Викизнание обсуждение:Главная страница

Материал из Викизнание
(перенаправлено с «Обсуждение:Заглавная страница»)
Перейти к: навигация, поиск
Реклама на Викизнании (разместить):


УРАН: ВРЕМЯ ОБРАЗОВАНИЯ И МЕХАНИЗМЫ НАКОПЛЕНИЯ РАДИОГЕННЫХ СВИНЦОВ[править]

Время образования урана[править]

Под возрастом урана понимается интервал времени, прошедшего с момента образования элемента в результате протекания галактических процессов по настоящее время. Проблема возраста химических элементов не является проблемой собственно геохронологии как науки, «изучающей возрастную последовательность геологических процессов» (Ранкама, 1956). Но при определении возраста земной коры и Земли в целом как планеты- части Солнечной системы «эта проблема возникла в связи с решением задачи о верхней (максимальной) границе возраста Земли 1, 2, 3Возраст Земли и геохронология. В ранний период развития геохронологии возраст Земли и элементов устанавливался на основе анализа распространенности изотопов U,Pb\! (1, 2; Соботович, 1970) [1][2]. Потом были использованы данные по распространенности K,Ar,Ne,Sm,Cm,Pu\! и т.д., а также стабильных изотопов (O,Si\! и др.) 3. Основные результаты с использованием нескольких «моделей» (гипотез) образования вещества Солнечной системы изложены во многих работах (3 и др.).

Существуют две основные гипотезы образования ядер элементов, в частности, урана[3]: 1) путем одноактного процесса или 2) постепенно в пределах нашей Галактики в течение 20 млрд. лет при окончании процесса нуклеосинтеза около 5 млрд. лет назад (Соботович, 1970). Считается, что «имеющиеся в настоящее время изотопные данные заставляют отказаться от представлений о гомогенной Солнечной системе в пользу изотопно гетерогенной модели …» 3. Однако «происхождение изотопной гетерогенности остается спорным вопросом» (3, стр.223). Одной из проблем, возникающих при решении этих вопросов, «…остается не объяснимым отсутствие значительных вариаций изотопного состава урана» (3, стр.9).

Впервые вопрос об определении возраста U Возраст Земли и геохронология на основе первой гипотезы поднял Резерфорд (Баранов, 1955), использовавший для этих целей отношение R(U)={{}^{{238}}U \over {}^{{235}}U}. Приняв R(U)=1\!, он получил значение возраста в 4 млрд. лет. В то же время появились предпосылки для возникновения и второй гипотезы. Это косвенно следует из методики Коллинса и др. 2, принявшего за начало образования элементов время, при котором распространенность изотопа свинца {}^{{206}}Pb\! [4] равна нулю ("приобретает отрицательное значение"). А это означает, что авторы 3 предполагают существование такого интервала времени (1 этап), когда существовал только изотоп {}^{{238}}U\!. Во второй этап был образован уже изотоп {}^{{235}}U\!. Следствием этого должна быть независимость концентраций этих изотопов друг от друга, в результате чего в разных частях Солнечной системы возможны разные значения R(U)\!. Как отмечалось (З, стр.9), имеющиеся измерения этого отношения в объектах разного возраста и генетической природы показали значительное его постоянство. В то же время проведенные измерения в некоторых фракциях метеоритов установили колебания концентраций изотопов R(U)\! в пределах 89,88-163,50 7, природа которых не установлена. В дальнейшем при анализе (Burbidge et al., 1957; Fowler et al., 1960) исходной распространенности изотопов U\! были приняты значения R(U)=1;=1,65;=2,0\!. При согласовании с другими данными (распространенность Ar,Sr\! и др. элементов (Левский, Морозова, 1969)) окончательно принято значение R(U)=1,64-1,65\! при условии, что изотопы U\! образованы в простой сверхновой звезде, остатками которой являются Солнце и Солнечная система 7.

Не вставая на ту или иную точку зрения о механизме образовании элементов, отметим, что возможности определения величины R(U)\! для первой гипотезы не исчерпаны 15. При решении задачи приняты аксиомы:

-значения постоянных радиоактивного распада ядер {}^{{235}}U\! и {}^{{238}}U\! соответственно есть величины постоянные и не зависимые от времени: Невозможно разобрать выражение (лексическая ошибка): \lambda_{8} = 1,5369х10^{-10}\!
и Невозможно разобрать выражение (лексическая ошибка):  \lambda_{5} = 9,721бх10^{-10}\!
12;
-время протекания нуклеосинтеза настолько мало, что к моменту его завершения количество атомов дочернего элемента, которое образовалось при появлении первых и последуюших атомов U\!, бесконечно мало. Другими словами образование ядер изотопов U\! происходит практически мгновенно. Условием выполнения этой гипотезы является замкнутость системы, в которой определяется распространенность атомных ядер (Баранов, 1955). Изотопы урана достаточно хорошо удовлетворяют этому условию, поскольку в природных условиях они практически не разделяются, всегда мигрируют вместе и величина R(U)\! определяется только радиоактивным распадом. Редкие отклонения, достигающие R(U)=200\! в Окло (Ланцелот и др., 1975) или R(U)=89-163,5\! в метеоритах 7, в общем, не меняют представлении о постоянстве R(U)=137,88\! 12.

По современным взглядам 7 Солнце и Солнечная система - остатки от взрыва некоторой Сверхновой звезды, соответствуя первому механизму образования урана. Тогда на некотором отрезке времени после взрыва, обозначаемого через t_{{p}}^{{**}}\!, начинается синтез атомов U\! с выполнением указанных условий. С этого момента действует уравнение радиоактивного распада в форме {}^{{i}}U_{{t_{{p}}^{{*}}}}={{}^{{i}}U_{{0}}}\cdot {\exp {\left(-\lambda _{{i}}\cdot {t_{{p}}^{{*}}}\right)}}), в котором {}^{{i}}U_{{0}}\! –исходное, {}^{{i}}U_{{t_{{p}}^{{*}}}}\!- конечное количество атомов к моменту времени t_{{p}}^{{*}}\! (i=235,238\!); \lambda _{{i}}\! –постоянная радиоактивного распада; t_{{p}}^{{*}}=\Delta {t_{{p}}^{{**}}}=t_{{p_{{2}}^{{**}}}}-t_{{p_{{1}}^{{**}}}}\! . Количество выделившегося Pb\! определится по уравнению (1):

\left({{}^{{206}}Pb \over {}^{{207}}Pb}\right)_{{t_{{p}}^{{*}}}}={\left({{}^{{238}}U \over {}^{{235}}U}\right)_{{0}}}\cdot {{\left(1-{\exp {\left(-\lambda _{{8}}\cdot {t_{{p}}^{{*}}}\right)}}\right)} \over {\left(1-{\exp {\left(-\lambda _{{5}}\cdot {t_{{p}}^{{*}}}\right)}}\right)}}\qquad (1)

Простая подстановка t_{{p}}^{{*}}=0\! приводит к тому, что lim \left({{}^{{206}}Pb \over {}^{{207}}Pb}\right) = limR(U)=0/0\! . Обходя эту неопределенность с помощью правила Лопиталя, при t_{{p}}^{{*}}\rightarrow 0\! Г.Фор (1989 г.) получил соотношение (2), определяющее исходную величину отношения концентраций.

\left({{}^{{206}}Pb \over {}^{{207}}Pb}\right)_{{0}} = lim \left({{}^{{206}}Pb \over {}^{{207}}Pb}\right)_{{t_{{p}}^{{*}}\rightarrow 0}}={\color {red}{{\left({\lambda _{{8}} \over \lambda _{{5}}}\right)}{R(U)_{{0}}}}}\qquad (2)

С другой стороны положим, что \Delta t_{{p}}^{{*}}\! - это время, в течение которого происходит радиоактивный распад одного атома {}^{{238}}U\! и образование соответственно атома {}^{{206}}Pb\!. За этот же отрезок времени количество распавшихся атомов {}^{{235}}U\! и образовавшихся атомов {}^{{207}}Pb\! найдется по отношению {\lambda _{{8}} \over \lambda _{{5}}}. Подстановка его в (2) дает величину исходного отношения (3) концентраций изотопов U\!.

{\color {red}{\left({{}^{{238}}U \over {}^{{235}}U}\right)_{{0}}=R(U)_{{0}}=1}}\qquad (3)

Отсюда возраст U\! определится равенством

t_{{p}}^{{*}}={{ln137,88} \over \left({\lambda _{{5}}}-{\lambda _{{8}}}\right)}\cdot {{4,92638\cdot 10^{{10}}} \over {\left(9,7216-1,5369\right)}}=5,937 млрд.лет

Этот результат не соответствует данным Резерфорда (Баранов, 1955) и Коллинса [2], но близок оценке [1]; мы же относим его не ко всем элементам, а только к U\!. Близкие варианты получены Расселом и Фаркуаром (1962), интерпретировавших их как возраст Земли, что вряд ли правомерно. Наконец, они схожи с данными Э.М. Соботовича (1968), принявшего значение R(U)_{{0}}=1,65\!и предположение, что процесс уранообразующего нуклеосинтеза является длительным. Полученные результаты приводят к некоторым практическим следствиям.

Гипотеза Э.К.Герлинга[править]

В некоторых работах (Герлинг и др., 1973) ставится под сомнение неизменность констант радиоактивного распада. Все сказанное позволяет провести проверку этого предположения с помощью соотношения (2), по которому современному R(U)=137,88\! соответствует R(Pb)=21,798\! (применительно к весовым отношениям R(Pb)=21,904\!); это же значение уже проверяется точными методами. Тем не менее, можно грубо оценить эту величину. В работе 10 описано U\!- оруденение в песчаниках юры формации Моррисон (New Mexico). Самые молодые руды - это типичные роллы с возрастом t<1\!млн. лет. В табл.1 приведены результаты изотопного анализа рудного Pb\! в этих роллах. Обработка проб проводилась по методике 4, 5; при этом радиогенное отношение R(Pb)_{{p}}\! в зависимости от схемы построений изменяется от 19,427 до 22,959. Гипотетическое значение R(Pb)\! попадает в этот интервал, показывая непротиворечивость его фактическому материалу.

Таблица 1.Изотопный состав свинца урановых руд и роллах
№№ проб Изотопный состав Pb\!
{}^{{204}}C {}^{{204}}C {}^{{204}}C
А1 1,265 27,13 20,26
A2 0,973 43,78 16,32
A4 1,082 38,37 17,80
A5-1 1,208 31,14 19,41
A5-2 1,181 32,62 19,13
A5-3 1,166 33,43 18,87
A5-4 1,190 33,11 19,22
A5-5 1,175 33,21 19,01
A6 0,372 74,6) 10,29

Нужно отметить, что при анализе этой проблемы Э.К.Герлинг допустил две методические ошибки: во-первых, он решал эту проблему на основе сопоставления разных минералов с разными изотопами. Правильно было бы исследовать один минерал, который содержал бы одновременно изотопы разных радиоактивных и радиогенных элементов. Во-вторых, он не вносил поправки на изменения изотопных отношений, происходивших в течении геологической истории существования минералов под действием изменяющихся термодинамических условий жизни этих минералов.

Механизмы накопления радиогенных свинцов[править]

В настоящее время (13;12) возраст геологических образований определяется по уравнению (4):

\left({\frac  {{}^{{206}}Pb}{{}^{{207}}Pb}}\right)_{{meas}}=R(U){}_{{modern}}\left(=137,88\right)\cdot f(t_{{1}})\qquad (4)

Здесь meas = measured-измеренный, modern- современный. Тогда в процессе радиоактивного распада Невозможно разобрать выражение (лексическая ошибка): R(Рb)\!

меняется с течением времени и фиксируемый в минерале Невозможно разобрать выражение (лексическая ошибка): Рb\!
отражает конечную стадию его накопления. Это есть первый механизм формирования изотопного состава радиогенного свинца. Объединение  же равенств (2) и (1) приводит к уравнению (5) и новому уравнению (6) для расчета возраста минералов. 

\left({\frac  {{}^{{206}}Pb}{{}^{{207}}Pb}}\right)_{{meas}}=\left({\frac  {{}^{{206}}Pb}{{}^{{207}}Pb}}\right)_{{0}}=21,798\cdot {\exp \left[t\left({\lambda _{{8}}}-{\lambda _{{5}}}\right)\right]}\qquad (5)

t_{{1}}=\left[0,37099-{\left[1n\left({\frac  {{}^{{206}}Pb}{{}^{{207}}Pb}}\right)_{{meas}}\right] \over 8,2972}\right]\cdot 10^{{10}}\qquad (6)

С коэффициентом корреляции r=0,998\! величина t_{{1}}=0,7282\cdot t.

Согласно этим данным возможен второй механизм формирования изотопного состава Pb\!: после выделения его первых порций с отношениями по равенству (2) дальнейший распад уже не меняет этого отношения. В этом случае изотопный состав Pb\! отражает начальные значения этого отношения, а возраст минерала должен определяться по уравнению (6). Для проверки этой гипотезы по методике 4, 5 определялся возраст Pb\! в минералах, который сравнивался с имеющимися независимыми определениями возраста с помощью других методов. Для примера в табл.2 приведены результаты анализов К- полевых шпатов из гранитов 11,

Таблица 2.Изотопный состав свинца калиевых полевых шпатов
№№ проб концентрации изотопов Pb\!
{}^{{204}}C {}^{{204}}C {}^{{204}}C
1 1,387 24,60 21,65
2 1,379 24,71 21,52
3 1,381 24,76 21,57
4 1,387 24,58 21,67
5 1,395 24,56 21,72
6 1,361 24,94 21,20
Изотопный состав свинца рассчитан из величин изотопных отношений

а в табл.3 - результаты расчетов радиогенных составляющих и сопоставления возрастов минералов. Согласно 4, 5 основная часть выборок (кроме первой) соответствует системам, в которых основным поставщиком Pb\! является U\!. Данные таб.3 показывают близость возрастов, соответствующих второй гипотезе

Таблица 3.Результаты сравнения геохронологических данных по изотопным анализам свинца и других элементов
Минерал Породы \gamma \! Возраст,млн.лет Источники

изотопных анализов

По (1) По (7) Эталонный по методам
Rb-Sr\! K-Ar\!
КШ ГР 0,1109 1800 1060 705* нд [11], табл.2
КШ ГР 0,2246 3100 1910 2259 нд В.М.Оверсби,1976
КШ ГР 0,2567 3300 2071 2110-1490 нд Дж.Н.Рошальт и др.,1976
БИ ГН 0,3819 3900 2550 1591 2317 Г. Баадсгаард и др.,1976
ПР МВ 0,1164 1900 1118 1957* нд Д.Л.Рейд, 1979
Примечание:\gamma ={1 \over {R(Pb)_{{0}}}} - отношения радиогенных свинцов; (*) -возраст в целом по породе.

Нд-нет данных; КШ-калиевый полевой шпат; БИ- биотит; ПР- порода; ГР-гранит; ГН-гнейс; МВ- метавулканит

образования U\!, максимальным значениям возрастов, рассчитанных по Rb-Sr\! и K-Ar\! методам. Только в породной выборке это соотношение не выполняется, поскольку в ней присутствуют свинцы разной природы. Полученные результаты показывают, что накопление радиогенного свинца возможно происходит так, как предполагает вторая гипотеза образования этих элементов.

Проблема галенитного свинца[править]

Согласно общепринятым представлениям в радиогенной системе присутствуют только радиогенный свинец Pb_{{p}}\!, образованный при радиоактивном распаде находящегося в ней урана или тория, и примесный свинец Pb_{{0}}\!, не связанный с этими материнскими изотопами. По своей природе Pb_{{0}}\! – это радиогенный Pb\!, оторванный от своего родителя U\! и перенесенный в другое место до, во время или после отложения U\!. Возраст Pb_{{p}}\! определяется с помощью классических уравнений, полагая, что радиоактивный распад происходит с момента отложения минерала до настоящего времени и величина C_{{ip}}\! отражает современный состав радиогенной компоненты. Положение с примесной составляющей иное, к определению ее возраста стандартный подход должен быть осторожным. Компонентом примесного свинца в официальной геохронологии является «обыкновенный» свинец (далее ОС), предназначенный для оценки количества и определения возраста РК. Параметры ОС выбираются априорно, исходя из геологической ситуации, т.е. произвольно. Часто за ОС принимается Pb метеоритов или вмещающих оруденение пород. Другой представитель ОС- Pb\! формально парагенных оруденению галенитов (галенитный свинец- ГС). Часть ГС, остающаяся при вычитании некоторого эталонного Pb\! (например, в методе Холмса- Гаутерманса)12, принимается в качестве РК и к ней применяются стандартные схемы расчета. Следовательно, предполагается, что РК образуется в процессе распада урана в МИ и характеризует современный ее изотопный состав. На самом деле это не совсем так. В галените (ГЛ) нет cобственного U\!, а количество своего Pb\! достигает 86,6 вес.%. При отложения минерала U\! попадает в ГЛ в таких малых количествах, что образующаяся радиогенная компонента (хотя она и ловится 4,5) практически не влияет на изотопный состав ГС. Поэтому галенитный свинец характеризует состав Pb\!, бывшего в системе в момент образования минерала. За время существования ГЛ его состав не изменяется и остается практически постоянным. Это –законсервированный Pb\! и к нему стандартные схемы расчёта возраста не применимы. Таким образом в галените выделяют два вида свинца:

1.Свинец радиогенный, наложенный. Его определяя, получают возраст t_{{p}}\!;
2.Свинец первичный, соответствует тому количеству урана, которое было в системе на момент отложения Pb\!. Этот возраст равен t^{{*}}\!.

В этом случае общий возраст свинца равен t_{{C}}=t_{{p}}+t^{{*}}. В таблице №4 приведены примеры расчёта общего возраста свинца (в млн. лет).

Таблица 4. Расчёт общего возраста галенитного свинца
№№ п.п. Регион, вмещающие породы,их возраст Средний состав свинца галенита Радиогенный свинец, отн% tпр tp Rt t* tC = tp+ t* Источник анализов
X Y Z 206Cp 207Cp 208Cp
1 Сёдбери;габброид докемб 23,44 16,84 45,16 53,80 13,33 32,15 1200 3200 10,05 4200 7400 Тугаринов,1955
2 Швеция, жилы Cal,докемб 24,80 16,40 42,48 60,86 7,57 32,90 400 2050 25,75 2200 4250 Johanson,1983
3 Швеция, жилы Qw,докемб 18,29 15,74 38,27 73,70 8,12 16,40 400 1850 30,33 3100 4950
4 Ю.Верхоянье,доломит,венд 18,64 15,78 38,60 58,40 2,85 36,20 500 1360 124,4 4700 4836 Натанов,1981
5 Енисей.кряж,жилы в доломите 17,09 15,31 37,11 63,20 10,40 24,50 900 2530 66,91 4600 7130 Волобуев,1963
Примечание: Cal- кальцит; Qw - кварц; tпр - официально принятый возраст галенитов в млн. лет. Rt - отношение концентраций изотопов урана в момент времени t.

Состав галенитного свинца, несмотря на разнобой в t_{{pr}}\! (pr - проба), достаточно однороден. По методике 14 выявляется радиогенная компонента с возрастом tp, но всегда tp> tпр. Суммарный свинец tС, в основном, в пределах нормы, только два семейства выборок имеют возраст, больше возраста урана. Это, видимо, связано с тем, что и эти семейства имеют сложный состав. Проверка версии с помощью представлений об "явлении компенсации"14 показывает, что эти семейства образуют род {Pb}\, из источника уровня 2, в котором выделяется компонента состава X02 : Y02 : Z02 = 21,31 : 15,42 : 40,78. Значение величины X02 показывает, что и эта компонента радиогенна, свидетельствуя о наличии свинца Pb03 более глубокого уровня.

РАЗНОЕ[править]

ЛИТЕРАТУРА[править]

1.Баранов В. И. Последние данные по определению абсолютного возраста Земли. //Вопросы космологии, 1958, T. . .- С.39-55.
2 Коллинс С., Рассел Р., Фаркуар Р. Максимальный возраст элементов и возраст Земной коры. //Изотопы в геологии.- М.: изд. ИЛ. 1954.- С.203-223.
3.Левский Л.К. Изотопно-геохимические модели образования вещества солнечной системы. /Геохимия радиогенных изотопов на ранних стадиях эволюции Земли. - М.: Нaукa,1983. -С.5-24.
4. Макаров В.П. Об определении возраста урановых минералов. //Геология и геофизика.-1991 -N4.-С.76-81.
5. Макаров В.П. Особенности распределений относительных содержаний изотопов свинца.//Сов.геология.-1991, №6.-С. 56- 61.
6. Макаров В.П. О природе обыкновенного свинца в минералах.// Отечественная геология, 1994, №5. - С.67-76.
7. Соботович Э.В. Гетерогенность протопланетного вещества по изотопным данным. //Геохимия.-1981.-№12.-С-1805-1815.
8. Шуколюков Ю.А. Изотопная космогеохронология. /Гeoxимия радиогенных изотопов на ранних стадиях эволюции Земли. – М.: Наука, 1983. – С.25- 42.
9. Шуколюков Ю.А. Изотопная неоднородность Солнечной системы: причины и следствия. //Геохимия,1988,- №2.—С. 200-211.
10. Ludwig К.R., Rubin В.,Fishman N.B., Reynolds R.L. U-РЬ ages of uranium orеs in the Church rock uranium district Mew Nexico. //Есоn. gео1.-1982, V.77.-№8 -Р.1942-1945.
11.Weis D., Dentsch S. Nd and Рb isotope evidence from the Seychelles granites and their xenolites: mantle origin with slight upper-crust interaction for alkaline anorogenic complexes. //Isot. Geosci. –1984,V.2.-N1.-Р.13-ЗЗ.
12. Шуколюков Ю.А. и др. Графические методы изотопной геологии. М.: Наука, 1974
13. Старик И.Е. Ядерная геохронология. М.-Л.: изд. АН СССР,1961.
14. Макаров В.П.«Явление компенсации» - новый вид связи между геологическими объектами./Мат-лы I междун. Научно-практич. конференции «Становление современной науки-2006». Т.10. Днепропетровск: Наука и образование, 2006. С. 85-115.
15. Макаров В.П.О времени образования изотопов урана и механизм накопления радиогенного свинца./Мат-лы XIII научного семинара «Система планета Земля». М.: РОО «Гармония строения Земли и планет». 2005. С. 115 - 120

РЕСУРСЫ ИНТЕРНЕТА[править]

  1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Уран_(элемент)
  2. http://ru.science.wikia.com/wiki/Уран_(элемент)
  3. http://ru.wikipedia.org›Свинец
  4. http://rsu.edu.ru›…learning/Krivcova…Posobie…vozrast.htm Возраст Земли и геохронология
Статью можно улучшить?
✍ Редактировать 💸 Спонсировать улучшение 🔔 Подписаться на обновления

Только ваши пожертвования и спонсорская поддержка позволяют Викизнанию жить и развиваться!