Гірські породи містять інформацію про нашій планеті, оскільки в них відображені різні геологічні епохи, які Земля пережила за час її існування. Людство в XIX столітті досить добре розуміло геологічні процеси, які призводять до утворення гір, але не вміло визначати час, за який відбувалися ці процеси, і вік скам’янілостей залишався невідомий. Лише в XX столітті завдяки досягненням в області фізики вирішити цю проблему виявилося можливим. Розглянемо питання про те, як визначити вік гірських порід.
Класифікація методів визначення віку гірських порід
У загальному випадку, відповідаючи на питання, як визначити вік гірських порід, що всі методи можна розділити на два основних типи: одні визначали відносний, а інші – абсолютний показник. Спочатку існували тільки ті способи, які дозволяли виявити відносне значення. Вони дозволяли інтерпретувати геологічну історію у вигляді послідовності процесів, що йдуть один за одним. Потім з’явилися методики визначення абсолютного показника, які базуються на знаннях у галузі радіометрії.
На перший погляд може здатися, що це досить складно. Однак це не так, цю тему учні докладно вивчають з географії вже в 7 класі.
Як визначати вік гірських порід? Техніка знаходження досліджуваних величин базується на таких фундаментальних геологічних законах:
- закон суперпозиції;
- закони перетину і горизонтального нашарування;
- вивчення включень і вкраплень;
- співвіднесеність гірських шарів.
Абсолютний вік
Якщо говорити про те, як визначають вік гірських порід вчені, то потрібно сказати, що вони використовують самі точні методи і способи. З їх допомогою вдається отримати інформацію в точних або приблизних цифрах, які говорять про те, скільки тисяч і мільйонів років тому відбувалися конкретні геологічні процеси.
На початку XX століття фізики зробили революційне відкриття: вони показали, що в природі існують так звані радіоактивні ізотопи хімічних елементів. Що це означає? Справа в тому, що велика частина елементів таблиці Менделєєва (92 елемента) є стабільними, тобто їх атоми існують у незмінному вигляді досить великий час. Однак деяка частина з них здатна спонтанно розпадатися з утворенням інших більш стабільних хімічних елементів з випусканням елементарних частинок і вивільненням певної кількості енергії. Такі атоми отримали назву радіоактивних ізотопів, і саме вони містять відповідь на питання про те, як у географії визначити вік гірських порід.
В даний час існує декілька методів визначення шуканих величин, які засновані на використанні радіоактивність хімічних елементів, наприклад дендрохронологический спосіб, вивчення щільності кратерів, термолюминесценция. Найбільш точними способами знаходження віку гірських порід є методи радіометрії.
Радіоізотопне датування
Радіоізотопне датування як метод радіометрії представляє собою техніку оцінки абсолютного віку геологічних матеріалів, таких, як гірські породи, мінерали і органічна матерія. Ця техніка заснована на використанні фізичних законів радіоактивного розпаду нестабільних ізотопів хімічних елементів.
У 1907 році було відкрито явище радіоактивності, суть якого полягає в розпад атомного ядра. На початку XX століття відомий новозеландський фізик Ернест Резерфорд висловив думку про можливість використання явища радіоактивності для встановлення віку мінералів шляхом визначення в даному речовині кількості первинних радіоактивних елементів і визначення кількості продуктів їх розпаду. Метод радіоізотопного датування почав активно розвиватися починаючи з сімдесятих років двадцятого століття.
Таким чином, цей високоточний спосіб дозволяє зрозуміти, як визначити вік мінералів і гірських порід.
Радіоактивні елементи, які підходять для знаходження віку порід
Кажучи коротко, як визначити вік гірських порід, слід зазначити, що не кожен радіоактивний хімічний елемент придатний для цієї мети. Для того щоб його можна було використати метод радіоізотопного датування, необхідно виконання наступних обов’язкових умов:
- Цей хімічний елемент повинен бути досить поширеним.
- Період його напіврозпаду повинен бути не надто великою і не надто малою, а також необхідно, щоб він відповідав інтервалів часу, які необхідно виміряти.
- Кількість дочірніх елементів, що утворюються після радіоактивного розпаду, має бути відмінним від випадкового числа цих елементів, яке присутнє в мінералі з моменту його утворення.
Знаходження абсолютного віку гір не є простим завданням. Як правило, точні цифри вчені отримують завдяки усереднення числових показників, отриманих в цілій серії експериментальних вимірювань. При цьому для підвищення точності результатів радіоізотопного датування намагаються використовувати інформацію про изотопах різних радіоактивних елементів.
Характеристика радіоактивних елементів
Головною характеристикою будь-якого радіоактивного хімічного елемента є його середній час життя, тобто той проміжок часу, через який його атом зазнає радіоактивний розпад. У таблиці нижче наводиться інформація про середній час життя деяких радіоактивних елементів, які можуть використовуватися для відповіді на питання про те, як визначити абсолютний вік гірських порід. В дужках вказана маса ядра в атомних одиницях маси.
| Радіоактивний елемент | Дочірній елемент | Середній час життя в роках | Можливість використання |
| самарій (147) | неодим (143) | 105*109 | старі метаморфічні гірські породи |
| рубідій (87) | стронцій (87) | 47*109 | будь-який тип гірських порід |
| уран (238) | свинець (206) | 4,51*109 | найбільш точний метод |
| калій (40) | аргон (40) | 1,3*109 | часто використовуваний метод |
| уран (235) | свинець (207) | 713*106 | аналогічний парі уран(238)-свинець(206) |
| берилій (10) | бор (10) | 1,5*106 | осадові гірські породи |
| торій (230) | радій (226) | 75*103 | морські відкладення віком до 1 млн років |
| вуглець (14) | азот (14) | 5730 | матеріали біологічного походження |
Методи самарій-неодим і рубідій-стронцій
Тривалий середній час життя самарія протиставляється тому, що неодим накопичується дуже повільно в гірських породах, тому даний метод радіоізотопного аналізу дає найбільш точні результати лише для віку тих гір, цикл життя яких значно перевищує мільярди років.
Метод рубідій-стронцій часто використовується для знаходження віку древніх гір і широкого розмаїття різноманітних мінералів. Він дає точні результати для ендогенних гірських порід.
Методи уран-свинець
Розглядаючи питання про те, як визначити вік гірських порід за допомогою радіоактивного розпаду атома урану, слід зауважити, що існують дві незалежних реакції, які проявляються певним чином. Обидва методи часто використовуються спільно, що дозволяє отримувати незалежну інформацію про абсолютному віком породи. Ці високоточні способи є досить складними, проте вони дають найнадійнішу інформацію. Спочатку методики використовувалися для визначення віку тільки мінералів, що містять уран. В даний час вони застосовуються також для вивчення осадових гірських шарів, наприклад вапняку. Точність методу досить висока, наприклад вік гірських порід архейського періоду він визначає з точністю 1-2 млн років.
Метод берилію 10
Порівняно молодий метод радіоізотопного датування, який почали використовувати у сімдесятих роках минулого століття, а в останні десятиліття він отримав широке поширення. За допомогою цього способу вимірюють вік гір, який лежить в інтервалі від декількох сотень тисяч років до 15 млн. Поряд з методом калію-аргону він є єдиним надійним в даному часовому проміжку. Зазвичай його застосовують для оцінки віку вулканічних і інших осадових гірських шарів.
