Изотопная геохимия играет несколько основных ролей в геологии. Одна из них связана с обогащением или обеднением определенных изотопных видов, что является результатом влияния различий в массе молекул, содержащих разные изотопы.
Измерения пропорций различных изотопов можно использовать как форму геологического термометра. На соотношение кислорода-16 и кислорода-18 в карбонате кальция, выделяемом различными морскими организмами из раствора карбоната кальция в морской воде, влияет температура морской воды. Точное измерение пропорций кислорода-16 по отношению к кислороду-18 в известковых панцирях некоторых ископаемых морских организмов позволяет оценить температуру морей, в которых они жили.
Различные температуры океана во время и между наступлениями ледников в ледниковые периоды были выведены путем анализа изотопного состава скелетов плавучих организмов, извлеченных в виде окаменелостей в отложениях на морском дне. Другие применения изотопного анализа, который включает зависящие от температуры процессы скорости, включают постепенное удаление кристаллов из охлаждающих магм.
Еще одна роль изотопной геохимии, которая имеет большое значение в геологии, — это радиометрическое датирование возраста. Возможность количественно оценить геологическую шкалу времени, то есть датировать события геологического прошлого, во многом является результатом сочетания методов радиометрического датирования с более старыми классическими методами установления относительного геологического возраста.
Методы радиометрического датирования основаны на общем принципе, согласно которому конкретный радиоактивный изотоп (радиоактивный исходный материал), включенный в геологический материал, распадается с постоянной скоростью, образуя продукт распада или дочерний изотоп. Некоторые радиометрические «часы» основаны на соотношении родительских и дочерних изотопов, другие — на доле оставшихся родительских изотопов, а третьи — на соотношении дочерних изотопов по отношению друг к другу.
Например, уран-238 в конечном итоге распадается до свинца-206, который является одним из четырех природных изотопов свинца. Минералы, которые содержат уран-238 при первоначальном образовании, могут быть датированы путем измерения соотношений свинца-206 и урана-238; чем старше образец, тем больше доля свинца-206 по сравнению с ураном-238.
Распад калия-40 с образованием аргона-40 (кальций-40 также образуется в этом процессе распада) также является широко используемым инструментом радиометрического датирования, хотя есть несколько других родительско-дочерних пар, которые используются в радиометрическом датировании, в том числе другой изотоп урана (уран-235), который в конечном итоге распадается с образованием свинца-207, и торий-232, который распадается до свинца-208.
Уран-238 и уран-235 распадаются очень медленно, хотя уран-235 распадается быстрее, чем уран-238. Скорость распада можно выразить несколькими способами. Один из способов — это период полураспада радиоактивного изотопа — интервал времени, в течение которого половина любого заданного начального количества распадется. Период полураспада урана-238 составляет около 4 510 000 000 лет, тогда как период полураспада урана-235 составляет около 713 000 000 лет. Другие радиоактивные изотопы распадаются с сильно различающейся скоростью, с периодом полураспада от долей секунды до квадриллионов лет.
Полезно комбинировать различные изотопные методы, чтобы определить полную историю земной коры. Датировка самарий-147-неодим-143 на гранито-гнейсах, например, может быть интерпретирована как время мантийно-коровой дифференциации или коровой аккреции, которая произвела первоначальный магматический гранит. Кроме того, дата свинец-207 – свинец-206 на цирконе укажет возраст кристаллизации гранита.
Напротив, дата рубидий-87 – стронций-87 для всего образца породы может дать время, когда порода стала закрытой системой для миграции стронция в период метаморфизма, который превратил гранит в гранитный гнейс. Когда калий-40 распадается до аргона-40, аргон продолжает диффундировать, пока порода не остынет примерно до 200°C, следовательно, дату калий-40 – аргон-40 можно интерпретировать как время, когда гранит охладился до температуры блокировки, которая остановила выделение аргона. Это может отражать остывание гранита во время позднего поднятия в молодом горном поясе.
С 1980-х годов два технологических достижения значительно расширили возможности геологов по вычислению изотопного возраста горных пород и минералов. SHRIMP (Чувствительный ионный микрозонд с высоким разрешением по массе) позволяет точно определять ураново-свинцовый возраст минерала циркона, что произвело революцию в понимании изотопного возраста образования цирконосодержащих магматических гранитных пород.
Еще одним технологическим достижением является ICP-MS (масс-спектрометр с индуктивно связанной плазмой), который может определять изотопный возраст циркона, титанита, рутила и монацита. Эти минералы являются общими для многих магматических и метаморфических пород.
