루비듐-스트론튬 연대 측정법

루비듐-스트론튬 연대 측정법(Rb-Sr)은 방사선 연대 측정 기술로, 과학자들은 루비듐(⁸⁷Rb)과 스트론튬(⁸⁷Sr, Sr)의 특정 동위원소의 함량으로부터 암석과 광물의 연대를 측정하는 데 사용됩니다. 루비듐의 자연적으로 존재하는 두 동위원소 중 하나인 Rb는 반감기가 492억 3천만 년으로 Sr로 붕괴합니다. 이 붕괴 과정에서 생성된 방사성 딸인 Sr은 태양계 형성 이전에 항성 핵합성에 의해서만 생성되지 않은 자연적으로 생성된 4개의 스트론튬 동위원소 중 유일한 것입니다. 시간이 지남에 따라 Rb의 붕괴는 방사선 생성 Sr의 양을 증가시키는 반면 다른 Sr 동위원소의 양은 변하지 않습니다.

미네랄 시료 내 Sr/Sr ⁸⁶비율은 질량분석기를 이용하여 정확하게 측정할 수 있습니다. 시료가 형성되었을 때의 Sr과 Rb 동위원소의 양을 결정할 수 있다면 Sr/⁸⁶Sr의 증가로부터 나이를 계산할 수 있습니다. 같은 규질 용융물로부터 결정화된 다른 광물들은 모두 모 용융물과 같은 초기 Sr/⁸⁶Sr을 가질 것입니다. 그러나 광물에서 K를 대체하는 Rb와 이들 광물은 K/Ca 비율이 다르기 때문에 광물의 시작 Rb/Sr 비율이 다를 것이고, Rb가 더 열악한 광물에서 최종 Sr/⁸⁶Sr 비율은 증가하지 않을 것입니다. 일반적으로 Rb/Sr은 사장석, 혼블렌드, K-장석, 흑운모, 백운모 순으로 증가합니다. 따라서 방사성 Sr의 상당한 생산(성장)을 위한 충분한 시간이 주어지면 측정된 Sr/⁸⁶Sr 값은 광물에서 서로 다르며 같은 순서로 증가합니다. 따라서 암석 샘플에서 서로 다른 광물들을 비교하면 과학자들은 원래의 Sr/⁸⁶Sr 비율을 추론하고 암석의 나이를 결정할 수 있습니다.

또한, Rb는 매우 양립할 수 없는 원소로 맨틀의 부분적인 용융 동안 맨틀 광물에 남아 있는 것보다 마그마틱 용융물에 합류하는 것을 선호합니다. 그 결과, Rb는 맨틀에 비해 지각암이 풍부하게 존재하며, ⁸⁶Sr/Sr은 지각암이 맨틀암에 비해 더 높습니다. 이를 통해 과학자들은 지각암이 녹으면서 생성된 마그마와 맨틀암이 녹으면서 생성된 마그마를 구별할 수 있습니다. 이후의 마그마 분화가 유사한 전체적인 화학적 성질을 생성하더라도 말입니다.^[1] 과학자들은 크러스트 암석이 맨틀에서 추출된 마그마에서 처음 형성되었을 때의 Sr/⁸⁶Sr로부터 그 암석이 이후에 변형되거나 심지어 녹아서 재결정되더라도 추정할 수 있습니다. 이것은 지구 대륙의 시대에 대한 단서를 제공합니다.^[2]^[3]

이 과정의 개발은 독일의 화학자 오토 한(Otto Hahn)과 프리츠 스트라스만(Fritz Strassmann)의 도움으로 이루어졌으며, 그들은 후에 1938년 12월에 핵분열을 발견했습니다.

예

예를 들어, 사장석 장석, K-장석, 혼블렌드, 흑운모, 백운모 등 여러 주요 Sr 함유 광물이 포함된 화강암과 같은 화성암의 경우를 생각해 보십시오. 이들 각각의 광물은 칼륨 함량, 용융물 내 Rb와 K의 농도, 광물이 형성되는 온도에 따라 초기 루비듐/스트론튬 비율이 다릅니다. 루비듐은 용융물 내 농도에 비례하는 비율로 광물의 격자 내 칼륨을 대체합니다.

Bowen의 반응 시리즈에 따른 이상적인 시나리오는 화강암 용융물이 사장석과 혼블렌드(즉, 토날라이트 또는 디오라이트)의 축적된 집합체를 결정화하기 시작하는 것입니다. 이는 K(따라서 Rb)는 낮지만 Sr(이는 Ca의 대체물로서)은 높아 K와 Rb의 용융물을 비례적으로 풍부하게 합니다. 그러면 Rb가 치환할 수 있는 K 풍부한 미네랄인 오르토클레이스와 흑운모가 침전됩니다. 결과적으로 전체 암석과 그 구성 광물의 Rb-Sr 비율과 Rb 및 Sr 존재비는 현저하게 다를 것입니다. 따라서 시간이 지남에 따라 분리된 암석과 그 구성 요소 광물에서 다른 비율의 방사선 생성 Sr이 진화할 수 있습니다.

나이계산

샘플의 나이는 원래 샘플의 다른 부분에서 여러 하위 샘플 내의 여러 미네랄을 분석하여 결정됩니다. 각 부분 표본의 Sr/⁸⁶Sr 비율은 등시성이라고 하는 그래프에 Rb/⁸⁶Sr 비율에 대해 표시됩니다. 이들이 직선을 이루면 부분 표본이 일관되고 연령이 신뢰할 수 있습니다. 선의 기울기는 표본의 나이를 나타냅니다.

방사성 붕괴의 보편적 법칙과 다음과 같은 루비듐 베타 붕괴를 고려할 때: ${\ce {^{87}_{37}Rb->[{\beta ^{-}}]~_{38}^{87}Sr~+e^{-}\ +{\bar {\nu }}_{e}}}$ ${\ce {^{87}_{37}Rb->[{\beta ^{-}}]~_{38}^{87}Sr~+e^{-}\ +{\bar {\nu }}_{e}}}$ ${\ce {^{87}_{37}Rb->[{\beta ^{-}}]~_{38}^{87}Sr~+e^{-}\ +{\bar {\nu }}_{e}}}$ → β - 38 87 Sr + e - + ν ¯e {\displaystyle {\ce {^{87}_{37}Rb->[{\beta ^{-}]~_{38}^{87}Sr~+e^{-}\ +{\ $bar$ {\n $u}_{e$ 우리는 루비듐-87의 붕괴로부터 스트론튬-87의 성장을 설명하는 표현식을 얻습니다.

_{38}^{87}{\text{Sr}}(t)=~_{38}^{87}{\text{Sr}}(0)+~_{37}^{87}{\text{Rb}}(e^{\lambda t}-1)\ ,

λ {\

displaystyle {\

ambda

}}은 루비듐의 붕괴 상수입니다. 또한

{\ce {^{86}_{38}Sr}}

{\ce {^{86}_{38}Sr}}

{\ce {^{86}_{38}Sr}}

{\

의 수는 안정적이고 방사선 발생이 없기 때문에 상수로

{\ce {^{86}_{38}Sr}}

간주합니다. 이런 이유로,

{\frac {^{87}{\text{Sr}}}{\text{Sr}}}=\left({\frac {^{87}{\text{Sr}}}{\text{Sr}}}{^{86}{\text{Sr}}\right)_{0}+{\frac {^{87}{\text{Rb}}{^{86}{\text{Sr}}}(e^{\lambda t}-1)

등시성 방정식입니다. 광물에서 루비듐과 스트론튬의 농도를 측정한 후, 우리는 샘플의 나이, t 값을 쉽게 결정할 수 있습니다.^[4]

오류의 근원

Rb-Sr 연대 측정은 광물 또는 전체 암석 샘플의 Rb-Sr 비율을 정확하게 측정하고 광물 또는 전체 암석 샘플의 정확한 Sr/⁸⁶Sr 비율을 도출하는 것에 의존합니다.

Rb-Sr 날짜가 암석의 배치 또는 형성 시간을 나타내는 것으로 간주되기 전에 몇 가지 전제 조건이 충족되어야 합니다.

시스템은 암석이 형성되거나 폐쇄 온도(일반적으로 650°C로 간주됨) 아래로 떨어질 때부터 Rb 및 Sr 확산에 대해 폐쇄된 상태를 유지해야 합니다.
암석에서 등시성을 구성하기 위해 채취한 광물은 서로 화학적 평형을 이루거나 퇴적물의 경우 동시에 퇴적되어야 합니다.
암석은 열적 또는 화학적으로 Rb-Sr 시스템을 방해할 수 있는 메타소마티즘을 겪지 않았을 것입니다.

방사성 날짜를 도출하기 위해 Rb와 Sr을 사용하는 것의 주요 단점(그리고 역으로 가장 중요한 용도) 중 하나는 특히 열수 유체에서 상대적인 이동성입니다. Rb와 Sr은 상대적으로 이동성이 있는 알칼리 원소이므로 변성 또는 마그마틱 시 존재하는 뜨겁고 종종 탄산화된 열수 유체에 의해 비교적 쉽게 이동됩니다.

반대로, 이 유체들은 암석을 메타소믹하게 변화시킬 수 있으며, 새로운 Rb와 Sr을 암석에 도입할 수 있습니다(일반적으로 포타식 변화 또는 석회화(albitization) 변화 동안). 그런 다음 Rb-Sr을 변경된 광물학에 사용하여 이 변경 시점을 지정할 수 있지만 암석이 형성된 날짜는 지정할 수 없습니다.

따라서, 나이의 중요성을 부여하기 위해서는 암석의 메타소마틱 및 열 이력, 변성 사건 및 유체 이동의 증거를 연구해야 합니다. 다른 측지계와 차이가 있는 Rb-Sr 날짜는 쓸모가 없을 수 있으며, 암석의 생성 연대를 나타내지 않는 사건에 대한 데이터를 제공하는 것일 수 있습니다.

사용하다

지구연대학

Rb-Sr 연대 측정법은 지구 암석과 달 암석, 운석의 연대 측정에 광범위하게 사용되어 왔습니다. 초기 Sr 양이 알려져 있거나 외삽이 가능한 경우 Rb 및 Sr 농도와 Sr/⁸⁶Sr 비율을 측정하여 나이를 결정할 수 있습니다. 날짜는 암석이 나중에 변경되지 않은 경우에만 광물의 실제 나이를 나타냅니다.

동위원소 추적에서 중요한 개념은 풍화 반응을 통해 광물에서 파생된 Sr이 광물과 동일한 Sr/⁸⁶Sr을 갖는다는 것입니다. 이것이 육상 암석의 잠재적인 오류 원인이지만, 달 암석과 운석은 그러한 환경에서 화학적 풍화 반응이 없기 때문에 관련이 없습니다.

동위원소 지구화학

초기 Sr/⁸⁶Sr 비율은 골격, 바다 껍질 또는 실제로 점토 인공물의 Sr/⁸⁶Sr이 형성되거나 유기체가 살았던 원천 암석과 직접적으로 유사하기 때문에 고고학, 법의학 및 고생물학에서 유용한 도구입니다. 따라서 현재의 Sr/⁸⁶Sr 비율(그리고 종종 Nd-Nd¹⁴⁴ 비율도 측정)을 통해 물체나 골격의 지질학적 지문을 측정하여 이동 패턴을 결정할 수 있습니다.

스트론튬 동위 원소 성층학

스트론튬 동위원소 계층화는 시간이 지남에 따라 해수의 ⁸⁶Sr/Sr 비율의 인식된 변화에 의존합니다. 일반적으로 Sr 동위원소 계층화의 적용은 Sr 해수 곡선이 잘 정의된 탄산염 샘플에 국한됩니다. 이것은 신생대 시간 규모에 대해 잘 알려져 있지만 중생대의 탄산염 서열이 더 잘 보존되지 않기 때문에 이전 서열에 대해서는 완전히 이해되지 않습니다.

오래된 시퀀스에서 다른 지오크로미터(예: U-Th) 간의 중복이 없기 때문에 절대 연령을 추정할 때 더 큰 불확실성과 결합된 유전적 변화는 Sr 동위원소 해수 곡선의 정확한 모양에 더 큰 불확실성을 초래합니다.

참고 항목

방사성 연대 측정

참고문헌

^ Hawkesworth, C. J.; Vollmer, R. (1979). "Crustal contamination versus enriched mantle: 143Nd/144Nd and 87Sr/86Sr evidence from the Italian volcanics". Contributions to Mineralogy and Petrology. 69 (2): 151–165. Bibcode:1979CoMP...69..151H. doi:10.1007/BF00371858. S2CID 128876101.
^ Moller, A.; Mezger, K.; Schenk, V. (1 April 1998). "Crustal Age Domains and the Evolution of the Continental Crust in the Mozambique Belt of Tanzania: Combined Sm-Nd, Rb-Sr, and Pb-Pb Isotopic Evidence". Journal of Petrology. 39 (4): 749–783. doi:10.1093/petroj/39.4.749.
^ McCulloch, M. T.; Wasserburg, G. J. (2 June 1978). "Sm-Nd and Rb-Sr Chronology of Continental Crust Formation: Times of addition to continents of chemically fractionated mantle-derived materials are determined". Science. 200 (4345): 1003–1011. doi:10.1126/science.200.4345.1003. PMID 17740673. S2CID 40675318.
^ Bowen, Robert (1994), Bowen, Robert (ed.), "Rubidium-Strontium Dating", Isotopes in the Earth Sciences, Springer Netherlands, pp. 162–200, doi:10.1007/978-94-009-2611-0_4, ISBN 978-94-009-2611-0

Jacobsen, S.B.; Wills, J.; Yin, Q. (1997). Seawater isotope records, crustal evolution, tectonics and atmospheric evolution (PDF). Seventh Annual V.M. Goldschmidt Conference. Tucson, AZ. pp. 103–104. Archived (PDF) from the original on 2022-10-09.
"Periodic table – strontium". Resources on Isotopes. USGS. January 2004. Retrieved 10 November 2016.
Attendorn, H. -G.; Bowen, Robert (1988). "Rubidium–Strontium Dating". Isotopes in the Earth Sciences. Springer. pp. 162–165. ISBN 978-0-412-53710-3.
Walther, John Victor (2009). "Rubidium–Strontium Systematics". Essentials of geochemistry. Jones & Bartlett Learning. pp. 383–385. ISBN 978-0-7637-5922-3.

외부 링크

CSIRO Petroleum - 글로벌 Sr 해수 동위원소 진화

[1] Hawkesworth, C. J.; Vollmer, R. (1979). "Crustal contamination versus enriched mantle: 143Nd/144Nd and 87Sr/86Sr evidence from the Italian volcanics". Contributions to Mineralogy and Petrology. 69 (2): 151–165. Bibcode:1979CoMP...69..151H. doi:10.1007/BF00371858. S2CID 128876101.

[2] Moller, A.; Mezger, K.; Schenk, V. (1 April 1998). "Crustal Age Domains and the Evolution of the Continental Crust in the Mozambique Belt of Tanzania: Combined Sm-Nd, Rb-Sr, and Pb-Pb Isotopic Evidence". Journal of Petrology. 39 (4): 749–783. doi:10.1093/petroj/39.4.749.

[3] McCulloch, M. T.; Wasserburg, G. J. (2 June 1978). "Sm-Nd and Rb-Sr Chronology of Continental Crust Formation: Times of addition to continents of chemically fractionated mantle-derived materials are determined". Science. 200 (4345): 1003–1011. doi:10.1126/science.200.4345.1003. PMID 17740673. S2CID 40675318.

[4] Bowen, Robert (1994), Bowen, Robert (ed.), "Rubidium-Strontium Dating", Isotopes in the Earth Sciences, Springer Netherlands, pp. 162–200, doi:10.1007/978-94-009-2611-0_4, ISBN 978-94-009-2611-0

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