Датирование эффузивных и интрузивных пород Центрального Кавказа методом ЭПР спектроскопии кварца

        Во введении работы обоснована актуальность совершенствования метода ЭПР датирования и его практического применения для восстановления хронологии извержений вулкана Эльбрус и определения геодинамических характеристик Эльджуртинского и Сангутидонского массивов.

        В первой главе приводится геологическая и петрологическая характеристика объектов исследования - вулкана Эльбрус, Эльджуртинского и Сангутидонского гранитных массивов. Рассматриваются теоретические основы и практические аспекты метода ЭПР датирования с учетом особенностей объектов исследования.

        Возможность ЭПР датирования обоснована в 1960-х годах
(J. Duchesne, 1961, E.J. Zeller, 1968). Метод основан на накоплении радиационных парамагнитных центров в твердых телах под воздействием природного ионизирующего излучения.

        Различные аспекты, связанные с ЭПР датированием кварца, наиболее активно изучались в двух научных коллективах под руководством
Б.М. Моисеева и М. Икейя.

        Процесс накопления радиационных центров в природе описывается уравнением:

,

где n - концентрация радиационных центров; =f·p - эффективность образования таких центров, f - радиационная чувствительность, p - интенсивность ионизирующего излучения; С_p - концентрация предцентров; t - время.

        Концентрация радиационных центров тем ближе к величине С_p, чем больше времени прошло с момента закрытия системы. При этом количество образовавшихся центров пропорционально палеодозе P, то есть произведению мощности радиационного фона D на продолжительность воздействия ионизирующего излучения t. В этих условиях возраст минерала (время, прошедшее с момента закрытия системы) определяется соотношением:

        Измерение величины палеодозы можно провести с использованием методик добавочных доз и регенерации (рис. 1а, 1б).

        При использовании метода добавочных доз образец облучают лабораторными дозами -излучения, которые "накладываются" на палеодозу. Экстраполяция зависимости концентрации парамагнитных центров от дозы лабораторного облучения в область нулевых концентраций позволяет получить величину палеодозы P.

        Метод регенерации предусматривает отжиг образца после измерения в нем природной концентрации парамагнитных центров. В процессе отжига все парамагнитные центры в образце разрушаются. Затем отожженный образец облучают рядом лабораторных -доз до достижения природной концентрации центров. Эта доза лабораторного облучения принимается равной палеодозе P.

        Проведенное в настоящей работе на большом экспериментальном материале сравнительное изучение возможности и особенностей практического использования методик добавочных доз и регенерации и датирования по Al- и Ti-центрам позволило выбрать для датирования методику регенерации по Al-центрам в кварце. Именно она дает наибольшую воспроизводимость и точность результатов датирования.

рис.1а

        Вторая глава посвящена обзору методов датирования, применявшихся до настоящего времени к      геологическим объектам, исследованным в настоящей работе. На основе имеющихся литературных данных о геологических процессах, возрастах извержений и катастрофических событий в ходе эволюции вулкана Эльбрус, полученных с использованием геолого-геоморфологического метода, ряда геохимических, геофизических и радиоизотопных методов, предложен вариант истории развития вулкана Эльбрус.

рис.1б

        В третьей главе разработана методика расчета значений рекомбинационных параметров (энергии активации E_a и предэкспоненциального множителя K₀) радиационных центров в минералах из природной геологической системы. На ее основе с целью совершенствования метода ЭПР датирования измерены значения рекомбинационных параметров Аl- и Ti-центров в кварце из природной геологической системы.

        Рекомбинационные параметры E_a и K₀ изучались в ряде работ, в которых используемая методика измерения предусматривает первоначальное облучение образцов ионизирующим излучением для создания исходной концентрации центров. Проводимый затем изотермический отжиг образцов позволяет измерить концентрацию центров при каждой температуре отжига.

        Процесс теплового разрушения (рекомбинации) радиационных центров для линейной скорости рекомбинации описывается уравнением:

где n - концентрация центров; k_i(T_i) - вероятность рекомбинации центров при температуре T_i; t - время.

        Из уравнения (1) рассчитывают несколько значений параметров k_i(T_i) для различных температур.

где k_B - постоянная Больцмана; E_a - энергия активации и K₀ - предэкспоненциальный множитель (вероятность рекомбинации центров при бесконечно высокой температуре).

        Затем из системы уравнений Аррениуса (2) получают значения рекомбинационных параметров.

        Отличительной особенностью настоящей работы является то, что рекомбинационные параметры центров измерены для образцов из природной системы без применения лабораторных отжигов.

        В ряде публикаций указывается на возможное отличие процессов рекомбинации электронов и дырок в лабораторных экспериментах и в природных условиях. Во-первых, процесс облучения минералов в природных системах проходит при низком радиационном фоне за счет радиоактивных элементов, содержащихся в породе в кларковых концентрациях, в то время как лабораторное облучение проводится при высоких интенсивностях ионизирующего излучения. В последнем случае могут возникать дополнительные неравновесные дефекты. Во-вторых, отжиг в природных условиях проходит при низкой температуре в течение длительного времени. Лабораторный отжиг при высоких температурах может приводить к механизмам аннигиляции центров, отличающимся от природных, и, соответственно, к искаженным рекомбинационным параметрам. В-третьих, в лабораторных условиях облучение и отжиг разделены во времени, в то время как в природных условиях они протекают одновременно. Поэтому измерение значения рекомбинационных параметров радиационных центров в кварце из природной геологической системы представляют несомненный научный интерес.

        Процесс накопления радиационных центров в минерале в природной системе, в которой одновременно протекают процессы их образования и разрушения, описывается уравнением:

где y=n/С_p - относительная концентрация радиационных центров;
=f·p - эффективность образования таких центров, f - радиационная чувствительность, p - интенсивность ионизирующего излучения; t - время.

        В данной работе в качестве природной системы выбран Эльджуртинский гранитный массив на Центральном Кавказе, детально изученный комплексом геолого-геофизических методов. Массив пробурен двумя скважинами общей протяженностью около 5 км.

        Поскольку изучаемая природная система является неизотермической, необходимо перейти от производной по времени к производной по температуре. Тогда уравнение (3) можно записать в виде:

        Для того, чтобы применить уравнение (4) и рассчитать значения k_i(T_i) и, следовательно, E_a и K₀, необходимо иметь серию образцов, прошедших одинаковый режим охлаждения и обладающих в данный момент времени разной конечной температурой, а также знать режим остывания массива.

        Для исследований были взяты образцы из керна скважины СГ-1, устье которой расположено на уровне реки Баксан. Температура в скважине была измерена в ходе геофизических исследований, ее распределение приведено на рисунке 2. Измерения проводились для образцов с глубин 311-579 м (расстояние от устья скважины) с меньшим температурным градиентом, не подверженных современному охлаждающему действию реки Баксан.

рис. 2

        Эффективность образования центров была получена на основании изучения образцов пород и кварца. Режим остывания массива был изучен несколькими исследователями и опубликован в ряде работ.

        Результаты измерения относительной концентрации Al-центров в образцах кварца, а также температура и глубина залегания образцов приведены в таблице 1.

         Параметры k_i(T_i) рассчитаны по формуле (4) для трех режимов остывания массива - линейного, экспоненциального и гиперболического. Значения рекомбинационных параметров E_a и K₀ получены из зависимости Аррениуса. На рисунке 3 для примера приведена одна из зависимостей Аррениуса для линейного режима остывания.

рис. 3

         Более всего на расчет значений рекомбинационных параметров влияют принятый закон и скорость остывания. Для оценки диапазона возможных значений рекомбинационных параметров Al-центров были рассчитаны зависимости значений E_a и K₀ от скорости остывания массива по различным законам (рис. 4а, 4б). Наибольшие значения E_a и K₀ соответствуют линейному закону остывания, меньшие - экспоненциальному и гиперболическому.

        Полученные значения рекомбинационных параметров при наиболее вероятных скоростях остывания массива приведены в таблице 2.

рис. 4а

        Значения рекомбинационных параметров Al-центров в кварце из природной геологической системы превышают соответствующие значения, измеренные с помощью лабораторного облучения и отжигов. Среднее время жизни Al-центров в кварце, рассчитанное в соответствии с рекомбинационными параметрами, измеренными в природной геологической системе, существенно превышает аналогичное значение, рассчитанное с учетом рекомбинационных параметров, полученных на основе лабораторного моделирования.

        Полученные значения рекомбинационных параметров Ti-центров (E_a=1,1 эВ, K₀=2,6 ^.10⁴ с^-1) требуют уточнения. На это указывает экспериментально обнаруженный в настоящей работе сложный процесс образования и рекомбинации Ti-центров.

рис. 4б

        В четвертой главе приведены результаты датирования кварца из вулканитов Эльбруса. Впервые поставлена и решена задача реконструкции активности высокогорного вулкана с использованием метода ЭПР датирования на примере вулкана Эльбрус: определено время проявления основных циклов деятельности вулкана, выделенных на основе геологических и других исследований. Для решения этой задачи осуществлено совершенствование метода ЭПР датирования. Изучены особенности применения методик добавочных доз и регенерации для определения величины палеодозы P, а также результаты датирования кварца, базирующегося на использовании Al- и Ti-центров.

        Результаты проводимых в последние годы комплексных исследований Эльбрусского вулканического центра (ЭВЦ) сотрудниками МГУ, ИГЕМ РАН и других организаций в целом подтверждают определенную предыдущими исследователями схему стратификации вулканитов Эльбруса и последовательность геологических событий. Кроме этого, недавно было установлено существование кальдеры, названной Эльбрусской. Установленные циклы вулканической активности названы относительно времени ее образования - докальдерный, кальдерный с ранним и поздним этапами и посткальдерный с позднеплейстоценовым и голоценовым этапами.

        Докальдерный цикл вулканической активности в пределах ЭВЦ представлен останцами лавовых потоков андезибазальтового состава. Породы раннего этапа кальдерного цикла представлены игнимбритами, туфами с характерным розовым кварцем, лавами риолитового состава. Породы позднего этапа кальдерного цикла - лавами, лавобрекчиями, туфами и субвулканическими телами дацитового состава. Породы посткальдерного цикла - дацитовыми лавами и туфами.

        В настоящей работе методом ЭПР датирования был определен возраст более 70 проб кварца из игнимбритов, разновозрастных лавовых потоков и туфовых горизонтов и субвулканических тел. Этими пробами были охарактеризованы вулканические образования выделенных циклов развития ЭВЦ (кроме докальдерного). В результате проведенных исследований удалось определить время проявления раннего этапа кальдерного цикла - 290-220 тыс. лет назад, позднего этапа кальдерного цикла - около 170 тыс. лет назад, позднеплейстоценового этапа посткальдерного цикла - 85-20 тыс. лет назад и голоценового этапа - менее 10 тыс. лет назад. Места отбора и номера некоторых проб из разных циклов и этапов показаны на рисунке 5.

рис. 5

        В работе проведен анализ данных нейтронно-активационного метода, которым было определено содержание ряда элементов в кварце (91 проба) из разновозрастных вулканитов Эльбруса. Установлено, что кварц из пород разных циклов и этапов активности вулкана Эльбрус отличается своими геохимическими особенностями, что также подтверждает правомерность выделения этих циклов и этапов.

        Для подтверждения достоверности полученных значений возраста методом ЭПР датирования было проведено их сравнение с результатами, полученными другими независимыми методами.

        Возможность сравнения данных ЭПР датирования с результатами стандартного метода радиоуглеродного датирования осложняется необходимостью поиска сингенетичных проб кварца и древних углей в условиях высокогорья. На данный момент удалось исследовать пробу кварца (N97/98) из лавового потока, ЭПР возраст которой составил 39+5 тыс. лет. Радиоуглеродный ¹⁴С возраст по углям из захороненной почвы в основании этого лавового потока составил 33,2+0,7 тыс. лет. В пересчете на время осадконакопления возраст лав составил около 36 тыс. лет. Такое соответствие возрастов следует считать вполне удовлетворительным.

        В истоках реки Баксан была отобрана и продатирована проба из самого нижнего лавового потока - получен ЭПР возраст 28,9+ 2,5 тыс. лет.
В основании этого лавового потока местами сохранились остатки морены, возраст которой оценивается как позднеплейстоценовый (около 25 тыс. лет), что хорошо согласуется с полученной ЭПР датировкой.

        Необходимо отметить, что полученные к настоящему времени радиоизотопные датировки пород разновозрастных циклов не могут считаться удовлетворительными и тем более однозначными, поскольку в соответствии с этими датировками перерыв между кальдерным и посткальдерным циклами оказывается неправдоподобно продолжительным. В качестве примера можно привести перерыв в 650 тыс. лет между извержением ранних игнимбритов ледника Битюк-тюбе и перекрывающих их дацитовых лав (по данным И.В. Чернышева).

        Кроме того, многие радиоизотопные датировки по одному и тому же объекту часто приводили к весьма большим разбросам значений возрастов. К примеру, по игнимбритам реки Битюк-тюбе ³⁹Ar/⁴⁰Ar методом получены возрасты 0,81+ 0,09, 0,80+ 0,07, 2,7+ 0,5 и 15,7+ 1 млн. лет, из которых последние два значения геологически бессмысленны.

        Датирование (³⁹Ar/⁴⁰Ar) по валовым пробам туфов риолитового состава, отобранным в долинах рек Битюк-тюбе и Малка, выявило наличие нескольких возрастных ступенек. Одна из них соответствует возрасту гранитов позднепалеозойской диорит-гранитной формации, другая - времени метаморфизма слюдяных сланцев, слагающих цоколь вулкана вместе с гранитами. Результаты этих исследований позволили прийти к выводу о том, что при извержениях, приведших к формированию туфов и игнимбритов, был захвачен дезинтегрированный материал древнего гранитно-метаморфического основания Эльбруса, ставший их составной частью.

        Приведенные выше и другие данные доказывают, что изотопные датировки пирокластического материала (возможно, и не только его) не отражают время образования рассматриваемых пород и являются удревненными.

        Таким образом, можно утверждать, что метод ЭПР датирования по кварцу является на настоящий момент наиболее эффективным при определении возрастов вулканитов Эльбруса и изучении его геологической истории.

        В пятой главе на основе метода ЭПР датирования рассчитаны скорости подъема Эльджуртинского и Сангутидонского массивов, а также скорость углубления долины реки Баксан. Метод ЭПР датирования впервые применен для таких исследований с использованием большого количества образцов, отобранных как с поверхности, так и из скважины.

        Способ определения таких скоростей предусматривает изучение образцов с разных глубин (или высот). Скорость подъема или денудации геологического тела можно получить делением разности глубин (или высот) на разность ЭПР возрастов исследуемых образцов. К примеру, в случае, если образцы были отобраны из долины реки, врезающейся в геологическое тело, полученная скорость будет отражать суммарную скорость подъема и денудации геологического тела. В настоящей работе все образцы, использованные для определения скоростей подъема и денудации, были отобраны из долин рек.

        На рисунках 6a и 6б представлены зависимости возрастов исследованных образцов от высоты их залегания. Рассчитанная скорость составила для Сангутидонского гранитного массива 4,9+0,6 мм/год, а для Эльджуртинского гранитного массива - 9,9+2,0 мм/год. Скорость для Сангутидонского гранитного массива рассчитана впервые.

рис. 6а

        Разброс точек вокруг линейного тренда на графиках может быть объяснен несколькими причинами, среди которых можно отметить неточность пробоотбора, незамеченное петрологическими исследованиями термальное воздействие, ошибки измерения радиационного фона, отличие режимов остывания для разных исследуемых образцов и др.

        Для Эльджуртинского гранитного массива было проведено разделение скоростей подъема гранита и его денудации.                                                                                                              

рис. 6б

        В предыдущих исследованиях были рассчитаны абсолютные возрасты 11 проб кварца из скважины СГ-1.

        Определенная по этим данным скорость подъема гранита составила 1,3+0,1 мм/год. Из этого следует, что скорость углубления долины реки Баксан - 8,6+2,1 мм/год.

        Учитывая, что современная глубина долины реки Баксан составляет около 1300 м, ее возраст оценивается приблизительно в 150 тыс. лет.

        Измеренные в настоящей работе значения суммарных скоростей подъема и денудации гранитных массивов (4,9 - 9,9 мм/год) лежат в пределах полученных ранее значений.