Uran-bly-metoden er en af typerne af radioisotopdatering . Gælder for geologiske objekter, der indeholder uran , og er baseret på at bestemme, hvor stor en del af det, der er henfaldet under objektets eksistens (fra det øjeblik, mineralerne krystalliserer i det). Der anvendes to isotoper af uran , hvis henfaldskæder ender i forskellige isotoper af bly ; dette forbedrer i høj grad pålideligheden af resultaterne.
Denne metode er en af de ældste og veludviklede metoder til radioisotopdatering og, hvis den er veludført, den mest pålidelige metode til genstande, der er hundreder af millioner af år gamle. For en af dens varianter nåede den gennemsnitlige fejl i resultater fra de mest citerede artikler 0,2 % i 2010, og nogle laboratorier modtager meget mindre [1] [2] . Det er muligt at datere både prøver tæt på Jorden i alder og prøver yngre end 1 million år [3] [4] [1] . Større pålidelighed og nøjagtighed opnås ved at bruge data fra to henfaldskæder og på grund af nogle egenskaber ved zircon , et mineral, der almindeligvis anvendes til uran-bly-datering. Denne metode betragtes som "guldstandarden" for geokronologi [5] [6] .
Følgende isotoptransformationer bruges:
238 U → 206 Pbmed en halveringstidpå 4,4683 ± 0,0024 milliarderår [7] (radiumserie - seRadioaktiv serie), 235 U → 207 Pbmed en halveringstid0,70381± 0,00048 Ga [7] (aktinium-serien).Nogle gange, ud over dem, bruges henfaldet af thorium-232 ( uran-thorium-bly-metoden ):
232 Th → 208 Pbmed en halveringstid på 14,0 Ga [Komm. 1] [8] [9] (thorium-serien).Alle disse transformationer gennemgår mange stadier, men de mellemliggende nuklider henfalder meget hurtigere end forældrene.
Halveringstiderne for 235 U og 238 U bestemmes mere præcist end for alle andre isotoper, der anvendes i geokronologi. Men med de mest nøjagtige undersøgelser kommer fejlen i halveringstider ud i toppen blandt fejlkilderne .
Nedbrydningen af uran gør det muligt at bestemme alderen på andre måder:
Ernest Rutherford kom op med ideen om at bestemme bjergarters alder baseret på henfaldet af uran i begyndelsen af det 20. århundrede. På det tidspunkt vidste man endnu ikke, at der blev dannet bly i denne proces, og de første forsøg på datering var baseret på mængden af et andet henfaldsprodukt af uran, helium . Rutherford gav udtryk for det første uran-helium (og radioisotop generelt) aldersvurdering ved et foredrag i 1904 [Komm. 2] [14] [15] [16] .
I 1905 havde Bertram Boltwood mistanke om, at bly også blev dannet af uran, og Ernest Rutherford bemærkede, at dating fra det burde være mere nøjagtigt end fra helium, som let forlader klipperne [17] . I 1907 lavede Boltwood et skøn over henfaldskonstanten for uran, bestemte forholdet mellem koncentrationerne af bly og uran i en række prøver af uranmalm og opnåede alderen fra 410 til 2200 millioner år [18] . Resultatet var af stor betydning: det viste, at Jordens alder er mange gange større end de 20-40 millioner år, der blev opnået ti år tidligere af William Thomson baseret på planetens afkølingshastighed [19] .
Det næste skridt var Arthur Holmes ' arbejde , som udviklede mere nøjagtige måder at måle koncentrationen af uran og bly på. De var ikke kun egnede til uranmalm, men også til andre mineraler, herunder zirkon . I 1911 offentliggjorde Holmes undersøgelser af en række nye prøver på den raffinerede henfaldskonstant af uran. Da man på det tidspunkt ikke vidste om dannelsen af en del bly som følge af henfaldet af thorium , og endda om eksistensen af isotoper, blev Boltwoods estimater normalt overvurderet med titusindvis af procent; betydelige fejl blev også fundet i Holmes [17] [19] . Imidlertid afveg Holmes' datoer for prøverne fra Devon (ca. 370 Ma) fra Norge ikke mere end 5% fra de moderne [4] .
Yderligere udvikling af metoden var forbundet med udviklingen af massespektrometri og opdagelsen af bly- og uranisotoper på grund af det ( uranium-235 blev opdaget i 1935). I 1930'erne og 1940'erne udviklede Alfred Nir instrumenter, der var i stand til at måle den isotopiske sammensætning af disse grundstoffer med tilstrækkelig nøjagtighed [4] . Den første anvendte massespektrometriske metode var termisk ioniseringsmassespektrometri[1] . Senere kom metoder til at studere mikroskopiske snit af prøver ind i praksis med datering: i slutningen af 1970'erne, sekundær ion massespektrometri [1] (som blev udbredt i 1990'erne) [4] og i begyndelsen af 1990'erne, induktivt koblet massespektrometri plasma og laserablation [20] [21] . Den bedste til datering [5] model af sekundært ion massespektrometer - SHRIMP - blev skabt af William Compston med kolleger fra Australian National University i 1975-1980. Denne opfindelse, ved at reducere den nødvendige masse af prøven med 3 størrelsesordener og markant fremskynde målingerne [22] , markerede begyndelsen på et nyt trin i udviklingen af uran-bly-datering [4] .
I 1955 brugte George Tiltonisotopfortynding til at bestemme sammensætningen af prøver , hvilket åbnede vejen for høj målenøjagtighed og til den massive brug af zirkon, som siden er blevet det vigtigste mineral, der anvendes [21] . I 1950'erne og 1960'erne blev uran- og blyisotopmærker til fortynding bredt tilgængelige [4] . I 1956 foreslog George Weatherill en visualisering af metoden, der er blevet almindeligt anvendt - concordia-diagrammet [1] , og Claire Patterson bestemte Jordens alder ved bly-bly-metoden. I 1971 blev der offentliggjort meget præcise værdier af henfaldskonstanter for uranisotoper [7] , som stadig bruges [1] . I 1973 foreslog Thomas Krogh en metode til opløsning af zircon med flussyre i teflonbeholdere , som reducerede blyforurening af prøver med 3 størrelsesordener [23] . Dette øgede i høj grad nøjagtigheden af datering og antallet af laboratorier involveret i dem [24] [21] [1] . Siden 1950'erne er udviklingen af metoder til at fjerne beskadigede områder af zirkonkrystaller fortsat [25] . I 1982 foreslog Thomas Krogh en succesfuld mekanisk [26] og i 2005 James Mattinson en kemisk [25] metode, som er blevet standard [1] [4] . Takket være disse og andre opfindelser, under eksistensen af uran-bly-metoden, er den nødvendige masse af prøven faldet med mange størrelsesordener, og nøjagtigheden er steget med 1-2 størrelsesordener [1] . Det årlige antal publikationer om uran-bly-datering vokser konstant og mere end tredoblet fra 2000 til 2010 [1] .
Oftest anvendes zirkon (ZrSiO 4 ) til datering efter uran-bly metoden. De næstvigtigste anvendte mineraler er monazit , titanit og baddeleyit [5] . Derudover anvendes perovskit , apatit , allanit , rutil , xenotime , uraninit , calcit , aragonit , thorite , pyrochlor og andre [4] [27] . Nogle gange anvendes metoden på bjergarter , der består af en blanding af forskellige mineraler, samt på ikke-krystallinsk materiale - opal [28] .
Zirkon har en høj styrke, modstandsdygtighed over for kemiske angreb og en høj lukketemperatur , mere end 950-1000°C [29] (dvs. det udveksler ikke bly med miljøet ved lavere temperaturer). Derudover er det vigtigt, at det er vidt udbredt i magmatiske bjergarter . Uran integreres let i sit krystalgitter , og bly er meget vanskeligere, så alt bly i zirkon kan normalt betragtes som dannet efter krystallisation. Mængden af bly af anden oprindelse kan beregnes ud fra mængden af bly-204, som ikke dannes under henfaldet af uranisotoper [30] [1] [21] .
Baddeleyit , monazit og titanit har lignende egenskaber (sidstnævnte får dog mere bly under krystallisation) [2] [29] . Deres lukketemperaturer er henholdsvis >950°C , >750°C og 600-650°C [29] . Baddeleyit, og ved lave temperaturer er monazit med titanit mindre tilbøjelige til tab af bly end zirkon [5] [2] .
Uran-bly-metoden daterer også fossile rester af organismer, der indeholder calciumcarbonat eller apatit , selvom disse materialer er mindre egnede til det. Især er der skøn over apatits alder fra conodont-elementer og fra tænder på hajer og dinosaurer [31] . Dateringen af dette mineral er kompliceret af det lave initiale forhold mellem U/Pb-koncentrationer og andre årsager [32] . Dens lukketemperatur er 425-500°C [29] . Tænder i løbet af organismens liv indeholder praktisk talt ikke uran og thorium og erhverver dem kun under fossilisering ; meget uran optages også ved fossilisering af knogler [31] . Fejlen i dateringen af apatitfossiler tilgængelige for 2012 er omkring 10 % eller mere [33] . I karbonater er initialforholdet mellem U/Pb-koncentrationer tværtimod højt, men de er mere modtagelige for udveksling af stoffer med miljøet (især under deres karakteristiske omdannelse af aragonit til calcit ) [5] . Ifølge 2015-prognosen vil uran-bly-datering af fosfater og karbonater blive intensivt udviklet i de kommende år [4] .
Forskellige krystaller og endda regioner af krystaller fra den samme geologiske enhed kan have forskellig dateringsegnethed: de adskiller sig i graden af skade fra stråling og eksterne faktorer; derudover kan krystallen bestå af en gammel kerne ("arvet kerne"), hvorpå der senere voksede nye lag [1] [5] . Derfor er det nødvendigt at udvælge passende prøver, deres regioner eller fragmenter under et mikroskop. Til dette bruges både optisk og elektronmikroskopi [ 1] [6] .
De ydre områder af zirkonkrystaller er mere tilbøjelige til at blive beskadiget, også fordi de normalt indeholder mere uran [6] . Disse områder kan fjernes mekanisk eller kemisk. I nogen tid var standarden slibning af krystaller under deres cirkulære bevægelse i en luftstrøm i et stålkammer (luftslibning, Thomas Krogh , 1982) [26] , og senere - deres ætsning med flussyre og salpetersyre med foreløbig udglødning ("chemical abrasion", James Mattinson, 2005) [25] [1] . Udglødning er nødvendig for at eliminere gitterdefekter, i nærværelse af hvilken ætsning krænker prøvens elementære og endda isotopiske sammensætning. I modsætning til slid fjerner ætsning beskadigede ( metamiktiserede ) områder og dybt inde i krystallen omkring mikrorevner. Disse behandlingsmetoder øger i høj grad nøjagtigheden af resultaterne [5] [4] [24] [21] [34] .
Til ID-TIMS-undersøgelser opløses forberedte krystaller i flus- eller saltsyre i teflonbeholdere [23] ved at tilføje en isotopetikette (se nedenfor). Ydermere kan uran og bly adskilles fra andre grundstoffer for at forbedre nøjagtigheden ved ionbytningsreaktioner (urenheder gør det vanskeligt at ionisere uran og bly på spektrometrets filament og, i tilfælde af en tæt ionmasse, er det vanskeligt at adskille fra dem under målinger), hvorefter prøven påføres filamentet [1 ] . Til forskning med metoder baseret på bestråling af prøver, er de indesluttet i epoxyharpiks og poleret [20] [31] [35] [36] .
De mest nøjagtige målinger af prøvesammensætning opnås ved termisk ioniseringsmassespektrometri ( TIMS ) i kombination med krystalætsning ( CA ) og isotopfortynding af prøven ( ID ) - CA-ID-TIMS [6 ] .
Brugen af isotopfortynding er forbundet med behovet for nøjagtigt at måle forholdet mellem koncentrationer ikke kun af isotoper af et grundstof (hvilket er let at gøre på massespektrometre ), men også af isotoper af forskellige grundstoffer. For at gøre dette blandes prøven med et isotopmærke (en kendt mængde af de samme grundstoffer med en anden isotopsammensætning), hvorefter den indledende prøvesammensætning kan beregnes ud fra de målte isotopkoncentrationsforhold for hvert grundstof [3] [37 ] [4] [5] .
Følgende metoder til bestemmelse af sammensætningen er egnede til undersøgelse af individuelle mikroskopiske områder af krystaller. De er mindre nøjagtige, men også mindre tidskrævende end TIMS. Da isotopfortynding ikke er anvendelig for dem, kræver de kalibrering mod prøver af kendt sammensætning for nøjagtigt at måle forholdet mellem grundstofkoncentrationer [4] [1] .
Ifølge de gennemsnitlige data fra de mest citerede artikler var fejlen (2 σ ) på 206 Pb/ 238 U -datoer fra 2010 0,2 % for ID-TIMS og omkring 3 % for SIMS og LA-ICP-MS [1] . I nogle laboratorier kan den sædvanlige nøjagtighed af datering af individuelle zirkonkorn (fra 2015) nå op på 0,05 % for ID-TIMS og 0,5 % for SIMS og LA-ICP-MS [2] .
Den forbrugte masse af prøven, ifølge de gennemsnitlige data fra de mest citerede artikler for 2010, var omkring 10 −5 g for ID-TIMS og omkring 5 10 −9 g for SIMS [1] (undersøgelser med SIMS og LA-ICP -MS-metoder bruger prøveareal med en diameter på ti mikron og en dybde på 1-2 mikron (SIMS) eller ti mikron (LA-ICP-MS) [2] [21] ; EPMA og PIXE kan arbejde på et område en størrelsesorden mindre i diameter og ikke ødelægge den) [1 ] [6] [4] [36] . Analysetiden er ifølge de samme data adskillige timer for ID-TIMS, omkring en halv time for SIMS og ≤2 minutter for LA-ICP-MS [1] . I EPMA-undersøgelsen tager ét punkt af prøven sekunder eller titusinder af sekunder, og konstruktionen af et 200 × 200 pixel alderskort tager normalt op til 30 timer [38] [35] .
Brugen af to isotoper af uran gør det muligt at bestemme alderen på en genstand, selvom den har mistet noget af sit bly. Da 235 U henfalder hurtigere end 238 U, vokser forholdet hurtigere end . For prøver uden historie med tab eller tilføjelse af de betragtede isotoper, stiger begge disse forhold med alderen på en nøje defineret måde. Derfor kan de punkter, der svarer til sådanne prøver, på en graf langs akserne, som disse værdier er plottet, kun ligge på en specifik linje. Denne linje er kendt som en concordia eller en kurve af konsistente værdier af absolut alder [40] , punkter falder på den - som konkordant , og ikke faldende - som discordant . Efterhånden som prøven ældes, bevæger prikken sig langs den. Således svarer hvert punkt af concordia til en bestemt alder af prøven. Nul alder svarer til oprindelsen (0,0).
Hvis prøven mister bly, så er tabsprocenten, til en første tilnærmelse, den samme for alle dens isotoper. Derfor forskydes punktet svarende til mønsteret fra concordia mod punktet (0,0). Mængden af skift er proportional med mængden af tabt bly. Hvis vi tager flere prøver af samme alder, som adskiller sig i størrelsen af disse tab, vil de tilsvarende punkter ligge på en ret linje, der skærer concordia og peger tilnærmelsesvis mod origo. Denne lige linje er kendt som discordia ; det er en isokron (det vil sige, at alle dens punkter svarer til samme alder). Det øverste skæringspunkt af concordia med denne linje viser objektets alder [30] [40] .
Det andet (nederste) skæringspunkt svarer ideelt set til alderen for den metamorfe begivenhed , der førte til blytab. Hvis det skete for nylig, er dette punkt ved oprindelsen; efterhånden som prøven ældes, bevæger den sig mod en højere alder [1] . Men hvis blytabet ikke var øjeblikkeligt, men strakte sig over en tid, der kan sammenlignes med prøvens alder, ophører discordia med at være en lige linje. Så betyder positionen af det nederste skæringspunkt af den lige linje, der nærmer sig den med concordiaen, ikke noget. Gradvis blylækage er ikke ualmindeligt, da det i høj grad lettes på steder med strålingsskade på krystallerne. Derfor er fortolkningen af dette punkts position tvetydig [1] ; der er en opfattelse af, at det kun bør betragtes som en indikator for alderen for en mulig metamorfosebegivenhed, når der er nogen geologiske tegn på en sådan begivenhed [5] .
Placeringen af det øvre krydspunkt afhænger ikke af, om blytabet var øjeblikkeligt eller gradvist; dette punkt viser objektets alder i begge tilfælde [5] .
En prøves erhvervelse af uran flytter punkterne på diagrammet på samme måde som tabet af bly, og tabet af uran, såvel som erhvervelsen af bly, i den modsatte retning (“reverse discordance”, eng. reverse uoverensstemmelse ). I tilfælde af tab af uran kan positionen af skæringspunkterne for concordia og discordia fortolkes på samme måde som beskrevet ovenfor. Imidlertid er zircon tilbøjelig til at tabe bly (hvis atomerne er værre integreret i dets krystalgitter og er placeret på steder med dets strålingsskade) [6] , og af de nævnte situationer forekommer det oftest. Den omvendte uoverensstemmelse, som nogle gange observeres i nogle områder af zirkonkrystaller, kan forklares ved migrationen af bly i krystallen [5] ; i nogle mineraler er det mere almindeligt og kan have andre årsager [21] . Anskaffelse af bly gør prøver uegnede til aldersbestemmelse, da den isotopiske sammensætning af dette bly kan variere. Det er dog sjældent [6] .
Ved uran-bly-datering accepteres værdierne af henfaldskonstanter for uran-isotoper, offentliggjort [7] tilbage i 1971 og anbefalet i 1977 [9] af Subcommittee on Geochronology af International Union of Geological Sciences . Deres fejl (2 σ ) er 0,11% for uranium-238 og 0,14% for uranium-235 [5] [6] . Det er mindre end alle andre isotoper brugt til datering [41] [1] , men med udviklingen af metoden er det blevet den største hindring for at øge nøjagtigheden af resultaterne (fejlen fra andre fejlkilder viser sig ofte at være mindre end 0,1 %) [5] [42] [2] .
En sammenligning af de opnåede data for forskellige isotoper af uran viste, at der er en vis inkonsistens i de accepterede værdier af disse konstanter, hvilket kan forklares ved, at værdien af uran-235 henfaldskonstanten er undervurderet med 0,09 % (selvom den ikke overstiger den angivne fejl). Korrektion af denne værdi kan øge dateringsnøjagtigheden lidt, men yderligere forfining kræver nye målinger af de nævnte konstanter [42] [43] [41] [6] , og disse målinger er en presserende opgave [44] . Derudover viser moderne undersøgelser, at det gennemsnitlige forhold mellem uranisotopkoncentrationer for terrestriske bjergarter , hvilket er vigtigt for bly-bly-datering , er lidt mindre end den accepterede [9] værdi på 137,88 og er omkring 137,82, og i forskellige prøver er det forskelligt. med hundrededele og endda tiendedele af en procent [6] [4] [1] .
Ordbøger og encyklopædier |
---|