4.5.2. Изотопная систематика свинца

Вариации изотопных составов свинца могут быть использованы для решения вопросов петрогенезиса горных пород, генезиса сульфидных руд, вопроса об источнике и времени генерации магмы и т.д. Здесь используется метод так называемого обыкновенного свинца, т.е. свинца, изотопный состав которого соответствовал первичной гомогенной Земле Т лет тому назад. Резервуар, в котором были равномерно распределены U, Th и Рb, существовал вскоре после образования Земли. Дифференциация мантии постепенно приводила к появлению новых резервуаров и неоднородностей в распределении U/Pb и Th/Pb. В результате радиоактивного распада U и Th к первичному свинцу добавлялось со временем все возраставшее количество радиогенных изотопов 206Рb, 107Рb и 208Рb. При этом большему содержанию радиоактивных элементов во вторичных резервуарах соответствовала большая добавка радиогенного свинца. Если в момент t свинец из такого резервуара был экстрагирован и переотложен в виде собственных свинцовых минералов (например, жилы галенита), то он будет состоять из двух компонентов: первичного свинца и радиогенной добавки, накопившейся за период от T до t1. Если другая рудная жила была образована в более поздний период t2, то обыкновенный свинец этой жилы будет состоять из первичного свинца и большей радиогенной добавки, чем в первом случае.

Изотопный состав первичного свинца был определен по метеоритному веществу, практически свободному от U и Th, исходя из допущения совместного происхождения метеоритов и Солнечной системы. В настоящее время в качестве первичного принят изотопный состав троилита из метеорита Каньон Дьябло (Tatsumoto, Knight, Allégre, 1973; Неймарк, см.: Геохимия радиогенных изотопов на ранних стадиях эволюции Земли, 1983):

102

(206Pb/ 204Pb)T = a0 = 9,307; } изотопный состав первичного свинца во время Т = 4,56 млрд лет назад.
(207Pb/ 204Pb)T = b0 = 10,294;
(208Pb/ 204Pb)T = c0 = 29,479

Эволюция изотопного состава свинца во времени описывается следующими интегральными уравнениями:

(206Pb/ 204Pb) = (206Pb/ 204Pb)T + λ238 
t
T
μ (t) eλ238t dt ;
(4.22)

(207Pb/ 204Pb) = (207Pb/ 204Pb)T
λ235
137,88
 
t
T
μ (t) eλ235t dt ;
(4.23)

(208Pb/ 204Pb) = (208Pb/ 204Pb)T + λ232
t
T
W (t) eλ232t dt ;
(4.24)

Для использования этих уравнений необходимо знать вид функций μ (t) и W (t), который неизвестен. Простейшим решением может быть допущение: μ = const и W = const. Это допущение носит название одностадийной модели эволюции свинца. Под стадией понимается интервал времени, в течение которого μ и W оставались постоянными. Решение этих уравнений для такой модели будет иметь вид

(206Pb/ 204Pb)t = a0 + μ (еλ238T - eλ238t);(4.25)

(207Pb/ 204Pb)t = b0
μ
137,88
(еλ235T - eλ235t);
(4.26)

(208Pb/ 204Pb)t = c0 + W (еλ232T - eλ232t).(4.27)

Разбив промежуток времени от Т до t на n интервалов, получают n-стадийную модель. Например, для двухстадийной модели уравнение (4.25) изменится:

206Pb/ 204Pb = a0 + μ1 (eλ238T - eλ238t1) + (eλ238t1 - eλ238t2).(4.28)

В уравнениях (4.22) - (4.28) введены следующие обозначения:

a0 = (206Pb/ 204Pb)T; b0 = (207Pb/ 204Pb)T; c0 = (208Pb/ 204Pb)T; μ = 238U/ 204Pb; W = 232Th/ 204Pb; W = μК,

где K = 232Th/ 238U; t - время в момент измерения; Т - возраст Земли; 137,88 = 238U/ 235U; λ238, λ235 и λ232 - константы распада 238U, 235U и 232Th соответственно.

Использовать уравнения (4.25) - (4.27) для расчета возраста конкретных месторождений свинцовых руд нельзя, так как каждое из них содержит по два неизвестных: t и μ (или W). Решив совместно уравнения (4.25) и (4.26), можно исключить μ и получить уравнение одностадийной изохроны:

103

(207Pb/ 204Pb)t - b0
(206Pb/ 204Pb)t - a0
 = 
1
137,88
 (
eλ235T - eλ235t
eλ238T - eλ238t
).
(4.29)

На рис. 4.10 показаны эволюционные кривые роста изотопных отношений Рb при заданных μ и W. Пересечение изохрон и кривых роста для различных μ дает значения возраста. Это так называемая одностадийная модель Холмса - Хоутерманса (рис. 4.11). Все изохроны берут начало в одной точке, соответствующей а0, b0, с0. Изохрона, соответствующая нулевому возрасту, называется геохроной. На нее ложатся современные свинцы, например экстрагированные из океанических базальтов. Изотопные составы свинца позволяют определить возраст t (время эволюции свинца), μ (238U/ 206Pb) и К (232Th/ 238U) для регионального источника свинца. В качестве примера можно привести данные по галенитам Мамандур, Индия (Aswathanarayana, 1985), для (206Рb/ 204Рb)t = 14,40; (207Pb/ 204Pb)t = 15,12; (208Pb/ 204Pb)t = 4,31.

Используя вышеприведенные значения a0 и b0, можно рассчитать наклон изохроны (m):

m
(207Pb/ 204Pb)t - b0
(206Pb/ 204Pb)t - a0
 = 
15,12 - 10,294
14,40 - 9,307
 = 0,9478.

Согласно табличным данным (приложение 3) возраст изохроны соответствует интервалу 2,2 - 2,4 млрд лет. Линейная

Рис. 4.10. Эволюция изотопных составов свинца (по Делауа, 1980)
Рис. 4.10. Эволюция изотопных составов свинца (по Делауа, 1980)
Рис. 4.11. Эволюцонные линии свинца (по Делауа, 1980)
Рис. 4.11. Эволюцонные линии свинца (по Делауа, 1980)

104

интерполяция дает цифру 2260 млн лет. Используя это значение возраста, рассчитываем μ и К:

μ = 
(206Pb/ 204Pb)t - a0
eλ238T - eλ238t
 = 
14,40 - 9,307
2,0255 - 1,4202
 = 8,41;

K
232Th/ 204Pb
238U/ 204Pb
 = 
34,31
8,41
 = 4,08.

Систематика изотопного состава свинца применяется для изучения эволюции и истории геосфер, генезиса свинца рудных месторождений и др. При этом используются различные приближенные модели, которые разделяются на две группы: эволюционные модели и модели смешения.

Для исследования эволюции изотопного состава свинца в коровом и мантийном веществе в качестве модельных объектов, позволяющих построить свинцово-изотопную систематику, обычно используют толеитовые базальты срединно-океанических хребтов, дающих информацию об истощенной мантии (MORB), океанических островов (мантия под горячими точками - OIB), а также свинцовые руды различного генезиса.

В качестве примера можно привести достаточно популярную модель Доу, Зартмана и Стейси (1979), которая получила название плюмботектоники. Согласно этой модели, основанной на нескольких тысячах изотопных анализов свинца, на диаграммах 206Pb/ 204Pb - 207Pb/ 204Pb (α - β) и 206Pb/ 204Pb - 208Pb204Pb (α - γ) (рис. 4.12, 4.13) не наблюдается перекрытия полей для базальтов срединно-океанических хребтов, внутриплитовых горячих точек и пелагических осадков, что указывает на отсутствие между ними генетической связи. Для океанических базальтов имеет место дефицит 207Рb, что говорит о достаточной древности процессов, обусловивших изотопный состав свинца в мантийном источнике этих базальтов. Свинец примитивных островных дуг близок к свинцу MORB, а зрелых дуг - к свинцу пелагических осадков, т.е. к свинцу континентов.

Совместное решение уравнений (4.25) и (4.27) дает возможность определить исходное значение К (Th/U в момент Т) для одностадийной модели:

K
(208Pb/ 204Pb)t - c0
(206Pb/ 204Pb)t - a0
 - 
eλ232T - eλ232t
eλ238T - eλ238t
.
(4.30)

Для современных океанических базальтов модель оказывается достаточно справедливой. Для этого случая t = 0 и уравнение (4.30) упрощается:

K
(208Pb/ 204Pb)t - c0
(206Pb/ 204Pb)t - a0
 - 
eλ232T - 1
eλ238T - 1
.
(4.31)

105

Рис. 4.12. Диаграммы изотопных отношений свинца для вулканических пород океанических островов в координатах: а - 207Рb/ 204Рb - 206Рb/ 204Рb; б - 208Pb/ 204Pb - 206Pb/ 204Pb (no Sun, 1980)
Рис. 4.12. Диаграммы изотопных отношений свинца для вулканических пород океанических островов в координатах: а - 207Рb/ 204Рb - 206Рb/ 204Рb; б - 208Pb/ 204Pb - 206Pb/ 204Pb (no Sun, 1980)

106

Рис. 4.13. Гистограмма распределения КPb в вулканических породах мира: 1 - MORB; 2 - островные дуги; 3 - Исландия; 4 - океанические острова; 5 - континентальный вулканизм; 6 - океанические осадки; М - зона мантии
Рис. 4.13. Гистограмма распределения КPb в вулканических породах мира: 1 - MORB; 2 - островные дуги; 3 - Исландия; 4 - океанические острова; 5 - континентальный вулканизм; 6 - океанические осадки; М - зона мантии

Систематика торий-уранового отношения К (или KPb) в первичном источнике вулканических пород имеет очень четкие закономерности распределения (рис. 4.13). При этом следует учитывать два обстоятельства.

  1. Величина К, определенная из уравнения (4.30) или (4.31), является интегральной величиной, учитывающей лишь начальное и конечное значения изотопных отношений.
  2. Вариации изотопных отношений 208Рb/ 204Рb и 206Рb/ 204Рb за время существования современного океана (- 160 млн лет) практически не выходят за пределы аналитической ошибки, т.е. К соответствует доокеанической фазе развития источника.

Подавляющая масса образцов современных вулканических пород дна океана, океанических островов, примитивных островных дуг или примитивных серий развитых островных дуг имеет постоянную величину К = 3,8±0,2 независимо от петрохимического состава пород. Наиболее низкие значения К имеют лишь "серые гнейсы" древних ядер континентов: 3,56 (Амитсок, Гренландия, 3,7 млрд лет) и 3,72 (Вайоминг, США, 2,6 млрд лет), соответствующие примитивной слабодифференцированной мантии, на которую не повлиял процесс истощения, связанный с выплавлением континентальной коры. Более высокие величины К по сравнению с первичными появляются за счет некоторой контаминации сиалическим материалом пелагических осадков и морской воды (при гидратации) в процессах субдукции и рециклинга.

Изотопный состав Рb вулканических пород континентов гетерогенен и обычно превышает 4,0. Отдельные более низкие, чем океанические, значения К, наблюдаемые в гранитах, видимо,

107

обусловлены переплавлением первичного недифференцированного материала. В пределах современного океана существуют четко ограниченные участки, где величина К вулканических пород близка к континентальным значениям (≥ 4,0) и К океанических осадков (4,15 в среднем). К таким зонам относится крупный блок в Южной Атлантике между 34 и 50° ю.ш., включающий часть Срединно-Атлантического хребта, о-ва Тристан-да-Кунья, Гоф, хр. Китовый, а также значительная часть Индийского океана (так называемая изотопная DUPAL-аномалия Южного полушария). Близость величины К, изотопных составов Sr, Th, концентраций некогерентных элементов в этих зонах к "континентальным" значениям позволяет предположить, что они являются следами древней континентальной литосферы.

108



Купить BlueTooth гарнитуру

Яндекс цитирования Rambler's Top100
Tikva.Ru © 2006. All Rights Reserved