică”, James Mattinson, 2005) [25] [1] . Recoacerea este necesară pentru a elimina defectele rețelei, în prezența cărora gravarea încalcă compoziția elementară și chiar izotopică a probei. Spre deosebire de abraziune, gravarea îndepărtează zonele deteriorate ( metamiktizate ) și adânc în cristal, în jurul microfisurilor. Aceste metode de procesare cresc foarte mult acuratețea rezultatelor [5] [4] [24] [21] [34] .
Pentru studiile ID-TIMS, cristalele preparate sunt dizolvate în acid fluorhidric sau clorhidric în recipiente de teflon [23] prin adăugarea unei etichete izotopice (vezi mai jos). În plus, uraniul și plumbul pot fi separate de alte elemente pentru a îmbunătăți acuratețea prin reacțiile de schimb ionic (impuritățile fac dificilă ionizarea uraniului și plumbului pe filamentul spectrometrului și, în cazul unei mase de ioni apropiate, sunt dificil de separat de acestea în timpul măsurătorilor), după care proba este aplicată pe filament [1 ] . Pentru cercetarea prin metode bazate pe iradierea probelor, acestea sunt închise în rășină epoxidică și lustruite [20] [31] [35] [36] .
Cele mai precise măsurători ale compoziției probei sunt obținute prin spectrometrie de masă cu ionizare termică ( TIMS ) în combinație cu gravarea cu cristale ( CA ) și diluarea izotopică a probei ( ID ) - CA-ID-TIMS [6] ] .
Utilizarea diluției izotopilor este asociată cu necesitatea de a măsura cu precizie raportul dintre concentrațiile nu numai ale izotopilor unui element (ceea ce este ușor de făcut pe spectrometrele de masă ), ci și al izotopilor diferitelor elemente. Pentru a face acest lucru, proba este amestecată cu o etichetă izotopică (o cantitate cunoscută din aceleași elemente cu o compoziție izotopică diferită), după care compoziția inițială a probei poate fi calculată din rapoartele măsurate ale concentrației izotopilor fiecărui element [3] [37 ]. ] [4] [5] .
Următoarele metode pentru determinarea compoziției sunt potrivite pentru studiul regiunilor microscopice individuale ale cristalelor. Sunt mai puțin precise, dar și consumatoare de timp mai puțin decât TIMS. Deoarece diluția izotopică nu le este aplicabilă, pentru a măsura cu precizie raportul dintre concentrațiile elementare, acestea necesită calibrare față de mostre de compoziție cunoscută [4] [1] .
Conform datelor mediate din cele mai citate articole, eroarea (2 σ ) a datelor 206 Pb/ 238 U din 2010 a fost de 0,2% pentru ID-TIMS și aproximativ 3% pentru SIMS și LA-ICP-MS [1] . În unele laboratoare, precizia obișnuită de datare a granulelor de zircon individuale (din 2015) poate ajunge la 0,05% pentru ID-TIMS și 0,5% pentru SIMS și LA-ICP-MS [2] .
Masa consumată a eșantionului, conform datelor medii din cele mai citate articole pentru 2010, a fost de aproximativ 10 −5 g pentru ID-TIMS și de aproximativ 5 10 −9 g pentru SIMS [1] (studii folosind SIMS și LA-ICP -Metodele MS consumă suprafață de probă cu un diametru de zeci de microni și o adâncime de 1-2 microni (SIMS) sau zeci de microni (LA-ICP-MS) [2] [21] ; EPMA și PIXE pot lucra pe o zonă un ordin de mărime mai mic în diametru și nu-l distruge) [1 ] [6] [4] [36] . Timpul de analiză, conform acelorași date, este de câteva ore pentru ID-TIMS, de aproximativ o jumătate de oră pentru SIMS și ≤2 minute pentru LA-ICP-MS [1] . În studiul EPMA, un punct al eșantionului durează secunde sau zeci de secunde, iar construcția unei hărți de vârstă de 200 × 200 pixeli durează de obicei până la 30 de ore [38] [35] .
Utilizarea a doi izotopi ai uraniului face posibilă determinarea vârstei unui obiect chiar dacă acesta și-a pierdut o parte din plumb. Deoarece 235 U se descompune mai repede decât 238 U, raportul crește mai repede decât . Pentru probele fără istoric de pierdere sau adăugare a izotopilor considerați, ambele aceste rapoarte cresc cu vârsta într-un mod strict definit. Prin urmare, pe un grafic de-a lungul axelor cărora sunt reprezentate aceste valori, punctele corespunzătoare unor astfel de eșantioane se pot afla doar pe o singură linie specifică. Această linie este cunoscută ca o concordie sau o curbă a valorilor consistente ale vârstei absolute [40] , puncte care se încadrează pe ea - ca concordante și nu cad - ca discordante . Pe măsură ce eșantionul îmbătrânește, punctul se mișcă de-a lungul acestuia. Astfel, fiecărui punct al concordiei îi corespunde o anumită vârstă a probei. Vârsta zero corespunde originii (0,0).
Dacă proba pierde plumb, atunci procentul de pierdere este, într-o primă aproximare, același pentru toți izotopii săi. Prin urmare, punctul corespunzător modelului este deplasat de la concordia către punctul (0,0). Cantitatea de schimbare este proporțională cu cantitatea de plumb pierdut. Dacă luăm mai multe mostre de aceeași vârstă, care diferă în mărimea acestor pierderi, punctele corespunzătoare se vor așeza pe o linie dreaptă care intersectează concordia și indică aproximativ către origine. Această linie dreaptă este cunoscută ca discordia ; este o izocronă (adică toate punctele sale corespund aceleiași vârste). Punctul superior de intersecție al concordiei cu această linie arată vârsta obiectului [30] [40] .
Al doilea punct de intersecție (inferior) corespunde în mod ideal cu vârsta evenimentului metamorfic care a dus la pierderea plumbului. Dacă s-a întâmplat recent, acest punct este la origine; pe măsură ce eșantionul îmbătrânește, acesta se deplasează către o vârstă mai mare [1] . Dar dacă pierderea plumbului nu a fost instantanee, ci extinsă pe un timp comparabil cu vârsta eșantionului, discordia încetează să mai fie o linie dreaptă. Atunci poziția punctului inferior de intersecție al dreptei care o aproximează cu concordia nu înseamnă nimic. Scurgerea treptată a plumbului nu este neobișnuită, deoarece este mult facilitată în locurile de deteriorare a cristalelor prin radiații. Prin urmare, interpretarea poziției acestui punct este ambiguă [1] ; există opinia că ar trebui considerată ca un indicator al vechimii unui posibil eveniment de metamorfism numai atunci când există semne geologice ale unui astfel de eveniment [5] .
Poziția punctului de trecere superior nu depinde de faptul dacă pierderea plumbului a fost instantanee sau graduală; acest punct arată vârsta obiectului în ambele cazuri [5] .
Achiziția de uraniu de către o probă deplasează punctele de pe diagramă într-un mod similar cu pierderea de plumb, iar pierderea de uraniu, precum și achiziția de plumb, în direcția opusă („discordanță inversă”, ing. inversă ). discordanță ). În caz de pierdere de uraniu, poziția punctelor de intersecție dintre concordia și discordia poate fi interpretată în mod similar cu cea descrisă mai sus. Cu toate acestea, zirconul este predispus la pierderea plumbului (ai cărui atomi sunt mai prost integrați în rețeaua sa cristalină și sunt localizați în locurile de deteriorare a radiațiilor sale) [6] , iar din situațiile menționate, acesta apare cel mai des. Discordanța inversă, observată uneori în unele zone ale cristalelor de zircon, poate fi explicată prin migrarea plumbului în interiorul cristalului [5] ; în unele minerale este mai frecventă și poate avea alte cauze [21] . Achiziția plumbului face ca probele să fie improprii pentru determinarea vârstei, deoarece compoziția izotopică a acestui plumb poate varia. Cu toate acestea, este rar [6] .
În datarea uraniu-plumb, sunt acceptate valorile constantelor de degradare ale izotopilor de uraniu, publicate [7] încă din 1971 și recomandate în 1977 [9] de Subcomitetul pentru geocronologie al Uniunii Internaționale de Științe Geologice . Eroarea lor (2 σ ) este de 0,11% pentru uraniu-238 și 0,14% pentru uraniu-235 [5] [6] . Este mai mic decât cel al tuturor celorlalți izotopi folosiți pentru datare [41] [1] , dar odată cu dezvoltarea metodei a devenit principalul obstacol în calea creșterii acurateții rezultatelor (eroarea din alte surse de eroare se dovedește adesea să fie mai mică de 0,1%) [5] [42] [2] .
O comparație a datelor obținute pentru diferiți izotopi ai uraniului a arătat că există o anumită inconsecvență în valorile acceptate ale acestor constante, care poate fi explicată prin faptul că valoarea constantei de descompunere a uraniului-235 este subestimată cu 0,09% (deși nu depășește eroarea indicată). Corectarea acestei valori poate crește ușor acuratețea datarii, dar o rafinare suplimentară necesită noi măsurători ale constantelor menționate [42] [43] [41] [6] , iar aceste măsurători sunt o sarcină urgentă [44] . În plus, studiile moderne arată că raportul mediu al concentrațiilor izotopilor de uraniu pentru rocile terestre , care este important pentru datarea plumb-plumb , este puțin mai mic decât valoarea acceptată [9] de 137,88 și este de aproximativ 137,82, iar în diferite probe diferă. cu sutimi și chiar cu zecimi de procent [6] [4] [1] .
Dicționare și enciclopedii |
---|