Рис.3.2. Спектр естественного гамма-излучения

Следует отметить, что при формировании естественной радиоактивности g-излучение имеет наибольшее значение, поскольку α-, β-частицы при взаимодействии с веществом испытывают сильное кулоновское взаимодействие и обладают очень малой проникающей способностью.a-частицы, например, задерживаются обычным листом бумаги, b-частицы - тонкой свинцовой плёнкой.

В основу методов определения абсолютного возраста положен закон радиоактивного распада:

N_t = N₀ exp(-λt) (3.1),

где N_t – количество не распавшихся атомов ядер неустойчивых (радиоактивных) элементов,

N₀ – количество атомов ядер в момент образования природного объекта,

t –время распада,

λ - постоянная распада, которая для каждого изотопа имеет своё численное значение.

В практике используется и величина Т_1/2 –период полураспада:

(3,2),

Следует подчеркнуть, что возраст химических элементов не имеет никакого отношения к возрасту горных пород. Под возрастом пород понимают время, прошедшее после их кристаллизации (затвердевания). До этого события элементы, образующие решетку, могут относительно свободно перемещаться в пространстве, находясь в газовой или жидкой фазе. Но после образования кристаллической решетки атомы (например, урана) зафиксированы в решетке, и после превращения урана в свинец количество урана в образце уменьшается, а количество свинца – увеличивается. Поэтому, чем больше возраст породы - тем больше относительное содержание свинца в этой породе. Если в момент образования кристаллической решётки в рассматриваемом образце породы было некоторое количество атомов изотопов урана (²³⁸ U и ²³⁵ U) и свинца, а весь имеющийся в настоящее время свинец (²⁰⁶ Pb и ²⁰⁷ Pb) образовался при распаде урана, тогда уравнение радиоактивного распада урана можно записать в виде:

(3,3),

где t - это время, прошедшее после того, как в кристаллической решетке было зафиксировано суммарное количество урана и свинца, т.е. возраст горной породы;

τ - время жизни радиоактивного изотопа урана;

U²³⁸/U²³⁵и Pb²⁰⁶/Pb²⁰⁷ - современное соотношение количества атомов изотопов урана и свинца, которое определяется экспериментально методами масспектрометрии.

Ранее единственным способом установления относительного геологического возраста пород был закон их последовательного напластования. Согласно этому закону, в ненарушенной стратиграфической последовательности пластов самыми древними считаются породы, лежащие в основании, а самыми молодыми — в верхах разреза. Ископаемые остатки фауны и флоры помогают выяснению относительного возраста осадочных образований. Определение же возраста интрузивных пород, не имевших фауны, нередко было спорным. Применение радиоактивных методов позволяет выражать возраст минералов и пород в единицах времени, а не только получать сравнительные данные. Поэтому эти методы называют методами определения абсолютного возраста. Последние условно разделяют на первичные, основанные на вычислении времени по самому процессу радиоактивных превращений, и вторичные, базирующиеся на изучении явлений, возникающих в минералах под действием излучений от радиоактивных элементов, входящих в минерал. Вторичные методы практически пока не применяются.

К первичным относятся свинцовый, гелиевый, аргоновый и стронциевый методы. С помощью перечисленных методов можно рассчитать возраст пород в диапазоне миллионы — миллиарды лет. Выбор метода, с помощью которого может быть определен возраст геологического образования, зависит от наличия в породе определенных минералов сингенетичного (первоначального) происхождения и хорошей их сохранности. Потеря или привнос элементов не должен происходить в течение всего времени с момента образования минерала до наших дней. Кроме того, имеются специфические условия применения каждого радиоактивного метода в отдельности.

Свинцовый метод является наиболее надёжным и разработанным методом. В основе его лежит процесс превращения урана, тория и актиноурана в радиогенный свинец.

Для определения абсолютного возраста свинцовым методом выбирают радиоактивные минералы с содержанием U и Th более 1 %, например уранинит, монацит, ортит и циркон. Пригодные для свинцового метода минералы хорошей сохранности встречаются чаще всего в пегматитах и кварцевых жилах. Вычисления возраста древних минералов (t > 200 млн. лет) производят по имеющимся изотопным определениям свинца и урана. Формулы для расчета возраста по различным вариантам свинцового метода имеют следующий вид:

(3,4)

(3,5)

(3,6)

Гелиевый метод вычисления абсолютного возраста основан на определении соотношения между количествами накопившегося гелия и исходного изотопа (U, Th, AcU). Пригодны минералы с малым содержанием радиоактивных элементов Для определения возраста годятся кристаллы самородных металлов (железа, меди, платины), а также минералы хорошей сохранности из группы танталониобатов и шлиховой магнетит.

Аргоновый метод основан на определении соотношения между количествами изотопа калия-40, содержащегося в образце, и накопившегося из него аргона-40. Расчет абсолютного возраста аналогичен приведенному выше. Одно из существенных преимуществаргонового метода заключается в том, что калий в достаточно большом количестве входит в состав большинства горных пород, и образцы для геохронологических исследований могут быть получены из всех основных групп горных пород: магматических, метаморфических и осадочных. Наиболее пригодны для определения возраста настоящим методом слюды (мусковит, биотит). Формула для расчета возраста t, млн. лет, после подстановки в нее значений констант распада ⁴⁰К имеет вид:

(3.7).

Так как различие в атомных весах ⁴⁰Аr и ⁴⁰K очень мало, то величины ⁴⁰Аr и ⁴⁰K выражают в весовых единицах (на единицу веса образца).

Определение концентрации элемента калия К, %, производится методами химического анализа: концентрация изотопа ⁴⁰K (в граммах на 1 г образца) рассчитывается из соотношения ⁴⁰K=1,22∙10^-6К. Содержание ⁴⁰Ar определяется на масс-спектрометре или для нахождения концентрации элемента Аr используется активационный анализ.

Стронциевый метод определения абсолютного возраста древних минералов и пород основан на накоплении ⁸⁷Sr, образующегося в минералах при распаде ⁸⁷R b. Для определения возраста стронциевым методом пригодны такие минералы хорошей сохранности, как лепидолит, биотит, мусковит, роговая обманка, монацит и др.