우라늄-납 연대 측정법

Uranium–lead dating

우라늄-납 연대 측정법, 약칭 U-Pb 연대 측정법은 방사성 연대 측정법 중에서 가장[1] 오래되고 세련된 방법 중 하나입니다. 약 100만 년에서 45억 년 이상 전까지 형성되고 결정화된 암석을 0.1~1% 범위의 일상적인 정밀도로 연대를 측정하는 데 사용할 수 있습니다.[2][3]

이 방법은 일반적으로 지르콘에 적용됩니다. 광물은 우라늄과 토륨 원자결정 구조에 포함시키지만, 형성될 납을 강하게 거부합니다. 결과적으로 새로 형성된 지르콘 결정에는 납이 포함되어 있지 않으며, 이는 광물에서 발견된 납은 방사선을 발생시킨다는 것을 의미합니다. 우라늄이 납으로 붕괴되는 정확한 속도가 알려져 있기 때문에 광물의 표본에서 우라늄에 대한 납의 현재 비율을 사용하여 그 나이를 확실하게 결정할 수 있습니다.

이 방법은 개의 분리된 붕괴 사슬, 즉 반감기가 44억 7천만 년인 우라늄 계열과 반감기가 7억 1천만 년인 악티늄 계열에 의존합니다.

붕괴경로

우라늄은 일련의 알파베타 붕괴를 통해 붕괴되는데, U와 U의 딸 핵종은 총 8번의 알파 붕괴와 6번의 베타 붕괴를 겪는 반면, U와 딸들은 7번의 알파 붕괴와 4번의 베타 붕괴만을 경험합니다.[4]

두 개의 '병렬' 우라늄-납 붕괴 경로(238U에서 Pb로, U에서 Pb로)가 존재하면 전체 U-Pb 시스템 내에서 여러 가지 실현 가능한 연대 측정 기술이 나옵니다. U-Pb 데이트라는 용어는 일반적으로 '컨코디아 다이어그램'(아래 참조)에서 두 가지 붕괴 방식을 함께 사용하는 것을 의미합니다.

그러나 단일 붕괴 방식(일반적으로 U에서 Pb)을 사용하면 루비듐-스트론튬 연대 측정법과 유사한 U-Pb 등시 연대 측정법이 나타납니다.

마지막으로 나이는 Pb 동위원소 비율 분석만으로 U-Pb 시스템에서 결정할 수도 있습니다. 이것을 납-납 데이트 방법이라고 합니다. 우라늄-납 방사성 연대 측정법에 대한 연구를 개척한 미국의 지구화학자인 Clair Cameron Patterson은 그것을 지구의 나이에 대한 가장 초기의 추정치들 중 하나를 얻기 위해 사용했습니다.

광물학

지르콘(ZrSiO4)이 가장 일반적으로 사용되지만 모나자이트(monazite geochronology: monazite geochronology), 티타나이트(titanite), 바드델라이트(baddeleyite)와 같은 다른 광물도 사용할 수 있습니다.

우라늄과 토륨을 포함한 지르콘과 같은 결정을 얻을 수 없는 경우, 우라늄-납 연대 측정 기술은 방해석/아라고나이트기타 탄산염 광물과 같은 다른 광물에도 적용되었습니다. 이러한 종류의 광물은 전통적으로 나이 연대 측정에 사용되는 화성변성 광물보다 낮은 정밀도의 나이를 생산하는 경우가 많지만 지질학 기록에서 더 일반적으로 사용할 수 있습니다.

메카니즘

알파 붕괴 단계에서 지르콘 결정은 각각의 알파 붕괴와 관련된 방사선 손상을 경험합니다. 이 손상은 모 동위원소(U 및 Th) 주변에 가장 많이 집중되어 있어 딸 동위원소(Pb)를 지르콘 격자의 원래 위치에서 쫓아냅니다.

모 동위원소의 농도가 높은 지역에서는 결정 격자의 손상이 상당히 광범위하며, 종종 상호 연결되어 방사선 손상 지역의 네트워크를 형성합니다.[4] 핵분열 트랙과 결정 내의 미세 균열은 이 방사선 손상 네트워크를 더욱 확장시킬 것입니다.

이러한 핵분열 트랙은 결정 내 깊은 곳에서 도관 역할을 하여 지르콘 결정에서 납 동위원소의 침출을 용이하게 하는 운반 방법을 제공합니다.[5]

연산

외부 환경에 의한 납 손실이나 이득이 발생하지 않은 조건에서는 우라늄의 지수 함수적 붕괴를 가정하여 지르콘의 나이를 계산할 수 있습니다. 그것은

어디에

  • ={\displaystyle N_{\mathrm{n} =\mathrm {U}는 현재 측정된 우라늄 원자의 수이다.
  • {\는 원래 우라늄 원자의 수입니다 - 현재 측정된 우라늄과 납 원자 + P 의 합과 같습니다.
  • λ U {\displaystydmbda _{\mathrm {U}}}는 우라늄의 붕괴 속도입니다.
  • 지르콘의 연대를 측정하려는 것입니다.

이거는.

라고 쓸 수 있는

우라늄과 납의 일반적으로 사용되는 붕괴 사슬은 다음과 같은 방정식을 제공합니다.

(1)

(2)

(이 맥락에서 사용되는 ∗ {\displaystyle text{Pb방사선 납을 의미합니다. 지르콘의 경우 원래 납 함량을 0으로 가정할 수 있으며, 표기는 무시할 수 있습니다.) 이들은 일치하는 연령( 식 1과 2에서 t)을 산출한다고 합니다. 일치선을 생성하는 것은 일련의 시간 간격에 걸쳐 표시된 일치 연령입니다.[6]

샘플에서 납이 손실(누출)되면 각 감쇠 방식에 따라 결정되는 연령에 차이가 발생합니다. 이 효과를 불협화음이라고 하며 그림 1에 나와 있습니다. 일련의 지르콘 샘플에서 서로 다른 양의 납이 손실된 경우 샘플은 불일치 라인을 생성합니다. 콩코드와 불협화음 라인의 상위 절편은 원래 형성된 시대를 반영하는 반면, 하위 절편은 개방 시스템 행동을 초래하여 리드 손실을 초래한 사건의 시대를 반영합니다. 그러나 하위 절편의 의미에 대해서는 약간의 의견 차이가 있습니다.[6]

그림 1: Mattinson이[5] 북 캘리포니아의 Klamath Mountains에서 채취한 지르콘 샘플에 대해 발표한 데이터에 대한 Concordia 다이어그램. 일치에 대한 나이는 1억 년 단위로 증가합니다.

손상되지 않은 지르콘은 우라늄과 토륨의 방사성 붕괴에 의해 생성된 납을 매우 높은 온도(약 900°C)까지 유지하지만, 매우 높은 우라늄 영역 내에 축적된 방사선 손상은 이러한 온도를 상당히 낮출 수 있습니다. 지르콘은 화학적으로 매우 불활성이며 기계적 풍화에 강합니다. 지구나 전체 결정이 원래 우라늄 납 성분을 그대로 유지한 상태에서 모암이 녹는 것을 견뎌낼 수 있기 때문에 지질학자들에게는 이와 같은 행운을 가져다 줍니다. 따라서, 역사가 길고 복잡한 지르콘 결정은 매우 다른 연령대의 영역(일반적으로 코어를 형성하는 가장 오래된 영역과 결정의 테두리를 형성하는 가장 어린 영역)을 포함할 수 있으며, 따라서 "유전된 특성"을 보여준다고 합니다. 그러한 복잡성(최대 납-보유 온도에 따라 다른 광물 내에도 존재할 수 있음)을 풀기 위해서는 일반적으로 이온 마이크로프로브(SIMS) 또는 레이저 ICP-MS를 사용한 제자리 마이크로빔 분석이 필요합니다.

참고문헌

  1. ^ Boltwood, B. B. (1907). "Ultimate disintegration products of the radioactive elements; Part II, Disintegration products of uranium". American Journal of Science. 23 (134): 78–88. Bibcode:1907AmJS...23...78B. doi:10.2475/ajs.s4-23.134.78. S2CID 131688682.
  2. ^ Schoene, Blair (2014). "U–Th–Pb Geochronology" (PDF). Princeton University, Princeton, NJ, USA. Retrieved 6 August 2022.
  3. ^ Schaltegger, U.; Schmitt, A.K.; Horstwood, M.S.A. (2015). "U–Th–Pb zircon geochronology by ID-TIMS, SIMS, and laser ablation ICP-MS: Recipes, interpretations, and opportunities" (PDF). Chemical Geology. 402: 89–110. Bibcode:2015ChGeo.402...89S. doi:10.1016/j.chemgeo.2015.02.028.
  4. ^ a b Romer, Rolf L. (2003). "Alpha-recoil in U–Pb geochronology: Effective sample size matters". Contributions to Mineralogy and Petrology. 145 (4): 481–491. Bibcode:2003CoMP..145..481R. doi:10.1007/s00410-003-0463-0. S2CID 129763448.
  5. ^ a b Mattinson, James M. (2005). "Zircon U–Pb chemical abrasion ("CA-TIMS") method: Combined annealing and multi-step partial dissolution analysis for improved precision and accuracy of zircon ages". Chemical Geology. 220 (1–2): 47–66. Bibcode:2005ChGeo.220...47M. doi:10.1016/j.chemgeo.2005.03.011.
  6. ^ a b Dickin, Alan P. (2005). Radiogenic Isotope Geology. p. 101. doi:10.1017/CBO9781139165150. ISBN 9781139165150.