Изотопные системы основаны на радиоактивном распаде нестабильных изотопов (родителей) в стабильные дочерние изотопы с известной скоростью распада, выражаемой константой λ. Космохимическое значение этих систем определяется их способностью фиксировать геохимические процессы ранней Земли и Солнечной системы, позволяя реконструировать хронологию образования планет, метеоритов и минералов.
Радиоактивный распад описывается уравнением:
[ N(t) = N_0 e^{-t}]
где (N(t)) — количество родительских атомов в момент времени (t), (N_0) — исходное количество, λ — константа распада. Для расчёта возраста используют отношение дочернего и родительского изотопов:
[ = + (e^{t} - 1)]
где (D) и (P) — современные количества дочернего и родительского изотопов, (D_0) — исходное содержание дочернего изотопа.
Родительский изотоп: ^87Rb Дочерний изотоп: ^87Sr Период полураспада: 4,88 × 10^10 лет
Система Rb–Sr является чувствительным индикатором процессов кристаллизации и дифференциации магматических пород. Изотоп ^87Rb β–распадается в ^87Sr с накоплением дочернего изотопа, что фиксируется в минералах с различным распределением рубидия и стронция (например, биотит, флогопит, апатит).
Изохронный метод позволяет определять возраст горных пород без знания исходного содержания ^87Sr:
[ = _0 + (e^{t} - 1)]
Где ^86Sr — стабильный изотоп, используемый как нормализатор. Наклон изохроны даёт возраст, а пересечение с осью ординат отражает исходное 87Sr/86Sr.
Космохимическое значение: система Rb–Sr позволяет выявлять источники магмы, степень переработки планетной коры и эволюцию мантии. Высокие значения 87Sr/86Sr характерны для сильно переработанных пород, низкие — для примитивных метеоритов.
Родительский изотоп: ^147Sm Дочерний изотоп: ^143Nd Период полураспада: 1,06 × 10^11 лет
Sm–Nd система устойчива к гидротермальным изменениям и диффузии, поэтому её используют для датирования древнейших минералов и метеоритов. Минералы, обогащённые лантаноидами (апатит, циркон, монацит), фиксируют Sm/Nd отношения, отражающие кристаллизационные процессы.
Изохронное уравнение аналогично Rb–Sr:
[ = _0 + (e^{t} - 1)]
Космохимическое значение: Sm–Nd система особенно важна для изучения дифференциации мантии и формирования коры, а также для определения «звёздного» происхождения легких и тяжелых лантаноидов. Изотопные композиции помогают различать примитивные и переработанные планетные материалы.
Родительские изотопы: ^238U, ^235U Дочерние изотопы: ^206Pb, ^207Pb Периоды полураспада: 4,47 × 10^9 лет (^238U → ^206Pb), 7,04 × 10^8 лет (^235U → ^207Pb)
U–Pb система является эталонной для высокоточного датирования минералов с высоким содержанием урана, прежде всего циркона. Использование двух параллельных цепочек распада позволяет строить сводную диаграмму «конкордантность–дискордантность», оценивая возможные потери или добавление свинца:
[ {206}/{238} {207}/{235}]
Конкордантные точки на диаграмме отражают реальный возраст минерала, а отклонения (дискордантность) сигнализируют о геохимических нарушениях.
Космохимическое значение: система U–Pb позволяет определять возраст самых древних объектов Солнечной системы, включая метаморфические события, кристаллизацию первичной коры и раннюю эволюцию планет. Диаграммы U–Pb часто используют для проверки целостности изотопной системы и выявления многократных событий перекристаллизации.
Каждая из систем дополняет другие, обеспечивая комплексное понимание геохимических и космохимических процессов, включая формирование метеоритов, дифференциацию планет и эволюцию ранней Земли.
Изотопные системы Rb–Sr, Sm–Nd и U–Pb применяются для:
Эти системы обеспечивают точное количественное описание временной шкалы геохимических процессов и являются основой для интерпретации химической эволюции планетных тел.