Аргоновый метод

Аргон-калиевый метод основан на радиоактивном превращении К⁴⁰, присутствующего в естественном калии в количестве 0,0119 (ат. %), или 0,0122 (вес. %). Калий-40 претерпевает два различных радиоактивных превращения: благодаря эффекту K-захвата небольшая часть К⁴⁰ (около 12%) превращается в Аr⁴⁰. Большая часть К⁴⁰ (около 88%) в результате β-излучения превращается в Са⁴⁰. По последним данным, λ_k - 0,55 X 10¹⁰ лет^-1, а λ = 4,72⋅10^-10 лет^-1. Таким образом, для определения возраста калиевых минералов могут быть использованы обе ядерные реакции. Однако практически первая реакция более удобна: К⁴⁰ - (К, е) - Аr⁴⁰, поскольку присутствующий в минерале аргон по своему происхождению обычно является исключительно радиогенным; установить же долю радиогенного кальция не позволяет широкое распространение первичного Са⁴⁰ в горных породах.

Поскольку исследуемый материал мог содержать определенное количество воздушного аргона в результате сорбционных процессов или недостаточно тщательной эвакуации воздуха из установки перед началом эксперимента, выделенный аргон, помимо радиогенного, может иметь примесь воздушного аргона, количество которого устанавливается масс-спектральным анализом полученного аргона. Обычно в аргоне воздуха присутствуют три изотопа аргона в следующих соотношениях: Аr³⁶ : Аr³⁸ : Аr⁴⁰ = - 0,307 : 0,061 : 99,632, поэтому при обнаружении в исследуемом аргоне его легких изотопов всегда может быть внесена поправка на присутствующий аргон воздуха.

При малых концентрациях радиогенного аргона в минерале "добавкой" воздушного аргона пользуются сознательно, так как при этом количество измеряемого газа увеличивается и повышается точность эксперимента. На этом принципе основан аналитический метод изотопного разбавления, требующий тщательного масс-спектрального анализа аргона как в "добавке", так и в получаемой в результате смешения конечной пробе газа. В настоящее время метод изотопного разбавления основан на введении добавки аргона, обогащенного Аr³⁸, которая снижает величину экспериментальной ошибки, свойственной обычному объемному методу.

Авторами аргон-калиевого метода являются советские ученые Э. К. Герлинг и В. Г. Хлопин, в 1948 г. впервые предложившие его для определения возраста горных пород и минералов.

Основная расчетная формула аргон-калиевого метода имеет следующий вид:

где t - возраст минерала, млн. лет;

- соотношение изотопов в минерале;

λ_k и λ_β - константы распада К⁴⁰.

Э. К. Герлинг предложил упрощенную формулу, исходя из следующих значений констант: λ_k = 0,557⋅10^-10 лет^-1; λ_β = 4,72⋅10^-10 лет^-1,

где - весовые отношения.

Обычно в результате эксперимента содержание калия - в весовых процентах, а содержание аргона в 10^-5 см³/г породы. Пересчет в атомарные соотношения производится следующим образом:

где Аr - содержание аргона, 10^-5 см⁵/г;

K - содержание калия, вес. %.

Аргон-калиевый метод в отличие от свинцово-урано-ториевого не имеет внутреннего контроля - возможности определения возраста по нескольким независимым уравнениям. Это существенный недостаток, так как для получения уверенного значения возраста приходится прибегать к многократным определениям нескольких образцов. Однако широкое распространение в природе калиевых минералов и простота определения аргона и калия способствуют развитию данного метода.

Одной из причин неточностей получаемых значений возраста аргон-калиевым методом является отсутствие прецизионно установленных констант радиоактивного распада К⁴⁰. Если λ_β К⁴⁰ могла быть установлена достаточно точно прямыми экспериментами и оказалась равной 4,72⋅10^-10 лет^-1, то λ_k из-за малой энергии этого вида радиоактивного превращения измерялась с значительно меньшей точностью как прямыми, так и косвенными путями. Один из последних результатов прямых измерений Г. Везерилла (1957), выраженный в виде отношения λ_k : λ_β, оказался равным 0,123±0,004, что при λ_β = 4,72⋅10^-10 лет^-1 соответствует λ_k = 0,58±0,002⋅10^-10 лет^-1. Под косвенным методом подразумевались определения по измерениям калиевых минералов с хорошо известным абсолютным возрастом, установленным по найденным совместно с ними урано-ториевым минералам свинцово-урано-ториевым методом. В этом случае величина отношения λ_k : λ_β, по последним данным Г. Везерилла и Э. К. Герлинга, при исследовании слюд варьировала от 0,117 до 0,118, что при том же значении λ_β = 4,72⋅10^-10 лет^-1 отвечало λ_k = 0,55±0,005⋅10^-10 лет^-1.

Исследования Э. К. Герлингом пригодности различных калиевых минералов для определения возраста показали, что калиевые шпаты при нагревании до 400° начинают терять аргон, по-видимому, в результате диффузии атомов через решетку минералов по системе первичных трещинок. В то же время в слюдах (мусковите, биотите) потеря аргона при нагревании начинается только при температуре 600°. На основании этого был сделан вывод об ограниченной пригодности калиевых шпатов для определения абсолютного возраста, которые, как правило, показывали более низкие значения возраста, чем встречавшиеся совместно с ними слюды и урано-ториевые минералы. Поэтому при определении абсолютного возраста породы аргон-калиевым методом рекомендуется брать мономинеральную фракцию слюды. В результате работ, предпринятых в Дагестанском филиале АН СССР, было установлено, что еще более совершенным минералом для аргонового метода является роговая обманка - она значительно прочнее слюды удерживает аргон при нагревании (Амирханов, Бартницкий, Брандт, Войткевич, 1959). Позже это было подтверждено при исследовании украинского докембрия Е. Бурксером и Ф. Котяовской (рис. 6).

Рис. 6. Термическая устойчивость аргона в биотите и роговой обманке. По Ф. И. Котловской Кривые потери аргона при нагревании: 1 - для биотита, 2 - для роговой обманки

Несмотря на то что процесс измерения небольших количеств калия, а соответственно и аргона в роговых обманках намного сложнее, чем определение тех же элементов в биотите, пригодность роговых обманок, амфиболов для возрастных исследований имеет важное значение. Во-первых, стало возможным измерять время образования основных интрузивных и излившихся пород; кроме того, в случае отсутствия в метаморфических комплексах урано-ториевых минералов для определения их возраста вполне может быть использован и амфибол. С помощью этого метода впервые удалось подтвердить весьма древний возраст амфиболитов Украины - 3600 млн. лет (Ф. Котловская), Мончегорского плутона - более 3000 млн. лет (Э. К. Герлинг) и т. д.

Исследования формы нахождения радиогенного аргона в минералах и механизма его выделения, проведенные X. И. Амирхановым, С. Б. Брандтом и Е. И. Бартницким, показали, что значительная часть радиогенного аргона (до 20%) выделяется из минералов при относительно низких температурах путем десорбции. Величина последней зависит от удельной поверхности частиц минерала, которая особенно велика в измененных полевых шпатах. Сравнительно легкая миграция сорбированного аргона, возникшего за счет атомов калия, занимающих гипотетическое межкристаллитное положение, а не диффузия основной его массы, наступающая лишь при значительно более высоких температурах (свыше 600°), обусловливала, по мнению указанных авторов, расхождения в определениях значений возраста по разным калиевым минералам. Для устранения этого дефекта ими был предложен метод предварительной обработки минерала раствором азотнокислого таллия в стальной бомбе под давлением 7000-8000 атм при температуре 500-600° для удаления неустойчивых частей полевого шпата. В результате около 30% всего полевого шпата переходило в раствор. После внесения поправки на удаленный калий полученные значения возраста по калиевым полевым шпатам достаточно хорошо совпали с истинными.

Радиологам достаточно часто приходится сталкиваться и с такими случаями, когда первичный возраст пород по аргон-калиевому методу сокращается в 5-10 раз. Так, например, в районе Станового хребта возраст интенсивно серицитизированных диафторизованных гнейсов, пересекаемых пегматитами с возрастом 1900±100 млн. лет, по аргон-калиевому методу оказался равным 200-170 млн. лет. В данном случае имела место не потеря аргона первичным минералом (как это произошло с радиогенным свинцом урано-ториевых минералов), а по существу полная перекристаллизация породы с образованием принципиально новых калиевых минералов (серицита), возраст которых, близко совпадающий с известными в районе юрскими интрузиями, и был определен аргон-калиевым методом.

Исходя из того, что среднее содержание калия в слюде составляет 5-6%, для каждого определения возраста докембрийской породы аргоновым методом необходимо 5 г минерала. Поскольку каждое определение обычно повторяется, общий вес требуемой пробы должен быть удвоен.

При изучении материала следует отбирать только свежие образцы породы. Различные явления гидротермального разложения слюды (хлоритизация, гидратация) приводят к существенному изменению истинного отношения Аr⁴⁰ : К⁴⁰ в результате селективной миграции обоих изотопов и к искажению значения возраста. Нежелательно также обилие включений радиоактивных минералов в биотите, приводящих к образованию плеохроичных ореолов радиоактивного воздействия, в пределах которых может происходить потеря аргона, вызывающая существенное занижение значения возраста слюды.

Поведение аргона калиевых минералов интрузивных пород при их выветривании было изучено А. Я. Крыловым по образцам гранитов и осадочных пород Средней Азии и окрестностей Ленинграда (табл. 10).

Таблица 10

Оказалось, что обломочные породы, аккумулирующие наиболее прочные ядра полевых шпатов, показывают возраст коренных пород, за счет которых они возникли. Измененный материал дресвы, отличающийся явно заниженным содержанием аргона, обусловленным частичной его потерей при выветривании минералов, в результате эрозии породы удаляется. Вследствие этого в терригенных осадках восстанавливается первичное отношение аргона к калию, характерное для исходных свежих гранитов. С помощью данного метода, изучая аргон-калиевое отношение в донных осадках прибрежной зоны Антарктиды, А. Я. Крылову удалось выяснить возраст коренных пород Антарктиды в различных участках, покрытых ледником. Проведенные исследования показывают, что при денудации первичных пород и накоплении осадков поведение радиогенного аргона породы весьма различно. Часть его с сохранившимися калиевыми минералами аккумулируется в терригенных осадках, другая часть, освобождающаяся при полном разложении минералов, поступает в атмосферу.

Как показали работы Г. А. Казакова, Н. И. Полевой и др., калий-аргоновый метод можно использовать для датирования осадочных пород по глаукониту, образующемуся при диагенезе осадков. Определения абсолютного возраста глауконита из хорошо изученных палеонтологически отложений Русской (Восточно-Европейской) платформы позволили существенно уточнить современную геохронологическую шкалу (см. табл. 13).

Исключительное значение глауконита установлено при оценке возраста осадков протерозоя (рифейских или синийских отложений), время седиментации которых оказалось в несколько раз более длительным, чем предполагалось ранее. Измерения возраста глауконита позволили установить возраст древнейших синийских отложений для четырех наиболее крупных докембрийских платформ - Русской, Сибирской, Китайско-Корейской и Индийской, оказавшийся равным 600-1600 млн. лет, и сопоставить разрезы этих толщ для самых различных регионов (табл. 11).

Таблица 11. Возраст глауконитов из опорных горизонтов верхнего докембрия

В отличие от слюд, глауконит под воздействием внешних факторов сравнительно легко изменяется, поэтому становится непригодным для определения возраста. Его изменения выявляются по изменению окраски минерала: небольшое появление бурой окраски указывает на непригодность глауконита для измерения возраста.

Исследование глауконитов представляет собой наиболее реальный метод датирования осадочных пород, существенным дополнением которого являются определения возраста эффузивов аргон-калиевым методом по породе в целом. Возможности последнего метода ограничиваются плохой сохранностью значительной части излившихся пород, особенно древнего возраста.