Fracționarea substanțelor naturale este separarea elementelor dintr-o singură matrice sub influența modificărilor parametrilor fizico-chimici ai mediului gazdă. Analiza fracționării are în vedere comportamentul a cel puțin două elemente.
Se disting tipurile de fracționare:
Fracționarea izotopilor stabili ai elementelor ușoare a fost studiată în cea mai mare măsură . Americanii Bigeleisen [3] și Botinga [4] au adus o contribuție semnificativă la soluționarea acestei probleme . În ceea ce privește elementele radiogenice (în primul rând uraniu și plumb), unele studii teoretice au fost efectuate de HCUrey [5] , care a relevat o influență slabă asupra separării parametrilor externi ai mediului și, astfel, a refuzat studiul lor ulterioar.
Există o altă diferență între aceste sisteme: în sistemele de izotopi stabili, toate elementele formează roci, reflectând un caz extrem de izomorfism . Aceasta determină posibilitatea utilizării lor pentru rezolvarea problemelor fizico -chimice . În sistemele radiogenice, elementul copil nu este un element izotopic în raport cu izotopul părinte. Toate elementele copil, care ocupă locuri diferite în sistemul periodic al lui D. I. Mendeleev , diferă de elementele părinte în toate privințele și, mai ales, în dimensiune. Prin urmare, pe lângă influența T , distribuția lor depinde în mod semnificativ de presiune și de alte condiții fizico-chimice ale mediului de formare a mineralelor.
Problema fracționării elementelor radiogenice a fost studiată foarte prost. G.Fore și D.Powell [6] au observat o distribuție uniformă a izotopilor și izobarelor radiogenice (RGII) în magma topită , care se păstrează în timpul cristalizării , iar discordanța a fost asociată cu procesele epigenetice . Totuși, această afirmație, luată ca axiomă , nu este de acord cu fenomenul de fracționare a elementelor izomorfe și izotopice, care sunt fizic și chimic analoge cu RGII , luate în considerare în studiile geobarotermometrice .
Există două niveluri de studiu ale fracționării.
Primul nivel se datorează analizei teoretice a condițiilor pentru această fracționare, descrisă în [7] . În geochimia sovietică, aceste studii sunt prezentate în primul rând în lucrările lui S. Z. Roginsky (1900–1970) [8] [1] și A. I. Brodsky http://www.warheroes.ru/hero/hero.asp? Hero_id=12882 (19.06). .1895 - 21.08.1969) [9] . Bigeleisen și Botinga [10] au adus aceste studii la finalul lor logic , adică la o metodologie de utilizare în practică . În ceea ce privește U și Pb , studiile teoretice au fost efectuate numai de HC Urey [11] .
Al doilea nivel se datorează analizei distribuției efective a RGII în condiții naturale.
Rezultatele cercetării au făcut posibilă identificarea unor grupuri de subiecte care reflectă posibilitatea fracționării izotopilor și izobarelor [12] .
Include o analiză a distribuțiilor izotopilor radiogeni (izobare) în exocontactele intruziunilor, comportamentul lor comun cu izotopii stabili ai elementelor ușoare și în minerale individuale.
Aceste studii au fost efectuate în principal pentru izotopi stabili ai elementelor ușoare (denumite în continuare SILE). A fost studiat comportamentul nu numai al izotopilor de oxigen și carbon, ci și al Li , K (I. M. Morozova și colab. [13] ), Mg și Ca (V. S. Lepin și colab., 1969 [14] ; [15] ) ), B (Yu. P. Shergina et al. [16] ), etc. De regulă, Li și K sunt îmbogățiți în părțile centrale ale zonelor metasomatice cu un izotop ușor, iar soiurile grele sunt distilate în părțile marginale. Mg și Ca au o dependență clară de concentrația elementului în sine, corespunzătoare regulii Bachinsky [15] . Yu. P. Shergina și A. B. Kaminsky au stabilit o creștere relativă a izotopului 11 B cu distanța față de corpul de minereu polimetalic. Un astfel de comportament este observat de T. E. Lovering [17] pentru izotopul O cu distanța față de brecia minereului. El a observat, de asemenea, o scădere a compoziției izotopice a C în calciți pe măsură ce se apropie de intruziune.
În ceea ce privește izotopii și izobarele radiogenice, există mult mai puține astfel de date. E.L. Landa și colaboratorii [18] au observat modificări ale izotopilor Sr în apatite și roci purtătoare de apatită din complexele carbonatice din masivele Kovdor și Guli. Hart S. R. [19] a stabilit o pseudo-întinerire a vârstei la contactul intruziunilor Eldora și Auduban-Albia. Vârsta intruziunii Eldora conform metodei BI Ar-K este estimată la 68-80 Ma. Vârsta hornblendei variază în funcție de distanța de la contact: la o distanță de 1–76 m variază de la 120 la 1150 Ma cu maxim 1160 Ma la 41 m . Sr - metoda; situații similare au fost descrise și de G. Sh. Ashkinadze [20] în exocontactul intruziunii Ozernaya Varaka.
Comportamentul izotopilor Pb în zonele de exocontact ale intruziunii de cuarț-monzonit Eldora Stock din Colorado a fost descris de Dow BR și colab. [21] . În ortoclaze, se modifică nu numai cantitatea totală de Pb , ci și valorile rapoartelor izotopilor: cu distanța de la contact, rapoartele 206Pb / 204Pb și 207Pb / 204Pb scad semnificativ . O analiză detaliată a comportamentului izotopilor într-un câmp termic a fost efectuată de Hart SR [22] pe baza studiului biotitului, feldspatului (fără a detalia specia) și hornblenditului prin metodele Ar-K și Rb-Sr . Conform acestor date, pentru aproape toate mineralele din zona de contact în sine are loc pseudo-întinerirea rocilor, care trebuie considerată ca o manifestare a migrării izobare în câmpul temperaturii.
Astfel, formarea rapoartelor izotopilor și izobarelor radiogenice este influențată semnificativ de factorul de temperatură și, foarte posibil, de presiune.
La analiza SILE, o influență semnificativă asupra distribuției acestora a fost stabilită de condițiile de temperatură pentru formarea mineralelor. Se arată că în acest caz distribuția izotopilor unei perechi de elemente coexistente, de exemplu, C - O (în calciți), H - O (în mica) etc., sau izotopii unui element în minerale coexistente, pt. de exemplu, pentru oxigen - Cuarț - Biotit sau sulf în Galena - Pirit, în condiții izoterme este descris prin ecuația unei linii drepte [23] . La rezolvarea problemei inverse, dacă în condiții izoterme distribuția izotopilor într-o pereche cu izotopii unui element cunoscut ca standard este descrisă printr-o ecuație în linie dreaptă, atunci putem vorbi despre efectul temperaturii asupra distribuțiilor izotopilor ambelor elemente. . Prin urmare, în acest caz, se ia în considerare comportamentul comun al RGII și SILE într-un anumit câmp de temperatură. Comportarea comună a raportului 87 Sr/ 86 Sr și valoarea lui δ 18 O este descrisă într-o cantitate relativ mare . Lucrările unice sunt cunoscute pentru sistemele i Pb — S și (Ar-K)-δ 18 O .
Lucrările efectuate privind studiul comportamentului comun al izotopilor de stronțiu și oxigen în bazalții din Costa Rica (Barrett [24] ), în kimberlitele din Yakutia (Kostrovitsky [25] ), carbonatiți (B.G. Pokrovsky și colab. [26] ) , smectite [27] , minerale din granite Alp [28] , etc., precum și izotopi Pb și S din galenă (Illinois, Kulp JL et al, [29] ; V.I. Vinogradov [30] , A.I. Tugarinov și colab. [ 31 ] ) a relevat o corelație destul de mare între izotopii acestor elemente.O relație directă între 14 C și δ 13 C a fost adesea descrisă (Vinogradov V. I. [30] ; [32] ; și alții).
În lucrări separate, compoziția izotopică a oxigenului a fost comparată cu vârsta rocilor și a mineralelor determinate prin metoda K-Ar (Garlick și colab. [33] ).
În toate cazurile, identificarea dependențelor liniare se explică numai prin fenomenele de amestecare (contaminare) (de exemplu, Kostrovitsky [25] ; A.A. Konev [34] ; Taylor [35] ). O presupunere mai plauzibilă este că aici există o redistribuire izotermă a izotopilor.
Efectul presiunii nu este clar. Izotopii, ai căror parametri dimensionali ai atomilor diferă ușor, sunt slab afectați de presiunea la valori de până la 1 kbar. Aceste concluzii sunt confirmate de studiile experimentale ale RNClaton [36] și P. Harting [37] și alții.Isobarele diferă semnificativ unele de altele, astfel încât presiunea afectează semnificativ distribuția lor.
În ecuațiile geocronologice, conținutul elementelor este exprimat prin numărul de atomi fără a specifica unitatea de măsură , deși mai corect, prin numărul de atomi pe unitatea de volum de materie. În analitica modernă, conținutul elementelor este determinat în unități relative -%, g / t etc. Prin urmare, acestea din urmă trebuie convertite într-un sistem de unități de ecuații geocronologice.
În sistemul mărimilor fizice , principalii parametri care caracterizează cantitatea unei substanțe sunt masa (g) și volumul (cm³, iar valoarea care reflectă în mod adecvat acești parametri este densitatea (sau greutatea specifică ) d a acestei substanțe. Fie N * să fie numărul de atomi pe unitate de volum, C este concentrația relativă a acestui element în compus, M este masa unui atom din această substanță . Atunci N * \u003d Cd / M. Deoarece M nu afectează în mod fundamental concluziile ulterioare , apoi omițând-o obținem egalitatea N \u003d Cd , arătând masa totală a atomilor izotopi pe unitate de volum. Se vor efectua analize suplimentare pentru izotopul 206 Pb , pentru care avem . Pe scurt, rescriem această ecuație ca
unde 6 N este numărul de atomi de izotopi de 206 Pb formați în timpul t , 8 N este numărul de atomi de uraniu 238 U rămași după descompunere; este constanta de dezintegrare a atomilor de uraniu 238 U ; S o este o funcție a timpului. Când t = const , ecuația (1) este o ecuație izocronă cu panta S o . În coordonate logaritmice, această ecuație ia forma:
.După transformări, ecuația (1) se reduce la forma
.În cazul studierii unui eșantion, valoarea lui d este redusă. Cu toate acestea, pentru o estimare a vârstei de încredere [38] , este necesar să se utilizeze două eșantioane pentru a construi o izocronă cu densitățile măsurate d1 și d2 . În acest caz, panta S * a cvasi-izocronei este determinată din egalitate
Această egalitate indică dependența pantei izocronei de densitatea mineralelor. Această poziție este ilustrată în Tabelul 1 și Fig.2.
Tabelul 1. Dependența rapoartelor izotopice de densitatea mineralelor din sistemele izobare. | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Minerale | rasele | Densitate , g/cm³ |
Rapoartele abundenței izotopilor |
Sursa analizelor | ||
Rb/Sr | 87 Rb/ 86 Sr | 87 Sr/ 86 Sr | ||||
Kalishpat | Sienita | 2,56 | 0,1584 | 0,4587 | 0,70606 | [44] |
Nefelina | 2,60 | 0,0614 | 0,1777 | 0,70454 | ||
Arvfedsonit | 3.45 | 0,0057 | 0,0166 | 0,70372 | ||
Sphene | 3,56 | 0,0002 | 0,0007 | 0,70367 | ||
Kalishpat | Urtit | 2,56 | 26.55 | 79,56 | 1.1121 | |
Nefelina | 2,60 | 2,61 | 7,69 | 0,744 | ||
Eudialit | 2,92 | 0,0012 | 0,0034 | 0,70386 | ||
Kalishpat | Metapelita | 2,59 | 0,102 | 0,468 | 0,71552 | [43] |
Plagioclaza | 2,76 | 0,030 | 0,0872 | 0,71532 | ||
Kalishpat | Granulit | 2,56 | 0,857 | 2.47 | 0,77341 | |
Plagioclaza | 2,76 | 0,244 | 0,708 | 0,71980 | ||
Notă: K-feldspat este prescurtare pentru feldspat de potasiu. |
Informații suplimentare despre separarea izotopilor și izobarelor sunt furnizate de o analiză a distribuțiilor rapoartelor izotopice (izobarice) între minerale. Un exemplu de astfel de distribuții este prezentat în Fig. 2. În aceste cazuri, punctele experimentale sunt situate pe drepte cu panta s ≠ 1 .
În practică, fracţionarea a fost ilustrată indirect prin serii de distribuţie a vârstelor pe minerale şi prin metode de determinare a vârstei. De exemplu, au fost construite următoarele secvențe: pentru Karelia — PL(Rb-Sr)>MU(Rb-Sr)>MU(K-Ar)≈Mi(Rb-Sr)>BI(Rb-Sr) , unde MI este microclin, MU este muscovit; pentru Finlanda - MI (Rb-Sr)> MU (Rb-Sr)> BI (Rb-Sr) ≈ BI (K-Ar) . Mai strict, această comparație se realizează pe baza unei comparații a valorilor raporturilor izotopilor corespunzători pe minerale. Ca exemplu, Tabelul 2 prezintă câteva serii din aceste rapoarte:
Tabelul 2. Serii parțiale de fracționare după valorile raportului. | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Sistem | Raporturi izotopic-izobarice |
Secvențe de minerale | ||||
izotopic | 206 Pb\ 204 Pb | SF > AP,MT >BI,PL >KSh | ||||
207 Pb/ 204 Pb | SF >AP, MT> BI, PL >KSh | |||||
208 Pb/ 204 Pb | SF >AP, MT> BI, PL >KSh | |||||
87 Sr/ 86 Sr | BI> KSh >PL | |||||
izobaric | 87 Sr/ 87 Rb | PL > KSh > BI ≈ MU | ||||
40 Ar/ 40 K | AM > BI > KSh > MU, BI > PL | |||||
Notă: AM-amfibol;SF-sfenă |
Modelul distribuțiilor mineralelor în funcție de aceste rapoarte este relevat și prin compararea secvențelor de minerale ordonate după densitatea d (referință) dispuse în ordinea descrescătoare a densității și a celor după rapoarte izotopice (izobarice). În fiecare pereche de minerale, mineralul cu cea mai mare valoare d a fost clasat pe primul loc . Dacă, în acest caz, rapoartele izotopilor (izobari) s-au dovedit a fi similare cu rapoartele densităților mineralelor, astfel de perechi au fost numite normale , în caz contrar, inverse . În plus, în funcție de raportul perechilor normale și inverse, au fost construite secvențe generale ale locației mineralelor. Compararea acestor secvențe cu cele de referință a fost efectuată folosind indicele (indicele) diferenței J [48] . Rezultatele acestor comparații sunt afișate în tabelul nr. 3 sub formă de secvențe generale. Pentru comparație, sunt date secvențele de minerale în funcție de valorile lui δ 18 O.
Studiile efectuate au arătat că în sistemele izotopice, izotopul greu se acumulează în minerale cu densitate crescută, în timp ce în sistemele izobare această tendință se manifestă prin izobare cu dimensiuni minime. Într-un caz mai general, un element cu o densitate atomică (ionică) mai mare se acumulează predominant într-un mineral mai greu.
Tabelul 3. Secvențe generale ale mineralelor după rapoarte. | |||
---|---|---|---|
Sistem | Raporturi izotopic-izobarice |
Secvențe generale de minerale | J |
izotopic | Referinţă | UR > GN > PI > MN > MT > CR > PH > SAU > SF > AP > BI > KV > PL > KSh | |
206 Pb\ 204 Pb | UR > (GN, PH) > MN ≈ CR > (OR, SF) > AP > MT > (PI, BI) > (KV, PL) > KSh | 0,13 | |
207 Pb/ 204 Pb | UR > GN > MN ≈ CR ≈ SAU > (PKh,SF) > MT > AP > (PI, BI) > (KV, PL) > KSh | 0,15 | |
208 Pb/ 204 Pb | (MN,OR) > [(UR ≈ GN),PR] > MT ≈ (PKh,SF) > AP ≈ (PI,BI) > (KV,PL) > KSh | 0,13 | |
5 18 O | KV > KSh > PL > AM > BI > KP > OL > MT (roci acide, [49] ) | 0,95 | |
5 18 O | KV > KSh > MU > KI > AM > GR > BI > CL > IL > MT (șisturi, [50] ) | 0,61 | |
izotopic | Referinţă | GR > SF > OL > KP > OP > AM > AP > BI > MU > FL > PL > NE > KSh > SL | 0 |
87 Sr/ 86 Sr | (BI, OP) > MU > GR > (KSh, OL) > (KP, NE, AM) > PL > AP > SF | 0,37 | |
izobaric | 87 Sr/ 87 Rb | PL > AP > SF > (ME,AM) > KSh > MU > BI | 0,33 |
KP > OP > OL > FM > BI | 0,13 | ||
40 Ar/ 40 K | AM > MU > [NU, (KP ≈ OP)] > (SD, KV) > BI > PL > KSh > FL | 0,30 | |
Notă: AF-arvfedsonit; GL-galenă; GR-granat; IL-ilmenit; CL-calcit; HF-quartz; KI-cianită; CP-clinopiroxen; HE-nefelină; OR-ortit; OP-ortopiroxen; PI-pirit; HRP-piroclor; SD-sodalit; UR-uraninit; FL-flogopit; CL-clorit; CR-zircon; EV-eudialit; EP-epidot . |
Întregul complex de observații geologice asupra comportamentului RGII într-un câmp termogradient indică posibilitatea fracționării lor în condiții naturale. La această concluzie s-a ajuns la un număr covârșitor de studii, fără a menționa conceptul de „fracționare”. Cu toate acestea, doar studiile experimentale pot face o concluzie finală cu privire la posibilitatea fenomenului. În prezent, întregul complex de studii în această direcție poate fi împărțit în două grupe, care diferă în metodele metodologice de analiză a fracționării:
Analizele au fost prelucrate folosind expresia factorului de fracţionare
unde ( * X/X) o și ( * X/X) i sunt rapoartele izotopice ale elementului X la începutul și după experiment. Indicele ( * ) marchează izotopul greu. Dacă sunt luați în considerare izotopii a două elemente X și Y , atunci această expresie este convertită într-o ecuație de lucru de forma
unde m și n sunt niște compuși. Adesea m = n . În această ecuație, parametrul S * = f(T) .
Scopul acestor experimente este de a dezvălui gradul de conservare a rapoartelor izotopilor în diferite condiții termodinamice. Experimentele se caracterizează prin:
Izotopii Pb (aproximativ 92% din probele studiate) au fost supuși expunerii experimentale , mai rar izobare Sr-Rb și izobare minim K-Ar . Izotopii Pb au fost studiați, de regulă, în zirconi și monaziți accesorii, feldspați (mai des feldspați de potasiu, plagioclaze), biotiți, uraniniți, granite și alte roci și minerale. Isobare Sr-Rb - în condrită ( Mittlefehldt DW et al [56] ), în bazalt (Elderfild H, et al [57] ), izobare K-Ar - în biotit (Aprub S.V. [58] ), etc. d.
Principalii agenți de leșiere sunt acizii azotici , mai rar HCl , HF și acetic , rar apă distilată. Acizi - concentrații mari până la concentrat, temperaturi - mai mult de 80 ° C. Timpul de scurgere a variat de la primele ore până la o lună. Probele unice au fost de obicei studiate, sporadic fără a se respecta cerințele pentru stabilirea echilibrelor izotopice.
Scopul principal al cercetării este de a identifica gradul de stabilitate al RGII în medii foarte agresive pentru a stabili acuratețea determinării vârstei rocilor. Nu au fost efectuate studii sistematice și direcționate pentru a identifica principalele modele de migrare a RGII și fracționarea acestora. Aceste date au fost rezumate [59] . Fragmente din aceste studii sunt prezentate în Fig.4. La generalizare am folosit reprezentarea coeficienților de separare α în formă
unde min este mineralul studiat, s este levigatul (soluția rezultată) sau alt mineral; i = 206, 207, 208.
Datele din Fig.4 pentru zirconii și monaziți accesorii (Fig.4A) și feldspați (Fig.4B) arată prezența anumitor modele în procesele de redistribuire a izotopilor Pb între mineralul studiat și faza care interacționează cu acesta, care sunt exprimate. în comportamentul liniar al parametrilor lnα . Figura 4B prezintă o distribuție similară a izotopilor Pb între galena accesorie și granitul gazdă. Prezența unei relații liniare similare între parametrii lnα ne permite să facem o ipoteză despre existența unui echilibru izotopic geochimic între aceste substanțe.
Când se efectuează lucrări experimentale de diferite tipuri și niveluri, există întotdeauna o adăugare sau o eliminare din sistemul RGII. Acest lucru permite o evaluare calitativă a influenței afluxului (eliminării) RGII pentru a realiza modelarea numerică. În acest scop, pentru un grup inițial (de referință) de analize, de exemplu, plumb, cu valori cunoscute ale vârstei t et , se adaugă o anumită cantitate de izotopi de plumb, apoi se calculează vârsta t * din noile date , conform caruia, cu referinta, se estimeaza efectul adaugarii unui izotop in sistem. Atunci t o este vârsta impurității plumbului; t p este vârsta aditivului radiogenic. t 1 , t 2 și t 3 sunt vârstele calculate, respectiv, conform ecuațiilor:
; ;Mecanismele modificărilor parametrilor izocroni se disting:
În experiment au fost evaluați următorii factori:
1). Modificarea concentrațiilor brute de plumb :
2). Modificarea raporturilor izotopice X (= 206 Pb/ 204 Pb ) și Y (= 207 Pb/ 204 Pb ):
t 1 , t 2 şi t 3 .