Изотопно-геохимические методы

Определение возраста образования и преобразования метаморфических пород. Все наложенные процессы в той или иной мере влияют на природные изотопно-геохронометрические системы. Общепринятым считается следующий ряд устойчивости геохронометрических систем к наложенному воздействию: K-Ar < Rb-Sr ≤ U-Tr < Sm-Nd.

U-Pb-метод позволяет по урансодержащим акцессорным минералам (по циркону, бадделеиту, монациту, титаниту, ортиту, пирохлору и апатиту) из метаморфических пород определять время их метаморфизма, если они метаморфического происхождения. Если же в метамагматических породах сохранились магматические (но не ксеногенные) урансодержащие минералы, то определяется возраст их кристаллизации, т.е. возраст магматических пород. По детритовым цирконам в осадках можно определить возраст пород области сноса и нижний предел времени образования осадков. Наиболее современные методики и аппаратура позволяют проводить полный цикл исследований по единичным зёрнам циркона и даже по отдельным фрагментам этого зерна. Минимальный вес исследуемого минерала должен составлять не менее 0,005-0,015 г, а минимальный размер зерна - не менее 0,1 мм

С помощью K-Ar-метода определяется возраст наиболее поздних наложенных процессов в метаморфических породах. Rb-Sr-метод позволяет датировать последнее наиболее интенсивное преобразование метаморфических пород.

Sm-Nd-метод успешно применяется для определения возраста метамагматических пород, если в них сохранились магматические минералы, или возраст метаморфизма по парагенным метаморфическим минералам.

Для датирования процессов преобразования метаморфических пород применяется также трековый метод, основанный на явлении самопроизвольного деления содержащегося в минерале урана, осколки которого создают в материале минерала дефектные зоны, обнаруживаемые химическим травлением. Трековые исследования набора акцессорных минералов, обладающих разной пороговой температурой (циркон, титанит, эпидот, апатит и др.), позволяют выявить изменения во времени температурного режима на последнем этапе существования породы.

Разные изотопные системы в разных минералах открываются и закрываются при разных температурах. Например, пороговые температуры открытия-закрытия Rb-Sr-систем для биотитов составляют 300-400º, для флогопитов – около 400º, для мусковитов – около 500º и т.д. Экспериментально подтверждённая последовательность и значения возраста закрытия Rb-Sr-, K-Ar-изотопных систем при остывании обычно такова: роговая обманка (K-Ar) > мусковит (Rb-Sr) > мусковит (K-Ar) > калиевый полевой шпат (Rb-Sr) > биотит (Rb-Sr) ≥ биотит (K-Ar) > калиевый полевой шпат (K-Ar). Исследования Rb-Sr-, K-Ar-, Ar-Ar-изотопных систем в разных минералах метаморфических пород позволяют вывить, например, продолжительность остывания пород до полного закрытия их изотопных систем.

Определение первичной природы. Sm-Nd-изотопная система может использоваться для определения мантийного или корового происхождения протолита. Sm и Nd обладают высокой степенью фракционирования при корообразующих процессах в ходе частичного плавления мантийных источников, а также близостью поведения этих элементов (т.е. малой изменьчивостью Sm/Nd отношений) в процессах внутрикорового плавления, метаморфизма, эрозии и переотложения. Зная возраст метаморфизма пород и величины отношений изотопов ¹⁴⁷Sm/¹⁴⁴Nd, ¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd определяется величина ε_Nd(Т), по знаку и величине которой можно определить коровую или мантийную принадлежность протолита и степень контаминации мантийного вещества коровым материалом. Метаморфизованные породы разного генезиса (особенно магматические) имеют разные величины ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr отношения. Например, породы с ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr отношением меньше 0,706 образовались, как правило, за счёт мантийных источников.

Определение модельного возраста протолитов метаморфических пород. Учитывая близость поведения Sm и Nd (т.е. малую изменчивость Sm/Nd отношений) в процессах внутрикорового плавления, метаморфизма, эрозии и переотложения Sm-Nd-изотопная система позволяет определять модельный возраст протолита CHUR и DM. Методика определения модельного возраста протолита, а также расчёта значений ε_Nd(Т) и их интерпретация приведены в работе Г.Фора.