Геохимия изотопов радиоактивных элементов ( U, Th, Ra)

Глава 5. Cистематика и геохимия изотопных параметров KPb и КTh и примеры их практического использования в качестве изотопных трассеров вулканических пород.

5.1 Систематика и геохимия параметров KTh и KРb.

В связи с указанной выше возможностью использования изотопного соства Th и расчитанного по нему параметра K_Th в качестве индикатора магматического источника, представляло интерес сравнить полученные данные по изотопному составу тория в вулканитах Курило-Камчатской дуги с данными для других вулканических структур как океанического, так и континентального происхождения. С этой целью были выполнены исследования изотопного состава Th в четвертичных вулканитах Исландии, Островов Зеленого Мыса, вулканов Камерун и Этинде на западном побережье Африки, Эльбрус (Б. Кавказ) и континентальных рифтовых зон - Байкальской и Восточно-Африканской.

По полученным нами изотопным составам Th для указанных вулканических структур, дополненным литературными данными для других регионов, нами было расчитано торий-урановое отношение. Расчет торий-уранового отношения по изотопному отношению ²³⁰Th /²³²Th, основанный на предположении радиоактивного равновесия между ²³⁸U и ²³⁰Th,о чем шла речь в гл. 4, выполняется различными исследователями достаточно давно по следующему уравнению:

Рис. 5.1. Гистограммы распределения отношения активности 230Th/232Th и КTh в четвертичных вулканических породах.

где изотопное отношение тория дано в единицах активности. Нами впервые по своим и литературным данным была составлена и опубликована систематика изотопного отношения ²³⁰Th/²³²Th и расчитанного по нему параметра K_Тh для современных и голоценовых вулканических пород Земли (Рис. 5.1). На гистограммах обращает на себя внимание четкое разделение "океанической" и "континентальной" групп вулканитов. В "океаническую" группу (K_Th < 3,5) входят базальты дна океана, породы островов и энсиматических островных дуг. Исключение составляют вулканиты "DUPAL"-аномалии, соответствующие "континентальной группе". "Континентальная" группа включает в себя производные сиалической коры и вулканиты континентальных рифтовых зон. Входящие в нее породы отличаются более высокими величинами (К_Th > 3,5).

Рис. 5.2. Гистограммы распределения (Th/U)Pb = KPb в кайнозойских вулканических породах и современных океанических осадках.

Для изучения эволюции торий-уранового отношения во времени нам представилось интересным наряду с параметром K_Th рассмотреть другой аналогичный параметр - K_Pb = (Th/U)_Pb. K_Pb - интегральная величина торий-уранового отношения, характеризующая источник от начала возникновения Земли. Она расчитывается по стабильным радиогенным изотопам свинца, которые являются конечными продуктами распада радиоактивных рядов: ²⁰⁶Pb (ряд ²³⁸U) и ²⁰⁸Pb (ряд ²³²Th). Накопление этих изотопов Pb - процесс крайне медленный, соизмеримый с возрастом Земли. Поэтому относительные вариации материнских радионуклидов ²³⁸U и ²³²Th за последние 150-200 млн лет практически не будут сказываться на изменении отношения соответствующих изотопов свинца - ²⁰⁸Pb/²⁰⁶Pb. Таким образом, расчитанная по изотопному составу Pb величина К_Pb отражает торий-урановое отношение в источнике за период, предшествовавший свременному Океану. Расчет этого параметра для одностадиной модели и времени t=0 обычно производится по уравнению (Tatsumoto et al, 1973), которое дано в подписи к Рис. 5.2.

Рис. 5.3. Связь KTh с глубиной очага для Курило-Камчатской дуги.

Пользуясь этой формулой, мы расчитали параметр K_Pb по изотопному составу Pb в кайнотипных вулканических породах, опубликованному в литературе. Систематика K_Pb для кайнотипных вулканических пород в виде гистограмм показана на Рис. 5.2. Также как и на предыдущем рисунке, видны четкие различия величины параметра между континентальным и океаническим резервуарами. Значения параметра K_Pb для кайнотипных континентальных вулканитов колеблются в пределах 4,0 - 4,2, резко повышаясь над участками метасоматизированной мантии (до 6,0). Для вулканических пород Океана, за исключением DUPAL-аномалии и областей, расположенных в непосредственой близости к континентам, этот параметр варьирует в сравнительно узких пределах (3,6-3,9). На границе между теми и другими всегда имеется полоса промежуточных значений. В целом, видимо, можно говорить о различии магматических источников, связанных с деплетированным или обогащенным резервуарами, комплементарными относительно примитивной мантии (K_Рb=3,95). Распределение величины K_Рb в вулканических породах Атлантического океана и его континентального обрамления показано на Рис. 5.3.

Параметры K_Pb и K_Th отличаются по величине. Минимальные значения K_Рb, были найдены в N-MORB (3,6). Примерно такие же величины соответствуют "мантийным" значениям для K_Тh. Однако, характер глобального распределения в кайнотипных вулканитах параметров K_Pb и K_Тh, являющихся торий-урановым отношением, расчитываемым по продуктам распада урана и тория, проявляет одну и ту же закономерность. Минимальные значения параметров отмечены для океанического резервуара, а максимальные значения и того и другого соответствуют континентальному резервуару. Нами была предложена геохимичесая модель, объясняющая наблюдаемый характер распределения данных параметров. Согласно этой модели, в первичном мантийном резервуаре (примитивной мантии), благодаря близким по величине и весьма низким коэффициентам распределения урана и тория между основными породообразующими минералами и расплавом, вариации отношения Th/U, возникающие в собственно магматических процессах (частичного плавления, кристаллизационного фракционироваия и т.д.), несомненно малы по сравнению с вариациями, вызванными вторичными процессами, связанными с окислением U при изменении окислительно-восстановительного потенциала. Таким образом, выплавки из верхнемантийного вещества, неконтаминированного и неизмененного вторичными процессами, должны иметь в первом приближении достаточно постоянные значения K_Th и K_Pb.

Резкое изменение величины Th/U возможно в тех резервуарах, где имеют место окислительно-восстановительные реакции с участием U и возможна его миграция относительно Th. При длительном формировании континентальной литосферы на фоне общего обогащения литофильными элементами, в том числе U и Th, идут процессы частичного окисления U. В верхней континентальной коре в результате воздействия на породы метаморфических, гидротермально-метасоматических и экзогенных процессов, происходит отторжение окисленного U(VI), его мобилизация и перемещение в верхние структурные этажи коры, а оттуда - частичный вынос за пределы континентов в Океан. Это происходит на фоне сравнительно более инертного поведения Th. Результатом является возрастание величины Th/U в континентальной коре во времени (Тейлор, МакЛеннан, 1988). Щелочной метасоматоз в субконтинентальной мантии приводит к еще большему возрастанию этого отношения на фоне увеличения концентраций всех литофильных элементов. Естественно, выплавки, связанные с субконтинентальной мантией и (или) контаминацией коровым материалом будут отличаться повышенным торий-урановым отношением.

Деплетированная океаническая мантия отличается сравнительно низкими значениями элементного торий-уранового отношения (Kравченко, 1983), а также - параметров K_Th и K_Pb. Причиной такой особенности , по нашим представлениям, которые в настоящее время совпадают с точкой зрения многих исследователей (Chase, 1981; Hoffmann, White, 1982) является поступление урана из морской воды по крайней мере в зонах субдукции. Избирательное поступление урана возможно лишь в случае окислительно- восстановительных реакций, протекающих на границе порода-вода. Наиболее вероятным является процесс обогащения пород океанической коры и верхней мантии ураном из морской воды в результате реакции : U⁶⁺ + 2Fe²⁺  2Fe³⁺ + U⁴⁺. В слабощелочных условиях морской среды эта реакция сдвигается вправо (В.В.Щербина, 1972), в направлении окисления железа на поверхности трещин основных и ультраосновных пород и восстановлении урана воды с его фиксацией на твердой фазе. В кернах глубоководного бурения наблюдается закономерное воздастание концентрации U и окисленности Fe, а также связь обогащения U c cерпентинизацией, пропорционально возрасту пород и удалению от оси спрединга (Aumento, 1979). В более глубоких зонах океанической мантии, за пределами влияния гидротермальных ячеек, возможно, процесс обогащения U связан как-то с флюидной фазой, по крайней мере в зонах субдукции (Фролова и др., 1985).

Рис. 5.4. Корреляционная диаграмма KTh-KPb для вулканических пород.

Рециклинговое плавление пород, обогащенных U, объясняет реально наблюдаемые низкие значения торий-уранового отношения в породах дна Океана. Если такой процесс имет место, то это должно сопровождаться уменьшением Th/U- отношения в океанической коре во времени, что отмечают ряд исследователей (Allegre, Dupre, Lewin, 1986).

Подтверждением высказанного предположения о механизме обогащения U океанической коры и верхней части субокеанической мантии может служить Рис. 5.4, где показана реально наблюдаемая зависимость между параметром К_{Th ,} характеризующим торий-урановое отношение в вулканическом очаге и глубиной очага (Титаева, 1989; С.Балеста, 1981). Минимальную глубину очага имеет вулкан Безымянный (10-20 км), андезиты которого характеризуются наиболее низким значением K_Th = 1,5. По мере увеличения глубины очага величина изотопного торий-уранового отношения возрастает (уменьшается обогащение U). Базальты вулкана Алаид, источник которого связывают с плавленим "мантийного клина" в зоне субдукции, имеет самое высокое значение этого параметра (3,45 0,2). Эта величина приближается к минимальному обнаруженному значению K_Pb=3,6. Для исследованных вулканов величина последнего достаточно постоянна и равна 3,83 (A.Kersring, R. Arculus, 1995). Это свидетельствует о том, что процесс обогащения ураном деплетированной океанической мантии за счет гидротермального или флюидного воздествия в зоне субдукции уменьшается сверху вниз, а в мантийном клине уже слабо заметен. Механизм обогащения ураном более глубинных зон океанической мантии скорее всего связан с воздействием водных, существенно окисленных флюидов (Фролова и др., 1985). Кроме того, нельзя не учитывать различную степень возможной контаминации расплава в верхних слоях океанической мантии и коры в зависимости от глубины расположения очага.

Низкие значения К_Рb в вулканитах Курило-Камчатской дуги, совпадающие со значениями для N-MORB, как будет показано ниже, позволяют согласиться с другими авторами, что основным источником вещества вулканитов активной зоны Курило-Камчатской дуги является первичная деплетированная мантия (В.И.Виноградов, 1986; Kersting, Arculus, 1995).