Seznamování uranu a olova

Uran-olovo datování je absolutní datování metoda , ve kterém radioaktivní rozpadové řady z uranu jsou využívány ke vzorkům data. S touto metodou z. B. pozemské horniny nebo meteority jsou datovány. Věk Země, který se dnes předpokládá na 4,55 miliardy let, poprvé určili Fritz Houtermans a Clair Cameron Patterson pomocí datování uranem a olovem. Pomocí této metody datování byl stanoven věk sluneční soustavy , aplikovaný na pravděpodobně nejstarší minerály vytvořené v naší sluneční soustavě, inkluze bohaté na vápník a hliník v meteoritech, na 4,567 miliardy let. Nejstarší minerály vytvořené na Zemi, zirkony , které byly nalezeny ve skalách v Austrálii , byly staré až 4,404 miliardy let.

Základy

Existují dvě řady rozpadu, z nichž každá začíná izotopy uranu a končí několika izotopy olova prostřednictvím několika mezikroků :

• Série uran-radium : uran ²³⁸ U →… → olovo ²⁰⁶ Pb (poločas: 4,5 miliardy let)
• Série uranového aktinia : uran ²³⁵ U →… → olovo ²⁰⁷ Pb (poločas: 704 milionů let)

Různé nestabilní produkty rozpadu v těchto sériích mají mnohem kratší životnost než příslušný izotop uranu na začátku série. Při určování věku proto hraje zásadní roli pouze poločas izotopů uranu. Podle zákona rozkladu:

${\ displaystyle {} ^ {206} \ mathrm {Pb} = {} ^ {238} \ mathrm {U} \ cdot (1-e ^ {- \ lambda _ {238} t}), \ quad {\ lambda } _ {238} = 1 {,} 55125 \ cdot 10 ^ {- 10} \, {\ frac {1} {\ mathrm {rok}}}}$

${\ displaystyle {} ^ {207} \ mathrm {Pb} = {} ^ {235} \ mathrm {U} \ cdot (1-e ^ {- \ lambda _ {235} t}), \ quad {\ lambda } _ {235} = 9 {,} 8485 \ cdot 10 ^ {- 10} \, {\ frac {1} {\ mathrm {rok}}}}$

To znamená, že věk lze vypočítat třemi různými způsoby z měření poměrů izotopů olova a poměru Pb / U. První dvě metody vyplývají přímo z transformace příslušného zákona rozpadu:

${\ displaystyle t = {\ frac {1} {\ lambda _ {238}}} \ cdot \ ln \ left (1 + {\ frac {{} ^ {206} \ mathrm {Pb}} {{} ^ { 238} \ mathrm {U}}} \ vpravo)}$

${\ displaystyle t = {\ frac {1} {\ lambda _ {235}}} \ cdot \ ln \ left (1 + {\ frac {{} ^ {207} \ mathrm {Pb}} {{} ^ { 235} \ mathrm {U}}} \ vpravo)}$

Třetí věkovou rovnici lze snadno odvodit z obou zákonů rozpadu, ve kterých neexistují poměry izotopů různých prvků, ale pouze poměry izotopů jednoho prvku:

${\ displaystyle {\ frac {{} ^ {207} \ mathrm {Pb}} {{} ^ {206} \ mathrm {Pb}}} = {\ frac {{} ^ {235} \ mathrm {U}} {{} ^ {238} \ mathrm {U}}} \ cdot {\ frac {(e ^ {\ lambda _ {235} t} -1)} {(e ^ {\ lambda _ {238} t} - 1)}}}$

Věk lze z této rovnice určit iterativní numerickou nebo grafickou metodou . V zásadě je třeba měřit pouze poměr izotopů olova ²⁰⁷ Pb:  ²⁰⁶ Pb, za předpokladu, že dnešní poměr izotopů přírodního uranu na Zemi je homogenní. To se již dlouho předpokládalo, hodnota by měla být ²³⁵ U:  ²³⁸ U = 1: 137,88. Nová měření ji však stanovila na ²³⁵ U:  ²³⁸ U = 1: 137,818 ± 0,045 (2σ), může se také mírně lišit v závislosti na tom, kde byla nalezena. Protože izotopové poměry prvku lze určit mnohem přesněji než poměr různých prvků, je tato metoda velmi přesná. Předpokladem pro tuto metodu je, že je znám současný poměr izotopů uranu ve vzorku. Zejména aplikace pro datování meteoritů vyžaduje homogenitu izotopů uranu ve sluneční mlhovině , pokud se k výpočtu věku použije poměr izotopů zemského uranu. Požadovaný poměr izotopů uranu však lze v zásadě určit také v každém jednotlivém vzorku, takže tento předpoklad není absolutně nezbytný nebo může být dokonce ověřen přímo. Smysluplnou metodou ke kontrole, zda jsou u konkrétního vzorku splněny nezbytné předpoklady, je použití diagramu Konkordia. ${\ displaystyle t}$

Další výhodou této metody je, že rozpadové konstanty uranu jsou známy s přesností v rozsahu tisíců, zatímco rozpadové konstanty jiných radioaktivních prvků používaných pro datování jsou obvykle známy pouze s přesností v procentním rozmezí.

Konkordia diagram

Konkordia diagram je způsob kontroly spolehlivosti měřených stáří U-Pb. Pokud jsou do diagramu Konkordia zadány naměřený poměr ²⁰⁶ Pb / ²³⁸ U a poměr ²⁰⁷ Pb / ²³⁵ U měřeného vzorku, měl by datový bod v ideálním případě ležet na křivce zvané Concordia. To je například případ krystalů, které mají pouze jednostupňovou historii, tj. Po jejich krystalizaci již nedochází k narušení izotopového systému uran-olovo. Pokud jsou naměřené poměry izotopů na Konkordii, lze předpokládat jednostupňovou historii a věk lze považovat za velmi spolehlivý.

K narušení izotopového systému U-Pb událostí později, než je datováno, může dojít např. B. metamorfóza horniny nebo ztráty olova v důsledku difúze. Pokud byl vzorek narušen, datový bod je vedle něj d. tj. je nesouhlasný. Také neradiogenní komponenty olova, tj. H. Olovo z jiných zdrojů než z rozpadu uranu (např. Prvotní olovo) může způsobit odchylku od Concordie, pokud není dostatečně korigováno v měření izotopů olova. Ve skutečnosti má mnoho hornin za sebou složitou historii, a proto se velký počet poměrů uranu a olova měřených v praxi ukazuje jako nesouhlasný.

I při nesouhlasných měřeních olova a uranu lze historii horniny často rekonstruovat. To je případ, kdy jsou krystaly horniny, například po původní krystalizaci, způsobeny jinou singulární událostí, např. B. metamorfózy, byly narušeny, takže mají celkově dvoustupňovou historii. Pak datové body takových krystalů v Konkordia diagramu leží na přímce, která protíná Konkordia v době první události (krystalizace) a druhé události (metamorfóza). Taková přímka se nazývá discordia. Pokud někdo změří několik krystalů ze skály, které mají všechny za sebou stejnou dvoustupňovou historii, lze diskordii přizpůsobit datovým bodům, a tak lze určit průsečíky s konkordií a jejich souvisejícími body v čase.

Možným problémem zde může být to, že pokud byl izotopový systém uran-olovo narušen kontinuální ztrátou olova, datové body mohou také ležet v širokém rozsahu přibližně na přímce a pouze při malých poměrech ²⁰⁷ Pb / ²³⁵ U k počátek diagramu se otočí směrem k. Hrozí zde nebezpečí, že přímka přizpůsobená těmto údajům může být nesprávně interpretována jako discordia.

Oprava neradiogenního (prvotního) obsahu olova

Kromě diskordantního datového bodu v diagramu Konkordia, který může být způsoben neradiogenním (také nazývaným primordiálním) olovem, je izotop olova ²⁰⁴ Pb důležitým indikátorem přítomnosti neradiogenního olova ve vzorku. Neexistuje žádná přirozená řada rozpadu do izotopu ²⁰⁴ Pb, a proto také žádný radiogenní ²⁰⁴ Pb, ale tento izotop olova je zcela prvotní a frekvence je tedy přímým měřítkem podílu neradiogenního olova ve vzorku.

V případě vzorků nebo minerálních separací, ve kterých neradiogenní olovo představuje nezanedbatelný podíl, musí být toto před výpočtem věku opraveno. To se obvykle provádí stanovením prvotních frekvencí ²⁰⁶ Pb a ²⁰⁷ Pb s naměřenou frekvencí ²⁰⁴ Pb a známými poměry izotopů prvotního vedení a jejich odečtením od odpovídajících měřených frekvencí těchto izotopů. Výsledkem jsou radiogenní frekvence ²⁰⁶ Pb a ²⁰⁷ Pb, se kterými lze potom vypočítat věk.

Při této korekci je důležité znát izotopové poměry prvotního olova. Byly to například Tatsumoto et al. stanoveno a publikováno v roce 1973 a později Göpel et al. (1985) potvrzeno. Studie Göpel et al. také silně podporují předpoklad, že prvotní elektroda byla na protoplanetárním disku homogenní.

Vývoj datování uran-olovo

Datování kvůli radioaktivnímu rozpadu uranu poprvé navrhl Ernest Rutherford v roce 1905 . Poté, co se Bertram B. Boltwood v roce 1907 ukázal jako olovo jako konečný produkt rozpadu uranu, dal Arthur Holmes v roce 1911 u některých hornin věk až 1,64 miliardy let. Tyto věky však byly příliš vysoké, protože nebyly založeny na poměrech izotopů, ale na chemických poměrech uranu a olova. Izotopy byly v té době stále neznámé.

Poměry izotopů olova byly měřeny až v roce 1927 Francisem Williamem Astonem . V roce 1930 stanovil Otto Hahn stáří Země metodou uran-olovo na 1,5 až 3 miliardy let, i když pro výpočet stále používal chemické poměry místo izotopových a vycházel z předpokladu, že ve skalách nebyl žádný prvotní olovo se díval na byly přítomny. Od roku 1937 Alfred Nier provedl měření poměrů izotopů olova hmotnostními spektrometry . Pokusil se také určit izotopové poměry prvotního olova. Vývoj atomové bomby, zejména v rámci projektu Manhattan , také vedl k vývoji vylepšených technik pro určování poměrů izotopů a lepšího porozumění rozpadu uranu, což výrazně urychlilo vývoj datovací techniky uranu a olova. V roce 1953 publikoval Clair Cameron Patterson na základě měření izotopů olova v meteoritu stále akceptovaný věk Země 4,55 miliardy let.

Viz také

• Seznamování uranu a thoria
• ²¹⁰ Pb seznamka
• Určení věku
• geochronologie
• Radiometrické datování

literatura

• JM Mattinson (2013): Revoluce a evoluce: 100 let geochronologie U-Pb . Prvky 9, 53-57
• B. Heuel-Fabianek (2017): Přírodní radioizotopy: „atomové hodiny“ pro určení absolutního věku hornin a archeologických nálezů . Praxe radiační ochrany, 1/2017, s. 31–42.

Individuální důkazy

1. ↑ Stanovení stáří Země z izotopového složení meteoritického olova. In: Nuovo Cimento. 10, 1953, str. 1623-1633, doi: 10,1007 / BF02781658
2. ^ Patterson C., Tilton G. a Inghram M. (1955): Age of the Earth , Science 121, 69-75, doi: 10,1126 / science.121.3134.69 .
3. ^ Patterson C. (1956): Věk meteoritů a Země , Geochimica et Cosmochimica Acta 10, 230-237
4. ↑ Amelin Y., Krot AN, Hutcheon ED a Ulyanov AA (2002): Olovo izotopové stáří chondrul a inkluze bohaté na vápník , Science, 297 , 1678–1683, doi : 10,1126 / science.1073950 .
5. ↑ SA Wilde, JW Valley, WH Peck, CM Graham (2001): Důkazy z detritických zirkonů o existenci kontinentální kůry a oceánů na Zemi před 4,4 lety , Nature, 409, 175-178. (Soubor PDF; 197 kB)
6. ↑ Steiger and Jäger: Submission on geochronology: Convention on the use of decay constants in geo- and cosmochronology , Earth and Planetary Science Letters, 36, 1977, 359-362
7. ↑ Hiess a kol.: 238U / 235U Systematika v suchozemských uranových minerálech , Science, 335, 2012, 1610–1614, doi : 10,1126 / science.1215507
8. ↑ Tatsumoto a kol., Science, 180, 1973, 1278-1283
9. ↑ Göpel a kol .: Systematika U-Pb v meteoritech železa - uniformita prvotního olova , Geochimica et Cosmochimica Acta, 49, 1985, 1681–1695
10. ↑ Otto Hahn: Věk Země. Die Naturwissenschaften 18 (1930), číslo 47-49, str. 1013-1019