Новый 190Pt-4He метод изотопной геохронологии для датирования минералов платины

Якубович, Ольга Валентиновна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Новый 190Pt-4He метод изотопной геохронологии для датирования минералов платины
ВАК РФ 25.00.09, Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Новый 190Pt-4He метод изотопной геохронологии для датирования минералов платины"

едеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

Новый 190р(.4Не метод изотопной геохронологии для датирования минералов платины

Специальность 25.00.09 — геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

На правах рукописи

Якубович Ольга Валентиновна

Санкт-Петербург 2013

28 НОЯ 2013

005542147

Работа выполнена на кафедре геохимии геологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета

Научный руководитель:

доктор химических наук, профессор, профессор СПбГУ Юрий Александрович Шуколюков

доктор геолого-минералогических наук, профессор СПбГУ Марина Валентиновна Чарыкова

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор, профессор НМСУ «Горный», г. Санкт-Петербург Вадим Григорьевич Лазаренков

кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией геохимии изотопов ИГХ СО РАН, г. Иркутск Сергей Игоревич Дриль

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институ геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии геохимии Российской академии наук (ИГЕМ РАН), г. Москва

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 17-00 часов на заседани диссертационного совета Д 212.232.25 по защите докторских кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственно университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская наб д. 7/9, геологический факультет, ауд. 52.

E-mail: e.badanina@spbu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. A. Iv Горького при Санкт-Петербургском государственном университете.

Автореферат разослан « 15 » ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат геол.-мин. наук

Е.В. Баданина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования

Первые попытки определения возраста минералов по содержанию в них 4Не были предприняты еще в начале XX века (Rutherford, 1908). В основе этого подхода лежит а-распад 238U, 235U, 232Th и др., одним из стабильных продуктов которого является 4Не. Однако из-за высокой скорости миграции гелия значения возраста, полученные (U-Th)/He методом сильно занижены относительно других изотопных систем, что делает применение этого метода весьма ограниченным - главным образом областью геотермохронологии, где по доле потерянного минералом гелия реконструируют температурно-временную историю минерала и пород.

Однако обнаруженная во второй половине XX века особенность миграции гелия в технических металлах (Barnes, Mazey, 1963) дает основание предполагать весьма высокую сохранность 4Не в самородных металлах, и, следовательно, рассматривать их в качестве потенциальных минералов-геохронометров.

Целью работы является исследование особенностей миграции радиогенного гелия в кристаллической решетке самородных металлов и экспериментальная проверка возможности датирования самородных минералов платины по радиогенному гелию. Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1) разработка методики масс-спектрометрического определения радиогенного гелия в самородных металлах; 2) определение миграционных параметров радиогенного гелия в самородных металлах; 3) детальный микроанализ самородных металлов; 4) разработка ядерно-физических и изотопно-геохимических основ 190Pt-4He метода 5) датирование самородных минералов платины новым 190Pt-4He методом.

Фактический материал и методы исследования

Образцы самородных минералов платины для апробации 190Pt-4He метода были предоставлены автору: А.Г. Мочаловым (ИГТД РАН), Ф. Рейхом (Университет Аделаиды), А. Кабрал (Университет Клаустхол). Кинетика выделения радиогенного гелия из самородных металлов была изучена на масс-спектрометрическом комплексе МСУ-Г-01-М («Спектрон-Аналит», Санкт-Петеребург, Россия) по образцам из коллекции: Остапенко Л.А. (ЦНИГРИ), Рыцка Е.Ю. (Фонд развития отечественной геологии), Петрова C.B. (каф. ГМПИ), Полеховского Ю.С. (каф. ГМПИ), Иванова Д.В. (каф. ГМПИ), Ронкина Ю.Л. (ИГГ УрО РАН), Бушмина С.А. (ИГТД РАН), Самсонова A.B. (ИГЕМ РАН), У. Реймолда (Университет Берлина), коллекции кафедры минералогии СПбГУ и минералогической коллекции Университета им. Герцена. Рентгено-спектральные исследования были проведены на сканирующем электронном микроскопе Ziess Merlin с ЭДС приставкой Oxford Instruments INCAx-act (МРЦ "Нанотехнологии"), и

также сканирующем электронном микроскопе JSM-6510LA с ЭДС приставкой JED 2200 (ИГГД РАН). Рентгено-стурктурные исследования проводились на приборе Oxford Diffraction SuperNova в РЦ «Рентгено-дифракционные методы исследования». Изотопные отношения осмия были определены с использованием твердофазного масс-спектрометра SPECTROMAT в лаборатории Археометрии, Манхайм, Германия. Определение содержаний урана в образцах золота определялось методом изотопного разбавления на твердофазном масс-спектрометре Finnigan МАТ-261 (ИГТД РАН). Радиографические исследования были выполнена в лаборатории «Геохимии изотопов» (ИГГД РАН), ядерный реактор ИЯФ РАН, Гатчина.

Научная новизна 1) В работе впервые представлены комплексные результаты исследования миграции радиогенного гелия в кристаллической решетке самородных металлов. Показано, что радиогенный гелий в кристаллических решетках самородных металлов обладает аномально высокой термической устойчивостью, обусловленной его нахождением в форме атомных кластеров - пузырьков нанометрового размера. 2) Выявлена основная форма нахождения урана в самородном золоте -субмикронные включения фосфатов редкоземельных элементов. Показано, что ввиду «a-recoil» эффекта весь гелий, образующийся при распаде урана в таких включениях, естественным образом имплантируется в кристаллическую решетку самородного металла. 3) Впервые предложен и теоретически и экспериментально обоснован новый Pt- Не метод изотопной геохронологии. Показано, что гелий выделяющийся из агрегатов изоферроплатины при температурах ниже 1000 °С, не связан с кристаллической решеткой минерала. 4) Разработана оригинальная методика выделения радиогенного гелия из самородных металлов, позволяющая существенно понижать его температуру экстракции, что значительно упрощает процедуру определения 190Pt-4He возраста. 5) В работе приведены результаты определения возраста агрегатов платины разных минералого-геохимических типов из 6 различных месторождений платины, как на территории России: Кондер, Инагли, Чад, Гальмоэнан, так и за ее пределами: Файфильд, Серро. На примере сперрилита PtAs2 показана принципиальная возможность использования 190Pt-4He метода для датирования полуметаллических фаз. Показано, что 190Pt-4He метод может быть успешно применен для определения возраста платиновой минерализации из дунит-клинопироксенитовых и щелочно-ультраосновных массивов.

возможность определения прямого изотопного возраста таких объектов, позволяющего выявить условия рудогенеза и источники рудного материала. Разработанный 190Pt-4He метод представляет собой уникальную возможность такого прямого изотопного определения возраста платиновой минерализации. Применение Не метода к россыпным

месторождениям платины дает хорошую возможность для поиска коренных источников рудного вещества. Установленные особенности миграции радиогенного гелия в самородных металлах открывают принципиальную возможность для прямого датирования по радиогенному гелию всех самородных металлов.

Защищаемые положения

1. Радиогенный гелий в кристаллической решетке самородной платины и других самородных металлов обладает очень высокой термической устойчивостью - вплоть до температуры их плавления.

2.Главным источником радиогенного гелия, присутствующего в самородных минералах платины, является изотоп

Скорость

образования радиогенного гелия при а-распаде 190Pt обеспечивает его накопление в самородных минералах платины в количестве, достаточном для надежных масс-спектрометрических измерений.

3.190Pt-4He метод изотопной геохронологии может быть использован для определения возраста платиновой минерализации, связанной с дунит-клинопироксенитовыми и щелочно-ультраосновными комплексами.

Апробация и публикации

Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на всероссийских конференциях «Изотопные системы и время геологических процессов» (ИГГД РАН, Санкт-Петербург, 2009; ИГЕМ РАН, Москва, 2012), «Самородное золото: типоморфизм минеральных ассоциаций, условия образования месторождений, задачи прикладных исследований» (ИГЕМ РАН, Москва, 2010), «Новые горизонты рудо и магмообразования» (ИГЕМ РАН, Москва, 2010), XIX и XX симпозиумах по геохимии изотопов (ГЕОХИ РАН, Москва, 2010, 2013), международных конференциях STRANN (СПбГУ, Санкт-Петербург, 2011, 2012), «Ультрабазит-базитовые комплексы складчатых областей и их минерагения» (Улан-Удэ, 2012). Результаты исследования были представлены также на Генеральной ассамблее Европейского Геологического союза (EGU, Вена, 2012) и на конференции Goldschmidth (Прага, 2011, Флоренция, 2013). Результаты проведенных исследований обсуждались на специализированных конференциях и семинарах: International Conference of Thermochronology (Глазго, 2010), DINGUE3 (Флоренция, 2013). По результатам исследования опубликовано 5 статей в журналах, включенных в международную систему цитирования.

Работа была выполнена при финансовой поддержке РФФИ

(проекты 10-05-0032 la, 10-05-00030а, 11-05-12046-офи-м-2011, 11-05-12048-офи-м, 12-05—31447, 13-05-00717) и Темплана НИР СПбГУ (проект 3.31.590.2010), а также гранта компании Carl Zeiss. Благодарности

Автор выражает искреннюю благопарность и признательность своему научному руководителю

Ю.А. Шуколюкову

за возможность

работать над этой темой под его чутким руководством и за тот неоценимый вклад, который он сделал для того, чтобы эта работа была выполнена. Автор также признателен М.В. Чарыковой за согласие руководить финальным этапом этой диссертационной работы. Автор выражает благодарность А.Г. Мочалову за предоставление уникальных агрегатов платины и минералого-геохимическую поддержку на протяжении всего исследования. Автор благодарит сотрудников лаборатории Изотопной геологии ИГГД РАН: А.Б. Котова, Е.Б. Сальникову, С.З. Яковлеву за всестороннюю помощь, а также Б.М. Гороховского, А.П. Иванова, В.А. Леднева, Б.М. Воронина за техническую поддержку этого исследования. Автор признателен М. Браунсу за помощь

за проведение

А.Н. Комарову

в измерении изотопного состава осмия, радиографического исследования, и Ю.Л. Плоткиной за нанотомографическое исследование образцов. Автор благодарит также всех сотрудников МРЦ «Нанотехнологии» и «Рентгено-дифракционные методы исследования».

Автор благодарит всех исследователей, предоставивших материалы для этой работы: Ф. Рейха, А. Кабрала, Л.А. Остапенко, Е.Ю. Рыцка, C.B. Петрова, Ю.С. Полеховского, Д.В. Иванова, Ю.Л. Ронкина, С.А. Бушмина, A.B. Самсонова, У. Реймолда , C.B. Яблокову, С.И. Корнеева. Автор признателен А.К. Худолею и А.Ю. Шуколюкову за оказанную помощь и поддержку.

Объем и структура работы

Диссертация объемом 125 страниц состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 101 наименование, содержит 55 рисунков и 9 таблиц. В первой главе приводится литературный обзор по проблеме исследования, в главе 2 описываются основные лабораторные методы, в главе 3 описаны объекты исследования, в главах 4-5 приведены основные результаты работы.

ОБОСНОВАНИЕ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЙ

Положение 1. Радиогенный гелий в кристаллической решетке самородной платины и других самородных металлов обладает очень высокой термической устойчивостью - вплоть до температуры их плавления.

Радиогенный гелий очень легко мигрирует из кристаллической решетки большинства минералов, однако существует группа минералов — самородные металлы - в которых его сохранность может оказаться аномально высокой. Во-первых, самородные металлы, особенно благородные самородные металлы, имеют очень высокую объемную плотность. Прямая связь между долей свободного пространства в минерале и скоростью диффузии гелия в нем была показана в пионерских работах Э.К. Герлинга (Герлинг, 1939). Во вторых, гелий имеет очень устойчивую электронную оболочку, и, следовательно, растворяясь в кристаллической решетке металла, сильно меняет распределение электронной зарядовой плотности в ней. Расчеты электронной структуры чистых металлов и системы металл-гелий, показали, что вычисленная энергия растворения имеет положительные значения (Коротеев и др., 2009). Многочисленные экспериментальные данные подтверждают, что гелий действительно очень плохо растворяется в кристаллической решетке металлов, и что он может проникать в объем металла лишь в особых условиях, например, в процессе имплантации (облучения а-частицами).

Источники радиогенного гелия в самородных металлах. В самородных металлах всегда содержится некоторое количество а-радиоактивных изотопов. Так, например, среднее содержание урана в самородном золоте составляет величину порядка 10 ррЬ (Е^ег аг а]., 1995). В некоторых случаях, например, в месторождении Витватерсранд содержание урана в золоте может достигать 400 ррш. Распределение урана в золоте, как правило, сильно неоднородно (рис.1). В результате детального

микроанализа образцов удалось показать, что основной формой нахождения урана в золоте являются субмикронные

В ^

рй - $ % > х >4> \,

■щ

ШОмго

Рис 1. Треки в синтетическом фторфлогопите от нейтронно-

индуцированного распада урана в самородном золоте (А) многолучевая звезда от включения урансодержащего минерала в самородном золоте из месторождения Чудное (Полярный Урал); (В) зоны обогащенные и обедненные ураном в самородном золоте из месторождения Нестеровское (Полярный

14 2

Урал). Флюенс нейтронов ~ 10 н/см

включения фосфатов редкоземельных элементов (рис.2). Размер этих включений настолько мал, что а-частица, образовавшаяся при распаде урана, пролетает их насквозь и имплантируется в структуру самородного золота (a-recoil эффект). Таким образом, миграция радиогенного гелия из самородных металлов определяется его поведением в кристаллической решетке металла.

Для изучения особенностей миграции радиогенного гелия в самородных металлах была исследована кинетика выделения гелия из более чем 60 образцов различных самородных металлов: в основном золота, платины, а также серебра, меди, железа. Изучение кинетики выделения проводилось методом ступенчатого отжига на масс-спектрометрическом комплексе МСУ-Г-01-М. На рис. 3 представлены графики термодесорбции

радиогенного гелия из различных самородных металлов. Видно, что большая часть радиогенного гелия выделяется из металлов при температуре близкой к температуре плавления этого металла, при этом выделение радиогенного гелия происходит резко, взрывообразно. Однако для ряда образцов на кривой термодесорбции радиогенного гелия также наблюдается и низкотемпературный пик. В случае самородного серебра доля гелия выделяющегося при относительно низкой температуре может быть даже сопоставима с содержанием гелия в основном,

высокотемпературном пике.

Ранее было высказано предположение (Villa et al., 1997), что гелий, который выделяется из самородного золота при относительно низких температурах, связан с газовыми включениями.

Однако подобные же низкотемпературные пики в некоторых случаях удается наблюдать и при

гелия из самородных металлов термодесорбции гелия из

•fe- - температура плавления металла технических металлов,

Рис 2. BSE изображение поверхности самородного золота (светлое) с субмикронными включениями

урансодержащих фосфатов

редкоземельных элементов (темно серое). Самородное золото из месторождения Педролампи, Карелия

'Не дл Си

. Pt>Fe

Рис 3. Кинетика термодесорбции радиогенного

которые заведомо не содержат никаких газово-жидких включений (Клявин и др., 2008, Запужный и др., 2001). Дополнительно к этому наблюдению, нами была также отмечена, хорошая корреляция между содержанием 4Не, выделяющегося в низко- и высокотемпературных областях для самородного золота, меди, серебра (рис. 4а), и отсутствие подобной корреляции для самородных агрегатов платины (рис. 46).

з -

'«оГ ♦♦♦ О^ег

Асоррег

|ойгТ, ■'Не 1п X10" аЬзпк

Ые1) Т. "Не ...

1пкЮ" Ь

аиш! д р|а1тит

_ д_ л_ д___

1ожТ, 4Не1пхЮ"а1оп15

Рис 4. (А) корреляция между содержанием радиогенного гелия, выделяющегося в низко и высокотемпературных областях в самородном золоте, серебре, меди; (Б) отсутствие корреляции между содержанием радиогенного гелия, выделяющегося в низко и высокотемпературных областях для самородных минералов платины.

Расчет миграционных параметров миграции радиогенного гелия в металлах

Существует два основных подхода для описания миграции радиогенного гелия из минералов: это формализм мономолекулярной химической реакции первого порядка (односкачковая модель) (1) и диффузионная модель (2).

¿Не _ , „ , .

(1) где ^0 -частотнь™ фактор , Е — энергия активации

Е миграции, Я - газовая постоянная, Т - абсолютная

к = ка ■ в КТ температура

(2) = '

к1 где О — диффузионный коэффициент, I - время, Л-

2 £) радиус зерна, п - натуральное число, Е - энергия

В = л - —— активации миграции, Я - газовая постоянная, Т -

Л абсолютная температура

о = о-е

ЯГ

Принципиальным отличием этих моделей является то, что диффузионная модель оперирует размерами зерна, а односкачковая нет. Таким образом, в области определения значений энергии активации миграции гелия модели дают близкие результаты, а интерпретация предэкспоненциального множителя различна. Для расчета миграционных параметров миграции радиогенного гелия в самородных металлах нами был выбран формализм мономолекулярной химической реакции первого порядка (Якубович и др., 2010).

1390 1280 1190 1430 1390 1350 T.K

Nesterovskoe

E=84\

K-C.510я \

E=181 \ kj=5.110я \

X .1

£ „

V-3 с с

Е=55 \ кгЭ.ПО* \

Е=176 \ к.=2,110" \

Си'

0.00072 0.00078 0.00084 0.00070 0.0007 0.000741/Т, К 1470 1390 1320

Рис 5. Расчет миграционных параметров гелия в кристаллической решетке самородных металлов

(высокотемпературный

0.00068 0.00072 0.00076 диапазон).

Миграционные характеристики 4Не в самородных металлах

определялись для

низкотемпературного и

высокотемпературного диапазонов отдельно, исходя из предположения, что наличие этих пиков связано с нахождением гелия в различных энергетических положениях в структуре металла. На рис. 5 приведен пример расчета

миграционных параметров для высокотемпературной области. Видно, что при температуры плавления металла

температурах на 100-200°С ниже миграция радиогенного гелия сильно затруднена, т.к. значения энергии активации достигают огромных значений в 180 ккал/моль. Это больше, чем энергия активации миграции ксенона из циркона, где отмечается полная сохранность радиогенного изотопа в течение миллиардов лет. Обращают на себя внимание аномально высокие, на несколько порядков больше чем теоретически возможные для колебаний одиночных атомов значения частотного фактора. Однако при достижении температуры плавления, механизм термодесорбции 4Не из металла меняется, энергия активации и частотные факторы принимают нормальные для миграции одиночных атомов значения (Шуколюков и др., 2012а). Такие особенности термодесорбции радиогенного гелия свидетельствуют об особенной форме его нахождения в кристаллической решетке самородных металлов. Этот особый механизм термодесорбции, по-видимому, таков же, что и в технических металлах. Гелий в виду своей крайне низкой растворимости в кристаллической решетке металла, мигрирует к различного рода стокам, дефектам и собирается в атомные кластеры - пузырьки нанометрового размера. Изображения подобных гелиевых пузырьков в различных конструкционных материалах и металлах были получены различными методами уже довольно давно (например, Ruedl, Schiller, 1979, Jäger et al., 1983; Van Sielen et al., 1992 и др.). Именно такая особенность нахождения радиогенного гелия и обеспечивает практически полную его сохранность в кристаллической решетке самородных металлов, вплоть до температуры их плавления.

Помимо температурного воздействия существует еще один механизм, который мог бы привести к потерям 4Не из металла. Известно,

что после деформаций изоферроплатина меняет свою кристаллическую решетку. Однако проведенные нами экспериментальные исследования показали, что подобного рода перестройки решетки, в пределах погрешности измерения, не приводят к потере радиогенного гелия минералом.

Положение 2. Главным источником радиогенного гелия, присутствующего в самородных минералах платины, является изотоп 190Р1. Скорость образования радиогенного гелия при а-распаде 190Р1 обеспечивает его накопление в самородных минералах платины в количестве, достаточном для надежных масс-спектрометрических измерений.

Природная платина состоит из 6 изотопов, два из которых 190Р1 и 192Р1 а-радиоактивны (табл.1). Период полураспада 192Р1 в 37000 раз больше, чем (Тауагез е1 а!., 2006), относительная же

распространенность его только в 58 раз больше, чем 190Р1. Поэтому можно пренебречь накоплением 4Не в самородном минерале платины за счет радиоактивного распада 192Р1. По такой же причине можно не учитывать а-распад радиогенного 1860б. Таким образом, основным источником радиогенного гелия в самородных минералах платины является изотоп 190Р1.

Таблица 1. Изотопные характеристики природной платины

отн. распр., % 0.01296 0.78267 32.9672 33.8318 25.2419 7.1636

изотоп 190р, >92р, 194р, 195Р1 ,96р, 198р,

период полураспада Т,л=4,6910" лет Тш«! 1015лет стаб. стаб. стаб. стаб.

"Не ОБ Тш» 1 ю15 лет "Не 1880з стаб.

4Не стаб.

Расчеты показывают, что в минералах платины накапливается достаточное для надежных измерений количество платиногенного 4Не (рис.6). Однако в самородных минералах платины всегда возможно присутствие примеси урана и тория, которые также могут давать вклад в накопление радиогенного гелия в минерале. Однако учитывать ураногенный (торигенный) гелий имеет смысл только в том случае, если содержание урана (тория) в структуре платины превышает десятки ррЬ (при возрасте моложе 2 млрд. лет) (Шуколюков и др., 20126).

10-1

ю-5

10-*

ю-? 4

1И | _

ю-5 |

4Не (см /г)

В соответствии с законом радиоактивного распада концентрация радиогенного 4Не связана

с концентрацией радиоактивного уравнению (3):

Р1 согласно

Я I г 190 -1

(3)

где -концентрация платиногенного гелия (атомы) ,

190 Р( - концентрация изотопа платины 190Р1 (атомы, относительная распространенность 0.01296%), Я/да -скорость распада, г — время

Следовательно, схема сводится к определению концентрации радиогенного гелия и содержания платины в образце. В этом случае возраст может быть рассчитан по уравнению (4):

Рис 6. Скорость накопления радиогенного гелия в платине

90Р1-4Не датирования

(4) с=-г!—1п

Не„

и р1

где Нер, -концентрация платиногенного гелия (атомы), - концентрация изотопа платины Р1 (атомы), X¡да — скорость распада (1,477х10"12 год"1)

Положение 3. | "'1,1-4Не метод изотопной геохронологии может быть использован для определения возраста платиновой минерализации, связанной с дунит-клинопироксенитовыми и щелочно-ультраосновными комплексами.

Для экспериментальной проверки возможности 190Р1-4Не датирования агрегатов платины нами были выбраны хорошо изученные образцы

изоферроплатины из щелочно-ультраосновных массивов Кондер, Инагли, Чад (Алданский щит), а также агрегаты изоферроплатины и иридистой платины из дунит-клинопироксенитовых массивов Файфильд (Австралия) и Гальмоэнан (Корякия). Дополнительно была изучена возможность 190Р1-4Не датирования полуметаллического

соединения платины - сперрилита (Р1Аэ2) из массива Кондер.

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 о

Рис 7. радиогенного (В. Нейва, понижение радиогенного

Кривая термодесорбции гелия из изоферроплатины Урал), показывающая температуры выделения гелия из платины при

добавлении технической чистой меди.

Методика ,90Р1-4Не датирования. В данное работе содержание определялось различными способами: в образцах из щелочно-

500 1000 1500 2000

Не, доля

"бурст" эффект

ультраосновного массива Кондер и дунит-клинопирокесенитового массива Гальмоэнан содержание Рг было определено на рентгеноспектральном микроанализаторе «Сашеса». Общее содержание платины рассчитывалось исходя из поправки на минеральные включения, доля которых определяется на основе ситовых, минералогических, минераграфических, химических анализов и измерении плотности проб «шлиховой платины» (Мочалов и др., 2002). Для самородков платины из массивов Инагли, Чад и Файфильд содержание платины определялось методами рентгеноспектрального анализа с математической поправкой на процент различных минеральные включений.

Для измерения содержания радиогенного гелия был Си /? После использован масс-

Р1 Цй спектрометрический комплекс

' * " МСУ-Г-01-М, который был

специально модернизирован

До:

У-

Си для решения этой задачи

р( (Шуколюков и др., 2012а).

\ Поскольку полностью

радиогенный гелий выделяется

т, о г, , .. только при температуре

Рис ». Изоферроплатина с технически чистои г г

медью в кварцевой ампуле до и после близком к температуре нагрева в вакууме до температуры 1400°С. плавления образца, была

предложена оригинальная

методика понижения температуры термодесорбции радиогенного гелия из самородного минерала платины. Суть этой методики сводится к добавлению определенного количества технически чистой меди к платине. При нагреве медь реагирует с платиной, и температура плавления вновь образовавшегося сплава понижается до примерно 1400°С (рис. 7,8). Такой подход позволил легко определять содержание радиогенного гелия в самородных агрегатах платины.

При выделении гелия из кристаллической решетки самородных металлов на кривой термодесорбции иногда появляется низкотемпературный пик. Отсутствие корреляции содержания радиогенного гелия в низкотемпературной и в высокотемпературной областях для самородных минералов платины (рис. 46) позволяет предполагать, что низкотемпературный пик не связан с кристаллической структурой платины. Таким образом, для расчета 190Р1-4Не возраста необходимо использовать только тот гелий, который выделяется непосредственно при температуре близкой к температуре плавления металла.

Полученные экспериментальные данные по содержанию платины и гелия в образцах были использованы для построения 190Р1-4Не изохрон в

системе координат 4Не - 190Р1. Такое графическое представление

результатов, позволяет оценить возможный вклад поверхностной контаминации гелием (за счет эффекта а-е]ес1лоп). В случае отсутствия подобной контаминации в этой системе координат изохрона должна пересекать начало координат. При высоком уровне фона пересечение с осью ординат должно

соответствовать содержанию гелия, выделяющегося при холостом опыте, тангенсу угла наклона изохроны.

Рис. 9. (А) двойник изоферроплатины магматогенно-метасоматического Рь типа, массив Кондер; (Б) изоферроплатина флюидно-

метаморфогенного Р1>1г-типа в срастании с хромитом, массив Кондер.

3Р1-4Не возраст рассчитывается по

сттеууритшт Р1

Р1>Ь-РС "

______К >к?1(ат^.20*0

10000 20000 30000 40000 50000

"Не (ат. • 1011)

мсРП'ат.:- Ю'-П

Рис. 10. 190Р1-4Не изохрона для агрегатов изоферроплатины Р1>1г и Р1 и Р12 типов массива Кондер и зерен сперрилита из этого же массива. Тангенс угла наклона для Ре>1г типа 0,0001794, для Р1 типа 0,0001853, для Р£2 типа 0,0000120 и для сперрилита 0,0001792. Возраст рассчитанный по тангенсу угла наклона - 121±6, 125±6, 8±4 и 122±6 млн.лет соответственно.

Возраст платиновой минерализации массива Кондер

Для геохронологических

исследований была выбрана

изоферроплатина и сперрилит магматогенно-метасоматического Р^типа (рис. 9а) и изоферроплатина флюидно-метаморфогенного РР-1г-типа (рис. 96), выделенная из проб соответственно титаномагнетит-биотит-амфибол-клинопироксеновых метасоматических пород и хромитов и дунитов. В изоферроплатине Р1>1г-типа и ассоциирующих с ней хромшпинелидах ранее были описаны включения эгирина, флогопита, роговой обманки и биотита, которые образовались за счет привнесенных в дуниты щелочных компонентов. Таким образом, использованные для исследований образцы относятся к последним генерациям минералов платиновой группы массива Кондер и в соответствии с геологическими данными, скорее всего, имеют мезозойский возраст (Мочалов, 2005; МосЬаЬу, КЬогозЫ1оуа, 1998).

Возраст, определенный для платиновой минерализации Р1 и Рр-1г типов на массиве Кондер, в пределах погрешности измерения совпадает и составляет 125±6 и 121±6 млн. лет соответственно (рис. 10). Полученное значение возраста находится в хорошем соответствии с независимыми геохронологическими измерениями (табл. 2).

Таблица 2. Сопоставление ,90Р1:-4Не возраста со значения возрастов (млн. лет) полученных для массива Кондер другими методами

l90Pt-4He 40Аг/39АГ Rb-Sr Sm-Nd U-Pb K-Ar (U-Th)/He палеомагнитный возраст

123±6 120±1* 126±1А 131±35А 125±2' бадделиит 50-160+ 10±8 апатит современность-палеозой*

*Cabri et al., 1998; Л Ефимов и др., 2012; 'Ронкин и др., 2013; + Каретников, 2005

l90Pt-4He платиновой проведено датирование кубические совершенно

Рис. 11. Образец «молодого» кристалла изоферроплатины Pt-типа, массив Кондер.

Особый интерес представляют данные, полученные для части кубических кристаллов изоферроплатины Pt типа (рис. 11). Возраст, определенный для этих минералов, оказался почти современным - 8±4 млн. лет. Для того чтобы проверить, действительно ли полученный возраст соответствует возрасту минерализации, нами было

190г.. 186,-,

дополнительное Pt- Os

этих образцов. Изученные кристаллы изоферроплатины не содержали примеси обыкновенного осмия, что позволило рассчитать их 190Pt-186Os возраст, который составил 9,7±2,1 млн лет. Полученные данные по независимой 190Pt-186Os системе находятся в хорошем соответствии с данными 190Pt-4He датирования. Это, по-видимому, свидетельствует, что образование этой платиновой генерации происходило в коровых условиях в относительно современное время.

Значение 190Pt-4He возраста, полученное по сперрилиту из массива Кондер - 122±6 млн. лет - в пределах ошибки измерения совпадает со значением возраста, полученного по изоферроплатине, и значительно древнее, чем K-Ar и (U-Th)/He возраста. Это подтверждает предположение об аномально высокой устойчивости ,90Pt-4He изотопной системы в этом полуметаллическом соединении (экспериментально определенное значение энергии активации миграции гелия в этом минерале достигает 215 ккал/моль), что позволяет рассматривать сперрилит как

190т- '

потенциальный

что

uPt-4He геохронометр.

Возраст платиновой минерализации массивов Инагли и Чад

Для 190Pt-4He датирования были выделены агрегаты изоферроплатины из щелочно-ультраосновных массивов Инагли и Чад. Содержание платины в них колебалось от 70 до 75,3 масс %, и от 75,8 до 79,7 масс % соответственно. Полученные экспериментальные данные по содержанию радиогенного гелия были использованы для построения 190Pt-4Не изохрон. Определенный для массива Чад 190Pt-4He возраст - 110±5 млн. лет. Это значение возраста хорошо согласуется с общими геологическими наблюдениями и имеющимися единичными определениями возраста (ранее палеомагнитным методом возраст массива был определен как 110 млн. лет (Каретников, 2005)). Для массива Инагли 190Pt-4He возраст составил 141±7 млн. лет. Это значение возраста полностью совпадает с имеющимися данными о K-Ar возрасте флогопита из метасоматически преобразованных пород (K-Ar возраст составляет 141±7 млн. лет (Корчагин, 1996)).

Возраст платиновой минерализации массива Гальмоэнан

Для определения возраста платиновой минерализации массива Гальмоэнан были использованы зерна изоферроплатины из (1) агрегатов МПГ с хромшпинелидом и оливином Pt > Ir типа из хромититов и дунитов (выделенные из рекристаллизо-ванных крупно-гигантозернистых кристаллобластических дунитов рудной зоны южной части массива Гальмоэнан), а также склоновых элювиальных и аллювиальных отложений водотоков протекающих на массиве Гальмоэнан; (2) агрегатам МПГ с клинопиро-ксеном Pt > Os магматогенно-флюидно-метасоматического типа из элювия пироксенитов массива Гальмоэнан (Мочалов, 2013).

На рис. 12 представлены результаты 190Pt-4He датирования Pt>Ir и Pt>Os платиновой минерализации массива Гальмоэнан. Видно, что в переделах ошибки определения возраст обеих этих минерализации совпадает и составляет 64±3 и 62±3 млн.лет соответственно. Полученные данные хорошо

Рис 12. 190Р1-4Не изохрона для агрегатов изоферроплатины Р£>1г и Р1>Об типа массива Гальмоэнан. Тангенс угла наклона для Рр*1г типа 0,0000949, для РРЮв типа 0,0000914. Возраст рассчитанный по тангенсу угла наклона -64±3 и 62±3 млн.лет соответственно.

согласуются с имеющимися геологическими представлениями о позднемеловом возрасте Гальмоэнанского массива.

Возраст платиновой минерализации массива Файфилъд

190Pt-4He датирование было проведено по сложным агрегатам платины, состоящими из иридистой платины и изоферроплатины, найденным в россыпи в районе Нового Уэльса, Австралия. Коренным источником этой россыпи служат дунит-клинопироксенитовые массивы группы Файфильд.

Полученные экспериментальные данные по содержанию радиогенного гелия в этих агрегатах платины были использованы для построения 190Pt-4He изохроны. Определенный l90Pt-4He возраст составил 394±20 млн. лет и полностью совпадает с имеющимися геологическими данными о возрасте платиноносных дунит-клинопироксенитовых массивов группы Файфильд (К-Ar возраст - 397±16 млн. лет (Elliot&Martin, 1991)).

Полученные экспериментальные данные подтверждают представление об аномально высокой устойчивости радиогенного гелия в самородных минералах платины, и возможность определения возраста платиновой минерализации разработанным 190Pt-4He методом.

Список основных работ автора по теме диссертации Периодические издания из списка ВАК

1.Шуколюков Ю.А., Якубович О.В.. Рыцк Е.Ю., О возможности изотопного датирования самородного золота U-Th-He методом // ДАН, 2010, т.430, №2, с. 243-247

2.Якубович О.В.. Шуколюков Ю.А., Котов А.Б., Яковлева С.З., Сальникова Е.Б., Геотермохронология по благородным газам: исследование устойчивости U-Th-He изотопной системы в цирконе // Петрология, 2010, т. 18, №6, с. 3-18

3.Шуколюков Ю.А., Якубович О.В., Гороховский Б.М., Корнеев С.И., Черкашин И.А., Новый l90Pt-He метод для определения возраста самородной платины // ДАН, 2011, т. 441, №.3, с.372-375

4. Шуколюков Ю.А., Якубович О.В.. Яковлева С.З., Сальникова Е.Б., Котов А.Б., Рыцк Е.Ю. Геотермохронология по благородным газам: Миграция радиогенного гелия в кристаллической структуре самородных металлов и возможности их изотопного датирования //Петрология, 2012, т. 20, №1, с. 1-21

Б.Шуколюков Ю.А., Якубович О.В.. Мочалов А.Г., Котов А.Б., Сальникова Е.Б., Яковлева С.З., Корнеев С.И., Гороховский Б.М. Новый изотопный геохронометр для прямого датирования самородных минералов платины (190Pt-4He метод) И Петрология, 2012, т. 20, № 6, с. 545-559 Тезисы

6. Шуколюков Ю.А., Якубович О.В. Возможности и перспективы применения в изотопной геологии новой масс-спектрометрической установки "MSI-G-01"/ Тезисы Всероссийской конференции «Изотопные системы и время геологических процессов», Санкт-Петербург, ИГТД РАН, 2-4 июня, 2009, т.2, с. 277-281

7. Шуколюков Ю.А., Якубович О.В.. Яковлева С.З., Котов А.Б., Сальникова Е.Б. Прямое изотопной датирование самородного золота (U-Th)/He методом/ Тезисы Всероссийской конференции «Самородное золото: типоморфизм минеральных ассоциаций, условия образования месторождений, задачи прикладных исследований», Москва, ИГЕМ РАН, 29-31 марта 2010, т.2, с. 307

8. Yakubovich O.V.. Shukolyukov Yu.A. The behaviour of radiogenic helium in native metals/ Thesis of International Conference of Thermochronology, Glasgow, 2010, p. 164

9. Шуколюков Ю.А., Якубович O.B. Развитие метода (U-Th)/He изотопной геотермохронологии по циркону Тезисы Всероссийской конференции «Новые горизонты рудо и магмообразования», Москва, ИГЕМ РАН, 8-11 ноября, 2010, с. 383

10. Шуколюков Ю.А., Якубович О.В., Котов А.Б., Сальникова Е.Б., Яковлева С.З. Необычное поведение изотопа 4Не в кристаллическои решетке самородных металлов Тезисы XIX симпозиума по геохимии изотопов имени академика А.П. Виноградова, ГЕОХИ РАН, Москва, 16-18 ноября, 2010, с. 404-407

11. Якубович О.В.. Иванов Д.В., Шуколюков Ю.А. Разработка (U-Th)/He метода прямого изотопного датирования самородного золота, тезисы международной конференции Приоритетные направления научных исследований нанообъектов искусственного и природного происхождения, Петергоф, СПбГУ, 25-26 мая, 2011, с. 98-99

12. Yakubovich O.V.. Yakovleva S.Z., Salnikova E.K., Kotov A.B., Shukolyukov Yu.A. Direct (U-Th)/He dating of native metals/ Goldschmidth conference abstract/ mineralogical magazine, minersoc.org/ Prague, 2011, p.2199

13. Yakubovich O.V.. Shukolyukov Yu.A., Mochalov A.G., Kotov A.B., and Korneev S.I. Anomalously high retention of radiogenic helium in native platinum/ Geophysical Research Abstracts Vol. 14, EGU2012-6414, 2012 EGU General Assembly 2012 Vienna, 2012

14. Шуколюков Ю.А., Якубович О.В.. Мочалов А.Г., Котов А.Б., Сальникова Е.Б., Яковлева С.З., Корнеев С.И., Геохронометрические системы с радиогенным гелием в самородных металлах: новый mPt-4He метод изотопной геохронологии/ Тезисы всероссийской конференции по изотопной геохронологии, Москва, июнь 2012

15. Якубович О.В.. Шуколюков Ю.А., Мочалов А.Г., Котов А.Б. Новый mPt-He метод датирования самородных минералов платины/ материалы IV международной конференции «Ультрабазит-базитовые комплексы складчатых областей и их минерагения»/ Улан Удэ, 2012, с.200-204

16. Yakubovich O.V.. Shukolyukov Yu.A., Mochalov A.G., Kotov A.B., Complete retention of radiogenic helium in native platinum minerals for billions of years/ international conference "State of the art trends of scientific research of artificial and natural nanoobjects", Saint-Petersburg, Russia, 10-12 october,

2012, p.128-130

17. Якубович O.B.. Комбинированное 190Pt-He и ,90Pt-mOs датирование самородных минералов платины: новые данные о возрасте платиновой минерализации щелочно-ультраосновного массива Кондер, Алданский щит! II научная молодежная школа-конференция, Москва, ИГЕМ РАН, 11-13 декабря

18. Yakubovich О.. Shukolyukov Y, Salnikova К, Yakovleva S, Gorokhovskiy В, Kotov A. (U-Th)/He dating of native gold: problems and perspectives / Goldschmidth, 2013, Mineralógica] Magazine, 77(5) p. 2536

19. Shukolyukov Y, Yakubovich P.. Mochalov A, Kotov A, A Novel 190Pt-4He Method of Isotope Geochronology for the Direct Dating of Native Minerals of Platinum/ Goldschmidth, 2013, Mineralogical Magazine, 77(5) p. 2207

20. Mochalov A, Yakubovich P.. Brauns M, Shukolyukov Y New Tool for the Direct Isotopic Dating of PGM (190Pt-4He Method): New Constructions on the Timing of Pt Mineralization in Kondyor and Galmoenan Massifs, Russian Far East/ Goldschmidth, 2013, Mineralogical Magazine, 77(5) p. 1775

21. Yakubovich G.V.. Shukolyukov Y. Migration of radiogenic helium in crystal structures of native metals with application to their isotopic dating// workshop DINGUE3, Florence, Italy, 25-26 august, 2013, p. 36-37

22. Плоткина Ю.С., Якубович G.B. Применение микротомографии для геохронологических исследований самородных минералов платиновой группы /I Материалы II Всероссийской конференции "Практическая микротомография". Москва, 2-4 октября 2013. стр. 116-119

23. Шуколюков Ю.А., Якубович О.В.. Мочалов А.Г., Брауне М. Применение 190Pt-He метода для определения возраста платиновой минерализации дунит-клинопироксенитовых и щелочно-улътраосновных комплексов// Тезисы Всероссийской конференции «Рудообразующие процессы: от генетических концепций к открытию новых рудных провинций и месторождений», Москва, ИГЕМ РАН, 29 октября-1 ноября,

2013, с. 175

Подписано в печать 12.11.2013г. Формат 60x84 1/16, цифровая печать. Тираж 120 экз., объем - 1 п.л. Заказ №3332

Отпечатано в ЦОП «Копировальный Центр Василеостровский» Россия, Санкт-Петербург, В.О., 6-линия, д.29. тел. 702-80-90, факс: 328-61-84 e-mail: vs@copy.spb.rn

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Якубович, Ольга Валентиновна, Санкт-Петербург

Санкт-Петербургский Государственный Университет Геологический факультет Кафедра геохимии

042014523^5 и

На правах рукописи

Якубович Ольга Валентиновна

Новый 190р^4Не метод изотопной геохронологии для датирования минералов платины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель

д. х. н., проф. Шуколюков Ю.А.

д. г.-м. н., проф. Чарыкова М.В.

Санкт-Петербург, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ 4

ГЛАВА 1. ГЕОХРОНОЛОГИЯ ПО РАДИОГЕННОМУ ГЕЛИЮ

1.1 современное состояние методов изотопного датирования по радиогенному гелию 10

1.2 модели миграции гелия в твердом теле 13

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. методика масс-спектрометрического определения микроколичеств радиогенного гелия 20

2.2. методика определения содержания платины в агрегатах платины 26

2.3. методика определения содержания урана в платине 27

2.4. методика 190Р1-186Оз датирования 28

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Платиноносный габбро-дунит-клинопироксенитовый массив Гальмоэнан, Корякия 30 3.1.1. Минералого-геохимические типы минералов платиновой группы массива Гальмоэнан 33

3.2. Платиноносный щелочно-ультраосновной массив Кондер 39 3.2.1 Минералы платиновой группы массива Кондер 42

3.3. Щелочно-ультраосновной массив Инагли 44

3.4. Щелочно-ультраосновной массив Чад 44

3.5. Группа платиноносных дунит-клинопироксенитовых массивов Файфильд, Австралия 45 3.5.1 Минералы платиновой группы дунит-клинопироксенитовых массивов Файфильд 48

3.6. Россыпное платино-палладиевое месторождение Серро, Бразилия 52

стр.

ГЛАВА 4. ЯДЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЕ И ИЗОТОПНО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ 190Р1-4Не МЕТОДА

4.1. Особенности миграции гелия в технических металлах 56

4.2. Источники радиогенного гелия и особенности его миграции в самородных металлах 61

4.3 Экспериментальное определение миграционных характеристик гелия в самородных металлах 66

4.4 . Ядерно-физические основы 190Р1:-4Не метода 81 4.5. Исследование термической устойчивости и определение миграционных характеристик радиогенного гелия в кристаллической решетке минералов платины 88

190ту4. 4Т

4.6. Устойчивость Р1> Не изотопной системы при шоковых нагрузках 94 4.7 Методика извлечения радиогенного 4Неиз кристаллической структуры платины 97

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ190Pt-4HeДАТИРОВАНИЯ 102

5.1 дунит-клинопироксенитовый массив Файфильд 105

5.2 щелочно-ультраосновной массив Кондер 105

5.3 щелочно-ультраосновные массивы Инагли и Чад 112

5.4 группа дунит-клинопироксенитовых массивов Файфильд 113

5.5 россыпное платино-палладиевое месторождение Серро 114

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования

Первые попытки определения возраста минералов по содержанию в них 4Не были предприняты еще в начале XX века (Rutherford, 1908). В основе

лло

этого подхода лежит а-распад и др., одним из стабильных

продуктов которого является 4Не. Однако из-за высокой скорости миграции гелия значения возраста, полученные (U-Th)/He методом сильно занижены относительно других изотопных систем, что делает применение этого метода весьма ограниченным - главным образом областью геотермохронологии, где по доле потерянного минералом гелия реконструируют температурно-временную историю минерала и пород.

Фактический материал и методы исследования

Образцы самородных минералов платины для апробации 190Pt-4He метода были предоставлены автору: А.Г. Мочаловым (ИГГД РАН), Ф. Рейхом (Университет Аделаиды), А. Кабрал (Университет Клаустхол). Кинетика выделения радиогенного гелия из самородных металлов была изучена на масс-спектрометрическом комплексе МСУ-Г-01-М («Спектрон-Аналит», Санкт-Петеребург, Россия) по образцам из коллекции: Остапенко JI.A. (ЦНИГРИ), Рыцка Е.Ю. (Фонд развития отечественной геологии), Петрова C.B. (каф. ГМПИ), Полеховского Ю.С. (каф. ГМПИ), Иванова Д.В. (каф. ГМПИ), Ронкина Ю.Л. (ИГГ УрО РАН), Бушмина С.А. (ИГГД РАН), Самсонова A.B. (ИГЕМ РАН), У. Реймолда (Университет Берлина), коллекции кафедры минералогии СПбГУ и минералогической коллекции Университета им. Герцена. Рентгено-спектральные исследования были проведены на сканирующем электронном микроскопе Ziess Merlin с ЭДС приставкой Oxford Instruments INCAx-act (МРЦ "Нанотехнологии"), и также сканирующем электронном микроскопе JSM-6510LAc ЭДС приставкой JED 2200 (ИГГД РАН). Рентгено-стурктурные исследования проводились на приборе Oxford Diffraction Super Nova в РЦ «Рентгено-дифракционные методы исследования». Изотопные отношения осмия были определены с использованием твердофазного масс-спектрометра SPECTROMAT в лаборатории Археометрии, Манхайм, Германия. Определение содержаний урана в образцах золота определялось методом изотопного разбавления на твердофазном масс-спектрометре Finnigan МАТ-261 (ИГГД РАН). Радиографические исследования были выполнена в лаборатории «Геохимии изотопов» (ИГГД РАН), ядерный реактор ИЯФ РАН, Гатчина.

Научная новизна

1) В работе впервые представлены комплексные результаты исследования миграции радиогенного гелия в кристаллической решетке самородных металлов. Показано, что радиогенный гелий в кристаллических решетках самородных металлов обладает аномально высокой термической

устойчивостью, обусловленной его нахождением в форме атомных кластеров - пузырьков нанометрового размера. 2) Выявлена основная форма нахождения урана в самородном золоте - субмикронные включения фосфатов редкоземельных элементов. Показано, что ввиду «а-гесоП» эффекта весь гелий, образующийся при распаде урана в таких включениях, естественным образом имплантируется в кристаллическую решетку самородного металла. 3) Впервые предложен и теоретически и экспериментально обоснован новый 190РЬ4Не метод изотопнои геохронологии. Показано, что гелий выделяющийся из агрегатов изоферроплатины при температурах ниже 1000°С, не связан с кристаллической решеткой минерала. 4) Разработана оригинальная методика выделения радиогенного гелия из самородных металлов, позволяющая существенно понижать его температуру экстракции, что значительно упрощает процедуру определения 190Р1;-4Не возраста. 5) В работе приведены результаты определения возраста агрегатов платины разных минералого-геохимических типов из 6 различных месторождений платины, как на территории России: Кондер, Инагли, Чад, Гальмоэнан, так и за ее пределами: Файфильд, Серро. На примере сперрилита Р1Аз2 показана принципиальная возможность использования |90Р1;-4Не метода для датирования полуметаллических фаз. Показано, что 190Р1-4Не метод может быть успешно применен для определения возраста платиновой минерализации из дунит-клинопироксенитовых и щелочно-ультраосновных массивов.

Практическая значимость Постоянно увеличивающийся спрос на элементы платиновой группы инициирует дополнительные исследования уже существующих месторождений платиновых металлов. Важную роль при этом играет возможность определения прямого изотопного возраста таких объектов, позволяющего выявить условия рудогенеза и источники рудного материала. Разработанный 190Р1-4Не метод представляет собой уникальную возможность такого прямого изотопного определения возраста платиновой

минерализации. Применение 190Р1:-4Не метода к россыпным месторождениям платины дает хорошую возможность для поиска коренных источников рудного вещества. Установленные особенности миграции радиогенного гелия в самородных металлах открывают принципиальную возможность для прямого датирования по радиогенному гелию всех самородных металлов.

Защищаемые положения

2. Главным источником радиогенного гелия, присутствующего в самородных минералах платины, является изотоп 190Р1. Скорость образования радиогенного гелия при а-распаде 190Р1 обеспечивает его накопление в

самородных минералах платины в количестве, достаточном для надежных

масс-спектрометрических измерений.

3. 190Р1>4Не метод изотопной геохронологии может быть использован для определения возраста платиновой минерализации, связанной с дунит-клинопироксенитовыми и щелочно-ультраосновными комплексами.

Апробация и публикации

Европейского Геологического союза (EGU, Вена, 2012) и на конференции Goldschmidth (Прага, 2011, Флоренция, 2013). Результаты проведенных исследований обсуждались на специализированных конференциях и семинарах: International Conference of Thermochronology (Глазго, 2010), DINGUE3 (Флоренция, 2013). По результатам исследования опубликовано 5 статей в журналах, включенных в международную систему цитирования.

Работа была выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проекты 10-05-00321а, 10-05-00030а, 11-05-12046-офи-м-2011, 11-05-12048-офи-м, 1205—31447, 13-05-00717) и Темплана НИР СПбГУ (проект 3.31.590.2010), а также гранта компании Carl Zeiss. Благодарности

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своему

научному руководителю Ю.А. Шуколюкову за возможность работать над этой темой под его чутким руководством и за тот неоценимый вклад, который он сделал для того, чтобы эта работа была выполнена. Автор также признателен М.В. Чарыковой за согласие руководить финальным этапом этой диссертационной работы. Автор выражает благодарность А.Г. Мочалову за предоставление уникальных агрегатов платины и минералого-геохимическую поддержку на протяжении всего исследования. Автор благодарит сотрудников лаборатории Изотопной геологии ИГГД РАН: А.Б. Котова, Б.М. Гороховского, Е.Б. Сальникову, С.З. Яковлеву за всестороннюю помощь, а также А.П. Иванова, В.А. Леднева, Б.М. Воронина за техническую поддержку этого исследования. Автор признателен М. Браунсу за помощь в

измерении изотопного состава осмия, А.Н. Комарову за проведение радиографического исследования, и Ю.Л. Плоткиной за нанотомографическое исследование образцов. Автор благодарит также всех сотрудников МРЦ «Нанотехнологии» и «Рентгено-дифракционные методы исследования».

Автор благодарит всех исследователей, предоставивших материалы для этой работы: Ф. Рейха, А. Кабрала, Л.А. Остапенко, Е.Ю. Рыцка, C.B.

Петрова, Ю.С. Полеховского, Д.В. Иванова, Ю.Л. Ронкина, С.А. Бушмина, A.B. Самсонова, У. Реймолда, C.B. Яблокову, С.И. Корнеева. Автор признателен А.К. Худо лею и А.Ю. Шуколюкову за оказанную помощь и поддержку.

ГЛАВА 1

ГЕОХРОНОЛОГИЯ ПО РАДИОГЕННОМУ ГЕЛИЮ

1.1 Современное состояние методов изотопного датирования по радиогенному гелию

Первые попытки определения возраста минералов по содержанию радиогенного гелия в них были предприняты еще в начале XX века (Rutherford, 1906; Strutt R., 1910 и др.). В основе этого подхода лежит а-распад

235 238 232 4

и Th, одним из стабильных продуктов которого является Не. По количеству накопленного радиогенного гелия определяют «гелиевый возраст» минерала.

В общем виде уравнение накопления радиогенного гелия из урана и ториявыглядит следующим образом:

'Не = 8--137 88-С„ -(е1ш ' -\)+ 7----С„ -(ek™ ' - \)+Ь-Сп ■ (е *232 ' -\) (1-1)

С137 .88 + \) " (437 .88 + \) " п

где 4Не, Си, СТь - концентрации гелия, урана и тория (атомы), Х,238 (1.55125хЮ"10 г1), А<235 (9.8485х10'ш г"1), \2ъг (4.94775Х10"11 г1) -соответствующие константы распада, время (год). Коэффициенты 8, 7, 6 соответствуют количеству атомов гелия, образующихся при распаде соответствующего атома; величина 137.88 - современное изотопное отношение 238Ш 235и.

Кроме как из 235и, 238и и 232Т11радиогенный4Не может образовываться при распаде 1478ш, 1448т, 1488т, 152Gd и др., но из-за маленькой скорости этих процессов или небольших содержаний радиоактивных изотопов, их вкладом обычно пренебрегают. Таким образом, измерив содержание радиогенного

гелия и концентрацию материнских изотопов, можно рассчитать «гелиевый» возраст минерала.

Еще в середине XX века выяснили, что из-за высокой скорости миграции гелия значения возраста, полученные (U-Th)/He методом, сильно занижены (относительно других изотопных систем) (Hurley, 1954; Герлинг, 1939; 1961). Поэтому применение этого метода было ограничено, и он использовался в редких случаях - таких, как датирование по магнетиту (Старик, 1964). Лишь в последней четверти XX века, после появления нового направления в изотопной геологии - геотермохронологии - снова возник интерес к этому методу (Dodson, 1973; Zeitler et al, 1987). Причина этого -одна из особенностей гелия, а именно его крайне высокая подвижность. Даже

незначительное увеличение температуры (до 100-200 С) приводит к частичной или полной потере гелия минералом. Поэтому по доле потерянного гелия можно судить о температурно-временной истории минерала, а знание миграционных характеристик гелия позволяет реконструировать термическую историю пород. При этом высокая чувствительность современных масс-спектрометров дает возможность использовать для датирования (U-Th)/He методом в качестве минералов-геотермохронометров (геотермометров) не только циркон и апатит, но также гранат, оливин, ксенотим, магнетит, титанит в широких возрастных диапазонах (Aciego et al, 2003, 2007; Blackburn et al., 2008; Farley, Stockli 2002; Pettke et al, 1998).

В настоящее время (U-Th)/He метод применяется для реконструкции эволюции орогенических областей, оценки скорости остывания магматических тел, датирования молодых разрывных нарушений и определения времени извержений молодых вулканов (1000-100000 лет). Особой областью применения (U-Th)/He метода является датирование археологических находок, определение полей распространения палеопожаров и реконструкция палеоландшафтов (Reiners, 2005; Aciego et al, 2003; Mortimer et al, 2006). Применение (U-Th)/He метода вместе с трековым и другими

геохронологическими методами позволяет на основе компьютерного моделирования исследовать различные сценарии остывания и эксгумации пород (Dunai, 2005; Wolf et al, 1998).

Для лучшего понимания условий, при которых происходят потери гелия, проводится детальное изучение физических механизмов его миграции. Большинство знаний относительно миграции гелия из кристаллических решеток различных минералов получено в экспериментах по ступенчатому отжигу, где образец нагревается и определяется количество выделившегося при данной температуре гелия на масс-спектрометре (Cherniak et al, 2009). Последнее десятилетие также активно развивается 4Не/3Не подход для изучения особенностей потерь радиогенного гелия минералом. Изотоп Не в кристаллической решетке образуется при облучении минерала потоком протонов. При этом предполагается, что новообразованный изотоп 3Не в минерале распределён однородно. Таким образом, изменение

Не/ Не

отношения при ступенчатом отжиге исследуемого минерала позволяет получить дополнительную информацию о «диффузионном профиле» каждого конкретного образца, что значительно упрощает интерпретацию полученных геотермохронологических данных (Shuster, Farley, 2003).

Кроме термостимулированной миграции атомов гелия из решетки минералов существует еще один процесс, который приводит к занижению (U-Th)/He возраста. При радиоактивном распаде материнского изотопа энергия образующейся а-частицы - будущего ядра радиогенного гелия- столь велика, что расстояние, которое она пролетает внутри минерала составляет первые десятки микрон. Поэтому чем меньше минеральное зерно, тем больше вероятность потерь радиогенного гелия за счет вылета а-частицы за пределы минерала. Для того, чтобы минимизировать вклад этого процесс

Информация о работе

Якубович, Ольга Валентиновна
кандидата геолого-минералогических наук
Санкт-Петербург, 2013
ВАК 25.00.09

Диссертация

Новый 190Pt-4He метод изотопной геохронологии для датирования минералов платины - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы