Обзор современных методов изотопной геохронологии
(составная часть Геохронологического Атласа)
Авторы:
С.А. Сергеев, К.И. Лохов, Д.С. Сергеев
Санкт-Петербург
2015
Оглавление
|
стр.
|
Введение
|
3
|
1 Методы датирования горных пород различного генезиса
|
6
|
1.1 Магматические горные породы
|
6
|
1.2 Метаморфические горные породы
|
7
|
1.3 Метасоматические и гидротермально-измененные породы
|
8
|
1.4 Осадочные горные породы.
|
8
|
2 Технология изотопных анализов для геохронологических исследований
|
9
|
2.1 Приборная база
|
10
|
2.2 Инфраструктура
|
11
|
2.3 Инструментальные процедуры геохронологического датирования
|
12
|
3 Краткие теоретические основы и интерпретация данных геохронологических методов
|
16
|
3.1 Rb-Sr метод
|
18
|
3.2 Sm-Nd метод
|
20
|
3.3 U-(Th)-Pb метод
|
23
|
3.3.1 U-Pb локальное датирование
|
24
|
3.4 Re-Os метод
|
26
|
3.5 Lu-Hf метод
|
27
|
3.6 K-Ar метод
|
27
|
3.7. Трековое датирование
|
29
|
Список использованных источников
|
30
|
Введение
Повышение результативности геолого-съемочных, прогнозно-минерагенических и поисковых работ в значительной мере зависит от их лабораторно-аналитической обеспеченности, что подразумевает углубленное изучение вещества и процессов его дифференциации, включая важные в практическом отношении рудные процессы. При данных исследованиях особая роль принадлежит изотопным методам, поскольку только они позволяют достоверно установить возраст и генезис горных пород.
До недавнего времени для геологических комплексов на территории России существовало ограниченное число изотопных данных, надежность которых была невысока вследствие того, что они были получены с помощью морально устаревшей и несовершенной аппаратуры, созданной еще в 50-60 гг. прошлого века. Введение в эксплуатацию современной изотопно-аналитической аппаратуры в организациях Роснедра и РАН позволило в кратчайшие сроки получить огромный объем новых изотопно-аналитических данных. Решающая роль в этом принадлежит Центру изотопных исследований (ЦИИ) ФГУП «ВСЕГЕИ», который укомплектован приборным парком, способным выполнять практически любые виды изотопных исследований.
В настоящее время наблюдается серьезное отставание отечественной науки и практики в разработке и внедрении новейших аналитических методов исследования природного вещества и использовании таких технологий в сфере деятельности Роснедра и МПРЭ России. Разнообразные изотопно-геохимические и геохронологические данные присутствуют во всех серьезных зарубежных публикациях и, по имеющимся данным, широко используются в геологоразведочных работах государственных служб и частных компаний. Отмечаются отчетливые тенденции роста количества таких данных, сферы их применения и спектра используемых методов. Как показывает анализ публикаций и материалов конференций, в ведущих зарубежных лабораториях соответствующего профиля применяются разнообразные, в том числе, весьма тонкие методики, реализующие практически все современные теоретические научные разработки в этой области. В то же время в России большая часть отраслевых научных лабораторий существенно сократила такие работы, что связано в первую очередь с недостатком современного дорогостоящего аналитического оборудования, а также государственных отраслевых стандартов в этой области.
Сейчас в Российской федерации нет ни одной лаборатории, аккредитованной в области изотопных методов исследования в геологии, кроме ЦИИ ФГУП «ВСЕГЕИ». Это обусловлено рядом причин:
- в РФ не производятся эталонные образцы с аттестованными значениями изотопного состава. Это приводит к отсутствию единства измерений в области изотопно-геохимических и геохронологических исследований и снижению достоверности получаемых результатов;
- количество аналитических приборов, необходимых для выполнения прецизионных и качественных измерений изотопного состава различных элементов чрезвычайно мало;
- практически отсутствуют аттестованные в органах Госстандарта РФ методики выполнения измерений изотопного состава элементов в природных и искусственных объектах.
В этой связи важность использования возможностей ЦИИ ФГУП «ВСЕГЕИ» для создания, постановки, адаптации, развития, апробации, аттестации и практического применения инновационных методик изотопного исследования геологических объектов трудно переоценить. Поскольку ни один из известных изотопных геохимических и геохронологических методов не является универсальным и самодостаточным при решении различных геологических задач, успешность применения таких методов определяется комплексностью подхода. Технически и организационно обеспечить необходимые эффективность и оперативность изотопных и сопутствующих им исследований с помощью широкого комплекса методов, включая самые тонкие, возможно только в рамках единого центра. Совершенствование такого подхода, внедрение новых разработок, позволит существенно улучшить качество нового поколения геологических карт в плане уточнения серийных легенд и обоснования этапов и генезиса рудообразования, повысит надежность металлогенических построений и прогнозных оценок.
В течение последних лет были выявлены и специфические проблемы, главная из которых – трудность или невозможность, в ряде случаев, однозначной интерпретации изотопной информации. Это обстоятельство не связано со сбоями в работе приборов или ошибками персонала, а являются следствием либо ограниченного числа применяемых методов непосредственного датирования рудного вещества и полигенных-полиметаморфических пород, либо отсутствием полноценных методических рекомендаций для геологов-практиков, позволяющих корректно поставить изотопные исследования – выбрать конкретные методы, правильно изучить и опробовать породы для изотопных работ, интерпретировать полученные результаты. Перечисленные проблемы и недостатки не позволяют в полной мере внедрить в геологическую практику передовые возможности изотопных исследований, и в ряде случаев полученная аналитика не воспринимается как важнейший срез геологической информации. В этой связи в настоящее время назрела насущная потребность в постановке специальной НИР, осуществление которой позволит повысить эффективность геологосъемочных, геологоразведочных, металлогенических и минерагенических работ.
В целом, получение данных об изотопном составе различных химических элементов связано с использованием масс-спектрометрического оборудования. Масс-спектрометр сегодня – это сложная высоковакуумная установка, снабженная электронными системами управления, измерения и контроля. Это определяет высокую стоимость оборудования, и как следствие, его использование для решения только важнейших, ключевых геологических задач. Тем не менее, такое оборудование широко используется геологическими службами ведущих стран, поскольку существенно повышает эффективность и результативность поисковых и геологоразведочных работ.
Использование новых технологий и повышение качества масс-спектрометрической аппаратуры привело, с одной стороны, к принципиальному увеличению точности геохронологических определений (например, точность уран-свинцовых определений сейчас может составлять 0,1%), а с другой стороны, к технологической возможности исследования новых изотопных систем – лютеций-гафниевой, рений-осмиевой, теллур-ксеноновой и других, ранее в геохронологии не использовавшихся.
Наконец, начавшиеся в последние годы изотопно-геохимические работы по изучению платины, вольфрама, железа, никеля, меди, цинка и других элементов, наряду с традиционными исследованиями изотопов неодима, стронция, свинца, открывают новые возможности в изучении генезиса горных пород и месторождений различных видов полезных ископаемых и их источников. Исключительно информативными являются локальные методы изотопных исследований, с лазерным или ионным пробоотбором из пятна диаметром до 5 микрон.
Методы геохронологического датирования являются современной основой для определения возраста картографируемых структурно-вещественных комплексов как на территории Российской Федерации, так и в мире.
Основной задачей изотопной геохронологии является определение места геологических процессов, применительно к шкале абсолютного времени. При этом изотопными методами могут быть датированы только те процессы, в течение которых породы и минералы образуются или существенно преобразуются. Важным дополнением геохронологии являются методы изотопной геохимии, призванные дать характеристику параметрам геологических событий и определить источник вещества.
Методы изотопной геохронологии основаны на явлении естественного распада нестабильных («материнских» или радиоактивных) изотопов, в результате чего происходит накопление продуктов их распада («дочерних» или радиогенных) в объеме породы или отдельных минеральных зерен, и позволяют датировать породы и руды в широком возрастном диапазоне - от n1 до 4000 млн лет. Различные методы возрастного датирования применяются в зависимости от состава и природы изучаемых пород и минералов.
Правильность рассчитанных возрастов в любом из изотопных методов определяется выполнением определенных условий, главные из которых - замкнутость изотопно-геохронометрических систем в ходе жизни «геохронометра» и гомогенность изотопного состава элемента, содержащего радиогенный изотоп, на момент образования исследуемой породы. Поэтому, основная задача заключается в поиске доказательств того, что эти условия были реализованы в природе и правильно учтены в ходе исследования. Именно этим определяются возможности и ограничения изотопных методов, объекты исследования и необходимые требования к материалу. Общим требованием при проведении изотопно-геохронологических исследований является максимально возможная неизмененность проб.
1 Методы датирования горных пород различного генезиса
1.1 Магматические горные породы
Для датирования кислых и средних по составу интрузивных и вулканических пород основным методом является U-Pb метод с использованием цирконов. Преимущества локальных методик (ионный микрозонд, лазерная абляция), предоставляющих возможность датирования отденых зон единичных зерен, делает эти методики предпочтительными при датировании кислых магматических пород, в составе которых циркон является характерных акцессорным минералом. Весьма существенным моментом отбора представительных для датировки магматического (интрузивного) события цирконов является детальное исследование всех присутствующих в породе популяций, среди которых могут быть как реликтовые цирконы протолита, так и цирконы ксеногенные, захваченные магмой из толщ вмещающей рамы.
Для датирования вулканитов, экструзивных, дайковых магматических тел любого состава наиболее подходящими являются изохронные Rb-Sr и Sm-Nd методы. Возможно датирование таких объектов и локальным U-Pb методом по цирконам. Однако следует учитывать два обстоятельства:
а) в маломощных интрузивных телах и вулканитах цирконы, как правило, очень мелкие, сопоставимы с размером «аналитического пятна» при лазерной или ионной абляции – (15-20 мкм);
б) в каждом конкретном случае необходимо доказывать минералогическими и изотопно–геохимическими методами аутигенную природу датируемого циркона.
Для датирования магматических пород основного состава применимы следующие методы:
- Изохронные Sm-Nd, Re-Os и Rb-Sr;
- Os/Os модельный возраст по акцессорным минералам осмия (осмириды);
- Модельный возраст по Nd.
- В ряде случаев оказывается возможным успешное применение U–Pb метода, при использовании таких специфических минералов, как бадделеит и перовскит.
Для анализа одной пробы породы необходимо выделение трех-пяти мономинеральных фракций породообразующих и акцессорных минералов по 200-300 мг каждая. Указанный размер навески для акцессорных минералов необходим для выделения из нее отдельных единичных зерен. Из числа породообразующих и второстепенных используются: плагиоклаз, пироксен, оливин, шпинель, ильменит, апатит и другие, сформированные в процессе магматической кристаллизации, а также валовые пробы пород.
1.2 Метаморфические горные породы
Для датирования кислых и основных метаморфических пород наиболее эффективен локальный U-Pb метод датирования по цирконам. При этом следует учитывать, что возраст ядер цирконов будет отвечать возрасту субстрата (и для парапород будет наблюдаться спектр возрастов), а метаморфическому событию могут отвечать зоны оболочек, обрастающих ядра. Каймы обрастания формируются только на высокой ступени метаморфизма, не ниже эпидот-амфиболитовой фации в присутствии флюидной фазы или при частичном плавлении.
Если петрографические данные указывают на наличие в породе разных генераций акцессорных минералов (сфена, монацита и др.), то допустимо их использование для датирования возрастов образования субстрата и его метаморфического преобразования. Однако, генезис этих минералов должен быть доказан независимыми методами – петрографическими и петрохимическими, например, на основе приуроченности разных генераций минералов к разным структурным элементам (зонам интенсивной переработки, жилам лейкосом мигматитов или, наоборот – малоизмененному субстрату, палеосомам).
1.3 Метасоматические и гидротермально–измененные породы
Для датирования метасоматических процессов, обычно высокотемпературных, может быть использовано локальное U-Pb датирование зон обрастания ядер цирконов, а также Pb-Pb датирование любых урансодержащих минералов (сфен, уранинит, титанаты т.п.). Для низкотемпературных метасоматитов возможно Rb-Sr датирование слюд, адуляров. Если при таких событиях образуются Pb-содержащие сульфиды, возможно определение модельного возраста по изотопам свинца, однако следует учитывать, что в большинстве случаев такие модельные возрасты соответствуют возрасту формирования источника свинца (обычно более древних, обогащенных U пород).
1.4 Осадочные горные породы
Наибольшие трудности возникают при датировании осадочных горных пород.
Только в небольшом количестве случаев возможно их непосредственное датирование по сингенетическим слюдам глин, аргиллитов и цемента песчаников. В большинстве случаев осадочные породы можно датировать косвенными методами: по прорывающим их телам магматических пород, горизонтам вулканитов, вулканических туфов или бентонитов и по несогласно перекрытым магматическим породам, фрагменты которых встречены в осадочной толще. Для расчленения и корреляции осадочных пород в ряде случаев может быть полезен комплекс изотопно-хемостратиграфических исследований, включающих определение изотопных составов углерода и кислорода, а также изотопного состава стронция и неодима в карбонатах.
Для решения ряда задач может быть использована экспресс-методика датирования терригенных цирконов по величине отношения радиогенных 207Pb/206Pb. При этом для исследуемого объекта получается спектр возрастов источников цирконов. Наиболее молодые в спектре возрасты определяют максимальный возраст отложения осадка. Помимо этого, спектр в целом характеризует относительные значения источников сноса обломочного материала, и тем самым отражает палеогеографическую обстановку. Такое исследование требует большой выборки – не менее 60-70 анализов единичных зерен минерала из выделяемых популяций.
Возможно также проведение U-Pb датирования диагенетических преобразований осадка по фосфатам (ксенотиму, а также фосфатным фоссилиям). Однако значительная погрешность метода делает его мало приемлемым.
В Таблице 1 приведены общие сведения о наиболее востребованных геохронометрах и методах датирвания различных типов горных пород.
|
