Электронная структура и размеры атомов в кристаллах: ионные, атомные и ковалентные радиусы. Типы химической связи и координация атомов

23. Изотопная геохронология. Области применения и ограничения.

Изотопная геохронология - геохронология, устанавливающая возраст горных пород, выраженный в единицах астрономического времени (в тысячах и миллионах лет). Возраст вычисляется по содержанию продуктов радиоактивного распада в минералах.

Принципиальная схема радиоактивного распада очень проста - радиоактивный (материнский) изотоп M превращается в радиогенный (дочерний) стабильный (иногда радиоактивный) изотоп D :

(1)

При радиоактивных превращениях природных изотопов испускаются ядерные частицы x: либо a-частицы (атомные ядра гелия), либо b-частицы(электроны), либо g-кванты (гамма-кванты), или же атомное ядросамопроизвольно делится на два осколка с соотношением масс приблизительно 2 : 3. В единицу времени распадается, убывает количество атомов радиоактивного изотопа, пропорциональное наличному их числу в каждый момент времени t :

(2)

Коэффициент l - константа скорости распада радиоактивного изотопа. Это доля распадающихся в единицу времени атомов от общего их числа, имеющегося в любой момент времени t. Зная начальное число атомов M0 , можно рассчитать, сколько останется радиоактивного изотопа Mt спустя время t ; для этого нужно проинтегрировать выражение (2):

(3)

Mария Склодовская-Кюри, Пьер Кюри и Эрнест Резерфорд были, наверное, первыми, кому пришло в голову: ведь радиоактивность позволяет создать невиданный ранее хронометр для измерения геологического времени. Действительно, из формулы (3) нетрудно получить математическое выражение, в котором "замаскированы" стрелки геологического хронометра. Этими "стрелками" оказывается соотношение концентраций дочернего (радиогенного) и материнского (радиоактивного) изотопов D / M :

(4)

Таким образом, определение времени по геологическому хронометру - геохронометру - сводится к нахождению концентраций двух изотопов в том минерале, возраст которого нужно найти.
В течение многих десятков лет геологический возраст осадочных горных пород определялся и продолжает определяться по окаменелым остаткам живых организмов (фауны), растений (флоры), и даже по спорам этих растений, сохраняющимся в земной коре в течение миллионов, а порой и миллиардов лет. Однако преобладающая часть земной коры, особенно ее фундамент, сложена кристаллическими породами. Они образовались в ходе глубинной переработки (метаморфизма) первичных вулканогенно-осадочных или пород под воздействием флюидных потоков, несущих из земных глубин тепло и летучие компоненты (Н₂O, СO₂, H₂, N₂, F₂ и др.). Под влиянием этих флюидн-тепловых потоков остатки живых организмов разлагаются и в результате в былых осадочных породах не удается обнаружить окаменелые остатки фауны и флоры. Тем самым исчезают сведения не только о времени накопления осадков, но и о возрасте их метаморфизма. Толщи, сложенные такими горными породами, долгое время считались "немыми". Но на выручку геологам пришли изотопы.
Изотопная геохронология позволила определять абсолютный возраст кристаллических горных пород, т.е. время их метаморфизма или кристаллизации их магматических расплавов. Современные масс-спектрометры дают возможность делать это с высокой степенью точности. Более того, усилиями геохронологов создана шкала геологических периодов. Эта шкала позволяет по изотопному возрасту отнести данную кристаллическую породу, точнее породивший ее процесс, к тому или иному геологическому периоду и эпохе. Но еще в сравнительно недавнем прошлом, практически до второй половины 60-х годов нашего столетия геологи и не помышляли об оценках температуры и давления, при которых кристаллизовалась, или же подверглась повторной перекристаллизации данная горная порода. Поэтому не возможно было оценить термодинамические условия (P, T, концентрации летучих во флюиде и т.п.) возникновения и эволюции кристаллических пород, в том числе месторождений полезных ископаемых. Очень мало было сведений о глубинах и температурах зарождения магм. Наконец, практически ничего не было известно о свойствах глубинных надкритических растворов - флюидов. Иными словами, геология имела изотопные часы, но не имела минералогических термометров, барометров, потенциометров, рН-метров и других индикаторов физико-химических условий глубинного минералообразования.