Трековое датирование

В отличие от других методов радиометрического датирования, при трековом датировании анализу подвергаются не концентрации изотопов, являющихся продуктами радиоактивных распадов, а следы (треки), оставленные в кристалле более лёгкими атомными ядрами, образующимися в результате деления тяжёлых ядер (т. н. осколками деления). Атомное ядро урана-238 спонтанно делится с известным периодом полураспада, составляющим 5,9 ⋅ 10¹⁵ лет^[4]. Если деление происходит в образце ураносодержащего минерала, то движущиеся осколки деления повреждают его структуру вдоль своей траектории и оставляют за собой вытянутые следы, или треки (наподобие ионных треков, которые образуются при движении быстрых тяжёлых ионов через твёрдое вещество и иногда создаются целенаправленно с помощью ионно-трековой технологии). Уран-238 — это единственный изотоп, чьи распады порождают значительное количество треков; другие изотопы распадаются слишком медленно и ими можно пренебречь. С помощью химического травления отполированных внутренних поверхностей минералов можно обнаружить эти треки и измерить их плотность. Поскольку протравленные треки имеют относительно большой размер (в диапазоне 1—15 мкм), подсчёт можно проводить с помощью оптического микроскопа, хотя используются и другие методы визуализации. Плотность треков коррелирует как с возрастом образца (отсчитываемым с момента его остывания до температуры отжига), так и с содержанием в нём урана, которое должно быть определено независимо.

Для определения содержания урана в образце используются несколько методов. Один из них — нейтронно-активационный анализ. При использовании этого метода к образцу прикрепляется внешний детектор, после чего образец вместе с детектором облучаются тепловыми нейтронами в ядерном реакторе. Облучение нейтронами вызывает вынужденное деление ядер урана-235 в образце, и образующиеся при этом осколки деления оставляют треки в детекторе. Эти треки впоследствии выявляются химическим травлением, и их подсчёт позволяет определить содержание в образце урана-235, а на основе этих данных вычислить и содержание урана-238, поскольку соотношение распространённостей этих двух изотопов в природе хорошо известно и считается везде одинаковым (за исключением некоторых аномальных зон, таких как природные ядерные реакторы^[5]). Возраст образца пропорционален отношению числа треков спонтанного деления урана-238 в самом образце к числу треков вынужденного деления урана-235 в детекторе^[6]. Внешний детектор обычно представляет собой пластину из слюды с низким содержанием урана, но также используются пластики, такие как CR-39.

Другой метод определения концентрации урана в образце — масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой с использованием лазерной абляции (англ. laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry, LA-ICPMS), при котором кристалл подвергается сублимации под действием лазерного луча, после чего вещество пропускается через масс-спектрометр.

Треки деления способны сохраняться в кристалле лишь после того, как температура содержащей его породы падает ниже определённого значения, называемого температурой отжига. При более высоких температурах происходит восстановление структуры кристалла и исчезновение многих дефектов, включая треки деления (это явление и используется в технологии отжига). Следовательно, температура отжига играет для трекового датирования такую же роль, как температура закрытия — для большинства других методов радиоизотопного датирования, в которых подсчитывается число стабильных изотопов, образовавшихся в результате распада радиоактивного изотопа. Трековое датирование измеряет возраст образца с того момента, когда он остыл до температуры отжига («возраст остывания»), и, таким образом, позволяет исследовать тепловую эволюцию минералов и горных пород. Температура отжига различна для разных минералов и составляет приблизительно от 60 до 120 °C для апатита^[7][8], 200—270 °C для циркона^[9][10] и около 300 °C для титанита^[11][3].

Трековый метод может использоваться для датировки низкотемпературных геологических событий с использованием распространённых акцессорных минералов в очень широком диапазоне геологического времени (в основном от 2 млрд до ~100 тысяч лет назад)^[3]. Лучше всего для этого метода подходят апатит, титанит, циркон, слюды и вулканическое стекло, которые обычно содержат достаточно урана для обеспечения возможности датировки образцов относительно молодого возраста — мезозойских и кайнозойских. Кроме того, низкоурановые эпидоты и гранаты могут быть использованы для датирования очень древних образцов — от палеозойских до докембрийских.

Трековый метод хорошо подходит для датировки геологических процессов, приводящих к нагреву и последующему охлаждению горных пород. Благодаря этому он применяется для изучения тепловой эволюции осадочных пород в седиментационных бассейнах; процессов эксгумации горных пород, вызванных тектонизмом и эрозией; событий низкотемпературного метаморфизма пород; формирования жил вследствие гидротермальных процессов.

Большинство современных исследований с использованием трекового датирования направлены на:

• термохронологическое изучение складчатых поясов;
• установление происхождения осадочных горных пород;
• изучение тепловой эволюции седиментационных бассейнов;
• уточнение возраста плохо датированных геологических пластов^[3].

Метод также используется для датирования и установления происхождения археологических памятников и артефактов^[3]. С его помощью были подтверждены результаты калий-аргонового датирования отложений в Олдувайском ущелье^[12].

История трекового метода датирования берёт начало с 1930-х годов, когда было обнаружено, что атомное ядро урана (в частности, изотопа уран-235) претерпевает вынужденное деление под воздействием нейтронов. Образующиеся при этом более лёгкие атомные ядра («осколки», или продукты деления) оставляют в твёрдых телах вытянутые следы (треки), которые можно обнаружить методом химического травления и наблюдать с помощью электронной, а позднее и оптической микроскопии^[15].

Использовать треки деления ядер урана для определения возраста минералов и горных пород предложили в 1963 году американские физики Пол Буфорд Прайс и Роберт Уолкер, работавшие в исследовательской лаборатории General Electric^[15].