Термоселективная методика датирования кварца по Al-парамагнитным центрам и уточнение хронологии извержений вулкана Эльбрус

Общая характеристика работы.

Актуальность. Методы абсолютной геохронологии были и остаются одним из важнейших инструментов геологических исследований. Восстановление последовательности геологических процессов, определение физической скорости их протекания - задачи, при решении которых методы абсолютной геохронологии приобретают первостепенное значение. Методы датирования пород с применением спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) занимают особое место среди других, поскольку эффективны при отсутствии органического материала, а также на временном интервале, в котором затруднительно использование таких общепринятых методов, как радиоуглеродный и K/Ar. В частности, в условиях молодого высокогорного вулканизма применимы лишь специализированные высокоточные методики K/Ar анализа, разработанные специально для молодых пород, и SHRIMP-датирование. Однако, по временным и финансовым затратам они неприемлемы для датирования большого числа образцов, что необходимо при детальных исследованиях

Возобновление вулканической деятельности в Эльбрусском вулканическом центре приведет к катастрофическим последствиям, масштаб которых трудно переоценить, поэтому задача восстановления хронологии вулканической активности и определения цикличности процессов, происходивших в этом районе, в настоящее время более чем актуальна. Это делает актуальными и исследования, направленные на повышение точности методик ЭПР-датирования и на расширение временных границ их применения.

Цель и задачи. Основной целью данной работы являлось совершенствование метода ЭПР-датирования и разработка новых методик корректного определения возраста пород по [AlO₄^-/h⁺] парамагнитным центрам в α-кварце, путем изучения рекомбинационных процессов, происходящих с [AlO₄^-/h⁺] парамагнитными центрами в кристаллической решетке α-кварца, и учета влияния этих процессов при ЭПР-датировании.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Обобщение и анализ опубликованных в научной литературе данных о природе Al-центров в кварце, их свойствах и взаимодействии с другими составляющими кристаллической решетки кварца.

2. Обобщение и анализ опубликованных в научной литературе данных о термической устойчивости и параметрах рекомбинации E_a и K₀ [AlO₄^-/h⁺] парамагнитных центров в кварце различного генезиса.

3. Экспериментальное исследование термической устойчивости [AlO₄^-/h⁺] парамагнитных центров в кварце методом изотермических отжигов на образцах кварца вулканического происхождения, отобранных из эффузивных пород Эльбруса, и образцах другого генезиса.

4. Математическое моделирование экспериментально полученных данных, нахождение модели, адекватно описывающей процессы термического распада [AlO₄^-/h⁺] парамагнитных центров в кварце, и определение параметров рекомбинации E_a и K₀.

5. Определение причин ложного омоложения вулканических пород Эльбруса при ЭПР-датировании по [AlO₄^-/h⁺] парамагнитным центрам в кварце на основе установленной модели их термического распада.

6. Разработка ЭПР-методики корректного определения возраста эффузивных пород Эльбруса по [AlO₄^-/h⁺] парамагнитным центрам в кварце, учитывающей процессы рекомбинации.

7. Проведение ЭПР-датирования по [AlO₄^-/h⁺] парамагнитным центрам в кварце серии образцов вулканических пород Эльбруса по новой методике, и сравнение результатов с данными, полученными другими методами.

Новизна. Принципиально новой является предложенная в работе трехкомпонентная модель процессов рекомбинации Al-парамагнитных центров в кварце, с выделением короткоживущего, а также средне- и долгоживущего типов центров. Модель позволяет определять параметры рекомбинации E_a и K₀, а также время жизни τ для каждого типа центров. Все определения параметров рекомбинации в предшествующих работах выполнены для Al-парамагнитных центров в кварце как однородной структурной единицы.

Предложены объяснения расхождениям в значениях рекомбинационных параметров для Al-центров в кварце различного генезиса, а также фактам ложного омоложения возрастов пород, определенных методом ЭПР-датирования, в предшествующих исследованиях.

Впервые определены величины рекомбинационных параметров E_a и K₀ для разных типов Al-центров в кварце эффузивных пород Эльбруса, что дало возможность уточнить пределы применимости метода ЭПР-датирования по Al-центрам в кварце для вулканитов Эльбруса.

Разработана новая методика ЭПР-датирования добавочными дозами с промежуточным отжигом, основанная на использовании для определения возраста средне- и долгоживущего типов Al-парамагнитных центров в кварце. Методика позволяет корректно определять реальный возраст пород, расширяет пределы применимости метода ЭПР-датирования и приводит к более точным результатам.

Проведено экспериментальное датирование по новой методике, показавшее практически полную сходимость с реперными значениями возрастов, полученными K/Ar методом. Во всех работах по ЭПР-датированию эффузивных пород Эльбруса, предшествующих данной, получены возрасты пород, омоложенные по сравнению с независимыми определениями.

Методы исследования и фактический материал. Работа выполнена на кафедре минералогии геологического факультета МГУ. Исследования проводились на базе представительной коллекции более чем из 100 образцов кварца, отобранных в ходе полевых работ на Эльбрусе в 1999 - 2002 гг. Кроме того, исследовались также пробы кварца, отобранные на Эльджуртинском гранитном массиве и месторождении <Желанное> (Приполярный Урал). Лабораторное облучение образцов производилось на γ-источнике 60Со института Физической Химии РАН. Концентрации химических элементов определялись нейтронно-активационным и рентгенофлюоресцентным методами в лаборатории ядерно-физических исследований ИГЕМ РАН. K/Ar датировки получены в лаборатории изотопной геохимии и геохронологии ИГЕМ РАН.

Апробация работы. Основные тематические разделы и отдельные приложения диссертации были представлены на семи конференциях и семинарах: на III Международном минералогическом семинаре <Новые идеи и концепции в минералогии> (Сыктывкар, 2002), на Международном семинаре <Кварц, Кремнезем> (Сыктывкар, 2004), на Международной конференции (Казань, 2004), на 32-м Международном геологическом конгрессе (Флоренция, 2004), на Международной конференции <Спектроскопия, рентгенография и кристаллохимия минералов> (Казань, 2005), на III Российской конференции по изотопной геохронологии (Москва, 2006), на III Международной конференции (Кишинев, 2006).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 125 страницах машинописного текста, 15 таблиц, 62 рисунков и списка цитируемой литературы из 151 наименования.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность и глубокую признательность своему научному руководителю Д.Г. Кощугу за всестороннюю поддержку и ценные указания на всех стадиях работы над диссертацией. Автор весьма признателен А.С. Марфунину за поддержку проведенных исследований, сотрудникам кафедры минералогии МГУ А.Н. Ноздрякову, С.С. Махотину, Р.В. Шабалину, а также сотрудникам Института физической химии РАН В.А. Янчину и Ю.А Болдузеву, за большую помощь в подготовке и проведении экспериментов. Автор искренне благодарен сотрудникам ИГЕМ РАН А.Г. Гурбанову и В.М. Газееву за предоставленный материал для исследований, детальную геологическую характеристику пород Эльбруса, а также за совместную геологическую интерпретацию результатов ЭПР-датирования. Автор благодарен проф. Rainer Grun (Research School of Earth Sciences, Australian National University) за любезно предоставленные программные продукты, а также всем участникам научных конференций, на которых излагалась идея и основные научные положения работы, за внимательное и серьезное отношение к рассматриваемым вопросам. Некоторые исследования проведены при совместной финансовой поддержке Программы "Университеты России" и РФФИ (гранты NN 01-05-65393 и 04-05-64362).