ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2009, том 73, № 3, с. 402-404
УДК 539.163 + 523.165
КОСМОГЕННЫИ 36C1 КАК ИНСТРУМЕНТ ДАТИРОВАНИЯ
ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ЛЬДОВ
© 2009 г. Д. А. Тихомиров, А. В. Блинов
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет E-mail: tikhomirovdmitry@gmail.com
В статье предложен метод датирования вечной мерзлоты на основе долгоживущего космогенного изотопа хлора 36Cl. Анализируется образование 36Cl под действием космических лучей в атмосфере и литосфере. Показано, что изотопное отношение 36Cl/Cl, измеряемое во льду, является мерой его возраста. Приведены результаты датирования образцов вечной мерзлоты с учетом образования in situ. Рассчитан предел датирования метода, равный 2 млн. лет.
ВВЕДЕНИЕ
Космические лучи (КЛ) и рождаемый ими каскад вторичных частиц образуют в атмосфере Земли так называемые космогенные нуклиды (КН), в том числе радиоактивные. Некоторые из КН с успехом используются при изучении обменных процессов и переноса вещества, а также для датирования. Вследствие ограниченного времени жизни только немногие из них пригодны для изучения палеоклиматических и палеогеологических событий.
Долгоживущий космогенный радионуклид 36С1 (Г1/2 = 3.0 ■ 105 г.) образуется в ядерных реакциях на атмосферном аргоне преимущественно в стратосфере и верхней тропосфере. Главный его источник - галактические КЛ; солнечные энергичные частицы вносят незначительный вклад: при мощных солнечных вспышках солнечные протоны способны давать вклад не более нескольких процентов среднегодовой скорости образования. При этом изменение солнечной активности необходимо учитывать как косвенный фактор, влияющий на интенсивность КЛ. Под действием протонов и нейтронов атмосферный 36С1 образуется со следующими средними глобальными мощностями: 40Аг(п, р 4п)36С1 (13.6 ат ■ м-2 ■ с-1), 40Аг(р, 2р 3п)36С1 (3.6 ат ■ м-2 ■ с-1), 36Аг(п, р)36С1 (2.2 ат ■ м-2 ■ с-1), 40Аг(р, а п)36С1 (менее 1%). Средняя суммарная скорость образования 36С1 во всех каналах составляет 19.4 ат ■ м-2 ■ с-1 [1, 2] и варьируется от 14 до 24 ат ■ ■ м-2 ■ с-1 в зависимости от уровня солнечной активности [3].
Из стратосферы 36С1 попадает в тропосферу в результате сезонного переноса массы воздуха через тропопаузу. Осаждение тропосферного 36С1 происходит с атмосферными осадками и сухим осаждением, причем его поток в конкретной географической точке поверхности зависит от широты места [4]. Стабильные изотопы хлора попадают в тропосферу из океана с морским аэрозолем и
в дальнейшем также осаждаются с атмосферными осадками.
МЕТОД ДАТИРОВАНИЯ НА ОСНОВЕ ОТНОШЕНИЯ 36С1/С1
Метод датирования на основе измерения изотопного отношения 36С1/С1 был впервые предложен для подземных вод и реализован с помощью ускорительной масс-спектрометрии [5-8]. Ледовые комплексы широко распространены в составе вечной мерзлоты Арктического региона северовосточной Сибири; они являются хранилищем разнообразной палеоэкологической информации: палеонтологических остатков, атмосферных газов, микроорганизмов [9-11]. Датирование вечномерз-лых льдов - одна из важнейших задач для понимания истории Арктики. Обоснование возможности датирования с помощью 36С1 льдов вечной мерзлоты позволило бы создать для них шкалу времени на весь четвертичный период.
В основе метода лежит предположение, что отношение 36С1/С1 в атмосферных выпадениях для интересующего нас географического района остается постоянным во времени. Атмосферные осадки, выпадающие на поверхность зимой в виде снега, весной тают и образуют вместе с паводковой водой ледяные жилы в мерзлоте. Исходные концентрации изотопов хлора в жильном льду фиксируются в момент замерзания, и старение льда будет характеризоваться уменьшением отношения 36С1/С1 в соответствии с радиоактивным распадом 36С1. Возраст датируемого образца относительно опорного можно рассчитать, исходя из закона радиоактивного распада, по формуле
At = t -10 = T36ln
rN 36Cl N 36Cl -£l (to)/-т-т^ (t)
N
Cl
N
Cl
КОСМОГЕННЫЙ 36C1 КАК ИНСТРУМЕНТ ДАТИРОВАНИЯ ВЕЧНОМЕРЗЛЫХ ЛЬДОВ
403
N з,
где т36 = 434 тыс. лет - время жизни 36Cl; -гт^Ч^),
N
C-
Nз,
C-
(t) - отношения концентраций 36Cl и стабиль-
NC-
ного хлора в опорном и датируемом образцах соответственно.
Кроме 36Cl атмосферного происхождения в вечной мерзлоте присутствует фоновая для задачи датирования компонента 36Cl, образуемая непосредственно в веществе на протяжении всего периода залегания (компонента in situ). Образование в мерзлоте происходит преимущественно под действием проникающего каскада частиц КЛ высоких энергий, а также под действием нейтронов от спонтанного распада ядер семейств урана и тория
[12]. В каскаде КЛ можно выделить три типа частиц, существенных для задачи образования компоненты in situ. Первый - вторичные каскадные нейтроны, замедляющиеся до тепловых энергий при прохождении сквозь толщу мерзлоты. Второй и третий типы - быстрые и медленные отрицательные мюоны, при взаимодействии которых с веществом мерзлоты рождаются нейтроны. Основной ядерной реакцией образования 36Cl является захват тепловых нейтронов на 35Cl. Временные и пространственные вариации интенсивности КЛ приводят к тому, что скорость образования in situ неодинакова для различных участков литосферы
[13]. При этом наиболее важна ее зависимость от географического положения исследуемых образцов: широты и высоты над уровнем моря.
Количественную оценку скорости образования 36Cl in situ в вечной мерзлоте на заданной глубине P36(h) можно получить, используя результаты [14, 15]. Тогда концентрация 36Cl, образованного in situ за период залегания образца, выражается как
h/e
N3ncs|tu (h ) = J" Рз6 ( h - e t ) exp ( t^6 ) dt ,
0
где e - скорость осадконакопления г ■ год-1 ■ см-2, ^36 - постоянная распада 36Cl.
Концентрация 36Cl, ат ■ г 1 105
104 :
103 :
102
103 104 Глубина, г ■ см-2
Сравнение концентраций 36Cl в вечной мерзлоте: 1 вклад атмосферы, 2 - образованный in situ.
Для оценки предела датирования примем поверхностную концентрацию атмосферного 36С1 равной N 36С1 = 104 атом ■ г-1 [2]. Скорость осаждения £ = 10-
' ■ см
год-1, массовая доля стабильного хлора в воде, вытаянной из образца мерзлоты, mCl = 5 ■ 10-6. На рисунке представлены модельные зависимости от глубины для концентраций атмосферного и образованного in situ 36Cl. При определенной глубине и соответственно возрасте образца, фоновая концентрация 36Cl сравнивается с величиной, используемой для датирования. Точку пересечения кривых на рисунке, соответствующую возрасту порядка 2 млн. лет, назовем пределом датирования метода.
РЕЗУЛЬТАТЫ ДАТИРОВАНИЯ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ МЫСА СВЯТОЙ НОС
Первые измерения содержания 36Cl в вечной мерзлоте из восточной Сибири были приведены в [16], где можно найти их подробное геологическое описание. Основываясь на предложенной модели образования in situ, мы рассчитали поправки для
Концентрация стабильного Cl, измеренное отношение 36Cl/Cl, поправка на образование 36Cl in situ и возраст для образцов вечной мерзлоты мыса Святой Нос
Образец Концентрация Na, 10-6 г ■ г-1 N»a Nc- , 10-13 ат. ■ ат.-1 Возраст без поправки на in situ, тыс. лет N36 . C- in situ Nc- , 10-13 ат. ■ ат.-1 Возраст с поправкой на in situ, тыс. лет
2/01 7.2 2.51 10 0.06 -
3/01а 6.2 3.73 10 0.05 -
4/01 50.8 1.12 440 0.57 730
3/01b 27.1 0.88 550 0.25 680
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 73 < 3 2009
404
ТИХОМИРОВ, БЛИНОВ
возраста образцов с мыса Святой Нос. Исходные данные, результаты расчетов и скорректированные значения возраста приведены в таблице. Концентрацию фонового 36Cl для образцов 4/01 и 3/01b вычисляли, принимая усредненное для образцов 2/01 и 3/01b значение в качестве опорного образца. При расчете образования in situ не учитывались изменения интенсивности КЛ в прошлом, скорость осадконакопления принималась постоянной во времени, вследствие чего поправки in situ можно рассматривать только как оценочные.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Предложен метод, основанный на взаимодействии КЛ в атмосфере, который можно использовать для абсолютного и относительного датирования эпигенетических включений в вечномерзлых породах, не датируемых геологическими методами. Временная шкала метода находится в диапазоне от десятков тысяч до 2 млн. лет и полностью покрывает четвертичный период. При датировании вечной мерзлоты старее нескольких десятков тысяч лет необходимо делать поправку на образование in situ 36Cl, доля которого может достигать 50%.
Работа выполнена при финансовой поддержке ИНТАС (грант № 05-10000008-8133).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Huggle D. et al. // Planet. Space Sci. 1996. № 2. P. 147.
2. Masarik J, Beer J. // J. Geophys. Res. 1999. № 104. P. 111.
3. Lingenfelter R. // Rev. Geophys. 1963. № 1. P. 35.
4. Blinov A. et al. // Nucl. Instrum. Methods. B. 2000. № 172. P. 537.
5. Bentley H.W. et al. // Water Res. Res. 1986. № 22. P. 1991.
6. Fröhlich K. et al. // Appl. Geochem. 1991. № 6. P. 465.
7. Nolte E. et al. // Ibid. P. 435.
8. Philips F.M. et al. // Water Res. Res. 1986. № 22. P. 2003.
9. Bitton G. Encyclopedia of Environmental Microbiology. N.Y.: Wiley, 2002. P. 932.
10. Schirrmeister L. et al. // Quaternary Int. 2002. № 89. P. 97.
11. Schirrmeister L. et al. // Int. J. Earth Sci. 2002. № 91. P. 154.
12. Feige Y. et al. // J. Geophys. Res. 1968. № 73. P. 3135.
13. Desilets D, Zreda M. // Earth Planet. Sci. Lett. 2003. № 206. P. 21.
14. Heisinger B. et al. // Earth Planet. Sci. Lett. 2002. № 200/3. P. 345.
15. Heisinger B. et al. // Earth Planet. Sci. Lett. 2002. № 200/3. P. 357.
16. Gilichinsky D A. et al. // Quaternary Sci. Rev. 2007. № 26. P. 1547.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 73 < 3 2009
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.