U–Pb (urano–švino) radiometrinis datavimas: principai ir taikymas

Urano–švino (U–Pb) metodas yra viena seniausių, plačiausiai taikomų ir vienų patikimiausių radiometrinių datavimo schemų. Juo galima datuoti labai senus uolienų įvykius — nuo maždaug 1 mln. iki daugiau kaip 4,5 mlrd. metų amžiaus. Tipinis tikslumas priklauso nuo metodo ir mėginio, tačiau geriausiais atvejais svyruoja nuo ~0,1 iki 1 proc. (Tikslumas).

Principas

U–Pb metodas remiasi dviejų nepriklausomų radionuklidų skilimo grandinių egzistavimu:

• ²³⁸U → ... → ²⁰⁶Pb, kurio pusėjimo trukmė ~4,47 mlrd. metų;
• ²³⁵U → ... → ²⁰⁷Pb, kurio pusėjimo trukmė ~704 mln. metų.

Dėl šių dviejų "lygiagrečių" skilimo kelių tą patį uolienos ar mineralo susidarymo laiką galima nustatyti dviem nepriklausomais būdais. Dažniausiai kartu lyginami ²⁰⁶Pb/²³⁸U ir ²⁰⁷Pb/²³⁵U santykiai — tai leidžia patikrinti sistemos atvirumą (ar Pb nebuvo prarastas / įgautas vėliau) ir gauti patikimesnį amžių.

Isochronai ir Concordia—Discordia

U–Pb sistemoje taikomi keli analitiniai metodai, kurie padeda pašalinti arba nustatyti pradinių (ne radioaktyvių) švino (Pb) įtaką ir vėlesnį Pb praradimą:

• U–Pb izochroninis metodas (pvz., naudojant tik ²³⁸U → ²⁰⁶Pb grandinę) yra analogiškas rubidžio–stroncijaus izochronui ir leidžia koreguoti pradinių Pb kiekį, jei mėginys yra izochroniškas.
• Concordia diagrama (Wetherill tipo) — dažniausiai naudojama grafinė priemonė, kurioje nubraižomi ²⁰⁶Pb/²³⁸U ir ²⁰⁷Pb/²³⁵U santykiai. Jei mėginys išliko uždara sistema, taškas krenta ant vadinamosios Concordia kreivės; jei Pb dalinai prarastas, keli mėginiai iš tos pačios uolienos sudaro Discordia liniją, kurios sankirtos su Concordia duoda pradinius (kristalizacijos) ir Pb praradimo laikus.
• Pb–Pb (švinas–švinui) metodas nustato amžių tik pagal Pb izotopų santykius. Tai buvo vienas pirmųjų metodų, kuriuo Clair Cameron Patterson apskaičiavo Žemės amžių ir nustatė pasaulinio jūros vandens Pb komponento sudėtį.

Mėginių tipai ir fazės

U–Pb metodas ypač tinka mineralams, kurie į savo kristalinę gardelę įtraukia uraną, bet atstumia šviną, todėl Pb beveik neįsijungia į pirminę struktūrą. Tokie mineralai yra:

• Zirkonas — pats svarbiausias U–Pb datavimui: jame uranas dažnai įsilieja į kristalą, o švinas beveik neturi vietos, todė l zirkonas saugo radiometrinę informaciją net per aukštos temperatūros metamorfizmus;
• monacitas, titanitas (sphene), baddeleyitas ir kiti keliolika fazių taip pat naudojami, priklausomai nuo geologinio konteksto.

Analitinės technikos

U–Pb santykiams matuoti naudojami keli instrumentiniai metodai, skirtingi pagal tikslumą ir erdvinį mastą:

• ID–TIMS (isotope dilution thermal ionization mass spectrometry) — aukščiausio tikslumo (geriausiais atvejais ≤0,1–0,2 %), bet reikalauja gryno, tirpinto mineralinio frakmento;
• LA–ICP–MS (laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry) — leidžia atlikti in situ matavimus ant atviros gręžtuvės plokštelės ir greitai gauti daug duomenų, su vidutiniu tikslumu;
• SIMS / SHRIMP (secondary ion mass spectrometry / sensitive high‑resolution ion microprobe) — gerai tinka mikroskaliniams amžiams, zonuotoms zirkono sritys ar detritalinių grūdų analizėms;
• Kiekviena technika turi kompromisų tarp erdvinės raiškos, tikslumo ir mėginio paruošimo.

Taikymas geologijoje

U–Pb datavimas plačiai taikomas geologijoje ir kosmochemijoje:

• igranitinių uolienų kristalizacijos amžių nustatymas;
• metamorfinių įvykių datavimas (kai mineralai atitinkamai užfiksuoja naują U–Pb signalą);
• detritalinių zirkonų tyrimai — leidžia rekonstruoti uolienų kilmę (provenansą) ir sedimentacijos istoriją;
• meteorito ir Mėnulio mėginių datavimas — U–Pb ir Pb–Pb metodai leido nustatyti Saulės sistemos amžių;
• geochronologinių skalų kūrimas, geodinaminiai ir tektoniniai procesai.

Praktiniai aspektai ir prielaidos

Sėkmingas U–Pb datavimas remiasi keliomis prielaidomis:

• mėginio mineralas (ar frakcija) buvo uždara sistema nuo laikotarpio, kurį norima datuoti (t. y. po kristalizacijos nėra reikšmingo Pb ar U praradimo/papildymo);
• pradinis (common) Pb yra žinomas arba jį galima patikimai koreguoti (pvz., matuojant Pb izotopų mišinius ar taikant izochronus);
• decay constants (pusėjimo trukmės) yra tinkamai žinomos — ši priežastis yra viena iš pagrindinių, kodėl įvairūs metodai yra tarpusavyje kalibruojami.

Stipriosios ir silpnosios pusės

• Privalumai: didelis amžiaus intervalas (nuo milijonų iki >4,5 mlrd. metų), galimybė tarpusavyje patikrinti du nepriklausomus resultatus (koncordija), itin didelis tikslumas su ID–TIMS;
• Trūkumai: galimi sudėtingi Pb praradimo ar vėlesnio Pb įgijimo scenarijai (discordija), būtina kruopšti mėginio paruošimo bei sprendimų dėl pradinių Pb korekcijos; kai kurios fazės gali būti peraugusios ar perorientuotos ir prarasti informaciją;

Išvados ir istorija

Terminas "U–Pb datavimas" paprastai reiškia abiejų urano skilimo schemų kartu panaudojimą, tačiau galima taikyti ir vienos grandinės izochroninius sprendimus. Amerikiečių geochemikas Clair Cameron Patterson prisidėjo prie švino izotopų tyrimų ir vienas pirmųjų panaudojo urano‑švino principus tiksliam Žemės amžiaus nustatymui, taip pat pabrėžė būtinybę koreguoti pradinius švino komponentus (Pb–Pb metodas).

Apibendrinant: U–Pb datavimas yra labai universalus ir patikimas geochronologinis įrankis, ypač kai analitiniai duomenys, mineraloginė analizė ir geologinis kontekstas interpretuojami kartu, leidžiant atskirti pirminius kristalizacijos signalus nuo vėlesnių įvykių.