Термохронология

Трековое датирование — это метод, используемый в термохронологии для определения приблизительного возраста некоторых ураносодержащих минералов, таких как апатит. При спонтанном делении атомного ядра урана-238 в неорганических твёрдых телах быстро движущиеся заряженные частицы — продукты деления — повреждают структуру материала вдоль траектории своего движения и тем самым оставляют за собой продолговатые следы (треки)^[5]. Для более глубокого изучения образовавшихся следов деления естественные следы повреждений дополнительно увеличиваются путем химического травления, чтобы их можно было рассмотреть под обычным оптическим микроскопом. Затем возраст минерала вычисляется на основе известного периода полураспада для данной реакции и подсчитанного количества треков, накопленных за время существования минерала, а также измеренного содержания оставшегося в нём урана^[6].

Известно, что при более высоких температурах происходит отжиг материала и треки деления пропадают^[7]. Поэтому точное датирование образцов крайне затруднительно. Абсолютный возраст можно определить только в том случае, если образец быстро остыл и оставался нетронутым на поверхности или вблизи неё^[4]. Влияние условий окружающей среды, таких как давление и температура, на треки деления на атомном уровне до сих пор недостаточно изучено. Однако устойчивость треков деления, как правило, можно свести к температуре и времени^[6]. Приблизительный возраст минералов отражает различные аспекты тепловой эволюции образца, такие как тектонический подъём и денудация^[6].

Калий-аргоновый и аргон-аргоновый методы датирования применяются в термохронологии для определения возраста минералов, таких как апатит. При калий-аргоновом датировании измеряется содержание в образце радиоактивного изотопа калия ⁴⁰K и образующегося при его распаде изотопа аргона ⁴⁰Ar. Изотоп ⁴⁰Ar способен улетучиваться из жидких сред, таких как расплавленная горная порода, но накапливается при затвердевании или перекристаллизации породы. Поэтому, измеряя отношение концентраций накопленного изотопа ⁴⁰Ar и оставшегося изотопа ⁴⁰K в образце и зная период полураспада ⁴⁰K, можно вычислить время, прошедшее с момента перекристаллизации^[9].

При аргон-аргоновом датировании для определения возраста образца измеряется отношение концентраций изотопов ⁴⁰Ar и ³⁹Ar (где последний служит индикатором концентрации изотопа ⁴⁰K). Этот метод является усовершенствованной версией калий-аргонового, поскольку требует только однократного измерения (без необходимости делить образец на части и измерять отдельно содержание ⁴⁰Ar и отдельно содержание ⁴⁰K). Для этого образец подвергается облучению нейтронами в ядерном реакторе, в результате чего стабильный изотоп ³⁹K превращается в радиоактивный изотоп ³⁹Ar. Для измерения возраста породы необходимо повторить этот процесс с эталонным образцом заведомо известного возраста и сравнить соотношения содержания изотопов в исследуемом и эталонном образцах^[10].

При уран-торий-гелиевом датировании (U-Th/He) измеряется содержание в образце радиогенного изотопа гелия ⁴He, образующегося в результате альфа-распада урана и тория. Этот гелий сохраняется в минерале до достижения температуры закрытия и, следовательно, может служить показателем тепловой эволюции минерала. Как и в случае трекового датирования, точный возраст образца определить сложно. Если температура превышает температуру закрытия, радиогенный гелий диффундирует в атмосферу и радиоизотопные «часы» обнуляются^[11].