Файл: Баранов, В. И. Радиогеология учебник.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 18.10.2024

Просмотров: 94

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Г Л А В А VII

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ В КАЧЕСТВЕ ЕСТЕСТВЕННЫХ ИНДИКАТОРОВ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ. ОПРЕДЕЛЕНИЕ АБСОЛЮТНОГО ВОЗРАСТА «МОЛОДЫХ» ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ОБРАЗОВАНИЙ

В качестве индикаторов геологических процессов радиоак­ тивные изотопы обладают значительным преимуществом перед другими микроэлементами, используемыми в этих целях. Законо­ мерности геологического поведения радиоактивных изотопов опре­ деляются не только их химическими, но и радиоактивными свой­ ствами: определенной скоростью распада, принадлежностью к тому или иному радиоактивному семейству и местом в нем. Посто­ янство скорости радиоактивного распада изотопов позволяет учи­ тывать во всех изучаемых процессах временной фактор, что осо­ бенно важно в геологии. Таким образом, в большинстве случаев использование радиоактивных изотопов в качестве индикаторов теснейшим образом связано с определением геологического вре­ мени.

Для изучения длительных геологических процессов и геохро­ нологии древних образований можно использовать лишь долгоживущие радиоактивные изотопы, средняя продолжительность жизни

которых

больше

возраста

изучаемых пород ( 2 3 8 U , 2 3

5 U , 2 3 2 Th, 4 0 К,

8 7 Rb, 1 8 7 Re и т. д.). Этот

вопрос был рассмотрен в

предыдущей

главе.

 

 

 

 

При исследовании сравнительно молодых геологических про­

цессов,

возраст

которых

не превышает 1—2 млн. лет, в качестве

индикаторов необходимо выбирать более короткоживущие радио­

активные изотопы.

Такими

индикаторами могут быть

продукты

природных

ядерных

реакций

(1 4 С, 3 Н; 1 0 Ве и др.), а также

проме­

жуточные

члены радиоактивных

рядов

( 2 3 4 U , 2 3 0 Th, 2 2 6 Ra, 2 2 8 Ra,

2 3 i p a

и т >

Правда, в присутствии материнского вещества рас­

пад

каждого из промежуточных

членов

радиоактивных

семейств

компенсируется его накоплением. Например, уменьшение количе­ ства радия (2 2 6 Ra) за счет распада восполняется его образованием из иония (2 3 0 Th). С течением времени в геологических объектах, в которых не происходит выноса или поступления вещества : (за­ крытых системах), устанавливается радиоактивное равновесие между членами одного семейства. В семействе урана время, необ­ ходимое для установления равновесия, равно 1,5—2 млн. лет, в семействе тория — 50 годам. Таким образом, применять промежу­ точные члены радиоактивных рядов в качестве индикаторов мож-

160

но только в том случае, если они присутствуют без материнских продуктов или если радиоактивное равновесие между интересую­ щим нас изотопом и материнским изотопом нарушено.

§ 1. ТОРИЙ-УРАНОВОЕ ОТНОШЕНИЕ

Торий (2 3 2 Th) и уран (2 3 8 U) —единственная пара естественных радиоактивных изотопов, которую используют в геохимии подобно обычным стабильным элементам — индикаторам. Применение то­ рий-уранового отношения основано на химическом сходстве тория, имеющего одно валентное состояние-—4, с четырехвалентным ураном и резком отличии тория от шестивалентного урана. Это отношение может быть чувствительным индикатором изменения окислительно-восстановительных условий. Зная геохимические особенности урана и тория в том или ином геологическом процес­ се, можно его использовать при решении ряда геохимических во­ просов. ,

Приведем несколько примеров. В осадочном процессе уран мигрирует в значительной степени в растворенном состоянии. Торий является типичным элементом-гидролизатом. Его миграция в виде истинных растворов ограничивается преимущественно областью выщелачивания. За пределами области выщелачивания преобла­ дает миграция тория с тонкодисперсным и обломочным материа­ лом. В связи с этим увеличение терригенного сноса в бассейн се­

диментации должно

приводить

к повышению

торий-уранового

отношения в осадках. Эту закономерность

можно

использовать

при исследовании древних седиментационных бассейнов.

 

 

Так, В. И. Баранов, Г. Б. Ронов и К. Г. Кунашова

установили,

что величина отношения Th/U в карбонатных

 

породах

Русской

платформы повышается в эпохи трансгрессий,

когда

 

происходит

более интенсивный терригенный снос (рифей,

кембрий,

юра).

В. А. Ковалев,

исследуя палеогеографическую остановку При-

пятской впадины, отметил закономерное падение

отношения Th/U

в глинах от берегов к центру древнего седиментационного

бассей­

на. Одновременно

окраска глин

менялась

от

красной

к

зеленой,

что указывало на переход окислительных условий в восстанови­

тельные (закисное

железо

сменялось

окисным).

Можно

было

предположить,

что

уменьшение величины

Th/U

было

вызвано,

с

одной стороны,

восстановлением

растворенного в

воде

U

(VI)

до

U (IV) и выпадением в осадок,

а с

другой — сокращением

роли

терригенного сноса по мере удаления от

берегов,

а

следовательно,

и сокращением поступления

тория.

 

 

 

 

 

 

 

 

По мнению многих исследователей, при выветривании

магма­

тических пород

вынос урана происходит

за счет

окисления

более

интенсивно, чем вынос тория. Дж . Адаме указывает в связи с этим, что отношение тория к урану в обломочных осадочных поро­ дах (глинах, сланцах, песчаниках) гораздо выше, чем в магмати­

ческих породах, Цз которых они образовались. Коры

выветривания

11 Зак. 137

161

также, как правило, имеют большую величину Th/U, чем их мате­ ринские породы. Наблюдаемые закономерности могут представ­ лять интерес при изучении генезиса древних метаморфических пород.

Разделение тория и урана наблюдается не только в осадочном процессе, но также в гидротермальном и пневматолитовом. Более глубокое изучение геохимии этих элементов, особенно тория, в на­ званных процессах позволит при их исследовании успешно исполь­ зовать торий-урановое отношение.

§ 2. ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ ПРОДУКТЫ РАСПАДА РАДИОАКТИВНЫХ СЕМЕЙСТВ

Как уже указывалось в начале раздела, промежуточные чле­ ны семейств' урана, тория и актиноурана могут служить в качестве геохимических индикаторов лишь в том случае, если между инте­ ресующими нас изотопами и материнскими продуктами нарушено радиоактивное равновесие. В связи с этим удобно использовать не концентрации отдельных изотопов, а их отношения к материнским продуктам-(например, Io/U, Ra/Io, Pa/AcU и т. д.). Радиоактив­ ный распад с течением' времени будет изменять эти отношения до тех пор, пока они не станут соответствовать радиоактивному рав­ новесию. Скорость восстановления равновесия зависит от периода полураспада дочернего изотопа. Таким образом, период полурас­ пада каждого конкретного изотопа будет определять его примени­ мость к геологическому процессу той или иной длительности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Т а б л и ц а

27

 

Время восстановления

радиоактивного

равновесия

между

дочерними

 

 

 

 

 

и

материнскими продуктами

 

 

 

 

 

 

 

Дочерний изотоп

 

 

 

 

Матерннскнй

изотоп

Приближенное

время восста­

 

 

 

Т

 

 

 

 

 

новления

равновесия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

индекс

название

 

 

1/2

 

индекс

название

 

е Г ! / 2

 

8 Г 1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

234 [J

уран II

248

тыс.

лет

23S[J

уран

I

1,4

млн.

лет

1,9

млн.

лет

2 3 0 T h

ионий

75.

тыс.

лет

234 [J

ура и

N

450

тыс.

лет

640

 

тыс.

лет

"'2tiRa

радий

1602

года

23UTh

ионии

9,6

тыс.

лет

13

 

тыс.

лет

222R n

радон

3,8

дня

22SR a

радий

22,8

дня

30,4

дня

2 2 8 R a

мезотории I

6,7

года

232"Th

торий

40,2

лет

53,6

лет

22S-TJ-]

радиоторий

1,9

года

22SRa

мезотории I

10,2

года

13,6

 

года

23ipa

протактиний 32,5

тыс. лет

235(J

актиноуран

195

тыс.

лет

260

тыс.

лет

2 » A c

актиний

21,6

лет

23ipa

протактиний

 

130

лет

173,5•года

В табл. 27 показаны приближенные интервалы времени восста­ новления равновесия между некоторыми парами радиоактивных изотопов, входящих в природные семейства. Через шесть перио-

162

дов

полураспада

(6 Ti/J

равновесие восстановится

на 98,4%, че­

рез

8

—

на 99,6%.

Выбор

того или иного интервала

определяется

 

точностью анализа изотопов. В целом интервалы указывают воз­ можности применения той или иной пары изотопов. Рассмотрим опыт применения некоторых из этих отношений. Методы опреде­ ления возраста с их помощью во многих случаях недостаточно от­

работаны в связи со слабой

изученностью

геохимии указанных

изотопов.

 

 

 

Применять промежуточные члены семейств урана и тория для

геохронологии можно только

при соблюдении ряда

условий.

1. В момент образования датируемого объекта в нем должно

быть нарушено радиоактивное равновесие

между

исследуемыми

изотопами.

 

 

 

2. Начальное отношение изотопов должно быть

известно.

3. Вторичная миграция изотопов должна

быть

пренебрежимо

мала за' все время существования объекта, чтобы на изменение отношения между изотопами влиял только радиоактивный распад.

Иониевый метод

Метод использует восстановление радиоактивного равновесия между ионием и ураном и может быть применен для геологиче­

ских объектов, возраст

которых

не превышает 500—600

тыс. лет.

В основе

метода лежит

различие химических свойств урана (VI)

и тория

(IV), изотопом

которого

является ионий (2 3 0 Тп),

приводя­

щее к нарушению радиоактивного равновесия. Наиболее распро­

страненная среда, в которой проявляется

это различие, — вода, что

и определяет круг объектов, пригодных

для иониевого метода.

Первое применение иониевый метод нашел при определении возраста океанических илов и скорости их накопления. Ионий, образующийся в океанической воде из растворенного в ней урана, быстро увлекается на дно, соосаждаясь с полуторными окислами, карбонатом кальция, терригенной взвесью. Исследования показа­ ли, что в океанической воде содержится не более 5% иония от того количества, которое должно было бы быть в равновесии с раство­ ренным ураном. Недостающий ионий был обнаружен' в верхней части океанических илов, где он более чем в 8 10 раз превышает

равновесную с ураном концентрацию. С течением времени

избыток

иония распадается и его концентрация

начинает соответствовать

 

—

 

состоянию радиоактивного равновесия с ураном. Если

принять,

что за время своего существования ил являлся

закрытой

системой

по отношению к урану и ионию, то расчет возраста можно прово­ дить по обычной формуле радиоактивного распада:

(Д1о), =

(Д1о)0 г-",

где (Д1о)0 и ( A I o ) t — избыток

иония над равновесным содержа­

нием урана в начальный момент времени и момент измерения со­

ответственно; £ —возраст ила; А,—константа распада

иония.

11*

163

Смотрите также файлы