Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

40 AR-39AR датирование каменных метеоритов: эвкритов, аномального ахондрита NWA 011, шерготтитов и L-хондритов

ВАК РФ 25.00.09, Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Корочанцева, Екатерина Владимировна, Гейдельберг

52 11/85

ГЕЙДЕЛЬБЕРГСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. КАРЛА РУПРЕХТА

Корочанцева Екатерина Владимировна

40АЫ-39АК ДАТИРОВАНИЕ КАМЕННЫХ МЕТЕОРИТОВ: ЭВКРИТОВ, АНОМАЛЬНОГО АХОНДРИТА ]М\УА 011, ШЕРГОТТИТОВ И

Ь-ХОНДРИТОВ

25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных

ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени доктора естественных наук

^ ! Научный консультант:

/" / У /с //у . . „ , ,

А - . /■ приват-доцент доктор М. Трилофф

I <?/*- г* 9

£

Гейдельберг 2008

РЕЗЮМЕ

Воссоздание хронологии планетарных тел Солнечной системы может быть выполнено путем применения методики радиоизотопного датирования к внеземным породам. В этой работе каменные метеориты с нескольких разных тел Солнечной системы были проанализированы с помощью 40Аг-39Аг метода датирования: эвкриты, наиболее вероятно, доставленные с астероида Веста, шерготтиты, родительской планетой которых, по всей видимости, является Марс, уникальный метеорит NWA 011, происходящий с дифференцированного, но еще не опознанного родительского тела, недифференцированные L-хондриты, родительское тело которых тоже неизвестно, но может быть связано с семейством астероидов Флора. Данная работа демонстрирует, что использование усовершенствованной здесь методики является необходимым условием

40 л 39 *

повышения надежности и точности оценок Аг- Аг возрастов метеоритов и разделения наложенных процессов, зафиксированных метеоритами. Этого можно достичь, изучая различные литологии метеоритов, анализируя мономинеральные пробы, что делается редко для метеоритов, улучшая методику измерений, например, делая большее количество температурных фракций во время ступенчатого отжига или анализируя лазером индивидуальные минеральные зерна. Применяя методику ступенчатого отжига для 40Аг-39Аг датирования пустынных метеоритов, крайне необходимо провести анализы с большим количеством температурных фракций: пустынные метеориты представляют собой новый тип материала для изучения эволюции малых тел Солнечной системы. При этом очень важно учесть, однако, что выветривание в условиях жарких или холодных пустынь создает дополнительные сложности к уже и без того сложным историям метеоритов.

Впервые получены Аг-Аг данные для эвкритов (Dhofar 007 and Dhofar 300) и аномального ахондрита NWA 011, которые включают информацию об их термальной истории и радиационных возрастах: Полная перестройка Аг систем эвкритов Dhofar 007 и Dhofar 300 произошла —3.9+0.1 млрд. лет назад, и этот возраст соответствует времени метеоритной бомбардировки Луны. Однако Dhofar 007 содержит реликтовый аргон, указывающий на событие, имевшее место 4.5 млрд. лет назад, что согласуется с результатами 244Pu/Nd датирования. Родительское тело аномального метеорита NWA 011 также могло быть подвергнуто поздней метеоритной бомбардировке. Все метеориты испытали влияние вторичных событий, вызывавших частичную потерю 40Аг. В результате работы по этим метеоритам было также сделано несколько методологических заключений.

Исследование L-хондритов подтверждает предположение о том, что ископаемые Ордовикские метеориты, недавно обнаруженные в Швеции, являются прямым следствием раскола родительского тела L-хондритов 470 млн. лет назад. В работе выявлена одновременность этих двух событий на высоком уровне точности. Это первое исследование, в котором успешно применен подход множественных изохрон к индивидуальным внеземным образцам для коррекции возрастов на избыточный аргон. Присутствие внеземного избыточного аргона в метеоритах - вероятно, результат дегазации астероида после катастрофического столкновения, вызвавшего нагревание пород.

Работа по шерготтитам представляет подробные Ar-Ar результаты, полученные для мономинеральных образцов и валовых проб марсианских базальтовых пород (Dhofar 019, SaU 005, Shergotty и Zagami). Показано, что источником компонента с высоким отношением (40Аг/36Аг)захв.- обычно приписываемого только марсианской атмосфере - могут быть глубинные сферы Марса, что указывает на гетерогенный состав марсианской мантии. В качестве дополнительного объяснения вариаций высоких отношений (40Аг/36Аг)захв., найденных в ударных фазах шерготтитов, предложено внедрение аргона из "временной атмосферы", образованной в результате дегазации астероида после столкновения. Кроме оценки состава компонентов захваченного аргона в шерготтитах, в этой работе получены хронологические данные, в том числе первые результаты Ar-Ar датирования для оливин-порфирового шерготтита SaU 005.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Вступление 5

2. Благородные газы в метеоритах 6

3. Родственные методы изотопного датирования: 40К-40Аг и 40Аг-39Аг 8

3.1. 40К-40Аг метод 9

3.2. 40Аг-39Аг метод датирования 10

3.3. Вклад в развитие 40Аг-39Аг метода 14

4. Радиационные возраста 15

5. 40Аг-39Аг датирование ударных событий 17

5.1. Ранние ударные события, записанные дифференцированными

метеоритами 17

5.2. Ударные события на родительских телах обыкновенных хондритов 21

6. Марсианские метеориты 24

6.1. Шерготтиты 25

6.2. Шассиньиты 26

6.3. Наклиты 27

6.4. Происхождение марсианской атмосферы 27

6.5. 40Аг-39Аг датирование марсианских метеоритов 29

7. Заключение 32

8. Литература 35

9. Статьи в рецензируемых журналах по теме диссертации

45

9.1. Korochantseva E.V., Trieloff M., Buikin A.I., Hopp J., and Meyer H.-P. 2005. 40Ar/39Ar dating and cosmic-ray exposure time of desert meteorites: Dhofar 300 and Dhofar 007 eucrites and anomalous achondrite NWA 011. Meteoritics and Planetary Science 40: 1433-1454. 46

9.2. Шуколюков Ю.А., Назаров M.A., Корочанцева E.B. 2007. Радиационный возраст и время формирования нового метеорита-ахондрита Dhofar-007 (Oman) - фрагмента породы с астероида Веста. Петрология 15: 3-20. 88

9.3. Korochantseva E.V., Trieloff M., Lorenz C.A., Buykin A. I., Ivanova M.A., Schwarz W.H., Hopp J., and Jessberger E.K. 2007. L chondrite asteroid breakup tied to Ordovician meteorite shower by multiple isochron 40Ar-39Ar dating. Meteoritics & Planetary Science 42: 113-130. 108

9.4. Korochantseva E.V., Trieloff M., Buikin A.I., Hopp J. 2008. Shergottites Dhofar 019, SaU 005, Shergotty and Zagami: 40Ar-39Ar chronology and trapped Martian atmospheric and interior argon. Meteoritics & Planetary Science: в печати. 147

1. ВСТУПЛЕНИЕ

Метеориты представляют разнообразный внеземной материал с большого числа астероидов, Луны и Марса. Они сохраняют информацию о временных масштабах и процессах, которые формируют и дают развитие нашей Солнечной системе. Несмотря на увеличение исследований Солнечной системы посредством космических экспедиций, метеориты остаются ключевым и часто единственным источником знания о ранней эволюции Солнечной системы. Однако космические породы часто имеют сложную историю, или они состоят из фрагментов, которые запечатлели разные события. Цель космо- и геохронологии - расшифровать различные процессы, которые воздействовали на метеориты: метаморфизм, вызванный ранним нагреванием родительского тела или ударными волнами во время межпланетных столкновений, механические процессы, подобные брекчированию. Для этой цели особенно подходят хронометры, которые чувствительны к тепловым воздействиям, например K-Ar хронометр, который основан на образовании 40Ar при захвате электронов ядрами 40К.

Изотопные составы благородных газов служат важными трассерами, которые

указывают как на резервуар, из которого метеорит происходит, так и на среду, в

которой эволюционировала порода. Радиогенные благородные газы необходимы для

расшифровки хронологии Солнечной системы. В частности, широкий спектр

геологического применения K-Ar (или 40Аг-39Аг, см. ниже) датирования делает этот

хронометр привлекательным для изучения метеоритов: он подходит для датирования

как первичных, так и вторичных, как очень старых, так и недавних событий. Эта работа

40 а 39 А

представляет результаты Ar- Ar датирования различных типов каменных метеоритов, относящихся к нескольким этапам эволюции планет и малых тел Солнечной системы: ранняя термальная история родительских тел метеоритов, ранние и поздние ударные события в Солнечной системе, эволюция литосферы Марса и изотопный состав Ar мантии и атмосферы Марса, а также время доставки метеоритов на Землю в виде малых объектов.

Исследованные образцы включают как хорошо известные метеориты, так и

недавно найденные пустынные метеориты, а также аномальное космическое вещество.

С одной стороны, новый космический материал дает новую информацию о еще не

изученных малых телах, с другой стороны, вновь обнаруженные особенности

метеоритов расширяют общую систематику имеющихся в распоряжении метеоритных

классов и конкретизируют ее. Новые пустынные метеориты и их отделенные

фрагменты были дополнительно исследованы с помощью минералого-петрологических

5

методов, и описания этих образцов даны в соответствующих публикациях (главы 9.19.4).

40Ar-39Ar измерения были выполнены с улучшенным разрешением, то есть с большим числом температурных ступеней после механического отбора мономинеральных образцов и кластов. Такие методологические усовершенствования, применяемые к метеоритам из жарких пустынь, помогли выявить, например, ранее неизвестное влияние выветривания на геохимию Ar, разделить in situ радиогенный 40Ar и захваченный 40 Ar, препятствующий получению значимой хронологической информации.

Детальные результаты этой работы, их оценка и интерпретация представлены в статьях, приложенных в главе 9. Обзор, относящийся к методологии, дан в главах 2-4, резюме основных результатов изложены в главах 5 и 6.

2. БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ В МЕТЕОРИТАХ

Благородные, газы - химически инертные, редкие, летучие и высоко несовместимые элементы. Они отличные трассеры процессов, воздействующих на породы, и анализ благородных газов зачастую приводит к решению многих спорных вопросов reo- и космохимии. Самым большим резервуаром благородных газов в нашей Солнечной системе является Солнце, которое предположительно унаследовало свой состав без больших изменений от солнечной небулы. Оценка изотопного состава благородных газов на солнце в настоящее время основывается на анализах солнечного ветра. Между тем твердое космическое вещество сильно обеднено благородными газами: количество благородных газов в метеоритном веществе на много порядков ниже любых значений, возможных для первичной солнечной небулы.

Метеориты содержат захваченные и in situ благородные газы.

Образованные in situ компоненты благородных газов включают радиогенные изотопы, порожденные радиоактивным распадом с известной скоростью, и космогенные нуклиды. Последние продуцируются первичными и вторичными частицами галактического космического излучения, которые могут проникать в верхний метровый слой пород и взаимодействовать с определенными атомами-мишенями. Образованием космических нуклидов с помощью значительно менее энергетичных частиц солнечного ветра можно пренебречь, так как они проникают в минеральные поверхности только на очень малые глубины (Шуколюков и Данг By Минь 1984). Более того, для большинства образцов метеоритов абляция, которой метеорит

подвергается во время прохождения через земную атмосферу, является причиной потери верхнего слоя, содержащего образованные солнечными космическими лучами благородные газы.

Некоторые радиогенные изотопы благородных газов (например, 4Не, образованный в результате U, Th распада, 40Ar, образованный в результате распада 40К распада, 129Хе - результат распада 1291) широко и успешно используются в хронологии

3 21 38

Солнечной системы. Космогенные изотопы (например, Не, Ne, Ar) дают ценную информацию об орбитальной истории метеоритов, помогают распознать парные падения метеоритов на Землю и установить одновременный выброс метеоритов с родительского тела.

Захваченные. благородные газы являются компонентами, образованными вне метеоритного вещества и захваченные им каким-либо образом во время его формирования или в ходе последующих событий. Различают захваченные газы планетарного и солнечного типа. Это различие основано на элементных и изотопных соотношениях газов. Следует отметить, что в обоих типах присутствуют все изотопы благородных газов. Захваченные газы солнечного типа наблюдаются в метеоритах, подвергшихся облучению Солнцем в космическом пространстве. Такие породы содержат имплантированные частицы солнечного ветра (солнечный ветер - постоянное радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство). Захваченные газы солнечного типа характеризуются крутопадающими зависимостями между соотношениями распространенностей элементов, т.е. высоким количеством наиболее легких газов Не и Ne в сравнении с тяжелыми. Например, захваченные газы солнечного типа постепенно накапливаются в реголите астероидов - в тонкозернистом пылевом материале, подвергающемуся облучению на поверхности астероидов.

Для захваченных газов планетарного типа характерно существенное обогащение тяжелыми газами относительно космической или солнечной распространенности (Signer and Suess 1963). "Планетарные" благородные газы несут информацию о досолнечной истории и протоистории нашей Солнечной системы: они представляют собой различные первичные компоненты, которые характеризуются уникальными изотопными (иногда также элементными) составами и которые захвачены особыми минеральными фазами (Ott 2002). Некоторые из этих фаз-носителей были идентифицированы как межзвездные или "досолнечные" зерна, которые прошли через процессы переработки вещества в ранней солнечной небуле и находятся в большом количестве в примитивных метеоритах. Газы планетарного типа, захваченные

досолнечными зернами (алмаз, SiC, графит), показывают аномалии в своих изотопных составах, которые отражают специфические процессы нуклеосинтеза в звездах (Ott 2002).

Дифференцированные SNC-метеориты - считается, что они марсианского происхождения - содержат благородные газы, захваченные из атмосферы Марса и внутренних сфер их эволюционировавшей родительской планеты.

Наконец, благородные газы могут быть захвачены в тот момент, когда малые тела освобождают большие количества прежде аккумулированных газов во время больших астероидных столкновений. Некоторые породы, вероятно, нагреваются и захватывают газы, перераспределенные ударными событиями.

Кроме вышеупомянутых хорошо известных компонентов благородных газов, которые имеют довольно определенные составы с правдоподобными теориями их происхождения, изотопный состав благородных газов в некоторых метеоритах или их составляющих компонентах является аномальным и едва ли может быть отнесен к известным компонентам или процессам: их изотопные вариации не могут быть просто объяснены зависящим от массы изотопным фракционированием, делением нуклидов или ядерными реакциями. Например, изотопно-аномальный ксенон был определен в богатых кальцием и алюминием включениях углистого хондрита Allende (Jordan et al. 1980; Kirsten et al. 1984; Shukolyukov et al. 1994).

3. РОДСТВЕННЫЕ МЕТОДЫ ИЗОТОПНОГО ДАТИРОВАНИЯ:

40K-40AR и 40 AR-39 AR

Геохронологические методы базируются на естественном радиоактивном распаде ядер определенных родительских изотопов с образованием дочерних изотопов. Радиоизотопные часы начинают работать с уравновешением дочерних изотопов, то есть когда изотопы, генерируемые радиоактивным распадом, начинают накапливаться количественно в твердых фазах, составляющих породу. Изотопные хронометры не всегда датируют время кристаллизации породы из расплава, а могут быть нарушены термальными событиями, вызывающими диффузию дочерних изотопов, или даже быть полностью переустановлены, датируя вторичное событие. Возраста могут быть также возрастами остывания, т.е. датировать время после охлаждения - ниже определенной температуры закрытия системы.

Полная переустановка изотопного хронометра означает, что накопленные дочерние изотопы или теряются из породы (как, например, часто в случае нуклидов

8

благородных газов 40Ar, 4Не, 129Хе), или изотопно уравновешиваются с естественно

87

образующимся дочерним изотопом в различных минеральных фазах (например, Sr и 86JSr, 143Nd и I44Nd? или радиогенные изотопы РЬ относительно 204РЬ). Диффузия критически зависит от характерных параметров диффузии минералов (энергии активации, частотного фактора), размеров зерна, температуры и задействованного - от того, что определяет температуру закрытия системы, ниже которой диффузия не эффективна. Различные минералы с индивидуальными температурами закрытия часто несут разные родительские изотопы, отсюда различные хронометры, применяемые к одной породе, могут давать разные возрастные значения, которые указывают либо на разные геологические события, либо связаны с остыванием породы.

3.1. 40К-40Аг метод

40К-40Аг датирование - проверенный и испытанный метод датирования, разработанный в 1950-е годы (Smits and Gentner 1950; Gentner et al. 1953 a,b; Wasserburg and Hay den 1955). Он основывается на определении соотношения дочернего изотопа и его радиоактивного родительского изотопа, то есть 40АгРад./40К:

40Аград/40 К = [(Хе+),\)/Х] * [exp(Xt)-l]

где Аград — число атомов Ar, образованных в результате распада

40К; 40К _

40т^ i " 40 * "

число атомов К; А является полной константой скорости распада Ar, равной

(X.e+A,"e