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

полнена серия определений абсолютного возраста по разным мине­ ралам из пегматитов (табл. 19). Для всех полученных значений воз­ раста типична одна и та же последовательность

Характерно, что максимальные значения возраста по Pb207/Pb206 достаточно близко совпадали у всех исследованных минералов и ока­ зались приблизительно равны 1900 ± 100 млн. лет, т. е. возрасту,

Рис. 22. Кривая сходящихся значений возраста (конкордия), пересекаемая изохроной, образованной значениями возраста минералов пегма­ титов Станового хребта (в млн. лет):

1 — ортиты; 2 — монациты; 3 — цирконы; 4 — чевкиниты; 5 — ураниниты; 6 — гадолиниты.

установленному для большинства биотитов из тех же пегматитов аргон-калиевым методом. Таким образом, это значение оказалось наиболее вероятным истинным возрастом пегматитов и подтверди­ лось при построении графика по принципу Везерилла (см. рис. 22). Различные значения возраста, полученные по другим изотопным от­ ношениям, могли быть объяснены так же, как и аналогичный эффект, наблюдавшийся у уранинитов, т. е. селективной миграцией свинца и урана при полной стабильности тория, подвижность которого в природных условиях крайне ограниченна. Следовательно, если по отношениям Pb206/U238 и Pb207/U235 могли быть получены самые раз­ личные значения возраста, отношение Pb208/Th232 во всех случаях

Таблица 19

Возраст пегматитов Станового хребта, полученный по разным минералам (по А. И. Тугаринову)

Возраст минерала, млн. лет , по изотопным отношениям

должно было указывать на верхний предел возраста наиболее юного метаморфизма. В данном случае он оказался равным 210 млн. лет (см. табл. 19), что вполне оправдывалось присутствием юрских ин­ трузий, прорывавших и метаморфизовавших докембрийские толщи Станового хребта.

При высоких содержаниях в радиоактивных минералах обыкно­ венного свинца и хорошей их сохранности, когда, по существу, по одному изотопному отношению Pb207/Pb206 может быть получено приемлемое значение возраста, очень важно правильно внести по­ правку на содержание обыкновенного свинца, который, как правило, точно не известен. В то же время всякое искажение его изотопного состава при внесении поправки сильно скажется в первую очередь на изотопном отношении Pb207/Pb206 в радиогенном свинце, а следо­ вательно, и на единственно доступном для данного минерала зна­ чении его абсолютного возраста. Чтобы избежать этого, Л. Стиф и Т. Стерн (США) предложили так называемый изохронный метод вычисления возраста, который заключался в следующем. Из разных минералов одного интрузивного массива или рудной жилы извле­

кали свинец и измеряли его изотопный состав. Полученные резульРЬ2°7

РЬ206 . В том случае, если изученные образцы имели действительно

одинаковый возраст и различные доли обыкновенного свинца оди­ накового изотопного состава, все точки на диаграмме строго ложи­ лись на одну прямую, изохрону, тангенс угла наклона которой к горизонту представлял собой величину изотопного отношения Pb207/Pb20e. При таком графическом методе вычисления РЬ207/РЬ206

необходимость определять изотопный состав обыкновенного свинца примеси отпадала, так как поправка на него вносилась автомати­ чески при построении диаграммы (рис. 23).

Описанный метод, несмотря на некоторое неудобство, связанное с выполнением нескольких изотопных анализов для каждого воз­ растного определения, имеет большие преимущества, так как поз­ воляет оперировать с ничтожно малыми навесками минералов. Од-

Рис. 23. График вариаций изотопного состава свинца осадков Криворож­ ской серии и возраст их седиментации в координатах Pb207/Pb204 — —Pb206/Pb204 для горизонтов К \ (а) и K f ( 6) (точки на изохронах — значения возраста К і Криворожской серии).

нако применение метода возможно лишь в том случае, если изучае­ мая порода представляла собой с момента образования закрытую систему, т. е. свинец, уран и торий мигрировали, не покидая преде­ лы изучаемого образца.

Благодаря этим особенностям метод оказался весьма ценным для измерения возраста осадочных пород. В тех случаях, когда повышенные содержания урана в осадках были обусловлены про­ цессами сингенеза, диагенеза или раннего эпигенеза, изучение не­ скольких образцов такой ураноносной пробы описанным выше способом позволяло установить возраст ее седиментации. Так был установлен возраст ятулийской формации Карелии—1800 млн. лет, возраст Криворожской серии Украины — 2500 млн. лет и др.

Отмеченные особенности свинцового метода определения абсо­ лютного возраста указывают па необходимость подробного предва­ рительного изучения минерала до выполнения аналитических иссле­ дований. Образцы должны быть хорошей сохранности, неизменен­ ные, не подвергавшиеся поверхностному выветриванию или гидро­ термальному изменению, не содержащие включений или прожилков других минералов.

При определении абсолютного возраста горных пород свинцовым методом исследователь вынужден прибегать к весьма трудоемкому процессу — выделению значительного числа акцессорных минера­ лов, присутствующих в интрузивных и метаморфических породах в весьма малых количествах и отличающихся ничтожным размером зерен. В этом случае явление миграции радиоактивных элементов, как и продуктов их распада, нередко проявляется еще чаще, чем при работе с крупными монокристаллами.

В заключение следует остановиться на точности свинцового ме­ тода определения абсолютного возраста. Нередко при геологической интерпретации полученных значений возраста точность полученных результатов намеренно завышается, что приводит к серьезным по­ грешностям и переоценке возможностей метода.

Если совокупность допустимых погрешностей при химическом определении свинца, урана и тория равна ±2%, при масс-спект-

из одного и того же объекта, погрешности могут быть уменьшены в два раза. Например, при получении значения возраста, в среднем по разным изотопным отношениям равного 2000 млн. лет, истинное значение возраста может лежать в пределах 2000 ± 100 (1900 — 2100) млн. лет.

§ 2. АРГОНОВЫЙ МЕТОД

Свинцовый метод отличается элементом внутреннего контроля. Иначе говоря, любое значение возраста, полученное этим методом, является результатом решения трех независимых уравнений. Ошиб­ ка в измерении исключается благодаря наличию трех независимых путей решения задачи о возрасте минерала — своеобразному внут­ реннему контролю.

Но применение метода связано с некоторыми трудностями. Най­ ти материалы, пригодные для него, достаточно сложно—акцессор­ ные минералы добываются из больших проб с трудом в течение мно­ гих недель. Для измерения возраста осадочных и основных извер­ женных пород метод практически непригоден.

Вот почему геохронологи все время пытались найти более простой и легко применимый метод определения возраста. В качестве тако­ вого был предложен аргоновый метод.

Этот метод был создай в 19*12 г. В. Г. Хлошшым и Э. К. Герлингом, обратившими внимание па то, что в калиевых минералах на­ капливался аргон прямо пропорционально их возрасту. Установ­ ление связи этой особенности с радиоактивностью одного из изото­ пов калия послужило дальнейшим приближением к идее о том, что новая ядерная реакция может быть использована для расшифровки геохронологических дат.

В настоящее время известно, что один из изотопов калия — К40, присутствующий в естественном калии в количестве 0,0119 ат. % или 0,0122 вес. %, отличается радиоактивностью двух направлений. Благодаря эффекту /(-захвата небольшая часть К40 (около 12%) превращается в Агі0. Большая часть К40 (около 88%) в результате ß-излучения превращается в Са40. По последним данным, Хк — -- 0,55 • 10"10 лет-1, а Яр =■=4,72 • 10-10 лет-1.

Следовательно, для определения возраста калиевых минералов могут быть использованы обе ядерные реакции. Однако практически реакция К40 (К, е~) Ат40 более удобна, поскольку присутствующий в минерале аргон по своему происхождению обычно является исклю­ чительно радиогенным; установить же долю радиогенного кальция не позволяет широкое распространение первичного Са40 в горных породах и в том числе в калиевых минералах.

Содержание аргона в минералах измеряется в вакуумной уста­ новке. Образец минерала проплавляется при 1700° С в индукцион­ ной высокочастотной печи. Выделяющийся при этом газ содержит помимо аргона ничтожно малую часть других инертных газов, а также С02, Н20, 0 2. Первые два вымораживаются в ловушке, на­ ходящейся в жидком воздухе; кислород улавливается на металли­ ческой меди. Количество оставшегося аргона измеряется при помощи ртутного манометра (Мак-Леода).

Поскольку исследуемый материал мог содержать определенное количество воздушного аргона в результате сорбции или недоста­ точно тщательной эвакуации воздуха из установки перед началом эксперимента, производится масс-спектральный анализ выделенного аргона. Обычно в аргоне воздуха присутствуют три изотопа аргона в следующих соотношениях: Ar36 : Ar38 : Ar40 =-- 0,307 : 0,061 : : 99,632, поэтому при обнаружении в исследуемом аргоне его лег­ ких изотопов всегда может быть внесена поправка на присутствую­ щий аргон воздуха.

При малых концентрациях радиогенного аргона в минерале «добавкой» воздушного аргона пользуются сознательно, так как при этом количество измеряемого газа увеличивается и повышается точность эксперимента. На этом принципе основан аналитический метод изотопного разбавления, требующий тщательного массспектралыюго анализа аргона как в добавке, так и в получаемой в результате смешения конечной пробе газа. Метод изотопного разбавления основан на введении добавки аргона, обогащенного изотопом Ar38 или Ar80, которая снижает величину эксперимен­ тальной погрешности, свойственной обычному объемному методу.

Исследования пригодности различных калиевых минералов для определения возраста показали, что калиевые шпаты при нагревании до 400° С начинают терять аргон, по-видимому, в результате диффу­ зии атомов через решетку минералов по системе первичных трещи­ нок. В то же время в слюдах (мусковите, биотите) потеря аргона при нагревании начинается только при 600° С. На основании этого был сделан вывод об ограниченной пригодности калиевых шпатов для определения абсолютного возраста: они, как правило, пока­ зывали более молодые значений возраста, чем встречавшиеся сов­

в случае отсутствия в метаморфических комплексах урано-ториевых минералов для определения их возраста вполне может быть ис­ пользован и амфибол. С помощью этого метода по амфиболу впер­

Радиологам довольно часто приходится сталкиваться и с такими случаями, когда получаемые значения возраста пород по аргоново­ му методу оказываются в 5—10 раз меньше истинных. Так, например, в районе Станового хребта возраст интенсивно серицитизированных диафторизованных гнейсов, пересекаемых пегматитами возрастом 1900 Т: 100 млн. лет, по аргоновому методу оказался равным 200— 170 млн. лет. В данном случае имела место не потеря аргона пер­ вичными минераламиУ(как это произошло с радиогенным свинцом урано-ториевых минералов), а почти полная перекристаллизация

В другом случае при определении возраста различных пород Швейцарии, первичный возраст которых датировался по цирконам в 300—400 млн. лет, измерения по биотиту показали варьирующие значения от 13 до 17 млн. лет. Этот результат был объяснен швей­ царскими геологами позднейшим метаморфизмом пород, скрытыми на глубине интрузиями юного возраста, под воздействием кото­ рых большая часть пород, слагающих Альпы, утратила значитель­ ную долю аргона.

Исходя из того, что среднее содержание калия в слюде состав­ ляет 5—6%, для каждого определения возраста докембрийской породы аргоновым методом необходимо 2—3 г минерала. Поскольку каждое определение обычно повторяется, общая масса требуемой пробы должна быть удвоена.

При изучении материала следует отбирать только свежие об­ разцы породы. Явления гидротермального разложения слюды (хлоритизация, гидратация) приводят к существенному изменению истинного отношения Аг40/К40 в результате селективной миграции обоих изотопов и к искажению значения возраста.

Поведение аргона калиевых минералов интрузивных пород при их выветривании было изучено А. Я- Крыловым по образцам гранитов и осадочных пород Средней Азии и окрестностей Ленин­ града (табл. 20).

образовавшиеся в результате разрушения гранитов рапакиви

Оказалось, что обломочные породы, аккумулирующие наиболее прочные ядра полевых шпатов, показывают возраст коренных пород, за счет которых они возникли. Измененный материал дрес­ вы, отличающийся явно заниженным содержанием аргона, что можно объяснить частичной его потерей при выветривании минералов, в результате эрозии породы удаляется. Вследствие этого в терригенных осадках восстанавливается первичное отношение аргона

ккалию, характерное для исходных свежих гранитов.

Спомощью данного метода, изучая аргон-калиевое отношение

вдонных осадках прибрежной зоны Антарктиды, А. Я- Крылов выяснил возраст коренных пород Антарктиды в различных ее участ­ ках, покрытых ледником.

Изучение терригенных осадков океанов позволило установить для каждого из них свою «возрастную» метку:

Этим методом было определено направление привнося осадков к Апшеронскому полуострову со стороны Русской платформы «Па­ леоволгой» (Каспийским морем) вопреки ранее господствовавшему мнению о главенствующей роли сноса материала с Кавказа (рис. 25).

Как показали работы Г. А. Казакова и Н. И. Полевой, арго­ новый метод можно использовать для датирования осадочных по­ род по глаукониту, образующемуся при диагенезе осадков. Опреде­ ления абсолютного возраста глауконита из хорошо изученных па­ леонтологических отложений Русской платформы позволили су­ щественно уточнить современную геохронологическую шкалу. Исключительное значение глауконита установлено при оценке воз­ раста осадков протерозоя (рифейских и синийских отложений), время седиментации которых оказалось в несколько раз более дли­ тельным, чем предполагалось ранее. Измерения возраста глауко­ нита позволили установить возраст древнейших синийских отло­ жений для всех докембрийских платформ (600—1600 млн. лет)

исопоставить разрезы этих толщ для самых различных регионов.

Вотличие от слюд, глауконит сравнительно легко изменяется под воздействием внешних факторов, поэтому становится непри­ годным для определения возраста. При этом изменяется окраска минерала: появляющийся бурый оттенок (выделение гидроокислов железа) указывает на непригодность глауконита для измерения возраста.

Исследования глауконитов представляют собой наиболее ре­ альный путь датирования осадочных пород, существенным дополне­ нием которого являются определения возраста эффузивов аргоно­ вым методом по породе в целом. Возможности последнего метода

ограничиваются плохой сохранностью значительной части излив­ шихся пород, особенно древнего возраста.

Некоторые минералы имеют способность захватывать радио­ генные газы, что приводит к завышению значений возраста в не-

1 — возраст терригенного материала; 2 — возраст песчаников миоцена; 3 — воз­

раст речных песков.

сколько раз. Берилл и кордиерит, отличающиеся кольцевыми струк­ турами, обычно содержат значительный избыток гелия и аргона. Недавно аналогичный эффект был обнаружен у пироксена, отли­ чающегося повышенным содержанием аргона и показывающего неоправданно большие значения возраста. Так, например, для Мон­