Metoda uran-olovo je jedním z typů radioizotopového datování . Aplikuje se na geologické objekty obsahující uran a je založena na určení, jaká jeho část se během existence objektu (od okamžiku, kdy v něm vykrystalují minerály) rozpadla. Používají se dva izotopy uranu , jejichž rozpadové řetězce končí různými izotopy olova ; tím se výrazně zvyšuje spolehlivost výsledků.
Tato metoda je jednou z nejstarších a dobře vyvinutých metod radioizotopového datování a je-li dobře provedena, je nejspolehlivější metodou pro objekty staré stovky milionů let. U jedné z jeho variant dosáhla průměrná chyba výsledků z nejcitovanějších článků do roku 2010 0,2 % a některé laboratoře dostávají mnohem méně [1] [2] . Je možné datovat jak vzorky věkově blízké Zemi, tak vzorky mladší než 1 milion let [3] [4] [1] . Větší spolehlivosti a přesnosti je dosaženo použitím dat ze dvou rozpadových řetězců a díky některým vlastnostem zirkonu , minerálu běžně používaného pro datování uranu a olova. Tato metoda je považována za „zlatý standard“ geochronologie [5] [6] .
Používají se následující izotopové transformace:
238 U → 206 Pbs poločasem rozpadu4,4683 ± 0,0024 miliardylet [7] (radiová řada - vizRadioaktivní řada), 235 U → 207 Pbs poločasem rozpadu0,70381± 0,00048 Ga [7] (aktiniová řada).Někdy se kromě nich používá rozpad thoria-232 ( metoda uran-thorium-olovo ):
232 Th → 208 Pbs poločasem rozpadu 14,0 Ga [Comm. 1] [8] [9] (thoriová řada).Všechny tyto přeměny procházejí mnoha stádii, ale intermediární nuklidy se rozpadají mnohem rychleji než ty mateřské.
Poločasy 235 U a 238 U jsou určeny přesněji než u všech ostatních izotopů používaných v geochronologii. Ale s nejpřesnějšími studiemi je chyba poločasů na prvním místě mezi zdroji chyb .
Rozpad uranu umožňuje určit stáří jinými způsoby:
Ernest Rutherford přišel na začátku 20. století s myšlenkou určit stáří hornin na základě rozpadu uranu. V té době se ještě nevědělo, že při tomto procesu vzniká olovo a první pokusy o datování byly založeny na množství dalšího rozpadového produktu uranu, helia . Rutherford vyslovil první odhad stáří uran-helium (a radioizotop obecně) na přednášce v roce 1904 [Comm. 2] [14] [15] [16] .
V roce 1905 měl Bertram Boltwood podezření, že olovo vzniká také z uranu, a Ernest Rutherford poznamenal, že datování z něj by mělo být přesnější než z helia, které snadno opouští horniny [17] . V roce 1907 Boltwood provedl odhad konstanty rozpadu uranu, určil poměr koncentrací olova a uranu v řadě vzorků uranové rudy a získal stáří od 410 do 2200 milionů let [18] . Výsledek byl velmi důležitý: ukázal, že stáří Země je mnohonásobně větší než 20-40 milionů let, které o deset let dříve získal William Thomson na základě rychlosti ochlazování planety [19] .
Dalším krokem byla práce Arthura Holmese , který vyvinul přesnější způsoby měření koncentrace uranu a olova. Byly vhodné nejen pro uranové rudy, ale i pro další minerály včetně zirkonu . V roce 1911 Holmes publikoval studie řady nových vzorků o rafinované rozpadové konstantě uranu. Protože se v té době nevědělo o vzniku části olova v důsledku rozpadu thoria , a dokonce ani o existenci izotopů, byly Boltwoodovy odhady většinou o desítky procent nadhodnoceny; významné chyby byly nalezeny i u Holmese [17] [19] . Holmesova data pro devonské (asi 370 Ma) vzorky z Norska se však od moderních nelišila o více než 5 % [4] .
Další rozvoj metody souvisel s rozvojem hmotnostní spektrometrie a díky ní objevem izotopů olova a uranu ( uran-235 byl objeven v roce 1935). Alfred Nir vyvinul ve 30. a 40. letech 20. století přístroje schopné měřit izotopové složení těchto prvků s dostatečnou přesností [4] . První použitou hmotnostní spektrometrickou metodou byla tepelná ionizační hmotnostní spektrometrie[1] . Později do datovací praxe vstoupily metody studia mikroskopických řezů vzorků: koncem 70. let 20. století hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů [1] (která se rozšířila v 90. letech 20. století) [4] , na počátku 90. let pak plazma hmotnostní spektrometrie s indukčně vázanou vazbou . a laserová ablace [20] [21] . Nejlepší pro datování [5] model hmotnostního spektrometru sekundárních iontů - SHRIMP - vytvořil William Compston s kolegy z Australian National University v letech 1975-1980. Tento vynález snížením požadované hmotnosti vzorku o 3 řády a výrazným urychlením měření [22] znamenal začátek nové etapy ve vývoji datování uran-olovo [4] .
V roce 1955 George Tilton použil k určení složení vzorků izotopové ředění , což otevřelo cestu k vysoké přesnosti měření a k masivnímu použití zirkonu, který se od té doby stal hlavním používaným minerálem [21] . V 50. a 60. letech se staly široce dostupné izotopové štítky uranu a olova pro ředění [4] . V roce 1956 navrhl George Weatherill vizualizaci metody, která se stala běžně používanou – concordia diagram [1] , a Claire Pattersonová určila stáří Země metodou olovo-olovo. V roce 1971 byly publikovány velmi přesné hodnoty rozpadových konstant izotopů uranu [7] , které se používají dodnes [1] . V roce 1973 Thomas Krogh navrhl metodu rozpouštění zirkonu kyselinou fluorovodíkovou v teflonových nádobách, která snížila kontaminaci vzorků olovem o 3 řády [23] . To značně zvýšilo přesnost datování a počet laboratoří, které se na nich podílejí [24] [21] [1] . Od 50. let 20. století pokračuje vývoj metod odstraňování poškozených oblastí krystalů zirkonu [25] . V roce 1982 navrhl Thomas Krogh úspěšnou mechanickou [26] a v roce 2005 James Mattinson chemickou [25] metodu, které se staly standardem [1] [4] . Díky těmto a dalším vynálezům se za dobu existence metody uran-olovo snížila potřebná hmotnost vzorku o mnoho řádů a přesnost se zvýšila o 1-2 řády [1] . Roční počet publikací věnovaných datování uran-olovo neustále roste a od roku 2000 do roku 2010 se více než ztrojnásobil [1] .
Nejčastěji se pro datování metodou uran-olovo používá zirkon (ZrSiO 4 ). Dalšími nejdůležitějšími použitými minerály jsou monazit , titanit a baddeleyit [5] . Dále se používá perovskit , apatit , allanit , rutil , xenotim , uraninit , kalcit , aragonit , thorit , pyrochlor a další [4] [27] . Někdy je metoda aplikována jak na horniny sestávající ze směsi různých minerálů, tak i na nekrystalický materiál - opál [28] .
Zirkon má vysokou pevnost, odolnost proti chemickému napadení a vysokou uzavírací teplotu , více než 950–1000 °C [29] (tj. při nižších teplotách si nevyměňuje olovo s okolím). Kromě toho je důležité, že je široce rozšířen ve vyvřelých horninách . Uran je snadno integrován do jeho krystalové mřížky a olovo je mnohem obtížnější, takže veškeré olovo v zirkonu lze obvykle považovat za vytvořené po krystalizaci. Množství olova jiného původu lze vypočítat z množství olova-204, které nevzniká při rozpadu izotopů uranu [30] [1] [21] .
Baddeleyit , monazit a titanit mají podobné vlastnosti (ten však při krystalizaci získává více olova) [2] [29] . Jejich uzavírací teploty jsou >950 °C , >750 °C a 600–650 °C [29 ] . Baddeleyit a při nízkých teplotách monazit s titanitem jsou méně náchylné ke ztrátě olova než zirkon [5] [2] .
Metoda uran-olovo také datuje fosilní pozůstatky organismů obsahujících uhličitan vápenatý nebo apatit , i když tyto materiály jsou pro ni méně vhodné. Konkrétně existují odhady stáří apatitu z konodontových prvků a ze zubů žraloků a dinosaurů [31] . Datování tohoto minerálu komplikuje nízký počáteční poměr koncentrací U/Pb a další důvody [32] . Jeho uzavírací teplota je 425-500°C [29] . Zuby během života organismu uran a thorium prakticky neobsahují a získávají je až při fosilizaci ; hodně uranu je také absorbováno při fosilizaci kostí [31] . Chyba v datování apatitových fosilií dostupných pro rok 2012 je asi 10 % nebo více [33] . U uhličitanů je počáteční poměr koncentrací U/Pb naopak vysoký, jsou však náchylnější k látkové výměně s prostředím (zejména při jejich charakteristické přeměně aragonitu na kalcit ) [5] . Podle prognózy z roku 2015 se bude v následujících letech intenzivně rozvíjet uranovo-olovnaté datování fosfátů a uhličitanů [4] .
Různé krystaly a dokonce i oblasti krystalů ze stejné geologické entity mohou mít různou vhodnost datování: liší se stupněm poškození radiací a vnějšími faktory; krystal se navíc může skládat z prastarého jádra („zděděného jádra“), na kterém později vyrostly nové vrstvy [1] [5] . Proto je nutné pod mikroskopem vybrat vhodné vzorky, jejich oblasti nebo fragmenty. K tomu se využívá jak optická , tak elektronová mikroskopie [1] [6] .
Vnější oblasti krystalů zirkonu jsou náchylnější k poškození, také proto, že obvykle obsahují více uranu [6] . Tyto oblasti lze odstranit mechanicky nebo chemicky. Určitou dobu bylo standardem obrušování krystalů při jejich krouživém pohybu v proudu vzduchu v ocelové komoře (air abrasion, Thomas Krogh , 1982) [26] , později - jejich leptání kyselinou fluorovodíkovou a dusičnou s předběžným žíháním ("chemická abraze", James Mattinson, 2005) [25] [1] . Žíhání je nutné k odstranění defektů mřížky, v jejichž přítomnosti leptání narušuje elementární a dokonce izotopové složení vzorku. Na rozdíl od abraze, leptání odstraňuje poškozené ( metamiktizované ) oblasti a hluboko v krystalu, kolem mikrotrhlin. Tyto metody zpracování značně zvyšují přesnost výsledků [5] [4] [24] [21] [34] .
Pro studie ID-TIMS se připravené krystaly rozpustí v kyselině fluorovodíkové nebo chlorovodíkové v teflonových nádobách [23] přidáním izotopové značky (viz níže). Dále lze uran a olovo oddělit od jiných prvků, aby se zlepšila přesnost iontoměničovými reakcemi (nečistoty znesnadňují ionizaci uranu a olova na vláknu spektrometru a v případě blízké iontové hmoty je obtížné je oddělit od během měření), poté je vzorek nanesen na vlákno [1 ] . Pro výzkum metodami založenými na ozařování vzorků jsou uzavřeny v epoxidové pryskyřici a leštěny [20] [31] [35] [36] .
Nejpřesnější měření složení vzorku jsou získána tepelnou ionizační hmotnostní spektrometrií ( TIMS ) v kombinaci s krystalovým leptáním ( CA ) a izotopovým ředěním vzorku ( ID ) - CA-ID-TIMS [6 ] .
Použití izotopového ředění je spojeno s potřebou přesně měřit poměr koncentrací nejen izotopů jednoho prvku (což lze snadno provést na hmotnostních spektrometrech ), ale i izotopů různých prvků. K tomu je vzorek smíchán s izotopovou značkou (známé množství stejných prvků s odlišným izotopovým složením), načež lze počáteční složení vzorku vypočítat z naměřených poměrů koncentrace izotopů každého prvku [3] [37 ] [4] [5] .
Pro studium jednotlivých mikroskopických oblastí krystalů jsou vhodné následující metody stanovení složení. Jsou méně přesné, ale také méně časově náročné než TIMS. Vzhledem k tomu, že izotopové ředění pro ně není použitelné, pro přesné měření poměru koncentrací prvků vyžadují kalibraci proti vzorkům známého složení [4] [1] .
Podle zprůměrovaných údajů z nejcitovanějších článků byla chyba (2 σ ) dat 206 Pb/ 238 U k roku 2010 0,2 % pro ID-TIMS a asi 3 % pro SIMS a LA-ICP-MS [1] . V některých laboratořích může obvyklá přesnost datování jednotlivých zirkonových zrn (stav k roku 2015) dosahovat 0,05 % pro ID-TIMS a 0,5 % pro SIMS a LA-ICP-MS [2] .
Spotřebovaná hmotnost vzorku byla podle zprůměrovaných údajů z nejcitovanějších článků za rok 2010 asi 10 −5 g pro ID-TIMS a asi 5 10 −9 g pro SIMS [1] (studie pomocí SIMS a LA-ICP -MS metody spotřebovávají plochu vzorku o průměru desítek mikronů a hloubce 1-2 mikrony (SIMS) nebo desítky mikronů (LA-ICP-MS) [2] [21] ; EPMA a PIXE mohou pracovat na ploše řádově menší v průměru a nezničte ho) [1 ] [6] [4] [36] . Doba analýzy je podle stejných údajů několik hodin pro ID-TIMS, asi půl hodiny pro SIMS a ≤2 minuty pro LA-ICP-MS [1] . Ve studii EPMA trvá jeden bod vzorku sekundy nebo desítky sekund a sestavení mapy stáří 200 × 200 pixelů obvykle trvá až 30 hodin [38] [35] .
Použití dvou izotopů uranu umožňuje určit stáří objektu, i když ztratil část olova. Protože 235 U se rozkládá rychleji než 238 U, poměr roste rychleji než . U vzorků bez historie ztráty nebo přidání uvažovaných izotopů se oba tyto poměry zvyšují s věkem přísně definovaným způsobem. Proto na grafu, podél jehož os jsou tyto hodnoty vyneseny, mohou body odpovídající takovým vzorkům ležet pouze na jedné konkrétní přímce. Tato čára je známá jako konkordie nebo křivka konzistentních hodnot absolutního věku [40] , body na ni padající - jako souhlasné a neklesající - jako nesouhlasné . Jak vzorek stárne, tečka se po něm pohybuje. Každý bod konkordie tedy odpovídá určitému stáří vzorku. Nulový věk odpovídá původu (0,0).
Pokud vzorek ztratí olovo, pak je procento ztráty, k první aproximaci, stejné pro všechny jeho izotopy. Proto je bod odpovídající vzoru posunut z konkordie směrem k bodu (0,0). Velikost posunu je úměrná množství ztraceného olova. Odebereme-li více vzorků stejného stáří, které se liší velikostí těchto ztrát, budou odpovídající body ležet na přímce protínající konkordii a směřující přibližně k počátku. Tato přímka je známá jako discordia ; je to izochrona (to znamená, že všechny její body odpovídají stejnému stáří). Horní průsečík konkordie s touto přímkou ukazuje stáří objektu [30] [40] .
Druhý (spodní) průsečík ideálně odpovídá stáří metamorfní události , která vedla ke ztrátě olova. Pokud se to stalo nedávno, je tento bod u počátku; jak vzorek stárne, pohybuje se směrem k vyššímu věku [1] . Pokud však ztráta olova nebyla okamžitá, ale prodloužila se po dobu srovnatelnou se stářím vzorku, diskordie přestává být přímkou. Pak poloha spodního průsečíku přímky, která ji aproximuje s konkordií, nic neznamená. Postupný únik olova není neobvyklý, protože je značně usnadněn v místech radiačního poškození krystalů. Interpretace pozice tohoto bodu je proto nejednoznačná [1] ; existuje názor, že by měl být považován za indikátor stáří možné události metamorfózy pouze v případě, že existují nějaké geologické známky takové události [5] .
Poloha horního křížového bodu nezávisí na tom, zda ztráta vedení byla okamžitá nebo postupná; tento bod ukazuje stáří objektu v obou případech [5] .
Získávání uranu vzorkem posouvá body na diagramu podobným způsobem jako ztráta olova a ztráta uranu, stejně jako získávání olova, v opačném směru („reverse discordance“, angl. reverse nesoulad ). V případě ztráty uranu lze polohu průsečíků konkordií a diskordií interpretovat podobně, jak je popsáno výše. Zirkon je však náchylný ke ztrátě olova (jehož atomy jsou hůře integrovány do jeho krystalové mřížky a nacházejí se v místech jeho radiačního poškození) [6] a ze zmíněných situací k němu dochází nejčastěji. Opačný nesoulad, někdy pozorovaný v některých oblastech zirkonových krystalů, lze vysvětlit migrací olova v krystalu [5] ; u některých minerálů je častější a může mít i jiné příčiny [21] . Získání olova činí vzorky nevhodnými pro stanovení věku, protože izotopové složení tohoto olova se může lišit. Je však vzácný [6] .
V datování uran-olovo jsou akceptovány hodnoty konstant rozpadu izotopů uranu, publikované [7] již v roce 1971 a doporučené v roce 1977 [9] podvýborem pro geochronologii Mezinárodní unie geologických věd . Jejich chyba (2 σ ) je 0,11 % pro uran-238 a 0,14 % pro uran-235 [5] [6] . Je menší než u všech ostatních izotopů používaných k datování [41] [1] , ale s rozvojem metody se stal hlavní překážkou pro zvýšení přesnosti výsledků (chyba z jiných zdrojů chyb se často ukáže být menší než 0,1 %) [5] [42] [2] .
Porovnání dat získaných pro různé izotopy uranu ukázalo, že existuje určitá nekonzistence v přijatých hodnotách těchto konstant, což lze vysvětlit tím, že hodnota konstanty rozpadu uranu-235 je podhodnocena o 0,09 % (ačkoli nepřesahuje uvedená chyba). Korekce této hodnoty může mírně zvýšit přesnost datování, ale další zpřesnění vyžaduje nová měření zmíněných konstant [42] [43] [41] [6] , přičemž tato měření jsou naléhavým úkolem [44] . Moderní studie navíc ukazují, že průměrný poměr koncentrací izotopů uranu pro pozemské horniny , který je důležitý pro datování olova a olova , je o něco nižší než přijatá [9] hodnota 137,88 a je asi 137,82 a v různých vzorcích se liší o setiny a dokonce desetiny procenta [6] [4] [1] .
Slovníky a encyklopedie |
---|