О чем рассказывают эти скромные цирконы?
Виктор Ефимович Хаин, академик РАН, заслуженный профессор геологического факультета Московского государственного университета им.М.В.Ломоносова, специалист в области общей и региональной тектоники. Лауреат Государственной премии СССР (1987) и РФ (1995). Почетный член Европейской академии наук. Наш старинный автор, долгие годы был членом редколлегии журнала.
Марк Львович Сомин, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией геотектоники и геодинамики Института физики Земли им.О.Ю.Шмидта РАН. Область научных интересов — региональная геология и тектоника складчатых систем, геология метаморфических комплексов, структурная геология.
В.Е.Хаин, М.Л.Сомин
В этой статье нам хочется поделиться с читателями «Природы» рассказом об одном из самых ярких достижений современной геологической науки, основанном на применении новейших технических средств. Перед геологической наукой всегда стояли три главные задачи: расшифровать современную структуру земной коры; раскрыть историю ее формирования; установить особенности структуры и состава коры, благоприятные для образования месторождений полезных ископаемых или строительства инженерных сооружений.
Вторую из этих задач решает историческая геология, а для ее выполнения было необходимо разработать календарь событий, происходивших на протяжении всей истории Земли, — геохронологическую шкалу. До начала ХХ в. решение этой задачи в полном объеме было невозможным, и дело ограничивалось лишь установлением последовательности событий последнего полумиллиарда лет истории Земли — фанерозоя — на основе изучения содержащихся в слоях этого возрастного диапазона ископаемых остатков животных и растений (палеонтологический метод). Между тем, поскольку возраст Земли (позднее определенный) равен 4.5 млрд лет, 8/9 истории нашей планеты оставались очень плохо познанными. Попытки даже просто определить относительную последова-
© Хаин В.Е., Сомин М.Л., 2008
тельность образования докемб-рийских пород на основе сравнения степени их метаморфических изменений нередко давали совершенно ошибочные результаты. В отношении фанерозоя была известна лишь последовательность событий в конкретных регионах, но не время их проявления. И здесь тоже оставались серьезные проблемы. Так, глубокометаморфизованные породы, выступающие в молодых складчатых сооружениях, традиционно принимались, исходя из степени их метаморфизма, за до-кембрийские образования. Хотя опыт изучения некоторых обла-
стей, например Альп, уже давно показал, что глубокому метаморфизму могут подвергаться и весьма молодые породы.
Положение резко изменилось с открытием естественной радиоактивности. Великий Эрнст Резерфорд отметил, что это открывает путь к определению возраста минералов и горных пород земной коры, а к 1907 г. относится первая попытка реализовать эту возможность на практике.
С тех пор начала успешно развиваться новая научная дисциплина — радиогеохрономет-рия. Многие минералы (уран, торий, калий, рубидий и др.)
содержат в своем составе одновременно и химические элементы, обладающие естественной радиоактивностью, и продукты их распада. Период распада (обычно говорят о полураспаде) представляет величину постоянную, и отношение содержания продуктов распада к остаточному содержанию материнского элемента дает возможность судить о возрасте минерала и содержащей его горной породы. Необходимым условием является, однако, то, чтобы порода или минерал не подвергались изменениям, которые могли бы привести к нарушению первичных соотношений. Другое требование — это точность определения содержания той пары элементов, а точнее их изотопов, по которым производится определение возраста. Последнее условие соблюдается во все большей степени по мере усовершенствования технических приборов. Причем необходимо иметь в виду, что речь идет обычно об очень низких концентрациях. В последние десятилетия эту задачу успешно решают умные, но, правда, дорогостоящие масс-спектрометры. Благодаря их применению и совершенствованию теперь удается определять возраст даже древнейших минералов и пород с точностью до нескольких миллионов лет, что в геологическом масштабе времени представляется огромным достижением.
В радиогеохронометрии разработан ряд методов, использующих различные пары элементов (изотопов), и с каждым годом появляются новые. Но каждый из этих методов имеет свой возрастной диапазон применения, который зависит от периода полураспада радиоактивных элементов. Чем короче этот период, тем меньше возрастной диапазон применимости метода, а чем больше, тем он шире.
Так, радиоуглеродный метод, использующий отношение 14C/14N, применим лишь для позднечетвертичных пород, по-
скольку период полураспада 12С составляет лишь 5730 лет. Калий-аргоновый метод дает относительно точное определение возраста кайнозойских и мезозойских образований, а руби-дий-стронцевый пригоден и для палеозойских. При этом К-Аг возраст — всего лишь возраст охлаждения системы до сравнительно низких пороговых температур ее закрытия.
Наиболее продолжительным периодом полураспада обладает уран, особенно его изотоп 238Ц превращающийся в свинец — ^ФЬ. Соответственно для древних пород — раннепалеозой-ских и особенно докембрий-ских — предпочтителен именно этот метод, хотя он широко применяется и в палеозойских, и в мезозойских породах. Однако собственно урановые минералы в природе встречаются редко, а вот достаточно широко распространенный минерал — циркон — всегда содержит уран, хотя и в небольшом количестве, но поддающемся измерению в масс-спектрометре. Очень
важно также, что циркон весьма устойчив при выветривании и метаморфизме (преобразовании в твердом состоянии в условиях высоких давлений и температур). Вот почему он оказался идеальным материалом для радиометрического определения возраста горных пород.
Циркон и возможности цирконометрии
Циркон — ортосиликат относительно редкого элемента циркония — ZrSiO4. Кристаллы его чаще всего имеют правильную форму, представляя собою призмы, увенчанные пирамидами. Они прозрачные или полупрозрачные, почти бесцветные или окрашенные в светло-коричневые, розовые, желтые, реже голубые тона. Крупные кристаллы используются как полудрагоценные камни. Но обычно цирконы встречаются в виде мелких зерен в различных типах горных пород. В гранитах и гнейсах они присутствуют в качестве ак-
Магматические цирконы из неметаморфизованных и слабо метаморфизованных гранитов Северного Кавказа, р.Баксан. Катодолюминесценция. Хорошо видна концентрическая зональность, параллельная граням кристаллов.
цессорных, т.е. не главных породообразующих, как кварц или полевые шпаты, а как бы «вспомогательных» минералов. То же касается вулканических пород кислого и среднего состава. При разрушении таких пород на земной поверхности вследствие выветривания и воздействия текучих вод зерна циркона попадают в отложенные в долинах рек или в озерах и морях осадки, входят в состав песков, песчаников или продуктов их метаморфизма — кварцитов, парагнейсов, кристаллических сланцев. Циркон — очень тяжелый минерал, его вымытые из горных пород зерна вместе с минералами ильменитом и рутилом в благоприятных условиях скапливаются на мелководье, подобно золоту, создавая очень ценные в промышленном отношении россыпные месторождения. Двуокись циркония и цирконий в виде металла широко применяются в металлургии, в ядерной энергетике и многих других стратегически важных областях промышленности. Стоимость циркониевой руды на мировых рынках очень высока.
Однако вернемся к циркону как ценнейшему источнику геохронологической информации. Возраст цирконов из гранитов или их вулканических аналогов соответствует времени образования этих пород из магматического расплава. Возраст цирконов из гнейсов, образовавшихся за счет магматических пород, может отвечать как времени кристаллизации исходной породы, так и времени ее метаморфизма, если последний был достаточно глубоким и отчетливо проявился. В подобных породах первичные магматические ядра зерен циркона могут быть обрамлены каймами, которые по времени отражают эпоху метаморфических преобразований, а иногда и несколько эпох.
Таким образом, изучение даже единичных зерен циркона иногда позволяет восстановить сложную и длительную историю данного региона. Во многом
подобные результаты дает изучение обломочных цирконов из песчаников или их метаморфи-зованных аналогов. Чаще всего в песчаниках находят цирконы разных возрастов или, как говорят, разных популяций. Каждая из них отвечает породам определенного возраста. Это нередко дает возможность установить, какая именно область поставляла обломочные цирконы и какие именно породы в ее пределах выступали на поверхность и размывались. Кроме того, совершенно очевидно, что возраст самих песчаников должен быть моложе возраста самой молодой популяции обломочных цирконов. Но если в отложениях есть примесь цирконов из продуктов одновременно происходившей с их накоплением взрывной вулканической деятельности, которые можно определить по морфологии зерен, возраст этих зерен позволяет определить непосредственно время осадконакопления. В наиболее глубоко метаморфи-зованных породах — гранули-тах, а также в мигматитах (породах, испытавших при метаморфизме частичное плавление) циркон кристаллизуется в форме самостоятельных кристаллов специфической морфологии. В гранулитах — это сферические зерна с многочисленными гранями, в мигматитах — обычно резко удлиненные кристаллы. И те, и другие широко используются для определения возраста метаморфизма.
Особо следует сказать о так называемом трековом методе определения возраста цирконов (но еще чаще также апатитов и некоторых других урансо-держащих минералов), который все шире применяется в мире и начинает внедряться и в нашей стране. Он основан на изучении треков — шрамов, оставляемых на кристаллах урансо-держащих минералов осколками ядер урана. Треки тем гуще, чем больше возраст минерала и, следовательно, чем длительнее он подвергался облучению. Од-
нако условием их сохранения является остывание зерна циркона (или другого подобного минерала) ни
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.