20.94M

Category:

geography

Изотопная геохронология

1.

ИЗОТОПНАЯ ГЕОХРОНОЛОГИЯ
1. Цепочки распада U, Th.
2. Химические свойства и устойчивость изотопных систем.
3. Графическая интерпретация данных U-Th/Pb датирования.
4. U/Pb возраст и термическая история коллизионных гранитов
Дала (Гималаи).
5. Древнейшие породы Земли.
Алексей Валентинович Травин, т. 8 913 0099973
зав. лаб. Изотопно-аналитических методов ИГМ СО
РАН, Новосибирск, [email protected]

2.

Методы изотопного датирования
Распад
Период полураспада
T1/2
млрд лет
Дочерний
изотоп
40K
β+
11.93
40Ar(90%)
40K
β-
1.397
40Ca(10%)
40K
общий
1.25
87Rb
β-
48.9
87Sr
147Sm
α
106.0
143Nd
176Lu
β-
37.3
176Hf
187Re
β-
45.6
187Os
232Th
6α, 4β-
0.72
208Pb
235U
7α, 4β-
0.704
207Pb
238U
8α, 6β-
4.47
206Pb
Материнский
изотоп

3.

4.

U-Pb метод датирования
Диаграмма пути r-процессов в координатах Z от N. Красная линия по стабильным
изотопам показывает путь S-процессов (White, 2001). на Теоретические пределы
стабильности нуклидов, показанные на графике зависимости N/Z от массового числа
(A).

5.

U-Pb метод датирования
Почему три цепочки распада не
пересекаются?

6.

Теоретические пределы стабильности нуклидов,
показанные на графике зависимости N/Z от массового
числа (A). Нижние границы испускания α-частиц
показаны для энергий 0.2 и 4 Мэв. Пределы
стабильности и спонтанного распада показаны для
времени полураспада 1010 лет и 0 (мгновенный распад).
Источник [Hanna, 1959].
- энергия
связывания
W – сумма масс n, p, e
M – масса атома
A = Z + N – массовое число

7.

Задача. Рассчитать энергии атомов и
энергии связывания для изотопов 238U,
235U, 232Th, 208Pb, 207Pb, 206Pb.
1 г массы ≡ 25 млн квт*ч (Гвт*ч);
1 а.е.м. ≡ 931,494 Мэв.
- энергия
связывания
W – сумма масс n, p, e
M – масса атома
A = Z + N – массовое число
Теоретические пределы стабильности нуклидов,
показанные на графике зависимости N/Z от массового
числа (A). Нижние границы испускания α-частиц
показаны для энергий 0.2 и 4 Мэв. Пределы
стабильности и спонтанного распада показаны для
времени полураспада 1010 лет и 0 (мгновенный распад).
Источник [Hanna, 1959].

8.

U-Pb метод датирования
238U (99.27%) 206Pb
+ 8 α + 6β235U (0.72%) 207Pb + 7 α + 4β232Th (100%) 208Pb + 6 α + 4β-
λ238 = 1.55125 * 10-10 y-1
λ235 = 9.8485 * 10-10 y-1
λ232 = 4,9475 * 10-11 y-1
T1/2 = 4.468*109 y
T1/2 = 0.7038*109 y
T1/2 = 14.01*109 y
Th (0.94Ǻ), U (0.89Ǻ), оба – несовместимые, литофильные элементы,
валентность +4, U (в поверхностных условиях) также +6 растворим.
Наиболее важные минералы: циркон (ZrSiO4), монацит ((Се, La, Nd, Th) PO4),
апатит (Са5[PO4]3(F, Cl, ОН) ), сфен (CaTiSiO5)
Pb (1.19-1.29Ǻ), +2 (+4), несовместимый ( Ce)
подвижный, халькофильный (в ядре ?) каков состав земного Pb??

9.

Классификация химических элементов В.
Гольдшмидта (1888-1947)

10.

11.

12.

U-Pb метод датирования
4 различных возраста!
238
Pb 206Pb
U 1t
e 1
204
204
204
Pb Pb i
Pb
206
U Pb
235
Pb 207Pb
U 2 t
e 1
204
204
204
Pb Pb i
Pb
207
Pb 208Pb 232Th 3t
204 204
e 1
204
Pb Pb i
Pb
208
238
U
137.88 const
235
U
Если начальное Pb 0 (циркон) и при
Pb * 207 Pb
e 2t 1
206
Pb * 206Pb 137.88 e 1t 1
207
After Smith and Farquhar (1989)

13.

U-Pb метод датирования
U-Pb конкордия
U-Pb конкордия: линия
конкордантных
206Pb/238U и 207Pb/235U
возрастов
238
Pb 206 Pb
U t
204 204 (e 1)
204
Pb Pb i
Pb
206
206
Pb*
8t
(
e
1)
238
U
90
80
207
Pb
U
235
207
70
*
Pb
5t
(
e
1)
235
U
D/N
60
50
40
30
20
206
Pb
U
10
238
0
0
1
2
Возраст, млрд.лет
3
4

14.

U-Pb метод датирования
U-Pb конкордия
238
Pb 206 Pb
U t
204 204 (e 1)
204
Pb Pb i
Pb
206
206
Pb*
8t
(
e
1)
238
U
207
Pb*
5t
(
e
1)
235
U
Интерпретация:
- при t=0 (кристаллизация), оба отношения = 0
- Система развивается вдоль конкордии,
с образованием радиогенного Pb, пока
система остается закрытой
U-Pb конкордия: линия
конкордантных
206Pb/238U и 207Pb/235U
возрастов

15.

U-Pb метод датирования
0.6
Ahrens-Wetherill diagram
0.5
2.5
2.0
0.3
206
Pb/238U
0.4
0.2
1.0
0.1
0.5
0.0
0
2
4
6
8
207
Pb/235U
10
12
14

16.

U-Pb метод датирования
0.6
0.5
2.5
0.4
0.3
1.5
206
Pb/238U
2.0
0.2
0.1
1.0
0.5
0.0
0
2
4
6
8
207
Pb/235U
10
12
14

17.

U-Pb метод датирования
0.6
0.5
2.5
0.4
0.3
1.5
206
Pb/238U
2.0
0.2
0.1
1.0
0.5
0.0
0
2
4
6
8
207
Pb/235U
10
12
14

18.

U-Pb метод датирования
1
207Pb/206Pb
0.9
Tera-Wasserburg diagram
0.8
0.7
0.6
4.5
0.5
4.0
0.4
0.3
3.5
3.0
0.2
2.5
2.0
0.1
1.5
1.0
0.5
238U/206Pb
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20

19.

МЕТОДЫ ИЗОТОПНОГО ДАТИРОВАНИЯ
МЕТОД
ИЗОХРОННЫЕ
ИЗОХР.
ДИАГРАММА
РАСПАД
Rb/Sr
87
Sm/Nd
147
Rb→87Sr
87
Sm→143Nd
Rb/86Sr—87Sr/86Sr
147
176
Re/Os
187
Lu→176Hf
176
Re→187Os
TIMS,
SHRIMP
MC-ICP-MS
Sm/144Nd—
Nd/144Nd
TIMS,
MC-ICP-MS
Lu/177Hf—176Hf177Hf
TIMS,
MC-ICP-MS
143
Lu/Hf
ОБОРУДОВАНИЕ
187
Re/186Os—
TIMS,
Os/186Os
MC-ICP-MS
U-, Th-Pb
КОМБИНИРОВАНОБОРУНЫЕ
ДОВАНИЕ
ДИАГРАММЫ
187
РАСПАД
238
U→206Pb
ИЗОХР.
ДИАГР.
238
U/204Pb—
Pb/204Pb
207
Pb*/235U —
Pb*/238U
235
(с конкордией)
U/204Pb—
207
207
204
Pb*/235U —
Pb/ Pb
208
Pb*/232Th
232
Th/204Pb
(с конкордией)
206
—
Pb/204Pb—
208
204
207
Pb/ Pb
Pb/204Pb
«ДЕФЕКТНЫЕ»
РАСПАД
ПРЕДСТАВЛЕНИЕ
ДАННЫХ
206
235
232
U→207Pb
Th→208Pb
МЕТОД
40
K/Ar
K→40Ar
206
Возраст (с
поправкой на
атмосферный аргон)
40
40
Ar/39Ar
39
(U, Th)/He
ОБОРУДОВАНИЕ
IR-MS
K/36Ar—40Ar/36Ar
40
K→40Ar
K(n,p)→39Ar
Возрастной спектр
Ca/K спектр
36
Ar/40Ar—39Ar/40Ar
IR-MS
238
U→4He
U→4He
232
Th→4He
Возраст «закрытия»
системы
IR-MS
238
Возраст «закрытия»
системы
235
Трековый
TIMS,
SHRIMP
MC-ICP-MS
U, 235U

20.

U-Pb метод датирования
Е.В.Бибикова, 2003

21.

Е.В.Бибикова, 2003
Катодолюминесцентные снимки цирконов

22.

Рис. Типологическая классификация цирконов и соответствующая геотермометрическая
шкала (Pupin, J. P., Zircon and granite petrology 1980, Contributions to Mineralogy and
Petrology, V. 73. P. 207–220). Индекс A отражает отношение Al/(Na+K) в исходном
расплаве, контролирующее формирование пирамид, в то время, как температура влияет
на развитие призм различного типа.

23.

Рис. Популяции циркона в петрогенетической классификации, предложенной Pupin, 1980. (1), (2), (3) – граниты
корового, или в основном корового генезиса (орогенные граниты): (1) глиноземистые лейкограниты; (2)
автохтонные монцограниты и гранодиориты; (3) интрузивные глиноземистые монцограниты и гранодиориты.
(4), (5) – граниты корового + мантийного генезиса, гибридные граниты (орогенные граниты): (4a-c, темный крап)
гранодиориты + монцониты; (4a-c, светлый крап) монцограниты + щелочные граниты; (5) граниты субщелочных
серий. (6), (7) – граниты мантийного или в основном мантийного генезиса (анорогенные граниты): (6) граниты
щелочной серии; (7) граниты толеитовой серии. Ch – поле чарнокитового магматизма. Mu – предел мусковитовых
гранитов (T < 725°С).

24.

Использование циркона для реконструкции
источников формирования осадочных пород
Рис.
Диаграмма
распределения
вероятности возраста зерен циркона из
совремепнных
осадочных
пород
восточного
побережья
Австралии
(Sircombe, 1999 Tracing provenance through
the isotope ages of littorial and sedimentary
detrital zircon, eastern Australia Sedimentary
Geology. V. 124. P. 47-67).

25.

A.B. Aikman, T.M. Harrison, D. Lin Evidence for Early (>44 Ma) Himalayan Crustal Thickening,
Tethyan Himalaya, southeastern Tibet // Earth and Planetary Science Letters. 2008. V 274. P.14-23.

26.

Положение Индии и Евразии 70, 55, 35 млн лет
назад [Aitchison et al., 2007]. Коллизия Индии с
внутриокеанической островной дугой на основе
данных детритовых цирконов произошла ~ 55 млн
лет назад.

27.

28.

Разрез через Южный Тибет и Гималаи для эоценраннеолигоценового времени (28 – 50 млн лет) [Hou et al.,
2012]. Отрыв слэба океанической коры ~ 50 млн лет назад
привел к быстрому подъему пластин субдуцированной
индийской
континентальной
коры
и
их
быстрой
транспортировке вдоль Главного Гималайского разлома до
уровня средней коры под южным Тибетом. Плавление
утолщенной базитовой индийской нижней коры, вызванное
подъемом астеносферного материала через образовавшееся
после отрыва окно, привело к формированию адакитовых
расплавов 46-30 млн лет назад. Эти расплавы поднимались до
уровня средней коры и интрудировали пластины индийской
континентальной коры. Экструзия и подъем в южном
направлении корового материала и гранитоидных магм 46-30
млн лет назад привели к формирования гранитоидного пояса,
удревняющегося к югу. Дальнейшее распространение
анатекииса до уровня нижней коры 30-12 млн лет назад
привело
к
развитию
южно-тибетского
разлома
и
кристаллического комплекса больших Гималаев.
Положение субдуцированной литосферы под
Гималаями: основано на данных сейсмической
томографии [Van der Voo et al, 1999; Chemenda,
2000].

29.

A.B. Aikman, T.M. Harrison, D. Lin Evidence for Early (>44 Ma) Himalayan Crustal Thickening,
Tethyan Himalaya, southeastern Tibet // Earth and Planetary Science Letters. 2008. V 274. P.14-23.

30.

44.1 ± 1.2 млн лет
ядра
каймы
44.1 ± 1.2 млн лет
A.B. Aikman, T.M. Harrison, D. Lin Evidence for Early (>44 Ma) Himalayan Crustal Thickening,
Tethyan Himalaya, southeastern Tibet // Earth and Planetary Science Letters. 2008. V 274. P.14-23.

31.

32.

М1

33.

Термическая история гранитов Дала, основанная на U/Pb
датировании по циркону, Ti термометрии [Aikman, 2007], K/Ar
датировкам по биотиту и 40Ar/39Ar термохронологии по Kполевому шпату.
A.B. Aikman, T.M. Harrison, D. Lin Evidence for Early (>44 Ma) Himalayan Crustal Thickening,
Tethyan Himalaya, southeastern Tibet // Earth and Planetary Science Letters. 2008. V 274. P.14-23.

34.

Рис. Топографическая карта (А) памиро-Гималайской системы, красным прямоугольником выделен Памир.
(B) Топографическая карта Памира и его окрестностей, демонстрирующая важные структурные особенности:
разломы (Robinson et al., 2004; Mechie et al., 2012); голубыми точками показаны землетрясения, фокальный центр
которых находился на глубине больше 50 км (Sippl et al., 2013); штриховкой показаны памирские гранитогнейсовые купола. TFF – Талас-Ферганский разлом; MPT – Главная Памирская Надвиговая Зона; DF – Дарвазский
разлом; KYTS – Кашгар-Йеченгская сдвиговая зона; KF – Каракорумский разлом.

35.

Рис. Результаты 2D термомеханического моделирования (Sippl et al., Deep burial of Asian continental crust
beneath the Pamir imaged with local earthquake tomography 2013. Earth and Planetary Science Letters, V. 384, P.
165-177) с использованием конечно-разностного алгоритма SLIM2D (Попов и Соболев, 2008) вдоль
разреза север–юг через Памир. На рисунках показаны распределение вязкости (A) и скоростей P-волн,
рассчитанных на основе петрофизического моделирования (Соболев и Бабейко, 1994) в зависимости от
давления и температурных условий (B). Континентальная нижняя кора азиатской стороны субдуцируется
совместно с мантийной литосферной плитой, испытывая при этом эклогитизацию, что видно из резкого
увеличения P-скоростей на глубине около 150 км. Кислый материал верхней коры с азиатской стороны
достигает глубин до 100 км. Отсутствие в начальный момент литосферной “крышки" над мантией под
образовавшимся памирским плато отвечает за медленную и ослабленную, следовательно, разогратую
Южную памирскую литосферу, которая в настоящее время подстилается индийской мантийной
литосферой.

36.

Рис. Геодинамическая схема, обобщающая интерпретации сейсмотомографических реконструкций (Sippl et al., 2013. Earth and Planetary
Science Letters, V. 384, P. 165-177): в ходе направленной на юг и на восток субдукции азиатской мантийной литосферы (темно-синяя)
континентальная кора с азиатской стороны разделяется на три части: в то время, как большая часть кислой верхней и средней коры
(оранжевая) либо остается на поверхности, либо пододвигается под Памирскую кору, некоторая часть средней коры изначально
субдуцируется. Континентальная нижняя кора (коричневая) субдуцируется, как прилегающий слой над мантийной литосферой, в то
время, как среднекоровый материал отделяется от плиты на глубинах от 80 до 100 км. Начиная примерно с глубины 80-90 км, материал
нижней коры испытывает метаморфические реакции дегидратации, что приводит к возникновению сейсмичности (белые круги).
Раздвоенный конец сейсмичности средней глубины, особенно в профиле Восток-Запад, скорее всего, означает, что нижняя кора Памира
затягивается вниз субдуцирующей плитой. Частичная эклогитизация (ECL; обозначена зеленым) субдуцирующей континентальной
нижней коры вызывает значительное увеличение плотности, что может быть связано с крутым углом погружения плиты. В Южном
Памире присутствует слабый и пластичный средний слой коры (красный), который может выступать в качестве срыва (обозначенного
знаками ∼) между верхней и средней корой. Относительно высокие сейсмические скорости на глубинах мантии под Памиром могут
соответствовать индийской мантийной литосфере (светло-голубой). Показаны изотермы, адаптированные на основе термомеханического
моделирования.

37.

Рис. Геологическая карта Центрального и Южного Памира, показывающая кристаллические купола и
точки отбора образцов для реконструкций P-T-t эволюции пород (Hacker, B. R., L. Ratschbacher, D. Rutte,
M. A. Stearns, N. Malz, K. Stübner, A. R. C. Kylander-Clark, J. A. Pfänder, and A. Everson 2017, Tectonics, 36,
1743–1766).

38.

Рис. (a) Геологическая и структурная карта Шахдаринского и Аличурского куполов и прилегающих территорий
(по Stubner et al., 2013; Buchroithner, 1980; Vlasov et al. 1991; Doebrich and Wahl 2006). (b) ~ N-S профиль поперек
Шахдаринского купола (показан пунктирной линией на рис. а). Пунктиром показана реконструкция верхней части
зоны Южно Памирского сдвига (СПСЗ) (Stübner et al. 2013). (с) тектонический профиль гнейсово-купольной
формации на юго-западе Памира (Stübner et al., 2013). Кинематическая эволюция Шахдара-Аличурских куполов
характеризуется эксгумацией подошвы по малоугловым срывам. Гравитационный коллапс утолщенной коры югозападного Памира был движущим механизмом для формирования гранитогнейсовых куполов и растяжения
верхне-среднего уровней земной коры.

39.

Кровля Шугнанского массива стресс-гранитов (левый борт р. Гунт, Южный Памир)

40.

Рис. Геологический разрез с севера на юг через Шахдаринский гранито-гнейсовый купол (Южный Памир).
Показаны точки отбора образцов, датировки и данные термобарометрии. U/Pb датировки по монациту
(Schmidt et al., 2011; Stearns et al., 2013). U/Pb датировки по титаниту (Stearns et al., 2015), m-ttn –
метаморфический, i-ttn – магматический. Lu-Hf датировки по гранату (Smit et al., 2014). U/Pb датировки по
рутилу (Smit et al., 2014; Rutte et al., 2017; Hacker et al., 2017). Ar/Ar датировки по слюдам (Stubner et al.,
2013; Rutte et al., 2017. U/Pb датировки по циркону (Schmidt et al., 2011; Hacker et al., 2017).

41.

42.

Возраст, млн лет
40
Памирско-шугнанский комплекс стресс-гранитов,
Шугнанский массив, мусковит
30
14,8±0,12 млн лет
20
10
0
0
20
40
60
80
100
39
Доля выделенного Ar, %
Возраст, млн лет
40
Памирско-шугнанскиий комплекс стресс-гранитов,
Памирский массив, мусковит
30
12,9±0,2 млн лет
20
10
0
0
20
60
40
39
Доля выделенного Ar, %
80
100