Радиометрические или радиоизотопные методы основаны на наличии в чем-либо естественных радиоактивных примесей. К этим методам относится и подробно рассмотренный в предыдущей работе РАДИОУГЛЕРОДНЫЙ МЕТОД.
РАДИОАКТИВНОСТЬ и ОБЩИЙ ПРИНЦИП РАДИОИЗОТОПНЫХ МЕТОДОВ
Напомним понятие радиоактивности. Большинство атомов, из которых состоит все, включая нас - стабильны, то есть могут существовать в неизменном виде неограниченно долгое время, ну или пока их стабильность не будет нарушена извне. Кроме стабильных, существуют нестабильные атомы, ядра которых настолько тяжелые, что имеют тенденцию к самопроизвольному распаду, без какого-либо внешнего воздействия, поэтому время их существования ограничено. Нестабильные изотопы существуют у многих элементов таблицы Менделеева, а элементы, начиная с 84 номера вообще не имеют стабильных изотопов, но такие в природе не встречаются (именно по этой причине), так что останавливаться на них мы не будем. Нас же интересуют элементы, имеющие как стабильные, так и нестабильные изотопы.
Что происходит с нестабильным элементом при распаде? Схемы распада могут быть разными, в том числе для одного и того же элемента, но всегда в них есть нечто общее - ядро атома теряет один или больше протонов, заряд этого ядра изменяется и атом превращается в другой элемент. При этом испускается то или иное излучение - какое именно - зависит от схемы распада.
На этом свойстве построены все радиометрические методы датирования. В образце, содержащем радиоактивный (то есть нестабильный) элемент определяют количество продукта распада (то есть атомов, в которые превращается при распаде нестабильный элемент), и по соотношению нестабильного элемента и продукта распада высчитывают время, когда образовался образец и начался распад. Зная период полураспада данного изотопа (а это время известно для всех элементов таблицы Менделеева), это не сложно сделать.
Разные элементы существенно отличаются как по периоду полураспада, так и по типам образцов, в которых содержатся, поэтому различные методы радиоизотопного датирования имеют разные сферы применения и разные временнЫе пределы датировки.
ПРОБЛЕМЫ РАДИОМЕТРИЧЕСКИХ МЕТОДОВ и ИХ РЕШЕНИЕ
Основные проблемы радиометрических методов:
- Обмен образца веществом с окружающей средой в период его существования, который мог происходить после образования образца;
- Неопределенность состава образца в момент образования - совершенно не факт, что когда исследуемый объект образовался, в нем содержались только радиоактивные изотопы и совсем не было продуктов распада.
Потеря части продуктов распада за счет выветривания, вымывания или других причин приводит к тому, что образец кажется моложе, чем на самом деле. А если при формировании образца в нем уже находится некоторое количество дочернего изотопа, образец кажется старше.
Определить, был ли в истории образца обмен веществом с окружающей средой, возраст образца и какое количество дочернего изотопа было в образце на момент образования позволяет ИЗОХРОННОЕ ДАТИРОВАНИЕ.
При использовании этого метода сравнивают несколько образцов одного геологического объекта, точно имеющих одинаковый возраст, но отличающихся по содержанию материнского изотопа, а также содержащих какой-то еще изотоп дочернего элемента. Это могут быть, например, разные минералы из одного куска горной породы, или разные части одного геологического тела. Также эти образцы должны содержать вместе с дочерним изотопом какой-либо другой изотоп того же элемента. Образцы могут представлять как разные минералы из одного куска горной породы, так и разные части одного геологического объекта.
В разных образцах измеряются, например, масс-спектрометром отношения содержания изотопов дочернего элемента, радиогенного и нерадиогенного, а также отношение содержания материнского изотопа к нерадиогенному дочернему. Строится график, где эти величины для разных образцов откладываются по осям абсцисс и ординат.
Если все точки ложатся на одну прямую, которая называется изохроной - можно сделать вывод, что обмена веществом с окружающей средой в истории образцов не было, и выбранный метод можно использовать для датирования. По наклону изохроны можно рассчитать возраст образцов.
По изохроне также можно определить количество дочернего изотопа на момент образования - это точка пересечения изохроны с осью, определяющей отношение изотопов дочернего элемента.
Если же точки на одну прямую не ложатся, значит обмен веществом в истории образцов был, и нужно поискать другой метод, поскольку выбранный может дать существенные ошибки.
УРАН-СВИНЦОВЫЙ МЕТОД (U-Pb датирование)
Этот метод является наиболее проверенным и отточенным из всех радиоизотопных методов. Он интересен тем, что в нем используются две цепочки превращения изотопов с разными продуктами распада, что позволяет существенно повысить точность датирования.
Первая цепочка - превращение нестабильного 238U, с периодом полураспада 4,5 млрд. лет в стабильный изотоп свинца 206Pb, вторая - превращение 235U (период полураспада 703,8 млн. лет) в 207Pb. Изотопы свинца 206Pb 207Pb являются радиогенными, то есть образуются только при распаде урана и никак иначе. Предел датирования уран-свинцовым методом составляет 4,5 млрд.лет, точность 0,1-1%.
За счет разницы в периодах полураспада двух изотопов урана, с выделением радиогенных изотопов свинца, возраст образца можно определить исходя из соотношения радиогенных изотопов 207Pb и 206Pb и нерадиогенного 204Pb. Этот вариант используется для датирования метеоритов - именно таким методом было определено время образования планет Солнечной системы - 4,54 млрд.лет назад.
Дополнительные возможности датирования предоставляет тот факт, что распад урана до свинца происходит не сразу, в несколько стадий, с образованием нестабильных промежуточных продуктов, период полураспада которых значительно меньше. Соотношение урана и промежуточных продуктов деления позволяет уточнить датировку в пределах 1 млн.лет.
Уран-свинцовый метод используют в основном для датирования горных пород, однако, его можно применять и для ископаемых останков организмов, содержащих карбонат кальция и апатит, который содержится, например, в зубах акул, костях динозавров и еще более древних существах - конодонтах (вымершие хордовые, похожие на современных угрей). Такие исследования позволили выяснить, например, что последние отложения мелового периода закончились 66,043 млн. лет назад.
В общем и целом, радиометрические методы чудо как хороши, ввиду их большого разнообразия, что позволяет датировать практически любые образцы любого возраста на нашей планете. Кроме того, иногда есть возможность осуществить перекрестное датирование, то есть датировать один и тот же образец разными методами, сравнить результаты и тем самым повысить точность измерений.
ПАЛЕОМАГНИТНЫЙ (АРХЕОМАГНИТНЫЙ) МЕТОД
Этот метод применяется для датирования керамики и дает хорошие результаты в пределах 70 тыс.лет.
Метод основан на явлении ПАЛЕОМАГНЕТИЗМА.
Чтобы понять, что такое палеомагнетизм, вспомним кое-что о магнитных свойствах вещества.
ФЕРРОМАГНЕТИК - это вещество у которого магнитные моменты атомов однажды выстроившись в приблизительно одном направлении способны сохранить это направление с течением времени, независимо от направления или наличия внешнего магнитного поля. Это свойство называется НАМАГНИЧЕННОСТЬЮ.
ПАРАМАГНЕТИК - это вещество, магнитные моменты атомов которого выстраиваются в направлении внешнего магнитного поля. При изменении направления внешнего магнитного поля меняется и направление намагниченности парамагнетика, а при его исчезновении намагниченность не сохраняется.
ТОЧКА КЮРИ - в общем случае - это температура фазового перехода, при достижении которой мгновенно изменяются свойства симметрии вещества. В данном случае нас интересует ТОЧКА КЮРИ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ. При достижении этой температуры ферромагнетик становится парамагнетиком, то есть его собственная намагниченность исчезает и он становится способен воспринимать направление внешнего магнитного поля. При остывании ниже точки Кюри ферромагнитные свойства возвращаются, при этом направление намагниченности, полученное при точке Кюри во внешнем магнитном поле, сохраняется до тех пор, пока вещество снова не будет нагрето до точки Кюри.
Глина, из которой производят керамику содержит некоторое количество железосодержащих минералов, которые являются ферромагнетиками, то есть при остывании сохраняют намагниченность, полученную при нагревании выше точки Кюри во внешнем поле, если точнее - в магнитном поле Земли. Для большинства содержащихся в глинах ферромагнетиков точка Кюри составляет около 400°С, что значительно ниже температуры обжига керамики. Таким образом, керамика запоминает направление магнитного поля Земли в момент ее обжига.
Общая намагниченность, вообще говоря, величина статистическая. Магнитные моменты отдельных атомов ферромагнетика выстраиваются не точно в направлении внешнего поля, а примерно, поскольку, помимо магнитного поля на ориентацию атомов влияют и другие факторы. Чем больше интенсивность внешнего поля, тем более однонаправленными будут отдельные магнитные моменты, и тем больше общая намагниченность. Определив ее значение с помощью магнитометра, выяснив количество и состав ферромагнетика в образце любым доступным методом, можно определить направление и интенсивность магнитного поля Земли в момент нагревания образца выше точки Кюри.
Магнитное поле Земли - штука не особо постоянная. Расположение полюсов, интенсивность поля, геомагнитные линии, определяющие его локальное направление, зависят от многих факторов и все время непрерывно изменяются. Эти изменения отслеживаются сочетанием палеомагнитного метода, применительно к горным породам, также содержащим ферромагнитные включения, и любого другого метода датировки той же породы. Таким образом составляются базы данных о ВЕКОВЫХ ВАРИАЦИЯХ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ. Вековыми они названы потому, что учитывают только медленные вариации элементов земного магнетизма, с периодами в несколько лет, связанные с источником внутри земного ядра, и не учитывают суточные, сезонные и прочие колебания внешнего происхождения.
Сравнивая результаты палеомагнитного исследования конкретного образца с данными о вековых вариациях можно определить момент, когда образец последний раз нагревался до точки Кюри - при обжиге, или, в некоторых случаях, при приготовлении пищи.
Этот метод достаточно точен, поскольку данных о вековых изменениях магнитного поля собрано немало. Он хорошо работает в пределах 70 тыс.лет.
Однако, при его применении нужно учитывать, что мы предполагаем, что образец был изготовлен примерно в том же месте, где и найден и не был перемещен в район, где в момент его изготовления магнитное поле Земли имело другие характеристики.
____________________________________________________________________________________
В следующей работе мы разберем еще два интересных метода датирования, подведем итог и перейдем, наконец, к чему-нибудь более интересному, где можно применить анализ и критическое мышление.