Uraani-plii (U–Pb) dateerimine: vanuse määramine, põhimõte ja täpsus

Uraaniplii on üks vanimaid ja kõige rafineeritumaid radiomeetrilisi dateerimisskeeme, mida kasutatakse kivimite ja mineraalide vanuse määramiseks. Meetod põhineb uraani (U) radioaktiivsel lagunemisel plii (Pb) isotoopideks ning võimaldab väga täpseid vanusehinnanguid juhul, kui süsteem on geoloogiliselt stabiilne.

Vanusevahemik ja täpsus

Seda saab kasutada vanusevahemikus, mis ulatub umbes 1 miljonist kuni 4,5 miljardi aastani. Täpsus sõltub analüüsimeetodist ja materjalist, kuid tüüpiliselt jääb vahemikku 0,1–1 protsenti (relatiivne viga). Kõrgeima täpsusega tulemused (alla 0,1 %) on võimalikud massispektromeetria meetoditega ja korralike laboritingimuste korral.

Põhimõte ja lagunemisahelad

Meetod tugineb kahele eraldi lagunemisahelale: uraaniseeriale ²³⁸U → ²⁰⁶Pb (poolväärtusaeg ≈ 4,47 miljardit aastat) ning aktiiniumiseeriale ²³⁵U → ²⁰⁷Pb (poolväärtusaeg ≈ 704 miljonit aastat). Need kaks sõltumatut lõpp-produkti (kaks "paralleelset" lagunemisteed) annavad meetodile suure tugevuse: kui süsteem pole häiritud, annavad mõlemad skeemid sama vanuse.

Matemaatiliselt kirjeldatakse lagunemist eksponentsiaalse seadusega ning vanus t arvutatakse tavaliselt isotopiliste suhete põhjal (näiteks ²⁰⁶Pb/²³⁸U ja ²⁰⁷Pb/²³⁵U). Decay konstantide ja nende ebakindluse mõju määrab ka lõpliku vanuse täpsuse.

Concordia ja discordia — kuidas vanust tuvastatakse

U–Pb meetodi klassikaline tööriist on concordia-diagramm (Wetherill'i kujul), kus joonistatakse ²⁰⁶Pb/²³⁸U versus ²⁰⁷Pb/²³⁵U. Kui proov on süsteemselt suletud, langevad analüüsipunktid pariisi concordia kõverale ja nende asukoht vastab kristalliseerumise ajale. Kui osa plii on hiljem lahkunud või lisandunud (nt metamorfism, korrosioon), liiguvad punktid kõveralt maha ning moodustavad discordia-joone, mille interceptid annavad esialgse (vanema) ja hilisema (noorema) sündmuse aegade hinnangud.

Lisaks klassikalisele concordia-formaatidele kasutatakse ka Tera–Wasserburgi kujutisi ja muid teisendusi, mis on praktilised eriti väikeste või eriti kadunud/difusiooni mõjutatud proovide puhul.

Plii-plii ja isokroonimeetodid

Mõiste "U–Pb dateerimine" tähendab tavaliselt mõlema lagunemisskeemi kombineeritud kasutamist, kuid on ka alternatiivseid lähenemisi. Ühe lagunemisskeemi (tavaliselt ²³⁸U–²⁰⁶Pb) kasutamine viib U–Pb isokroni dateerimise meetodini, mis on analoogne rubiidium-strontiumi isokrooniga: mitmete näidete suhted võivad moodustada joone, mille kalle annab vanuse ja lõikpunkt näitab algset plii komponendi.

Lõpuks saab vanuse määrata ka ainult plii isotoopide suhete põhjal — seda nimetatakse plii-plii (Pb–Pb) dateerimiseks. Pb–Pb meetod ei vaja otsest U mõõtmist, kuid eeldab teadmisi või mudeleid algsest (common) plii koostisest. Clair Cameron Patterson, Ameerika geokeemik, kes oli uraan-plii radiomeetriliste meetodite uurimise teerajaja, kasutas Pb–Pb meetodit, et saada üks esimesi täpseid hinnanguid Maa vanuse kohta.

Näidismaterjalid ja sulgemistemperatuur

Mõned mineraalid sobivad U–Pb dateerimiseks eriti hästi. Näiteks tsirkoon (zircon) on üks levinumaid ja usaldusväärsemaid kronomeetreid: see sisaldab U-i, kuid väldib algse Pb-i sattumist, ja tal on väga kõrge sulgemistemperatuur (tavaliselt >800–900 °C), mistõttu tsirkooni U–Pb vanus sageli peegeldab kristalliseerumise aega isegi kui kivi on hiljem metamorfiseerunud. Teised kasulikud mineraalid on monasiit, baddeleyiit, titanite jt, mille sulgemistemperatuurid ja keemiline käitumine erinevad ning annavad võimaluse ajastada erinevaid geoloogilisi protsesse.

Praktiline laboritöö ja analüüsimeetodid

U–Pb vanuse määramiseks eraldatakse esmalt sobivad mineraaliterad kivimist (purustamine, lahustamine, tiheduse- ja magnetseparaatorid) ning vajadusel lihvitakse ja handpickitakse terad mikroskoobi all. Järgneb keemiline lagundamine ja U ja Pb eraldamine ioonvahetuse kolonnide abil. Isotoopmõõtmised tehakse tavaliselt:

• TIMS (thermal ionization mass spectrometry) — väga kõrge täpsus ja reproduktsioon;
• SIMS / ion microprobe — võimaldab tehtud vanuse määramist in situ väikestelt tsoonidelt (nt tsirkooni kasvutsüklid);
• LA‑ICP‑MS (laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry) — kiire ruumiline analüüs, veidi madalama absoluutse täpsusega kui TIMS, aga sobib hästi rikastatud uuringuteks ja kartograafiaks.

Algpulbi (common Pb) ja Pb‑kadu

Tavaliselt tuleb arvestada nii algse (non-radiogeense) plii olemasolu kui ka hilisema Pb kadu/juurdevooluga. Algse plii kontsentratsiooni korrigeerimiseks kasutatakse sageli ²⁰⁴Pb mõõtmist (sest ²⁰⁴Pb ei teki uraani lagunemisel) või modelle nagu Stacey–Kramers. Kui ²⁰⁴Pb-d ei mõõdeta, tuleb kasutusele võtta modelle või oletusi, mis suurendavad ebakindlust.

Plii kadu (või U lisandumine) muudab isotopilise suhteid ja võib põhjustada discordia-punkte. Selliseid näiteid tõlgendatakse discordia intercepti kaudu või eraldatakse mitme tsooni analüüsiga, et eristada algset kristalliseerumist ja hilisemaid ümberehitusi.

Tõlgendamine ja piirangud

U–Pb dateerimine annab tavaliselt väga usaldusväärseid vanuseid, kuid korrektne geoloogiline interpretatsioon nõuab arvestamist:

• mis mineraal on analüüsitud ja milline on selle sulgemistemperatuur;
• kas proov on pidanud vastu hilisematele häiringutele (metamorfism, leostumine);
• kas algne plii on korrektselt hinnatud ja korrigeeritud;
• analüüsi täpsus on piiratud teaduslike konstande (nt uraani lagunemiskonstantide) ja instrumentaalsete vigadega.

Rakendused

U–Pb meetodit kasutatakse laialdaselt kivimite ja mineraalide vanuse määramiseks: magmakehade kristalliseerumine, metamorfsed sündmused, sedimentide maksimum vanus (zirkoonide puhul), arhaeilise killustumise kronoloogia ning ka geodünaamiliste protsesside ajastamine. Tänu kõrgele resolutsioonile on U–Pb üks peamisi vahendeid geoloogilises kronoloogias.

Kokkuvõttes on uraan‑plii dateerimine paindlik ja võimas meetod, mis kombineerides mitu lähenemist (concordia, isokroon, Pb–Pb) võimaldab lahendada keerukaid geoloogilisi küsimusi ning anda väga täpseid vanusehinnanguid, kui proovid ja analüüsid on korralikult ette valmistatud ja tõlgendatud.