Термоселективная методика датирования кварца по Al-парамагнитным центрам и уточнение хронологии извержений вулкана Эльбрус
Диссертация
Автор: Вяткин, Сергей Васильевич
Название: Термоселективная методика датирования кварца по Al-парамагнитным центрам и уточнение хронологии извержений вулкана Эльбрус
Справка: Вяткин, Сергей Васильевич. Термоселективная методика датирования кварца по Al-парамагнитным центрам и уточнение хронологии извержений вулкана Эльбрус : диссертация кандидата геолого-минералогических наук : 25.00.05 Москва, 2007 137 c. : 61 07-4/71
Объем: 137 стр.
Информация: Москва, 2007
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1 Объекты и методы исследований
11 Потенциальная опасность возобновления деятельности вулкана
Эльбрус и оценка возможных катастрофических последствий
12 Геология вулкана Эльбрус и история ее изучения \
13 Методы датирования современных геодинамических процессов
14 Метод ЭПР-датирования
15 Парамагнитные центры в кристаллической структуре а-кварца
16 Кинетика образования и разрушения радиационных ^ парамагнитных центров
17 Параметры рекомбинации А1-парамагнитных центров в кристаллической структуре а-кварца
ГЛАВА 2 Определение рекомбинационных параметров Еа, Ко и среднего времени жизни г для А1-парамагнитных центров в кристаллической структуре а-кварца
21 Оборудование и отбор образцов
22 Отжиг АЬпарамагнитных центров в а-кварце
23 Математическое моделирование кривых отжига А1парамагнитных центров в а-кварце
24 Физические модели процессов накопления и термического разрушения А1-парамагнитных центров в а-кварце
ГЛАВА 3 Методика ЭПР-датирования добавочными дозами с промежуточным отжигом
31 Недооценка реального возраста пород при ЭПР-датировании по стандартной методике добавочных доз
32 Последовательность процедур при датировании
33 Определение параметров промежуточного отжига
34 Тестирование методики ЭПР-датирования добавочными дозами с ^ промежуточным отжигом
ГЛАВА 4 ЭПР-датирование а-кварца эффузивных пород Эльбруса по методике добавочных доз с промежуточным отжигом
41 Отбор и подготовка образцов
42 Определение величин палеодоз
43 Сравнение результатов ЭПР-датирования по методике добавочных доз с промежуточным отжигом и данных, 120 полученных другими методами
Введение:
Актуальность.
Методы абсолютной геохронологии бьига и остаются одним из важнейших инструментов геологических исследований. Восстановление последовательности геологических процессов различного генезиса в пределах одной геологической формации, корреляция и определение возможной одновременности событий, не связанных между собой напрямую, в нескольких регионах, реконструкция динамики геологических процессов в режиме реального времени, т.е. определение физической скорости их протекания - все это задачи, при решении которых методы абсолютной геохронологии приобретают первостепенное значение. Это обуславливает актуальность исследований, направленных на повышение точности применяемых и разработку новых методик инструментального определения возраста пород.
Методы датирования пород по кварцу с применением спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) занимают особое место среди других, поскольку эффективны на временном интервале, в котором затруднительно использование таких общепринятых методов, как радиоуглеродный и К/Ar. Кроме того, по сравнению с ними методики ЭПР-датирования являются менее дорогими и более экспрессными.
Особую значимость методы абсолютного датирования с применением ЭПР спектроскопии приобретают при установлении возрастов молодых вулканических образований, в частности, эффузивных пород Эльбруса. В условиях молодого высокогорного вулканизма не работают палеонтологические методы, радиоуглеродный метод - ввиду отсутствия органического материала. Из группы радиоизотопных методов в данном случае применимы лишь специализированные высокоточные методики К/Аг анализа, разработанные специально для молодых пород, и ^U/20^ датирование с помощью прецизионного микрозондового анализа высокого разрешения (SHRIMP) . Однако, по временным и финансовым затратам они неприемлемы для датирования большого числа образцов, что необходимо при детальных исследованиях.
Возобновление вулканической деятельности в Эльбрусском вулканическом центре приведет к катастрофическим последствиям, масштаб которых трудно переоценить, поэтому задача восстановления хронологии вулканической активности и определения цикличности процессов, происходивших в этом районе, в настоящее время более чем актуальна. Это делает актуальными и исследования, направленные на повышение точности методик ЭПР-датирования и на расширение временных гранил их применения.
Цель работы.
Основной целью данной работы являлось совершенствование метода ЭПР-датирования и разработка новых методик корректного определения возраста пород по [АЮ4 /Ь ] парамагнитным центрам в а-кварце, путем изучения рекомбинационных процессов, происходящих с [АЮ4 /Ь ] парамагнитными центрами в кристаллической решетке а-кварца, и учета влияния этих процессов при ЭПР-датировании.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
1. Обобщение и анализ опубликованных в научной литературе данных о природе А1-центров в кварце, их свойствах и взаимодействии с другими составляющими кристаллической решетки кварца.
2. Обобщение и анализ опубликованных в научной литературе данных о термической устойчивости и параметрах рекомбинации Еа и Ко [АЮ4 /Ь ] парамагнитных центров в кварце различного генезиса.
3. Экспериментальное исследование термической устойчивости [АЮ4 /Ь ] парамагнитных центров в кварце методом изотермических отжигов на образцах кварца вулканического происхождения, отобранных из эффузивных пород Эльбруса, и образцах другого генезиса.
4. Математическое моделирование экспериментально полученных данных, нахождение модели, адекватно описывающей процессы термического распада [АЮ4 /Ь ] парамагнитных центров в кварце, и определение параметров рекомбинации Еа и Ко.
5. Определение причин недооценки реального возраста вулканических пород Эльбруса при ЭПР-датировании по [АЮ4 /Ь ] парамагнитным центрам в кварце на основе установленной модели их термического распада.
6. Разработка ЭПР-методики корректного определения возраста эффузивных пород Эльбруса по [АЮ4 /h ] парамагнитным центрам в кварце, учитывающей процессы рекомбинации.
7. Проведение ЭПР-датирования по [АЮ4 /h ] парамагнитным центрам в кварце серии образцов вулканических пород Эльбруса по новой методике, и сравнение результатов с данными, полученными другими методами.
Новизна
Принципиально новой является предложенная в работе трехкомпонентная модель процессов рекомбинации AI-парамагнитных центров в кварце, с выделением короткоживущего, а также средне- и долгоживущего типов центров. Модель позволяет определять параметры рекомбинации Еа и Ко, а также время жизни г для каждого типа центров.
Предложено объяснение расхождений в значениях рекомбинационных параметров для AI-центров в кварце различного генезиса, полученных авторами предшествующих исследований.
Предложено объяснение фактам недооценки реального возраста пород, определенного методом ЭПР-датирования в предшествующих исследованиях.
Впервые определены величины рекомбинационных параметров Еа и Ко для разных типов AI-центров в кварце эффузивных пород Эльбруса, что дало возможность уточнить пределы применимости метода ЭПР-датирования по AI-центрам в кварце для вулканитов Эльбруса.
Разработана новая методика ЭПР-датирования добавочными дозами с промежуточным отжигом, основанная на использовании для определения возраста средне- и долгоживущего типа AI-парамагнитных центров в кварце. Методика позволяет корректно определять реальный возраст пород, расширяет пределы применимости метода ЭПР-датирования и приводит к более точным результатам.
Проведено экспериментальное датирование по новой методике, показавшее практически полную сходимость с реперными значениями возрастов, полученными K/Ar методом.
Методы исследования и фактический материал
Работа была выполнена на кафедре минералогии геологического факультета МГУ. Исследования проводились на базе представительной коллекции более чем из 100 образцов кварца, отобранных в ходе полевых работ в 1999 - 2002 гг. Большую часть образцов составляли пробы кварца из эффузивных пород Эльбруса различного геологического возраста. Кроме того, исследовались также пробы кварца, отобранные на Эльджуртинском гранитном массиве и месторождении «Желанное» (Приполярный Урал).
Основной массив экспериментальных данных был получен в лаборатории физических методов исследования минералов кафедры минералогии геологического факультета МГУ.
Лабораторное облучение образцов производилось на у-источнике 60Со института Физической химии РАН.
Концентрации химических элементов определялись нейтронно-активационным и рентгенофлюоресцентным методами в лаборатории ядерно-физических исследований ИГЕМ РАН. К/Аг датировки получены в лаборатории изотопной геохимии и геохронологии ИГЕМ РАН.
Защищаемые положения:
1. Парамагнитные центры [AIO4 /h ] в кристаллической структуре а-кварца, образующиеся в результате замещения AI —? Si, представляют собой комплекс из трех типов центров - короткоживущего, среднеживущего и долгоживущего, различающихся по термической устойчивости. Суммарная термическая устойчивость [АЮ4 /h ] парамагнитных центров в реальных образцах а-кварца зависит от количественных долевых соотношений между типами центров.
3. Стандартные методики ЭПР-датирования по [AlC^/h4] центрам в а-кварце позволяют корректно определять возраст голоценовых эффузивных пород Эльбруса, относящихся к позднему этапу посткальдерного цикла. Для корректного датирования неоплейстоценовых и плиоценовых эффузивных пород Эльбруса, относящихся к раннему этапу посткальдерного цикла и к кальдерному циклу, необходимо применение новой методики ЭПР-датирования добавочными дозами с промежуточным отжигом.
Практическая значимость работы
Усовершенствован метод ЭПР-датирования вулканических пород. Разработана новая методика ЭПР-датирования, которая может применяться для корректного определения возрастов эффузивных пород. Измеренные параметры рекомбинации AI-парамагнитных центров позволили выполнить калибровку методики, показывающую ее применимость для датирования геологических объектов, имеющих возраст в диапазоне от первых тысяч до четырех миллионов лет. Методика разработана для датирования эффузивных пород вулкана Эльбрус, однако может быть переориентирована для определения возрастов других геологических объектов, причем не только вулканического происхождения. Полученные результаты работы позволяют в дальнейшем более эффективно использовать метод ЭПР-датирования в научных исследованиях и в практике геологических изысканий для определения возраста геологических объектов, а также длительности и скорости протекания ряда геологических процессов.
С использованием новой ЭПР-методики датирования уточнены возрасты основных вулканических толщ, образованных в ходе развития вулкана Эльбрус. Полученные данные подтверждены результатами исследований К/Аг методом. Это доказывает применимость ЭПР-датирования как экспрессного метода для масштабного определения возрастов пород при геологических исследованиях, направленных на восстановление хронологии вулканической активности Эльбруса и предсказание новых извержений.
Выделение трех типов в составе AI-парамагнитных центров в а-кварце, ранее считавшихся однородной структурной единицей, является фундаментом для дальнейших исследований в данной области. Принципиально новый подход, примененный при исследованиях AI-парамагнитных центров, достаточно универсален и может быть использован при изучении других парамагнитных центров в минералах.
Апробация работы
Основные тематические разделы и отдельные приложения диссертации были представлены на семи конференциях и семинарах: на III Международном минералогическом семинаре «Новые идеи и концепции в минералогии» (Сыктывкар, 2002), на Международном семинаре «Кварц, Кремнезем» (Сыктывкар, 2004), на Международной конференции «Modern Development of Magnetic Resonance» (Казань, 2004), на 32-м Международном геологическом конгрессе (Флоренция, 2004), на Международной конференции «Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов» (Казань, 2005), на III Российской конференции по изотопной геохронологии (Москва, 2006), на III Международной конференции «Materials science and condensed matter physics» (Кишинев, 2006).
Публикации
Содержание исследований отражено в 8 тезисах докладов различных конференций и 4 печатных работах в периодических научных изданиях, еще одна работа находится в печати.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 125 страницах машинописного текста, 15 таблиц, 62 рисунков и списка цитируемой литературы из 151 наименования.
|