книги из ГПНТБ / Тугаринов А.И. Общая геохимия. Краткий курс учеб. пособие

серы этих двух минералов будет равно 1. Соответственно различия в öS34 у пирита и галенита, образовавшихся одновременно при 250° С, составят 4, а у той же пары минералов, кристаллизовавших­ ся при 350° С, — всего 3. Таким образом, различия в изотопном составе серы нескольких разных одновременно образовавшихся сульфидов являются кроме того важным индикатором температур­ ных условий их возникновения. В общем случае чем эти различия меньше, тем выше температура их образования.

Особенно сильно менялся изотопный состав в месторождениях в ходе рудогенеза с появлением сульфатов (барита) и разделением изотопов серы между двумя генерациями минералов — сульфидами и сопровождавшими их баритом, ангидритом и др. Однако в целом изотопный состав серы в месторождениях подобного генезиса ос­ тавался постоянным в пределах колебаний, допускаемых экспери­ ментальной погрешностью (öS34 = ±5°/оо)-

Помимо ответа на вопрос о генезисе рудных залежей исследова­ ния геохимии изотопов серы дали информацию и о нефтях и сопро­ вождающих их газах. Оказалось, что состав нефтей разных бас­ сейнов отличается исключительным постоянством. Так, например, нефти Иракской провинции обладали одной и той же характеристи­ кой öS34 = —5,5°/оо, а для уральской нефти ÔS34 = 4,8°/00. В то же время газы, сопровождавшие нефтяные залежи, варьировали весь­ ма сильно по изотопному составу и заметно отличались от нефтей, указывая на независимое свое происхождение путем редукции серы в пластовых водах.

§ 4. СВИНЕЦ

Из гл. 6 о свинцовом методе определения абсолютного возраста мы знаем о существовании у свинца четырех изотопов: трех радио­ генных и одного, не имеющего радиоактивного предшественника, и закономерностях их эволюции в течение геологического времени.

Главная особенность изотопов свинца, отличающая их от рас­ смотренных выше легких изотопов, заключается в необратимости процессов их накопления. Так, сейчас известно, что около одной трети современного свинца, вошедшего прочно в состав земной коры, возникло за 4,5 млрд, лет в результате радиоактивного распада урана и тория.

Однако нарастание радиогенных изотопов в различных породах Земли зависит от двух факторов — времени и концентрации как самого свинца, так и урана и тория. Вариации этих величин опре­ деляют изобилие различного рода соотношений в наблюдаемых изо­ топных отношениях свинца в природных объектах.

На кривой рис. 94 показана эволюция изотопного состава свин­ ца, происходящая с различным темпом в породах с разным исход­ ным содержанием урана и свинца. Изохроны — линии, соединяю­ щие равные моменты времени, — представляют собой одновременно линии смешения разных свинцов, возникших в средах с различным

соотношением свинца и урана. Дальнейшая судьба такого «смешан­ ного» свинца будет определяться одной из новых ветвей его эво­ люции (кривые с |л, равным 8,3; 9,7 и 11).

По мере развития Земли, усложнения ее состава за счет осадоч­ ной дифференциации, возникновения толщ с различным соотноше­ нием свинца, урана и тория будет происходить все большее услож­ нение изотопного состава свинца разных пород. Так, в известняках с большим соотношением Pb/'IJ будут накапливаться свинцы с не­ большим содержанием радиогенных добавок (удревленный свинец

Рис. 94. Кривая эволюции изотопного состава свинца Земли (ц — предпола­ гаемые значения соотношений U/Pb204, по Г. Хаутермансу).

типа Б — Блейберга), а в ураноносных сланцах будет нарастать свинец, отличающийся значительным прибавлением радиогенного свинца (омоложенный свинец типа Ж •— по имени месторождения Джоплин, отличающегося большой составляющей радиогенного свинца, попадающего в силу этого на кривую эволюции в область «свинцов будущего»).

Рудный свинец может возникнуть в результате двух различных процессов. С одной стороны, он может быть поглощен интрузией при ассимиляции последней осадков и затем образовать месторожде­ ния в строгом соответствии того же изотопного состава, что и сви­ нец данных осадков. В момент рудообразования изотопный состав свинца самой интрузии будет строго отвечать изотопному составу

РУДВнедрение интрузии, кроме того, сопровождается массовым пе­

ремещением растворов в широком ореоле вмещающих пород с по­

путно происходящим извлечением и переотложением рассеянных в них элементов. При подобном механизме свинец может создать залежи, которые по своему изотопному составу будут резко отли­ чаться от изотопного состава интрузий (свинца их полевых шпатов, например) и будут соответствовать свинцу самих вмещающих толщ. При этом надо иметь в виду, что сравнение изотопного состава пород и руд надо вести в строгом соответствии с поправкой на уран и торий, содержащиеся в горных породах. Необходимо вычесть из свинца пород тот радиогенный свинец, который мог быть добавлен к свинцу, образовавшемуся в результате распада урана и тория в породах за время, прошедшее с момента их становления.

На рис. 95 дана характеристика свипцов месторождения Ачисай (СССР) и свинца вмещающих толщ с поправкой такого рода.

В другом случае, например на месторождении Баюнь-Обо (КНР), свинец руд и пород оказался одинаковым и соответствующим возра­ сту вмещающих толщ — 1800 млн. лет. Со времени рудного про­ цесса прошло около 300 млн. лет. Интрузии этого возраста, ответ­ ственные за образование скарнов в этом районе, среди которых был обнаружен вышеуказанный свинец, резко отличались изотопным составом свинца от свинца руд (табл. 62).

Т а б л и ц а 62

Изотопный состав свинца Баюнь-Обо (КНР)

Этому кажущемуся противоречию можно дать следующее объ­ яснение. Около 1800 млн. лет назад в момент отложения рудовме­ щающей толщи Хуто, содержавшей рассеянный свинец, минерали­ зации свинца еще не было, хотя толща содержала его явно повы­ шенные количества. 300 млн. лет назад в результате магматического процесса поровые растворы, пришедшие в движение благодаря интрузии, вынесли и переотложили свинец пород, не добавив прак­ тически ничего за счет своего ювенильного источника. Именно в силу этого изотопный состав руд и карбонатных пород оказался одина­ ковым, в то время как интрузии характеризовались свинцом, более юным, отвечавшим времени их становления.

Следовательно, в данном случае можно сделать вывод о том» что сходство изотопных составов свинца свидетельствует о преемственности их происхождения.

Рис. 95. Изотопный состав свинца руд и пород месторождения Ачисай:

Последний случай представляет собой довольно частое явление. Однако следует иметь в виду, что свинец может быть не полностью извлечен из пород просачивающимися через них растворами. Это особенно важно тогда, когда такими породами служат кристал­ лические толщи либо интрузии, в которых свинец находится в резко

различной форме: входит изоморфно в К-шпат, присутствует в сос­ таве акцессориев либо находится в рассеянном состоянии совместно с ураном и торием.

Этот последний свинец обычно удаляется из гранитов при проса­ чивании растворов самым первым и, будучи радиогенным по своему составу, дает соответствующую добавку к свинцам обыкновенным,

Район Миссури

•я ; / / / / ; / / / / / / / / / / / / / 7 37777 г /г з У '

Зона образования м ет асомапш ческих сВинцодых залежей

Рис. 96. Схема образования свинцовых залежей ме­ сторождения Джоплин района Миссури — Миссисипи (цифры на рисунке — изотопный состав свинца).

встречающимся на пути растворов. Именно такого происхождения оказались свинцы Миссуро-Миссисипского района в США. На рис. 96 видно, что центральные части метасоматических залежей

вкарбонатных толщах карбона данного района, сформировавшиеся

впервую очередь, отличаются свинцом аномальным, обогащенным радиогенной составляющей, а периферические зоны уже сложены обыкновенным свинцом. Это значит, что если для первых порций такого свинца характерно присутствие радиогенного свинца, то по­ следующие уже содержали свинец обычного типа. По добавке этого радиогенного свинца и вычислению в нем отношения Pb207/Pt>206

удалось рассчитать возраст кристаллического фундамента, подсти­ лающего этот регион, — он оказался равным 1700 млн. лет, что было подтверждено и другими независимыми методами.

У. Слаусон, изучая тонкие вариации изотопного состава в га­ ленитах, обнаружил довольно строгую последовательность измене­ ния их изотопного состава, заключавшуюся в постепенной смене свинца аномального (с существенными добавками свинца радио­ генного) свинцом обыкновенным. Это свидетельствовало о преиму­ щественном удалении из области поступления рудоносных раство­ ров в первую фазу свинца радиогенного. Ранние порцин раствора, проходившие через зону трещиноватости, должны были, по мнению автора, извлекать относительно большие порции радиогенного свин­ ца. Более поздние растворы встречали все меньшие количества ра­ диогенного материала, поэтому содержание радиогенных компонен­ тов в них меньше.

Короче говоря, геохимия изотопов свинца дает бесспорные дока­ зательства того, что формирование руд почти всегда является слож­ ным процессом привноса свинца из разных источников с достаточно обширной территории, охватывающей большие объемы пород.

При размещении точек-анализов изотопного состава свинца раз­ личных месторождений мира на единые кривые эволюции изотоп­ ного состава свинца выяснилось, во-первых, что свинец руд обра­ зует достаточно широко расходящийся веер от 3,5 млрд, лет назад к современности и даже заход их за «нулевую» точку. Это значит, что 3 млрд, лет назад вся земная кора представляла собой относи­ тельно гомогенизированный материал со средним содержанием свин­ ца, урана и тория, а начиная примерно с 2,5 млрд, лет и в особен­ ности с 300 млн. лет тому назад она была дифференцирована по со­ ставу и как результат этого дала широкий спектр различных руд — изотопных смесей.

Интересно, что на этой диаграмме отчетливо выделяется ин­ тервал 1800—1400 млн. лет тому назад, в течение которого возник­ ли самые первые и крупные месторождения свинца — Сулливан, Брокенхилл, Завар, Горевское и др. Все эти месторождения зале­ гают в карбонатных формациях. Время появления карбонатов в ис­ тории Земли датируется 2,5 млрд. лет. В то же время свинец дает максимально высокие концентрации рассеянного типа именно среди карбонатных осадков. Поэтому естественно, что с появлением карбо­ натных толщ в истории Земли возник мощный очаг концентрации свинца, который в случае проявления в нем магматической деятель­ ности мог вызвать появление значительных концентраций переотложенных рудных залежей типа Ачисай (см. рис. 95).

Особое значение приобрели исследования изотопов свинца при поисках урановых месторождений. Так, автором было установлено, что для одного из регионов Советского Союза урановые месторож­ дения возрастом 1900 млн. лет сопровождаются обильной минерали­ зацией свинца, состоящей из смеси радиогенного свинца, отвечаю­ щего свинцу, обнаруженному в урановых рудах, и свинца обыкно-

венного, характеризующего всю толщу, в которой эти месторожде иия встречались. Смешение обоих типов свинца отмечалось в самых различных соотношениях. Чем дальше от рудного тела были обна­ ружены подобные галениты, тем больше в них был процент обыкно­ венного свинца и на расстоянии в 100—200 м: при прослеживании подобных минералов в них полностью исчезал свинец урановых минералов.

Рис. 97. Схема образования уранового месторождения (номера на изохроне соответствуют номерам в табл. 63).

С другой стороны, свинец обыкновенный, входящий в состав свинца галенитов, также отличался небольшой аномалией, позво­ лившей рассматривать его в качестве свинца двойного происхожде­ ния. Ниже указанных месторождений урана, на более низком стра­ тиграфическом ярусе, были встречены так называемые ураноносные конгломераты возрастом около 2500 млн. лет. Эти ураноносные кон­ гломераты также сопровождались галенитами с весьма разнообраз­ ным изотопным составом. Однако вычисленный по ним радиогенный состав свинца отвечал свинцу, встреченному среди урановых мине­ ралов самих конгломератов (рис. 97).

Поздний, аномальный свинец метасоматических месторожде­ ний представлял собой уже следующую стадию метаморфизма урано­ вых залежей, связанную с близсовременной эпохой, когда свинец, близкий по своему изотопному составу свинцу урановых руд (со­ временного типа), под действием проникавших растворов в свою очередь покинул урановые залежи и образовал мощный ореол вокруг них из радиогенного свинца. Такие ореолы и явились предметом поисков при разведке маломощных урановых руд.

Помимо поискового признака, подобный анализ изотопных отно­ шений свинца па примере данных урановых руд является прекрас­ ным доказательством путей миграции и происхождения как самих урановых залежей, так и свинца. Эти исследования еще раз подчер­ кивают сложность, разную природу источников и независимость рудного процесса от привноса рудного вещества.

§ 5. СТРОНЦИЙ

В гл. 6 уже говорилось о том, что из четырех распространенных

(по данным 164 измерений) это отношение равно 0,7037. Исходя из того, что подобный прирост радиогенного стронция в базальтах мог произойти за геологическую историю Земли (4600 млн. лет), вычислили количество рубидия в мантии: оно оказалось равным Rb87/Sr86 = 0,025. При этом допускалось, что это лишь средняя величина Rb87/ Sr86, поскольку какая-то часть рубидия мигриро­ вала в земную кору, как и другие щелочи с интрузиями, под влия­ нием дифференциации мантии в течение геологической истории земной коры.

О том, что земная кора все время обогащалась преимущественно рубидием (по сравнению со стронцием), свидетельствует следующий факт: в отличие от океанических базальтов граниты земной коры содержат гораздо большие количества Sr87. В большинстве гра­ нитных пород Sr87/Sr86 варьирует в пределах от 0,710 до 0,737. Однако около 50% гранитов отличается таким же соотношением Sr87/Sr86, как и базальты, что указывает на незначительное участие в их становлении древнего субстрата земной коры.

Отдельные крупные интрузии гранитов Северной Америки имеют Sr87/Sr88 = 0,707 — это говорит уже о значительной роли в их субстрате материала земной коры, обогащенного к моменту их воз­ никновения как изотопом Rb87, так и Sr87.

Континентальные базальты в отличие от океанических значи­ тельно обогащены Sr87 (Sr87/Sr86 до 0,715). Это явно указывает на контаминацию их материалом земной коры.

Другим важным доказательством поступления в земную кору Sr87 является изменение отношения Sr87/ Sr86 в древних карбонат­ ных осадках. Начиная с 3 млрд, лет назад и до 1 млрд, лет наблю­

с 1 млрд, лет назад по мере угасания магматической деятельности (по сравнению с древним докембрием) количество поступающего Sr87 сокращается в связи с эрозией и переотложением древних осад­ ков; отношение Sr87/Sr86 во многих бассейнах палеозоя даже не­ сколько снижалось.

Изучение Sr87/Sr86 в карбонатитах (0,7034 ± 0,0003) показало их тесную связь (генетическую?) с глубинными интрузивными породами основного состава. В то же время связь карбонатитов с карбонат­ ными осадками, в которых Sr87/Sr86 варьировало от 0,706 до 0,710, по данным изотопных исследований стронция, явно отсутст­ вовала.

Выяснение распределения изотопов Sr87/Sr86 в горных породах является в настоящее время удобным методом распознавания гене­ зиса исследуемых пород.