Геохимия изотопов радиоактивных элементов ( U, Th, Ra)

4.4. Изотопы тория. В вулканических породах Курило-Камчатской дуги и некоторых других регионов, указанных выше, нами было изучено распределение трех изотопов тория: ²³²Th, ²³⁰Th, ²²⁸Th. По аналогии с ураном можно утверждать, что разделения изотопов тяжелых элементов, в том числе и изотопов Th, в процессе вулканического извержения не происходит. Поэтому отношение генетически связанных изотопов тория ²²⁸Th/²³²Th в расплаве должно оставаться постоянным и соответствовать радиоактивному равновесию. При анализе вулканических пород это наблюдается не всегда, хотя отклонения от равновесия редко превышают 30%. Причин тому может быть две: 1) экзогенное выщелачивание атомов отдачи ²²⁸Th, успевающих накопиться в застывшей лаве уже через несколько месяцев, и 2) особенности поведения изотопа радия (²²⁸Ra), который также обычно находится не в равновесии с соседними изотопами тория: ²²⁸ Th и ²³²Th. И в том и другом случае наблюдаемое в вулканитах на земной поверхности разделение генетически связанных изотопов тория вызвано воздействием вторичных, наложенных процессов. При изучении членов ториевого ряда всегда надо помнить, что ²²⁸Th приходит в равновесие с ²²⁸Ra через 12 лет, а ²²⁸Ra с ²³²Th через 40 лет. Поэтому в образце, отобранном более 10 лет назад, анализируя ²²⁸Th, мы всегда будем получать информацию лишь о ²²⁸Ra.

Отношение ²³⁰Th/²³²Th связывает изотопы тория, принадлежащие разным рядам распада: ²³²Th - родоначальник рада тория, а ²³⁰Th - продукт распада ²³⁸U. Таким образом, это отношение является функцией U/Th-отношения. Если в магматическом расплаве в очаге не происходит разделения элементов урана и тория, то в ряду ²³⁸U его активность и активность члена ряда ²³⁰Th будут одинаковы, а их отношение равно 1. Таким образом, в единицах активности ²³⁰Th/²³²Th = ²³⁸U/²³²Th. Следовательно, данное изотопное отношение тория может быть использовано для расчета торий-уранового отношения в расплаве, где сохраняется идентичность в геохимическом поведении урана и тория. Это отношение в литературе обычно обозначают (Th/U)_Th, или K_Тh (Фор, 1989), а метод, использующий этот параметр - ториевым изотопным методом.

Следует указать, что величина изотопного отношени ²³⁰Th/²³²Th весьма постоянна для каждого вулканического центра, в отличие от обычного торий-уранового отношения, на котором может сказываться влияние большей подвижности U (Таб. 4.3).

Из таблицы видно, что за исключеним участков сочленения Курило-Камчатской дуги с соседними дугами (в. Шивелуч в северной части и в.Тятя - в южной части), вулканические породы Камчатки имеют имеют достаточно близкие значения изотопного отношения ²³⁰Th/²³²Th и расчитанного по нему параметра K_Тh (1,95 в среднем), не зависимо от состава пород. Это позволяет предположить существование единого источника вулканических пород для этих вулканов. Исключением являются базальты вулкана Алаид, которые отождествляют с производными мантийного клина дуги. Если такая стабильность выдерживается и для других регионов, изотопный состав Th можно использовать в качестве петрогенетического индикатора.

Действительно, постоянство ²³⁰Th/²³²Th и расчитанного по нему параметра K_Th было нами обнаружено и в голоценовых вулканитах Исландии для пород различных петрохимических типов, принадлежащих одному и тому же вулканическому центру. В качестве примера может служить постоянство величин этих параметров в андезито-базальтах и риолито-дацитах вулкана Гекла. Все это указывает на отсутствие влияния кристаллизационной дифференциации на разделение исследуемых изотопов Th и, следовательно, ²³⁸U и ²³²Th. Было доказано существование единого первичного источника вещества, питающего вулканы различных частей неовулканической зоны Исландии (Титаева, Поляков, Зорнина, 1982). Это хорошо согласуется с литературными данными по изотопному составу Sr, Nd, Pb, He в базальтах и кислых породах Исландии.

Изотопные спектры в вулканических породах. Изучение изотопных спектров исторических вулканических пород Курило-Камчатской дуги (настощая работа) и других регионов активного вулканизма (Condomine, 1988; Reintz, Turecian, 1989; Volp, Hammond, 1991; Thomas et al. 1999 и т.д.) показало, что во всех исторических вулканитах изотопные спектры не соответствуют радиоактивному равновесию (Рис. 4.2). В литературе называют 2 основные причины, приводящие к нарушению равновесия между изотопами U,Th и Ra в вулканических породах: 1) частичное плавление и 2) дегазация расплава в процессе извержения. В вулканологии хорошо известно, что для условий вулканического канала характерен инфильтрационный поток летучих (пузырьков), который захватывает и уносит вврх растворимые во флюидной фазе компоненты. Часть этих соединений может опять прейти в расплав в верхней части канала. В условиях, предшествующих извержению, летучие накапливаются в верхней части канала под вулканической пробкой.

Наблюдаемое повсеместно в вулканитах радиоактивное равновесие между изотопами урана свидетельствует, что частичное плавление либо не влияет на преимущественный переход атомов отдачи в расплав, либо - прошедшее после частичного плавления время достаточно, чтобы нарушенное равновесие восстановилось (1,7 млн. лет). В последнем случае должно существовать равновесие и между всеми остальными членами ряда урана, чего не неблюдается в действительности, также как и в ряду ²³²Th, где равновесие восстанавливается на 95% всего через 25 лет.

Таким образом, существует достаточно много аргументов, ставящих под сомнение роль частичного плавления в нарушении равновесия между изотопами различных химических элементов U,Th, Ra и предполагающих, что основную роль в этом процессе играет дегазация: а) наблюдаемая в лавах неравновесность между сравнительно короткоживущими радионуклидами; б) близкие между собой низкие коэффициенты распределения U и Th между основными породообразующими минералами и расплавом; в) существующие эмпирические данные по перемещению исследуемых элементов в состае летучих. В пользу возможности перемещения радионуклидов с газовой фазой в процессе вулканического извержения свидетельствуют данные по интенсивному накоплению U и особенно Th в возгонах на горячих лавовых потоках и у выхода высокотемпературных фумарол (Андреев, 1979; Набоко, Главатских, 1978; Титаева, Лыгина, Орлова, 1978). В газах Северного прорыва Толбачинского извержения 1975 г, в составе которых в большом количестве присутствовали Cl, F, S , а также - Na,K, Al (Меняйлов, 1976), нами был непосредственно обнаружен Th в концентрации 6*10^-8 г/л газа (Титаева, Ермаков, Зозуля и др. 1978).

1. Изучение изотопного состава U, Th, Ra в вулканических породах и других продуктах современного вулканизма Курило-Камчатской дуги показало, что радионуклидные спектры даже для свежеизлившихся лав чаще не соответствуют радиоактивному равновесию.

2. В отличие от экзогенных процессов, между изотопами одного и того же элемента в магматическом расплаве радиоактивное равновесие не нарушается, так как отсутствует механизм их разделения.

3. Наблюдаемое отклонение от равновесия связано лишь с различием химических свойств рассматриваемых радионуклидов и возникает, скорее всего, за счет вторичных постмагматических процессов: дегазации расплава при его вскипании и удалении летучих в собственную фазу и за счет последующего гидротермального, либо экзогенного воздействия на твердую вулканическую породу. Разделение генетически связанных изотопов ²³⁴U/²³⁸U и ²²⁸Th/²³²Th в твердых породах может происходить лишь после накопления значимого количества атомов отдачи в твердой породе. В вулканическом очаге до начала активной стадии извержения и выделения летучих в собственную фазу должно сохраняться радиоактивное равновесие в рядах распада.

4. Отношение наиболее долгоживущих изотопов тория ²³⁰Th/²³²Th может быть использовано в качестве петрогенетического индикатора вулканических пород.