ПЕТРОЛОГИЯ, 2010, том 18, № 6, с. 579-594
УДК 550.42
ГЕОТЕРМОХРОНОЛОГИЯ ПО БЛАГОРОДНЫМ ГАЗАМ: II. ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ УРАН-ТОРИЙ-ГЕЛИЕВОЙ ИЗОТОПНОЙ СИСТЕМЫ В ЦИРКОНЕ1
© 2010 г. О. В. Якубович**, Ю. А. Шуколюков^**, А. Б. Котов*, С. З. Яковлева*, Е. Б. Сальникова*
*Институт геологии и геохронологии докембрия РАН наб. Макарова, 2, Санкт-Петербург, 199034, Россия; e-mail: xekrarne@gmail.com **Санкт-Петербургский государственный университет, Геологический факультет Университетская наб., 7-9, Санкт-Петербург, 194034, Россия Поступила в редакцию 30.03.2010 г.
Исследована кинетика миграции гелия из цирконов различной степени метамиктности. Экспериментально определены миграционные параметры гелия, исследовано влияние авторадиации и степени метамиктности на устойчивость (U-Th)/He изотопной системы, изучены механизмы миграции благородных газов из циркона, определены и сопоставлены новые данные по кинетике миграции гелия с ранее полученными результатами изучения кинетики миграции ксенона из цирконов одних и тех же геологических объектов и сделаны выводы об устойчивости (U-Th)/He изотопной системы в цирконе. Установлено, что гелий в решетке циркона находится в двух энергетических положениях: основном (более 80%) с энергией активации «39 ккал/моль, k0 « 1011 год-1 и втором с энергией активации миграции 5—10 ккал/моль, k0 « 106 год-1. Сделано заключение, что миграция гелия из основного энергетического положения лучше описывается одно-скачковым механизмом. Миграция гелия из второго энергетического положения согласуется с диффузионным механизмом. Показано, что отклонение от прямолинейной зависимости в системе координат lnln(Heo/He()—1/r связано, вероятно, с разрушением объемных дефектов, содержащих атомы гелия, при высоких температурах (более 1000°С во временных диапазонах эксперимента) и, как следствие, изменением механизма миграции с односкачкового на диффузионный, а также с наличием атомов, мигрирующих по диффузионному механизму. Установлено, что ширина пика на спектре кинетики выделения радиогенного гелия и появление второго пика также зависят от доли атомов, мигрирующих по диффузионному механизму. Обнаружено, что низкие значения энергии активации гелия из второго энергетического положения свидетельствуют о наличии непрерывных потерь гелия из решетки циркона.
Первые попытки определения возраста минералов (U-Th)/He методом изотопного датирования были предприняты еще в начале XX века (Rutherford, 1906; Strutt, 1910 и др.). В основе этого метода лежит а-распад 235U, 238U и 232Th, одним из стабильных продуктов которого является 4Не. По количеству накопленного радиогенного гелия определяют "гелиевый возраст" минерала. Однако из-за высокой скорости миграции гелия значения возраста, полученные (U-Th)/He методом, оказывались сильно заниженными (относительно других изотопных систем) (Hurley, 1954; Герлинг, 1939, 1961), поэтому его применение было ограничено (Старик, 1961). Лишь в последней четверти XX века, после появления нового направления в изотопной геологии — геотермохронологии, снова возник интерес к
1 Настоящая статья — часть цикла работ, начавшегося с пуб-
ликации Шуколюков Ю.А., Фугзан М.М., Падерин И.П.,
Сергеев С.А., Крылов Д.П. Геотермохронология по благо-
родным газам: I. Исследование устойчивости уран-ксено-
новой изотопной системы в неметамиктных цирконах //
Петрология. 2009. Т. 17. № 1. С. 3—27.
этому методу (Zeitler et al., 1987). Причиной послужила одна из особенностей гелия: его крайне высокая подвижность. Даже незначительное увеличение температуры (100—200°С) приводит к частичной или полной потере гелия минералом. Поэтому по доле потерянного гелия можно судить о темпера-турно-временной истории минерала, а знание миграционных характеристик гелия позволяет реконструировать термическую историю пород. При этом высокая чувствительность современных масс-спектрометров дает возможность использовать для датирования (U-Th)/He методом в качестве минералов-геохронометров не только циркон и апатит, но также гранат, оливин, ксенотим, магнетит, титанит и золото в широких возрастных диапазонах (Aciego etal., 2003, 2007; Blackburn et al., 2008; Farley, Stockli 2002; Pettke et al., 1997).
В настоящее время (U-Th)/He метод применяется для реконструкции эволюции орогенических областей, оценки скорости остывания магматических тел, датирования молодых разрывных нарушений и определения времени извержений молодых вул-
канов (1000—100000 лет). Особой областью применения (U-Th)/He метода является датирование археологических находок, определение полей распространения палеопожаров и реконструкция палеоландшафтов (Reiners, 2005; Aciego et al., 2003; Mortimer et al., 2006). Применение (U-Th)/He метода вместе с трековым и другими геохронологическими методами позволяет на основе компьютерного моделирования исследовать различные сценарии остывания и эксгумации пород (Dunai, 2005; Wolf et al., 1998).
Для лучшего понимания условий, при которых происходят потери гелия, необходимо детальное изучение физических механизмов его миграции. На данный момент большинство знаний относительно миграции гелия из кристаллических решеток различных минералов получено в ходе экспериментов по ступенчатому отжигу, где образец нагревают и определяют количество выделившегося при данной температуре гелия на масс-спектрометре (Cherniak et al., 2009). Преимущество использования (U-Th)/He изотопной системы (и других систем с участием благородных газов) для геотермо-хронологических исследований по сравнению с U-Pb, Rb-Sr, Sm-Nd и др. изотопными системами состоит в том, что миграционные характеристики благородных газов можно экспериментально определить для исследуемого образца параллельно с определением их содержаний. Как следствие, не нужно пользоваться табличными данными для абстрактных апатита, циркона или мусковита.
Генетическая связь (U-Th)/He системы с другими системами благородных газов (U-Xe, U-Kr) также открывает уникальные возможности для геотер-мохронологии, поскольку они имеют единый механизм миграции, но с разными миграционными параметрами. Экспериментально определив эти кинетические параметры миграции и степень потерь радиогенных изотопов в образце минерала, можно получить информацию о его термической истории. Существует, следовательно, возможность реализовать новый аппарат геотермохронологии (Щуколюков и др., 2009). Однако для того чтобы сделать такой подход практически применимым, необходимо провести широкие комплексные исследования миграционных характеристик гелия, ксенона и криптона и устойчивости их изотопных систем в различных минералах-геохронометрах.
ЦЕЛИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящей статье представлены новые результаты исследований, направленных на изучение возможности комплексного использования (U-Th)/He, U-Кг и U-Xe изотопных систем для изотопной геохронологии и геотермохронологии различных минералов — от золота и урана до высокотемпературных акцессорных минералов — циркона, бадделеита и других в условиях возможных
вторичных воздействий на изотопные системы в таких минералах. Цель работы — исследование кинетики миграции гелия из цирконов различной степени метамиктности для лучшего понимания механизма потерь радиогенного гелия минералом в природных условиях. Задачи данной работы состояли в том, чтобы, используя образцы циркона с различной степенью сохранности кристаллической решетки: 1) экспериментально определить миграционные параметры гелия, 2) определить влияние авторадиации и степени метамиктности на устойчивость (U-Th)/He изотопной системы, 3) изучить механизмы миграции благородных газов из циркона, 4) сопоставить полученные данные по кинетике миграции гелия и ксенона из цирконов одного геологического объекта, 5) оценить устойчивость (U-Th)/He изотопной системы в цирконе.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Степень кристалличности циркона определяется величиной дозы авторадиации, которая зависит от времени воздействия облучения и от содержания радиоактивных изотопов. При дозе облучения, соответствующей ~2 х 1018 расп./г, в кристаллической решетке циркона появляется так много нарушений, что приводит к его метамиктизации и резкому увеличению потерь радиогенного гелия (Holland, 1954; Reiners, 2005). Поэтому для изучения устойчивости (U-Th)/He изотопной системы в цирконах с различной степенью кристалличности нами были использованы цирконы разного возраста (15—3600 млн. лет) и различным содержанием урана (1—1000 ppm) (табл. 1, рис. 1), а именно:
1. Ювелирный циркон (пегматит, Шри-Ланка) с совершенной структурой без признаков метамик-тизации, который характеризуется однородным распределением урана и тория и отсутствием включений (Шуколюков и др., 2009), Концентрация урана в различных участках этого циркона варьирует в очень узких пределах — 2—3%, а тория — 5%; 238U/232Th — 2.8%. Ранее этот циркон был использован для изучения кинетики выделения ксенона (Шуколюков и др., 2009). Для исследований от большого обломка кристалла циркона были отколоты четыре фрагмента (№ 1—4, табл. 1).
2. Акцессорный циркон с широким диапазоном возраста (15—1900 млн. лет) и различным содержанием урана (1—1000 ppm) (№ 5—13, табл. 1)
3. Акцессорные цирконы из плагиогранитов района Эндерби (Западная Антарктида) (№ 14—20, табл. 1), которые, несмотря на высокую дозу авторадиации, сохранили высококристаллическую структуру (по результатам рентгено-фазового анализа). Xes-Xen возрасты этих цирконов в пределах погрешности определения совпадают с U-Pb определениями и составляют 3.8 млрд. лет и 2.6 млрд. лет (Крылов, Шуколюков, 1994, 2003).
Таблица 1. Изученные цирконы
№ Образец U-Pb возраст, млн. лет Содержание урана, ppm Доза авторадиации, а/г Xes-Xe„ возраст, млн. лет Коллекция
1-4 Пегматит, Шри-Ланка 600 600 1.17 х 1018 620 В.А. Тодт, Институт Макса Планка, Майнц
5-6 Кимберлит; Кольский п-ов 1900 3 2.06 х 1016 - Сальникова Е.Б., ИГГД РАН
7 Кимберлит; трубка Мир, Якутия 300 1 9.5 х 1014 - Комаров А.Н., ИГГД РАН
8-10 Гнейс, Анабарский щит >1900 >1000 >6.08 х 1018 - Сальникова Е.Б., ИГГД РАН
11 Гранит, Сибирь 120 860 4.5 х 1016 -
12 Гранит, Сибирь 93 120 2.5 х 10
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.