Свинцово-свинцовое датирование - это метод датирования геологических образцов, обычно основанный на образцах «цельной породы», таких как гранит. Для большинства требований датирования его заменили датирование ураном и свинцом ( датирование U-Pb), но в определенных специализированных ситуациях (например, датирование метеоритов и возраст Земли ) оно более важно, чем датирование U-Pb.
Уравнения распада для обычного датирования Pb – Pb
Есть три стабильных «дочерних» изотопа Pb, которые возникают в результате радиоактивного распада урана и тория в природе; это 206 Pb, 207 Pb и 208 Pb. 204 Pb является единственным нерадиогенным изотопом свинца, поэтому не является одним из дочерних изотопов. Эти дочерние изотопы являются конечными продуктами распада цепочек радиоактивного распада U и Th, начиная с 238 U, 235 U и 232 Th соответственно. С течением времени конечный продукт распада накапливается, поскольку родительский изотоп распадается с постоянной скоростью. Это сдвигает соотношение радиогенного Pb к нерадиогенному 204 Pb ( 207 Pb / 204 Pb или 206 Pb / 204 Pb) в пользу радиогенного 207 Pb или 206 Pb. Это можно выразить следующими уравнениями распада:
где нижние индексы P и I относятся к современному и начальному соотношению изотопов Pb, λ 235 и λ 238 - константы распада 235 U и 238 U, а t - возраст.
Концепция обычного датирования Pb – Pb (также называемого датированием изотопом свинца для всей породы) была выведена путем математической обработки приведенных выше уравнений. [1] Это было установлено делением первого приведенного выше уравнения на второе в предположении, что система U / Pb не была нарушена. Это преобразованное уравнение сформировало:
где коэффициент 137,88 представляет собой современное отношение 238 U / 235 U. Как видно из уравнения, начальные отношения изотопов Pb, а также возраст системы являются двумя факторами, которые определяют современный изотопный состав Pb. Если образец ведет себя как замкнутая система, то графическое отображение разницы между текущим и исходным отношениями 207 Pb / 204 Pb и 206 Pb / 204 Pb должно дать прямую линию. Расстояние, на которое точка перемещается по этой линии, зависит от отношения U / Pb, тогда как наклон линии зависит от времени, прошедшего с момента образования Земли. Это было впервые установлено Nier et al., 1941. [1]
Формирование геохрона
Развитие геохрона в основном связано с применением Клэром Кэмероном Паттерсоном метода Pb-Pb датирования метеоритов в 1956 году. Были измерены отношения Pb трех каменных и двух железных метеоритов. [2] Датирование метеоритов поможет Паттерсону определить не только возраст этих метеоритов, но и возраст образования Земли. Датируя метеориты, Паттерсон напрямую датировал возраст различных планетезималей . Если предположить, что процесс дифференциации элементов на Земле идентичен, как и на других планетах, ядро этих планетезималей будет обеднено ураном и торием, а кора и мантия будут содержать более высокие отношения U / Pb. При столкновении планетезималей разлетались различные фрагменты и образовывались метеориты. Железные метеориты были идентифицированы как части ядра, в то время как каменные метеориты были сегментами мантии и коры этих различных планетезималей.
Было обнаружено, что образцы железного метеорита из каньона Дьябло ( Метеоритный кратер ) в Аризоне имеют наименьший радиогенный состав из всех материалов Солнечной системы. Отношение U / Pb было настолько низким, что в изотопном составе не было обнаружено радиогенного распада. [3] Как показано на рисунке 1, эта точка определяет нижний (левый) конец изохроны. Таким образом, троилит, обнаруженный в каньоне Диабло, представляет собой первобытный изотопный состав свинца солнечной системы, возраст которого составляет 4,55 +/- 0,07 млрд лет.
Однако каменные метеориты показали очень высокие отношения 207 Pb / 204 Pb по сравнению с 206 Pb / 204 Pb, что указывает на то, что эти образцы произошли из коры или мантии планетезималей. Вместе эти образцы определяют изохрону, наклон которой дает возраст метеоритов 4,55 млрд лет.
Паттерсон также проанализировал наземные отложения, собранные со дна океана, которые, как полагали, были репрезентативными для состава основной части Земли. Поскольку изотопный состав этого образца нанесен на изохрону метеорита, это предполагает, что Земля имеет тот же возраст и происхождение, что и метеориты, что позволяет определить возраст Земли и дать начало названию «геохрон».
Изохронная диаграмма изотопов свинца, использованная К.С. Паттерсоном для определения возраста Земли в 1956 году. Анимация показывает прогрессивный рост в течение 4550 миллионов лет (млн лет) соотношений изотопов свинца для двух каменных метеоритов (Нуэво-Ларедо и Форест-Сити) по сравнению с исходными изотопными отношениями совпадают с таковыми из железного метеорита Каньон Диабло.
Точное датирование метеоритов Pb – Pb.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/b/bf/Pb-Pb_dating_of_meteorites.jpg/440px-Pb-Pb_dating_of_meteorites.jpg)
Хондры и включения, богатые кальцием и алюминием (CAI), представляют собой сферические частицы, которые составляют хондритовые метеориты и считаются самыми старыми объектами в Солнечной системе. Следовательно, точное датирование этих объектов важно для ограничения ранней эволюции Солнечной системы и возраста Земли. Метод U-Pb датирования может дать наиболее точный возраст для ранних объектов Солнечной системы из-за оптимального периода полураспада 238 U. Однако отсутствие циркона или других богатых ураном минералов в хондритах и присутствие исходных не -радиогенный Pb (обычный Pb), исключает прямое использование метода конкордии U-Pb. Поэтому наиболее точным методом датирования этих метеоритов является метод Pb – Pb, который позволяет делать поправку на обычный Pb. [3]
Когда содержание 204 Pb относительно низкое, этот изотоп имеет большие ошибки измерения, чем другие изотопы Pb, что приводит к очень сильной корреляции ошибок между измеренными отношениями. Это затрудняет определение аналитической неопределенности возраста. Чтобы избежать этой проблемы, исследователи [5] разработали «альтернативную изохронную диаграмму Pb – Pb» (см. Рисунок) с уменьшенной корреляцией ошибок между измеренными отношениями. На этой диаграмме отношение 204 Pb / 206 Pb (обратное нормальному отношению) нанесено на ось x, так что точка на оси y (ноль 204 Pb / 206 Pb) будет иметь бесконечно радиогенный Pb. Отношение, нанесенное на эту ось, представляет собой отношение 207 Pb / 206 Pb, соответствующее наклону нормальной изохроны Pb / Pb, которая дает возраст. Наиболее точный возраст получают по образцам вблизи оси ординат, что было достигнуто путем пошагового выщелачивания и анализа образцов.
Ранее, при применении альтернативной изохронной диаграммы Pb – Pb, отношения изотопов 238 U / 235 U считались неизменными для метеоритного материала. Однако было показано, что отношения 238 U / 235 U варьируются в зависимости от метеоритного материала. [6] Чтобы учесть это, Pb-Pb анализ датирования с поправкой на U используется для определения возраста самого старого твердого материала в Солнечной системе с использованием пересмотренного значения 238 U / 235 U, равного 137,786 ± 0,013, что представляет собой среднее значение 238 U / 235. Изотопное соотношение U в объемных материалах внутренней солнечной системы. [4]
Результат Pb-Pb-датирования с поправкой на U дал возраст 4567,35 ± 0,28 млн лет для CAIs (A) и хондр с возрастом от 4567,32 ± 0,42 до 4564,71 ± 0,30 млн лет (B и C) (см. Рисунок). Это подтверждает идею о том, что кристаллизация CAI и образование хондр произошли примерно в одно время во время формирования Солнечной системы. Однако хондры продолжали формироваться в течение примерно 3 млн. Лет после CAI. Следовательно, лучший возраст первоначального образования Солнечной системы - 4567,7 млн лет. Эта дата также представляет собой время начала планетарной аккреции . Последовательные столкновения между аккрецированными телами привели к формированию все более и более крупных планетезималей, окончательно сформировав систему Земля-Луна в результате гигантского столкновения.
Разница в возрасте между CAI и хондрами, измеренная в этих исследованиях, подтверждает хронологию ранней солнечной системы, полученную с помощью методов вымерших короткоживущих нуклидов, таких как 26 Al- 26 Mg, тем самым улучшая наше понимание развития Солнечной системы и образования Земля.
Рекомендации
- ^ a b Nier, Альфред О .; Томпсон, Роберт В .; Мерфи, Байрон Ф. (1941). «Изотопное строение свинца и измерение геологического времени. III». Физический обзор . 60 (2): 112–116. Полномочный код : 1941PhRv ... 60..112N . DOI : 10.1103 / PhysRev.60.112 .
- ^ Паттерсон, Клэр (1956). «Возраст метеоритов и земли». Geochimica et Cosmochimica Acta . 10 (4): 230–237. Bibcode : 1956GeCoA..10..230P . DOI : 10.1016 / 0016-7037 (56) 90036-9 .
- ^ а б Дикин, Алан П. (2005). Геология радиогенных изотопов . п. 117. DOI : 10,1017 / CBO9781139165150 . ISBN 9781139165150.
- ^ а б Коннелли, JN; Bizzarro, M .; Крот, АН; Nordlund, A .; Wielandt, D .; Иванова, М.А. (2012). «Абсолютная хронология и термическая обработка твердых тел в солнечном протопланетном диске». Наука . 338 (6107): 651–655. Bibcode : 2012Sci ... 338..651C . DOI : 10.1126 / science.1226919 . PMID 23118187 . S2CID 21965292 .
- ^ Amelin, Y .; Крот, Александр Н .; Hutcheon, Ian D .; Ульянов, Александр А. (2002). «Свинцовый изотопный возраст хондр и включений, богатых кальцием и алюминием». Наука . 297 (5587): 1678–1683. Bibcode : 2002Sci ... 297.1678A . DOI : 10.1126 / science.1073950 . PMID 12215641 . S2CID 24923770 .
- ^ Brennecka, GA; Weyer, S .; Wadhwa, M .; Дженни, ЧП; Zipfel, J .; Анбар, AD (2010). «Вариации 238U / 235U в метеоритах: существующие 247Cm и последствия для датирования Pb-Pb». Наука . 327 (5964): 449–451. Bibcode : 2010Sci ... 327..449B . DOI : 10.1126 / science.1180871 . PMID 20044543 . S2CID 5382457 .