МЕСТА НАХОЖДЕНИЯ И ПРОИСХОЖДЕНИЕ БЛАГОРОДНЫХ ГАЗОВ В МИНЕРАЛАХ (НА ПРИМЕРЕ ИЛЬМЕНИТА ИЗ ЩЕЛОЧНЫХ ГРАНИТОВ КОЛЬСКОГО ПОЛУОСТРОВА)
© 2014 г. И. Н. Толстихин*, **, В. И. Скиба*, А. Ю. Севостьянов*, И. Л. Каменский*, В. Р. Ветрин*
*Геологический институт КНЦ РАН 184209 Апатиты, ул. Ферсмана, 14 e-mail: igor.tolstikhin@gmail.com **Институт космических исследований РАН 117997 Москва, Профсоюзная ул., 84/32 Поступила в редакцию 22.03.2013 г.
Принята к печати 16.07.2013 г.
Термический анализ выделения гелия из ильменита щелочных гранитов (Понойский массив, Кольский полуостров) и экстракция газов посредством дробления, плавления и ступенчатого нагрева образца в вакууме выявили несколько разных мест нахождения (мн) благородных газов в одном минерале. В диапазоне температур 400—600°C выделяются радиогенные 40Ar* и Не, при этом, несмотря на близкие температуры экстракции, газы занимают разные мн: захваченный избыточный 40Ar* находится в относительно крупных включениях (>10 мк) и почти полностью выделяется при дроблении (более 80%, первое мн), в то время как Не находится в "залеченных" а-треках и выделяется при нагреве образца (второе мн). В третьем мн находится почти исключительно радиогенный Не, выделяющийся при температуре около 1100°C; в этой температурной фракции отношение 4Не/40Аг* = 830, в то время как для образца в целом оно близко к 10. Из четвертого мн выделился гелий с наиболее высоким отношением 3He/4He = 1.1 х 10-6, свидетельствующим о вкладе мантийного гелия. Наблюдаемое распределение изотопов гелия и аргона в ильмените согласуется с геологическими данными об эволюции пород Понойского массива. Кварц-полевошпатовая жила, из которых был отобран ильменит, образовались в результате кристаллизации остаточных щелочно-гранитных расплавов; расплавы содержали мантийный Не, попадающий в конечном итоге в первичные включения (четвертое мн). После формирования породы массива накапливали радиогенный 40Ar*, но теряли более подвижный радиогенный Не. Во время палео-протерозойского метаморфизма Понойского массива радиогенный 40Ar* выделился из К-содержащих минералов гранитов и был импрегнирован в "без-калиевый" ильменит (первое мн). В дальнейшем захваченный 40Ar* сохранялся во включениях в минерале, а возникавший in situ при радиоактивном распаде U и Th гелий преимущественно мигрировал из него. В настоящее время ильменит характеризуется значительным избытком 40Ar* и, одновременно, дефицитом 4He (второе и третье мн). Ни K—Ar, ни U—Th—He изотопные системы минерала не могут быть использованы для датирования.
Ключевые слова: изотоп, гелий, аргон, ильменит, термический анализ, дефекты, включения.
DOI: 10.7868/S0016752514120115
ВВЕДЕНИЕ
Датирование минералов U—Th—He методом обычно предполагает радиогенное "in situ" происхождение Не и его сохранность после завершения магматического (метаморфического) процесса и остывания породы до температуры, при которой прекращается миграция гелия. Однако физика процесса а-распада такова, что атомы гелия могут покидать минерал при любых температурах (исключая температуры, близкие к 0 К). Возникающие при распаде родительского радиоактивно-
го изотопа (и и ТЬ семейств) а-частицы имеют большую кинетическую энергию, в среднем около 5 МэУ, которая расходуется на разрушение кристаллической решетки минерала и возникновение радиационных а-треков, длины которых обычно варьируют от 10 до 40 микрон, в зависимости от энергии излучения и плотности минерала. Некоторые треки достигают поверхности минерального зерна; время жизни атома гелия в таком треке при комнатной температуре (293 К) весьма мало, около 1 года [1]. Таким образом, ато-
мы радиогенного гелия мигрируют из открытых треков, и для корректного U—Th—He датирования требуется оценка отношения числа потерянных атомов к общему числу возникших в минерале. В работах [2, 3] предложено вводить поправку в значения U—Th—He возраста, исходя из размеров зерен датируемого минерала. Однако пионерские работы Э.К. Герлинга и его коллег [4—6] показали, что зерна природных минералов обычно имеют внутренние нарушения кристаллической структуры, в том числе и радиационные, и зависимость параметров миграции от размеров зерен наблюдается только для редких "высококачественных" образцов. Поэтому при использовании U— Th—He метода необходим анализ подвижности гелия в каждом датируемом минерале.
Большинство работ, посвященных U—Th—He датированию, не содержат корректного анализа подвижности гелия [7—9], и к полученным в них значениям возраста следует относиться с осторожностью.
Следует отметить, что даже тщательные исследования миграции [10] не могут гарантировать правильность оценки доли радиогенного гелия, покинувшего датируемый минерал после "закрытия" U—Th—He системы. Такие параметры, как энергия активации миграции и частотный фактор определяются для атомов гелия, сохранившихся в минерале, однако миграция атомов гелия, покинувших минерал, вполне могла характеризоваться другими значениями этих параметров.
Кроме радиогенных, возникших "in situ", природные минералы обычно содержат захваченные благородные газы, позволяющие изучить: (1) процессы, ответственные за их проникновение в минерал [11—13]; (2) происхождение захваченной минералом флюидной компоненты [14, 15]; (3) некоторые свойства минерала, такие как проницаемость, растворимость, доступные для газа внутренние объемы, энергия активации миграции атомов благородных газов [16—18].
Для развития изотопно-геохимических исследований и оценок соотношения захваченных и возникших "in situ"радиогенных изотопов, также необходимо иметь представление о подвижности атомов благородных газов и местах их нахождения в минералах (газово-жидкие включения разного происхождения, расплавные включения, дефекты кристаллической структуры, возникшие в ходе формирования минерала или его метаморфизма, структурные каналы или дефекты структуры, возникшие в результате радиоактивного распада, и т.д., здесь и далее используется сокращение мн).
Основные задачи наших исследований — развить методические аспекты идентификации мн и определения подвижности газов в минералах, с последующим использованием полученных результатов для анализа источника газов, процессов
их захвата, сохранности, характеристики минера-лообразующей или минерал — включающей среды. В этой работе для идентификации мн использовано предположение о разной энергии активации миграции газов из различных мн, проявляющееся в температурной зависимости выделения газов в процессе нагрева минерала. Соответственно, в качестве основного метода использован термический анализ, позволяющий изучать свойства вещества и происходящие в нем процессы при нагревании или охлаждении по заданной программе. Как показано в настоящей работе результаты термического анализа должны дополняться данными, полученными при (1) дроблении, (2) экстракции газов при плавлении и ступенчатом нагреве зерен и "пудры". В качестве "рабочего" газа используется наиболее подвижный из инертных газов — гелий. В качестве исследуемого минерала выбран ильменит из щелочных гранитов Кольского полуострова. В этом минерале были обнаружены различные мн 4Не, 3Не и 40Аг*. Изотопные анализы Не и Аг в газах, выделенных из каждого мн, а также анализы родительских элементов и данные о возрасте магматического и метаморфического процессов позволяют обсудить вопрос о происхождении и эволюции газов в контексте геологической истории щелочных гранитов.
Геология щелочных гранитов. Понойский массив щелочных гранитов (площадью около 700 км2) расположен на границе Кейвской и Имандра-Варзуг-ской структурных зон. Массив образован средне-зернистыми эгирин-арфведсонитовыми гранитами и разделен на несколько обособленных участков полосами вмещающих массив гнейсов и амфиболитов. Внутренняя структура массива автономна по отношению к породам рамы, и его расположение контролировалось зоной разломов северо-западного простирания. В гранитах хорошо проявлена линейная и плоскостная ориентировка темноцветных минералов — лепидомелана, эгирина и арфведсонита.
Акцессорные минералы — титанит, алланит, бурый циркон, монацит, апатит, флюорит, магнетит, ильменит, бритолит, астрофиллит, приурочены, главным образом, к скоплениям темноцветных минералов, тогда как мелкие (1—3 мм), прозрачные, хорошо ограненные кристаллы циркона включены в зерна плагиоклаза. Оптическое изучение этих кристаллов показало, что они состоят из ядра, имеющего зональное строение и занимающего 80—90% объема зерна, и оболочки толщиной до 0.1 мм. Границы ядра и оболочки резкие; иногда ядро разбито трещинами на несколько фрагментов, сцементированных веществом оболочки. Датирование внутренних частей кристаллов определило их возраст как 2666 ± 10 млн лет, который, принимая во внимание зональное стро-
ение ядер, рассматривается как время кристаллизации гранитов массива [19].
Среди жильных тел, пространственно связанных с щелочными гранитами, выделяются внутри-гранитные пегматиты, силекситы эндо- и экзокон-тактов и экзоконтактовые пегматиты, образовавшиеся, по мнению большинства исследователей [20, 21], в результате кристаллизации из остаточных щелочногранитных расплавов, обогащенных редкими элементами и летучими компонентами. Для внутригранитного пегматита массива Белые тундры возраст определен в 2671 ± 11 млн лет — близкий к в возрасту щелочных гранитов. Такой же возраст можно предполагать и для кварц-полевошпатовой жилы с рибекитом и ильменитом, залегающей в щелочных гранитах Понойского массива. Из такой жилы мощностью 20—30 см и были отобраны образцы для настоящего исследования. Кристаллизация минералов жилы близка к котек-тической, при более поздней кристаллизации части кварца. Кристаллы амфибола включены в полевые шпаты и кварц, а кристаллы ильменита в полевые шпаты.
В палеопротерозое (1.75—1.8 млрд лет) щелочные граниты и связанные с ними жильные образования испытали процессы рассланцевания и метаморфизма, связанные с завершающими эпизодами свекофеннского тектоно — магматического цикла, определившими образование новых минеральных парагенезисов (циркон, титанит, монацит и др.) и установку на ноль
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.