Блог

Ронкин Ю.Л.

СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ  U-Pb ДАТИРОВАНИЯ ЦИРКОНОВ: ВОЗМОЖНОСТИ И ОГРАНИЧЕНИЯ

U-Pb метод датирования, впервые реализованный на уранинитах более 100 лет назад [Boltwood, 1907], основан на явлении радиоактивного распада 235U, 238U в 207Pb и 206Pb, соответственно. Развитие возможностей метода связано с инновационными разработками многих талантливых ученых [Davis et. al., 2003], существенно расширившим потенциал U-Pb датирования в сравнении с первоначальными возможностями, благодаря чему появилась возможность изучения U-Pb систем минералов с более низкими содержаниями урана и тория, в частности, циркона, минерала подгруппы островных силикатов ZrSiO4, первое упоминание о датировании которого можно найти в работе [Keevil, 1939].  К настоящему времени этот минерал является абсолютным рекордсменом по количеству выполненных по нему возрастных определений в диапазоне от 1 млн. лет до более 4 млрд. лет, а U-Pb метод датирования цирконов представляет собой один из мощнейших инструментов изотопной геологии, позволяя успешно решать как фундаментальные, так и прикладные проблемы геологических наук.

Успешная реализация U-Pb датирования цирконов, в первом приближении, предполагает претворение следующих процедур: формулировка геологической проблемы адекватной возможностям метода; рациональный отбор соответствующего каменного материала; выделение цирконов; изучение минералогических особенностей кристаллов с помощью физических и химических методов; аналитические операции по получению изотопных распространенностей; обработка экспериментально полученной фактуры, и, наконец, интерпретация выявленных закономерностей. Причем, недоучет важности качественного претворения каждого звена в рассматриваемой цепи, в любом случае, может иметь фатальные последствия на конечные результаты.

Определение рациональной методологии U-Pb датирования цирконов, адекватной решаемой геологической проблеме, часто является трансцендентной задачей, решение которой возможно в результате совместных усилий специалистов как в области изотопной геологии, так и непосредственно геологов. Тем не менее, нередко можно наблюдать ситуации, когда методология применения той или иной модификации метода, проблема соответствия решаемой задачи и возможностей метода определяется исключительно либо геологом-инициатором исследования, или «изотопистом», твердо убежденных в своей интуитивной правоте. Такой подход не всегда дает положительные результаты, и нередко после проведенных исследований наступает разочарование в полученных результатах, поскольку часто выясняется, что выбранная, на свой страх и риск, зачинателем методология U-Pb датирования цирконов в принципе не могла обеспечить решение поставленной задачи изначально.

Рациональный отбор соответствующего каменного материала, исходя из решаемой задачи, его локализация и взаимоотношения со структурными и вещественными составляющими изучаемого объекта, размеры и объем образцов также представляет известную проблему, тесно связанную с условиями и масштабами изотопного уравновешивания U-Pb изотопной системы. В зависимости от цели геохронологического исследования и характера изучаемо¬го объекта используются различные способы опробования. Наиболее употреби¬тельны: отбор образцов породы (массой, величина которой находиться в зависимости от «выхода» целевых цирконов после их сепарации, см. ниже) из одного и того же обнажения на рас¬стояниях, измеряемых десятками сантиметров и метрами (такое опробование, которое можно назвать «гнездовым», часто проводится в нескольких местах); отбор образцов породы в виде серии соприкасающихся друг с другом пластин (так называемый «метод тонких пластин») толщиной несколько миллиметров или сантиметров, при этом обычно стараются выбрать породу с хорошо выраженной «пластино-образной» неоднородностью на породном уровне [Ронкин и др., 2003]; отбор образцов породы на относительно большом расстоянии друг от друга – так называемое «региональное» опробование.

Для «типично цирконсодержащих» пород традиционная схема извлечения цирконов в комплексе с тяжелыми минералами предусматривает дробление исходных проб путем разноразмерного просеивания, применения концентрационного стола, изодинамического магнитного сепаратора и тяжелых жидкостей.  Окончательная выборка целевых цирконов обычно осуществляется вручную, под бинокуляром. Главной заботой на этом этапе является исключение заражения ксеногенным материалом. Однако в случае выделения цирконов из пород мафит-ультрамафитового и экзотического составов, характеризующихся следовыми концентрациями U и Pb порядка n×0.1–n×10 ppm, данная процедура представляет вполне самостоятельную задачу.  Решение этой проблемы может быть организовано на базе так называемой «ppm (parts per million) – минералогии», технологии высокочувствительных минералогических работ, предполагающей целый ряд специфических процедур [Кнауф, 1996]. В любом случае, рациональный подход может требовать предварительного отбора определенной массы пробы для оценки результирующего «выхода» цирконов. Изучение минералогических особенностей цирконов с помощью оптических (в проходящем и отраженном варианте) разнообразных спектроскопических методов (SEM/EDS, BSE, CL, и прочие [Nasdala et al., 2003]) является обязательным элементом на пути современного U-Pb датирования цирконов, с целью выяснения масштабов и степени геохимической гетерогенности, наличия включений, зональности, постмагмагтических и метаморфических изменений, унаследованных реликтов и соответствующей реконструкции эволюции и  логической интерпретации U-Pb изотопной систематики конкретных кристаллов [Poller et al., 1997]. Данная процедура максимально актуальна при изучении U-Pb систематики SIMS методами, а также аттестации природных и синтетических стандартов цирконов для U-Pb датирования.

Аналитические операции по получению изотопных параметров U-Pb системы цирконов в настоящее время осуществляются преимущественно двумя способами.

Первым является классический метод изотопного разбавления (ID), предполагающий использование трассера (spike-имеющего искусственно обогащенный относительно природного, изотопный состав  U-Pb: 205Pb+233U, 233U+236U, 205Pb+235U+233U, 202Pb+205Pb+235U+233U)  и последующего масс-спектрометрического анализа U-Pb изотопного состава смесей исследуемого материала с трассером при помощи прецизионных твердофазных анализаторов с твердофазной ионизацией (TIMS) и/или мультколлекторными MC-ICP/MS. Альтернативными являются локальные, «in situ» методы (позволяющие анализировать U-Pb изотопный состав нанограммовых, и менее, объемов вещества) основанные на масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS) [Ireland & Williams, 2003] и лазерной абляции LA-ICP/MS [Kosler & Sylvester, 2003]. Поскольку, принципы рассматриваемых U-Pb аналитических приемов фундаментально отличаются, каждому из них присущи свои преимущества и недостатки. U-Pb ID-TIMS или  ID-MC-ICP/MS методы позволяют получить беспрецедентную, на сегодня, точность датирования  как единичных кристаллов циркона, так и их фрагментов. Однако претворение этих методик весьма трудоемко и дорогостояще, предполагая  наличие целого комплекса специального оборудования, чистых помещений, стандартов, реагентов и т.д. Известные методологические трудности вызывает U-Pb ID-TIMS или  ID-MC-ICP/MS датирование полифазных цирконов, требующих реализации физической [Krogh, 1982] и химической сепарации [Mattinson, 2005]. Преимуществом SIMS инструментов являются экспрессность и возможность U-Pb датирования  нано-объемов в пределах одного кристалла, что позволяет документировать эволюцию сложно организованных цирконов во времени. Основным недостатком метода – значительная в сравнении с ID-TIMS или ID-MC-ICP/MS, на порядок и более, погрешность, маскирующая возможные потери свинца (и/или привнос урана), что в конечном итоге может спровоцировать появление артефактов при вычислении «сближенных» U-Pb возрастов (приводя к выделению «этапов» магматизма, метаморфизма, ложным представлениям о длительной «эволюции» изучаемых геологических объектов и т.д. и т.п).

И наконец, завершающими этапами являются построение графиков с конкордией (в координатах 207Pb/235U–206Pb/238U, 238U/206Pb–207Pb/206Pb) и возрастные вычисления (обычно производимые с помощью программы Isoplot/Ex [Ludwig, 2008], имеющей соответствующие утилиты для обработки экспериментально полученных как U-Pb систематики, так и изотопных данных иных радиогенных систем), а также соответствующая геологической обстановке, событийная интерпретация цирконовых U-Pb возрастов, характеризующихся обширной концептуальной номенклатурой [Rollinson, 1993; и многие др.]: cooling age, metamorphic age, crystallization age, magmatic age, crust formation age, cratonization age, crust residence age, provenance age, model age и т.д.

Работа выполнена в рамках программы Президиума РАН № 23 «Научные основы инновационных энергоресурсосберегающих экологически безопасных технологий оценки и освоения природных и техногенных ресурсов», а также в рамках интеграционной программы УрО РАН «Состав, структура и физика радиационно-термических эффектов в фосфатных и силикатных минералах и стеклах», при поддержке грантов РФФИ № 09-05-00513 и 10-05-00326.

Литература

Кнауф В. В. К метрологическому обеспечению минералогических работ // ЗВМО. 1996.  Вып. CXXV, № 6. С. 109–113.
Ронкин Ю. Л., Sindern S., Kramm U., Ленных В. И., Маслов А. В., Лепихина О. П. Оценка степени гомогенизации изотопного состава Sr-Nd высокометаморфизованных пород методом «тонких пластин» на примере Тараташского комплекса, Южный Урал // Материалы II Российской конференции по геохронологии. СПб. 2003. С. 420–424.
Boltwood B. B. On the ultimate disintegration products of the radioactive elements. Part II. The disintegration products of uranium // Am. J. Sci. 1907. 23. P. 77–88.
Davis D. W., Williams I. S. and Krogh T. E. Historical development of zircon geochronology. In: J. M. Hanchar and P. W. O. Hoskin, Editors, Zircon. Reviews in Mineralogy. Vol. 53. 2003. C. 145–181.
Ireland T. R. and Williams I. S. Considerations in Zircon Geochronology by SIMS. In: J. M. Hanchar and P. W. O. Hoskin, Editors, Zircon. Reviews in Mineralogy. Vol. 53. 2003. P. 215–241.
Keevil N. B. The calculation of geologic age // Am. J. Sci. 1939. 237. P. 195–214.
Kosler J. and Sylvester P. J. Present trends and the future of zircon in geochronology: laser ablation ICPMS. In: J. M. Hanchar and P. W. O. Hoskin, Editors, Zircon. Reviews in Mineralogy. Vol. 53. 2003. P. 244–275.
Krogh T. E. Improved accuracy of U-Pb zircon ages by the creation of more concordant systems using an air abrasion technique. Geochim Cosmochim Acta. 1982. 46. P. 637–649.
Ludwig K. R. // Isoplot / Ex. ver. 3.6. Berkeley Geochronology Center. Special Publication No. 4, 2008. 77 p.
Mattinson J. M. Zircon U-Pb chemical abrasion («CA-TIMS») method: Combined annealing and multi-step partial dissolution analysis for improved precision and accuracy of zircon ages // Chemical Geology, 2005. 220(1–2), 47–66.
Nasdala, L., Zhang M., Kempe U., Panczer G., Gaft M., Andrut M., Plötze M. Spectroscopic methods applied to zircon. In: Zircon (Hanchar J. M. and Hoskin P. W. O., eds.). Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 2003, 53, Mineralogical Society of America. P. 427−467.
Poller U., Liebetrau V., Todt W. U-Pb single-zircon dating under cathodoluminescence control (CLC-method): application to polymetamorphic orthogneisses // Chem. Geol. 1997. V. 139. P. 287–297.
Rollinson H. Using geochemical data: evaluation, presentation, interpretation: Longman Scientific and Technical, 1993. 352 p.