Геохронологические исследования четвертичных континентальных и морских осадков в Санкт-Петербургском государственном университете (в рамках мега-гранта. - презентация

1 Геохронологические исследования четвертичных континентальных и морских осадков в Санкт-Петербургском государственном университете (в рамках мега-гранта Правительства РФ) Geochronological investigations of Quaternary terrestrial and marine sediments at the St. Petersburg SU (in frames of the Grant of the Government of RF) Кузнецов В.Ю. Лаборатория «Геоморфологии и палеогеографии полярных регионов и Мирового океана» Санкт-Петербургский государственный университет Факультет географии и геоэкологии Кафедра геоморфологии V. Kuznetsov Laboratory of Geomorphology and Palaeogeography of Polar regions and World ocean Research supervisor Professor Joern Thiede Научный руководитель Профессор Йорн Тиде

2 Научно-исследовательские направления Четвертичная геохронология: - относительная геохронология (литостратиграфия, микропалеонтология, изотопная геохимия); - «абсолютная» (количественная) геохронология (радиоизотопное датирование). Четвертичная палеогеография Четвертичная континентальная и морская геология Реконструкция палеогеографических и геологических событий, восстановление истории развития палеосреды (ландшафтно- климатических, палеоокеанологических условий, растительности и т.д.) базируется на обобщении и интерпретации аналитических данных геохронологических исследований природных материалов.

3 Радиоуглеродное датирование ( 14 С) Микропалеонтологические методы - спорово-пыльцевой анализ - фораминиферовый анализ Радиоизотопные методы датирования Th, 231 Pa, 230 Th/ 232 Th, 231 Pa/ 230 Th, 230 Th/U, 210 Pb/Pb Геохимические методы Руководитель лаборатории Й. Тиде Наша лаборатория является единственной в РФ, где развиваются и внедряются в практику геохронологических исследований четвертичных отложений методы, основанные на использовании радионуклидов из природного ряда урана. Развиваемые и используемые методы

4 Радиоизотопные геохронологические исследования, проводимые нами в рамках мега-гранта Правительства РФ, основаны на применении радионуклидов из природных рядов урана – 238 U и 235 U Основные цели Экспериментальное обоснование применения метода Интерпретация полученных результатов Цели исследований

5 235 U 231 Pa лет 227 Th 18.2 сут. 223 Ra 11 сут лет 219 Rn 3,8 сек. 238 U 234 U лет 230 Th лет 210 Pb 22 года лет 206 Pb Стаб. Упрощенные схемы радиоактивных превращений в природных рядах урана 238 U и 235 U Методы радиоизотопной геохронологии

6 рудных сульфидных образований и металлоносных осадков Решение задач, связанных с целесообразностью применения того или иного радиоизотопного метода, подразумевает проведение широких и целенаправленных радиохимических (в сочетании с минералого-геохимическими, микропалеонтологическими) исследований разных вещественно-генетических типов океанских отложений: пелагических осадков, морских карбонатных формаций железо- марганцевых конкреций и корок Методы радиоизотопной геохронологии. Объекты исследований

7 Fe-Mn конкреции и корки массивные сульфиды Колонки металлоносных осадков Колонки озерных осадков Континентальные органогенные отложения Объекты исследования Морские карбонатные отложения

8 могут быть разделены на две категории основанные на явлении радио- активного распада избыточного над равновесным с материнским изотопом дочернего нуклида основанные на накоплении дочернего радиоизотопа, стремящегося к равновесию с материнским радиоэлементом 1 2 Методы радиоизотопной геохронологии

9 методы, основанные на явлении радиоактивного распада избыточного над равновесным с материнским изотопом дочернего нуклида 1 метод 230 Th изб. 231 Pa изб., 230 Th/ 232 Th, 231 Pa/ 230 Th метод 210 Pb изб. ( 210 Pb/Pb-) Объекты датирования: Озерные и морские осадки с высокой скоростью седиментации Молодые гидротермальные руды Объекты датирования: Океанские осадки Железомарганцевые конкреции и корки Пределы 230 Thизб. датирования: – лет Пределы 231 Paизб. датирования: – лет Пределы 210 Pb/Pb- датирования: первые несколько лет – лет Методы радиоизотопной геохронологии

10 Объекты датирования: кораллы раковины моллюсков из морских трансгрессивных отложений сталактиты, сталагмиты гидротермальные сульфидные руды межледниковые/межстадиальные континентальные отложения (погребенный торф, гиттия) методы, основанные на накоплении дочернего радиоизотопа, стремящегося к равновесию с материнским радиоэлементом Th/U-метод (накопление 230 Th из 234 U) Пределы 230 Th/U- датирования: – лет Методы радиоизотопной геохронологии

11 Схема анализа природных материалов Полное растворение (осадки) НNO 3 + HF Макроколонка с АВ-17 Элюирование примесей 7м HNO 3 Осадок отбрасывается Доочистка U- фракции на микроколонке в тех же условиях U-фракция электролиз Альфа-спектрометрия Th-фракция электролиз Альфа-спектрометрия Th-фракция элюирование 8м HCl U-фракция элюирование 0.2 м HNO 3 Доочистка Th- фракции на микроколонке в тех же условиях Соосаждение с гидроокисью железа Выщелачивание конц. НNO 3 + HCl Просушивание пробы образца до постоянного веса

12 Руководитель лаборатории Й. Тиде Четырехканальный альфа-спектрометр (ALPHA-DUO Ortec, США) Ультранизкофоновый жидкостной спектрометр-радиометр Quantulus (Perkin Elmer, США) Рентгено-флуоресцентный спектрометр Спектроскан GV-Max Микроскоп (LOMO, Россия) Приборы и оборудование

13 Конференц-зал Лаборатория палинологии Кабинет проф. Йорна Тиде Помещения и оборудование

14 В результате обобщения собственных экспериментальных и литературных данных показано: недостаточная обоснованность практического применения 230 Th/ 232 Th и 231 Pa/ 230 Th-методов для датирования океанических формаций разного генезиса. правомерность применения в этих целях отдельно 230 Th- и 231 Pa-методов датирования Возможности и ограничения методов радиоизотопной геохронологии Теоретические кривые распределения радионуклидов в осадках Вертикальное распределение 230 Th и 231 Pa в колонке металлоносных осадков (депрессия Бауэр, Тихий океан)

15 N п/пГоризонт (см)Возраст по 14 С (лет)Возраст по 230 Th (лет)* ± ±200 (11170 BC – BC) 10400± ± ± ± ± ± ± ±9200 Результаты определения абсолютного возраста отдельных горизонтов осадочной колонки N 145 (металлоносные осадки) Средняя скорость седиментации колонки, рассчитанная по 230 Th, составила 1.35±0.11 см/тыс. лет. Средняя скорость седиментации колонки, рассчитанная по 14 С, составила 1.43±0.06 см/тыс. лет. *) – возраст, рассчитанный из средней скорости седиментации Перекрестное датирование ( 14 C, 230 Th) отдельных слоев осадков

16 Результаты геохронологического изучения палеоклиматически охарактеризованных колонок пелагических и металлоносных осадков, хроно- стратиграфическое расчленение и корреляция этих отложений Пелагические отложенияМеталлоносные осадки Палеоклиматология и палеоокеанология

17 Колонки металлоносных осадков в пределах САХ Морская геология

18 Ferro-manganese nodules, some examples Ferro-manganese crusts Морская геология Железомарганцевые конкреции Железомарганцевые корки

19 Результаты 230 Th, 230 Th/ 232 Th и альфа-трекового методов датирования ЖМО NОбразецСкорость роста по 230 Th, мм/млн. лет Скорость роста по 230 Th/ 232 Th, мм/млн. лет Скорость роста по альфа-трекам, мм/млн. лет 1ЖМО-15.1±0.4условия метода не выполняются 4.8±0.5 2ЖМО-22.5±0.23.1±0.42.9±0.5 3ЖМО-43.7±0.55.1±0.73.6±0.5 4ЖМО-59.4±0.7условия метода не выполняются 9.3±0.8 5ЖМО-6 верх 10.2±0.7условия метода не выполняются 8.3±0.9 6ЖМО-6 низ 11.7± ± ±1.0 7ЖМО-77.0± ±1.67.3±0.8 8ЖМО-864.9± ± ±2.0 Морская геология

20 NN обр., глуб. N геол ст. Конкрец. районТип вмещ. осадкаМорф. тип ЖМО Морфогенетич. тип Геохим спец-ия Иссл. часть обр. V роста, мм/млн лет 1ЖМО м 2521 г.Маркус, (Кл.Клипп.) известняк, фосфатизир. Cs корка ГидрогенныйСо- богатая верх ЖМО м 6Д-63 Мидпасификокремнелый известняк Cbs(r) корка ГидрогенныйСо- богатая верх ЖМО м 8Д-172 МидпасификбазальтCs корка ГидрогенныйСо- богатая верх ЖМО м 15Д1 83-Б Магеллановы горы гравелитCbr корка ГидрогенныйСо- богатая верх ЖМО м 1425 Кларион- Клипп. мергелистый илISPs конкр. Гидрогенн. диагенетич. Ni-Cu-Coверх ЖМО м 883 Центр. Котловина мергелистый илEs конкр. Гидрогенн. диагенетич. Ni-Cu-Coверх ЖМО м ЮТР 30 Южная Котловина красная глуб. глина Sr конкр. Гидроген.- диагенетич. Со- бедная верх низ ЖМО м 1231 Кларион- Клиппп. диатомово-ра диоляр. ил Es/r конкр. Седимент.- диагенетич. Ni-Cuверх ЖМО м 1260 Кларион- Клипп. диатомово-ра диоляр. ил Ds/r конкр. Седимент.- диагенетич. Ni-Cuверх низ ЖМО м 4581 Центральн. котловина диатомово-ра диоляр. ил Sbr конкр. Диагенети- ческий Ni-Cuверх ЖМО м 715 Кларион- Клипп. диатомово-ра диоляр. ил Eb/r конкр. Диаганети- ческий Ni-Cuверх ЖМО м 6А-124 Перуанская Котловина кремнисто- глинистый ил Iskr конкр. Диагенети- ческий Ni-(Mn богатая) верх низ ЖМО м 6А-156 Перуанская котловина кремнисто- глинистый ил Eb конкр. Диагенети- ческий Ni- богатая верх Морская геология

21 Результаты геохронологических и геохимических исследований железомарганцевых конкреций, корок и вмещающих их осадков могут свидетельствовать, что: 21 Fe-Mn-образования, формирующиеся седиментационно-диагенетическим путем обладают высокой скоростью роста - до мм/млн. лет. Fe-Mn-образования океана, формирующиеся преимущественно гидрогенным путем имеют пониженные скорости роста: мм/млн. лет (корковые руды) мм/млн. лет (конкреции) Морская геология

22 Возраст, летХарактеристика образца Толстостенные, хорошо сохранившиеся раковины из разреза «Эльтиген»; восточный берег Керченского пролива; высота над уровнем моря м; изучалась только внутренняя фракция образца; То же; 8.0 м То же; 13.8 м То же; 14,3 м То же; 14,8 – 15,8 м 230 Th/U-возрасты раковин моллюсков из морских осадков разреза «Эльтиген» (Керченский пролив) Палеоокеанология 230Th/U-датирование раковин моллюсков

23 Распространенность гидротермальных зон в Мировом океане (Hannington, de Ronde and Petersen, 2005) Изученные гидротермальные рудные поля входят в заявочный участок Мирового океана, поданный Российской Федерацией в Международную организацию по морскому дну (МОМД) при ООН для получения исключительных прав на поиски и разведку полиметаллических сульфидов на 15 лет. Заявка Российской Федерации была рассмотрена и одобрена Советом МОМД 19 июля 2011 года. Морская геология. Гидротермальные руды

24 Оценочные запасы ресурсной массы ПоляСемКрТАГ-МТАГ-АЛог1Аш1РейнСнПЛог2БрСп Возраст (тыс. лет) Млн. тонн 4017,69,93,92,01,30,81,00,250,4 Черный «курильщик» (САХ) Морская геология. Гидротермальные руды

25 There is one company named Nautilus Minerals which plans to start mining massive sulfides in the PNG Economic Zone in late One example for the estimate of the average metal value (based on market prices in the first half of 2008): Cu-rich ore (Solwara 1, Nautilus Licence Area in PNG) Assuming that the mining costs amount to about 160 USD/t, the costs for ore processing and metallurgy are about 270 USD/t, and the capex costs are in the range of 140 USD/ t: the remaining earnings before taxes are about 560 USD/t. Экономическая перспектива P. Halbach, 2011

26 Гидротермальные руды и металлоносные осадки Морская геология

27 Положение гидротермальных построек на ВТП поле с. ш. (по Богданову и др., 2006). До конца 80-х годов в пределах поля наблюдалась развитая гидротермальная деятельность. В 1991 г. произошло излияние магмы, лавовыми потоками которой были погребены функционировавшие источники и биота. Последующие экспедиции в этот район ВТП отмечали зарождение и развитие гидротермальных процессов во времени. Пробы гидротермальных обра- зований получены и описаны в 2003 г. в 49-м рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш» во время погружений ГОА «Мир». Молодые гидротермальные руды

28 238 U расп/мин гр. обр 234 U расп/мин гр. обр 230 Th расп/мин гр. обр 232 Th расп/мин гр. обр 230 Th/ 234 U 234 U/ 238 U Возраст, лет / / на пределе опред / /2-1P0.700+/ / на пределе опред / / / / на пределе опред / /6-IBV0.205+/ / на пределе опред / Содержание изотопов урана и тория в образцах сульфидных рудных отложений гидротермального поля с. ш. (ВТП). Содержание изотопов свинца и радия в образце (фрагмент верхушки колчеданной активной трубы). Слой мм 210 Pb расп/мин· г Pb μг/г 210 Pb/Pb расп/мин· μг 226 Ra расп/мин· г ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±0.7 Молодые гидротермальные руды

29 Палеогеография и четвертичная геология р. Лена

30 Tolokonka section Палеогеография и четвертичная геология

31 Хроностратиграфия * - All the dates (OSL, 230 Th/U-, 14 С) are arranged according to the stratigraphic sequence of the layers. Время формирования погребенных озерных осадков соответствует климатическому оптимуму морской изотопной стадии МИС-3, тырыбейскому потеплению, характерному для Северо-запада России

32 Хроностратиграфическое расчленение погребенных органогенных отложений по геохронологическим данным предыдущих лет и по материалам наших исследований ( 230 Тh/U датирование и палеонтологическое изучение). разрезыстарые геохронологические данныеновые геохронологические данные палеоклиматич. условия формирования орг. отложений количеств. возраст, т.л. хроностр. положение торфа (гиттии) палеоклиматич. условия формирования орг. отложений 230 Th/U даты T -1 (T -2) т.л; изотопная стадия хроностр. положение торфа (гиттии) Восточно-Европейская равнина Микулинопалинологич. зоны М4-М8, клим. условия теплее соврем нетвторая половина микулин. межледн. палинологич. зоны М5-М8, клим. условия теплее совр ±6.2/5.3 (110.1±9.3/7.5) конец 5е, 5d вторая половина микулин. межледн Муравазоны 5-7 клим. условия теплее соврем нетвторая половина оптимума мурав. (мик) межледн. зоны R PAZ mr6 - R PAZ mr7, клим. условия теплее соврем /5.8 ( /6.0) 5d-5c вторая половина оптимума мурав. (мик) межледн. Нятесосзоны М 3С -М 4, клим. условия теплее соврем. подстил.отл. ЭПР 112.1±25.9, 101.5±11.5 перекр. отл. ОСЛ 86±7, 98±12 вторая половина оптимума мярк. (мик) межледн. зоны М 3С -М 4, клим. условия теплее соврем ( ) от середины 5d до конца 5 стадии вторая половина оптимума мярк. (мик) межледн. Филипалиноспектры характеризуют клим. условия теплее соврем нетсредний или поздний неопл.? зоны М2-М4 клим. условия теплее совр /3.7 ( /5.8) 5d-5c первая половина микулин. межледн Мардасавас?нет средний или поздний неопл.? зона S8, сосновые леса с елью и березой климат. условия близкие к совр ± 22.5/13.9 (187.5±13.3/9.8) 7 стадия заключит. фаза снайгупел. межледн. Палеогеография и четвертичная геология

33 Погребенная древесина Перекрестное 14 С- и 230 Th/U- датирование пневого горизонта из почвенного горизонта «с» в разрезе у с. Липовка (р. Тобол) Лаб. номер тип образца 14 C-возраст BP, тыс. лет Калиб р. возрас т тыс. лет 230 Th/U возраст, вн. сл. тыс. лет СОАН гумус из почвы «с» 31.26±0.28 (Кривоногов, 1988) ЛУ- 6026* листвен- ница (ствол около пня) 32.64±0.38 (Арсланов и др., 2009) ± ±3.9 ЛУ растител ь-ный детрит 32.77±0.24 (Арсланов и др., 2009) – ЛУ листвен- ница (ствол около пня) 31.76±0.23 (Арсланов и др., 2009) ЛУ листвен ница (пень) 32.52±0.23 (Арсланов и др., 2009)

34 Травертины Результаты радиохимического изучения образцов паратравертинов из разреза «Пудость». ЛУУ Глуб см 238 U расп/ мин. г. 234 U расп/ мин. г. 230 Th расп/ мин. г. 232 Th расп/ мин. г. 230 Th/ 234 U акт. 234 U/ 238 U акт. Прямой возраст тыс.лет ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±0.5 Ижорское плато - участок распространения месторождений пресноводных биохемогенных карбонатов (паратравертинов) Древнее озеро, где осуществлялась генерация паратравертинов, было спущено около 6800 лет назад. Остатки древесины, залегающие ниже, имеют возраст около С-лет [Медведева А.А., Никитин М.Ю., 2009, 2010].

35 Руководитель лаборатории Й. Тиде Атлас фотографий растений и пыльцы из дельты р. Лена. Составлен по материалам Российско-Германских экспедиций в гг. Палинология Атлас

36 230 Th/U (до 300 т.л.) раковины моллюсков гидротермальные руды континентальные органогенные осадки травертины 210 Pb (до 120 лет) метод в разработке молодые гидротермальные руды Широкими и целенаправленными комплексными радиохимическими, геохимическими, изотопно- геохимическими, биостратиграфи- ческими исследованиями разных вещественно-генетических типов океанических и континентальных отложений показаны возможности практического применения ряда радиоизотопных методов датирования в палеогеографии, палеоклиматологии, палео- океанологии, морской геологии и др. смежных науках. океанические осадки, ЖМО 230 Th (до 300 т.л.) 231 Pa (до 150 т.л.) не рекомендуется 230 Th/ 232 Th 231 Pa/ 230 Th Выводы

37 Научные перспективы Палеогеографические, геолого-геоморфологические и геохронологические исследования: системы река Лена – море Лаптевых в кайнозое (подготовлены заявки на получение грантов DFG (Германия) и РФФИ (Россия); Арктики и Субарктики в целом и отдельных регионов; гидротермальные рудные поля Срединно-Атлантического хребта в пределах Заявочного участка РФ; Геоэкологические исследования полярных регионов; Экспериментальное обоснование возможностей и ограничений радиоизотопных методов датирования совершенно новых, ранее не датированных, вещественно-генетических типов отложений. Экспериментальное обоснование возможностей и ограничений радиоизотопных методов датирования совершенно новых, ранее не датированных, вещественно-генетических типов отложений. Руководитель лаборатории Й. Тиде

38 1) Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН (г. Москва) 2) Калининградское отделение Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН. 3) Институт Арктики и Антарктики (ААНИИ), Санкт-Петербург 1) Ocean University of China, Qingdao, China 2) ВНИИОкеангеология, г.Санкт-Петербург 3) Полярная морская геологоразведочная экспедиция (ПМГРЭ), Санкт-Петербург 1) State office for Environment, Nature protection and Geology of Mecklenburg-Western Pomerania, State Geological Survey; 2) University of Lodz, Poland 3) University of Tubingen, Germany 4) Институт географии СО РАН, г. Иркутск, 5) Институт мерзлотоведения СО РАН 6) Якутский государственный университет, г. Якутск 7) Институт географии ДВО РАН, г. Владивосток, 8) Геологический институт РАН, г. Москва, 9) Тюменский Государственный университет, г. Тюмень 10) Всероссийский Геологический Институт ВСЕГЕИ, г. Санкт-Петербург Научное сотрудничество и контракты Палеогеография и четвертичная геология Морская геология Палеоокеанология

39 Перспективы к концу 2012 г. будет выполнена задача-минимум по созданию современной научной лаборатории. выполнение всех организационно-технических и научно- исследовательских работ, обозначенных выше, открывает реальную перспективу создания в гг. на базе СПбГУ успешно функционирующей уникальной современной лаборатории, а по существу, - Центра, объединяющего в единое целое: - тесно связанных между собой естественнонаучных направлений, - полевых, лабораторно-аналитических и картографических исследований полярных регионов и Мирового океана.

40 Использование масс-спектрометров разного назначения позволит анализировать милли- и микрограммовые количества вещества. Это даст возможность определять химический, изотопный состав и возраст компонентов-индикаторов меняющихся условий палеосреды и геологических процессов в мелкомасштабной временной шкале. Так, например, использование высокоточной масс-спектрометрической аппаратуры позволит реконструировать климатические изменения в течение временных отрезков столетий и тысячелетий. Это, в свою очередь, открывает перспективы прогнозирования детальных кратко-, средне- и долгосрочных изменений климата в будущем. Стратегические цели – движение к масс-спектрометрии!

41 Санкт-Петербургский государственный университет Факультет географии и геоэкологии Кафедра геоморфологии Лаборатория «Геоморфологии и палеогеографии полярных регионов и Мирового океана»

42 Положение рудных полей Ашадзе-1 и -2 на профиле и результаты датировки образцов сульфидов Морская геология. Гидротермальные руды

43 Максимальные возрасты рудных построек гидротермальных полей района «Семенов» Показано: Масштабное рудообразо- вания началось не ранее 124 тыс. лет назад и продолжается до сих пор Гидротермальная актив-ность зародилась в восточной части района и продвигалась на запад, сохраняя стадийность Выделено не менее 12 эпизодов активизации гидро- термальной деятельности и рудоотложения, с ней связанного Морская геология. Гидротермальные руды

44 Погребенный торф (см), количество обр. T TSD -1 (т.л.)T L/L -1 (т.л.) T -1 (т.л.) T TSD -2 (т.л.)T L/L -2 (т.л.) T -2 (т.л.) Микулино (Россия) 6 обр / /7.5 - Фили (Россия) 3 обр / / / / / /5.8 Мурава (Беларусь) 3 обр / / / / / /6.0 Нятесос (Литва) 3 обр / / / /6.2 - Мардасавас (Литва) 4 обр / / / / / /9.8 Чембакчино 5 обр. (Зап. Сибирь) / / / / / /5.0 Кирьяс 4 обр. (Зап. Сибирь) / / / / / /3.4 Бедоба * 4 обр. (Центр. Сибирь) / / / / / /4.1 Шурышкары 3 обр. (Зап. Сибирь) / / /7.0 Малые Курилы (о.Танфильева) 4 внутр.слоя / / /3.9 Палеогеография и четвертичная геология 230 Th/U-датировки погребенных органогенных отложений