Геохимия изотопов радиоактивных элементов ( U, Th, Ra)

6.4. Новый взгляд на происхождение резервуара HIMU.

Если компоненты DM и ЕМ достаточно четко привязаны к основным глобальным резервуарам, то относительно компонета HIMU ясности нет. Ни одна из существующих гипотез о происхождении резервуара HIMU удовлетворительно не отвечает на все весьма сложные вопросы, возникающие по поводу происхождения этого резервуара.
1) Почему вещество HIMU обогащено радиогенными изотопами Pb практически на уровне континентальной литосферы, но обеднено обыкновенным свинцом и радиогенным стронцием? 2) Какова причина обогащения вещества HIMU ураном на фоне обеднения свинцом (high mu) и другими литофильными элементами? 3) С чем связана глобальная неоднородность распространения вещества HIMU: его отсутствие в значительной части океанических вулканитов Северного полушария, например в Исландии и на Гавайских островах, а также - его пространственная связь с DUPAL - аномалией? 4) Что явилось источником (несомненно обогащенным U, Th и другими литофильными элементами) древнего радиогенного Pb в компоненте HIMU? 5) Каков механизм отделения радиогенных изотопов свинца от валового свинца в процессе формирования резервуара HIMU?

Ответы на поставленные выше вопросы трудно найти в наиболее широко распространенной гипотезе о происхождении вещества HIMU из пластин палеоокеанской литосферы. Согласно этой гипотезе, дегидратированное, обедненное Pb, но обогащенное U в древних зонах субдукции, вещество пластин, погрузившихся в нижнюю мантию, затем вовлекается в магмогенерацию в составе вещества плюмов. Для сопоставления изотопного состава Sr, Nd, Pb в субдуцированной океанической плите с изотопными составами горячих точек, мы ввели в нашу выборку для факторного анализа данные по четвертичным вулканитам Камчатки. На всех диаграммах поле вулканитов Камчатки совпадает с полем Исландии и Гавайских островов. Аналогичный изотопный состав имеют и другие молодые энсиматические дуги. Для них характерно крайнее обеднение и радиогенным свинцом, и радиогенным стронцием, поэтому из их составов невозможно получить вещество HIMU.

Если допустить, что источником радиогенного ²⁰⁶Pb является U морской воды, обогащающий океаническую литосферу в зоне субдукции, как считают авторы субдукционной модели, то это не позволяет объяснить обогащение вещества HIMU ²⁰⁸Pb, образующимся из ²³² Th, которого практически нет в морской воде. Вещество HIMU, по крайней мере в районе DUPAL-аномалии Южного полушария, имеет двольно узкие возрастные интервалы, определяемые по свинцам Pb-206 и Pb-207. Данные сейсмической томографии свидетельствуют о том, что субдукция протекает и в настоящее время. Поэтому, в принципе, мы должны были бы иметь непрерывный возрастной ряд. Столь же трудно объяснить и пространственное распространение резервуара HIMU - его отсутствие в северной половине Северного полушария.

В большей степени с реально существующими фактами согласуется другая модель, предполагающая флюидную, рассеянную природу вещества HIMU (Zindler, Hart, 1986). Опираясь на эту модель и изложенные выше результаты анализа изотопных данных, мы сделали попытку предложить свой вариант этой модели, которая бы в той или иной степени отвечала на поставленные выше вопросы. Согласно предлагаемой схеме, резервуар HIMU представляет собой флюидный ореол рассеяния вокруг эмпирически установленных неоднородностей океанической мантии, имеющих обогащенный состав и названных С.Хартом DUPAL-аномалией.

Можно допустить вслед за упомянутыми выше и другими исследователями , что в качестве источников древнего обогащенного сиалическими компонентами вещества, присутствие которого установлено во многих участках мирового Окена, явились осколки континентов, возникшие в результате распада Пангей (Хаин, 1994). Очевидно, что они в значительной степени приурочены к контурам DUPAL-аномалии, имеющей глобальное широтное распространение. В тот же время не исключается существование и других подобных объктов.

Можно предположить, что нестабильная геодинамическая обстановка, существовавшая в период раскола континентов, способствовала подъему плюмов и дефлюидизации образовавшихся осколков континентальной литосферы, где в первую очередь шло извлечение "подвижного" U и атомов отдачи радиогенного Pb (Гл. 2). Отторженный от материнских радионуклидов ( ²³⁸U, ²³⁵U и ²³²Th) радиогенный свинец сохранил те изотопные отношения, которые существовали в реликтах континентальной литосферы в момент отторжения. Наличие в мантии окисленной флюидной фазы, способной растворять и переносить большое количество щелочных и редких литофильных элементов предполагается рядом современных исследователей (Когарко, 2000).

Воздействие плюмов на подобные неоднородности могло и не приводить к существенной ассимиляции сиалического вещества. Скорее всего происходила флюидная экстракция вещества из пород, окружающих плюм. При этом перенос осуществлялся из участков обогащенного вещества к участкам обедненного вещества, в соответствии с изменением градиента концентраций. Это должно было приводить к избирательному обогащению расплава радиогенными изотопами Pb, являющимися атомами альфа-отдачи (Гл. 1), на фоне сравнительно слабой подвижности Sr и обыкновенного Pb. Действительно, на границе фрагмента континетальной литосферы и вещества вмещающей его примитивной либо истощенной мантии градиент концентрацй U и Th составляет не менее двух математических порядков, что увеличивает вероятность диффузии атомов отдачи в мантию. С другой стороны, атомы отдачи радиогенных изотопов свинца существенно более доступны для флюидной фазы, чем свинец, связанный в кристаллических решетках минералов. Таким образом, под воздействием флюидов в мантии могло сформироваться вещество, обогащенное радиогенным свинцом относительно обыкновенного свинца. В то же время бета-распад обладает низкой энергией радиоактивной отдачи и не сопровождается подобными изменениями вещества (Гл. 1). Поэтому образующийся в процессе однократного бета-распада из ⁸⁷Rb атом ⁸⁷Sr связан в кристаллических решетках минералов и не может перейти во флюид предпочтительнее других изотопов Sr.

Таким образом, вокруг участков обогащенного вещества в океанической мантии мог сформироваться ореол рассеяния, обогащенный радиогенными изотопами Pb и U, который более, чем за 1,5 млрд. лет, проник на значительное расстояние. На карте, представленной Рундквистом и др. (2000), хорошо видно, что площадь распространения вещества HIMU вокруг DUPAL-аномалии в плане образует подобный ореол рассеяния. Скорее всего область HIMU представляет собой вещество мантии, контаминированное флюидом подобного состава. Хотя и не исключено существование непосредственно флюидных потоков.

В процессе подъема мантийных плюмов с большой глубины происходит их взаимодействие с веществом вышележащих пород мантии, частичное плавление и возможное растворение отторгающихся при нагревании флюидов. Плавление под влиянием плюма обогащенного вещества в области DUPAL-аномалии, формирует обогащенные составы пород, характерные для этой области. Если подъем плюма происходит в пределах окружающего обогащенный участок ореола (резервуара HIMU), то формирующиеся породы должны быть обогащены лишь радиогенным Pb и U. Хотя, в принципе, не исключено обогащение и другими компонентами, способными перемещаться в составе флюидного потока. Вещество эталонного для резервуара HIMU острова Св.Елена можно представить как участок деплетированной мантии, обогащенный подобными флюидами.

Предложенная нами схема также позволяет объяснить причину гетерогенности изотопного состава Не в горячих точках. Хорошо известен, но не получил объяснения тот факт, что изотопное отношение ³Не/⁴Не в газовых потоках, сопровождающих глубинные плюмы, неоднородно. Максимальные величины этого отношения отмечены для Исландии и Гавайских островов. В других горячих точках, где существование глубинных плюмов подтверждается данными сейсмической томографии, изотопный состав Не много ниже. Предложенная нами схема впервые дает объяснение этим фактам. Учитывая, что альфа-частицы, образующиеся при распаде членов природных радиоактивных рядов, являются ядрами ⁴Не, которые, присоединив 2 электрона, превращаются в атомы ⁴Не, можно понять прямую пропорциональность между содержанием этого изотопа Не, ²³⁸U и ²³²Th.

В пределах DUPAL-аномалии, где вещество обогащено ураном и торием, постоянно образуется радиогенный ⁴Не, который смешивается с мантийным Не и резко снижает отношение ³Не/⁴Не в глубинных флюидных потоках. Обогащение вещества HIMU ураном и накопление из него продуктов распада также должно приводить к обогащению радиогенным ⁴Не и снижать величину первичного мантийного отношения гелия. Глубинные плюмы, на пути которых располагаются лишь слои деплетированной мантии с наиболее низким содержанием ²³⁸ U и ²³²Th, характеризуются потоками гелия, наиболее близкими по изотопному составу к нижнемантийным значениям (Исландия, Гавйский архипелаг).

Исходя из современных представлений глубинной геодинамики, где в качестве основным источников магматизма в океанах принимается движение плюмов (Добрецов, Кирдяшкин, 1994; Хаин, 1994 ), а также - рассмотренных выше данных по интерпретации изотопных составов вулканических пород, предложена новая схема формирования неоднородностей океанической мантии в горячих точках (Рис. 6.2).

1. В горячих точках, где поднимаются наиболее мощные и глубинные плюмы, имеет место тепло-массоперенос. В то же время, в процессе подъема плюмов нельзя исключить влияния на их изотопный состав вышележащих слоев мантии или имеющихся там флюидных потоков. Результатом такого влияния является наблюдаемая гетерогенность изотопных составов вулканических пород горячих точек, отражающая гетерогенность этих слоев.

2. Если прорываемые плюмом слои представлены деплетированной мантией, то формируются вулканические породы с изотопным составом , близким к N-MORB, подобные породам Гавaйских островов и Исландии.

3. Миграция в магму поднимающегося плюма флюидов из резервуара HIMU будет формировать изотопные составы, характерные для источников типа "OIB".

4. Группа вулканических пород, находящаяся в пределах DUPAL-аномалии, скорее всего связана с частичным плавлением или экстракцией литофильных элементов и их изотопов из фрагментов обогащенной мантии под воздействием термо-флюидного потока поднимающегося плюма. При экстракции флюидами участков аномальной мантии расплавы приобретают "континентальный" изотопный состав.

5. Изотопный состав Не, сопровождающего движение глубинных плюмов, в большей или меньшей степени разбавляется радиогенным Не вышележащих слоев и такм образом также трассирует неоднородность содержания в них естественных радиоактивных элементов.