Рубидий-стронциевый метод

Основан на на бета-распаде изотопа рубидия ⁸⁷Rb и превращении его в изотоп стронция ⁸⁷Sr. Для определения возраста измеряют отношения ⁸⁷Sr /⁸⁷Rb в рубидийсодержащих минералах. А поскольку рубидий является близким геохимическим аналогом кальция, то используют калиевые породообразующие минералы, такие как полевые шпаты и слюды. В природном рубидии содержится 27.2% изотопа ⁸⁷Rb. Поскольку ⁸⁷Rb распадается очень медленно, в рубидий (калий) содержащих минералах содержится очень мало его дочернего изотопа – ⁸⁷Sr. Поэтому использование этого метода требует высокой точности анализа.

Уран-торий-свинцовый метод

Метод основан на измерении соотношения количества дочерних (радиогенных) изотопов свинца и материнских изотопов урана и тория. Уран-238 дает свинец-208, уран-235 – свинец-207 и торий-232 – свинец-208. Поэтому возраст уран-ториевых минералов можно вычислить по четырем независимым изотопным отношениям:

²⁰⁶Pb/²³⁸U, ²⁰⁷Pb/²³⁵U, ²⁰⁸Pb/²³²Th, ²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb

Для первых трех отношений испоьзуются соответственные константы распада, а для последнего кроме того, используют то обстоятельство, что в горных породах и минералах соотношение изотопов ²³⁵U: ²³⁸U практически постоянно и равно 1: 137.7.

Самарий-неодимовый метод. Метод разработан сравнительно недавно Де Паоло и Вассербургом в США. Он основан на a-распаде ¹⁴⁷Sm и превращении его в ¹⁴³Nd. Радиоактивного изотопа ¹⁴⁷Sm в природном самарии 14.97%, ¹⁴³Nd в природном неодиме 12.7%. Оба элемента относятся к группе редкоземельных, имеют почти одинаковые геохимические свойства и встречаются совместно в одних и тех же минералах.

Низкая скорость распада ¹⁴⁷Sm приводит к очень малому накоплению радиогенного изотопа неодима-143, что требует исключительно чувствительных и точных аналитических определений. Этот метод имеет преимущество перед другими методами. Оно состоит в том, что родоначальный и радиогенный изотопы по своим геохимическим свойствам чрезвычайно близки, поэтому их миграция протекает одинаково, не нарушая радиоактивного равновесия в самой минеральной системе.

Стабильные изотопы

Стабильных изотопов известно около 300. Из них состоит большинство химических элементов. Наиболее распространены изотопы, имеющие относительно устойчивые ядра с четным числом протонов и нейтронов.

Элементами с изотопными вариациями, достаточными для их количественного измерения, являются водород, гелий, бор, углерод, азот, кислород, кремний и молибден. Эти вариации обусловлены рядом причин. Рассмотрим их на примере водорода, углерода, кислорода и серы.

Изотопы водорода

Изотопы водорода

Водород в условиях Земли представлен тремя природными изотопами: ¹Н (протий), ²Н (дейтерий D) и ³Н (тритий). Протий и дейтерий относятся к стабильным изотопам, тритий – радиоактивный, возникающий в атмосфере Земли в результате ядерных реакций с космическими лучами. Значительное различие масс ¹Н и D определяет возможность их существенного фракционирования в условиях биосферы. Колебания изотопного состава водорода превышают колебания изотопных отношений всех других известных стабильных химических элементов. Самые незначительные колебания плотности (dD) отмечаются в земных горных породах, наибольшие колебания характерны для летучих веществ – различных природных вод и органического вещества.

Основная часть водорода Земли связана с кислородом в воде, поэтому колебания его изотопного состава связаны с естественным круговоротом воды. Природная вода состоит из трех стабильных изотопов кислорода и двух стабильных изотопов водорода. Это определяет существование девяти изотопных разновидностей молекул воды, которые встречаются в следующей молекулярной концентрации (%): H₂¹⁶О – 99.73, HD¹⁶O – 0.03, D₂¹⁶O – 2.3 10^-6, H₂¹⁷O – 0.04, HD¹⁷O – 1.2 10^-15 , D₂¹⁷O – 0.9 10^-9, H₂¹⁸O – 0.20, HD¹⁸O – 5.7*10^-15, D₂¹⁸O – 4.4*10^-9 . Изотопные виды HD¹⁸O, D₂¹⁶O и D₂¹⁸O представляют собой «тяжелую воду».

При характеристике изотопного состава водорода применяют изотопную плотность dD, ‰ по отношению к стандарту SMOW, принятому за нуль (dD SMOW=0 ‰):

dD, ‰ = 1000[(R_{образца} / R_{стандарта} ) – 1],

где R = D/H

Величина dD служит отличным индикатором генезиса вод. Наиболее значительны колебания величины dD в термальных водах и вулканических газах (Н и СН₄), которые могут быть и сильно обеднены, и довольно сильно обогащены дейтерием. Но больше всего дейтерия в морской воде; поскольку она выбрана как стандарт, то все значения dD получаются отрицательными.