Датирование по наземным космогенным нуклидам (НКН)

Датирование по космогенным нуклидам, накапливающимся в поверхностных горных породах (TCN – Terresrial Cosmogenic Nuclides),было теоретически обосновано уже в середине 1950-х гг, но его применению препятствовали крайне низкие концентрации нуклидов. Практическое применение началось в 1980-х гг благодаря развитию ускорительной масс-спектрометрии. В 1990-начале 2000-х гг количество публикаций по геоморфологическому применению методов НКН росло уже в геометрической прогрессии (Cockburn, Summerfield, 2004).

Принцип метода. Частицы высокой энергии, попадающие из космоса в земную атмосферу, взаимодействуют c атомами воздушных газов и производят вторичное излучение. Это излучение достигает поверхности горных пород и разбивает атомы, входящие в состав некоторых минералов, на дочерние нуклиды (процесс, называемый спаллацией), которые называют космогенными. Среди них есть стабильные и долгоживущие радиоизотопы (табл.7.3), которые накапливаются в приповерхностных частях породы. По количеству накопленных космогенных нуклидов определяют время обнажения скальной поверхности – коренных пород или крупнообломочных продуктов их разрушения (глыб, валунов). Для этого надо знать скорость продуцирования данного вида нуклидов на поверхности породы. Она зависит от геомагнитной широты (ближе к полюсу – скорость больше) и абсолютной высоты (чем выше, тем скорость больше). Кроме того, скорость продуцирования НКН определяется положением по глубине от поверхности: с ростом глубины продуцирование затухает в первых нескольких сантиметрах, но у самой поверхности могут происходить потери за счет ухода части нуклидов за пределы породы. С течением времени скорость продуцирования НКН обратно изменялась в связи с изменениями интенсивности геомагнитного поля Земли (более сильное поле – меньше скорость продуцирования, и наоборот). Геомагнитные изменения реконструируются по δ14C (см. выше). В последние 80 тыс. лет они были циклическими. При датировании используется средняя величина за время жизни образца. Все эти факторы учитываются математическими моделями накопления НКН (рис.7.12)

Таблица 7.3.

Космогенные нуклиды, используемые для определения времени обнажения поверхности
(по: Kurz, Brook, 1994)

*МС – масс-спектрометрия, УМС – ускорительная масс-спектрометрия

**По другим данным (Zreda, Phillips, 2000), реалистичный верхний предел для ³⁶Cl-датирования составляет 500 тыс. лет. По-видимому, и для других изотопов верхние пределы возраста в таблице следует рассматривать лишь как теоретически возможные.

Какие породы опробовать – зависит от вида нуклида, используемого для датирования. ³⁶Cl образуется из целого ряда химических элементов (Cl, Ca, K) и поэтому продуцируется в самых разнообразных породах, включая карбонаты. Для ²⁶Al идеален кварц, т.к. в нем немного своего алюминия. Кварц используют и для датирования по ¹⁰Be ввиду простоты его химического состава и плотной кристаллической структуры, предохраняющей от загрязнения атмосферным ¹⁰Be. Для ³He предпочтителен оливин ввиду его плотной кристаллической структуры, препятствующей потерям гелия за счет диффузии. Для датирования со скальной поверхности с помощью молотка и долота откалывается образец толщиной 1-2 см – на такую глубину в большинстве случаев распространяется воздействие космического излучения. Образцы пакуются в пластиковые или тряпичные мешочки. Для опробования выбирают как можно более широкие и приподнятые горизонтальные площадки, чтобы исключить возможность экранирования более высокими топографическими элементами, избежать невертикальности угла падения излучения (чем меньше угол падения, тем меньше удельная величина поглощаемого излучения), а также минимизировать возможные проявления эрозии.

Эрозионные потери вещества с поверхности ведут к занижению возраста, т.к. вместе с эродированной породой удаляется и часть накопленных НКН. Учет эрозии, в том числе химической, произошедшей с момента обнажения поверхности, – одна из главных проблем метода. Еще один источник недооценки возраста – экранирование от космической радиации растительностью, снежным покровом, слоем рыхлых наносов. К переоценке возраста приведет наличие НКН, унаследованных от прежних сеансов экспонирования: например, моренный валун мог быть экспонирован и накопить НКН еще перед тем, как он последний раз попал в ледник. Большинства источников погрешности удается избежать путем тщательного выбора мест пробоотбора. Величина эродированного слоя может быть определена с помощью вертикальной эпюры содержания ³⁶Cl в породе (Zreda, Phillips, 2000)

Применение метода НКН фокусируется, в основном, на датировании событий, приводящих к геологически моментальному в обнажению скальной поверхности: обвальных глыб и поверхностей отрыва обвалов, моренных валунов и поверхностей ледниковой экзарации, селевых выбросов, стенок каньонов, абразионных клифов, древних вулканических поверхностей, сейсмотектонических уступов, импактных кратеров и т.д. Примером служит датирование времени образования порогов Лава Фоллс на р.Колорадо, сформированных в результате селевого выброса из одного из притоков (Cerling et al., 1999). Выброс образовал в русле Колорадо плотину высотой 30 м, впоследствии прорезанную рекой. Поверхность селевых накоплений была датирована по ³He временем 3 тыс. лет назад. После этого времени произошло еще 11 селевых выбросов, датированных по ³He, ¹⁴C и историческим фотографиям и определен интервал повторяемости селей от 15 до 2000 лет.

Другой пример – датирование широко распространенных в Северо-Шотландском нагорье ротационных скальных оползней, возникших в результате снятия ледниковых подпорок после деградации последнего оледенения (Ballantyne et al., 1998). Один из таких оползней на о.Скай был датирован по ³⁶Cl: время отрыва двух отдельных оползневых блоков определено как 6,7±0,7 и 6,6±0,8 тыс.л.н., из чего сделан вывод о возрасте оползня в целом 6,5±0,5 тыс.лет. Из того, что оползень произошел не сразу, и лишь через 7 тыс. лет после дегляциации, авторы делают заключение о механизме этого явления: к нему привело постепенное расширение зон трещиноватости после снятия ледниковой нагрузки, хотя не исключено и участие сейсмического триггера.

НКН успешно применялись для определения геологических темпов денудации по величине дефицита НКН, возникающего вследствие постоянного удаления поверхностных слоев породы. В Трансантарктических горах определенные по ²¹Ne скорости денудации возрастают от 0,133–0,164 м/млн. лет на плоских вершинных поверхностях до 0,26–1,02 м/млн. лет на прямолинейных склонах (Summerfield et al., 1999).

Космогенные радионуклиды (¹⁴С, ³⁶Cl) переходят из атмосферы в грунтовые воды. Измерение их концентрации позволяет судить о возрасте подземных вод – времени, когда они стали фильтроваться с земной поверхности, что применяется при изучении процессов круговорота воды. Отсутствие долгоживущего ³⁶Cl указывает, что приток подземных вод пренебрежимо мал и данный водоносный горизонт является замкнутым. Это важно, например, при выборе мест для захоронения токсичных и радиоактивных отходов (Блинов, 1999).