Свидание со свинцом - Lead–lead dating

Свидание со свинцом это метод знакомства геологические образцы, обычно основанные на образцах «цельной породы», таких как гранит. Для большинства требований к датировкам он был заменен на уран-свинцовое датирование (U – Pb датирование), но в определенных специализированных ситуациях (например, датирование метеоритов и возраст Земли ) это 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; они есть 206Pb, 207Pb и 208Pb. 204Pb - единственныйрадиогенный изотоп свинца, следовательно, не является одним из дочерних изотопов. Эти дочерние изотопы являются конечными продуктами распада цепочек радиоактивного распада U и Th, начиная с 238U, 235U и 232Соответственно че. С течением времени конечный продукт распада накапливается, поскольку родительский изотоп распадается с постоянной скоростью. Это сдвигает соотношение радиогенного свинца к нерадиогенному. 204Pb (207Pb /204Pb или 206Pb /204Pb) в пользу радиогенных 207Pb или 206Pb. Это можно выразить следующими уравнениями распада:

где индексы P и I относятся к современному и исходному изотопным отношениям Pb, λ235 и λ238 постоянные распада для 235U и 238U, 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 путем деления первого приведенного выше уравнения на второе в предположении, что система U / Pb не была возмущена. Это преобразованное уравнение сформировало:

где коэффициент 137,88 - современный 238U /235Коэффициент U. Как видно из уравнения, начальные отношения изотопов Pb, а также возраст системы являются двумя факторами, определяющими современный изотопный состав Pb. Если образец вёл себя как замкнутая система, то графическое отображение разницы между настоящим и начальным соотношением 207Pb /204Pb против 206Pb /204Pb должен давать 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. Впервые это было установлено Nier et al., 1941.[1]

Формирование геохрона

Развитие геохрона в основном связано с Клер Кэмерон Паттерсон Применение метода Pb – Pb датирования метеоритов в 1956 году. Были измерены отношения Pb трех каменных и двух железных метеоритов.[2] Тогда датирование метеоритов поможет Паттерсону определить не только возраст этих метеоритов, но и возраст образования Земли. Датируя метеориты, Паттерсон напрямую датировал возраст различных планетезимали. Если предположить, что процесс дифференциации элементов на Земле идентичен, как и на других планетах, ядро ​​этих планетезималей будет обеднено ураном и торием, в то время как 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, а каменные метеориты были сегментами мантии и коры этих различных планетезималей.

  • Железный метеорит найден в каньоне Диабло

  • Удар метеорита

  • Рис. 1. Изохронная диаграмма Pb – Pb.

Образцы железный метеорит из Каньон Диабло (Метеоритный кратер Было обнаружено, что Аризона имеет наименьший радиогенный состав из всех материалов Солнечной системы. Отношение U / Pb было настолько низким, что радиогенный распад в изотопном составе не обнаружен.[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 выставлены очень высоко. 207Pb /204Pb против 206Pb /204Соотношения свинца, указывающие 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, являются 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».

Патерсон изохронная анимация.gif

Изохронная диаграмма изотопов свинца, использованная К.С. Паттерсоном для определения возраста Земли в 1956 году. Анимация показывает прогрессивный рост на протяжении 4550 миллионов лет (млн лет) соотношений изотопов свинца для двух каменных метеоритов (Нуэво-Ларедо и Форест-Сити) от начальных соотношений изотопов свинца. совпадают с таковыми из железного метеорита Каньон Диабло.

Точное датирование метеоритов Pb – Pb

Изохроны Pb – Pb для самого старого известного вещества в Солнечной системе.[4]

Хондры и включения, богатые кальцием и алюминием (CAI) - это сферические частицы, которые составляют хондритовый метеориты и считаются самыми старыми объектами Солнечной системы. 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 благодаря оптимальному периоду полураспада 238U. Однако отсутствие циркон или других богатых ураном минералов в хондритах, а также наличие исходного нерадиогенного свинца (обычного свинца) 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 обилие 204Pb относительно невелик, 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 204Pb /206Отношение Pb (обратное нормальному соотношению) откладывается по оси x, так что точка на оси y (ноль 204Pb /206Pb) имел бы бесконечно радиогенный Pb. Отношение, нанесенное на эту ось, представляет собой 207Pb /206Отношение Pb, соответствующее наклону нормальной изохроны Pb / Pb, которая дает возраст. Наиболее точный возраст получают по образцам вблизи оси ординат, что было достигнуто путем поэтапного выщелачивания и анализа образцов.

Ранее при применении альтернативной изохронной диаграммы Pb – Pb 238U /235Отношения изотопов U считались неизменными для метеоритного материала. Однако было показано, что 238U /235Отношения U варьируются в зависимости от метеоритного материала.[6] Чтобы учесть это, используется анализ датирования Pb – Pb с поправкой на U для определения возраста самого старого твердого материала в Солнечной системе с использованием пересмотренного 238U /235Значение U 137,786 ± 0,013 для представления среднего 238U /235Изотопное 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 планетарная аккреция. Последовательные столкновения между аккрецированными телами привели к образованию все более и более крупных планетезималей, в конечном итоге 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 26Аль-26Mg, тем самым улучшая наше понимание развития Солнечной системы и образования Земли.

Рекомендации

  1. ^ а б Nier, Альфред О .; Томпсон, Роберт В .; Мерфи, Байрон Ф. (1941). «Изотопное строение свинца и измерение геологического времени. III». Физический обзор. 60 (2): 112–116. Bibcode:1941ПхРв ... 60..112Н. Дои:10.1103 / PhysRev.60.112.
  2. ^ Паттерсон, Клэр (1956). «Возраст метеоритов и земли». Geochimica et Cosmochimica Acta. 10 (4): 230–237. Bibcode:1956GeCoA..10..230P. Дои:10.1016/0016-7037(56)90036-9.
  3. ^ а б Дикин, Алан П. (2005). Геология радиогенных изотопов. п. 117. Дои:10.1017 / CBO9781139165150. ISBN  9781139165150.
  4. ^ а б Connelly, J. N .; Bizzarro, M .; Krot, A. N .; 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:2012Наука ... 338..651C. Дои:10.1126 / science.1226919. PMID  23118187.
  5. ^ 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:2002Научный ... 297.1678A. Дои:10.1126 / science.1073950. PMID  12215641.
  6. ^ Brennecka, G.A .; Weyer, S .; Wadhwa, M .; Janney, P.E .; Zipfel, J .; Анбар, А. Д. (2010). «Вариации 238U / 235U в метеоритах: существующие 247Cm и последствия для датирования Pb-Pb». Наука. 327 (5964): 449–451. Дои:10.1126 / наука.1180871. PMID  20044543.