Стронциевый метод

Стронциевый метод, как известно, основан на радиоактивном распаде изотопа рубидия-87, который протекает по схеме:

Соответственно в породах и минералах, содержащих рубидий, происходит медленное накопление радиогенного стронция. Природный рубидий состоит из смеси двух изотопов с массами 85 и 87 при распространении их 72,15 и 27,85%. Изотопный состав обычного стронция, по А. Ниру, выражается следующими величинами: Sr⁸⁴ 0,56%; Sr⁸⁶ 9,86%; Sr⁸⁷ 7,02%; Sr⁸⁸ 82,56%. Однако в различных породах и минералах в зависимости от их происхождения содержание изотопа 87 колеблется в определенных пределах.

Распад рубидия протекает довольно медленно. В результате прямых физических измерений счета β-частиц константа распада радиоактивного рубидия значительно уточнена. С 1956 г. при расчете возраста по стронциевому методу применялись постоянные, полученные группой исследователей Института Карнеги, со значениями: λ = 1,39⋅10^-11 лет^-1, полупериод распада Т = 5,0±0,2⋅10¹⁰ лет. Дальнейшие измерения К. Флайна и Е. Гленденина (Flynn, Glendenin, 1959) дали значение постоянных: λ = 1,47 X 10^-11 лет^-1 и Т = 4,7±0,2⋅10¹⁰ лет. Последняя константа используется сейчас многими исследователями; в общем она приводит к значению чисел возраста на 6% ниже, чем первая константа.

Медленный распад рубидия позволяет производить расчет возраста по упрощенной формуле, не учитывающей медленного убывания рубидия-87 во времени:

Стронциевый метод в настоящее время приобретает особо важное значение при датировке формаций докембрийского возраста, что определяется широким распространением в докембрии соответствующих минералов и горных пород. Кроме того, следует подчеркнуть, что стронциевый метод применим к тем же минералам, которые используются и при аргоновом методе. Взаимная согласованность возрастных значений, полученных аргоновым и стронциевым методами для одних и тех же минералов и пород, служит надежным критерием степени достоверности абсолютного возраста.

Различные геохимические свойства рубидия и стронция приводят к их резкому разделению в природных условиях. Стронций концентрируется преимущественно в основных магматических породах, рубидий - в кислых. В осадочных карбонатных породах рубидий почти не встречается, но стронций находится нередко в значительном количестве, иногда образуя самостоятельные минеральные формы в виде целестина и стронцианита. Во многих слюдах, обогащенных рубидием, обычный стронций присутствует в небольшом количестве, что позволяет датировать возраст этих минералов по аналитически найденному отношению Sr/Rb.

В первых работах по стронциевому методу, проведенных Л. Аренсом и др., производились анализы мусковитов и лепидолитов с содержанием рубидия порядка 2-3%. Изотопный состав первичного стронция, присутствовавшего в этих минералах, практического значения не имел, так как во многих образцах вообще первичный стронций не был обнаружен.

По мере развития рубидий-стронциевого метода все чаще исследуются минералы, содержащие значительное количество первичного стронция. В связи с этим особое значение приобретает вопрос об изотопном составе первичного стронция или, точнее, о содержании изотопа 87 в первичном стронции, так как лишь в этом случае можно было вносить поправку в аналитические данные для выяснения истинной доли радиогенного стронция в исследованном минерале и правильного расчета возраста.

Данные об изотопном составе первичного стронция, по-видимому, могли быть получены для стронция, извлеченного из горных пород с минимальным содержанием рубидия или лишенных его совсем. Обычно допускается, что первичный стронций соответствует стронцию мантии Земли, в которой, по геохимическим данным, отношение Rb/Sr должно быть минимальным, определяющим ничтожные доли накопления радиогенного стронция. Некоторые основные вулканические породы, по всей вероятности являющиеся дериватами мантии, показали незначительные колебания отношения Sr⁸⁷/Sr⁸⁶, практически не зависящего от возраста. Изотопный состав стронция из вулканических пород по данным П. Гаста приводится в табл. 12.

Таблица 12

Из таблицы видно, что расхождение между крайними значениями отношения Sr⁸⁷/Sr⁸⁶ не превышает 0,006%. Результаты многочисленных определений этого отношения (Харлей, 1963) для основных вулканических пород

дали разброс в пределах 0,706-0,709. Следовательно, изотопный состав первичного отношения Sr⁸⁷/Sr⁸⁶ выразится величиной 0,708±0,001, и в дальнейшем это значение можно использовать при расчетах возраста. Выяснение изотопного состава первичного стронция позволяет определять возраст не только минералов с небольшим количеством рубидия, но также горных пород с повышенным против обычного отношением Rb/Sr. Изучение взаимоотношений рубидия и стронция в валовых пробах пород для определения возраста и возможностей выяснения истории метаморфизованных пород проводилось Г. Шрейнером, Э. Герлингом и Ю. Шуколюковым, В. Компстоном и П. Джеффери, Г. Олсопом, Л. Николайсеном, П. Гастом, а также сотрудниками геохронологической лаборатории Массачусетского технологического института (Харлей, 1963). Как показали изменения отношения Sr⁸⁷/Sr⁸⁶ в гранитах, оно составляет 0,710-0,733, что указывает на заметное обогащение их радиогенным стронцием. Таким образом, открывается возможность датировки возраста валовых проб гранитоидных пород. При вычислении возраста валовых проб был предложен графический метод изохрон, при котором по оси абсцисс откладывается значение отношения Rb⁸⁷/Sr⁸⁶, а по оси ординат Sr⁸⁷/Sr⁸⁶. Угол наклона прямой будет являться функцией возраста. Пересечение подобной изохроны, построенной по нескольким измерениям возраста различных минералов из одного и того же интрузива, с осью ординат указывает на отношение Sr⁸⁷/Sr⁸⁶ в обыкновенном стронции данной породы (рис. 7).

Рис. 7. График значений возраста гранитоидов Енисейского кряжа. По Э. К. Герлингу и Ю. М. Артемову Изохроны: 1 - гнейсо-гранитов енисейского комплекса (2550 млн. лет), 2 - таракских гранитов (2060 млн. лет), 3 - нижнеканских гранитов (500 млн. лет)

При выяснении доли радиогенного стронция исходят из разницы между измеренным отношением Sr⁸⁷/Sr⁸⁶ и первичным, т. е.

При этом все величины, в том числе и Rb, выражены по отношению к изотопу стронция-86, который принят за единицу.

Кроме того, удалось установить, что несмотря на расхождение стронциевых возрастов для отдельных минеральных фракций одной и той же породы, в целом возраст породы по отношению Sr⁸⁷/Rb⁸⁷ оказывается близким к истине. Таким образом, выясняется, что за время жизни породы между слагающими ее минералами происходит миграция рубидия и стронция, а вся порода представляет собой замкнутую систему для накопления радиогенного стронция. Миграция рубидия и стронция в материале породы усиливается во время метаморфизма и часто дает искаженную картину возрастных значений. Иногда стронциевый возраст для метаморфических пород оказывается ниже, чем возраст по аргону.

Для датировки возраста докембрийских пород рубидий-стронциевый метод становится все более эффективным и в последнее время дает вполне надежные данные для региональных геохронологических сопоставлений.