ПЕТРОЛОГИЯ, 2014, том 22, № 5, с. 460-468
УДК 550.42
U-Th-He ДАТИРОВАНИЕ САМОРОДНОГО ЗОЛОТА: ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ
© 2014 г. О. В. Якубович*, **, Ю. А. Шуколюков
А. В. Самсонов****, |А. Н. Комаров
*, **, А. Б. Котов*, М. Браунс***, *, С. З. Яковлева*,
Е. Б. Сальникова*, Б. М. Гороховский*
*Институт геологии и геохронологии докембрия РАН наб. Макарова, 2, Санкт-Петербург, 199034, Россия; e-mail: olya.v.yakubovich@gmail.com **Санкт-Петербургский государственный университет, Геологический факультет Университетская наб., 7-9, Санкт-Петербург, 194034, Россия; ***Curt-Engelhorn-Zentrum Archäometrie, D63, 68159Mannheim, Germany ****Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН Старомонетный пер., 35, Москва, 119017, Россия; e-mail: samsonov@igem.ru Поступила в редакцию 24.02.2014 г.
Обсуждаются возможности использования И-ТЬ-Не метода изотопной геохронологии для датирования самородного золота. Показано, что одной из основных форм нахождения урана и тория и, соответственно, главным источником радиогенного гелия в самородном золоте являются включения уран- и торий-содержащих минералов, в том числе фосфатов редкоземельных элементов. Вследствие субмикронных размеров этих включений образовавшийся в них радиогенный гелий не накапливается, а имплантируется в структуру самородного золота, что позволяет предполагать его высокую сохранность в течение миллиардов лет. В ходе изучения кинетики выделения радиогенного гелия из самородного золота это предположение получило экспериментальное подтверждение. Первые результаты И-ТЬ-Не датирования самородного золота из месторождений Педролампи (Центральная Карелия) и Витватерсранд (Южная Африка) находятся в хорошем соответствии с имеющимися независимыми геохронологическими данными. Все это дает основания рассматривать самородное золото в качестве И-ТЬ-Не минерала-геохронометра для прямого датирования рудообразующих процессов.
БО1: 10.7868/80869590314050082
ВВЕДЕНИЕ
К началу XXI века в мировой науке сложилось представление, согласно которому радиогенный 4Не, как правило, не удерживается за геологическое время в кристаллической решетке большинства минералов, что не позволяет получать с помощью U-Th-He метода информацию о возрасте их образования и, соответственно, о возрасте проявления эндогенных процессов (Харлей, 1954; Герлинг, 1939, 1961). Однако сравнительно недавно в связи с развитием концепции изотопной геотермохронологии произошла частичная "реинкарнация" U-Th-He метода. В рамках этой концепции потери гелия рассматриваются как индикатор длительности и интенсивности температурного воздействия на минералы в ходе различных геологических процессов (Dodson, 1973; Zeitler et al., 1987; Rosso, 2005).
Кроме того, для особого типа природных минералов — самородных металлов — была показана возможность полной сохранности в них радиогенного гелия в течение геологического времени (Шуколюков и др., 2010; 2012а), что обусловлено
его чрезвычайно низкой растворимостью в кристаллических решетках металлов (Evans, 1977 и др.). Расчеты показывают, что теоретически гелий вообще не может растворяться в металлах (Коротеев и др., 2009). Поэтому вынужденно попав в их структуру, например, в результате альфа-распада материнского изотопа, гелий мигрирует к различного рода дефектам кристаллической решетки, где он выделяется в виде атомных кластеров — "пузырьков" нанометрового размера. Миграция подобного кластера, как единого целого, требует очень высоких температур, близких к температуре плавления металла. Такая специфика нахождения атомов гелия в кристаллических структурах металлов, включая самородные, и особый механизм миграции гелия в них с участием атомных кластеров делают маловероятными его потери в геологических процессах (Шуколюков и др., 2012а).
Представление о высокой сохранности радиогенного гелия в самородных металлах подтверждается первыми результатами применения нового 190Pt-4He метода изотопной геохронологии (Шуколюков и др., 2011; 2012б), в основе которого лежит альфа-радиоактивность одного из при-
родных изотопов платины — 190Р1. По аналогии с ней как потенциальные минералы-геохронометры можно рассматривать и другие самородные металлы, например золото, серебро и медь. Однако существует принципиальное различие между этими металлами и самородными минералами платины. Оно обусловлено тем, что основным источником радиогенного гелия в платине является альфа-распад 190Р1, в то время как для остальных самородных металлов наиболее вероятным источником радиогенного гелия является альфа-распад урана, тория и членов их радиоактивных семейств.
В среднем содержание урана и тория в самородном золоте составляет около 10—100 нг/г. В некоторых случаях, например, в самородном золоте из месторождения Витватерсранд, содержание урана может достигать огромных величин, порядка 400 мкг/г (Би§81ег е! а1., 1995). Не смотря на относительно невысокие средние содержания урана и тория в самородном золоте, их количества вполне достаточно для генерации за первые миллионы лет радиогенного гелия, которые можно надежно измерить (Шуколюков и др., 2012а).
Все сказанное свидетельствует о том, что существует возможность использования И-ТЬ-Не метода для определения возраста самородного золота (Би§81ег е! а1., 1992; №еёегшапп е! а1., 1993; Шуколюков и др., 2010; СаЬга1 е! а1., 2013). Однако на практике реализация этого метода сталкивается с целым рядом проблем как смыслового, так и методического плана. Основными из них являются проблемы формы нахождения урана и тория и характера миграции радиогенного гелия в самородном золоте. Обсуждению этих проблем и посвящена настоящая статья. Кроме того, в ней приведены первые результаты использования И-ТЬ-Не метода для определения возраста золоторудных месторождений.
ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ УРАНА И ТОРИЯ В САМОРОДНОМ ЗОЛОТЕ
Следует ожидать, что в отличие от самородной платины главным источником радиогенного гелия в других самородных металлах, и в том числе в самородном золоте, является примесь различных радиоактивных элементов, главным образом урана и тория. Ранее было показано, что значительные вариации концентраций радиогенного гелия в самородном золоте наблюдаются как в пределах одного месторождения, так и в одном образце, что, скорее всего, свидетельствует о крайне неоднородном распределении в нем материнских изотопов — урана и тория (Шуколюков и др., 2012а).
Для того чтобы проверить это предположение было проведено изучение характера распределения урана в самородном золоте из месторождений Чудное и Нестеровское (Полярный Урал) методом осколочной радиографии. Образец самородного золота в виде зерна размером около 1 мм
Рис. 1. Треки от нейтронно-индуцированного распада урана в синтетическом фторфлогопите после облучения вместе с самородным золотом интегральным потоком нейтронов ~1014 н/см2.
помещали между кварцевой пластинкой и детектором (синтетический фторфлогопит). Эту сборку облучали нейтронами в охлаждаемом канале ядерного реактора (ИЯФ РАН, пос. Гатчина). В качестве монитора для определения интегрального потока нейтронов был использован стандартный образец базальта ВСЯ-1, который облучали одновременно с золотом. Флюенс нейтронов составил ~1014 н/см2. В дальнейшем характер распределения урана в золоте определялся по трекам от нейтроно-индуцированного деления 235И в синтетическом фторфлогопите.
Полученные результаты показывают, что, действительно, распределение урана в самородном золоте крайне неоднородно (рис. 1). Как видно на рис. 1а, в изученных образцах самородного золота
Рис. 2. Микрофотография включений фосфатов редкоземельных элементов (монацит) в самородном золоте из месторождения Педролампи (Центральная Карелия).
наблюдаются обогащенные ураном участки. Кроме того, в них присутствуют субмикронные включения урансодержащих минералов, о чем свидетельствует появление на фторфлогопитовом детекторе многолучевых звезд (рис. 1б).
Исследование формы нахождения урана и тория в самородном золоте проводилось также на сканирующем электронном микроскопе Zeiss Merlin с приставкой для рентгеновского микроанализа Oxford Instruments INCA-act (МРЦ "На-нотехнологии", СПбГУ). В данном случае образцы самородного золота не полировали, а изучали непосредственно их поверхность. Для получения информации о внутреннем строении образцов золота, ввиду его высокой пластичности, тонкий срез получали сфокусированными ионами галия (метод FIB).
Микроанализ образцов самородного золота из месторождения Педролампи (Центральная Карелия) показал, что преобладающей формой нахождения урана в данном случае являются субмикронные включения фосфатов редкоземельных элементов (рис. 2). В самородном золоте из месторождения Витватерсранд включения урансо-держащих минералов представлены браннеритом.
Включения урансодержащих минералов в самородном золоте имеют небольшие размеры. Поэтому накоплением гелия непосредственно в этих включениях можно пренебречь. При а-распаде атома урана ядро атома гелия "пролетает" расстояние порядка первых микрон. Длина пробега аль-
фа частицы определяется уравнением Брегга— Климана:
(1)
где р — плотность вещества, pa — плотность атмосферы, R — длина пробега альфа частицы такой же энергии в атмосфере, A и Aa — массовые числа. Для таких минералов как циркон, апатит и монацит она достигает 20 мкм (Farley, Stockli, 2002). В более плотном веществе, таком как золото, пробег альфа-частицы составляет около 5—8 мкм. Другими словами, весь гелий, образовавшийся в субмикронных включениях урансодержащих минералов, естественным образом имплантируется в структуру самородного золота. При этом вследствие того, что треки в металлах не образуются (Fleischer et al., 1975), атомы гелия оказываются "запечатанными" в его структуре. Следовательно, можно ожидать, что характер миграции радиогенного гелия в самородном золоте будет определяться общими закономерностями его миграции в металлах.
Следует отметить, что в самородном золоте часть урана и тория, а также благородных газов может находиться в газово-жидких включениях — вакуолях (Eugster et al., 1995;
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.