Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Изотопы гелия в алмазах из метаморфических пород Кокчетавского массива

ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата химических наук, Плешаков, Андрей Михайлович, Москва

„7" 1

Р о с с и й с к а я А к а д е м и я Наук Институт reo химии и аналитической химии

им. В. И. Вернадского

Андрей Михайлович Плешаков

Изотопы гелия в алмазах из метаморфических пород К о к чет а в с к о г о массива

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата химических наук

04-00-02 - геохимия

Научные руководитеи: профессор д.х.н. Ю.А.ШУКОЛЮКОВ д.г-м.н. А.Б.ВЕРХОВСКИЙ

г.Москва, 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................4

Цели и задачи работы.............................................................5

Актуальность работы..............................................................6

Научная новизна....................................................................6

Практическая значимость.........................................................7

Фактический материал............................................................7

Структура и объем работы.......................................................8

Апробация работы.................................................................9

Благодарности......................................................................9

Глава I. Современные представления о распространенности

изотопов гелия.............................................................. 10

1.1 История изотопной геохимии гелия......................................... 10

1.2 Изотопы гелия.................................................................14

1.3 Гелий в геосферах.............................................................22

1.4 Радиогенный гелий земных оболочек................................... 27

Глава II Изотопный состав гелия в алмазах

и первичный гелий Земли.................................................30 .

2.1 Вариации отношений 3Не/4Не в алмазах................................30

2.2 Алмазы из метаморфических пород Кокчетавского массива...... 41

2.2.1 Геология района............................................................. 41

2.2.2Морфология и свойства кокчетавских алмазов

и состав алмазоносных пород.............................................47

Глава III Аппаратурное обеспечение масс-спектрометрического исследования изотопного состава гелия и других благородных газов в алмазах............................................54

3.1 Способы изотопного анализа гелия......................................54

3.2 Статический однокаскадный масс-спектрометр МИ1201ИГ.......58

3.2.1 Аналитическая часть масс-спектрометра МИ1201ИГ................62

3.3 Регистрация ионов в счетном режиме....................................70

3.4 Система выделения, очистки и разделения благородных газов.... 76

е результаты и их обсуждение...........................82

таты изотопного анализа гелия кокчетавских алмазов

1Я низко- и высокотемпературных фракций)..........82

;тав гелия алмазоносных метаморфических

вского массива...............................................93

состав гелия в минеральных фазах, выделенных роксеновой породы методом селективного ..................................................................96

Заключение..........

Список литературы

172

ВВЕДЕНИЕ

Особое место элементов нулевой группы Периодической системы Д.И.Менделеева при исследовании происхождения и эволюции земного вещества определяется не только отсутствием у них химической активности, а следовательно, возможностью пренебрегать химическими процессами, но и тем, что изотопные вариации инертных газов, обусловленные радиоактивным распадом и ядерными реакциями, существенно превосходят изотопные вариации других элементов, контрастно фиксируя процессы эволюции вещества. Первенство в широте возможных вариаций изотопного состава принадлежит гелию. Различия масштабов генерации легкого и тяжелого изотопов гелия в ядерных процессах и его высокая миграционная способность позволяют особенно эффективно использовать этот элемент при изучении эволюции и строения геосфер.

Наблюдаемый исследователями широкий спектр вариаций изотопного состава гелия в земных образованиях является прямым следствием геологической эволюции, характеризующейся возрастающей дифференциацией вещества, все большего распространения минералов с более высокой степенью концентрации элементов.

Эволюция изотопного состава гелия Земли прошла по пути от изначально усредненного на момент формирования Земли до специфически дифференцированного изотопного состава гелия геосфер (а на макро- и микро уровне - пород и минералов). Гелий, содержащийся в различных природных образованиях, является сложной компонентной смесью (под компонентом здесь понимается не только гелий определенного и однородного резервуара, с характерным для него изотопным составом, но и гелий определенного происхождения).

Эволюционная специализация изотопного состава гелия - следствие процессов дифференциации вещества Земли, радиоактивного распада и ядерных реакций - усложнятся действием Второго начала термодинамики, т.е. выравниванием концентрации веществ в любой части системы. В масштабе Земли это проявляется в восходящем потоке гелия в направлении "мантия-кора-атмосфера-космос". Диффузионные процессы, связанные с движением системы к термодинамическому равновесию, приводят к смешению гелия различных резервуаров и усложнению его компонентного состава. Соотно-

шения компонентов, определяющие наблюдаемый изотопный состав, могут быть очень разными, включая самые удивительные, свидетельствуя об особенностях эволюции конкретного образования.

За пятьдесят лет с начала систематических исследований изотопного состава природного гелия были выявлены основные общие закономерности образования его изотопов и их распределения в атмосфере, коре и мантии Земли. Современные направления дальнейшего развития геохимии изотопов гелия заключаются в следующем:

- в углубленном изучении механизмов образования изотопов гелия в естественно-природных условиях;

- при изучении конкретных природных образований - в определении на основе оценок изотопного и компонентного состава их генезиса;

- в исследовании обменных процессов между основными природными резервуарами.

Цели и задачи работы

Настоящая работа является частью исследований, проводимых в Лаборатории изотопной геохимии, космохимии и геохронологии, направленных на изучение общих закономерностей в распределении изотопов гелия в геосферах; установление четких корреляций между отношением 3Не/4Не и химическим составом пород и минералов.

Среди минералов, исследования которых позволили бы расшифровать общие закономерности геохимии гелия, важнейшее место занимают алмазы. Они содержат гелий мантийного резервуара. К началу нашей работы основные особенности гелия алмазов были изучены. Однако, закономерности изотопного состава гелия алмазов из метаморфических пород Кокчетавского массива, были совершенно неизвестны. Поэтому цель данной работы заключалась: в исследовании закономерностей распространения изотопов гелия в микроалмазах из метаморфических пород Кокчетавского массива (Сев.Казахстан); определение источника исходного вещества кокчетавских алмазов.

Однако, возможности широкого использования данных, получаемых при анализе изотопного состава гелия, в нашей стране серьезно ограничены исключительными требованиями к исследовательской аппаратуре. Интересные и содержащие важнейшую информацию вариации изотопных отношений

гелия в пределах 10-ти порядков оборачиваются набором трудно выполнимых требований к исследовательской аппаратуре. Соблюдение этих рекордно высоких аналитических требований доступно далеко не для всякой лаборатории. Именно аналитическими трудностями объясняется дефицит использования гелиевых изотопных данных в изотопно-геохимических исследованиях вещества Земли.

Поэтому другая основная цель, поставленная в данной работе, состояла в создании на базе макетной модели однокаскадного масс-спектрометра МИ 1201 ИГ новой автоматизированной экспериментальной установки с использованием новых аппаратурных и программно-вычислительных принципов исследования микроколичеств гелия и других благородных газов.

Актуальность работы

Исследование изотопного состава гелия микроалмазов из метаморфических пород Кокчетавского массива чрезвычайно актуально:

- во-первых, ввиду того, что механизм образования этих микроалмазов весьма дискуссионен и неясен, изотопные исследования могли бы способствовать решению вопроса об источнике исходного вещества данных алмазов;

- во-вторых, выявление природы изотопных вариаций гелия в микроалмазах, связанной, возможно, с какими-то ядерными процессами, явилось бы вкладом в геохимию радиогенных изотопов вообще и геохимию гелия - в частности;

- в-третьих, существенное развитие техники масс-спектрометрического анализа гелия и других благородных газов - без чего данная работа не могла быть выполненной - представляется очень своевременным ввиду потребности геохимии изотопов благородных газов в более чувствительной, точной и экспрессной аналитической технике.

Научная новизна работы состоит в том, что при ее выполнении:

- впервые в истории исследования гелия обнаружены природные объекты -микроалмазы метаморфических пород Кокчетавского массива -, в которых соотношения изотопов 3Не/4Не достигает значения 1-КЗ, т.е. в 104 раз выше, чем в первичном гелии Земли, а абсолютная концентрация изотопа

3Не достигает 1x10"7 см3/г, т.е. в «104 раз превышает ранее известные концентрации 3Не в алмазах;

- впервые при изучении алмазов обнаружено, что изотопы 3Не и 4Не занимают в них различные кристаллохимические позиции и мигрируют при разной температуре (600°С и 1700°С соответственно) с существенно различной энергией активации;

о

- впервые в геохимии гелия установлено, что аномальный избыток Не в микроалмазах связан с аномально высокой концентрацией трития в тех же размерных фракциях (до 1011 Т.Е.);

- впервые в РФ создана экспериментальная низкофоновая установка на базе однокаскадного масс-спектрометра, позволяющая в режиме счета ионов определять изотопное отношение 3Не/4Не в пределах 8 порядков величины и ультрамалые количества других благородных газов.

Практическая значимость работы состоит в том, что созданная экспериментальная установка и разработанная методика дают возможность проводить изотопные исследования не только для гелия, но и для всех других благородных газов. Это позволяет использовать комплекс в исследованиях по геохимии благородных газов, в практическом развитии и применении методов калий-аргоновой, уран-ксеноновой, теллур-ксеноновой геохронологии.

Разработанный метод и созданная экспериментальная установка позволяют проводить изотопные исследования, как гелия, так и других благородных газов в твердофазных образцах (в том числе - и в высокотемпературных). Методические разработки автора были использованы при конструировании и изготовлении серии масс-спектрометров МИ. 1201.ИГ в ПО "Электрон" (Сумы, Украина).

При непосредственном участии автора, была разработана и поставлена методика изотопного анализа гелия и других благородных газов в Институте минеральных месторождений (Пекин, Китай).

Фактический материал

Фактический материал, положенный в основу работы, заключается в экспериментальных исследованиях, выполненных автором в период с 1990 по 1997 год. За это время была создана лабораторный аппаратурный комплекс, установка для изотопного анализа благородных газов на основе одно-

каскадного газового масс-спектрометра МИ. 1201.ИГ.; выполнено более 300 изотопных анализов гелия. Около сорока анализов изотопного состава азота и углерода коллекции кокчетавских алмазов были выполнены при содействии А.Б.Верховского (Англия, Открытый университет), микрозондовые исследования (20 образцов) были обеспечены участием Эндрю Тиндле (Англия, Открытый университет), исследования на сканирующем электронном микроскопе были выполнены Моникой Греди (Англия, Музей естественной истории), разделение алмазов и примесных фаз было сделано Ульрихом Оттом (Германия, Институт Макса Планка). В работе использованы данные опытов по селективному растворению алмазосодержащих пород, выполненных Фи-сенко A.B., Семеновой Л.Ф.(ГЕОХИ, Черноголовка), А.Ю.Пустяковой (МГУ).

Структура и объем работы

Изложение диссертационного материала построено сообразно поставленным целям и задачам. Работа состоит из четырех глав, введения и заключения. Текстовый материал изложен на 181 странице, проиллюстрирован 72 рисунками, 29 таблицами. Список литературы содержит 129 наименований.

Введение содержит формальные обобщенные сведения о работе. Первая глава является изложением литературного материала, отражающего современные знания в сфере геохимии изотопов гелия. Во второй главе представлены современные представления о распространенности изотопов гелия в алмазах. В третей главе рассматриваются методические приемы изотопного анализа гелия. Описывается разработанный экспериментальный аппаратурный комплекс на базе макетного варианта масс-спектрометра МИ 1201 ИГ, для исследования изотопного состава гелия. В четвертой главе содержится постановка проблемы и результаты исследования изотопного состава гелия алмазов из метаморфических пород Кокчетавского массива. Приводятся опыты по ступенчатому отжигу алмазов различных фракций, по селективному растворению алмазоносных пород. Рассматривается проблема избыточных концентраций изотопов гелия и аномально высокого отношения 3Не/4Не в низкотемпературных фракциях алмазов. Предлагается объяснение природы аномальных избытков гелия-3 низкотемпературных фракций Кокчетавских алмазов. На основании результатов исследования изотопного состава гелия,

азота и углерода Кокчетавских алмазов рассматривается возможный источник протовещества Кокчетавских алмазов.

Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертации докладывались на XIII Симпозиуме по геохимии изотопов. (Москва, декабрь 1992), на XXXVIII международной конференции (Yamada Conference) по геохимии и космохимии благородных газов (Киото, Япония, январь 1994), на восьмом конгрессе Европейского союза ученых-геологов (Страсбург, Франция, апрель 1995), на XIV Симпозиуме по геохимии изотопов (Москва, октябрь 1995), на Гольд-шмитовской конференции (Хайдельберг, Германия, апрель 1996), на Юбилейной сессии ученого совета посвященной 50-й годовщине ГЕОХИ РАН (Москва, апрель 1997). По теме диссертации опубликовано 12 работ.

Благодарности

Работа была выполнена в Лаборатории изотопной геохимии, космохимии и геохронологии Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского Российской Академии Наук под руководством профессора Юрия Александровича Шуколюкова и д.г-м.н. Александра Борисовича Вер-ховского, которым автор выражает особую благодарность. Автор выражает искреннюю благодарность всем своим ближайшим коллегам и друзьям по Лаборатории и по Институту, за плодотворное сотрудничество и поддержку. Большое влияние на результаты работы оказали обсуждения экспериментальных данных с С.Д.Минеевым и В.Б.Поляковым, которым автор выражает искреннюю признательность. Особенно благодарен автор Л.Д.Лавровой и В.А.Печникову за предоставление для исследования коллекции Кочетавских алмазов. Один из основных выводов данной работы был бы невозможен без радиометрических определений концентраций трития, выполненных Г.С.Ануфриевым и Ю.А.Акуловым. Большую помощь в проведении анализов проб алмазов на сканирующем электронном микроскопе оказала Моника Греди (Англия). Считаю приятным долгом выразить благодарность коллегам ПО"ЭЛЕКТРОН" (Сумы, Украина) Н.И.Стародубу и С.Ф.Пронь, без участия которых невозможно было бы обеспечение экспериментальной части работы.

Глава I. Современные представления о распространен н о с ти и з о т о п о в гелия

1.1 История изотопной геохимии гелия

Спустя девять лет с момента открытия американскими физиками Альваресом и Корногом [Alvarez,Kornog,1939] изотопа гелия с массовым числом равным трем, Олдрич и Нир [Aldrich,Nier,1948] опубликовали результаты исследования изотопного состава гелия в тридцати природных образцах и отрекомендовали геохимию гелия, как "многообещающее поле деятельности". Высокая оценка перспектив изучения изотопного состава природного гелия основывалась на экспериментально зафиксированных колебаниях изотопных отношений гелия в изученных образцах в немыслимо широком по тем вре-

5 8

менам диапазоне (1,2x10" ч-2х10"). Из тридцати образцов, было пятнадцать проб природного газа, девять образцов литиевых минералов (бериллы, сподумены) и пять образцов урановых минералов. Гелию было отведено особое положение среди других элементов по причине того, что ни один из стабильных элементов Периодической системы Менделеева не имеет вариаций изотопного состава в таком широком диапазоне, как гелий.

Впоследствии экспериментальные данные других исследователей существенно расширили диапазон возможных изотопных вариаций природного гелия. Так Хлопин и Герлинг (1948), исследуя образец уранового минерала, определили отношение изотопов гелия 3Не/4Не равным 3,5x10"10, а максимально высокие отношения 3Не/4Не до 10"1 были обнаружены [Paneth F., Reasbeck P., 1952] в спалогенном гелии вещества железных и каменных метеоритов.

В интерпретации гигантских вариаций изотопного состава природного гелия исследователи исходили и