В.С. Захаров, В.Б. Смирнов - Физика Земли (1119252), страница 2
Текст из файла (страница 2)
1.1.1. Относительная геохронология Относительная геохронология заключается в определении относительного возраста горных пород, который дает представление о том, какие отложения в земной коре являются более молодыми, а какие — более древними, без оценки длительности времени, протекшего с момента их образования. Для определения относительного возраста слоистых осадочных и пирокластических пород, а также вулканических пород (лав) широко применяется принцип последовательности напластования (закон Сглено). Согласно атому принципу, при ненарушенной последовательности залегания слоистых горных пород слой, расположенный выше, — моложе нижележащего, Относительный возраст интрузивных пород и других неслоистых геологических образований определяется на основании заколов Хаттова: закона пересечений (секушая магмагическая порода всегда моложе той поролы, которую она рассекает) и закона включений (включение всегда старше вмешающей ее породы) (Хаин и др., 1997).
Эти принципы анализа взаимоотношений слоистых толш и изверженных пород дают возможность правильно выявить относительную последовательность геологических собьп ий (Короновский, 200б). Из указанной последовательности можно установить, что такие метаморфические события, как нагревание, воздействие давлением или флюидами — всегда моложе тех толш, в которых они проявляются. Аналогично складчатость всегда модоже, чем слои, на которые она воздействует. Послойное расчленение геологического разреза, те. установление последовательности напластования сяагаюших его пород, представляет собой стратигра4>ию данного района.
Для сопоставления стратиграфии различных районов и выявления в них слоев близкого возраста используется палеонтологический метод, который основан на изучении захороненных в пластах горных пород окаменевших останков вымерших животных и растений (морских раковин, отпе- чатков листьев и тд.). Сопоставление окаменелостей различных слоев и толш позволило установить процесс развития органического мира и выделить в геологической истории Земли ряд этапов со свойственным каждому из них комплексом животных и растений. Таким образом, сходство флоры и фауны в слоях осадочных пород указывает на одновременность образования этих слоев.
Впервые метод определения относительного возраста горных порол был применен в начале Х!Х в. У. Смитом в Великобритании н Ж Кювье во Франции. 1.1.2. Абсолютная геохроиология Абсотатная геохронология устанавливает так называемый абсолютныд возраст горных пород, те, возраст, отсчитываемый от настоящего момента и выраженный в единицах времени, обычно в миллионах лет.
Принцип измерения времени в геологии тот же, что и в повседневной жизни — для этого используется некоторый процесс, обладаю~ций естественным неизменным масштабам времена. Однако лля геологического времени, из-за его ллительности, возникает ряд серьезных проблем.
Во-первых, геологические «часы» должны гарантировать постоянство своего хода в течение нескольких миллиардов лет. Во-вторых, внешняя среда не должна оказывать никакого влияния на отсчет времени. Таким образом, на геохронологию, составлявшую основу изучения истории Земли, накладываются очень жесткие ограничения. В макромире не удалось найти такие «часы», которые бы позволяли надежно устанавливать возраст горных пород„время проявления и длительность геологических процессов (Короновский, 2003: Озима, 2003), Открытие в 1896 г. А.
Беннервлсм явления радиоакнювного распада позволило разработать метод, который удовлетворяет этим требованиям. Было установлено, что радиоактивный распад происходит одинаковым образом как на нашей Земле, так и вне нее и не зависит от температуры, давления 1Р— Т условий), химических реакций, фазовых преобразований и т.п. На этом основании в 1902 г. П. Кюри и Э. Резер4врд независимо друг от друга прелложили способ использования радиоактивного распада в качестве измерителя геологического времени, Процесс радиоактивного распада в квантовой механике описывается через вероятность преодоления потенциального барьера частицами атпмнош ядра.
Энергии так велики, а размеры ядра так малы, что обычныс физические условия, в том числе любые давления и темперазуры глубоких недр Земли, не влияют на вероятность распала ядра. Наиболее сильным является воздействие космического излучения, лостнгаюшего Земли: энергии этого излучения вполне достаточно, чтобы изменить ход радиоактивных процессов, Однако лля геохронологических задач реальные затруднения возникают при этом лишь в оценке возраста метеоритов: лля земных пород в силу их глубокого залегания указанным воздействием можно пренебречь.
Первые определения возраста по отношению изотопов РЬ|О были сделаны в США Б. Баапаудом уже в 1907 г. Для образцов уранита были получены значения возраста от 410 ло 535 млн лет, которые хорошо согласуются с более поздними датировками, При радиоактивном распаде испускаются три вида компонентов, которые обозначаются буквами греческого алфавита — а. )) и у; а-частицы являются быстродвижущимися ядрами гелия, ~5-частицы — быстрыми электронами, Т-лучи представляют собой высокоэнергетическое электромагнитное излучение. По наименованию частиц, испускаемых радиоактивными элементами, названы соответствующие типы радиоактивного распада.
Альфа (а)-распад испытывают только тяжелые химические элементы. Распад ядра сопровождается испусканием а-частицы (иона ~з Не ) и образованием нового ядра, в котором нейтронов и протонов на два меньше. Бегга (В)-распад состоит в том, что ядро самопроизвольно испускает ))-частицу — электрон, характеризующийся отрицательным зарядом, н нейтральную элементарную частицу — антннейтрино (ч).
Новообразованный электрон выбрасывается из ядра, а возникшее новое ялро будет обладать зарядом на единицу большим, К вЂ” захват (электронный захват). При этом типе распада, ядро захватывает электрон из ближайшего к нему К-уровня электронного облака. В ядре электрон соединяется с протоном и превращает его в нейтрон.
В итоге заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число остается неизменным. Спонтанное (самопроизвольное) леление ядра на два, сравнимых по массе осколка, является свойством очень тяжелых ядер. Оно было открыто Б.А. Петржаком и Ггг. Фановым в 1940 г. Процесс этот— очень медленный: например, на 2 230 000 а-распадов 13 прихо- 23$ дится все~о олин акт спонтанного деления. Для всех видов радиоактивных превращений справедлив общий закон радиоактивного распада. 1.2. ГЕОХРОНОЛОГИЯ НА ОСНОВЕ РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ 1.2.1.
Закон радиоактивного распада Процесс рашида радиоактивных атомов описывается известным уравнением йГ = 1'т'ее ~ . (1.2) Скорость распада А= ИФ/ дг подчиняется такому же уравнению А=Аее (1.3) где Аа — начальная скорость распада. Для характеристики скорости процесса, кроме постоянной Х, используют период полураспада УТз — время, за которое количество исходного вещества уменьшается вдвое: -хтп Логарифм и рован ив этого соотношения дает 1п 2 О,б93 у уз Х ) (1А) Основной закон радиоактивного распада (!.2) используется для опрелеления абсолютного возраста горных порол, В процессе ралиоактивного распада исходных элементов образуются новые элементы — пролукты распада (табл.
1.1). табпопо к! Схемы распада и значения констант для радиоактивных изотопов, используемых в геохронологии где Ж вЂ” число атомов; Х вЂ” постоянная распала. Это означает, что число распадов за единицу времени (скорость распада) прямо пропорционально числу Ф имеющихся к данному моменту времени атомов. Следует отметить, что явление радиоактивного распада описывается этой формулой спгатисгпически, не учитывая особенностей внутреннего строения атомных ялер, Интегрирование уравнения (1.1) для начального числа ядер )т' при г = О лает основное уравнение, используемое для всех определений возраста радиоактивными методами Окоячониегвабл.!и 1.2.2.
Формула для определения возраста пород Для определения абсолютного возраста Земли необходимо измерить концентрацию Л! атомов исходного вешества и концентрацию В атомов образовавшегося (дочернего) вещества при условии сохранения того и другого Е)= Л'0 — Л! =Л'0(1-е и). Взяв отношение О/ЛГ, избавляемся от неизвестной начальной концентрации Л!0 1) = Л'(е~ — 1) . (! .5) Уравнение (1.5) связывает число дочерних атомов с числом исходных атомов, измеренных в олин и тот же момент времени г, Это позволяет определить время, прошедшее с начала распада 1п(1+.О/ Л!) или. используя период полураспада, получаем 1п(1+ д/Ф)уыг О,б9315 10 Это и есть основная расчетная формула для определения абсолютного возраста пород по измеренным значениям концентрации родительского и дочернего элементов, Концентрации исходных и дочерних изотопов при этом определяются масс-спектрометрами.
На рис. 1.! показано изменение со временем количественных характеристик ядерного распада. С течением времени число атомов родительских элементов уменьшается по экспоненциальному закону, а число образуюшихся из них дочерних элементов соответствуюшим образом увеличивается. На правой вертикальной оси рис. 1,! отложена доля дочерних элементов относительно родительских (с течением времени это отношение быстро увеличивается). л,лг Рис. 1.1. Схема радиоактивного распада: измерение с течением времени количества атомов (концентрации) исходного а(и дочернего Р вещества и их отношения а(гр (построено в другом масштабе) тш В геохронологических исследованиях применяются главным образом радиоактивные семейства, приведенные в табл. 1.1.
Названия изотопно-геохронологических методов обычно образуются из названий ралиоактивных изотопов и конечных продуктов их распада. По этому признаку различают: уран-торий-свинцовый (часто уран-свинцовый), калий-аргоновый, рубидий-стронцисвый, рений-осмиевый и другие методы, которые мы рассмотрим ниже. Иногда названия даются только по конечному (стабильному) продукту радиоактивного преврашения: свинцовый, аргоновый, стронциевый методы и тд. При применении описанного выше метода предполагается, что в дальнейшем минерал не терял и не получал извне атомов обоих вилов, т.е.
система замкнута, а в исходном минерале не было атомов продуктов распада в начальный момент. Если последнее условие достаточно обосновано„так как вряд ли можно ожидать попадания в решетку минерала в начальный момент заметного количества примесей (такие случаи обычно легко различимы), то первое прелположение вызывает сомнение, особенно это относится к газообразным продуктам, Таким образом, можно ожидать трудностей при использовании гелиевого метода (т.е. метода, основанного на (х-распаде), который применим лишь лля минералов с плотной' 11 ненарушенной упаковкой. Существует также ряд других проблем, связанных с корректной датировкой. 1.2.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
