Các phương pháp định tuổi hiện đại của đá

1- Các phương pháp định tuổi dựa trên tích tụ phóng xạ chì (U-Pb, Th-Pb và Pb-Pb): Urani và thori thuộc nhóm actinoid. Cả hai nguyên tố trong tự nhiên ở dạng hoá trị 4, bán kính nguyên tử của chúng khá gần gũi nhau (U⁺⁴= 1,05 A^o, Th⁺⁴ = 1,10A^o). Do đó hai nguyên tố này thay thế nhau rộng rãi. Tuy nhiên, trong điều kiện oxy hoá, U thành tạo ion-uraniil UO²⁺²  , ở đây U có hoá trị +6. Hợp chất ion-uraniil hoà tan trong nước. Vì thế, trong điều kiện oxy hoá, U trở nên rất linh động và được tách khỏi thori. Urani có 3 đồng vị tự nhiên: ²³⁸U, ²³⁵U và ²³⁴U. Chúng đều có tính phóng xạ. Thori chỉ có một đồng vị phóng xạ: ²³²Th. Ngoài ra trong tự nhiên còn tồn tại 5 đồng vị phóng xạ Th, chúng là sản phẩm con trung gian, sinh ra do phân rã ²³⁸U, ²³⁵U và ²³²Th. Ba đồng vị này là các đồng vị mẹ, sinh ra dãy sản phẩm đồng vị phóng xạ con và đều kết thúc bằng đồng vị Pb. Trong tất cả các trường hợp, phân huỷ phóng xạ đều bức xạ các phần tử a-  (4He) và b-  dưới dạng:

Đáng lưu ý là ngoài 3 đồng vị Pb phóng xạ sinh, trong tự nhiên có đồng vị 204Pb không phải là phóng xạ sinh và được sử dụng làm đồng vị bền so sánh. Các hằng số phân rã phóng xạ đối với dãy U-Pb và Th-Pb được trình bày trong bảng dưới:

Chu kì bán phân rã và các hằng số phân rã phóng xạ của đồng vị U, Th

Các hằng số phân rã phóng xạ của các đồng vị U, Th đưa ở bảng trên đã được Uỷ ban Địa thời học của Hiệp hội Địa chất Quốc Tế thông qua tại Hội nghị địa chất lần thứ 25. Ngoài ra, Uỷ ban thừa nhận tỉ lệ nguyên tử 238U/235U = 137,88. Nếu tỉ lệ 238U/204Pb được kí hiệu là m, suy ra:

²³⁵U/²⁰⁴Pb = m/137,88; tỉ lệ ²³²Th/²⁰⁴Pb được kí hiệu là w

Tương tự các phương trình để xác định tuổi Rb-Sr, Sm-Nd và Re-Os, phương trình tổng quát có thể được viết cho mỗi cặp đồng vị mẹ và con như sau:

(²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb) = (²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb)i  + (²³⁸U/²⁰⁴Pb)*(el1t-1)   (1)

(²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb) = (²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb)i  + (²³⁵U/²⁰⁴Pb)*(el2t-1)   (2)

(²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb) = (²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb)i  + (²³²Th/²⁰⁴Pb)*(el3t-1)   (3)

Ở đây ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb, ²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb, ²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb - tỉ lệ đồng vị của chì trong khoáng vật tại thời điểm phân tích; (²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb)i, (²⁰⁷Pb/²⁰⁴Pb)ii, (²⁰⁸Pb/²⁰⁴Pb)i  - tỉ lệ đồng vị ban đầu (nguyên sinh) của chì tại thời điểm thành tạo khoáng vật; ²³⁸U/²⁰⁴Pb, ²³⁵U/²⁰⁴Pb, ²³²Th/²⁰⁴Pb - tỉ lệ đồng vị trong khoáng vật tại thời điểm phân tích; l1, l2, l3  - các hằng số phân rã của ²³⁸U, ²³⁵U, ²³²Th tương ứng; và t - thời gian sau khi khoáng vật đã tạo nên hệ khép kín đối với U, Th, Pb và đối với mọi sản phẩm đồng vị con trung gian.

Các phương trình (1) - (3) có thể dùng để định tuổi của các tổ hợp khoáng vật (hoặc đá) theo phương pháp đẳng thời như đã trình bày ở trên. Trong trường hợp nếu từ lúc kết tinh các khoáng vật nghiên cứu của hệ U-Th-Pb không bị phá huỷ cân bằng (hay nói cách khác các khoáng vật tồn tại là hệ kín đối với U, Th, Pb) thì các giá trị tuổi nhận được từ ba hệ phân rã riêng biệt sẽ phù hợp (concordant) và là tuổi của khoáng vật. Tuy nhiên U, Th khá linh động khi bị biến chất hoặc khi các đá bị phong hoá, vì thế việc áp dụng phương pháp đẳng thời đối với các hệ U-Pb và Th-Pb bị hạn chế.

Ta đã biết ²³⁸U và ²³⁵U cũng như ²⁰⁶Pb và ²⁰⁴Pb là những đồng vị của cùng một nguyên tố, nên có hành vi như nhau trong các quá trình địa hoá khác nhau. Điều này cho phép xác định tuổi phù hợp theo các cặp ²³⁸U/²⁰⁶Pb và ²³⁵U/²⁰⁷Pb khi hệ đồng vị U-Th bị phá huỷ.

Dưới đây sẽ xem xét hai phương pháp định tuổi phổ biến đối với hệ U-Pb: 1) phương pháp U-Pb định tuổi theo Zircon; 2) phương pháp Pb-Pb định tuổi theo Pb trong đá; đồng thời sẽ xem xét định tuổi mô hình cho quặng chì và protolith của các đá bazan đại dương hiện đại.