ПЕТРОЛОГИЯ, 2012, том 20, № 6, с. 545-559
УДК 553.411.071
НОВЫЙ ИЗОТОПНЫЙ ГЕОХРОНОМЕТР ДЛЯ ПРЯМОГО ДАТИРОВАНИЯ САМОРОДНЫХ МИНЕРАЛОВ ПЛАТИНЫ
(190Pt-4He МЕТОД)
© 2012 г. Ю. А. Шуколюков*, **, О. В. Якубович*, **, А. Г. Мочалов*, А. Б. Котов*, Е. Б. Сальникова*, С. З. Яковлева*, С. И. Корнеев**, Б. М. Гороховский*
*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, 199042, Россия Поступила в редакцию 30.03.2012 г.
Предложен новый метод изотопной геохронологии для датирования самородных минералов платины, основанный на а-радиоактивности природного изотопа платины 190Pt. Рассмотрение механизма термодесорбции гелия в кристаллической решетке самородных металлов, в том числе и платины, позволяет прогнозировать очень высокую термическую устойчивость (сохранность) радиогенного 4Не в самородных минералах платины, вплоть до температуры их плавления. Для подтверждения эффективности предложенного 190Pt-4He метода проведено прямое изотопное датирование изо-ферроплатины Гальмоэнанского дунит-клинопироксенитого и Кондерского щелочно-ультраос-новного массивов. Результаты определения возраста для коренной рудной платины Гальмоэнанско-го массива (70 ± 5 млн. лет), полученные данным методом, сопоставимы с геологическими наблюдениями и средними значениями Sm-Nd и Rb-Sr изотопных датировок. Установленная для массива Кондер 190Pt-4He датировка (112 ± 7 млн. лет) россыпной изоферроплатины также хорошо согласуется с геологическими данными и близка к значениям возраста косвитов (флогопит-магнетитовым пироксенитам, габбро, нефелиновых сиенитов и метасоматитов по дунитам), оцененным K-Ar и Rb-Sr методами. Экспериментальные данные подтвердили, что 190Pt-4He метод изотопной геохронологии может быть успешно применен для датирования самородных минералов платины.
ВВЕДЕНИЕ
Ежегодно в мире добывается около 200 тонн платины (Группа аналитиков по изучению рынков металлов, 2011). Крупнейшими продуцентами этого вида сырья является ЮАР (около 74% мировой добычи), Россия (14%), Зимбабве (5%), Колумбия (4%), Канада (3%), США (2%). В 2010 году объем мировой торговли платины составил около 20.6 млрд. долларов. Тем не менее спрос на платину все возрастает: в 2011 году баланс рынка продолжал оставаться дефицитным, и спрос увеличился еще на ~60 тонн (Группа аналитиков по изучению рынков металлов, 2011). Таким образом, очевидна потребность в высоколиквидном стратегическом платиновом сырье и, следовательно, в интенсификации изучения существующих и поиска новых месторождений платины. Важную роль при этом играет возможность прямого определения изотопного возраста таких объектов, позволяющего выявить условия рудоге-неза и источники рудного материала. Актуальность данного исследования определяется как фундаментальной значимостью привлечения новой изотопной системы в геохронологию, так и
этим прагматическим обстоятельством. В нашей первой публикации (Шуколюков и др., 2011) мы кратко изложили принцип предложенного нами метода прямого определения возраста самородной платины и привели первые экспериментальные данные по датированию платины. Цель настоящей статьи — более подробно осветить ядерно-физические и геохимические основы нового 190Pt-4He метода геохронологических исследований и продемонстрировать возможности его использования на примере двух платиноносных массивов Гальмоэнан и Кондер.
ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 190Pt-4He МЕТОДА
Природная платина состоит из 6 изотопов (табл. 1) (Berglund, Wieser, 2011). Среди них два радиоактивных: 190Pt и 192Pt, открытых Г. Хофф-маном (Hoffmann, 1921). Первый из них путем а-распада превращается в изотопы 4Не и 186Os (табл. 2). Скорость этого процесса определялась, как показано в обзорных публикациях (Begemann
Таблица 1. Изотопный состав природной платины, %
Изотоп 190Pt 192Pt 194Pt 195Pt 196Pt 198Pt Литературный источник
Относительная распространенность, ат. % 0.01172 0.01240 0.01296 0.7819 32.861 33.776 25.210 7.356 (Berglund,Wieser, 2011) (Kamo et al., 1996; Morgan et al., 2002) M.F. Horan, неопубликованный результат, приводится по (Walker et al., 1997)
et al., 2001; Tavares et al., 2006), двумя принципиально различными методами.
Ядерно-физические методы. Были сделаны прямые определения скорости эмиссии а-частиц из 190Pt с помощью различных экспериментальных приемов — измерений в ионизационных камерах или подсчета треков а-частиц в ядерных эмульсиях (Hoffmann, 1921; Porschen, Riezler, 1954; Петржак, Якунин, 1961; MacFarlane, Kohm-an,1961; Graeffe, Nurmia, 1961; Graeffe, 1963; AlBataina, Janecke, 1987; Tavares, Terranova, 1997). Полученные средние величины периода полураспада 190Pt и, соответственно, константы скорости распада оказались следующими: Т1/2 = (3.9 ± 0.2) х х 1011 лет и (1.78 ± 0.09) х 10-12 год-1.
Для определения скорости распада 190Pt использовалась также физическая полуэмпирическая расчетная модель проникновения а-частиц сквозь энергетический барьер атомного ядра c применением разного числа параметров модели (Taagepera, Nurmia,1961; Hornshoj et al., 1974; Poe-naru et al., 1986; Blendowsce et al., 1991; Brown, 1992; Buck et al., 1993; Tavares et al., 1998; 2006; Garcia
Таблица 2. Радиоактивные изотопы природной платины (Al-Bataina, Janecke, 1987; Begemann et al., 2001; Coggon, 2010; MacFarlane, Kohman, 1961; Porschen, Riezler, 1954; Tavares, Terranova, 1997; Tavares et al., 2006)
Изотоп
Относительная распространенность, % ат.
Период полураспада
190
Pt
0.01172
T1/2 = 4.69 х 1011 лет
4He 186Os
T1/2 « 2 х 1015 лет t \
4He \ 182W стабильный
192Pt
0.7819
T1/2 «1 х 1015 лет
*He
4-
188Os стабильный
etal., 2000; Dimarko et al., 2000). В этом случае средневзвешенное значение периода полураспада 190Pt составляет (3.5 ± 0.3) х 1011 лет, а константа скорости распада — (1.98 ± 0.016) х 10-12 год-1.
Геохимический метод. Принцип этого метода состоит в расчете константы скорости распада 190Pt по параметрам изохроны в системе координат 186Os/188Os—190Pt/188Os для объектов с известным a priori возрастом. Для построения таких изохрон использовали как земные породы (Walker et al., 1997; Walker et al., 1991; Begemann et al., 2001; Morgan et al., 2002), так и железо-никелевые метеориты IIAB и IIIAB (Cook et al., 2004). Средневзвешенное значение периода полураспада, найденное в работах с использованием геохимического метода, равно (4.78 ± 0.05) х 1011. Соответствующая константа скорости распада — (1.45 ± 0.02) х 10—12 год-1.
Наиболее обоснованное определение периода полураспада 190Pt было сделано (Walker et al., 1997) по параметрам изохроны, полученной для нескольких образцов платиносодержащей породы одной из интрузий Норильского района с U-Pb возрастом в 251.2 ± 0.3 млн. лет (Kamo et al., 1996; Morgan et al., 2002): в предположении распространенности изотопа 190Pt = 0.0124% его период полураспада равен T = 4.49 х 1011 лет и константа скорости распада — ^190 = 1.542 х 10-12 год-1. Если при этом использовать наиболее надежный результат изотопного анализа платины — 190Pt = 0.01296% (M.F. Horan, неопубликованный результат, приводится по (Walker et al., 1997)), то ^190 = 1.477 х 10-12 год-1, соответствующее T1/2 = = 4.69 х 1011 лет. Данные геохимического определения представляются нам лучше обоснованными, и в дальнейшем будем использовать именно эти два последние значения. Соответственно, в качестве изотопной распространенности 190Pt мы применяли ту же величину, что и при расчете ^190 и T1/2 (Kamo et al., 1996; Morgan et al., 2002), то есть 190Pt= 0.01296% (M.F. Horan, неопубликованный результат, приводится по (Walker et al., 1997)).
У второго природного изотопа платины — 192Pt, также способного к а-распаду (табл. 1), период полураспада в 37000 раз больше, чем у 190Pt (Tavar-
е8 й а1., 2006). Относительная же распространенность только в 58 раз больше, чем 190Р1. Поэтому можно пренебречь накоплением 4Не в самородной платине за счет радиоактивного распада 192Р1. По такой же причине можно не учитывать а-рас-пад радиогенного 18608 в генерации радиогенного 4Не в платине.
Расчеты показывают, что в самородной платине накапливается достаточное для надежных измерений количество радиогенного 4Не (рис. 1). Чувствительность специализированного гелиевого масс-спектрометра, использованного в настоящей работе, составляла 5 х 10-13 см3 4Не/импульс.
В соответствии с законом радиоактивного распада концентрация радиогенного 4Не связана с концентрацией радиоактивного 190Р1 таким образом:
Нер1 =
190Р1( в ^ - 1).
Отсюда следует:
(4
г =
X
■1п
190
Не
Р1
V 190Р1
+1
(1)
(2)
4Не, см3/г 10-3
10-4 10-5 10-6 10-7
10-
10-
10—10 ......... ......... ......... ......... ■ ■■■
105 106 107 108 109 Рассчитанный возраст самородной Р1, годы
Рис. 1. Рассчитанное количество радиогенного 4Не, образованного в самородной Р1 за указанное время.
Поскольку из-за малой величины
справедливо приближенное равенство
Лтт 4
Нер{
190т V Р1У
(4
1п
Не
■Р1
190
+1
Р1
4
НеР1
190
Р1У
г =
1 4Не
Р1
X 190-р. Х190 Р1
(3)
(4)
Таким образом, процедура изотопного датирования по 190Р1-4Не изотопной системе чрезвычайно проста. Она сводится к определению концентрации радиогенного 4Не в датируемом образце самородной платины. Конечно, необходимо оценивать и пробность платины, но с помощью современной техники это возможно.
Несколько усложнить применение Р^Не метода изотопной геохронологии могло бы присутствие урана и тория в платине, поскольку они также генерируют 4Не. Однако теоретический расчет показывает, что при возрасте образца 2.5 млрд. лет или меньше, при концентрации урана более (6—7) х 10-6 см3/г Р1 следует принимать во внимание генерацию ураногенного 4Не в добавление к концентрации платиногенного 4Не (рис. 2). Только при такой или более высокой концентрации урана вклад ураногенного гелия составляет несколько процентов от общего количества гелия в платине.
Если концентрация урана в самородной платине при возрасте 2.5 млрд
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.