Скляров Е.В. (ред.) Интерпретация геохимических данных

Подождите немного. Документ загружается.

160

Интерпретация

геохимических

данных

растных

минералов с одинаковыми начальными отношениями или,

иными словами, с минералами, находившимися в равновесии в

момент их кристаллизации, то в координатах

D/S—

P/Sизмерен-

ные отношения изотопов будут находиться на одной линии рав-

ных возрастов, или

изохроне

(рис. 5.6). Возраст может быть вычис-

лен из угла наклона

изохроны

(уравнение 5.8), а пересечение с

осью у (т.е.

D/S)

при х = 0 будет соответствовать начальным

изо-

топным отношениям:

1Д

1п(наклон + 1).

(5.8)

Наиболее важный аспект применения регрессионного ана-

лиза заключается в том, что есть возможность статистической

оценки точности измерения возраста и первичного изотопного

отношения. Расчет линии аппроксимации обычно осуществляется

методом наименьших квадратов по

методике,

предложенной

Д. Йорком

[256],

учитывающей аналитические ошибки в измере-

ниях изотопных отношений. Отклонение наблюдаемых значений

от линии аппроксимации выражается в единицах среднеквадра-

тичного отклонения — СКВО

(англ,

аббревиатура MSWD). В слу-

чае, когда СКВО

1, все измеренные отношения согласуются с

линией аппроксимации в пределах аналитической ошибки изме-

рения. Если СКВО <

это означает, что измерения были выпол-

нены с меньшей точностью, чем ожидалось. Если СКВО > 1, то

измеренные отношения отклоняются от линии аппроксимации

более, чем ожидалось из аналитических ошибок измерений.

Прямая линия, аппроксимирующая наклон между измерен-

ными точками изотопных отношений и имеющая СКВО = 1, на-

зывается истинной

изохроной.

Если значения СКВО выше, то ли-

ния не является изохроной в строгом смысле этого слова, так как

Глава 5. Использование радиогенных изотопов

161

Время

кристалли-

зации минералов

Рис. 5.6. Изохронная

диаграмма,

показывающая

изотопную

эволюцию

породы

целом и

слагающих

ее минералов после их кристаллизации

(справедлива

только

том случае, если между кристаллизацией минералов и закрытием изотопной сис-

темы не было значительного промежутка

времени)

разброс точек не может быть объясним только аналитическими

ошибками.

Природа разброса точек на изохроне важна при интерпрета-

ции геохронологических данных. Если СКВО

2,5, то разброс мо-

жет быть связан с аналитическими ошибками, если же СКВО >

> 2,5, то предполагается наличие геологических причин. Поскольку

в расчет изохрон входит аналитическая точность измерений изотоп-

ных отношений, которая в свою очередь зависит от уровня разви-

тия аналитической техники, то величина СКВО

2,5 является ус-

ловной. Например, при измерениях с более высокой точностью до-

стигнуть истинной изохроны будет сложнее, чем при более грубых

аналитических измерениях. Тем не менее в случае использования

серии из

4—6

минералов традиционно предполагается, что верхний

предел корректности изохроны соответствует СКВО = 2,5 (Brooks

е.

а.,

1972). Для линий аппроксимации, имеющих СКВО > 2,5, часто

используется название

эррохрона

(от

англ,

error—

ошибка).

Материнские и дочерние изотопы, изотопы для нормализа-

ции и константы радиоактивного распада, используемые в Rb—

Sr,

Sm—Nd

Re—Os

геохронологических методах приведены в табл.

5.1. В соответствии с приведенными параметрами уравнение (5.7)

может быть записано отдельно для каждой из рассматриваемых

радиоизотопных систем:

г = (*

Sr/

Sr) + (

'Н11Ч

х(ехр(1,42

1);

(5.9)

х(ехр(6,54-10-

0-1);

(5.10)

Таблица

5.1

Параметры,

характеризующие

Rb—Sr,

Sm-Nd

Re-Os

методы датирования

Метод

Используемые изотопы

мате-

ринский

дочер-

ний

ста-

бильный

Константы радиоактивности

период

полураспада,

млрд. лет

постоянная

распада,

лет"

тип радио-

активности

Rb-Sr

48,8 1,42 •

КГ

Sm-Nd

147

143

144

106

6,54

10~

1г

Re-Os

1fl7

18T

18fl

42,3

1666.

10"

[Г

Примечание. Константы распада

""Re

по данным [228]. Константы распада

по данным [230].

о —

1998

162

Интерпретация

геохимических

данны:

ISTf

х(ехр(1,666-10-

О-

(5.11)

Для получения корректной изохроны требуется анализ ми-

нералов, различающихся по отношениям материнского к стабиль-

ному изотопу. Минералы концентраторы материнских изотопов

приведены в табл 5.2.

Рис. 5.6 дает общее понятие о так называемых минеральных

или внутренних изохронах. При построении минеральной изохро-

ны необходимо совершенно четко обосновать парагенность мине-

ральной ассоциации, другими словами — то, что минералы обра-

зовались в равновесии друг с другом в один этап, а не в результа-

те нескольких оторванных во времени этапов преобразования по-

род. Для контроля ненарушенности изотопных отношений в ми-

нералах одной из точек на минеральной изохроне желательно иметь

вал породы.

Sm-Nd и Rb-Sr минеральные изохроны позволяют

судить

возрасте кристаллизации магматических пород достаточно надеж-

но, поскольку в них обычно выполняется условие равновесности

минералов. При последующих гидротермальных изменениях или

даже при поверхностном выветривании в минералах может про-

исходить нарушение изотопной системы, что обязательно приве-

дет к смещению этого минерала с изохроны, поэтому критерий

«свежести» минерала является первоочередным при подборе ми-

нералов для датирования. Нарушения изотопной системы, в част-

ности потери радиогенных изотопов, могут быть также связаны с

диффузией радиогенных изотопов без видимых изменений мине-

рала.

Зависимость кажущихся возрастов от диффузионных потерь

радиогенных изотопов будет рассмотрена ниже.

Таблица 5.2

Основные минералы, концентраторы материнских изотопов, используемые

в Rb-Sr,

Sm-Nd

Re—Os

методах датирования

Метод

Материнский

изотоп

Минералы

cP/S»

Rb-Sr

Слюды, амфиболы, калиевые полевые шпаты

Sm-Nd

147

Пироксены,

гранаты

Re-Os

1B7

Молибденит

Глава

5. Использование радиогенных изотопов

163

Возможно также датировать время внедрения магматических

пород по серии

когенетичных

одновозрастных

лав или интрузи-

вов различного состава

(рис.

5.7). Изохрона, полученная в резуль-

тате такого датирования, называется валовой или внешней. При

этом необходимо, чтобы каждая проба магматической породы

характеризовалась идентичным начальным отношением. Как бу-

дет показано ниже, это условие редко выполнимо. Валовые

Rb--

Sr и

Sm—Nd

изохроны

по магматическим породам часто приво-

дятся в литературе, однако следует отметить, что они не могут

рассматриваться как надежные для точных геохронологических ис-

следований,

поскольку часто отражают смешение магм с различ-

ными начальными изотопными отношениями. Иногда смешение

разновозрастных (!) магм может привести к группированию из-

меренных изотопных отношений вдоль некой прямой линии. Од-

нако ясно, что такая прямая линия не может называться изохро-

ной, так как она не несет информации о возрасте внедрения этих

пород. Такая линия смешения иногда называется

псевдоизохроной.

Rb—Sr

Sm—Nd

методами возможно датировать также воз-

раст метаморфических пород (т.е. по времени с момента оконча-

ния метаморфизма). В этом случае в противоположность датирова-

нию магматических пород наиболее надежными оказываются вало-

вые изохроны [106, 194]. Это вполне объяснимо. Минеральные изох-

роны показывают

возраст

метаморфизма только в том случае, если

в каждом минерале во время метаморфизма произошла полная пе-

рестройка изотопной системы и все сосуществующие минералы были

вновь переуравновешены. Однако это происходит очень редко, вслед-

ствие различной способности минералов удерживать одни и те же

элементы при одной и той же степени

внешнего

воздействия.

Sr/

Nd/

Пиро- Габбро Диорит Гранит

ксенит

Время

внедре-

ния

Гранит Диорит Габбро

Пиро-

ксенит

'Rb/

Рис. 5.7. Rb-Sr (я) и Sm-Nd

(б)

изохроны для

однонозрастных

магматических

пород,

образовавшихся при

кристаллизационной

дифференциации ультраоснов-

ной магмы (представленный случай

является

абсолютно гипотетичным и показан

для пояснения принципа построения валовых

изохрон)

164

Интерпретация

геохимических данных

Отдельно следует рассмотреть

Re—Os

метод датирования.

Практически это единственный

метод,

позволяющий напрямую

датировать рудные месторождения. Рений находится в большом

количестве в молибдените, который не содержит начального ос-

мия, поэтому уравнение (5.11) для

Re—Os

датирования молибде-

нитов может быть упрощено.

(

187

Os/

l87

Re>

HjM

exp(l,666xlO-"f)

- 1. (5.12)

Поскольку в природных образцах

l87

всегда составляет

1,60 % от суммы всех изотопов рения, то при датировании

молиб-

денитов нет необходимости определять его изотопный состав.

Аб-

солютные концентрации

IS7

по-прежнему требуют определения

масс-спектрометрическим

методом изотопного разбавления. На рис.

5.8 показаны два примера

Re—Os

датирования с использованием

полиминеральной и

молибдените

вой изохрон. Важно отметить

очень низкие начальные

l87

Os/'

отношения в гранитах Маунт

Эммонс, несущих молибденитовую минерализацию. Такие низ-

кие отношения характерны для мантийных пород, что дает

нео-

жиданный поисковый признак для нахождения

молибденитовых

месторождений, указывающий на большую перспективность рай-

онов, в которых мантийные процессы преобладали над

коровыми.

Граниты

Маунт-Эммонс,

Колорадо

Возраст =

16,75±0,34млн.

лет

'*'Os/

Os...

0,2±Q,I

'"Os,

г/т

4000

•

3000

2000

1000

Месторождении

Кугтилла

Кивисуо, Финляндии

Возраст =

= 27&0+S млн. лет

'Os = О, СКВО

1,5

200000 400000

l87

Re/

iSS

600000

Молибденит

а Пирит

О 40000 80000

120000

Re, г/т

Сфалерит, галенит, магнетит

Рис. 5.8.

Re—Os

полиминеральная и молибденитовая изохроны соответственно для

гранитов Маунт Эммонс и месторождений

Куттилла

и Кивисуо.

Приведенные примеры показывают

принципиальную

возможность использова-

ния Re-Os изотопной системы для датирования

молибденитсодержащих

гранитов

и рудных месторождений широкого диапазона возрастов. Погрешности в измере-

нии возраста отражают 95 % доверительный интервал с учетом

неопределенности

констант радиоактивности

IM7

(из статьи Stein e

а.,

1998)

Глава 5.

Использование

радиогенных

изотопов

165

5.3.2. Методы

датирования,

основанные

на радиоактивном накоплении свинца

(U-Pb

РЬ-РЬ)

Свинец представлен в природе четырьмя изотопами, из ко-

торых только один,

204

РЬ,

является нерадиогенным. Три других

изотопа,

206

РЬ,

207

РЬ

20S

Pb,

являются конечными продуктами рас-

пада, соответственно,

2i8

235

232

Th.

Во всех случаях радиоак-

тивный распад идет с последовательным испусканием а-

(

Не)

Р~-частиц.

На рис. 5.9 приведена схема радиоактивного превраще-

ния

235

207

РЬ.

Для целей абсолютной геохронологии возможно

использование как промежуточных, так и конечных продуктов

радиоактивного распада урана и тория. В этом разделе будут рас-

смотрены только геохронологические методы, связанные с ра-

диоактивным накоплением изотопов свинца. В табл. 5.3 даны кон-

станты радиоактивного распада для

U—РЬ

Th—Pb

цепочек.

Подобно уравнениям для

Rb—Sr,

Sm—Nd

Re—Os

датиро-

вания уравнение (5.6) может быть записано в следующем виде

для каждой пары материнских и дочерних изотопов представлен-

ных в табл. 5.3. Для нормализации используется изотоп

204

РЬ.

PslX/a

124

I26 I2X 130 132

134

136

138

140

142

144

д/

Рис. 5.9. Схема

радиоактивного

распада

"'U.

При каждом акте альфа-распада порядковый номер

(г)

сокращается на 2 с умень-

шением массового числа

(N)

на 4.

Эманация

бета-частицы (негатрона) приводит

к увеличению порядкового номера на

при этом массовое число остается посто-

янным. В результате полной цепи распада высвобождается 7 атомов

Не

(т.е. 7 аль-

фа-частиц)

166

Интерпретация

геохимических данных

Таблица 5.3

Константы полного радиоактивного распада для

238

235

231

[230]

Материнский

изотоп

Дочерний

изотоп

Период полураспада,

млрд. лет

Постоянная распада,

лет"'

гзв

206

РЬ

4,47

1,551

25.

10'

235

207

РЬ

0,704

.9,8485-

Ю-

232

РЬ

14,01 0,49475 •

1<Г

207

РЬ

рад

204

РЬ

(

207

Pb/

2(M

Pb)

Hiii

»U/

»Pb)

lOM

(expX

23(

(5.13)

1); (5.14)

1).

(5.15)

Отношение

23a

235

для большинства природных объектов

соответствует значению 137,88. Исключение составляет урановое

месторождение Окло в Африке, которое представляло собой при-

родный атомный реактор, действовавший

-1,8

млрд. лет назад [78].

Отношение

23K

204

обозначается

символом

ц,

отсюда

"'U/^Pb

= ц/137,88, отношение

232

Th/

204

обозначается символом со.

Уравнения

(5.13)—

(5.15)

могут быть использованы для дати-

рования минеральных ассоциаций методом изохрон (см. выше). В

случае, если с момента кристаллизации рассматриваемых мине-

ралов системы

U—

Т1т~РЬ

оставались ненарушенными, то все три

изохроны

должны показать согласующиеся (конкордантные) зна-

чения возраста.

Однако,

уран и торий, являются подвижными при

метаморфизме и даже поверхностном выветривании пород,

по-

этому применение изохронного метода в случае с изотопными

системами

Th—

ограничено. Вместе с тем

238

235

также, как

Э06

РЬ

207

РЬ,

будучи изотопами одних и тех же элемен-

тов должны вести себя одинаково при различных геохимических

процессах. Это позволяет получать конкордантные возрастные

определения по парам

238

206

235

207

в случае нарушения

изотопной системы

U—

Th.

Остановимся только на двух наиболее распространенных мето-

дах датирования, использующих изотопы урана и свинца: 1)

U—

методе датирования по цирконам, 2)

Pb—

методе датирования

по обыкновенному породному свинцу. Кроме того, в следующем

разделе будут рассмотрены модельные

Pb—

датировки для рудных

свинцов и протолита современных базальтовых пород океанов.

Глава

5, Использование радиогенных изотопов

167

U—Pb

метод датирования по цирконам

Для метода

U—

датирования обычно используются такие

урансодержащие минералы, как циркон,

бадделеит,

монацит, реже

сфен и апатит, из которых, наибольшее применение получил цир-

кон. Циркон вследствие своих

кристалл

охимических

свойств прак-

тически, не содержат начального свинца.

Следовательно,

подоб-

но как в

Re—

методе датирования по молибдениту, уравнения

для определения возраста по циркону могут быть упрощены:

-1;

(5.16)

(5.17)

Поскольку современное отношение

23S

235

в природе при-

нимается равным 137,88, то уравнения (5.16) и (5.17) могут быть

также переписаны для определения возраста

207

РЬ/

206

РЬ:

(207

Pb/

206p

(1/137,88)

-[(expX

235

/-l)/(exp^

/-l)].

(5.18)

В случае если система

U—

в цирконе оставалась ненару-

шенной, то все три уравнения должны давать

конкордантные

зна-

Время кристаллизации

Кривая|Диффузионных

потерь

Рис. 5.10.

U—Pb

диаграмма с конкордией и

дискордией,

проведенной по экспери-

ментальным точкам (белые эллипсы):

каждая экспериментальная точка на дискордии характеризуется тремя возраста-

ми, из которых наиболее близок к истинному возрасту

2117

РЬ/

21)6

РЬ

возраст; если

потери радиогенного свинца происходили непрерывно с момента кристаллиза-

ции цирконов до настоящего времени, то нижнее пересечение с конкордией бу-

дет лишено геологического смысла

168

Интерпретация геохимических данных

чения возраста. Кривая равных возрастов в координатах

206

Pb/

238

—

207

Pb/

235

называется

конкордией

(рис.

5.10).

Однако, как показы-

вает практика, возрастные определения по циркону обычно дис-

кордантны.

Цирконы из

одновозрастных

интрузий различного со-

става или цирконы различных фракций (т.е. различного габитуса.

размера и т.д.) из одной и той же пробы, как правило, находятся

в координатах

206

Pb/

23S

207

Pb/

235

на одной прямой, называе-

мой

дискордией.

Каждая фракция циркона, находящаяся на дис-

кордии будет характеризоваться тремя возрастами, рассчитанны-

ми по уравнениям

(5.16)—(5.18).

Как видно из рис. 5.10, наиболее

близок к истинному возраст

207

РЬ/

206

РЬ.

Дискордия имеет два пересечения с конкордией, которые

могут отражать два разных термальных события. Наиболее часто

считается, что нижнее пересечение отражает время метаморфиз-

ма первично магматических пород, при котором произошла час-

тичная потеря радиогенного свинца. Однако нередок и вариант

соответствия нижнего пересечения возрасту переплавления оса-

дочных пород, а верхнего — возрасту

кластогенного

циркона. В

зависимости от размера зерна, концентрации урана в кристалле и

их радиационных повреждений потери свинца при одинаковом

температурном воздействии различны. Это обусловливает смеще-

ние точек вдоль дискордии, что, в свою очередь, позволяет вы-

числять истинный возраст по верхнему пересечению.

Следует отметить, что существуют альтернативные объясне-

ния образования дискордии. Одно из них предполагает непрерыв-

ные потери свинца в результате диффузии. В этом случае, как и

при эпизодической потере, зерна различного размера смещаюся

от истинного возраста вдоль некой линии, которая в своей верх-

ней части практически неотличима от прямой. Однако кривая

диффузионных потерь исходит из начала координат (см. рис. 5.10).

Следовательно, нижнее пересечение дискордии с конкордией в

этом случае не имеет геологического смысла.

Для того, чтобы убедиться, какой механизм, т. е. эпизодичес-

кие или непрерывные диффузионные потери, являлся преобла-

дающим, следует подтвердить предполагаемое время метаморфизма

независимым способом. В качестве независимого способа может

служить

U—РЬ

датирование по

когенетичным

апатиту или сфену.

Эти минералы, характеризуясь меньшей устойчивостью, наибо-

лее вероятно окажутся либо на конкордии в нижнем пересечении

с дискордией, либо на дискордии вблизи с ее нижним пересече-

нием с конкордией.

Глава

Использование

радиогенных изотопов

169

Иногда цирконы из магматических пород выстраиваются вдоль

дискордии около ее нижнего пересечения с конкордией. В этом

случае обычно предполагается, что они представлены унаследо-

ванными цирконами, которые, находясь в горячей магме, пре-

терпели практически полную потерю первично накопленного ра-

диогенного свинца. Под унаследованными цирконами понимают-

ся цирконы, захваченные расплавами из древних вмещающих пород.

Для получения более надежных результатов исследуемые цирко-

ны разделяют на фракции по магнитным свойствам и размеру, а

также проводят их механическую или химическую абразию, для

Отбор пробы на датирование

Петрографические исследования, выделение различных фракций циркона при

помощи магниного сепаратора, в тяжелых жидкостях и под

бинокуляром

Подготовка шашки с единичными

зернами цирконов и измерения

изотопных отношений

на

микрозондо

вом масс-спектрометре

Химическая

пробоп

од

готовка и

измерения изотопных отношений на

твердофазовом

масс-спектрометре

Расчет

возрастов

по уравнениям

(6.16)—(6.18)

Возраста

конкордантные

Отчетливая

дискордия

Дискордия отсутствует,

но возрасты близки

конкордантным

Близко к верхнему

пересечению

Близко к верхнему

пересечению

Расчет

'"РЬ/

РЬ

возраста

Расчет возраста по

верхнему пересечению

Расчет возраста по

нижнему пересечению

Возраст

внедрения

интрузии

Рис. 5.11. Схема последовательных шагов при

U—РЬ

датировании цирконов из

интрузивных пород:

датирование включает комплекс геологических, минералогических и химических

исследований,

предшествующих

собственно процессу масс-спектрометрических

измерений

170

Интерпретация

геохимических

данных

того чтобы остались только центральные, наименее измененные

части (ядра) цирконов. В последнее время все более широкое при-

менение получает

U—РЬ

метод датирования с использованием

микрозондовых

масс-спектрометров

{например,

SHRIMP).

Мик-

розондовые

масс-спектрометры позволяют анализировать цент-

ральные и краевые части минералов без предварительной

пробо-

подготовки.

Логическая схема датирования времени внедрения магмати-

ческой интрузии

U—РЬ

методом показана на рис. 5.11, а пример

датирования интрузивов

Слюдянского

кристаллического комп-

лекса в Прибайкалье приведен

на

рис. 5.12. В цирконах

изсинме-

таморфических

плагиогранитов отмечается присутствие более древ-

него, унаследованного компонента радиогенного свинца. Вклад

унаследованного радиогенного свинца увеличивается по мере аэро-

образивной обработки зерен циркона. Все пробы циркона фор-

мируют дискордию с нижним пересечением

481+5

млн. лет,

которое интерпретируется как возраст кристаллизации плагио-

гранитов. Верхнее пересечение указывает на возраст древнего ком-

понента,

примешивающегося к магматическим цирконам. Раз-

личные фракции циркона из постметаморфических (более моло-

дых) сиенитов также показали

дискордантные

возрасты. Цирко-

ны из сиенитов, однако, не сформировали отчетливо выражен-

ной дискордии. Поскольку все точки находятся вблизи конкор-

дии, в качестве наиболее достоверного возраста кристаллизации

s~j

Постметаморфическис

сиениты

Си

метаморфические

0,074

0,58

0,60

0,62

2117

Pb/"

0,64

Рис. 5.12.

U-Pb

диаграмма с

конкордией

и дискордией для син- и постметамор-

фических интрузивов Слюдянского кристаллического комплекса (Прибайкалье):

цифрами указаны

преобладающие

размерности исследованных фракций

цирко-

нов, мкм; НРФ — нерастворимый осадок после химического травления; АО

—

остаток после

аэровоздушной

абразии

[27]

Глава

5. Использование радиогенных изотопов

171

сиенитов принимается

207

РЬ/

205

РЬ

возраст 474 ± 5 млн. лет. Инте-

ресно отметить, что ранее считалось, что метаморфизм и грани-

тоидный

магматизм Слюдянского кристаллического комплекса

происходил в раннем-среднем протерозое 2000-1700 млн. лет назад

[61].

U—РЬ

датирование по цирконам из син- и постметаморфи-

ческих интрузий позволило установить ордовикский возраст и

существенно сократить историю формирования пород с несколь-

ких сот до десяти миллионов лет [27].

РЬ—РЬ

метод датирования по породному свинцу

Если начальные отношения изотопов свинца в уравнениях

(5.13) и (5.14) перенести в левую часть и поделить уравнение

(5.14) на уравнение (5.13), то получится следующее выражение:

[

207

РЬ

рад

304

РЬ

(

Pb)

;1Ч

]/[

206

РЬ

Р1Ш

204

РЬ

(

206

РЬ/

204

РЬ)

нач

]

»U/

*Ux[(exrA

235

l)/(exrA

238

1)]

. (5.18 а)

Из предыдущего раздела мы знаем, что отношение

235

равно 137,88. Отсюда:

(

207

РЬ/

304

РЬ)

'НО"'

204

РЬ

(

206

РЬ/

204

РЬ)

1 =

р£1Д'

'HUH'

(1/137,88)

•

[(exp^r-

1)/(ехрХ

238

1)].

(5.19)

Уравнение

5.19

содержит только изотопные

отношения

свинца.

Если проанализировать

одновозрастные

породы с одинаковыми

начальными отношениями изотопов свинца, то они образуют изо-

хрону в координатах

207

Pb/

204

206

Pb/

204

Pb.

Возраст может быть

вычислен методом последовательных приближений из наклона

изохроны.

Значения возраста, соответствующие тангенсу угла на-

клона, приводяться в справочниках [28].

Впервые метод датирования по породному свинцу был при-

менен для определения возраста двух железистых и трех каменных

метеоритов [204], который оказался равным 4,55 млрд. лет (рис.

5.13). С.С.

Паттерсон

предположил, что если Земля и метеориты

имеют одинаковый возраст и характеризуются сходным составом

начального свинца, то средний изотопный состав свинца Земли

должен располагаться на линии, образованной метеоритами. В дей-

ствительности современные океанические осадки находятся на

изохроне метеоритов с возрастом 4,55 млрд. лет, что подтверждает

172

Интерпретация

геохимических данных

эту гипотезу. Впоследствии изохрона возраста Земли стала назы-

ваться

геохроной.

inpb/ямрь

Кривые эволюции

•-изотопного

состава

свинца

Метеориты

Каньона

Дьявола,

США

Железные

метеориты

Каменные метеориты

Современные

осадки

Рис. 5.13.

Pb-РЬ

изохрона для двух железистых и трех каменных метеоритов,

пока-

зывающая

их возраст 4,5 млрд. лет (на диаграмме приведены кривые эволюции

изотопного состава свинца в зависимости от числа ц (отношения U/Pb), диаграм-

ма приведена с изменениями из работы

[204])

Датирование по породному свинцу требует закрытости

U—Pb

изотопной системы, что, как мы могли видеть на примере

U—Pb

метода датирования, оказывается редким явлением. По этой

причине метод датирования по породному свинцу не получил

широкого применения в абсолютной геохронологии земных по-

род, за исключением датирования осадочных карбонатных пород

(например, Семихатов и др., 2000), однако он достаточно успеш-

но был использован для определения возраста метеоритов. Следу-

ет отметить, что все метеориты попадают в узкий диапазон

Pb—Pb

возрастов между 4,53 и 4,57 млрд. лет, тогда как формирование

Земли связанное с отделением Луны и сегрегацией ядра, продол-

жалось до 4,45 млрд. лет назад

[86].

5.3.3.

Эволюция изотопного состава Земли

и модельные возрасты

Зная сегодняшний изотопный состав метеоритов и земных

пород, можно оценить

родоначальный

изотопный состав Земли и

проследить,

как он эволюционировал в геологическом времени.

Используя некоторые предположения и допущения, знание об

эволюции изотопного состава Земли может быть использовано для

датирования геологических процессов, происходивших в коре и

Глава

5. Использование

радиогенных

изотопов

173

мантии. Такое датирование называется модельным, а получаемый

модельный возраст указывает на нижнюю возрастную границу

проходивших процессов.

РЬ—РЬ

датирование

рудных

свинцов

(одностадийная модель Холмса

—Хоутерманса

двухстадийная

модель

Стейси

—

Крамерса)

Эволюция изотопного состава свинца определяется по сле-

дующим формулам, составляющим суть модели Холмса — Хоу-

терманса [158,

159]:

ц •

(ехрХ

238

expX

23S

/);

(5.20)

207

(

207

РЬ/

204

РЬ)

н;1Ч

(|а/137,88)

Pb/

Pb), =

(5.21)

•

(ехрХ

232

ехрХ

232

/),

(5.22)

где начальные отношения соответствуют изотопному составу пер-

вородного свинца Земли, под которым подразумевают изотоп-

ный состав метеоритов из Каньона Дьявола; Т отражает возраст

Земли. Константы и и

задают исходя из предположения о том,

что U/Pb и Th/Pb на момент кристаллизации Земли были везде

одинаковыми, но впоследствии имели слабые региональные раз-

личия.

Можно видеть, что уравнения

(5.20)-(5.22)

аналогичны

ба-

зовым уравнениям

(5.13)-(5.14),

используемым в

U~Pb,

Th-Pb и

Pb-Pb датировании. Уравнения 5.20 и 5.21 могут быть объединены

уже известным нам образом:

[(

207

Pb/

204

Pb),

- (

306

= (1/137,88)

(

306

РЬ/

2(м

РЬ)

нач

]

(5.23)

Уравнения

(5.20)—(5.23)

изначально были использованы для

оценки возраста Земли исходя из измеренных изотопных отноше-

ний свинца в рудных галенитах известного возраста. Однако мо-

жет решаться и обратная задача, т.е. определяться возраст галени-

тов из известного возраста Земли. При этом допускается, что ра-

диогенный свинец образовался в резервуаре, характеризующемся

некоторыми ц и

ш,

не изменявшимися с момента кристаллизации

174

Интерпретация

геохимических

данных

Земли. Опыт показал, что для большинства рудных месторожде-

ний значение

изменяется от 8 до 10.

Допущение о неизменности ц и

со

в масштабе геологического

времени называется одностадийной моделью. Однако при

датиро-

вании рудных галенитов было обнаружено, что только малая их

часть показывает удовлетворительные значения геологического

возраста, рассчитанные по одностадийной модели. Это противо-

речие было устранено Дж. С. Стейси и Дж. Д.

Крамерсом

[229],

предположившими, что эволюция изотопов свинца Земли проис-

ходила в две стадии с изменением величины

ц.

Первая стадия про-

текала с момента кристаллизации Земли при ц, равном 7,192, а

вторая стадия началась 3,7 млрд. лет назад и длилась до настояще-

го времени при

равном

9,735.

Изменение величины ц (т.е. U/Pb

отношения) произошло в результате глобальной геохимической

дифференциации мантийного вещества. Такая

двухстадийная

мо-

дель позволила согласовать большинство возрастов рудных гале-

нитов с геологическими эпизодами, датированными другими спо-

собами.

На рис. 5.14 можно видеть, что кривые одностадийной и

двух-

стадийной

эволюции свинца мало отличаются, друг от друга, осо-

бенно в нижней части. Однако рассчитываемый возраст галенитов

будет варьировать в зависимости от принятия той или иной моде-

ли. Например, точка

соответствует изотопному составу свинца

в галените,

отторженному

из мантии 1 млрд. лет назад. Точка

Г2,

в свою очередь, показывает возраст

1,5

млрд. лет с учетом двухста-

Первозданный

свинец

•

1 1 1

12 14 16 18 20

Pb/

Рис. 5.14. Одностадийная (жирная кривая) и

двухстадийная

(тонкая кривая)

эво-

люция изотопного состава свинца рудных галенитов в координатах

№

Pb/

!U6

Pb/™PTp:

прямыми линиями показаны

Pb—Pb

изохроны;

цифры — соответствующие значе-

ния возраста в млрд. лет; П и

Г2

— гипотетические составы рудных галенитов,

соответствующие

1,5

и 1 млрд. лет, рассчитанные соответственно по одно- и

двух-

стадийной

моделям

Глава 5.

Использование

радиогенных

изотопов

175

дийной модели. В обоих случаях, модельные возрасты интерпрети-

руются как нижняя возрастная граница формирования рудных

месторождений.

Модельное

РЬ~РЬ

датирование источников базальтовых магм

При изучении изотопного состава молодых базальтовых по-

род океанов было замечено, что группы вулканитов различных

островов и участков океанического дна формируют на диаграмме

207

Pb/

204

—

206

Pb/

204

линейные тренды, главным образом справа

от

геохроны

(рис. 5.15). Наклоны трендов базальтов океанических

островов согласуются с рассчитанными по формуле (5.23) возра-

стами между 1 и 2,5

млрд.

лет. Базальты

срединно-океанических

хребтов формируют общий отчетливо выраженный тренд с на-

клоном, соответствующим возрасту 1,7 млрд. лет. Существует не-

сколько равнозначных способов интерпретации этих трендов.

С. Дж. Чэйс [ПО] предположил, что значения модельного

Pb—Pb

возраста отражают событие геохимической дифференциа-

ции U/Pb

отношений

в мантийных регионах, являвшихся источ-

никами базальтовых магм. При этом изотопные отношения свин-

•

РЬ/

1(|4

РЬ

Остров

Святой

Елены

<л

15,4

'17

РЬ/

М4

РЬ

Рис. 5.15. Вариации изотопного состава свинца в молодых океанических базальтах.

Варианты интерпретации линейности трендов приведены в тексте

[233]

176

Интерпретация

геохимических

данных

Глава

Использование

радиогенных изотопов

177

ца в базальтах океанических островов могут быть объяснены в рам-

ках

двухстадийной

модели эволюции свинца. Величина

второй

стадии варьирует в диапазоне от 10 до 20 от одного островного

архипелага к другому, тогда как величина ц первой стадии остает-

ся практически постоянной

-7,9

независимо от модельного воз-

раста. Этот факт приводится в качестве одного из доказательств,

что источники базальтов океанических островов представляют

собой разновозрастные мантийные резервуары, которые были

сформированы из однородного долгоживущего первичного резер-

вуара. Другими словами, по этой модели базальты океанических

островов выплавлялись из океанической литосферы, которая сфор-

мировалась из однородного резервуара конвективной мантии.

Б.

Дюпрэ

и С.

Дж.

Аллегрэ

[128] высказали предположение о

формировании изотопных характеристик свинца в базальтах сре-

динно-океанических хребтов в результате мантийной

эволюции

непрерывно изменяющимися значениями

с 3,8 млрд. лет назад

до настоящего времени. Таким образом, согласно этой интерпре-

тации

Pb—Pb

изохрона базальтов срединно-океанических хребтов,

равная 1,7 млрд.

лет,

является псевдоизохроной и не отражает ре-

ального геологического возраста.

Наиболее полно систематика океанических базальтов была

рассмотрена С. С. Саном и У. Ф.

МакДоном

[233]. Они показали,

что химические и изотопные характеристики океанических ба-

зальтов зависят от ряда факторов, из которых в приложении к

РЬ-

РЬ

систематике следует отметить два основных: 1) характеристи-

ка источника, зависящая от его истории; 2) смешение магм, вып-

лавлявшихся

из различных мантийных источников со своей соб-

ственной историей. Таким образом, исследования

РЬ-РЬ

изотоп-

ных отношений в океанических базальтах могут нести информа-

цию о времени преобразования плавящегося субстрата. Напри-

мер, было установлено, что высокие отношения

207

РЬ/

204

РЬ

2U6

Pb/

204

в лавах остров Святой Елены, характеризующие источ-

ник с высоким значением ц

(HIMU

— high

ц),

требуют изоляции

источника HIMU от

конвектирующей

мантии в течение 2,0+0,2

млрд. лет с учетом двухстадийной модели эволюции свинца. При-

мечательно, что линия, связывающая базальты срединно-океа-

нических хребтов и базальты этих островов на рис. 5.15, имеет

наклон, соответствующий возрасту 1,7 млрд. лет. Учитывая

высо-

кую погрешность при определении этого модельного возраста,

значения 2,0 и 1,7 млрд. лет являются статистически неразличи-

мыми. Лавы острова

Уа-По,

характеризуются наименее радиоген-

ным

свинцом среди базальтов типа HIMU

(

206

Pb/

204

< 19,99) и

требуют модельного возраста их мантийного источника 1,0+0,2

млрд. лет при значении ц второй стадии, равном 20±2.

Sm~Nd

модельные датировки по

магматическим

породам

(определение возраста формирования континентальной коры)

Для оценки эволюции изотопов неодима наиболее часто

ис-

пользуют две модели мантийного резервуара: модель однородного

хондритового резервуара (CHUR

—

chondritic

uniform reservoir) и

модель деплетированной мантии (DM — depleted mantle). Общие

принципы расчета модельного возраста одинаковы как для од-

ной, так и для другой модели и показаны на рис.

5.16.

При этом

модельный возраст рассчитывают из измеренного отношения

|43

Nd/

l44

по формуле:

l/Xxln[{<'«Nd/'«Nd)

HOT

rNd/'

Nd)

CHUR;DM

(

HUR;

DM породы

где

(

147

Nd/'

Nd)

CHUR;DM

1];

(5.24)

(

|43

Nd/

i44

Nd)

HU4

I =

rNd/'«Nd),

1JU

Г8тГШ)

и]и

хехр(Х

породы

- 1).

(5.25)

Часто, для удобства пользуются величиной

которая пред-

ставляет собой разность между отношениями

Nd/

ld4

в породе

и в CHUR на один и тот же момент времени, выраженную в

частях на

от

CHUR.

143

Nd/

144

Nd)

Hii4

/('

Nd/'

Nd)

CHUR

1]хЮ

(5.26)

Уравнение (5.24) выведено из уравнения (5.7) для

Sm—

изотопной системы. Постоянная распада

l47

дана в табл.

5.1,

современные значения

i43

Nd/'

l47

Sm/

144

для CHUR и DM

приведены в табл. 5.4.

В основе модели CHUR лежит

предположение,

что недиф-

ференцированная (примитивная) мантия Земли имеет тот же изо-

топный состав, что и средний состав

хондритовых

метеоритов,

которые сопоставимы по возрасту с началом образования Земли.

CHUR соответствует по соотношению изотопов неодима средне-

му составу Земли. Таким образом, модельный возраст, рассчитан-

ный по отношению к CHUR, — это время, когда анализируемая

178

Интерпретация геохимических данных

пчальные

отношения

гранитах

Событие

формиров;шия

О 5

Л-

^^""*-.

коры

протерозое

молелчх'СНиЯ

и DM

Эволюция

Событие

формирования

коры в

лрхее

модели

Эволюция

коры

Намеренные

отношении в

гранитах

Модельные

возрасты

корь

ВреМЯ

;

выплавления

2 3

Возраст,

млрд. лет

Рис. 5.16. Эволюция

изотопного

состава

неодима в моделях CHUR и DM. Показан

принцип расчета модельного возраста плавящегося протолита (коры) гранитных

интрузий

Таблица 5.4

Современный состав

изотопных

отношений Sm и Nd

в моделях CHUR и DM

Модель

143

Nd/

144

147

Sm/

144

Библиографический

источник

CHUR 0,512638 0,1967 [244]

DM 0,513114 0,222 [192]

порода отделилась от мантии и приобрела другое значение отноше-

ния Sm/Nd. Расчет модельного возраста сильно зависит от разности

отношений Sm/Nd между образцом и CHUR, и только при

су-

щественном различии получаются удовлетворительные расчеты.

Изучение начальных

отношени-й

I43

Nd/

l44

в докембрийс-

ких

породах позволяет предполагать, что отношения Sm/Nd го-

раздо сильнее эволюционировали в мантии под континентальной

корой, чем в CHUR, поэтому для континентальной коры гораздо

чаще применяют модель DM, чем модель CHUR. В зависимости от

выбора мантийного резервуара (CHUR или DM), различие в зна-

чениях может достигать несколько сотен млн. лет, что иллюстри-

руется рис.

5.16.

При этом не существует абсолютно жестких кри-

териев выбора того или иного резервуара. Значения изотопных от-

ношений, применяемые при расчете модельного возраста, могут

также варьировать в достаточно широких пределах, хотя это обычно

Глава 5.

Использование

радиогенных

изотопов

179

не приводит к принципиальным расхождениям в окончательных

расчетах. Обычно измеренные значения

I47

Sm/'

для гранитов

находятся в интервале

0,12—0,17,

тогда как для начальных отно-

шений (т.е. отношение

147

Sm/

l44

в плавящейся коре) принима-

ется значение

0,138.

Наглядный пример использования

Sm/Nd

мо-

дельных возрастов для выделения разновозрастных блоков конти-

нентальной коры в

Центральной

Азии на основе анализа датиро-

ванных фанерозойских гранитов приведен в работе [23] (рис. 5.17).

Sm/Nd модельное датирование возможно также использо-

вать

для определения возраста древнего корового протолита оса-

дочных пород, так как фракционирование отношений Sm/Nd для

осадочных пород незначительно [202]. В этом случае модельный

возраст дает нижнюю возрастную границу пород в источнике сноса.

Модельное датирование возраста коры можно осуществлять

и с использованием

Rb/Sr

изотопной систематики. Эволюция ра-

диогенного стронция в коре и остаточной мантии в модели двухъ-

ярусной мантийной конвекции показана

на

рис. 5.18 [202]. Однако

рубидий и стронций фракционируют в условиях

коровых

темпе-

ратур и давлений, следовательно, в модельном датировании нуж-

но учитывать фактор постоянно изменяющихся отношений

Rb/Sr, а также потерь радиогенного стронция. Это существенно

Рис. 5.17. Разновозрастные блоки коры в Центральной Азии

поданным

Sm-Nd

модельного датирования [23]