Новый 190Pt-4He метод изотопной геохронологии для датирования минералов платины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.09, кандидат наук Якубович, Ольга Валентиновна

• Якубович, Ольга Валентиновна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Якубович, Ольга Валентиновна

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ГЕОХРОНОЛОГИЯ ПО РАДИОГЕННОМУ ГЕЛИЮ

1.1 современное состояние методов изотопного датирования по радиогенному гелию

1.2 модели миграции гелия в твердом теле

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. методика масс-спектрометрического определения микроколичеств радиогенного гелия

2.2. методика определения содержания платины в агрегатах платины

2.3. методика определения содержания урана в платине

2.4. методика 190Р1-186Оз датирования

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

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

3.3. Щелочно-ультраосновной массив Инагли

3.4. Щелочно-ультраосновной массив Чад

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

3.6. Россыпное платино-палладиевое месторождение Серро, Бразилия

стр.

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

4.1. Особенности миграции гелия в технических металлах

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

4.3 Экспериментальное определение миграционных характеристик гелия в самородных металлах

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

190ту4. 4Т

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

ГЛАВА 5. РЕЗУЛЬТАТЫ190Pt-4HeДАТИРОВАНИЯ

5.1 дунит-клинопироксенитовый массив Файфильд

5.2 щелочно-ультраосновной массив Кондер

5.3 щелочно-ультраосновные массивы Инагли и Чад

5.4 группа дунит-клинопироксенитовых массивов Файфильд

5.5 россыпное платино-палладиевое месторождение Серро

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Новый 190Pt-4He метод изотопной геохронологии для датирования минералов платины»

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.

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 (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

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 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

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 8ТБ1А№^ (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 10-05-00321а, 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

о

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 процесса для зерен, размеры которых составляют первые сотни микрон, при расчете «гелиевого возраста» вводят специальные математические поправки, которые в зависимости от формы зерна и характера распределения урана в нем

учитывают как потери, так и долю имплантированного аналогичным способом гелия (a-ejection) (Farley, 1996).

Хотя в большинстве минералов-геохронометрах (силикатах, оксидах, фосфатах, титано-танталониобатах и др.) (U-Th)/He изотопная система оказалась непригодной для датирования непосредственно процессов минералообразования из-за легкой миграции и потерь радиогенного гелия, существует группа минералов (самородные металлы)перспектива использования которых для (U-Th)/He датирования выглядит очень оптимистичной (Шуколюков и др., 2010, 2012а, Cabrai et al., 2012).

1.2. Модели миграции гелия в твердом теле

При описании процессов миграции атомов радиогенных благородных газов и, в частности, гелия в минералах обычно используются два основных подхода. Начиная с первых публикаций Э.К. Герлинга (Герлинг, 1939а; 19396, 1961), в работах большинства российских исследователей (Шуколюков, 1970; Ашкинадзе, 1980; Шуколюков и др., 2009) применяется формализм мономолекулярной химической реакции первого порядка. Он основан на представлении о том, что кристаллическая структура природных минералов (реальных кристаллов) в области образования атома радиогенного изотопа столь дефектна, что мигрирующему атому достаточно совершить один скачок для перехода в подвижное состояние, и поэтому поведение мигрирующего радиогенного атома формально аналогично поведению атомов в простых химических взаимодействиях. Действительно, один акт а-распада атомного ядра урана, приводящий к последовательному образованию в структуре 6-8 атомов радиогенного гелия, сопровождается выделением и рассеиванием в структуре ~108эВ, тогда как атомы кристаллической структуры связаны с энергией в 2-4 эВ. Иными словами, односкачковая модель основывается на предположении, что энергия, необходимая для совершения первого скачка, много больше, чем энергия, требующаяся для последующей диффузии из минерального зерна по нарушенной структуре.

Именно такой математический аппарат теории мономолекулярной химической реакции первого порядка используется и в различных изотопно-геохимических моделях эволюции системы мантия-кора-атмосфера Земли с применением и иных, не газообразных химических элементов (Азбель, Толстихин, 1988 и др.)

Скорость миграции радиогенных атомов гелия при этом подходе может быть представлена так: с1Не

Л

= -к • Не{О С1-2)

-А

к = к0 е КТ

где ко -частотный фактор , Е - энергия активации миграции, Я -газовая постоянная, Т- абсолютная температура.

Вытекающая из такой дифференциальной формы закона миграции гелия в минералах его интегральная форма имеет вид:

Не1=Нео'е (1.3)

где Нег - содержание гелия в момент времени а Не0 - содержание гелия в начальный момент времени.

Для нахождения миграционных характеристик (энергии активации Е и частотного фактора к0 выражение (1.3) можно преобразовать:

Не Е

1п1п7Щ = 1пко+ш~~ (1.4)

Поскольку это уравнение прямой линии в системе координат

,, Не 1

Не" Г' г 1

параметрам этой экспериментально полученной зависимости можно вычислить величину энергии активации миграции^ и частотного фактора к0.

К достоинствам такого представления относится доказательство существования в реальных кристаллах зон с различной степенью

нарушенности кристаллической структуры, возможность миграции радиогенных атомов по различным направлениям в структуре, вероятность существования в минералах разнообразных первичных дефектов и ловушек для таких мигрирующих атомов, возможность негомогенного распределения радиогенного гелия в кристаллической решетке. Иными словами, предполагается возможность различных энергетических состояний атомов радиогенного гелия в реальных минеральных структурах. Эти обстоятельства в большей или меньшей степени объясняют наблюдаемые сложные кривые кинетики миграции радиогенного гелия в минералах. Со времен пионерских работ Э.К.Герлинга по исследованию кинетики выделения радиогенного гелия и аргона из урансодержащих минералов (Герлинг, 1939а, 19396, 1961) известно, что скорость выделения газов при термическом отжиге минерала имеет несколько максимальных и минимальных значений. Кривые кинетики газовыделения с несколькими максимумами скорости миграции ксенона, криптона, аргона, неона и гелия при нагреве урановых минералов и цирконов были получены позже и в ряде других исследований (Шуколюков, 1970; Шуколюков, Левский, 1972; Шуколюков, Ашкинадзе, 1987; Шуколюков и др., 1994; Reimold et al., 1995).

К числу достоинств формализма мономолекулярной химической реакции первого порядка принадлежит также относительная простота математических процедур определения миграционных параметров Е и ко по данным эксперимента. К недостаткам относятся, прежде всего, не всегда достаточная разрешающая способность метода, во многих случаях не позволяющая четко идентифицировать процессы миграции с разными кинетическими параметрами.

Альтернативный подход основан на использовании законов диффузии Фика, описывающих изменение концентрации атомов радиогенных газов в минералах при температурных воздействиях (Fechtig, Kalbitzer, 1966; Carslaw, Jaeger, 1959). Отличие диффузионной модели от односкачковой заключается в том, что если в случае односкачковой модели определяющим

фактором является время, необходимое на отрыв атома от центра накопления, то при классической диффузии выход атома из решетки минералов определяется временем его блуждания в зерне. В основе этой модели лежат строго определенные условия: принимается, что диффузия происходит из одинаковых по размеру минеральных зерен шарообразной или иной a priori заданной формы с первоначально гомогенным распределениям как радиоактивного (материнского) изотопа, так и радиогенного изотопа благородного газа. С течением времени концентрация остающихся атомов газа описывается сложной функцией, зависящей от коэффициента диффузии D, температуры Г, от размеров зерен минерала - например, радиуса «зерна-сферы» R (Fechtig, Kalbitzer, 1966). В общем виде доля потерянного газа может быть корректно вычислена по выражению, соответствующему принятой модели миграции по законам классической диффузии:

где Б - диффузионный коэффициент, X - время, Я- радиус зерна, п -натуральное число.

Знание величины коэффициента диффузии, зависящего от температуры, позволяет рассчитать, при точно известных эффективных размерах диффузионных ячеек (они далеко не всегда соответствуют реальным размерам кристаллов) диффузионные параметры - энергию активации диффузии и частотный фактор, пользуясь экспериментальной зависимостью:

Однако главная проблема интерпретации экспериментальных данных о миграции благородных газов в структуре реальных минералов состоит в коренном отличии идеализированного представления о гомогенном

(1.6)

Е

D = Do e RT

(1.7)

изначальном распределении газов и об одинаковом энергетическом положении всех атомов мигрирующего газа в структуре от действительных условий миграции. Тем не менее известно крайне негомогенное распределение родительских изотопов гелия (урана и тория) в кристаллической структуре большинства цирконов и других акцессорных минералов (Шуколкжов, 1970; Тугаринов, Бибикова, 1980 и др.).

Вследствие разных предполагаемых механизмов миграции диффузионная модель оперирует размерами зерна, а для односкачковой модели они не существенны. Большинство современных изотопно-геохимических построений основываются на одной из этих моделей. Однако в области геотермохронологии диффузионная модель используется значительно чаще (Rosso, 2005).

Реальный процесс миграции радиогенного гелия из решетки минерала скорее всего представляет собой совокупность двух этих механизмов. Исследования в области термодесорбции гелия из облученных реакторных материалов показывают, что гелий в решетках металлов и некоторых минералов имеет ограниченную растворимость. Пересыщение твердого раствора гелием снимается за счет диффузии гелия к различным объемным или поверхностным дефектам, которые служат центрами накопления гелия в решетке минерала (Гольцев, Гусева, 1973; Неклюдов, Толстолуцкая, 2003; Ghoniem et al., 1983). Исходя из этой модели, выход гелия из реального кристалла можно представить как отрыв атома от центра накопления (односкачковый механизм) и его последующую диффузию к границе зерна.

В общем виде скорость потерь гелия можно описать следующим уравнением (Светухин и др, 2005):

+ р(-й), (1.8)

ot г dry or J ' v 7

Где C(r,t) - зависимость концентрации растворенных атомов гелия в решетке от радиуса г и времени /; D(T) - коэффициент диффузии гелия, который не зависит от концентрации С; N - концентрация атомов гелия,

находящихся в некотором центре накопления гелия; к - кинетический коэффициент.

Зависимость кинетического коэффициента от температуры выражается уравнением:

Г г \

к(Т) = к0 ехр

V RT.

(1.9)

где Еа - энергия активации отрыва атома гелия от дефекта, ко -коэффициент,связанный с геометрией центра и пропорциональный концентрации центров накопления Nc.

Как следует из уравнения (1.9), если к»D/r2, то определяющим механизмом выхода гелия из решетки минерала является диффузия. Если

Л

k«D/r, то лимитирующей стадией выхода является односкачковый механизм. Очевидно, что для больших монокристаллов (г—>оо, миграция идет по диффузионному механизму, а при г—>0 миграция идет по односкачковому механизму.

По результатам математического моделирования на примере термодесорбции гелия из облученных реакторных материалов было показано, что определяющим фактором выхода гелия является односкачковый механизм, а вкладом диффузионного механизма можно пренебречь (Светухин и др., 2005).

Несмотря на различие в представлениях о том, как именно происходит миграция гелия и других благородных газов из кристаллической решетки, применение обеих - диффузионной и односкачковой - моделей к реальным минералам дает близкий результат, как минимум в области получаемых значений энергии активации миграции благородного газа. Так в работе Якубович (Якубович и др., 2010) было показано, что полученные значения энергии активации миграции гелия из циркона (гелия в основном энергетическом положении), рассчитанные на основе односкачковой модели соответствуют значениям энергии активации, рассчитанным на основе представлений диффузионной модели - данные Райнерса (Reiners et al., 2002).

Таким образом, принципиальное различие описанных моделей для геотермохронологии связано с последующей интерпретацией получаемых данных, а именно с вопросом необходимости учитывать размер зерна при геотермохронологических построениях. С точки зрения геохронологии, если энергия активации миграции благородного газа из всех его возможных энергетических положений в кристалле высока, то, очевидно, что полученное значение возраста не будет зависеть от того, какая модель была выбрана.

ГЛАВА 2

МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Методика масс-спектрометрического определения микроколичеств радиогенного гелия

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Якубович, Ольга Валентиновна, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Астраханцев О.В., Батанова В.Г., Перфильцев A.C. Строение

Гальмоэнанского дунит-клинопироксенит-габбрового массива // геотектоника. 1991.№ 1. С. 47-62.

2. Банных О. А., Будберг П.Б., Алисова С. П. и др. Металлургия. 1986.440

с.

3. Герлинг Э.К. Теплота диффузии гелия как критерий применимости

минерала для определения возраста по гелиевому методу// Докл. АН СССР. 1939. Т.24. №6. С.570-573.

4. Герлинг Э.К. Формы нахождения гелия в минералах и миграция гелия в

них.// Автореферат докт. дисс.1939.

5. Герлинг Э.К. Современное состояние аргонового метода определения

абсолютного возраста и его применение в геологии// М.-Л.: Изд-во АН СССР. 1961.130 с.

6. Геология, петрология, и рудоносность Кондерского массива. Под ред.

Косыгина, Ю.А. М. Наука. 1994. 170 С.

7. Группа аналитиков по изучению рынков металлов, METALReserch.

International metallurgical research group//www.metalresearch.ru. 2011.

8. Ефимов A.A., Ронкин ЮЛ., Малич К.Н.Лепехина Г.А. Sm-Nd и Rb-Sr

(ID-TIMS) датирование апатит-флогопитовых пироксенитов в дунитовом «ядре» кондерского массива на алданском щите: новые данные. ДАН. 2012. Т.445. №5. С. 564-569

9. Зайцев В.П., Ланда Э.А., Марковский Б.А., Беляцкий Б.В. О возрасте и

изтопоно-геохимических особенностях зональных дунит-клинопироксенит-габбровых массивов Корякского нагорья // Доклады РАН. 2002. Т. 386, № i.e. 78-81.2001. С. 78-86.

10. Каретников A.C. К проблеме определения возраста массива Кондер // Тихоокеанская геология.2005.Т.24.№4.С.76-83.

11. Коротеев Ю.М., Лопатина О.В., Чернов И.П.Электронная и атомная структура системы Zr-He // Физика твердого тела. 2009. Т. 51, вып. 8. С.1510-1517.

12. Корякско-Камчатский регион - новая платиноносная провинция России. СПб. Санкт-Петербургская картографическая фабрика. 2002. 383 С.

13. Корчагин A.M. Плутон Инагли и его природные ресурсы, Москва, Недра, 1996, 156 с.

14. Кузнецов И.В., Назимова Ю.В., Корнеев С.И. Минералы платиновой группы в дунитах Гальмоэнанского массива (Корякское нагорье) // Записки ВМО. 2002. № 2. С. 72-84.

15. Ланда Э.А., Марковский Б.А., Беляцкий Б.В., Сидоров Е.Г., Осипенко А.Б. Возраст и изотопные особенности альпинотипных, зональных и расслоенных мафит-уьтрамафитовых комплексов Камчатки // Доклады РАН. 2002. Т. 385. № 6. С. 812-815.

16. Лякишев Н.П. ред. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник в 3 томах. Издательство Машиностроение.1996-2010.

17. Мочалов А.Г. Россыпи платиновых металлов.// В кн.: Россыпные месторождения России и других стран СНГ. М.: Научный мир. 1997. С. 127-165.

18. Мочалов А.Г. Россыпеобразующие формации минералов платиновой группы Дальнего Востока России//Рудные месторождения и процессы рудообразования. М.: ИГЕМ РАН. 2005. С. 367-386.

19. Мочалов А.Г., Зайцев В.П., Перцев А.Н., Власов Е.А. Минералогия и генезис «шлиховой платины» россыпных месторождений южной части Корякского нагорья (Россия) // Геология рудных месторождений. 2002ь № 3. С.212-238.

20. Мочалов А.Г., Зайцев В.П., Назимова Ю.В., Перцев А.Н., Вильданова Е.Ю. Вариации состава «шлиховой платины» россыпных месторождений южной части Корякского нагорья (Россия) // Геология рудных месторождений. 20022. № 6, с. 556-570.

21. Мочалов А.Г. 2013 - см Mochalov A.G. 2013

22. Назимова Ю.В., Зайцев В.П., Мочалов А.Г. Минералы платиновой группы габбро-пироксенит-дунитового массива Гальмоэнан южной части Корякского нагорья (Россия)// Геология рудных месторождений. 2003. Т. 45. № 6. С. 547-565.

23. Петржак К.А., Якунин М.И. Исследование альфа-радиоактивности природной платины // ЖЭТФЛ961.Т.41.С.1780-1782.

24. Ронкин Ю.Л., Ефимов A.A., Лепихина Г.А., Родионов Н.В., Маслов A.B., U-Pb датирование бадделиита и циркона из платиноносных дунитов Кондерского массива, Алданский щит: новые данные., Доклады Академии Наук, 2013, т.450, №5, стр. 579-585

25. Сидоров Е.Г. Платиноносность базит-гипербазитовых комплексов Корякско-Камчатского региона: Автореф. Дис.— д-ра геол.-мин. наук. Владивосток: ДГИ ДВО РАН, 2009. 46 с.

26. Смирнов 1977 см. Корчагин, 1996

27. Старик И.Е. Ядерная геохронология. М. Издательство АН СССР. 1961. 608 С.

28. Харлей П. Гелиевый метод определения возраста, распространенность и миграция гелия в породах.// В книге : Старик И.Е., ред. Ядерная геология. М. Издательство иностранной литературы. 1956. С.391-434.(Перевод с англ.: H.Faul, Edit.Nuclear

Geology.A Simposium on Nuclear Phenomena in the Earth Sciences. J.Wilei&Sons, Inc.N.Y. 1954.)

29. Холланд Х.Разрушающее действие радиации и использование его для определения возраста. 1956.// В книге : Старик И.Е., ред. Ядерная геология. М. Издательство иностранной литературы. 1956. С.232-238.(Перевод с англ.: H.Faul, Edit.Nuclear Geology.A Simposium on Nuclear Phenomena in the Earth Sciences. J.Wilei & Sons, Inc.N.Y. 1954.).

30. Шуколюков Ю.А., Якубович O.B., Рыцк Е.Ю. О возможности изотопного датирования самородного золота U-Th-He - методом.// Доклады Академии наук. 2010. Т.430. №2. С. 1-5.

31. Шуколюков Ю.А., Якубович О.В., Гороховский Б.М., Корнеев С.И., Черкашин И.А. Новый 190Pt -4Не-метод определения возраста самородной платины // Доклады Академии наук. 2011. Т.441. №3. С. 372-375.

32. Шуколюков Ю.А., Якубович О.В., Яковлева С.З., Сальникова Е.Б., Котов А.Б., Рыцк Е.Ю. Геотермохронология по благородным газам: III. Миграция радиогенного гелия в кристаллической структуре самородных металлов и возможности их изотопного датирования // Петрология. 2012.Т.20.№ 1 .С.3-24

33. Шухардин С.В. ред. Двойные и многокомпонентные системы на основе меди. Раздел ГРНТИ: Металловедение.Издательство Наука. 1979.

34. Якубович О.В., Шуколюков Ю.А., Котов А.Б., Яковлева С.З., Сальникова Е.Б. Геотермохронология по благородным газам: II. Исследование устойчивости уран-торий-гелиевой изотопной системы в цирконах // Петрология.2010. Т. 18. №6.С.1-16.

35. Aciego S., Kennedy В., DePaolo D., Christensen J., Hutcheon I. (U-Th)/He age of phenocrystic garnet from the 79 AD eruption of Mt. Vesuvius // Earth and Planetary Science Letters. 2003 V. 219. P. 209-219.

36. Aciego S., DePaolo D., Kennedy B.Combining [ He] cosmogenic dating with (U-Th)/He eruption ages using olivine in basalt // Earth and Planetary Science Letters. 2007. V. 254. P. 288-302.

37. Al-Bataina B. and Janecke J. Half-lives of long-lived alpha emitters.// Radiochim. Acta. 1987.42, 159-164)

38. Batanova V.G., Pertsev A.N., Kamenetsky V.S., Ariskin A.A., Mochalov A.G., Sobolev A.V. Crustal Evolution of Island-Arc Ultramafic Magma: Galmoenan Pyroxenite-Dunite Plutonic Complex, Koryak Highland (Far East Russia) // J. Petrology. Vol. 46, № 7. 2005. P.1345-1366.

39.Birck J. L., Barman M. R., Capmas F. Re-Os Isotopic Measurements at the

Femtomole Level in Natural Samples //Geostandards Newsletter. - 1997. -T. 21. - №. l.-C. 19-27.

40. Begemann F., Ludwig K. R., Lugmair G. W., Min K., Nyquist L. E., Patchett P. J., Renne P. R., Shih C.-Y., Villa I. M., Walker R. J. Call for an improved set of decay constants for geochronological use//Geochimica et Cosmochimica Acta. 200l.V. 65. No. 1. P. 111-121.

41. Berglund M., Wieser M.E. Isotopic Compositions jf the Elements 2009 (IUPAC Technical Report)//Pure Appl. Chem. 2011. V.83. No.2, P.397-410.

42. Berglund M., Wieser M. E. Isotopic compositions of the elements 2009 (IUPAC Technical Report) 2011, Vol. 83, Issue 2, P. 397-410

43. Blackburn J., Stockli D., Carlson R.(U-Th)/He dating of kimberlites—A case study from north-eastern Kansas // Earth and Planetary Science Letters. 2008. V. 275. P. 111-120.

44. Blendowsce R., Fliessbach T.and Walliser H.. From a-decay to exotic decays - a unified model// Z.Physik. 1991. -A Hadrons and Nuclei. Vol.339, P.121.

45. Brauns C. M. A rapid, low-blank technique for the extraction of osmium from geological samples //Chemical Geology. - 2001. - T. 176. - №. 1. -C. 379-384.

46. Brown B.A. Simple relations for alpha decay half-lifes //Phys. Rev. C. 1992. Vol.46. P.811.

47. Buck B., Mercant A.C., S.M.Perez Half-lives of favored alpha decay from nuclear ground states// Atom. Data .Nucl. Data Tables .(1993) Vol.54. P.53.

48. Coggon Ju. Ann Application of The 190Pt-1860s isotope decay system to dating platinum-group minerals. Doctoral thesis.(2010) Durham University, http:// theses.dur.ac.uk/398/.

49. Cabral, A.R., Beaudoin, G., Kwitko-Ribeiro, R., Lehmann, B., Polonia, J.C., Choquette, M.,2006. Platinum-palladium nuggets and mercury-rich palladiferous platinum fromSerro, Minas Gerais, Brazil. Can. Mineralog. 44, 385-397.

50. Cabral A., Radtke M., Munnik F., Lehmann B., Reinholz., Riesemeier H., Tupinamba M., Kwitko-Ribero R.,Iodine in alluvial platinum-palladium nuggets: Evidence for biogenic precious-metal fixation// Chemical geology (2011), V.281, 1-2, p.125-132.

51. Cabral A. R. et al. Direct dating of gold by radiogenic helium: Testing the method on gold from Diamantina, Minas Gerais, Brazil //Geology. - 2013. - T. 41. - №. 2.-C. 163-166.

52. Cabri J.L., Stern, R.A. Czamanske G.K.: Osmium isotope measurements of Pt-Fe alloy placer nuggets from the Konder intrusion using a Shrimp II ion microprobe. Eighth Int. Platinum Symp., 1998 p. 55-57

53. Cassedanne J. P., Alves J. N. Palladium and platinum from Corrego Bom Sucesso, Minas Gérais, Brazil //Mineral. Rec. - 1992. - T. 23. - C. 471.

54. Cassedanne, J.P., Jedwab, J., Alves, J.N., 1996. Apport d'une prospection systématique àl'étude de l'origine de l'or et du platine alluviaux du Côrrego Вот Sucesso (Serro -Minas Gérais). An. Acad. Bras. Ciê. 68, 569-582.

55. Cherniak D.J., Watson E.B., Thomas J.B. Diffusiom of helium in zircon and apatite // Chemical Geology. 2009. V. 268. P. 155-166

56. Cook D.L., Walker R.J., Horan M.F., Wasson J.T., Morgan J.WPt-Re-Os Systematics of group IIAB and IIIAB iron meteorites. // Geochim Cosmochim. Acta. 2004. Vol.68.1413.

57. Dickin A. Radiogenic Isotope Geology. 2004. http://www.onafarawayday.com/Radiogenic/

58. Dodson M.H. Closure temperature in cooling geochronological and petrological systems.// Contrib. Mineral. Petrol. 1973 V. 40 P. 259-274.

59. Dimarko A., Duarte S.B., Tavares O.A.P., Gonsalves M., Garsia F., Rodriges O., Gusman F.. Effekt of nuclear deformationon the alpha-decay half-life of even-even alpha emitters// Int.J.mod.Phys. E. 2000.Vol.9.P.205.

60. Dunai T.J. Forward Modeling and interpretation of (U-Th)/He ages //Rev. Mineralogy and Geochemistry. 2005. V. 58. P. 259-274.

61. Elliott S. J., Martin A. R. Geology and Mineralisation of the Fifield Platinum Province New South Wales (6th International Platinum Symposium Excursion Guidebook) //New South Wales Division, Sydney. -1991.

62. Farley K.A., Stockli D. (U-Th)/He dating of phosphates: apatite, monazite, and xenotime // Rev. Mineralogy and Geochemistry. 2002. P.559-577.

63. Farley K. He diffusion systematic in minerals: Evidence from synthetic monazite and zircon structure phosphates// Geochimica Cosmochimica Acta. 2007. V. 71. P. 4015-4024

64. Garcia F., Rodrigues O., Duarte S.B., O.A.P. Tavares, F.Gusman Alfa decay and nuclear deformation: thecase for favoured alpha transitions of even-even alpha emitters //.J.Phys G: Nucl.Part. Phys. 2000 Vol.26. P.755

65. Ghoniem N., Sharafat S., Williams J., MANSUR 1. Theory of helium transport and clustering in materials under irradiation// Nuclear Materials. 1983. V. 117. P. 96-105.

66. Graeffe G., Nurmia M.. The use of ticks sources in alpha spectrometry// Ann. Acad. Scient. Fennicae, 1961. Series A VI. Vol.77, P.l.

67. Graeffe G. On the alpha activity of platinum isotopes.// Ann. Acad. Sci. Fenn.1963.AVI., 128

68. Hanchar J.M., Hoskin P.W. ZIRCON// rev. Mineralogy and Geochemistry. V. 53. 2003. 652.P.

69. Hoffmann G. Zur experimentellen Entscheidung der Frage der Radioaknivität aller elemente II.// Z.Phys. 1921.V.7. P. 254.

70. Holland H.D. Radiation damage and its use in age determination// Nuclear Geology. Ed. Faul H. New York: Wiley. 1954. P. 175-179.

71. Horan M.F., Heony6jiHKOBaHHbiHpe3yjiBTaT, npHBOflHTCJino Walker R. J., Morgan J. W., Beary E. S., Smoliar M. I., Czamanske G. K., and Horan M. F. (1997).

72. Hornshöj P., Hansen P.G., Jonson B., Ravn H.L., L.Westgaard, O.B. Nielsen Widths for s- and d-wave a-decay of neutron-deficient isotopes with Z<82. //Nucl. Phys. 1974. Vol.A230.P.365.

73. Hurley P.M. The helium age method and the distribution and migration of helium in rocks// Nuclear Geology. Ed. Faul H. New York: Wiley. 1954. P. 301-329

74. Kamo S. L., Czamanske G. K., and Krogh T. E. A minimum U-Pb age for Siberian flood-basalt volcanism. // Geochim. Cosmochim.Acta.1996. 60. P. 3505-3511

75. MacFarlane R. D. and Kohman T. P. Natural alpha radioactivity in medium-heavy elements. 1961. Phys. Rev. 121. 1758-1769.

76. Mochalov A.G., Khoroshilova T.S. The Konder alluvial placer of platinum metals // International platinum. Athens: Theophrastus publications, 1998. P. 206-220.

77. Mochalov A. G. A genetic model of PGM hosted in cumulative gabbro-pyroxenite-dunite complexes of the Koryak Highland, Russia //Geology of Ore Deposits.-2013.-T. 55.-№. 3.-C. 145-161.

78. Morgan J.W., Walker R. J.,Horan M.F.; Beary E.S., Naldrett A.J. 190Pt-1860s systematics of the Sudbure Igneous Covples, Ontario // Geochim. et Cosmochim Acta. 2002. Vol.66. P.273.

79. Mortimer E., Foeken J., Strecker M., Stuart F. Evolution of a Young Rift Border-Fault System Constrained by Low Temperature (U-Th/He) Thermochronometry: North Basin, Malawi Rift, East Africa. 2006. www.agu.org

80. Ozima M., Podosek M.A. Noble gas geochemistry. Cambridge: Cambridge University Press, 1983. 367P.

81. Pettke T., Frei R., Kramers J.D., Villa I.M. Isotope systematics in vein gold from Brusson, Val d'Ayas (NW Italy) 3. (U + Th)/He and K/Ar in native Au and its fluid inclusions // Chemical Geology. 1997. V. 135. P. 173-185.

82. Poenaru D.N., Greiner W., K.Depta, M.Ivascu, D.Mazilu, A.Sandulescu Calculated half- lives and kinetic energies for spontaneous emission of heavy ions from nuclei.// Atom. Data Nucl. Data Tables . 1986. Vol.34. P.423.

83. Porschen W., Riezler W. Natuerliche radioaktivitaet von platin und neodim// Z.Naturforsch. 1954. V. 9A P.701.

84. Reich M., Ewing R., Ehlers T., Becker U. Low-temperature anisotropic diffusion of helium in zircon: Implications for zircon (U-Th)/He

thermochronometry // Geochimica Cosmochimica Acta. 2007. V.71. P. 3119-3130.

85. Reiners P. Zircon (U-Th)/He Thermochronometry// Rev. Mineralogy and Geochemistry. 2005. V. 58. P. 151-179.

86. Rosso. Low Temperature Thermochronometry //Rev. Mineralogy and Geochemistry. 2005. V. 58. 623 P.

87. Rutherford E. Radioactive Transformations. N.Y.: Charles Scriber's Sons. 1906. 180. P.

88. Saadoune I, Purton J, Leeuw N. He incorporation and diffusion pathways in pure and defective zircon ZrSi04: A density functional theory study // Chemical Geology 2009. V. 258. P. 182-196.

89. Schultz L., Franke L. Helium,Ne and Argon in Meteorites. A Data Collection. Max-Planck-Institut fuer Chemie.2000. 49)Taagepera R., Nurmia M.On the relations between half-life and energy release in alpha decay// Ann. Acad. Scient. Fennicae. 1961.Series A VI. Vol.78, P.l

90. Shuster D., Flowers R., Farley K. The influence of natural radiation damage on helium diffusion kinetics in apatite // Earth and Planetary Science Letters .2006. V. 249. P. 148-161.

91. Shuster D., Farley K. The influence of artificial radiation damage and thermal annealing on helium diffusion kinetics in apatite // Geochimica Cosmochimica Acta. 2009. V. 73. P. 183-196.

92. Strutt R. The accumulation of helium in geologic time // III. Proc. Roy. Soc. London. 1910. Ser. A. 83. P. 298-301.

93. Tavares O.A.P., M.L. Terranova. Alpha activity of 190Pt isotope measured with CR-39 track detector//Radiat. Meas. 1997.27

94. Tavares O.A., Duarte S.B., Rodriguez O., Gusman F., Gonsalves M., Garcia F.Effective liquid drop description for alpha-decayof atomic nuclei// J.Physik. G: Nucl. Part.Phys. 1998. Vol.24, P.1757.

95. Tavares O.A.P., M.L. Terranova. Alpha activity of 190Pt isotope measured with CR-39 track detector//Radiat. Meas. 1997.27

96. Tavares O.A.P., Terranova M.L. and Medeiros E.L.. New evaluation of alpha decay half-life of 190Pt isotope for the Pt-Os dating system//Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms.2006.Volume 243, N.l, P. 256-260.

97. Trompette R. et al. The Brasiliano Sao Francisco Craton revisited (central Brazil) //Journal of South American earth sciences. - 1992. - T. 6. - №. 1. -C. 49-57.

98. Walker R. J., Morgan J. W., Beaiy E. S., Smoliar M. I., Czamanske G. K., and Horan M. F. Applications of the 190Pt-1860s isotope system to geochemistry and cosmochemistry // Geochim. Cosmochim. Acta. 1997.61, 4799-4807.

99. Walker R. J., Morgan J. W., Nalldrett A.J.,Li C., Fassett. Re-Os systematics of Ni-Cu sulfide ores, Sudbure Igneous Complex,

Ontario: evidence for a major crustal component I I Earth Planet. Sci.Lett. 1991.Vol.105. P.416-429.

100. Wolf R.A., Farley K.A., Kass D.M. Modelling of the temperature sensitivity of the apatite (U-Th)/He thermochronometer. Chemical Geology. 1998. V. 148. P. 105-114.

101.Zeitler P.K., Herczeg A.L., McDougall I., Honda M. (U-Th)/He dating of apatite: a potential thermochronometer // Geochimica Cosmochimica Acta. 1987. V.51.P. 2865-2868.