- •Ядерная геофизика
- •Естественная радиоактивность горных пород Общие сведения о радиоактивности
- •Ряды радиоактивных семейств урана и тория. Другие естественные радиоактивные элементы.
- •Основные законы радиоактивных превращений.
- •Использование закона радиоактивных превращений для определения абсолютного возраста горных пород.
- •Единицы измерения радиоактивности.
- •Радиоактивность горных пород и руд
- •Физические основы ядерной геофизики
- •1. Общие положения.
- •Гамма-излучение.
- •2. Взаимодействие радиоактивных излучений с окружающей средой
- •Взаимодействие γ-излучения с веществом.
- •Полное сечение взаимодействия γ-излучения с веществом.
- •Взаимодействие нейтронов с веществом.
- •Радиометрическая аппаратура
- •Детекторы излучений
- •Радиометры
- •Источники ядерных излучений
- •Методы определения содержания радиоактивных элементов
- •Полевые радиометрические методы
- •Ядерно-геофизические методы Гамма-гамма-методы (ггм)
- •Рентгенрадиометрический метод (ррм)
- •Активационный анализ
Использование закона радиоактивных превращений для определения абсолютного возраста горных пород.
Количество атомов радиоактивного элемента, содержащегося в породе, изменяется со временем по закону
N = N0exp(-λt) (1)
где: N - число ядер радиоактивного элемента, не распавшихся к моменту времени t; N0 – первоначальное число ядер радиоактивного элемента (t = 0);
λ - постоянная распада.
Для задач геохронологии более удобна следующая запись этого уравнения:
t = (1/λ)*ln(N0/N) (2)
В процессе радиоактивного распада материнский изотоп N1 превращается в стабильный дочерний изотоп N2 - такая ситуация характерна для радиоактивных элементов, не входящих в ряды. Накопленное за время t количество атомов дочернего изотопа определяется:
N2 = N01 – N1 (3)
где N01 – первоначальное (при t=0) количество материнских изотопов. С учетом уравнения (1) выражение (3) можно переписать так:
N2 = N1(eλt – 1) (4)
откуда получаем решение для возраста исследуемого образца:
t = (1/ λ)ln(1+N2/N1) (5)
При выводе формулы (5) предполагалось, что в момент образования объекта (породы, минерала), т.е. при t =0, в его составе не было атомов изотопа N2. Если исследуемый объект в момент своего образования уже содержал N02 атомов (например, известняк в момент образования уже содержит Ca40, который со временем дополнительно образуется из K40), тогда N2 = N02 +N01 – N1 и формула (5) усложняется:
t = (1/ λ)ln[1+(N2-N02)/N1] (6)
Таким образом, в изучаемом образце необходимо измерять содержания материнского (радиоактивного) и дочернего (стабильного) изотопов. Для этого, как правило, используются методы масс-спектроскопии, позволяющие с достаточной точностью определять мизерные содержания элементов и изотопов. Точность определения времени, которое принимается за абсолютный геологический возраст, зависит от точности определения содержания изотопов N1 и N2 и от точности определения постоянной распада λ.
В общей сложности разработано более десяти ядерно-геохронологических методов. При определении возраста молодых образований используют изотопы со сравнительно небольшими периодами полураспада, чаще всего С14 с Т = 5768 лет, т.к. распространенность этого изотопа значительна. Максимальное время, которое можно определить радиоуглеродным методом ограничивается десятью периодами полураспада, т.е. 60000 лет – после 10Т С14 практически не остается. С другой стороны, если у радиоактивного элемента период полураспада составляет миллиарды лет, то погрешности определения в интервале времен, меньших 0.01T, очень большие. Поэтому геологический возраст пород в интервале 105 лет ÷ 3*106 лет определяется с большими погрешностями.
Важной предпосылкой использования методов геохронологии является замкнутость исследуемого образца относительно радиоактивного и дочернего изотопов. Это означает, что за весь период жизни минерала или породы ни материнский, ни дочерний изотопы не выносились или не добавлялись извне. Например, при высокой температуре, характерной для метаморфических процессов, становится вероятной диффузия атомов, что означает удаление (привнос) элементов в минералы. Надежным подтверждением замкнутости системы, и способом повышения точности определения возраста, служит совпадение возраста одного и того же объекта исследований, полученных разными методами с использованием различных материнских изотопов.