ИЗОТОПНЫЕ ГЕОХРОНОМЕТРЫ

Рис. 3. Кривая выделения ксенона спонтанного деления из уранового минерала.

Теперь, зная изотопный состав ксенона и скорость спонтанного деления, можно было приступать к применению нового изотопного геохронометра - ксенон-уранового. Сначала был определен возраст большой коллекции радиоактивных минералов из Карелии, Украины, с Урала, из Сибири, Средней Азии, Германии, с Дальнего Востока. Но раз за разом получались обескураживающие результаты: ксенон-урановый геохронометр часто отставал. Лишь очень немногие минералы сохранили свой радиогенный ксенон. Из большинства он явно мигрировал.
Нужно было разобраться с самим процессом миграции, чтобы выяснить причину неисправности геохронометра. Начались многочасовые эксперименты по моделированию миграции: минералы нагревали и наблюдали за выделением ксенона деления [4]. Вот здесь-то и обнаружилась разгадка отставания ксенон-уранового геохронометра. Ксенон покидал минералы странно: сначала скорость выделения возрастала, достигала максимума и уменьшалась почти до нуля, но затем снова резко увеличивалась, и лишь при самой высокой температуре падала (рис. 3). Мы обнаружили, что в каждом из таких пиков миграция ксенона из радиоактивных минералов происходит по закону, напоминающему закон протекания простейших химических реакций. Скорость миграции ксенона из минерала сильно зависит от особого параметра - энергии активации, говорящей о способности кристаллической структуры каждого минерала удерживать ксенон при заданной температуре.
Чем больше энергия активации, тем прочнее удерживается радиогенный ксенон в структуре минерала. Накрепко связан в структуре минерала ксенон высокотемпературных пиков. Для его выделения из минерала требуется огромная энергия активации, достигающая 160 - 200 ккал/моль ксенона. Даже больше того, что необходимо затратить для разрушения химических связей атомов в минералах. Но ксенон низкотемпературных пиков выделяется из минералов с затратой гораздо меньшей энергии, поскольку в кристаллической структуре есть не только доброкачественные, ненарушенные зоны, но и дефектные участки, легко отдающие радиогенный ксенон. Вероятно, они получаются в результате самооблучения радиоактивных минералов и внешних химических природных воздействий. Эту неоднородность кристаллической структуры минералов нам и удалось использовать для создания нового метода изотопной геохронологии [5].   

Рис. 4. Определение возраста минералов по "плато" с помощью ксенон-уранового изотопного геохронометра.

Для определения возраста минерала облучим его нейтронами в ядерном реакторе. К тому ксенону спонтанного деления (Xes), который уже накопился в минерале за геологическое время t, добавится ксенон от деления ²³⁵U под действием нейтронов (Xen) с иным изотопным составом. Концентрация того и другого зависит от концентрации их материнских изотопов ²³⁸U и ²³⁵U, но Xen - еще и от потока нейтронов в реакторе, а Xes - от возраста минерала t. Следовательно, если поток нейтронов известен, соотношение концентраций Xes / Xen есть функция ²³⁸U / ²³⁵U и t. Но во всех минералах изотопный состав урана один и тот же : ²³⁸U / ²³⁵U = 137,8. Значит, соотношение Xes / Xen связано только с величиной t или, наоборот, определяемый возраст t зависит только от соотношения Xes / Xen . Таким образом, в ксенон-урановом геохронометре, в отличие от всех других упомянутых геохронометров, используется соотношение изотопов одного элемента - ксенона. Следовательно, не требуется никаких определений концентраций химических элементов. Важное дополнительное достоинство нового геохронометра - возможность определить правильное геологическое время не по серии минералов, как при пользовании уран-свинцовым или рубидий-стронциевым геохронометрами, а всего лишь по одному образцу.   
Это видно на примере определения возраста минерала циркона одного из древнейших регионов Земли - Антарктиды [5]. В районе горы Нейпир сотрудники нашей лаборатории нашли очень древние породы с возрастом более 3 млрд. лет, но при помощи лишь уран-свинцового изотопного геохронометра. Нужно было убедиться в правильности этих данных. Из гранита выделили кристаллики циркона размером 0,1 - 0,2 мм. Их облучили в ядерном реакторе и исследовали ксенон методом ступенчатого нагрева (рис. 4). Сначала в выделившемся ксеноне соотношение Xes / Xen было небольшим, потому что при низкой температуре газ выделяется только из нарушенных участков кристаллической структуры минерала. За геологическое время они потеряли часть ксенона спонтанного деления Xes . Геохронометр показывает малый возраст, отстает. Но по мере перехода к более высоким температурам ступеньки изотопной "лестницы" поднимаются все выше. Кажущийся возраст все увеличивается. Наконец, в самом высокотемпературном диапазоне вместо ступеней возникает плато. Теперь ксенон выделяется из доброкачественных, ненарушенных участков кристалла. Соотношение Xes / Xen здесь истинное, не искаженное потерями за геологическое время. И рассчитанный по нему возраст минерала тоже правильный - 3,2 млрд. лет!

Назад| Следующая страница