Rb-Sr изотопная система Юрий Александрович Костицын МГУ им. М. В. Ломоносова Геологический факультет Задачи (*.xlsx) и лекции (*.pptx) – на сайте Геохимия_Изотопов_и_Геохронология

Davis D.W., Gray J., Cumming G.L., Baadsgaard H. Determination of the 87 Rb decay constant. Geochimica et Cosmochimica Acta : Davis D.W., Gray J., Cumming G.L., Baadsgaard H. Determination of the 87 Rb decay constant. Geochimica et Cosmochimica Acta : Изотоп Масса, у.е. ат% 88 Sr Sr/ 86 Sr = Sr Sr/ 86 Sr = Sr Sr Sr/ 86 Sr = Rb Rb/ 87 Rb = Rb

Вопрос: сколько накопилось 87 Sr за 19 лет в 20.0 г RbClO 4 ? Вопрос: сколько накопилось 87 Sr за 19 лет в 20.0 г RbClO 4 ? Каково содержание Sr в RbClO 4 ? Каково содержание Sr в RbClO 4 ?

Масс-дискриминация (фракционирование изотопов) при изотопном анализе

При изотопном анализе наблюдается кажущееся изменение изотопных отношений, зависящее от атомной массы изотопов

Нормирование изотопных отношений

( 87 Sr/ 86 Sr) 0 87 Rb/ 86 Sr 87 Sr/ 86 Sr T, млн. лет, %, % % % Рассчитать значения возраста при двух принятых величинах начального изотопного отношения стронция:

Задача 6. Рассчитать возраст и начальное изотопное отношение стронция по паре точек (Bt–Pl) Понадобятся для вычислений: AW Sr, AW Rb и относительные атомные распространённости: 86 Sr/Sr и 87 Rb/Rb. ВариантМинер. Rb, ppm Sr, ppm 87 Sr/ 86 Sr 1 Bt Pl Bt Pl … … … … … … … 32 Bt Pl Полная таблица на сайте wiki.web.ru

Условия получения изохроны Одновременное закрытие Rb-Sr системы исследуемых образцов, т.е. все образцы, по которым предполагается получение изохроны, должны быть одновозрастными. Одновременное закрытие Rb-Sr системы исследуемых образцов, т.е. все образцы, по которым предполагается получение изохроны, должны быть одновозрастными. Гомогенный изотопный состав стронция в момент закрытия изотопной системы, т.е. образцы должны быть когенетичны. Гомогенный изотопный состав стронция в момент закрытия изотопной системы, т.е. образцы должны быть когенетичны. Последующая замкнутость Rb-Sr изотопной системы исследуемых образцов, т.е. отсутствие наложенных преобразований. Последующая замкнутость Rb-Sr изотопной системы исследуемых образцов, т.е. отсутствие наложенных преобразований. Разные Rb/Sr отношения образцов, т.е. в координатах 87 Sr/ 86 Sr - 87 Rb/ 86 Sr результаты анализов не должны слиться в одну точку. Разные Rb/Sr отношения образцов, т.е. в координатах 87 Sr/ 86 Sr - 87 Rb/ 86 Sr результаты анализов не должны слиться в одну точку.

Статистическая обработка изохрон Следует различать: Следует различать: Функциональная связь – функция зависит от аргумента определённым образомФункциональная связь – функция зависит от аргумента определённым образом Вероятностная (стохастическая) связь – одна случайная величина реагирует на изменение другой случайной величины изменением своей функции распределенияВероятностная (стохастическая) связь – одна случайная величина реагирует на изменение другой случайной величины изменением своей функции распределения Изохрона подразумевает функциональную связь между X и Y ( 87 Rb/ 86 Sr и 87 Sr/ 86 Sr) Изохрона подразумевает функциональную связь между X и Y ( 87 Rb/ 86 Sr и 87 Sr/ 86 Sr)

МНК

МНК с разными весами точек York D. Least squares fitting of a straight line. Canadian Journal of Physics :

95%-ные доверительные интервалы Кол-во степеней свободы (N-2) t

Качество изохроны Mean Square of Weighted Deviations Mean Square of Weighted Deviations Средний Квадрат Взвешенных Отклонений Средний Квадрат Взвешенных Отклонений Матожидание M СКВО =1 Wendt I., Carl C. The statistical distribution of the mean squared weighted deviation. // Chemical Geology V.86, P

МНК с разными весами точек для параллельных изохрон Titterington D.M., Halliday A.N. On the fitting of parallel isochrones and the method of maximum likelihood. // Chemical Geology V. 26. P Пусть имеется k изохрон (i=1, 2, … k), каждая получена по n i образцам (j=1, 2, … n i ).

k При гауссовом распределении погрешностей справедливо утверждение: Если S* – S < 2, то с вероятностью 95% рассматриваемые изохроны параллельны

ОбразецNСКВО( 87 Sr/ 86 Sr) 0 Т млн.лет( 87 Sr/ 86 Sr) 0 * Кв-КПШ метасоматит ±45271± ±6 Би-Хл-ПШ-Кв метасоматит ± ± ±13 Кв-ПШ метасоматит ± ± ±5 Би-ПШ-Кв метасоматит ±6273.2± ±7 Керсантит, дайка ± ± ±11 Кварцевый сиенит- порфир, дайка ± ± ±16

Dallmeyer, R. D., VanBreeman, O. Rb-Sr whole-rock and 40 Ar/ 39 Ar mineral ages of the Togus and Hallowell quartzmonzonite and Three Mile Pond granodiorite plutons, South-Central Maine: Their bearing on Post-Acadian cooling History. Contributions to Mineralogy and Petrology Vol. 78. P

SampleRbSr 87 Rb/ 86 Sr ± 87 Sr/ 86 Sr ± ( 87 Sr/ 86 Sr) 0 ± (1) (2)

Результаты изотопного анализа минеральных фракций образца Катунского гранита, В.Саяны [Костицын Ю.А., Алтухов Е.Н., Филина Н.П. Rb–Sr изохронное датирование щелочных гранитов С-В Тувы. // Геология и Геофизика Т С ] Обр. 87 Rb/ 86 Sr ±2 ±2 87 Sr/ 86 Sr ±2 ± WR Aeg Q Alb KFsp KFsp KFsp KFsp d

Опробование для изохронного датирования Можно анализировать: Образцы породы в целом (используется геохимическая гетерогенность всего геологического тела) Образцы породы в целом (используется геохимическая гетерогенность всего геологического тела) Плюсы:Плюсы: простота подготовки проб; простота подготовки проб; устойчивость изотопной системы к умеренным термальным нарушениям. устойчивость изотопной системы к умеренным термальным нарушениям. Минусы:Минусы: При низких Rb/Sr (при малых радиогенных добавках) может проявляться начальная изотопная гетерогенность; При низких Rb/Sr (при малых радиогенных добавках) может проявляться начальная изотопная гетерогенность; При метаморфизме высоких ступеней система нарушается, но к новому равновесию не приходит. При метаморфизме высоких ступеней система нарушается, но к новому равновесию не приходит.

Опробование для изохронного датирования Можно анализировать: Минералы (используется различный состав минералов) Минералы (используется различный состав минералов) Плюсы:Плюсы: Контрастные Rb/Sr; Контрастные Rb/Sr; Чаще соблюдается начальная изотопная гомогенность. Чаще соблюдается начальная изотопная гомогенность. Минусы:Минусы: Необходимо выделение минералов; Необходимо выделение минералов; Не всегда имеется достаточно много разных минералов. Не всегда имеется достаточно много разных минералов.

Опробование для изохронного датирования Можно анализировать: Фракции минералов, выделенные по физ. свойствам (используется химическая гетерогенность минералов) Фракции минералов, выделенные по физ. свойствам (используется химическая гетерогенность минералов) Плюсы:Плюсы: Можно датировать породы с ограниченным минеральным составом, рудные жилы. Можно датировать породы с ограниченным минеральным составом, рудные жилы. Чаще соблюдается начальная изотопная гомогенность. Чаще соблюдается начальная изотопная гомогенность. Минусы:Минусы: Возможно лишь для минералов с высокими Rb/Sr отношениями. Возможно лишь для минералов с высокими Rb/Sr отношениями.

Опробование для изохронного датирования Можно анализировать: Фракции породы, выделенные по физ. свойствам (для мелкозернистых и стекловатых пород) Фракции породы, выделенные по физ. свойствам (для мелкозернистых и стекловатых пород) Нечто среднее между двумя предыдущими способами опробованияНечто среднее между двумя предыдущими способами опробования

Graupner T., Niedermann S., Kempe U., et al., Origin of ore fluids in the Muruntau gold system: Constraints from noble gas, carbon isotope and halogen data. // Geochimica et Cosmochimica Acta, (21):

Метасоматоз и метаморфизм, как правило, не приводят к полной изотопной гомогенизации пород

Bt-KFsp метасоматит (Мурунтау) Метасоматоз, как правило, не приводит к изотопной гомогенизации пород даже в масштабе сантиметров

Метаосадочные породы

Модели нарушения Rb-Sr системы

Диаграмма Николайсена Диаграмма Компстона-Джеффри

Диаграмма Николайсена Диаграмма Компстона-Джеффри Изотопная система пород замкнута (закрыта)

Изотопная система пород открыта

Wetherill G.W., Davis G.L., Lee-Hu C. Rb-Sr measurements on whole rocks and separated minerals from the Baltimore gneiss, Maryland. // Geol. Soc. Amer. Bull V. 79. P

Grauert B. Rb-Sr isotopic study on whole rock and minerals from the Baltimore gneiss of the Phenix Dome, Baltimore County, Maryland. // Ann. Rep. of the Director Dep. of Terrestrial Magnetism P

Пейчева И.М., Костицын Ю.А., Шуколюков Ю.А. Rb–Sr изотопная система гнейсов Юго-Восточных Родоп Болгарии. // Доклади на Българската академия на науките. Т С

Если бы погрешности здесь были, как в 60-е – 70-е годы, по гнейсам получилась бы изохрона!

Rb-Sr система слюд закрыта, а полевых шпатов – нарушена

Первичная изохрона Вторичная изохрона Переходный процесс Возможно ли нераспознаваемое омоложение изохроны?

Устойчивость Rb-Sr системы минералов к наложенным процессам Rb–Sr изотопная система отдельных минералов может быть частично нарушена, иногда даже низкотемпературными наложенными процессами, но настоящие изохроны по всем минералам в таких случаях не получаются Rb–Sr изотопная система отдельных минералов может быть частично нарушена, иногда даже низкотемпературными наложенными процессами, но настоящие изохроны по всем минералам в таких случаях не получаются Преобразования, необходимые для полной перестройки Rb– Sr изотопной системы минералов настолько глубоки, что не только сказываются на изотопной системе пород в целом, но приводят к коренным изменениям в составе и облике породы: вместо первично магматической породы получается метаморфическая или метасоматическая Преобразования, необходимые для полной перестройки Rb– Sr изотопной системы минералов настолько глубоки, что не только сказываются на изотопной системе пород в целом, но приводят к коренным изменениям в составе и облике породы: вместо первично магматической породы получается метаморфическая или метасоматическая Если некоторый наложенный процесс привёл к образованию новой минеральной Rb–Sr-изохроны, то при петрографическом изучении породы невозможно не увидеть следов его воздействия Если некоторый наложенный процесс привёл к образованию новой минеральной Rb–Sr-изохроны, то при петрографическом изучении породы невозможно не увидеть следов его воздействия

Устойчивость Rb-Sr системы пород к наложенным процессам Частичное нарушение Rb–Sr-изохрон по породам в целом при метаморфизме – не редкость, но!: Частичное нарушение Rb–Sr-изохрон по породам в целом при метаморфизме – не редкость, но!: Если для некоторого магматического (не метаморфизованного) тела получена хорошая изохрона по образцам породы в целом, то она отвечает возрасту магматизма, а не вторичного процесса, следы которых нередко обнаруживаются в шлифах. В худшем случае, вторичный процесс уничтожит изохрону. Если для некоторого магматического (не метаморфизованного) тела получена хорошая изохрона по образцам породы в целом, то она отвечает возрасту магматизма, а не вторичного процесса, следы которых нередко обнаруживаются в шлифах. В худшем случае, вторичный процесс уничтожит изохрону. Если Rb–Sr изотопная система метаморфизованных пород, опробованных штуфными пробами, оказалась нарушенной, то крайне мало шансов получить для этой породы полноценную изохрону за счёт увеличения размера проб до десятков или сотен килограммов. Если Rb–Sr изотопная система метаморфизованных пород, опробованных штуфными пробами, оказалась нарушенной, то крайне мало шансов получить для этой породы полноценную изохрону за счёт увеличения размера проб до десятков или сотен килограммов. Для Rb–Sr-анализа свежих магматических пород размер проб не имеет значения Для Rb–Sr-анализа свежих магматических пород размер проб не имеет значения

Как приблизительно оценить А) возможность датирования А) возможность датирования Б) возможную погрешность начального изотопного отношения Б) возможную погрешность начального изотопного отношения

Метод изотопного разбавления используется для определения концентрации элемента в образце используется для определения концентрации элемента в образце Пусть A, B, C, D … – изотопы; x, y, z … - их отношения: Индексами обозначим: n – природный элемент, t – трасер, m – их смесь. P n – вес образца и P t – вес трасера. P n – вес образца и P t – вес трасера.naturaltracer R t /R n ( 85 Rb/ 87 Rb) n =2.593 ( 85 Rb/ 87 Rb) t = ( 84 Sr/ 86 Sr) n = ( 84 Sr/ 86 Sr) t =

B, A – количества; [B], [A] – концентрации.

Достоинства метода изотопного разбавления: отсутствует мешающее влияние других элементов (матрицы); отсутствует мешающее влияние других элементов (матрицы); высокая чувствительность; высокая чувствительность; не требуется количественного выделения элемента из смеси; не требуется количественного выделения элемента из смеси; если элемент имеет больше двух природных изотопов, то можно определять не только его концентрацию, но и изотопный состав (метод двойного изотопного разбавления). если элемент имеет больше двух природных изотопов, то можно определять не только его концентрацию, но и изотопный состав (метод двойного изотопного разбавления).

Трудности метода изотопного разбавления: необходима высокая точность определения изотопного состава и концентрации трасера; необходима высокая точность определения изотопного состава и концентрации трасера; необходимо обеспечить постоянный состав трасера во времени; необходимо обеспечить постоянный состав трасера во времени; необходимо полное перемешивание растворов трасера и образца; необходимо полное перемешивание растворов трасера и образца; необходимо соблюдать некоторое оптимальное соотношение между образцом и трасером. необходимо соблюдать некоторое оптимальное соотношение между образцом и трасером.

Смешение в геохимии изотопов Пусть смешиваются два вещества – 1 и 2. Пусть смешиваются два вещества – 1 и 2.

Графическое представление двухкомпонентного смешения

Задача 8 (по вариантам) ВариантОбр. Rb, ppm Sr, ppm 87 Sr/ 86 Sr Проверить, могли ли такие составы образоваться в результате двухкомпонентного смешения 200 млн.лет назад Проверить, могли ли такие составы образоваться в результате двухкомпонентного смешения 200 млн.лет назад Если смешение будет обнаружено, то: Если смешение будет обнаружено, то: Обосновать характер источников (мантия, кора) конечных членов смешения.Обосновать характер источников (мантия, кора) конечных членов смешения. Рассчитать пропорции смешения, приняв за конечные члены крайние (т.е. наиболее контрастные) составыРассчитать пропорции смешения, приняв за конечные члены крайние (т.е. наиболее контрастные) составы Остальные варианты – в фале Ex8.xlsx на сайте WIKI.WEB.RU

Простое двухкомпонентное смешение (без химического взаимодействия) – явление крайне редкое в геологии, уверенно прослеживается только при отсутствии фазовых превращений Простое двухкомпонентное смешение (без химического взаимодействия) – явление крайне редкое в геологии, уверенно прослеживается только при отсутствии фазовых превращений Нередко за тренды смешения принимают тренды дифференциации Нередко за тренды смешения принимают тренды дифференциации Смешение + дифференциация смешение Смешение + дифференциация смешение

Теплоты кристаллизации некоторых породообразующих минералов

µ(t)=C m (t)·M m (t) – масса элемента M m, M a, M c – масса C m, C a, C c – концентрация элемента R m, R a, R c – изотопное отношение элемента Индексы: m – расплав c – кристаллы a – контаминант (ассимилируемое вещество) C c =D·C m DePaolo D.J EPSL. V.53. pp

Справедливо при r1 и r1-D

Изохрона или линия смешения?

S.R.Hart. The Journal of Geology V.72. P Задача 9. 1.Подготовить данные для построения изохроны; 2.Построить изохрону, приняв, что 2 Rb/Sr =4%, 2 87Sr/86Sr =1%; 3.Оценить её достоверность; 4.Проверить данные на предмет смешения; 5.Проверить вывод Харта. Вывод Харта: Радиогенный 87 Sr терялся из кристаллов биотита путём диффузии.

Термальное омоложение K-Ar системы минералов S.R.Hart. The Journal of Geology V.72. P

RbSrRb/Sr ( 87 Sr/ 86 Sr) 0 ±2 ±2 N MORB Lherzolites CFB Ocean Alk Bas OIB IAB Cont Alk Bas Carbonatites Kimberlites Sediments River & Dust I-granites S-granites Rb и Sr в различных типах пород

Rb/Sr отношение Земли явно ниже, чем у хондритов любого типа. Рубидий был потерян в ходе аккреции протоземного вещества (рубидий более летуч, чем стронций) NASA, Dawn mission, 2011

Скорость роста 87 Sr/ 86 Sr в любом веществе определяется величиной Rb/Sr отношения в нём

Rb/Sr отношение в мантии = ? ( 87 Sr/ 86 Sr) MORB = (T=0) ( 87 Sr/ 86 Sr) MORB = (T=0) ( 87 Sr/ 86 Sr) BABI = (T=4.57 Ga) ( 87 Sr/ 86 Sr) BABI = (T=4.57 Ga)

Задача 10: Порода с заданным содержанием Rb и Sr отделилась Т лет тому назад от источника MORB. Задача 10: Порода с заданным содержанием Rb и Sr отделилась Т лет тому назад от источника MORB. 1.Рассчитать современный изотопный состав стронция в этой породе (до 5 знака). 2.Представить эволюцию 87 Sr/ 86 Sr источника и породы графически.

Золоторудное м-е Мурунтау (Ц.Кызылкумы)

Результаты Rb-Sr изотопного анализа гранита Жанчивлан (Монголия) Образецсостав [Rb], мкг/г [Sr], мкг/г ( 87 Rb/ 86 Sr) at 87 Sr/ 86 Sr Жч-4430аляскит Жч-4434/2 Ab-Lep гранит Жч-4434/3-" Жч-4435-" Жч-4433-" Жч-4434/4-" Жч-4434/4г-" Жч-4434-"

Shields G. and Veizer J. (2002) The Precambrian marine carbonate isotope database: version 1. Geochem. Geophys. Geosys. 3(6), June 6, 2002, p Plot of log() (residence time in years) versus log(K SW ) (concentration in seawater/concentration in upper continental crust) for selected elements. McLennan S. M., Bock B., Hemming S. R., Hurowitz J. A., Lev S. M., and McDaniel D. K. (2003) The roles of provenance and sedimentary processes in the geochemistry of sedimentary rocks. In Geochemistry of Sediments and Sedimentary Rocks: Evolutionary Considerations to Mineral Deposit-Forming Environments. (ed. D. R. Lentz), Geol. Assoc. Canada GEOtext. St. Johns, Nfld, vol. 5, pp. 1–31.

Veizer J., Ala D., Azmy K., Bruckschen P., Buhl D., Bruhn F., Carden G. A. F., Diener A., Ebneth S., Godde´ris Y., Jasper T., Korte C., Pawellek F., Podlaha O. G., and Strauss H. (1999) 87Sr/86Sr, d13C and d18O evolution of Phanerozoic seawater. Chemical Geology. 161, 59–88.

В неизменённых карбонатах мало Mn, Fe

Морские карбонаты

Taylor H.P. Igneous Rocks: II. Isotopic case studies of circumpacific magmatism // Reviews In Mineralogy, :

Живёт ли радиогенный стронций особой жизнью?