Содержание элементов в земной коре
- 1 year ago
- 0
- 0
|
Проверить информацию.
|
|
У этой статьи надо
проверить нейтральность
.
|
|
Эта статья содержит
материал
неэнциклопедичного характера
.
|
|
Эта статья или раздел нуждается в переработке.
|
Фракционированием природных веществ — разделение элементов из единого массива под влиянием изменения физико-химических параметров вмещающей среды. При анализе фракционирования рассматривается поведение как минимум двух элементов.
Выделяются виды фракционирования:
В наибольшей степени изучено фракционирование стабильных изотопов лёгких элементов . Существенный вклад в решение этой задачи внесли американцы Бигелейзен и Ботинга . Применительно к радиогенным элементам (в первую очередь к урану и свинцу) некоторые теоретические исследования были выполнены H.C.Urey , который выявил слабое влияние на их разделение внешних параметров среды и тем самым наложил вето на дальнейшее их изучение.
Между этими системами существует ещё одно различие: в системах стабильных изотопов все элементы являются породообразующими, отражая крайний случай изоморфизма . Это и определяет возможность их использования для решения физико-химических задач. В радиогенных системах дочерний элемент не является изотопным элементом относительно материнского изотопа. Все дочерние элементы, занимая различные места в периодической системе Д. И. Менделеева , отличаются от материнских по всем параметрам, и прежде всего по размерным. Поэтому кроме влияния Т их распределение существенно зависит от давления и других физико-химических условий среды минералообразования.
Проблема фракционирования радиогенных элементов изучена весьма слабо. Г.Фор и Д.Пауэл отмечали равномерное распределение радиогенных изотопов и изобаров (РГИИ) в расплавленной магме , сохраняющееся при кристаллизации , а дискордантность связывали с эпигенетическими процессами . Однако данное утверждение, принимаемое в качестве аксиомы , не согласуется с учитываемым при геобаротермометрических исследованиях явлением фракционирования изоморфных и изотопных элементов, проявляющих физико-химическую аналогию с РГИИ.
Можно выделить два уровня изучения фракционирования.
Первый уровень обусловлен теоретическим анализом условий этого фракционирования, описанным в . В советской геохимии эти исследования представлены прежде всего в работах С. З. Рогинского (1900—1970 гг.) и А. И. Бродского (19.06.1895 - 21.08.1969) . Бигелейзен и Ботинга довели эти исследования до логического конца, то есть до методики использования их на практике . Относительно U и Pb теоретические исследования проведены только H.C. Urey .
Второй уровень обусловлен анализом фактического распределения РГИИ в природных условиях.
Результаты исследований позволили выделить группы тем, которые отражают возможность фракционирования изотопов и изобаров .
Она включает анализ распределений радиогенных изотопов (изобаров) в экзоконтактах интрузий, совместного поведения их со стабильными изотопами лёгких элементов и в отдельных минералах.
Эти исследования проведены преимущественно для стабильных изотопов лёгких элементов (далее СИЛЭ). Было изучено поведение не только изотопов кислорода и углерода, но и Li , K (И. М. Морозова и др. ), Mg и Ca (В. С. Лепин и др., 1969 ; ), B (Ю. П. Шергина и др. ) и др. Как правило у Li и K происходит обогащение лёгким изотопом центральных частей метасоматических зон и отгонка тяжёлых разностей в краевые части. У Mg и Ca отмечается чёткая зависимость от концентрации самого элемента, соответствуя правилу Бачинского . Ю. П. Шергина и А. Б. Каминский установили относительное увеличение изотопа 11 B по мере удаления от полиметаллического рудного тела. Подобное поведение отмечает Т. Е. Ловеринг для изотопа O по мере удаления от рудной брекчии. Он же наблюдал облегчение изотопного состава C в кальцитах по мере приближения к интрузии.
Что касается радиогенных изотопов и изобаров, то таких данных намного меньше. Э. Л. Ланда и др. наблюдали изменение изотопов Sr в апатитах и апатитоносных породах карбонатитовых комплексов Ковдорского и Гулинского массивов. Харт С. Р. установил псевдоомоложение возраста на контакте интрузии Эльдора и Одубан-Альбия. Возраст интрузии Эльдора по БИ по методу Ar — K оценивается в 68 — 80 млн лет. Возраст роговой обманки изменяется в зависимости от расстояния от контака: на расстоянии 1 — 76 м колеблется от 120 до 1150 млн лет с максимумом в 1160 млн лет на отметке 41 м. Аналогичная ситуация отмечается по биотиту около интрузии Одубан-Альбия по данным Rb-Sr - метода; близкие ситуации описывал и Г. Ш. Ашкинадзе в экзоконтакте интрузии Озёрная Варака.
Поведение изотопов Pb в экзоконтактовых зонах кварц-монцонитовой интрузии Eldora Stock в Colorado описали Dow B.R. et al. . В ортоклазах изменяется не только валовое количество Pb , но и величины изотопных отношений: с удалением от контакта величина отношений 206 Pb/ 204 Pb и 207 Pb/ 204 Pb существенно уменьшается. Детальный анализ поведения изотопов в термальном поле провёл Hart S.R. на основе изучения биотита, полевого шпата (без детализации вида) и горнблендита методами Ar — K и Rb — Sr . По этим данным почти для всех минералов собственно в зоне контакта происходит псевдоомоложение пород, которое необходимо рассматривать как проявление миграции изобаров в температурном поле.
Таким образом на формирование соотношений радиогенных изотопов и изобаров существенным образом влияет фактор температуры и весьма возможно давления.
При анализе СИЛЭ установлено существенное влияние на их распределение температурных условий образования минералов. Показано, что в этом случае распределение изотопов пары сосуществующих элементов, например, С — О (в кальцитах), Н — О (в слюдах) и др, или изотопов одного элемента в сосуществующих минералах, например, для кислорода — Кварц — Биотит или серы в Галенит — Пирит, в изотермических условиях описывается уравнением прямой линии . При решении обратной задачи если в изотермических условиях распределение изотопов в паре с изотопами известного элемента в качестве эталона описывается уравнением прямой линии, то можно говорить о влиянии температуры на распределения изотопов обоих элементов. Поэтому в этом случае и рассматривается совместное поведение РГИИ и СИЛЭ в каком-нибудь температурном поле. В относительно большом количестве описывается совместное поведенение отношения 87 Sr/ 86 Sr и величиной δ 18 О . Известны единичные работы для систем i Pb — S и (Ar-K)-δ 18 О .
Проведённые работы по изучению совместного поведения изотопов стронция и кислорода в базальтах Коста Рики (Barrett ), в кимберлитах Якутии (Костровицкий ), карбонатитов (Б.Г.Покровский и др. ), смектитах , минералах гранитов Альп и пр., а также изотопов Pb и S в галенитах (Иллинойс, Kulp J.L. et al, ; В.И. Виноградов , А.И.Тугаринов и др. ) выявили довольно высокую корреляцию между изотопами этих элементов.Часто описывалась прямая зависимость между 14 С и δ 13 C , (Виноградов В. И. ; ; и др.).
В отдельных работах сравнивался изотопный состав кислорода с возрастом пород и минералов, определённым K-Ar -методом (Garlick et al. ).
Во всех случаях выявление линейных зависимостей объясняется исключительно явлениями смешения (контаминации)(например, Костровицкий ; А.А.Конев ; Taylor ). Более правдоподобно предположение о наличии здесь изотермического перераспределения изотопов.
Влияние давления не однозначно. На изотопы, размерные параметры атомов которых слабо отличаются, давление слабо влияет при значениях до 1 кбар. Эти выводы подтверждены экспериментальными исследованиями R.N.Claton и P.Harting и др. Изобары существенно отличаются друг от друга, поэтому давление на их распределение влияет значительно.
В геохронологических уравнениях содержания элементов выражаются количеством
атомов
без уточнения
единицы измерения
, хотя правильнее — числом атомов в единице
объёма
вещества. В современной аналитике содержания элементов определяются в относительных единицах — %, г/т и пр. Поэтому последние необходимо перевести в систему единиц геохронологических уравнений.
В системе
физических величин
основными
параметрами
, характеризующими
количество
вещества, являются
масса
(г) и
объём
(см³, а величиной, адекватно отражающей эти парамметры, —
плотность
(или
удельный вес
)
d
этого вещества.
Пусть
N
*
— число атомов в единице объёма,
С
— относительная концентрация этого элемента в соединении,
М
— масса одного атома этого вещества. Тогда
N
*
= Cd/М
. Так как
М
принципиально не влияет на последующие выводы, то опуская его получим равенство
N = Cd
, показывающее общую массу атомов изотопа в единице объёма. Дальнейший анализ проведём для изотопа
206
Pb
, для которого имеем
. Сокращённо это уравнение перепишем в виде
где 6 N - число атомов изотопа 206 Pb , образовавшихся за время t , 8 N — число атомов урана 238 U , оставшихся после распада; — постоянная распада атомов урана 238 U ; S o -функция времени. При t = const , уравнение (1) представляет собой уравнение изохроны с угловым коэффициентом S o . В билогарифмических координатах это уравнение принимает вид:
После преобразований уравнение (1) приводится к виду
В случае изучения одной пробы величина d сокращается. Однако для надёжной оценки возраста необходимо использовать две пробы для построения изохроны с измеренными плотностями d 1 и d 2 . В этом случае угловой коэффициент S * квазиизохроны определяется из равенства
Это равенство свидетельствует о зависимости углового коэффициента изохроны от плотности минералов. Это положение иллюстрируется таблицей 1 и рис.2.
Таблица 1. Зависимость изотопных отношений
от плотности минералов в изобарных системах. |
||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Минералы | Породы |
Плот-
ность, г/см³ |
Отношения содержаний
изотопов |
Источник
анализов |
||
Rb/Sr | 87 Rb/ 86 Sr | 87 Sr/ 86 Sr | ||||
Калишпат | Сиенит | 2,56 | 0,1584 | 0,4587 | 0,70606 | |
Нефелин | 2,60 | 0,0614 | 0,1777 | 0,70454 | ||
Арвфедсонит | 3,45 | 0,0057 | 0,0166 | 0,70372 | ||
Сфен | 3,56 | 0,0002 | 0,0007 | 0,70367 | ||
Калишпат | Уртит | 2,56 | 26,55 | 79,56 | 1,1121 | |
Нефелин | 2,60 | 2,61 | 7,69 | 0,744 | ||
Эвдиалит | 2,92 | 0,0012 | 0,0034 | 0,70386 | ||
Калишпат | Метапелит | 2,59 | 0,102 | 0,468 | 0,71552 | |
Плагиоклаз | 2,76 | 0,030 | 0,0872 | 0,71532 | ||
Калишпат | Гранулит | 2,56 | 0,857 | 2,47 | 0,77341 | |
Плагиоклаз | 2,76 | 0,244 | 0,708 | 0,71980 | ||
Примечание: калишпат — сокращённо от калиевого полевого шпата. |
Дополнительную информацию о разделении изотопов и изобаров даёт анализ распределений изотопных (изобарных) отношений между минералами. Пример подобных распределений приведён на рис. 2. В этих случаях экспериментальные точки располагаются на прямых с угловым коэффициентом s ≠ 1 .
На практике косвенно фракционирование иллюстрировалось рядами распределения возрастов по минералам и методам определения возраста. Например, построены последовательности: для Карелии — ПЛ(Rb-Sr)>МУ(Rb-Sr)>МУ(K-Ar)≈Ми(Rb-Sr)>БИ(Rb-Sr) , где МИ- микрклин, МУ- мусковит; для Финляндии- МИ(Rb-Sr)>МУ(Rb-Sr)>БИ(Rb-Sr)≈БИ(K-Ar) . Более строго это сопоставление осуществляется на основе сравнения по минералам значений отношений соответствующих изотопов. В качестве примера в таблице № 2 приведены некоторые ряды по величинам этих отношений:
Таблица 2. Частные ряды фракционирования по величинам отношений. | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Система |
Изотопно- изобарные
отношения |
Последовательности
минералов |
||||
Изотопная | 206 Pb\ 204 Pb | СФ > АП,МТ >БИ,ПЛ >КШ | ||||
207 Pb/ 204 Pb | СФ >АП, МТ> БИ, ПЛ >КШ | |||||
208 Pb/ 204 Pb | СФ >АП, МТ> БИ, ПЛ >КШ | |||||
87 Sr/ 86 Sr | БИ> КШ >ПЛ | |||||
Изобарная | 87 Sr/ 87 Rb | ПЛ > КШ > БИ ≈ МУ | ||||
40 Ar/ 40 K | АМ > БИ > КШ > МУ,БИ > ПЛ | |||||
Примечание:АМ-амфибол;СФ-сфен |
Картина распределений минералов по этим отношениям выявляется и при сопоставлении ранжированных по величине плотности d (эталонных) последовательностей минералов, расположенных по убыванию плотности, и таковых по изотопным (изобарным) отношениям. В каждой паре минералов на первое место ставился минерал с большей величиной d . Если при этом изотопные (изобарные) отношения оказывались подобны отношениям плотностей минералов, такие пары назывались нормальными , в противном случае- инверсными . Далее по соотношению нормальных и инверсных пар строились генеральные последовательности расположения минералов. Сравнение этих последовательностей с эталонными производилось с помощью показателя (индекса) различия J . Результаты этих сравнений отображены в таблице № 3 в виде генеральных последовательностей. Для сравнения приведены последовательности минералов по величинам δ 18 О .
Проведённые исследования показали, что в изотопных системах тяжёлый изотоп скапливается в минералах с повышенной плотностью, в то же время в изобарных системах эту тенденцию проявляет изобар с минимальными размерами. В более общем случае в более тяжёлом минерале накапливается преимущественно элемент с большей атомной (ионной) плотностью.
Таблица 3. Генеральные последовательности минералов по величинам отношений. | |||
---|---|---|---|
Система |
Изотопно- изобар-
ные отношения |
Генеральные последовательности минералов | J |
Изотопная | Эталон | УР > ГН > ПИ > МН > МТ > ЦР > ПХ > ОР > СФ > АП > БИ > КВ > ПЛ > КШ | |
206 Pb\ 204 Pb | УР > (ГН,ПХ) > МН ≈ ЦР > (ОР,СФ) > АП > МТ > (ПИ,БИ) > (КВ,ПЛ) > КШ | 0,13 | |
207 Pb/ 204 Pb | УР > ГН > МН ≈ ЦР ≈ ОР > (ПХ,СФ) > МТ > АП > (ПИ,БИ) > (КВ,ПЛ) > КШ | 0,15 | |
208 Pb/ 204 Pb | (МН,ОР) > [(УР ≈ ГН),ПР] > МТ ≈ (ПХ,СФ) > АП ≈ (ПИ,БИ) > (КВ,ПЛ) > КШ | 0,13 | |
δ 18 О | КВ > КШ > ПЛ > АМ > БИ > КП > ОЛ > МТ (кислые породы, ) | 0,95 | |
δ 18 О | КВ > КШ > МУ > КИ > АМ > ГР > БИ > ХЛ > ИЛ > МТ (сланцы, ) | 0,61 | |
Изотопная | Эталон | ГР > СФ > ОЛ > КП > ОП > АМ > АП > БИ > МУ > ФЛ > ПЛ > НЕ > КШ > СЛ | 0 |
87 Sr/ 86 Sr | (БИ,ОП) > МУ > ГР > (КШ,ОЛ) > (КП,НЕ,АМ) > ПЛ > АП > СФ | 0,37 | |
Изобарная | 87 Sr/ 87 Rb | ПЛ > АП > СФ > (МЕ,АМ) > КШ > МУ > БИ | 0,33 |
КП > ОП > ОЛ > ФМ > БИ | 0,13 | ||
40 Ar/ 40 K | АМ > МУ > [НЕ,(КП ≈ ОП)] > (СД,КВ) > БИ > ПЛ > КШ > ФЛ | 0,30 | |
Примечание:АФ-арвфедсонит;ГЛ-галенит;ГР-гранат;ИЛ-ильменит;КЛ-кальцит;КВ-кварц;КИ-кианит;КП-клинопироксен;НЕ-нефелин;ОР-ортит;ОП-ортопироксен;ПИ-пирит;ПХ-пирохлор;СД-содалит;УР-уранинит;ФЛ-флогопит;ХЛ-хлорит;ЦР-циркон;ЭВ-эвдиалит;ЭП-эпидот . |
Весь комплекс геологических наблюдений о поведении РГИИ в термоградиентном поле свидетельствует о возможности фракционирования их в природных условиях. К этому выводу пришло подавляющее число исследований, не упоминая при этом понятие «фракционирование». Однако окончательный вывод о возможности явления могут сделать только экспериментальные исследования. В настоящее время весь комплекс исследований в этом направлении можно разделить на две группы, отличающиеся методическими приёмами анализа фракционирования:
Анализы обрабатывались с использованием выражения для коэффициента фракционирования
где ( * X/X) o и ( * X/X) i — отношения изотопов элемента X исходное и после эксперимента. Индексом ( * ) помечен тяжёлый изотоп. Если рассматриваются изотопы двух элементов X и Y , то это выражение преобразуется в рабочее уравнение вида
где m и n — некоторые соединения. Часто m = n . В этом уравнении параметр S * = f(T) .
Цель этих экспериментов: выявление степени сохранности изотопных отношений в различных термодинамических условиях. Для экспериментов характерно:
|
Этот раздел статьи
ещё
не написан
.
|
|
Этот раздел статьи
ещё
не написан
.
|
|
Этот раздел статьи
ещё
не написан
.
|
Экспериментальному воздействию были подвергнуты изотопы Pb (около 92 % изученных выборок), реже изобары Sr-Rb , минимально — изобары K-Ar . Изотопы Pb изучались, как правило, в акцессорных цирконах и монацитах, полевых шпатах (чаще калиевые полевые шпаты, плагиоклазы), биотитах, уранините, гранитах и др. породах и минералах. Изобары Sr-Rb - в хондрите (Mittlefehldt D.W. et al ), в базальте (Elderfild H, et al ), изобары K-Ar — в биотите (Апруб С. В. ) и т. д.
Основные агенты выщелачивания: кислоты азотная , реже HCl , HF и уксусная , редко дисциллированная вода. Кислоты - высоких концентраций вплоть до концентрированных, температуры — более 80 о С. Время выщелачиваний колебалось от первых часов до месяца. Обычно изучались единичные пробы, спорадически без соблюдения требований об установлении изотопных равновесий.
Главная цель исследований — выявление степени устойчивости РГИИ в сильно агрессивных средах для установления точности определения возраста пород. Систематические и целенаправленные исследования для выявления основных закономерностей миграции РГИИ и их фракционирования не проводились. Проведено обобщения этих данных . Фрагменты этих исследований приведены на рис.4. При обобщении использовано представление о коэффициентах разделения α в виде
где min -исследуемый минерал, s -выщелат (полученный раствор) либо другой минерал; i = 206, 207, 208.
Данные рис.4 для акцессорных цирконов и монацитов (рис.4А) и полевых шпатов (рис.4Б) показывают наличие определённых закономерностей в процессах перераспределения изотопов Pb между исследуемым минералом и взаимодействующей с ним фазой, которые выражаются в линейном характере поведения параметров lnα . На рис.4В показано аналогичное распределение изотопов Pb между акцессорным галенитом и вмещающим его гранитом. Наличие аналогичной линейной зависимости между параметрами lnα позволяет сделать предположение о существовании геохимического изотопного равновесия между этими субстанциями.
При проведении экспериментальных работ различного типа и уровня всегда происходит добавление или удаление из системы РГИИ. Это позволяет для качественной оценки влияние привноса (выноса) РГИИ проводить численное моделирование. С этой целью для некоторой исходной (эталонной) группы анализов, например, свинцовой, с известными значения возраста t эт добавляется некоторое количество изотопов свинца, затем по новым данным рассчитывается возраст t * , по оценке которого с эталонным оценивается влияние добавления в систему изотопа. Тогда t o - возраст примесного свинца; t p — возраст радиогенной добавки. t 1 , t 2 и t 3 — возраста, рассчитываемые соответственно по уравнениям:
Выделяются механизмы изменений параметров изохрон:
В эксперименте оценивались следующие факторы:
1).
Изменение концентраций валового свинца
:
2). Изменение величины изотопных отношений Х (= 206 Pb/ 204 Pb ) и Y (= 207 Pb/ 204 Pb ):
t 1 , t 2 и t 3 .