Динамическая модель изотопной эволюции свинца




Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер
Строительная теплофизика
Прочность сплавов
Основания и фундаменты
Осадочные породы
Прочность дорог
Минералогия глин
Краны башенные
Справочник токаря
Цементный бетон




13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017


13.07.2017





Яндекс.Метрика
         » » Динамическая модель изотопной эволюции свинца

Динамическая модель изотопной эволюции свинца

07.09.2017


Наш подход имеет общие черты, особенно в терминологии, с подходом Армстронга и Армстронга и Хейна, впервые применивших концепцию тектоники плит к объяснению закономерностей изотопной эволюции свинца. Основное различие между нашими моделями заключается в том, что при объяснении гетерогенности распределения урана, тория и свинца мы придаем особое значение комплементарной природе верхней и нижней коры, а не коры и мантии. Кроме того, для того чтобы сделать наш подход как можно более простым, мы не пытались восстановить все многообразие природных проявлений свинца в пределах отдельных резервуаров, но вместо этого построили лишь средние кривые его изотопной эволюции.
Рассмотрим перенос вещества — сначала общую его массу, а потом содержания урана, тория и свинца — между тремя земными резервуарами, обозначенными как мантия, верхняя (континентальная) кора и нижняя (континентальная) кора. В той частной модели, которую мы вывели, предусматривается существование 11 равномерно распределенных в пространстве периодов орогении в промежутке времени от 4,0 млрд. лет назад до настоящего времени (4,0 млрд. лет назад, 3,6 млрд. лет назад, ..., в настоящий момент), в течение которых отдельные порции вещества из ранее существовавших резервуаров превращались в новую верхнюю и нижнюю кору и часть материала возвращалась в мантию. Следуя за Армстронгом, мы рассматриваем только верхнюю мантию глубиной до 500 км, считая ее единым, гомогенным резервуаром. Верхняя и нижняя кора, образующаяся при каждом процессе орогении, превращается каждая в самостоятельные сегменты коры, которые могут принимать независимое участие в последующих стадиях развития модели.
Вначале все вещество находилось в мантии, из которой 4,0 млрд. лет назад образовался первый сегмент коры. Вслед за тем и мантия, и более древняя кора вносили свой вклад в образование новой коры в период орогении. В качестве первой аппроксимации скоростей аккреции мы принимаем, что во время всех орогений создаются одинаковые количества верхней и нижней коры. Однако количество коры, сохраняющейся после каждого последующего периода орогении, будет отвечать лишь той части, которая избежала разрушения при образовании новой коры. Наша цель — прийти в конце концов к такому строению земной коры, включая распределение значений возраста в отдельных сегментах, которое довольно точно отвечает современным условиям Земли.
За исключением минимально необходимого условия возникновения новой коры, наша модель не накладывает строгих ограничений на степень участия мантии в процессах орогении. Однако предположение о ранней быстрой дифференциации Земли и о более поздней, в основном независимой эволюции изотопного состава свинца в мантии ограничивает существенную роль мантии только первыми несколькими периодами орогении. Кроме того, поскольку частичное плавление может существенно обогатить магму некоторыми элементами по сравнению с присущими мантии концентрациями, количество мантийного материала, вовлеченного в процесс орогении, следует связывать с объемом подвергшегося экстрагированию материала источника, а не с объемом образующейся в результате вулканической породы. Таким образом, вклад мантии в орогенные процессы, выраженный как часть массы мантии глубиной до 500 км, до некоторой степени произвольно выбран как 1/2 — 4,0 млрд. лет назад, 1/4 — 3,6 млрд. лет назад, 1/8 — 3,2 млрд. лет назад, 1/16 — 2,8 млрд. лет назад и 1/32 в последующие периоды. Выбор именно таких значений действительно приводит к выводу, что всякое существенное перераспределение урана, тория и свинца между мантией и корой имело место на ранних стадиях развития Земли, а более поздний обмен веществом между резервуарами лишь незначительно влиял на мантию. Подобное ограничение никоим образом не отрицает ни того, что в самой мантии продолжала развиваться сложная внутренняя гетерогенность, ни того, что она продолжала служить важным ингредиентом в более поздние периоды орогении.

Для того чтобы воспроизвести действительные геологические условия, связанные с процессами орогении, рассмотрим два возможных проявления вклада древней земной коры в эти процессы. С одной стороны, происходят процессы эрозии, экспоненциально уничтожающие по очереди каждый предыдущий сегмент верхней коры вплоть до некоторого уровня эрозии. (Для j-го этапа орогении мы можем выразить остаточную высоту h каждого сегмента верхней коры, образовавшегося во время предыдущего этапа орогении i, по отношению к его исходной высоте h0 как h = h0e-k(j-i), где к — константа эрозионного среза, а этапам орогении даны номера от 1 до 11 по мере понижения их возраста.) С другой стороны, этот вклад проявляется как полное исключение некоторой части коры при взаимном наложении тектонических провинций и при опускании континентов, и он может быть аналогичным образом связан с площадью поверхности древней коры. (Для j-го этапа орогении мы можем выразить оставшуюся площадь а каждого сегмента коры, образовавшегося во время предыдущего этапа орогении i, по отношению к его исходной площади а0 как a = a0e-m(j-i), где m — константа уменьшения площади, а этапы орогении пронумерованы как и ранее.) Хорошее соответствие между принятой моделью и Землей наблюдается в том случае, если высота более древних сегментов коры снижается на 3/10 (т. е. k = —In 0,7) и если площадь более древних участков коры уменьшается на 1/10 (т. е. m = —In 0,9) по сравнению с их предыдущими значениями в ходе каждого последующего этапа орогении.

Основные черты принятой модели перечислены в табл. 2.3 и показаны на рис. 2.3, на котором изображены окончательные очертания выделенных резервуаров и обозначены некоторые геологические среды, имеющие отношение к последующему обсуждению. Эта модель теперь может быть использована для выяснения того, каким образом распределяется какой-либо химический элемент между участвующими в модели резервуарами в ходе геологического времени. Была составлена программа для компьютера, с помощью которой, используя данную модель, были определены концентрации свинца, урана и тория и изотопный состав свинца, отвечающие каждому этапу орогении. Для целей настоящей работы мы можем считать процесс орогении мгновенным событием, так что радиоактивный распад происходит лишь в резервуарах. В период орогении свинец, уран и торий, во-первых, экстрагируются из каждого резервуара в количестве, пропорциональном степени участия каждого из них в процессе орогении, во-вторых, полностью смешиваются химически и изотопически и, в-третьих, распределяются между вновь образованной верхней и нижней корой и мантией в соответствии с некоторыми коэффициентами распределения. Выбирая соответствующие значения распространенностей свинца, урана и тория и коэффициентов распределения между отдельными резервуарами, мы можем добиться наилучшего совпадения геохимических и изотопных параметров модели с наиболее достоверными оценками соответствующих величин для Земли. На практике эта цель была достигнута выбором оптимальных значений переменных и многократным расчетом соответствующих модельных параметров (методом последовательных приближений).

На рис. 2.3 показана диаграмма эволюции изотопного состава свинца, развивавшегося в соответствии с такой моделью; современные поля изотопного состава обозначены специальными условными знаками, отвечающими определенным геологическим средам, изображенным на рис. 2.2. Мы полагаем, что данная модель позволяет более глубоко понять общие особенности изотопной эволюции свинца и, в частности, включает те динамические процессы, которые приводят к широким изотопным различиям между отдельными зонами. Наиболее важными элементами на рис. 2.3 являются следующие; кривая, описывающая эволюцию свинца в мантии (а); кривая для орогена (b), выражающая суммарный результат привноса вещества из мантийного, верхнекорового и нижнекорового источника; кривая, отражающая вклад верхней коры в ороген (с); кривая, отражающая вклад нижней коры в ороген (d). Последние три источника могут быть строго оценены только во время орогении, а приведенные кривые будут довольно точно отражать процессы, происходящие в непрерывном варианте модели. На рис. 2.3 показаны также гипотетические двухстадийные системы, в которых вторая стадия характеризуется ускоренным темпом эволюции в верхней коре, имеющей возраст 1,6 млрд. лет (с), и замедленной эволюцией в условиях нижней коры, возраст которой равен 1,6 млрд. лет (d').
Относительное распределение свинца, урана и тория между верхней и нижней корой в условиях становящегося все более зрелым континента представляет собой именно ту сторону процесса, которая в наибольшей мере определяет различия в характере изотопного состава свинца, встречающегося в различной геологической обстановке. С другой стороны (и в отличие от большинства прежних динамических моделей), мы сохраняем почти неизменным отношение 238U/204Pb в мантии и в коре в целом. По мере эволюции коры отношение 238U/204Pb и (в меньшей степени) отношение 232Th/204Pb фракционируют, так что они приобретают высокие значения в верхней коре и низкие — в нижней. Мы предусматриваем значительно более эффективное накопление свинца в нижней земной коре по сравнению с верхней, поскольку процессы его извлечения действуют неравномерно в ходе последующих орогений. Верхняя кора подвергается воздействию процессов эрозии, а также поглощается в процессе орогении, тогда как нижняя кора испытывает только поглощение орогеном. Следовательно, отношения 238U/204Pb и 232Th/204Pb в верхней коре будут возрастать и изотопная эволюция свинца в ней будет ускоряться, так как уран и торий легче вовлекаются в циклические процессы, чем свинец. Однако, поскольку доступные количества этих элементов, которые могут быть перенесены в верхнюю кору, не беспредельны, принятая модель не допускает бесконечного ускорения изотопной эволюции свинца. По мере приближения к состоянию равновесия между процессами образования коры и ее разрушения все большие и большие объемы комплементарной нижней коры с низкими отношениями 238U/204Pb и 232Th/204Pb будут вовлекаться в процессы развития орогена. Мантия также привносит несколько менее радиогенный свинец в ороген по сравнению со свинцом, поступающим из верхней коры; особенно очевидно влияние мантийного свинца на отношение 207Pb/204Pb. В нашей модели комбинированный результат этих взаимно тормозящих факторов очевиден для последнего миллиарда лет, в течение которого отношение 207Pb/204Pb становится практически постоянным для той части верхней коры, которая вносит свой вклад в ороген (эволюция в условиях закрытой системы в течение того же промежутка времени привела бы к заметному возрастанию этого отношения).
В заключение сопоставим предсказанные и наблюдаемые свинцовоизотопные характеристики, соотнося их с определенной геологической обстановкой. Здесь и далее речь идет только о фанерозойских образованиях, причем особое внимание обращено на поля изотопного состава современного свинца (см. табл. 2.3 и рис. 2.3). В связи с радиоактивным распадом фактор времени приобретает существенное значение для палеозойских месторождений, и в этих случаях читатель может обратиться к соответствующим полям, отвечающим 0,4 млрд. лет. В последующих работах мы надеемся распространить выводы, полученные с помощью данной модели, более широко на все геологические времена. Ниже приводится классификация геологических обстановок и указываются типы изотопных составов свинца, которые можно ожидать в каждой из них. Эта классификация служит основой для дальнейшего рассмотрения отдельных типов геологических сред во второй части настоящей работы.

Океанические зоны. Поле изотопного состава свинца толеитов и мантийных ксенолитов ультраосновных пород почти точно совпадает с полем а (ср. рис. 2.1 и 2.3), и мы принимаем, что такой изотопный состав является представительным для большой части мантии. Более сложная картина наблюдается для свинца из некоторых островных базальтов, особенно для их более дифференцированных разностей, которые, очевидно, были отторжены от более необычного по своей природе источника. Поскольку мы полагаем, что материал источника этих островных базальтов, по-видимому, не вызвал существенной перестройки (будь то по объему или по длительности) в общем балансе мантийного свинца, вопрос о его необычном происхождении не нуждается в дальнейшем обсуждении.
В некоторых типах рудных месторождений был выявлен свинец мантийного типа, особенно в тех случаях, где вклад со стороны прочих источников был минимальным. В частности, он был установлен в колчеданных рудных залежах, переслаивающихся с толеитами, в металлоносных осадках, отобранных вблизи центров разрастания дна океана, в некоторых внутриплитных океанических отложениях и, возможно, в примитивных островных дугах, характеризующихся большим содержанием вулканической составляющей. В отличие от этого свинец подобного типа проникает в сформировавшуюся континентальную кору, не изменяя при этом в сильной мере свой изотопный состав, лишь в некоторых необычных случаях.
Континентальные области. Современные изотопные анализы горных пород и руд четко выявили разброс отношений 207Рb/204Рb при заданном отношении 206Рb/204Рb, причем наибольшие значения этого отношения весьма постоянно отмечаются в свинце континентальной природы, особенно в осадках, образовавшихся за счет более древних верхнекоровых пород. Такие породы, служившие источником осадков, характеризуются высокими средними значениями отношения 238U/204Pb и оказывают более существенное влияние на вещества, перерабатываемые в процессе орогении, чем комплементарная нижняя кора. Свинец, характеризующийся ускоренной изотопной эволюцией (т. е. поле с на рис. 2.3), распространен преимущественно в тех зонах, где образование магмы происходит в мощных толщах миогеосинклинальных пород, куда она впоследствии и внедряется, вызывая в этих породах минерализацию. Этот процесс иногда еще более усиливается в результате селективного извлечения радиогенного свинца при латеральной секреции или выветривании.
В нашей модели рассмотрены также обнаруженные среди древних образований коры особые условия среды, вызвавшие появление свинца с изотопными характеристиками, отвечающими его двухстадийной эволюции; примеры таких образований были найдены среди изверженных пород и рудных месторождений, приуроченных к омоложенным кратонам и некоторым платформенным бассейнам. В пределах нижней коры, слагающей стабильные докембрийские щиты, сохраняется наименее эволюционировавший свинец, отвечающий данному геологическому возрасту, — свинец, который по своему изотопному составу может приближаться к первичному свинцу, существовавшему в момент образования этого щита. Такие породы с низким отношением 238U/204Pb были использованы для получения важной информации, позволившей глубже понять процессы изотопной эволюции свинца в ходе геологического времени. Будучи вовлеченным позднее в более молодые породы или руды, такой свинец распознается по своему необычно нерадиогенному изотопному составу. В противоположность этому в породах верхней коры с высоким отношением 238U/204Pb будет происходить ускоренная изотопная эволюция присутствующего в них свинца. В зависимости от обстоятельств процессы мобилизации вещества могут происходить 1) либо наряду с привносом нерадиогенного свинца нижней коры, 2) либо в виде отдельных, не связанных между собой этапов минерализации без какого-либо привноса материала из глубинных зон. На рис. 2.2 и 2.3 приведены гипотетические примеры образования месторождений свинца, развивавшегося в соответствии с двухстадийной моделью, для случая, когда породы возраста 1,6 млрд. лет испытали процесс минерализации в новейшее время. Поле d' отвечает типичному изотопному составу свинца, отторженного от пород нижней коры при магматической мобилизации; связанные с этим эпигенетические процессы, протекающие в пределах верхней коры, приведут к расширению этого поля до его пересечения с полем с'. Поле с' может образоваться также самостоятельно за счет полного или частичного извлечения свинца целиком из верхней коры, что, возможно, наилучшим образом может быть продемонстрировано на примере месторождений долины Миссисипи.
Орогенная зона. Большие объемы силикатных изверженных пород и рудных залежей, несомненно, образуются в условиях орогенной зоны. Здесь происходят процессы седиментации, вулканизма, плутонизма, метаморфизма и быстрого эрозионного размыва, эффективно гомогенизирующие захваченное ими вещество, в результате чего наблюдается тенденция к устранению большей части изотопных различий, возникающих в мантии и в верхней и нижней коре. Вследствие этого мы можем построить среднюю кривую эволюции, которая предполагает существование источника с довольно однообразным распределением урана и свинца и тория и свинца, что противоречит сложной природе отдельных его составляющих (современный изотопный состав свинца, характерный для орогенной зоны, занимает поле b на рис. 2.3). В деталях, однако, такая кривая эволюции, очевидно, будет несколько отклоняться от кривой, которая следовала бы из модели эволюции в условиях действительно закрытой системы. Согласно нашей модели, такое отклонение, которое требует некоторого возрастания эффективного отношения 238U/204Pb с течением геологического времени к настоящему моменту, объясняется постепенным наращиванием нижней коры. Накопление свинца, относительно не подкрепленного радиоактивным распадом урана в нижней коре, приводит к соответствующему росту отношения уран/свинец в верхней коре, которая затем вовлекается в орогенные процессы.
Наиболее яркое проявление орогенных условий наблюдается в геологически активных островных и континентальных дугах. В эти природные «миксеры» поступают огромные количества толеитовых базальтов и пелагических осадков океанической коры, кластические и химические остаточные продукты из прилегающих участков континентальной коры, а также нижне-коровый и мантийный материал, слагающий мантийный клин, перекрывающий зоны субдукции. Изотопный состав свинца такой зоны должен отражать в соответствующей пропорции вклад, вносимый всеми составляющими; таким образом, свинец из примитивной островной дуги, окруженной открытым океаном, может попадать в нижнюю часть этого поля, а свинец из континентальной дуги, получающей значительную долю привносимого материала из кратонных источников, может попадать в верхнюю часть поля.