Уран-ториевое датирование

Радиометрический метод датирования

Уран-ториевое датирование , также называемое датированием торием-230 , датированием неравновесия уранового ряда или датированием уранового ряда , представляет собой радиометрический метод датирования, разработанный в 1960-х годах, который использовался с 1970-х годов для определения возраста материалов из карбоната кальция, таких как спелеотемы или кораллы . ^[1]^[2] В отличие от других широко используемых радиометрических методов датирования, таких как датирование рубидием-стронцием или ураном-свинцом , уран-ториевый метод не измеряет накопление стабильного конечного продукта распада . Вместо этого он вычисляет возраст из степени, в которой было восстановлено вековое равновесие между радиоактивным изотопом торием-230 и его радиоактивным материнским ураном-234 в образце.

Фон

{\displaystyle {\tfrac {R'}{Q'}}={\tfrac {{\ce {^230Th}}}{{\ce {^234U}}}},} — Этот график позволяет определить возраст по двум отношениям активности, предполагая, что торий изначально отсутствует. Горизонтальная ось — это , а вертикальная — это Каждая кривая — это линейная дробная гипербола . Не существует замкнутого выражения для возраста как функции отношений. ${\tfrac {R'}{Q'}}={\tfrac {{\ce {^230Th}}}{{\ce {^234U}}}},$ ${\tfrac {Q'}{P'}}={\tfrac {{\ce {^234U}}}{{\ce {^238U}}}}.$

Торий не растворяется в природной воде в условиях, встречающихся на поверхности земли или вблизи нее, поэтому материалы, выращенные в этой воде или из нее, обычно не содержат тория. ^[3] Напротив, уран в некоторой степени растворим во всей природной воде, поэтому любой материал, который выпадает в осадок или выращивается из такой воды, также содержит следы урана, обычно на уровнях от нескольких частей на миллиард до нескольких частей на миллион по весу. С течением времени после образования такого материала уран-234 в образце с периодом полураспада 245 000 лет распадается до тория-230. ^[4] Торий-230 сам по себе радиоактивен с периодом полураспада 75 000 лет, ^[4] поэтому вместо того, чтобы накапливаться бесконечно (как, например, в случае системы уран-свинец ), торий-230 вместо этого приближается к вековому равновесию со своим радиоактивным родителем ураном-234. При вековом равновесии число распадов тория-230 в год в образце равно числу произведенного тория-230, которое также равно числу распадов урана-234 в год в том же образце.

История

В 1908 году Джон Джоли , профессор геологии в Тринити-колледже в Дублине , обнаружил более высокое содержание радия в глубоких отложениях, чем в отложениях континентального шельфа, и предположил, что обломочные отложения извлекают радий из морской воды. Пиггот и Урри обнаружили в 1942 году, что избыток радия соответствует избытку тория. Потребовалось еще 20 лет, прежде чем этот метод был применен к наземным карбонатам ( образованиям и травертинам ). В конце 1980-х годов метод был усовершенствован с помощью масс-спектрометрии при значительном вкладе Ларри Эдвардса. ^[5]^[6] После того, как знаковая книга Виктора Викторовича Чердынцева об уране-234 была переведена на английский язык, датирование U-Th привлекло широкое внимание исследователей в западной геологии. ^[7]^{: 7}

Методы

U-серийное датирование — это семейство методов, которые можно применять к разным материалам в разных временных диапазонах. Каждый метод назван в честь изотопов, измеренных для получения даты, в основном дочернего и его родительского. Восемь методов перечислены в таблице ниже.

Методы датирования U-серии ^[7]
Измеренное соотношение изотопов	Аналитический метод	Временной диапазон ( тыс. лет )	Материалы
^230Th / ^234U	Альфа-спектр.; масс-спектр.	1–350	Карбонаты, фосфаты, органические вещества
²³¹ Па/ ²³⁵ U	Альфа-спец.	1–300	Карбонаты, фосфаты
²³⁴ У/ ²³⁸ У	Альфа-спектр.; масс-спектр.	100–1000	Карбонаты, фосфаты
U-тренд	Альфа-спец.	10–1000(?)	Детритный осадок
²²⁶ Ра	Альфа-спец.	0,5–10	Карбонаты
²³⁰ тыс./ ²³² тыс.	Альфа-спец.	5–300	Морские отложения
²³¹ Па/ ²³⁰ Тh	Альфа-спец.	5–300	Морские отложения
⁴ Не/У	масс-спектр. (газ)	20–400(?)	Коралловый

Метод ²³⁴ U/ ²³⁸ U основан на том факте, что ²³⁴ U растворяется преимущественно по сравнению с ²³⁸ U, поскольку при распаде атома ²³⁸ U с испусканием альфа-лучей дочерний атом смещается из своего нормального положения в кристалле из-за атомной отдачи . ^[8] Это приводит к образованию атома ²³⁴ Th, который быстро становится атомом ²³⁴ U. После осаждения урана соотношение ²³⁴ U и ²³⁸ U возвращается к своему вековому равновесию (при котором радиоактивности обоих равны), при этом расстояние от равновесия уменьшается в 2 раза каждые 245 000 лет.

Материальный баланс дает для некоторой неизвестной константы $A$ следующие выражения для соотношений активностей (предполагая, что ^230Th начинается с нуля):

^{234}{\text{U}}/^{238}{\text{U}}=1+A\times 2^{-t/245000}

^{230}{\text{Th}}/^{238}{\text{U}}=1+{\frac {A}{1-75000/245000}}\times 2^{-t/245000}-\left(1+{\frac {A}{1-75000/245000}}\right)\times 2^{-t/75000}

Мы можем решить первое уравнение для $A$ в терминах неизвестного возраста $t$ :

A=(^{234}{\text{U}}/^{238}{\text{U}}-1)\times 2^{t/245000}

Подставляя это во второе уравнение, мы получаем уравнение, которое нужно решить относительно $t$ :

^{230}{\text{Th}}/^{238}{\text{U}}=1+{\frac {^{234}{\text{U}}/^{238}{\text{U}}-1}{1-75000/245000}}-2^{-t/75000}-{\frac {^{234}{\text{U}}/^{238}{\text{U}}-1}{1-75000/245000}}\times 2^{t/245000-t/75000}

К сожалению, для возраста $t$ не существует замкнутого выражения , но его легко найти с помощью алгоритмов решения уравнений .

Ограничения на знакомства

Уран-ториевое датирование имеет верхний предел возраста несколько более 500 000 лет, определяемый периодом полураспада тория-230, точностью, с которой можно измерить отношение тория-230 к урану-234 в образце, и точностью, с которой известны периоды полураспада тория-230 и урана-234. Используя этот метод для расчета возраста, также необходимо измерить отношение урана-234 к его родительскому изотопу урану-238. ^{[ необходима цитата ]}

Точность

U-Th датирование дает наиболее точные результаты, если применяется к осажденному карбонату кальция, то есть в сталагмитах , травертинах и озерных известняках. Кости и раковины менее надежны. Масс-спектрометрия может достигать точности ±1%. Точность обычного альфа-счета составляет ±5%. Масс-спектрометрия также использует меньшие образцы. ^[9]

Смотрите также

Радиоуглеродное датирование

Ссылки

^ Дэвис, Оуэн (весна 2005 г.). «Ураново-ториевое датирование». Биогеография ЭКОЛОГИЯ 438/538 . Кафедра наук о Земле, Университет Аризоны . Получено 24 октября 2015 г.
^ Коста, Кассандра М.; Хейс, Кристофер Т.; Андерсон, Роберт Ф.; Павия, Фрэнк Дж.; Бауш, Александра; Дэн, Фейфей; Дютай, Жан-Клод; Гейберт, Вальтер; Хайнце, Кристоф; Хендерсон, Гидеон; Хиллер-Марсель, Клод (2020). "230-я нормализация: новые идеи об основном инструменте для количественной оценки осадочных потоков в современном и четвертичном океане". Палеокеанография и палеоклиматология . 35 (2): e2019PA003820. Bibcode : 2020EGUGA..22.2186C. doi : 10.1029/2019PA003820 . hdl : 1721.1/133816.2 . ISSN 2572-4525.
^ "Датирование урана и тория | Изобарная наука". Изобарная наука | Анализ изотопов стронция - Геохимия . Получено 2024-05-11 .
^ ab Aitken, MJ (25 февраля 2014 г.). Научно-обоснованное датирование в археологии. Routledge. стр. 124. ISBN 978-1-317-87149-1.
^ "Эти два геохимика имеют одну из крупнейших сетей публикаций в науке". Nature Index . 2020-06-26 . Получено 2023-09-01 .
^ "Уран-ториевое датирование спелеотемов". pubs.geoscienceworld.org . Получено 01.09.2023 .
^ ab Schwarcz, Henry P. (январь 1989). "Датирование четвертичных отложений по урановым сериям". Quaternary International . 1 : 7–17. Bibcode :1989QuInt...1....7S. doi :10.1016/1040-6182(89)90005-0. (требуется подписка)
^ MB Anderson; et al. (8 декабря 2010 г.). "Точное определение состава 234U/238U в открытом океане". Геохимия, геофизика, геосистемы . 11 (12). doi : 10.1029/2010GC003318 . S2CID 129292401.
^ Шварц, Генри П. (2005). «Датирование урановых серий в палеоантропологии». Эволюционная антропология: проблемы, новости и обзоры . 1 (2): 56–62. doi :10.1002/evan.1360010207. S2CID 83851086.

Внешние ссылки

Шакашири, Бассам З. "Уран". Химическое вещество недели на scifun.org . Химический факультет Университета Висконсин-Мэдисон. Архивировано из оригинала 14 февраля 2015 г. Получено 24 октября 2015 г.

[1] Дэвис, Оуэн (весна 2005 г.). «Ураново-ториевое датирование». Биогеография ЭКОЛОГИЯ 438/538 . Кафедра наук о Земле, Университет Аризоны . Получено 24 октября 2015 г.

[2] Коста, Кассандра М.; Хейс, Кристофер Т.; Андерсон, Роберт Ф.; Павия, Фрэнк Дж.; Бауш, Александра; Дэн, Фейфей; Дютай, Жан-Клод; Гейберт, Вальтер; Хайнце, Кристоф; Хендерсон, Гидеон; Хиллер-Марсель, Клод (2020). "230-я нормализация: новые идеи об основном инструменте для количественной оценки осадочных потоков в современном и четвертичном океане". Палеокеанография и палеоклиматология . 35 (2): e2019PA003820. Bibcode : 2020EGUGA..22.2186C. doi : 10.1029/2019PA003820 . hdl : 1721.1/133816.2 . ISSN 2572-4525.

[3] "Датирование урана и тория | Изобарная наука". Изобарная наука | Анализ изотопов стронция - Геохимия . Получено 2024-05-11 .

[Aitken2014-4] Aitken, MJ (25 февраля 2014 г.). Научно-обоснованное датирование в археологии. Routledge. стр. 124. ISBN 978-1-317-87149-1.

[5] "Эти два геохимика имеют одну из крупнейших сетей публикаций в науке". Nature Index . 2020-06-26 . Получено 2023-09-01 .

[6] "Уран-ториевое датирование спелеотемов". pubs.geoscienceworld.org . Получено 01.09.2023 .

[Schwarcz-7] Schwarcz, Henry P. (январь 1989). "Датирование четвертичных отложений по урановым сериям". Quaternary International . 1 : 7–17. Bibcode :1989QuInt...1....7S. doi :10.1016/1040-6182(89)90005-0. (требуется подписка)

[8] MB Anderson; et al. (8 декабря 2010 г.). "Точное определение состава 234U/238U в открытом океане". Геохимия, геофизика, геосистемы . 11 (12). doi : 10.1029/2010GC003318 . S2CID 129292401.

[9] Шварц, Генри П. (2005). «Датирование урановых серий в палеоантропологии». Эволюционная антропология: проблемы, новости и обзоры . 1 (2): 56–62. doi :10.1002/evan.1360010207. S2CID 83851086.