Радиоактивный распад представляет собой самопроизвольное превращение нестабильных изотопов химических элементов в более устойчивые, сопровождающееся выделением энергии и испусканием элементарных частиц. Этот процесс лежит в основе геохронологии — науки, определяющей абсолютный возраст горных пород, минералов и геологических событий. Благодаря радиометрическим методам стало возможным восстановить временную шкалу эволюции Земли и установить продолжительность геологических процессов.
Ядра нестабильных изотопов обладают избытком энергии или массой, что делает их неустойчивыми. Для достижения стабильности происходит распад ядра с испусканием частиц и энергии. Основные типы радиоактивного распада:
Каждое радиоактивное превращение характеризуется периодом полураспада (T₁/₂) — временем, за которое распадается половина исходного количества радионуклида. Период полураспада является постоянной величиной и не зависит от внешних условий, таких как температура, давление или химическое состояние вещества. Именно это свойство делает радиоактивные изотопы надёжными индикаторами геологического времени.
В геохронологии применяются различные изотопные системы, основанные на распаде определённых радионуклидов и накоплении стабильных продуктов. Наиболее важные среди них:
Уран-свинцовая (U–Pb) система — основана на двух последовательных распадах:
Торий-свинцовая (Th–Pb) система — применима для минералов, богатых торием, и служит дополнительным инструментом для проверки данных уран-свинцового метода.
Калий-аргоновая (K–Ar) система — основана на распаде (^{40}) в (^{40}) и (^{40}). Период полураспада составляет 1,25 млрд лет. Метод широко используется для датирования вулканических пород.
Рубидий-стронциевая (Rb–Sr) система — (^{87} ^{87}), период полураспада около 48,8 млрд лет. Метод применим для датирования метаморфических и магматических пород.
Самарий-неодимовая (Sm–Nd) система — отличается устойчивостью к постмагматическим изменениям, используется для изучения процессов формирования земной коры и мантии.
Углеродный метод (C–14) — основан на распаде (^{14}) в (^{14}) с периодом полураспада 5730 лет. Применяется для определения возраста органических остатков до 50 тысяч лет.
Для минимизации ошибок, связанных с потерей или добавлением изотопов в ходе геологической истории, применяется изохронный метод. Он основан на измерении изотопных отношений между несколькими минералами одной породы. Построенная изохрона (прямая линия на графике зависимости отношения дочернего изотопа к стабильному изотопу от родительского изотопа) позволяет определить возраст без предположения о начальной концентрации дочернего элемента. Угол наклона изохроны прямо пропорционален времени, прошедшему с момента кристаллизации системы.
Радиометрические методы позволили установить возраст Земли — около 4,54 миллиарда лет. С их помощью создана геохронологическая шкала, основанная на абсолютных возрастах границ эр, периодов и эпох. Например, возраст границы между протерозоем и фанерозоем составляет около 541 млн лет, а между меловым и палеогеновым периодами — 66 млн лет. Эти данные служат основой для калибровки биостратиграфических и палеомагнитных шкал.
В геохимии особое значение имеет поведение радионуклидов в природных системах. Радиоактивные элементы, такие как уран, торий и калий, распределяются между минералами в зависимости от их кристаллохимических свойств и окислительно-восстановительных условий. Уран имеет переменные степени окисления (U⁴⁺ и U⁶⁺), что делает его подвижным в окислительных условиях и фиксируемым в восстановительных. Это свойство используется для реконструкции древних геохимических обстановок и процессов рудообразования.
Распад радионуклидов сопровождается выделением тепла, что вносит существенный вклад в внутреннюю тепловую энергию Земли. Радиогенное тепло, генерируемое распадом урана, тория и калия, является важным фактором поддержания геотермального градиента и движения магмы.
Накопление радиогенных изотопов, таких как (^{206}), (^{87}) и (^{143}), используется для трассировки геохимических процессов. Соотношение изотопов Sr, Nd и Pb позволяет выявлять источники магм, пути дифференциации мантии и коры, а также определять степень контаминации магматических систем. Например, высокие значения ({87}/{86}) указывают на значительный вклад коровых компонентов, в то время как пониженные — на мантийное происхождение магм.
Изотопные данные применяются также в палеогеографии и археологии: по изотопам стронция можно установить географическое происхождение ископаемых остатков и артефактов.
Современная геохронология использует высокоточные аналитические методы: масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS), термионную ионную масс-спектрометрию (TIMS), а также лазерную абляцию. Эти методы обеспечивают точность определения возраста до тысячных долей процента и позволяют исследовать даже микроколичества изотопов в отдельных зёрнах минералов.
Развитие технологий изотопного анализа привело к появлению in situ методов, при которых измерения выполняются непосредственно в тонких шлифах без разрушения структуры образца. Это дало возможность изучать сложные геологические истории, включающие многократные события кристаллизации и метаморфизма.
Применение радиоизотопных методов позволило установить возраст древнейших пород (до 4,0 млрд лет), определить время формирования континентальной коры, а также эпохи интенсивного магматизма и метаморфизма. Датирование метеоритов и лунных пород показало, что Солнечная система образовалась практически одновременно с Землёй. Радиоизотопные данные также используются для изучения скоростей осадконакопления, времени минерализации руд и возраста тектонических событий, что делает геохронологию одним из краеугольных направлений современной геохимии.