6. Методы определения возраста геологических пород и органических остатков (геохронология)

2 Относительная и абсолютная геохронология Относительные методы датирования используются для установления и описания последовательности событий (но не точного их возраста). Они основаны на стратиграфии ( страта слой), позволяющей упорядочить события, зафиксированные в слоях горных пород от самых старых до самых молодых ( чем глубже, тем древнее ( принцип суперпозиции в ненарушенном залегании ). Палеомагнитные данные (магнитостратиграфия, магнитохронологическая шкала). Фиксируя в горных породах разного происхождения интервалы прямой и обратной намагниченности, проводят стратиграфическую корреляцию (взаимосвязь) отложений (слоев) в глобальном масштабе. Даты на магнитную шкалу времени наносятся методом радиометрического датирования. Абсолютные методы датирования позволяют с той или иной точностью определить возраст породы или органических остатков. В подавляющем большинстве это радиометрические методы, использующие измерения радиоактивного распада изотопов или воздействия радиации на кристаллическую структуру минералов. Из нерадиометрических методов абсолютного датирования успешно применяется дендрохронология. 2

3 Относительная датировка горных пород и окаменелостей Relative dating to determine the age of rocks and fossils Отдельные слои горных пород в стене Гранд-Каньон в Аризоне, США. Заметим, что слои расположены в основном горизонтально. Слои скалы у основания каньона были образованы первыми, таким образом, они старше, чем слои на вершине каньона ( принцип суперпозиции ). Наиболее древним породам в Большом каньоне около 2 миллиардов лет, при этом их возраст меньше половины возраста самых древних пород на Земле. Credit: The National Park Service 3

5 Слои осадочных горных пород в скалах на Сумайя, Испания (Zumaia, Spain), почти вертикальны. Изначально, при их образовании, эти слои располагались горизонтально, а затем (тектоника) приобрели наклон, близкий к вертикальному. Пунктиром показан дефект, возраст которого меньше, чем возраст всех пересеченных им слоев ( принцип пересечений : любое тело, пересекающее толщу слоев, моложе этих слоев. Дж. Хаттон). 5

6 Метод биостратиграфии Определение возраста слоев горных пород с помощью найденных в них ископаемых (окаменелостей флоры и фауны) по имеющимся данным о времени существования этих организмов The principle of faunal succession allows scientists to use the fossils to understand the relative age of rocks and fossils Основным в биостратиграфии является метод анализа органических комплексов: вывод об относительном возрасте строится на сведениях обо всём комплексе окаменелостей, а не на находках единичных руководящих формах. Одновозрастными являются слои, содержащие одинаковый комплекс окаменелостей. 6

7 Определение абсолютного возраста радиометрическое датирование Накопление продуктов радиоактивного распада M D M число атомов радиоактивного ( материнского ) вещества, D нерадиоактивного ( дочернего ) вещества t M(t) + D(t) = M 0 - условие замкнутости, M(t) = M 0 e - t - радиоактивный распад, 1 [D(t)/ M(t)] = M 0 / M(t) = e t, [D(t)/ M(t)] = e t 1 (*). Измеряя отношение [D(t)/ M(t)], из (*) получаем величину t - возраст минерала = -1 среднее время жизни радиоактивных ядер T 1/2 =ln2=0,693 T 1/2 время (период) полураспада 7

8 Изотопы, используемые для определения абсолютного возраста Материнский изотоп Конечный продукт Период полураспада млрд лет 147 Sm 143 Nd + He 106, U 206 Pb + 8 He 4, U 208 Pb + 7 He 0, Th 208 Pb + 6 He 14,00 87 Rb 87 Sr 48,80 40 K 40 Ar + 40 Ca 1,30 14 C 14 N 5730 лет Чем больше период полураспада, тем более давние геологические события датируются при помощи соответствующего радиометрического метода. Если изотоп распадается быстро (как 14 C), с течением времени в образце остается слишком мало радиоактивного материала для анализа. Наоборот, если изотоп распадается очень медленно, его нельзя использовать для датировки молодых отложений, поскольку в них накопилось еще слишком мало продуктов распада. (Н. В. Короновский, А. Ф. Якушова. Абсолютная геохронология) 8

9 Замечание о радиометрическом определении возраста горных пород При расплавлении горной породы радиометрические часы сбрасываются на ноль например, накопившийся аргон-40 исчезает из расплавленного минерала. Радиометрический анализ показывает время, прошедшее с момента последнего перехода горной породы из жидкого состояния в твердое (порода может несколько раз расплавиться и затвердеть) Первоначально радиометрическое датирование могло применяться только к вулканическим горным породам, то есть таким, которые образовались путем кристаллизации минерала из расплавленного состояния (магма) при остывании. До недавних пор этот метод не был пригоден для датирования осадочных пород, потому что вычисленный этим способом возраст каждого отдельного зерна таких пород, например, песчинок, фактически соответствовал времени, когда эта песчинка кристаллизовалась из расплавленной магмы в составе вулканической породы, а не периоду, когда она вошла в состав осадочной породы. Главная трудность заключалась в том, чтобы соотнести радиометрические данные о вулканических породах со стратиграфическими пластами, состоящими из осадочных пород. 9

10 Радиоуглеродный метод радиоизотопной датировки Willard Frank Libby Nobel Prize in Chemistry(1960) В природной среде Земли элемент углерод состоит из трёх изотопов: двух стабильных 12 С и 13 С и одного радиоактивного 14 С - радиоуглерода, который постоянно образуется в стратосфере Земли. Изотопы 14 С, 12 С и 13 С включены в кругооборот углерода в атмосфере, биосфере и гидросфере в составе углекислого газа CO 2. Пока организм находится в состоянии обмена веществ с окружающей средой, содержание 14 С в нём остаётся постоянным и находится в равновесии с концентрацией этого изотопа в атмосфере. Когда организм отмирает, обмен углеродом с внешней средой прекращается; содержание радиоактивного изотопа начинает уменьшаться (нет притока 14 С извне). Период полураспада 14 С составляет 5730 лет. Зная начальное соотношение в организме радиоактивного 14 С и стабильных изотопов 12 С и 13 С (в состоянии равновесия с атмосферой, когда организм жив) и содержание 14 С в ископаемых остатках, можно установить, сколько времени прошло с момента смерти прекращения обмена со средой. 10

11 1: Образование радиоуглерода 14 C в верхних слоях атмосферы: при бомбардировке азота нейтронами из образовавшегося ядра выбивается протон. Полученное ядро изотопа углерода является β-радиоактивным. 2: Распад 14 C. 3: Условие равновесия для живых организмов и его нарушение для умерших организмов, в которых радиоуглерод распадается без пополнения извне. 11

12 Замечание о калибровке радиоуглеродного метода: Цикл радиоуглерода 14 С в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли Факторы, обусловливающие необходимость калибровки метода: Изменение потока космических лучей, которые продуцируют радиоуглерод. Влияние солнечной активности на направление потока и интенсивность космических лучей. Геомагнитное поле Земли отклоняет космическое излучение, препятствуя образованию радиоуглерода. Антропогенное воздействие, которое приводит к эффекту Зюсса (Suess effect = Industrial effect) изменение соотношения атмосферных концентраций изотопов углерода в результате поступления в атмосферу большого количества СО 2, образовавшегося при сжигания ископаемого топлива, которое обеднено 13 CO 2 и не содержит 14 СО 2. Антропогенные воздействия, связанные с ядерными испытаниями в атмосфере в 50-е и начале 60-х годов 20 века. 12

13 Калибровка радиоуглеродного возраста График показывает, как будет откалиброван результат радиоуглеродного измерения BP. Левая ось - концентрация радиоуглерода, выраженная в годах до настоящего времени (BP), а нижняя ось показывает календарные годы (полученные из данных древесных колец). Пара синих кривых показывают радиоуглеродные измерения в древесных кольцах (плюс и минус одно стандартное отклонение), а красная кривая на левой указывает концентрацию радиоуглерода в образце. Серая гистограмма показывает возможные возрастные группы для образца (чем выше гистограмма, тем больше вероятность того, что это и есть возраст). Результаты калибровки часто приводятся как возрастной диапазон: рассмотренном случае с 95% уверенностью можно считать, что возраст образца находится между 1375 кал до н.э. и 1129 до н.э. кал. 13

14 Methuselah (4845 years old) Old Hara (5062 years old) До 2013 года самым старым индивидуальным (не клональным) деревом в мире официально считалась остистая горная сосна Мафусаил, возраст которой составляет 4845 лет, растет в Белых горах в Калифорнии. Однако недавно там же в горах группа дендрохронологов обнаружила еще более старое дерево, также остистую сосну, возраст которой 5062 года. 14

15 Трековый метод Микрофотография треков в срезе протравленного кристалла апатита Метод треков (Fission Track Dating) основан на следах, которые оставляют в кристаллической решетке продукты распада 238 U в виде дефектов кристаллической решетки микрон длиной (1 мкм = 10-3 мм) и несколько ангстрем толщиной (1Ǻ = 10-5 мм). Cрез минерала полируют и протравливают кислотой, чтобы расширить треки (они становятся хорошо видны под микроскопом). Уран содержится во многих породообразующих минералах, таких как апатит, циркон, титанит (сфен), а также в вулканическом стекле. Поскольку закон распада 238 U известен, число распадов можно представить как функцию времени и концентрации урана. Мерой времени служит плотность треков число треков на 1 см 2 площади среза. 15

16 Найдены горные породы, содержащие старейшей из известных минералов на Земле 4,4 млрд-летний циркон Jack Hills, Australia, where rocks were found to contain the oldest known minerals on Earth, a 4.4 billion-year-old zircon Изображение 400-мкм кристалла циркона (Jack Hills zircon) и 3-D карта группы

10 нм кластеров радиогенных атомов свинца Исследование выполнено с помощью нового метода атомно-зондовой томографии, который (наряду с масс-спектрометрией вторичных ионов) позволил в точности установить возраст и температурную историю циркона. Циркон сформировался 4,4 млрд лет назад. Через 1 млрд лет после кристаллизации циркона радиоактивный распад урана (U-Pb) привёл к формированию атомов свинца, которые во время повторного нагрева 3,4 млрд лет назад образовали кластеры. Установленный факт образования этих кластеров, их размер (менее 50 атомов в диаметре), соотношение в них изотопов обеспечили возможность точного и надежного определения возраста исследуемого кристалла циркона. Кроме того было измерено соотношение изотопов кислорода в магматических материалах и получены данные о ранней гомогенизации и последующем остывании Земли. Полученные сведения подтверждают гипотезу о холодной ранней Земле: за несколько сотен миллионов лет после образования планеты океан магмы превратился в твёрдую кору и низкая температура поверхности благоприятствовала появлению жидкой воды. Согласно этому представлению Земля приобрела гидросферу уже 4,3 млрд лет назад, а жизнь возникла вскоре после этого. 16

17 Временная последовательность главных событий истории жизни на Земле Timeline showing major events in Earth history 17

18 Сравнение некоторых методов абсолютного датирования Название метода Радиоуглеродный метод Калий-аргоновый Диапазон применения лет до миллиона лет Датируемый материал Органика: кости, дерево, уголь, раковины Содержащие калий минералы и вулканическое стекло (обсидиан) Методология Радиоактивный распад 14 C в органическом веществе после прекращения обмена со средой Радиоактивный распад 40 K в скальных породах и минералах Уран-свинцовый до миллиона лет Содержащие уран минералы Радиоактивный распад урана до свинца по двум различным цепочкам распада Урановые цепочки лет Содержащие уран карбонаты, кораллы, раковины, зубы, CaCO 3 Радиоактивный распад 234 U Th Трековый метод 1000 до миллиарда лет Содержащие уран минералы и вулканическое стекло (обсидиан) Измерение треков от радиоактивного распада 238 U в стекле и минералах Люминесценция (стимулированная оптически или термически) лет Электронно-спиновый резонанс лет Магнитостратиграфия Тефрохронология до млрд. лет 100 до миллиарда лет Кварц, полевой шпат, каменные инструменты (орудия), гончарные изделия Содержащие уран материалы, в которые уран попал извне Осадочные и вулканические породы Вулканические выбросы (слои вулканического пепла) Измерение накопленного кристаллом света показывает суммарную дозу радиации, полученную электронами кристаллической решетки Измерение количества возбужденных электронов с изменившимся под действием радиации спином Магнитостратиграфический метод основан на естественной остаточной намагниченности пород, фиксирующей магнитное поле времени и места ее образования Для датировки слоев пепла используются археологические находки, споровопыльцевой и радиохронологический 18 методы.