Samarium – neodymové randění - Samarium–neodymium dating

Samarium – neodymové datování je radiometrická datovací metoda užitečná pro stanovení stáří hornin a meteoritů , založená na radioaktivním rozpadu izotopu samaria s dlouhým poločasem rozpadu ( ¹⁴⁷ Sm) na radiogenní izotop neodymu ( ¹⁴³ Nd). Poměry izotopů neodymu spolu s poměry samarium-neodymu se používají k poskytnutí informací o věkových informacích a zdroji magmatických tavenin. Někdy se předpokládá, že v okamžiku, kdy se z pláště vytvoří materiál kůry, poměr izotopů neodymu závisí pouze na době, kdy k této události došlo, ale poté se vyvíjí způsobem, který závisí na novém poměru samaria k neodymu v kůře materiál, který se bude lišit od poměru v materiálu pláště. Samarium – neodymové datování nám umožňuje určit, kdy byl materiál kůry vytvořen.

Užitečnost datování Sm – Nd pramení ze skutečnosti, že tyto dva prvky jsou prvky vzácných zemin, a proto nejsou teoreticky zvlášť náchylné k rozdělování během sedimentace a diageneze . Frakční krystalizace z felsic minerálů mění poměr Sm / Nd výsledných materiálů. To zase ovlivňuje rychlost, s jakou se zvyšuje poměr ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd v důsledku produkce radiogenního ¹⁴³ Nd.

V mnoha případech se data izotopů Sm – Nd a Rb – Sr používají společně.

Sm – Nd radiometrické datování

Samarium má pět přirozeně se vyskytujících izotopů a neodym má sedm. Tyto dva prvky jsou ve vztahu rodič-dcera spojeny rozpadem alfa rodiče ¹⁴⁷ Sm na radiogenní dceru ¹⁴³ Nd s poločasem 1,06 × 10 ¹¹ let a rozpadem alfa ¹⁴⁶ Sm (téměř zaniklý nuklid s poločas 6,87 × 10 ⁷ let) na produkci ¹⁴² Nd.

K nalezení data, kdy se skála (nebo skupina hornin) vytvořila, lze použít metodu izochronního datování . Sm-Nd izochron vykresluje poměr radiogenního ¹⁴³ Nd k neradiogennímu ¹⁴⁴ Nd proti poměru mateřského izotopu ¹⁴⁷ Sm k neradiogennímu izotopu ¹⁴⁴ Nd. ¹⁴⁴ Nd se používá k normalizaci radiogenního izotopu v izochronu, protože se jedná o stabilní a relativně hojný izotop neodymu.

Sm-Nd izochron je definován následující rovnicí:

${\ displaystyle \ left ({\ frac {{} ^ {143} \ mathrm {Nd}} {{} ^ {144} \ mathrm {Nd}}} \ right) _ {\ mathrm {present}} = \ left ({\ frac {{} ^ {143} \ mathrm {Nd}} {{} ^ {144} \ mathrm {Nd}}} \ vpravo) _ {\ mathrm {initial}} + \ left ({\ frac { {} ^ {147} \ mathrm {Sm}} {{} ^ {144} \ mathrm {Nd}}} \ right) \ cdot (e ^ {\ lambda t} -1),}$

kde:

t je věk vzorku,

λ je rozpadová konstanta ¹⁴⁷ Sm,

( e ^{λ t} -1) je sklon izochronu, který definuje stáří systému.

Alternativně lze předpokládat, že materiál vytvořený z materiálu pláště, který sledoval stejnou cestu vývoje těchto poměrů jako chondrity , a poté lze znovu vypočítat dobu vzniku (viz model # CHUR ).

Sm a Nd geochemie

Koncentrace Sm a Nd v silikátových minerálech se zvyšuje s pořadím, ve kterém krystalizují z magmatu podle Bowenovy reakční řady . Samarium se snáze snáší na mafické minerály, takže mafická hornina, která krystalizuje mafické minerály, bude koncentrovat neodym ve fázi tavení vzhledem k samariu. Jelikož tedy tavenina prochází frakční krystalizací z mafického na felzičtější složení, mění se hojnost Sm a Nd, stejně jako poměr mezi Sm a Nd.

Tak ultrabazika mají vysokou Sm a nízký Nd, a proto vysoké poměry Sm / Nd. Felsické horniny mají nízké koncentrace Sm a vysoké Nd, a proto nízké poměry Sm / Nd (například komatiit má 1,14 ppm) Sm a 3,59 ppm Nd proti 4,65 ppm Sm a 21,6 ppm Nd v ryolitu ).

Důležitost tohoto procesu je patrná při modelování věku tvorby kontinentální kůry .

Model CHUR

Analýzou izotopových složení neodymu zjistili DePaolo a Wasserburg (1976), že suchozemské vyvřeliny v době jejich vzniku z tavenin těsně následovaly linii „ chondritická uniforma “ nebo „chondritická unifrakcionovaná nádrž“ (CHUR) - způsob, jakým Poměr ¹⁴³ Nd: ¹⁴⁴ Nd se s časem v chondritech zvyšoval . Chondritické meteority jsou považovány za nejstarší (netříděný) materiál, který se vytvořil ve sluneční soustavě před vznikem planet. Mají relativně homogenní podpisy stopových prvků, a proto jejich izotopový vývoj může modelovat vývoj celé sluneční soustavy a „objemné Země“. Po zakreslení stáří a počátečních poměrů ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd pozemských vyvřelých hornin na vývojovém diagramu Nd vs. času zjistili DePaolo a Wasserburg, že archeanské horniny měly počáteční poměry izotopů Nd velmi podobné poměrům definovaným vývojovou linií CHUR.

Epsilon notace

Vzhledem k tomu, že odchylky ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd od vývojové linie CHUR jsou velmi malé, DePaolo a Wasserburg tvrdili, že by bylo užitečné vytvořit formu notace, která popisuje ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd z hlediska jejich odchylek od vývojové linie CHUR. Tomu se říká epsilonový zápis, přičemž jedna epsilon jednotka představuje jednu část na 10 000 odchylku od složení CHUR. Algebraicky lze jednotky epsilon definovat rovnicí

${\ displaystyle \ varepsilon _ {{\ text {Nd}} (t)} = \ left [{\ frac {\ left ({\ frac {^ {143} {\ text {Nd}}} {^ {144} {\ text {Nd}}}} \ right) _ {{\ text {sample}} (t)}} {\ left ({\ frac {^ {143} {\ text {Nd}}} {^ {144 } {\ text {Nd}}}} \ right) _ {{\ text {CHUR}} (t)}}} - 1 \ right] \ krát 10 \, 000.}$

Jelikož jednotky epsilon jsou jemnější, a proto jsou hmatatelnější reprezentací počátečního poměru Nd izotopů, je jejich použití místo počátečních izotopových poměrů snazší pochopit, a proto porovnat počáteční poměry kůry s různým věkem. Jednotky epsilon navíc normalizují počáteční poměry k CHUR, čímž eliminují jakékoli účinky způsobené různými použitými analytickými metodami analytické hmotnostní frakcionace.

Nd model stárne

Protože CHUR definuje počáteční poměry kontinentálních hornin v čase, bylo vyvozeno, že měření ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd a ¹⁴⁷ Sm / ¹⁴⁴ Nd, s použitím CHUR, by mohla vytvořit modelové věky pro segregaci od pláště taveniny, která se vytvořila jakákoli kůra. Toto bylo nazváno T _CHUR . Aby bylo možné vypočítat věk T _CHUR, muselo by dojít k frakcionaci mezi Nd / Sm během těžby magmatu z pláště, aby se vytvořila kontinentální hornina. Tato frakcionace by pak způsobila odchylku mezi liniemi izotopové evoluce kůry a pláště. Průnik mezi těmito dvěma evolučními liniemi pak naznačuje věk formace kůry. T _CHUR věk je definován následující rovnicí:

${\ displaystyle T _ {\ text {CHUR}} = \ left ({\ frac {1} {\ lambda}} \ right) \ ln \ left [1 + {\ frac {\ left ({\ frac {^ {143 } {\ text {Nd}}} {^ {144} {\ text {Nd}}}} \ vpravo) _ {\ text {sample}} - \ left ({\ frac {^ {143} {\ text { Nd}}} {^ {144} {\ text {Nd}}}} \ doprava) _ {\ text {CHUR}}} {\ doleva ({\ frac {^ {147} {\ text {Sm}}} {^ {144} {\ text {Nd}}}} \ vpravo) _ {\ text {sample}} - \ vlevo ({\ frac {^ {147} {\ text {Sm}}} {^ {144} {\ text {Nd}}}} \ right) _ {\ text {CHUR}}}} \ right].}$

T _CHUR věk horniny může získání věk formace za kůry jako celek, pokud je vzorek neutrpěl narušení po svém vzniku. Protože Sm / Nd jsou prvky vzácných zemin (REE), jejich charakteristika umožňuje, aby theitické imobilní poměry odolávaly rozdělování během metamorfózy a tavení silikátových hornin. To tedy umožňuje vypočítat stáří tvorby kůry, a to navzdory jakékoli metamorfóze, kterou vzorek prošel.

Model ochuzeného pláště

Graf znázorňující model ochromeného pláště DePaola (1981)

Navzdory dobrému přizpůsobení archeanských plutonů k evoluční linii izotopů CHUR Nd, DePaolo a Wasserburg (1976) zjistili, že většina mladých oceánských vulkanitů (čediče Mid Ocean Ridge a čediče Island Arc) leží nad CHUR +7 až +12 ɛ jednotek čára (viz obrázek). To vedlo k poznání, že archeanské kontinentální vyvřeliny, které se zakreslily do chyby linie CHUR, mohly místo toho ležet na evoluční linii ochuzeného pláště charakterizované zvyšováním poměrů Sm / Nd a ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd v průběhu času. Pro další analýzu této mezery mezi daty archeanského CHUR a mladými vulkanickými vzorky byla provedena studie na proterozoickém metamorfním suterénu Colorado Front Ranges (formace Idaho Springs). Počáteční poměry ¹⁴³ Nd / ¹⁴⁴ Nd analyzovaných vzorků jsou vyneseny do diagramu ɛNd proti času zobrazenému na obrázku. DePaolo (1981) přizpůsobil kvadratickou křivku Idaho Springs a průměrnou hodnotu ɛNd pro moderní oblouková data oceánských ostrovů, což představuje vývoj izotopu neodymu vyčerpané nádrže. Složení ochuzené nádrže ve vztahu k vývojové linii CHUR v čase T je dáno rovnicí

ɛNd ( T ) = 0,25 T ² - 3 T + 8,5.

Stáří modelu Sm-Nd vypočtené pomocí této křivky jsou označeny jako stáří TDM. DePaolo (1981) tvrdil, že tyto TDM modelové věky přinesou přesnější věk pro věky formování kůry než TCHUR modelové věky - například anomálně nízký věk modelu TCHUR 0,8  Gy od McCullocha a Wasserburgova Grenvilleova kompozitu byl revidován na věk TDM 1,3 Gy, typické pro tvorbu juvenilní kůry během vrásnění Grenville.

Reference