5.5.2. Систематика изотопного отношения 230Th/ 232Th
в современных вулканических породах

Изотопные отношения радиоактивных элементов можно использовать и в качестве трассеров эндогенных процессов по аналогии с отношениями стабильных радиогенных изотопов. Однако область применения радиоактивных изотопов ограничена во времени сравнительно небольшой продолжительностью жизни дочерних радионуклидов и не выходит за пределы четвертичного периода. Поэтому среди эндогенных процессов лишь для современного вулканизма можно использовать радиоактивные изотопы в качестве природных трассеров.

143

При изучении самого процесса вулканического извержения нередко используют сравнительно короткоживущие радионуклидные пары: 228Th/ 228Ra, 222Rn/ 226Ra, 226Ra/ 238U, 210Po/ 210Pb и др. Исследование петрогенезиса вулканических пород требует применения радионуклидов с существенно большой продолжительностью жизни.

Для решения вопросов, связанных с происхождением вулканических пород, а также с принадлежностью их регионального источника к тем или иным основным резервуарам Земли, используют отношение наиболее долгоживущих изотопов тория - 230Th/ 232Th. Отношение связывает изотопы тория, принадлежащие к разным рядам распада: 230Th - дочерний продукт ряда 238U, a 232Th - родоначальник ряда тория. Ториевый изотопный метод (Титаева, 1982, 1990) применим к породам, возраст которых не превышает первых сотен тысяч лет. В процессе образования вулканической породы не происходит фракционирования изотопов 230Th и 232Th. Изменение их изотопного отношения возможно лишь под действием двух факторов: 1) контаминации расплава веществом с иным изотопным составом тория и 2) радиоактивного распада неподкрепленного ураном 230Тh или его накопления из избыточного урана в том случае, если время с момента формирования породы превышает первые десятки тысяч лет, а радиоактивное равновесие между 238U и 230Th нарушено. Таким образом, в современных или голоценовых вулканических породах величина 230Th/ 232Th будет отражать изотопный состав тория в очаге.

Совпадение 230Th/ 232Th в очаге и региональном источнике магмы будет иметь место лишь тогда, когда на всем протяжении вулканического процесса, начиная с момента частичного плавления и дальнейшей эволюции расплава до момента извержения, не происходило разделения химических элементов урана (238U), из которого образуется 230Th, и тория (232Th).

Многочисленные анализы образцов, отобранных в момент извержения, показали, что нередко отношение между 234U (находящимся всегда в равновесии с 238U) и 230Th не соответствует радиоактивному равновесию (Чердынцев, 1978). Есть все основания утверждать, что нарушение равновесия между 230Th и 234U (разделение химических элементов U и Th) возникает на самой последней стадии вулканического процесса - при вскипании расплава и отделении летучих в собственную фазу (Титаева, 1982, 1983, 1986). А если это так, то изотопный состав тория в очаге отражает состав источника, поскольку на всем протяжении эволюции расплава между источником и вулканическим очагом 234U и 230Th находились в радиоактивном равновесии с 238U. Все сказанное позволяет использовать величину 230Th/ 232Th для расчета торий-уранового отношения в очаге и региональном источнике,

144

которое обычно обозначается (Th/U)Th или KTh (по аналогии с KPb) и выражается в единицах массы (Фор, 1989):

KTh = (Th/U)Th
λ238λ232
(230Th/ 232Th)A
 
232
238
 [ед. масы],

где λ238, λ232 - константы распада 238U и 232Th соответственно; индекс А за скобками - единицы активности; 238 и 232 - массовые числа радионуклидов.

Процесс кристаллизационной дифференциации практически не влияет на разделение урана и тория, поэтому в породах комагматичных серий величина 230Th/ 232Th постоянна (Титаева и др., 1982).

На рис. 5.14 представлена ториевая изотопная систематика в виде гистограмм. Величины 230Th/ 232Th и соответственно (Th/U)Th образуют четко разделяющиеся группы, принадлежащие основным резервуарам Земли: неконтаминированной верхней мантии, континентальной литосфере и океанической литосфере.

"Океаническая" и "континентальная" группы изотопных отношений тория комплементарны относительно мантийных значений. В "океаническую" группу входят базальты дна океана, срединно-океанических хребтов, разнообразные вулканические породы океанических островов и островных дуг. Все породы этой группы отличаются более высокими по сравнению с мантийными величинами 230Th/ 232Th (> 1,0) и соответственно пониженными значениями (Th/U)Th (≤ 3,2). Максимальные отношения 230Th/ 232Th (10 - 25) были получены для измененных гидротермальными процессами пород океанического дна. "Континентальная" группа включает производные сиалической коры и окраинных зон континентальных рифтов, в той или иной степени контаминированных сиалическим материалом. Вулканиты этой группы, напротив, характеризуются пониженными относительно мантии значениями 230Th/ 232Th (≤ 0,85) и соответственно высокими значениями (Th/U)Th (≥ 3,8). Естественно, всегда встречаются породы, промежуточные между этими тремя группами. Таким образом, систематика изотопного состава тория подобна систематике стронция и неодима. Отмечают прямую корреляцию 143Nd/ 144Nd - 230Th/ 232Th и обратную корреляцию 87Sr/ 86Sr - 230Th/ 232Th для рифтогенных вулканических пород (Поляков и др., 1986) и пород "горячих точек" (Condomines et al., 1988).

Геохимическая модель, объясняющая ториевую изотопную систематику, предполагает, что процесс разделения первичной (примитивной) верхней мантии на обедненный (океанический) и обогащенный (континентальный) резервуары, который произошел около 2,8 млрд лет назад, привел к существенному различию этих резервуаров по концентрациям литофильных элементов, в том числе U и Th. Существующие аналитические данные показывают,

145


Рис. 5.14. Гистограммы распределения отношения активности 230Th/ 232Th и КTh в четвертичных вулканических породах мира: 1 - MORB; 2 - островные дуги; 3 - Исландия; 4 - океанические острова; 5 - континентальные рифты; 6 - Кавказ (Эльбрус, Казбек); 7 - область мантии

что континентальный резервуар оказался в большей степени обогащен Th и легкими лантаноидами по сравнению с океаническим. В рассматриваемом здесь случае это привело к возрастанию отношения Th/U (Тейлор, Мак-Леннан, 1988). Дальнейшая эволюция резервуаров лишь углубила эти различия. Магматические, метаморфические, метасоматические, осадочные процессы и последующий рециклинг приводили к все возрастающему обогащению Th и U континентальной коры (см. гл. 3). В то же время мобилизация U во всех этих процессах и вынос его за пределы континентов в океан постоянно способствовали увеличению отношения Th/U в континентальной коре.

146

Напротив, в обедненном резервуаре (океанической коре и верхней мантии) постоянно происходит взаимодействие твердых пород с океанической водой в процессе гидротермальной циркуляции. При этом в слабощелочных условиях океанической воды окислительно-восстановительная реакция U6+ + 2Fe2+ U4+ + 2Fe3+ сдвигается вправо (Щербина, 1972). Это приводит к постоянному окислению Fe на поверхности трещин и обогащению этих участков U. Реальность процесса подтверждается исследованиями кернов глубоководного бурения (Aumento, 1979). Наблюдается закономерное увеличение концентрации U и окисленности Fe по мере удаления от оси спрединга пропорционально возрасту пород. Плавление измененных таким образом пород будет приводить к появлению океанических пород с низкими значениями отношения Th/U (Титаева, 1982, 1990; Тейлор, Мак-Леннан, 1988).

Все указанные процессы влияют не только на величину отношения Th/U, но и на параметр КTh = (Th/U)Th, который характеризует торий-урановое отношение в магматическом очаге в настоящее время. Однако эти сравнительно молодые процессы не могут повлиять на величину параметра КРb = (Th/U)Pb в магматических источниках (см. гл. 4). Так как оба параметра являются отношением одних и тех же элементов, имеют идентичный относительный характер распределения, но различаются по величине, то их сопоставление может дать информацию как о происхождении источников вулканизма (КPb), так и об их последующей эволюции (KTh) (Титаева, 1998).

Диаграмма в координатах КTh - КРb представлена на рис. 5.15 (Титаева, 1998). Плоскость диаграммы разделена двумя прямыми линиями на 4 поля. Прямая КPb = 3,95 - эмпирическая. Она проведена на основании гистограмм распределения КPb (см. гл. 4) и отделяет магматические источники, связанные с обедненным резервуаром, от источников в обогащенном резервуаре. Прямая KTh = КPb характеризует геометрическое место точек изотопных составов древних источников, сохранившихся после своего формирования в виде закрытых систем. Если бы не было позднейших, наложенных процессов, разделяющих Th и U, то все аналитические точки составов вулканических пород лежали бы на этой прямой. Здесь же должен был бы находиться первичный состав примитивной мантии. Однако практически для всех эмпирических точек наблюдается неравенство величин параметров КPb и KTh. Это свидетельствует о существовании процессов, постоянно влияющих на отношение Th/U. Точки выше этой прямой соответствуют выплавкам из мантии, измененной под влиянием щелочного метасоматоза, который приводит к опережающему обогащению Th по сравнению с U (и легкими лантаноидами по сравнению с тяжелыми). Ниже прямой располагаются точки, испытавшие обогащение ураном, скорее всего в результате гидротермального воздействия океанической воды и соответствующих

147

ей по составу флюидов на породы субокеанической литосферы.

В результате пересечения указанных прямых в плоскости диаграммы образуются четыре поля, объединяющие различные по своему генезису магматические источники. Поле I включает источники, принадлежащие к обедненному резервуару и испытавшие в процессе своей позднейшей эволюции обогащение ураном в условиях океана ("океанизацию"). Здесь располагаются нормальные составы базальтов срединно-океанических хребтов (N-MORB), океанических островов, энсиматических островных дуг. Породы аналогичных структур в пределах изотопных аномалий (например, DUPAL в Южном полушарии) входят в поле II. Они связаны с обогащенным резервуаром, который на данных территориях испытал позднейшее воздействие океана, что привело к обогащению источников U. Примерами могут служить острова Тристан-да-Кунья, Гоф и хребет Китовый в Южной Атлантике, соответствующий им отрезок Срединно-Атлантического хребта, часть хребтов и островов Индийского океана и т.д.

Поле III (верхнее правое на рис. 5.15) содержит породы щелочных серий, источники которых принадлежат обогащенному резервуару и испытали последующее обогащение Th в результате воздействия щелочных метасоматизирующих флюидов (мантийный метасоматоз). Сюда попадают щелочные серии Восточно-Африканской системы рифтов, лампроиты вулкана Гауссберг (Антарктида), высококалиевые щелочные породы Явы и Филиппин, фонолиты островов Зеленого Мыса. Поле IV точек не содержит. Связано ли это со сравнительной редкостью подобных источников, либо с принципиальным их отсутствием, пока сказать трудно.

Диаграмма может быть использована для изучения принадлежности источников молодых вулканических пород к тому или иному глобальному резервуару Земли. В качестве примера можно привести анализ изотопных составов вулканитов Исландии (Салтыковский, Титаева, Геншафт, 1998). Молодые четвертичные базальты неовулканической зоны Исландии размещаются в поле 1 диаграммы и, таким образом, имеют источник, общий с N-MORB. Наиболее древние, неогеновые базальты острова приурочены к полю II и отвечают обогащенному резервуару, претерпевшему последующую "океанизацию". Аналогичная ситуация прослеживается и на широко известной диаграмме 143Nd/ 144Nd - 87Sr/ 86Sr.

148

Рис. 5.15. Корреляционная диаграмма KTh - KPb для вулканических пород: 1 - сопряженные данные по KTh, и KPb; 2 - области значений KTh и КРb; 3 - область нормальных сегментов MORB для Атлантического и Тихого океанов [9, 10, 13]; 4 - область изотопных составов щелочных серий Восточно-Африканской рифтовой зоны [3, 14]; 5 - интервалы значений KPb. А - Афар, Эрта-Аль [7]; Аl - Алеутская дуга [14]; As - о. Ассаньсьон [14]; Az - Азорский архипелаг; В - о. Буве; С - влк. Камерун, Африка [2]; Cm - Коморский архипелаг, влк. Картала [7]; Сn - Канарские острова [13]; CV - острова Зеленого Мыса [1, 13]; D - Дискавери; Dc - Декан, траппы [7]; Е - влк. Этна [7]; F - Филиппинская дуга [11]; FN - Фернандо-де-Норона [13]; G - влк. Гауссберг, Антарктика [12, 15)] Go - о. Гоф [13]; Hv - Гавайский архипелаг [13]; G - Исландия [3, 13]; J - о. Ява [11]; КК - Курило-Камчатская дуга [6]; М - Марианская дуга [13]; Ma - о. Марион [7]; 45 MAR - аномалия 45° с.ш. Срединно-Атлантического хребта [7]; 35 - 47 MAR - аномалия 35 - 47° ю.ш. [10]; MIR - срединные хребты Индийского океана [13]; MORB - базальты срединных хребтов Тихого и Атлантического океанов (нормальные сегменты) [9, 10, 13]; N - дуга Никарагуа, влк. Консепсьон [11]; Ni - влк. Нирагонго (Африка) [3, 14]; R - о. Реюньон [7]; S - влк. Сгромболи [7]; Sed. - океанические осадки Атлантического и Тихого океанов [13]; Т - дуга Тонго [11]; SH - о. Св. Елены [13]; Тr - о. Тристан-да-Кунья [7]; WR - хр. Китовый (Атлантика) [14]. Библиографические ссылки см. в работе Н.А. Титаевой (1998)
Рис. 5.15. Корреляционная диаграмма KTh - KPb для вулканических пород: 1 - сопряженные данные по KTh, и KPb; 2 - области значений KTh и КРb; 3 - область нормальных сегментов MORB для Атлантического и Тихого океанов [9, 10, 13]; 4 - область изотопных составов щелочных серий Восточно-Африканской рифтовой зоны [3, 14]; 5 - интервалы значений KPb. А - Афар, Эрта-Аль [7]; Аl - Алеутская дуга [14]; As - о. Ассаньсьон [14]; Az - Азорский архипелаг; В - о. Буве; С - влк. Камерун, Африка [2]; Cm - Коморский архипелаг, влк. Картала [7]; Сn - Канарские острова [13]; CV - острова Зеленого Мыса [1, 13]; D - Дискавери; Dc - Декан, траппы [7]; Е - влк. Этна [7]; F - Филиппинская дуга [11]; FN - Фернандо-де-Норона [13]; G - влк. Гауссберг, Антарктика [12, 15)] Go - о. Гоф [13]; Hv - Гавайский архипелаг [13]; G - Исландия [3, 13]; J - о. Ява [11]; КК - Курило-Камчатская дуга [6]; М - Марианская дуга [13]; Ma - о. Марион [7]; 45 MAR - аномалия 45° с.ш. Срединно-Атлантического хребта [7]; 35 - 47 MAR - аномалия 35 - 47° ю.ш. [10]; MIR - срединные хребты Индийского океана [13]; MORB - базальты срединных хребтов Тихого и Атлантического океанов (нормальные сегменты) [9, 10, 13]; N - дуга Никарагуа, влк. Консепсьон [11]; Ni - влк. Нирагонго (Африка) [3, 14]; R - о. Реюньон [7]; S - влк. Сгромболи [7]; Sed. - океанические осадки Атлантического и Тихого океанов [13]; Т - дуга Тонго [11]; SH - о. Св. Елены [13]; Тr - о. Тристан-да-Кунья [7]; WR - хр. Китовый (Атлантика) [14]. Библиографические ссылки см. в работе Н.А. Титаевой (1998)

149



Купить BlueTooth гарнитуру

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