Изучение тектонических процессов в областях конвергенции литосферных плит методами трекового датирования и структурного анализа

ЧАСТЬ I. ТРЕКОВОЕ ДАТИРОВАНИЕ: МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ МЕТОДА ТРЕКОВОГО ДАТИРОВАНИЯ

В начале 60-х годов американскими исследователями был разработан новый метод определения возраста минералов, основанный на подсчете плотности треков осколков спонтанного деления ядер урана (U²³⁸), накапливающихся в минерале в ходе геологической истории (Price, Walker, 1963). В англоязычной литературе метод получил название - fission-track dating. Было показано, что подсчет треков в минералах можно проводить при помощи оптического микроскопа, так как их размер может быть увеличен путем химического травления определенным реагентом (Price, Walker, 1962). В переводе на русский язык метод получил название - датирование по трекам осколков деления урана (Шуколюков и др., 1965). Для краткости предлагается использовать термин - трековое датирование.

Деление ядер - один из процессов распада тяжелых радиоактивных нуклидов. При делении нестабильное ядро распадается на два дочерних фрагмента приблизительно одинакового размера. При делении ядер высвобождается несколько нейтронов, значительное количество кинетической энергии двух фрагментов ядра, которые разлетаются в противоположном направлении с большой скоростью и несут высокий положительный заряд. При прохождении через твердое вещество быстрая заряженная частица оставляет нарушение на атомном уровне, ориентированное вдоль траектории ее движения. Эти нарушения называются ядерными треками (или треками заряженных частиц), а материал, в котором регистрируются треки, - детектором.

Способность спонтанного деления характерна только для нуклидов с атомным номером Z 90 и атомной массой А 230, это Th, Pa, U, Np, Pu, и др. Но только ²³²Th и два изотопа урана (²³⁵U и ²³⁸U) встречаются в природных материалах в концентрациях, которые могут быть измерены. Треки спонтанного деления, наблюдаемые в природных материалах, в основном сформированы за счет деления ²³⁸U. Два других изотопа урана и торий имеют слишком низкое содержание и/или гораздо более длинный период полураспада, чтобы производить количество треков спонтанного деления сравнимое с количеством треков распада ²³⁸U.

Треки, не подвергавшиеся травлению химическим реагентом, обычно называют скрытыми треками, а их наблюдение возможно только с помощью электронного микроскопа при увеличении 50000х (Silk, Barnes, 1959). Для визуального исследования треков при помощи оптического микроскопа были разработаны методики увеличения размера треков или визуализации. Наиболее популярная и широко применяемая методика химического травления, основанная на том, что места радиогенных нарушений (скрытые треки) в первую очередь подвергаются растворению химически агрессивным реагентом (Price, Walker, 1962; Price, Walker, 1963). При химическом травлении минерал погружается в соответствующий химический реагент, который растворяет в первую очередь места дефектов и увеличивает размер треков (рис. 1). Для трекового датирования используют оптический микроскоп (увеличение 1250х и выше), оснащенный проходящим и отраженным светом.

Трековое датирование базируется на классическом уравнении, описывающем скорость распада радионуклида (Фор, 1989):

dN_p/dt = -N_p, (1.1)

где dN_p/dt - скорость изменения числа атомов родительского нуклида, - постоянная распада, характеризующая свойства конкретного нуклида.

Уравнение t = 1/_aln[(_a/_f)(N_s/N_i)Iф + 1] (1.2)

является фундаментальным для трекового метода (Fleischer et al., 1975), где _f -постоянная спонтанного распада, _a - постоянная распада за счет эмиссии a-частиц.

N_s/N_i - отношение количества треков спонтанного деления к количеству треков индуцированного деления. Расчет трекового возраста базируется на измеренном количестве треков спонтанного деления (N_s) и числе атомов ²³⁸U в определенном объеме вещества. Определение количества атомов ²³⁸U также основано на подсчете треков. Для этого образец облучается в ядерном реакторе потоком тепловых нейтронов, в результате происходит индуцированное деление ²³⁵U. - доза тепловых нейтронов (нейтрон/см²), а ф - сечение индуцированного деления ²³⁵U тепловыми нейтронами (см. пункт 1.2). Отношение ²³⁵U/²³⁸U - константа I = 1/137.88.

Рис. 1. Треки спонтанного деления урана (238U) в природном кристалле апатита, увеличенные путем химического травления HNO3. Фотография любезно предоставлена профессором Дж.И.Гарвером (Юнион Колледж, Скенектади, штат Нью-Йорк, США).

В практике используется уравнение (Wagner, Van den Haute, 1992)

t = 1/_aln[(_a/_f)(p_s/p_i)QGIф + 1], (1.3)

где G = g_i/g_s - геометрический фактор, Q = _i f(t)_i q_i/_s f(t)_s q_s. Значения , f(t), q определяются методиками травления и наблюдения треков спонтанного и индуцированного деления (Fleischer et al., 1975; Wagner, Van den Haute, 1992).

В 70-х годах прошлого века среди ученых, занимавшихся трековым датированием, начались споры о систематических погрешностях метода, связанных с неточностью определения постоянной спонтанного деления ²³⁸U (_f) и с трудностями измерения дозы нейтронов (ф) (Fleischer et al., 1975). Для того чтобы избежать этих проблем, при трековом датировании было предложено проводить Z-калибровку с помощью минералов-стандартов (Hurford, Green, 1982; Hurford, 1998). -метод позволяет получить калибровочный коэффициент, персональный для каждого исследователя (Hurford, Green, 1982; 1983). Для этого производится подсчет треков для минералов-стандартов.

Для определения трекового возраста применяется две аналитические методики: 1. анализ навесок (grain-population method) и 2. анализ отдельных зерен (grain-by-grain method) (Wagner, Van den Haute, 1992; Gallagher et al., 1998). Главное допущение первой методики состоит в том, что распределение урана в кристаллах одинаково. Этот метод не может использоваться, если в образце предполагается наличие гетерогенных минералов с анизотропным распределением урана, имевших различную термальную историю. Вторая методика позволяет датировать отдельные зерна. В современном трековом анализе чаще всего используется метод внешнего детектора (Hurford, Carter, 1991), который применим для датирования кристаллов с анизотропным распределением урана и для образцов, в которых встречаются разновозрастные зерна, например, детритовых.

Для вычисления трековых возрастов отдельных зерен и <среднего> возраста, и разделения разновозрастных популяций использованы программы Zetaage 4.7, BinomFit 1.8 и BinomFit 1.0 for Windows (Brandon, 2002), созданные М.Т.Брэндоном (Йельский университет, США) с использованием алгоритма (Galbraith, 1988). Модификация и улучшение первой версии программы BinomFit 1.8 было проведено И.С.Борейко (ГИН РАН) при участии автора, в результате чего появилась программа BinomFit 1.0 for Windows. Программы доступны для любого анонимного пользователя по http://love.geology.yale.edu/$\sim$brandon.