Геохімічні особливості цирконів та монацитів з льодовикових та алювіальних відкладів, як індикатори петрофонду провінцій постачання

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОХІМІЇ, МІНЕРАЛОГІЇ ТА РУДОУТВОРЕННЯ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук

ГЕОХІМІЧНІ ОСОБЛИВОСТІ ЦИРКОНІВ ТА МОНАЦИТІВ З ЛЬОДОВИКОВИХ ТА АЛЮВІАЛЬНИХ ВІДКЛАДІВ, ЯК ІНДИКАТОРИ ПЕТРОФОНДУ ПРОВІНЦІЙ ПОСТАЧАННЯ

Спеціальність: Геохімія

Савенок Сергій Петрович

Київ, 2006 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Акцесорні мінерали - другорядні кристалічні фази ендогенних систем, що контролюють поведінку рідкісних елементів в процесах петрогенезу та вибірково концентрують їх не тільки під впливом кристалохімічних факторів, але й у залежності від умов кристалізації. Циркон та, частково, монацит, можуть бути віднесені до групи найбільш розповсюджених (“наскрізних”) акцесорних мінералів (НАМ). Вони, крім загальновідомої геохронологічної інформативності, характеризуються, як і інші НАМ, закономірними варіаціями концентрацій широкого спектру елементів-домішок (Hf, Sr, Y, REE, Th, U та ін.) та існуванням стійкого зв'язку домішкового складу зі складом материнських гірських порід, який дозволяє вирішувати зворотну задачу - ідентифікувати їх тип за домішковим складом НАМ. Ці властивості в комбінації з високою стійкістю монациту та, особливо, циркону в екзогенних умовах, зумовлюють можливість їх використання для вивчення провінцій живлення уламкових відкладів, що передбачає типізацію материнських гірських порід за складом та віком, а також оцінку їх співвідношень за допомогою критеріїв, які можливо застосовувати лише при позерновому геохімічному вивченні великих теригенних популяцій (сукупностей мікрокристалів) НАМ (Шнюков, 1988, 2000, 2003, Шнюков та ін., 1989, 1991, Belousova, 2000, Belousova et al., 2002). Однак використання цих геохімічних критеріїв стримується відсутністю об'єктивної оцінки їх реальної ефективності, а також недостатньою досконалістю методичного та, в першу чергу, апаратурно-аналітичного забезпечення, до якого ставляться досить жорсткі вимоги.

Вирішення цієї проблеми дозволить широко застосувати геохімічне вивчення популяцій НАМ з алювіальних та льодовикових відкладів, що сформувались за рахунок руйнування гірських порід континентальних ділянок земної кори, які дренуються відповідними річковими та льодовиковими системами та репрезентативно їх характеризують. Більшість таких ділянок являють собою малодоступні в геологічному відношенні “закриті” регіони, у межах яких застосування прямих методів вивчення складу та історії формування геологічних утворень обмежене наявністю перекриваючого осадового чохла (платформи, докембрійські щити) та (або) існуванням сучасного покривного зледеніння (Антарктида, Гренландія). У цих випадках значення інформації, яку може надати геохімічне вивчення популяцій НАМ з уламкових відкладів, різко зростає.

Саме такими регіонами є обрані для вивчення в роботі Український щит з прилеглою частиною Східно-Європейскої платформи (СЄП) і Антарктичний півострів (АП) в Західній Антарктиді.

Вони репрезентативно охарактеризовані уламковими відкладами розвинутих льодовикових та річкових систем. Результати геохімічного вивчення великих популяцій НАМ з цих відкладів, які одержані в роботі з використанням сучасної апаратурно-аналітичної та методичної бази, адекватної завданням, що вирішувались, аналогів не мають.

Одержані дані, враховуючи проведену оцінку їх достовірності, для кожного з регіонів можуть розглядатися в якості важливого комплементарного доповнення до існуючих результатів застосування прямих методів дослідження.

Все це й зумовлює актуальність роботи, що підтверджується інтенсивним розвитком подібних досліджень за останні роки у провідних наукових центрах та лавиноподібним зростанням кількості відповідних публікацій.

Мета і задачі досліджень. Головна мета роботи полягала у з'ясуванні геохімічних особливостей популяцій НАМ з відкладів льодовикових та річкових систем, які дренують регіони СЄП і АП.

Об'єкт дослідження - популяції НАМ (циркону та монациту) з уламкових відкладів, які репрезентативно характеризують в якості природних “середніх проб” повністю або частково денудовані на теперішній час материнські петротипи провінцій постачання.

Предмет дослідження - індикаторні геохімічні особливості поодиноких зерен циркону та монациту з досліджених льодовикових та алювіальних відкладів.

Методи дослідження. Всі дослідження проводились в лабораторіях кафедри мінералогії, геохімії та петрографії геологічного факультету Київського університету. Детально вивчено 6 комплексних мінералого-геохімічних проб великого об'єму, для яких, крім визначення повного мінерального складу, виконано 2684 та 937 елементних аналізів (MP/SG) поодиноких зерен циркону та монациту відповідно.

Вони й склали основу створених для регіонів СЄП та АП банків мінерало-геохімічних даних, які використані в роботі.

Практичне значення отриманих результатів. Результати роботи дають змогу вирішувати актуальні практичні завдання, серед яких:

1. Регіональне дослідження територій, яке базується на результатах шліхо-мінералогічного опробування відкладів провідних палео- або сучасних річкових і льодовикових систем та ставить за мету встановити розповсюдженість провідних петротипів у межах геоблоків, що дренуються, а також виокремити головні етапи розвитку відповідних ділянок земної кори;

2. Попередня прогнозна оцінка територій за даними геохімічного дослідження популяцій циркону та монациту з уламкових відкладів річкових і льодовикових систем з використанням геохронологічних прогнозно-пошукових критеріїв та мінерало-геохімічних пошукових ознак;

3. Реконструкція петрофонду провінцій постачання осадових басейнів, а також розчленування та кореляція розрізів “німих” теригенних товщ за геохімічними особливостями популяцій НАМ при геологічному картуванні комплексів осадових порід.

Розробки автора широко використовуються у викладацькій діяльності.

Апробація результатів роботи. Основні положення роботи доповідалися на: IX з'їзді Європейського Союзу Геологічних Наук (EUG 9 Meeting, Strasbourg, France, 23-27 March 1997), науковій конференції “Актуальні проблеми геології України” геологічного факультету Київського університету (Київ, 1999 р.), міжнародній конференції “Геологія і корисні копалини Чорного моря” (Київ, 25-26 листопада 1999 р.), науковому семінарі “Проблеми прикладної геохімії” (Київ, 1-2 квітня 1999 р.), IV Всеукраїнській міжвідомчій нараді “Геологія і магматизм Українського щита” (Київ, квітень 2000 р.), 12-й конференції пам'яті К.О. Кратца “Геология и геоэкология Фенноскандинавского щита, Восточно-Европейской платформы и их обрамления” (Санкт-Петербург, Росія, 23-25 квітня 2001 р.), міжнародному симпозіумі “Metallogeny of Precambrian Shields”, Kiev, Ukraine, September 13-26, 2002, 1-й (1UAM 2001, June 4-7, 2001, Kyiv, Ukraine) та 2-й (2UAM 2004 June 22-24, 2004, Kyiv, Ukraine) українських антарктичних конференціях.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 19 наукових робіт (з них 11 - в наукових журналах і інших провідних фахових наукових виданнях з геологічних наук) та 8 тез доповідей на наукових конференціях.

Обсяг і структура роботи. Дисертація обсягом 111 сторінок складається із вступу, 5 розділів і висновків. Робота містить 41 рисунок, 4 таблиці і список використаних літературних джерел з 109 найменувань.

2. ЗМІСТ РОБОТИ

На базі проаналізованих літературних джерел та власних досліджень показано, що серед індикаторних характеристик циркону та монациту (кристаломорфологічних, колориметричних, люмінесцентних), найбільш інформативними є геохімічні (Шнюков, 1988, 2000, 2003, Шнюков та ін., 1989, 1991, Belousova, 2000, Belousova et al., 2002). Саме вони, враховуючи високу стійкість монациту та, особливо, циркону в екзогенних умовах, зумовлюють можливість використання цих НАМ для дослідження провінцій живлення уламкових відкладів. Таке дослідження (“provenance studies”) у повному варіанті передбачає типізацію материнських гірських порід за складом та віком, а також оцінку їх співвідношень “петрофондові реконструкції” (Бергер, 1986). Подібна інформація в повній мірі не може бути одержана традиційними методами, які орієнтовані на використання якісного та кількісного складу мінеральних асоціацій уламкових порід та недостатньо ефективні (Шнюков та ін., 1991 тощо) внаслідок обмеженої інформативності перелічених ознак та їх конвергенції, зумовленої низькою стійкістю більшості мінералів в умовах далекого алювіального та льодовикового транспортування.

Для реалізації індикаторних геохімічних особливостей НАМ, що розглядаються, запропоновані Hf, Y (циркон) та Pb, Th, U (циркон і монацит) критерії, які розраховані на позернове геохімічне вивчення теригенних популяцій НАМ та надають можливість реставрування складу та віку денудованих материнських порід провінцій постачання (Шнюков, 1988, 2000, 2003, Шнюков та ін., 1989, 1991). З'ясовано, що при їх реалізації необхідно виходити з принципу - кожному зерну НАМ в популяції може відповідати власне джерело постачання (материнський петротип). Тому обов'язковими умовами застосування цих критеріїв є:

1) геохімічне вивчення популяцій НАМ на рівні їх індивідуальних зерен;

2) висока репрезентативність вивчених в кожній популяції НАМ вибірок зерен:

N = n * 100 - n * 1000

Ці умови ставлять жорсткі вимоги до апаратурно-аналітичного та методичного забезпечення досліджень.

Зокрема, базовий аналітичний метод повинен мати високу чутливість визначення індикаторних елементів, достатню для впевненого кількісного аналізу у межах всього властивого цирконам та монацитам діапазону концентрацій. Обов'язковими його характеристиками є недеструктивність, здатність визначати масу зерна, що аналізується, відносно низька собівартість та висока експресність, достатня для формування великих банків геохімічних даних за реальний час.

Перші спроби використання запропонованих критеріїв були обмежені, головним чином, дослідженнями НАМ з прибережно-морських відкладів (Шнюков, 1988, 2000, 2001, 2003, Шнюков та ін., 1989, 1991, 2002).

Вони принципово підтвердили перспективність критеріїв, однак не дозволили об'єктивно оцінити їх реальну ефективність, оскільки при цьому спеціально не вивчалась достовірність інформації, що одержується, на прикладі еталонних об'єктів.

Саме відсутність таких оцінок, а також недосконалість методичного та апаратурно-аналітичного забезпечення стримувало геохімічне дослідження популяцій НАМ з алювіальних та льодовикових відкладів, які сформувались за рахунок руйнування континентальних ділянок земної кори, що дренуються відповідними річковими та льодовиковими системами і, як встановлено ще В.М. Гольдшмідтом та підтверджено в роботах на прикладі Zr та LREE, репрезентативно їх характеризують.

Обґрунтовано вибір спеціалізованого варіанту метода енергодисперсійного рентгено-флуоресцентного аналізу (MP/SG: milliprobe/“single grain” XRF) у якості оптимального аналітичного засобу для визначення концентрацій індикаторних елементів-домішок (Hf, Y, Th, U, Pb тощо) у поодиноких мікрозернах циркону та монациту, а також принципово важливого параметру - маси (H) кожного зерна НАМ, що аналізується.

Він реалізований на базі спеціально розробленого автором нового експериментального (аналітичного) обладнання, яке у порівнянні з попередніми версіями (Андреєв, 1992, Cheburkin et al., 1997) забезпечує значно кращу локальність, чутливість та точність всіх аналітичних визначень при збереженні їх високої експресності, повної недеструктивності та невисокої собівартості.

В результаті досягнуті наступні аналітичні параметри. Межа визначення (МВ): Hf - 100 ppm, інші елементи - 5 10 ppm. Відносна похибка - 5 15% при концентрації елемента ? 10•МВ, H ? 0,5 мкг та часі вимірювання зерна ? 600 сек. Разом з переліченими вище якостями реалізованого MP/SG вони повністю відповідають вимогам роботи.

Розглянуто методи та методики одержання мінерало-геохімічних даних, а також принципи їх інтерпретації.

Фракціювання та дослідження мінерального складу. Для всіх проб великого об'єму, відібраних з льодовикових та алювіальних відкладів, вивчено гранулометричний клас 0,01-0,5 мм.

Застосована загалом традиційна схема їх фракціювання, яка, проте, відрізнялась від стандартної частковою або повною відмовою від промивання проб на користь вилучення важких фракцій у бромоформі (при збереженні їх стандартної магнітної/електромагнітної сепарації). При мінералогічному аналізі фракцій широко застосовані сучасні інструментальні діагностичні та аналітичні засоби - фотолюмінісцентна (ФЛ) мікроскопія, електронно-зондовий мікроаналіз (EMP), рентгено-флуоресцентний (XRF) та рентгено-дифрактометричний (XRD) аналізи, що, зокрема, забезпечило надійну реєстрацію присутності у фракціях циркону та монациту навіть на рівні їх поодиноких зерен. Ці особливості мали принципово важливе значення для роботи, наприклад вони дозволили встановити присутність монациту в алювіальних відкладах р. Дніпро в умовах, коли стандартні процедури виявились неефективними.

Вилучення та опробування мономінеральних фракцій НАМ. Застосовані оригінальні методики, які відрізнялись від традиційних:

1) використанням методу магнітогідростатичної сепарації для одержання мінеральних концентратів замість звичайного збагачення у рідині Клеричи, що виключає небажане зараження НАМ талієм, який заважає елементному аналізу зерен;

2) застосуванням ФЛ сепарації для доведення (чистки) концентратів, що дозволяє принципово підвищити повноту вилучення циркону за рахунок використання його ФЛ в якості максимально надійної видової ознаки;

3) використанням принципу статистично випадкового відбору з мономінеральних фракцій великих за обсягом вибірок зерен:

N = n * 100 - n * 1000

- для наступного елементного аналізу кожного з них в якості засобу одержання найбільш об'єктивної та репрезентативної геохімічної характеристики популяцій зерен НАМ. Усі процедури реалізовані на базі модифікованого електромагнітного ізодинамічного сепаратора СИМ 1 (додатково введений магнітогідростатичний режим роботи з використанням у якості робочої рідини насиченого водного розчину MnCl2, що змінює густину в магнітному полі) і стереомікроскопів МБС та МССО з модифікованими потужними УФ освітлювачами ОСЛ 1 для забезпечення режимів ФЛ сепарації і ФЛ мікроскопії.

Аналітичні дослідження. Застосовано аналітичні методи двох груп. Перша з них була репрезентована енерго- та хвильоводисперсійним XRF) і забезпечувала визначення широкого кола петрогенних та мікроелементів, в тому числі мінералоутворюючих для циркону та монациту у валових пробах досліджених уламкових відкладів, їх гранулометричних класах та мінералогічних фракціях. Межа визначення: 10 20 ppm, інші петрогенні та мікроелементи - 5 20 ppm та 0,01-0,1 мас.%, відповідно.

Систематичні похибки визначень постійно контролювалася аналізом стандартних зразків. Друга група, призначена для елементного аналізу поодиноких зерен циркону і монациту, вигравала провідну роль у роботі та була репрезентована MP/SG у варіанті, адекватному її задачам та охарактеризованому у розділі 2. Всього проаналізовано зерен циркону - 1593 (СЄП) та 1091 (АП), монациту - 937 (СЄП), що відповідало обсягу їх вибірок, вилучених з проб уламкових відкладів. Це й забезпечило високу кінцеву репрезентативність сформованих для регіонів СЄП та АП банків мінерало-геохімічних даних.

Інтерпретація одержаних даних. Враховуючи найбільш широку розповсюдженість циркону у різних породних різновидах та більш детальну його вивченість, максимально повна інтерпретація даних з використанням обох геохімічних критеріїв (Hf, Y та Pb, Th, U) була реалізована саме для цього НАМ. На першому етапі вона полягала у:

1) систематиці зерен циркону за типами материнських порід у межах геохімічної класифікації цього мінералу в координатах Hf, Y (Шнюков и др., 1989, Шнюков, 2003);

2) оцінці віку (T0) зерен циркону та монациту модифікованим методом “загального свинцю” (Suzuki et al., 1991, Андреев, 1992).

Кінцева мета інтерпретації передбачала вирішення двох задач:

1) виконання петрофондових реконструкцій, виокремлення та оцінку петрогенетичного навантаження головних етапів розвитку земної кори;

2) одержання ретроспективних модельних оцінок швидкості її росту у межах регіонів СЄП та АП.

Вирішення першої з них здійснювалось шляхом оцінки внеску (Х, мас. частки) кожного з ідентифікованих типів материнських порід у зростання маси кори за кожний інтервал часу i (50 млн. р.), а для вирішення другої (побудова модельної кумулятивної кривої зростання відносної маси кори) використовувались сумарні оцінки масової частки кори, яка сформувалася за кожний такий інтервал часу (Х) (Шнюков, 2003):

Встановлено, що критичним параметром в розрахунках за виразом (2) є Х, який, у свою чергу залежить головним чином (1) від реальної інформативності Hf, Y та Pb, Th, U (T0) критеріїв систематики цирконів. Тому у розділі 4 була досліджена достовірність оцінки Х охарактеризованим (розділ 3) засобом на прикладі штучного еталонного об'єкту (модельної провінції постачання), що імітує реальні провінції постачання. Комплект геохімічних даних, що їй відповідає був сформований (“штучна суміш”) шляхом об'єднання спеціально одержаних численних даних щодо мікроелементного складу зерен циркону з репрезентативних вибірок, які характеризують реальні магматичні комплекси різноманітного, але відомого складу та віку. Кожному з таких “джерел постачання” були придані індивідуальні значення Х. Для материнських порід груп I, II та III при цьому були прийняті, як і в подальших розрахунках (розділ 5), наступні кларкові концентрації Zr, еквівалентного циркону 112, 140 та 92 ppm відповідно.

ВИСНОВКИ

В дисертації розглянуто результати геохімічного вивчення популяцій зерен циркону та монациту з льодовикових та алювіальних відкладів, які репрезентативно характеризують в якості природних “середніх проб” дві контрастні в геологічному відношенні провінції постачання - УЩ з прилеглою частиною Східної платформи (СЄП) і Антарктичний півострів в Західній Антарктиді. Результати, що одержані на сучасній апаратурно-аналітичній та методичній базі, дозволяють зробити наступні висновки:

1. Виконане дослідження достовірності реставрування петрофонду провінцій постачання за геохімічними особливостями великих популяцій зерен циркону з уламкових відкладів на прикладі штучного еталонного (модельного), об'єкту, що імітує реальні провінції постачання, продемонструвало достатньо високу ефективність Hf, Y та Pb, Th, U критеріїв оцінки, відповідно, складу та віку материнських порід та, як наслідок, досить високу достовірність оцінки Х за умови комплексного застосування цих критеріїв та гарантовано репрезентативного об'єму вибірки зерен циркону, що досліджено у популяції;

2. Запропонована методика геохімічного вивчення популяцій циркону та монациту з уламкових порід та нове обладнання для визначення концентрацій індикаторних елементів-домішок в поодиноких мікрозернах цих НАМ методом рентгено-флуоресцентного аналізу:

XRF - MP / SG

- повністю відповідають сформульованим у роботі жорстким вимогам. Так, вони забезпечують:

1) геохімічне вивчення популяцій циркону та монациту на рівні їх поодиноких зерен у репрезентативних вибірках:

N ? n * 1000

2) достатньо високу чутливість та низьку похибку визначення концентрацій індикаторних елементів;

3) недеструктивність аналізу;

4) здатність інструментально визначати масу зерна в ході його аналізу;

5) відносно низьку собівартість та високу експресність, що дозволяє формувати великій банк мінерало-геохімічних даних за реальний час. Останнє підтверджується виконанням дисертаційної роботи.

3. Виконана Hf, Y та Pb, Th, U систематика цирконів з досліджених відкладів вперше дозволила одержати оцінки масових співвідношень повністю або частково денудованих на теперішній час материнських петротипів обох провінцій постачання (регіонів СЄП та АП), охарактеризувати та співставити зміну таких співвідношень у часі та розрахувати криві росту земної кори кожного з регіонів, які досить добре узгоджуються іншими незалежними побудовами. Це свідчить на користь реалістичності одержаних результатів. Таким чином, одержані результати, враховуючи проведену оцінку їх достовірності, для кожного з досліджених регіонів можуть розглядатися в якості важливого комплементарного доповнення до існуючих результатів застосування прямих методів дослідження. Поруч з іншими можливими галузями застосування, які охарактеризовані у “Вступі”, розроблену методику досліджень та запропоноване аналітичне обладнання можна розглядати як досить потужний інструмент регіональних геологічних досліджень, особливо у межах так званих “закритих” територій, до яких належать докембрійські щити, в тому числі й УЩ, а також регіони Гренландії та Антарктиди, які у геологічному відношенні й до сих пір є найменш дослідженими на Землі.

ПЕРЕЛІК РОБІТ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Андреев А.В., Шнюков С.Е., Савенок С.П., Белоусова Е.А., Чебуркин А.К. Реконструкция. - областей питания и критерии стратиграфического расчленения терригенных образований таврической серии Крыма по данным исследования вещественного состава песчаников. Статья 2: Результаты геохимического изучения терригенных цирконов из песчаников таврической серии // Геол. журн. - 1998. - №3-4. - С. 66-74.

2. Андреев А.В., Шнюкова Е.Е., Шнюков С.Е., Чебуркин А.К., Белоусова Е.А., Савенок С.П. Геохимические особенности и возраст гетерогенных популяций циркона из гранитов гальки юрских конгломератов Горного Крыма // Геол. журн. - 1993. - №6. - С. 128-135.

3. Савенок С.П. Установка для дослідження елементів-домішок у монокристальних об'єктах малої маси методом рентгеноспектрального флуороесцентного аналізу // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності - 2005. - №1. - C. 82-85. циркон монацит хімічний

4. Савенок С.П., Шнюков С.Е., Андреєв А.В., Морозенко В.Р. Геохимия цирконов и монацитов из аллювиальных и ледниковых отложений Украины (Восточно-Европейская платформа) и Антарктического полуострова (Западная Антарктида): сопоставление и возможная интерпретация // Український антарктичний журнал - 2005. - №3. C. 57-66.

5. Шнюков С.Е., Андреев А.В., Белоусова Е.А., Савенок С.П. Рентгено-флуоресцентный анализ микроколичеств вещества в геохимии акцессорных минералов: исследовательские возможности в сопоставлении с локальными аналитическими методами // Минерал. журн. - 2002. - №1. - C. 80-95.

6. Шнюков С.Е., Андреев А.В., Заяц О.В., Савенок С.П. Инструментальный учет фоновых условий при геохимическом картировании литологически неоднородных территорий // Материалы 12-й конф. памяти К.О. Кратца "Геология и геоэкология Фенноскандинавского щита, Восточно-Европейской платформы и их обрамления". - СПб, 2001. - С. 159-161.

7. Шнюков С.Е., Андреев А.В., Заяц О.В., Савенок С.П., Маргулев В.М. Прецизионный учет фоновых условий как основа технологии раннего обнаружения, мониторинга и прогноза развития техногенных геохимических аномалий // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. - 2002. - №3. - С. 6-10.

Размещено на Allbest.ru