Датирование по урановым рядам

Датирование по рядам распада уранабыло разработано в конце 1940-х гг и первоначально применялось к колонкам глубоководных морских осадков, но с 1960-х гг стало одинаково широко применяться и для континентальных отложений. Благодаря тому, что 6-валентный уран образует хорошо растворимые соединения, из водных растворов он переходит в состав самых разных природных объектов, в особенности содержащих карбонаты. Требование закрытости системы определяет пригодность для датирования: лучшие объекты – неизмененные кораллы, спелеотемы, вулканические лавы, менее надежные – раковины моллюсков, вулканические туфы, фосфаты, железистые конкреции, непригодные – диагенетически измененные кораллы, кости, эвапориты, древесина. Высокие концентрации урана наблюдаются в торфе за счет его абсорбции органическим веществом из грунтовых вод. Для датирования торфа уран-ториевым методом используется специальная процедура коррекции за счет привноса урана из минеральной составляющей торфа (Кузнецов, 2008).

Природные радиоизотопы ²³⁸U (T_1/2=4,49×10⁹ лет) и ²³⁵U (T_1/2=7,13×10⁸ лет) при распаде образуют последовательные цепочки дочерних нестабильных изотопов (ряды распада) до образования стабильных изотопов ²⁰⁶Pb и ²⁰⁷Pb соответственно. В качестве счетчика времени используются отношения дочерних и материнских изотопов: ²³⁴U/²³⁸U (уран-урановый метод;), ²³⁰Th/²³⁴U (уран-ториевый метод), ²³¹Pa/²³⁵U (уран-протактиниевый метод), ²³¹Pa/²³⁰Th (торий-протактиниевый метод). Поскольку в природе урана-238 в 21,7 раза больше, чем урана-235, ряды ²³⁸U (уран-ториевый метод) используются чаще. Периоды полураспада у дочерних изотопов значительно меньше, чем у материнских (²³⁴U – 248 тыс. лет, ²³⁰Th – 75,2 тыс. лет, ²³¹Pa – 34,3 тыс. лет), благодаря чему в закрытых системах изотопные соотношения приходят в равновесие. Это определяет диапазон применимости метода при измерении радиометрическим методом (по α-распаду): от 10 тыс. лет до 150 тыс. лет в ²³¹Pa/²³⁵U методе, 300 тыс. лет в ²³¹Pa/²³⁰Th методе и 350 тыс. лет в ²³⁰Th/²³⁴U методе. Использование ускорительной масс-спектрометрии позволяет расширить диапазон ²³⁰Th/²³⁴U метода до диапазона первые столетия – 600 тыс. лет. Соотношение ²³⁴U/²³⁸U используется в рамках уран-ториевого метода. Непосредственное датирование по ²³⁴U/²³⁸U (уран-урановый метод) покрывает диапазон от 100 тыс. до 1,2 млн лет (при масс-спектрометрии – от 10 тыс. до 2 млн лет). Однако этот метод требует, в отличие от ²³⁰Th/²³⁴U метода, знания начального соотношения ²³⁴U/²³⁸U, что бывает крайне редко.

В качестве нуль-момента в методах урановых серий выступает момент полного или частичного "закрытия" осадочной системы, когда она перестает обмениваться изотопами с окружающей средой. На момент закрытия системы возможны два варианта изотопных соотношений в урановых рядах, которым отвечают два принципа датирования.

(1) Принцип дефицита дочерних изотопов: используемые для датирования продукты распада урана изначально отсутствуют, и мерой возраста служит рост их количества со временем. На этом базируются уран-ториевый и уран-протактиниевый методы. Поскольку изотопы урана растворимы, а ²³⁰Th и ²³¹Pa – нет, в природных водах присутствует только уран. Из воды уран переходит в состав органических (раковины моллюсков, кораллы) и неорганических карбонатных образований (травертинов, спелеотемов), внутри которых после фоссилизации (закрытия системы) начинают накапливаться ²³⁰Th и ²³¹Pa. Рост соотношений ²³⁰Th/²³⁴U и ²³¹Pa/²³⁵U служит мерой возраста.

(2) Принцип избытка дочерних изотопов. Пример: при распаде растворенного в воде урана нерастворимые продукты распада – ²³⁰Th и ²³¹Pa – осаждаются из водной колонки на дно водоема (моря, озера) и сорбируются донными осадками, в то время как уран остается в воде. В минеральном грунте тоже содержится уран и образуются аналогичные изотопы – их количество называется фоновым (supported). В общем содержании ²³⁰Th и ²³¹Pa та их доля, которая осела из воды, называется избыточной или неподдерживаемой (excess, unsupported), потому что с момента захоронения в осадке она постоянно уменьшается за счет распада, что и служит счетчиком времени. Для того, чтобы разделить привнесенные ²³⁰Th и ²³¹Pa и фоновые, их активность измеряется в серии образцов по глубине и с помощью математических моделей определяется скорость осадконакопления, а через нее – возраст осадков на разных глубинах. Это принцип аналогичный датированию по ²¹⁰Pb (см.ниже).

Уран-ториевый метод широко применяется для датирования наземных и морских карбонатов. В частности, уран-ториевое датирование кораллов на разных глубинах в предположении, что когда-то они находились вблизи поверхности, является главным методом реконструкции колебаний уровня Мирового океана. Уран-ториевые даты по наземным и морским карбонатам используются для создания калибровочной шкалы радиоуглеродного возраста за пределами абсолютных дендрошкал (см. раздел 7.1.2).