Лабораторная работа
Определение абсолютного возраста магматических горных пород и типа источников магм по изотопным отношениям
Цель работы: научиться определять абсолютный возраст древних магматических горных пород по соотношениям радиоактивных и радиогенных изотопов в породе и слагающих ее минералах, а также оценивать вероятный тип исходных магм по индикаторным изотопным параметрам.
Исходные данные: таблицы соотношений изотопов Rb и Sr (рубидий-стронциевый метод) или Sm и Nd (самарий-неодимовый метод) в пробах породы или минералов данной породы, полученные с помощью масс-спектрометрического анализа. Данные для расчетов выдает преподаватель.
Решаемые задачи:
• определить абсолютный возраст t (в млн. лет) изучаемой породы;
• определить индикаторный изотопный параметр (ISr или εNd) и по его величине сделать заключение о типе магматического источника, из которого образовалась изучаемая порода.
Общие сведения и методические указания
Радиологические (ядерно-геохронологические) методы определения абсолютного возраста минералов и горных пород используют соотношения радиоактивных (материнских, родительских) и радиогенных (дочерних) изотопов.
В основе лежит закон радиоактивного распада естественных радионуклидов и соответствующего накопления дочерних стабильных нуклидов. С учетом возможного наличия некоторого начального количества атомов дочернего изотопа в магме в момент ее застывания, связь между дочерним и материнским изотопом запишется следующим образом:
D = D0 + P (eλ t −1),
где D0 - начальное количество атомов дочернего изотопа в минерале или породе в момент их образования; D - количество атомов дочернего изотопа в настоящий момент времени; P – количество атомов материнского (родительского) изотопа в настоящий момент; λ - постоянная радиоактивного распада материнского изотопа, t – абсолютный возраст минерала или породы, т.е. время, прошедшее с момента образования породы до настоящего момента. При практическом использовании этого уравнения все его члены нормируются на количество атомов определенного нерадиогенного (стабильного) изотопа дочернего элемента Ds, т.е. используются не абсолютные, а относительные количества радиоактивного и радиогенного изотопов D / Ds, D0 /Ds, P / Ds.
Наиболее надежные оценки возраста магматической породы могут быть получены на основе так называемой изохронной модели. Ее использование правомочно, если исследуемые образцы породы или минералов можно рассматривать как изотопную систему, удовлетворяющую следующим допущениям:
1) все исследуемые образцы изучаемой породы или извлеченных из нее минералов когенетичны, т.е. образовались в одном процессе кристаллизации магмы и имеют одинаковый возраст;
2) в момент своего образования они захватили разное количество дочернего элемента, но одинакового изотопного состава;
3) система оставалась закрытой для материнского и дочернего элементов с момента образования породы или ее минералов до настоящего времени (либо, в крайнем случае, изотопы материнского и дочернего элементов частично мигрировали, но в таких атомарных количествах, которые не изменили изотопных соотношений).
При соблюдении этих условий в координатах относительных атомных количеств материнского и дочернего изотопов точки, соответствующие разным образцам (пробам), ложатся на прямую линию – изохрону, а по параметрам этой линии вычисляются абсолютный возраст t и начальное отношение изотопов дочернего элемента D0 /Ds.
Уравнения изохрон рубидий-стронциевого и самарий-неодимового методов, которые в последнее время очень широко используются для изучения древних магматических пород, записывают через соотношения атомных количеств изотопов следующим образом:
Эти уравнения можно записать в обобщенном виде так:
Yi = a + Xi × b
Если у нас имеется не менее 3-х измерений изотопных соотношений Xi и Yi, т.е. количество уравнений типа Yi = a + bXi не менее трех (n≥3), то значения параметров a и b можно найти как оценки параметров уравнения линейной регрессии с положительным коэффициентом корреляции r.
Работу с изотопными данными следует начинать с построения поля корреляции изотопных отношений Xi и Yi на графике с горизонтальной координатой X и вертикальной Y. Если все n точек, по визуальной оценке, хорошо укладываются на наклонно возрастающую прямую линию, то это означает, что можно пользоваться изохронной моделью и в последующих вычислениях использовать результаты анализа всех n проб. Если окажется, что большинство точек ложатся на прямую, а 1 – 2 точки резко отклоняются от нее, это означает, что в соответствующих 1- 2 пробах либо была нарушена закрытость изотопной системы, либо соответствующие минералы или фрагменты породы имеют иной возраст, чем остальные минералы изучаемой породы. В этом случае нужно исключить данные по отклоняющимся пробам из дальнейших расчетов. Если же большинство точек не укладывается на прямую линию, то применение изохронной модели вообще неправомочно, и расчеты, методика которых описана ниже, выполнять не следует.
На заре применения изотопных методов геохронологии абсолютный возраст t вычисляли по тангенсу угла наклона изохроны (параметр b линейного уравнения Y = a+ bX), который определяли непосредственно по графику. Сейчас используют специальные математические алгоритмы.
Для определения абсолютного возраста t и других искомых параметров в упрощенном варианте можно воспользоваться уравнением приведенной главной оси линейной регрессии. Оценки параметров уравнения Y = a+ bX будут следующими:
b = Sy / Sx;
a =Y – b X,
где X и Y – средние арифметические значения X и Y, соответственно; Sx и Sy – их среднеквадратические (стандартные) отклонения. Точность оценок a и b определяется погрешностями s(a) и s(b):
Абсолютный возраст изучаемого геологического объекта оценивается через параметр наклона изохроны b:
.
Для рубидий-стронциевого метода λRb = 1,42×10-11 год-1, для самарий-неодимового λSm = 6,54×10-12 год-1.
Начальные отношения изотопов стронция ISr = (87Sr/86Sr)0 или неодима INd = (143Nd/144Nd)0 определяются величиной параметра a, который на графике изохроны находится в точке ее пересечения с
осью ординат Y: I = a.
Полученная величина начального изотопного отношения I позволяет прояснить генезис изучаемых пород. Низкие значения начального отношения изотопов стронция (ISr < 0,706) обычно интерпретируются как связанные с тем обстоятельством, что источником магмы и образовавшейся из нее породы был мантийный материал, а высокие значения этого параметра (ISr > 0,706) указывают на коровый магматический очаг либо переплавление корового материала в более глубинном очаге. В некоторых случаях повышенное значение ISr может указывать на то, что магма, произошедшая из глубинного источника, на своем пути ассимилировала коровый материал. Указанное здесь граничное значение 0,706, однако, при более глубоком изучении оказывается не универсальным: в породах различного происхождения: в целом отмечается тенденция некоторого уменьшения ISr от более молодых к более древним магматическим образованиям.
По начальному отношению изотопов неодима обычно вычисляется специальный параметр εNd, который характеризует соотношение INd с модельным отношением соответствующих изотопов неодима на момент образования породы INd CHUR в так называемом мантийном однородном хондритовом резервуаре, обозначаемом CHUR (от слов Chondritic Uniform Reservoir):
Cогласно модели Де-Паоло и Вассербурга, отношения изотопов Sm и Nd в CHUR равны отношениям в хондритовых метеоритах в любой момент геологического времени. Современные отноше-
ния в хондритах следующие:
(143Nd/144Nd)CHUR = 0,512638;
(147Sm/144Nd)CHUR = 0,1967.
Это позволяет вычислить IR Nd CHUR для того времени образования породы t, которое было определено по изохроне:
Интерпретация полученной величины εNd обычно следующая: εNd=0 соответствует магматической породе, произошедшей из однородного хондритового мантийного резервуара (CHUR); εNd>0 – породе, произошедшей из материала так называемой деплетированной мантии (DM – Depleted Mantle), обедненной некогерентными элементами; εNd<0 – породе корового происхождения либо глубинной породе, произошедшей из магмы, включавшей переплавленный коровый материал, т.е. продукту так называемой обогащенной мантии (EM – Enriched Mantle). Отрицательные значения εNd могут быть встречены и в глубинных магматических породах, если магма на своем пути ассимилировала верхнекоровый материал.
Погрешности оценок возраста Δ t и начального изотопного отношения Δ I с доверительной вероятностью q вычисляются по формулам:
В этих формулах k(q,f) – значение критерия Стьюдента для доверительной вероятности q (обычно выбирается q =95%, что отвечает уровню значимости 5%, или 0,05) и числа степеней свободы f=n -2. Значения k(q,f) для малых выборок, взятые из справочников по математической статистике, приводятся в таблице 5.
Точность определения εNd удовлетворительно оценивается по приближенной формуле:
или по эквивалентной формуле:
Заметим в заключение, что более совершенные алгоритмы оценки абсолютного возраста и начальных изотопных отношений, а также их точности используют более сложный способ оценки параметров a и b уравнения Y = a+ bX методом наименьших квадратов с учетом точности каждого отдельного аналитического определения изотопных отношений Xi и Yi. Для этого применяются специальные компьютерные программы (“Isoplot” и другие).