stringtranslate.com

Геотермометрия титана в цирконе

Кристалл циркона длиной около 250 мкм (фотография, полученная с помощью оптического микроскопа)

Геотермометрия титана в цирконе — это форма метода геотермометрии , с помощью которой температура кристаллизации кристалла циркона может быть оценена по количеству атомов титана , которые могут быть найдены только в кристаллической решетке . В кристаллах циркона титан обычно включен, заменяя одноименно заряженные атомы циркония и кремния . Этот процесс относительно не зависит от давления и сильно зависит от температуры, при этом количество включенного титана экспоненциально увеличивается с температурой, [1] [2], что делает его точным методом геотермометрии. Это измерение титана в цирконах может быть использовано для оценки температур охлаждения кристалла и вывода условий, при которых он кристаллизовался. Изменения состава в кольцах роста кристаллов могут быть использованы для оценки термодинамической истории всего кристалла. Этот метод полезен, поскольку его можно комбинировать с методами радиометрического датирования , которые обычно используются с кристаллами циркона (см. геохронология циркона ), для корреляции количественных измерений температуры с определенными абсолютными возрастами. Этот метод можно использовать для оценки ранних условий на Земле, определения метаморфических фаций или определения источника детритовых цирконов, а также для других целей.

Циркон

Элементарная ячейка циркона. Стрелки указывают на возможные места замещения атомов титана. Желтые сферы представляют атомы кремния, серые сферы представляют атомы циркония.
График содержания Ti (логарифм Ti ppm) в зависимости от температуры в градусах Цельсия. Упрощенная версия, измененная из Watson and Harrison 2005.

Циркон ((Zr 1–y , REE y )(SiO 4 ) 1–x (OH) 4x–y )) — ортосиликатный минерал, который обычно встречается как акцессорный минерал по всей земной коре. [3] Благодаря своей кристаллической структуре и геохимии циркон является широко исследуемым минералом из-за его полезности для геологов в качестве геохронометра и геотермометра.

С химической точки зрения циркон является особенно полезным минералом из-за его способности включать множество следовых элементов. Многие из этих элементов могут быть использованы для радиометрического датирования, чтобы обеспечить возраст кристалла. Известно, что он обменивает уран , торий и редкоземельные элементы (РЗЭ), такие как иттрий , [4] и лютеций . Однако химические потенциальные энергии этих замещений РЗЭ не очень хорошо изучены, поэтому они не подходят для определения температур кристаллизации. Титан также включен в циркон, и его скорости обмена были подробно изучены. Ti 4+ , ​​четырехвалентный ион, может заменять Zr 4+ или Si 4+ в температурно-зависимом механизме. Для цирконов в присутствии TiO 2 , то есть минерала рутила , этот процесс замещения является обычным и может быть измерен. [1] Циркон также полезен, поскольку его включение в состав других элементов, таких как уран, лютеций, самарий [ 5] и кислород [6], может быть проанализировано для получения более подробной информации о возрасте и условиях, в которых рос кристалл.

Термически циркон устойчив к перепадам температур и экстремальным условиям. Он стабилен до 1690 °C при давлении окружающей среды и имеет низкую скорость теплового расширения. Кристаллы циркона также являются одними из самых несжимаемых силикатных минералов. [3] Высокая прочность цирконов также позволяет им кристаллизоваться вокруг других силикатных минералов, создавая карманы или включения окружающих расплавов, которые указывают на магму при определенных давлениях и температурах. Это по сути образует временную капсулу, дающую представление о прошлых условиях, в которых образовался кристалл. [7]

Известно, что цирконы относительно сохраняют свои включенные изотопы и, таким образом, очень полезны для микроколичественных исследований. Такие катионы, как РЗЭ, [8] U, Th, Hf, [9] Pb , [10] и Ti [11], медленно диффундируют из цирконов, и их измеренные количества в минерале являются диагностическими для условий расплава, окружающих кристалл во время роста. Эта медленная скорость диффузии многих включенных элементов делает кристаллы циркона более склонными к образованию композиционной зональности, которая может представлять собой колебательную зональность или секторную зональность, поскольку состав расплава или энергетические условия изменяются вокруг кристалла с течением времени. [12] Эти зоны показывают композиционные различия между ядром и краем кристалла, предоставляя наблюдаемые доказательства изменений в условиях расплава. [13] Медленные скорости диффузии также предотвращают загрязнение за счет утечки или потери изотопов из кристалла, увеличивая вероятность того, что хронологические и композиционные измерения будут точными.

Методы

Упрощенная схема незональных (слева) и зональных (справа) цирконов. Красные точки обозначают места сканирования ионного микрозонда. Белая полоса составляет около 50 мкм.

В этом разделе будет рассмотрен процесс измерения содержания титана в цирконах, начиная со сбора образцов, разделения минералов, установки для микрозондового анализа и заканчивая микроколичественным элементным анализом. После того, как порода собрана, цирконы извлекаются с использованием ряда методов, таких как использование сита , тяжелой жидкости , встряхивающего стола и магнитной сепарации для разделения минералов на основе различных плотностей и свойств. Затем кристаллы циркона устанавливаются на эпоксидный или металлический дискообразный слайд [14] , где их можно обтесать примерно до половины толщины, чтобы выявить их внутреннюю структуру. Отсюда их можно визуализировать с помощью катодолюминесценции , чтобы сделать видимыми любые зональности в минерале. Если зональность очевидна, можно провести несколько измерений содержания Ti от центра до края, чтобы получить температурную эволюцию кристалла.

Последний шаг включает измерение распространенности титана в определенном месте на кристалле циркона с помощью ионного микрозонда. Для этого химический состав цирконов измеряется с помощью вторичной ионной масс-спектрометрии . Образец бомбардируется пучком первичных ионов, а заряд и масса выброшенных вторичных ионов измеряются для определения химического состава в точке контакта. Количественное значение содержания титана затем сравнивается с известным соотношением включения титана и температуры для определения температуры кристаллизации этой зоны циркона. Соотношение титана и температуры было рассчитано с использованием радиометрически датированных in situ цирконов с известными температурами расплава из окружающей породы. Это измерение титана в цирконе может быть выполнено несколько раз в зональных цирконах, что может регистрировать изменение температуры, которое произошло в результате многих геологических событий. [1] [2] [15]

Использует

Используя эту технику, можно оценить температуру кристаллизации цирконов, чтобы оценить температуру охлаждения кристалла. Такие геотермометрические методы могут предоставить доказательства изменений температуры в различных средах, термодинамической эволюции горных пород, постепенного изменения геотермического градиента в течение геологического времени и определить происхождение обломочных осадков. В сочетании с геохронологическими методами, которые измеряют с помощью радиометрического распада для датирования возраста горной породы, например , с распадом U/Pb, эти палеотемпературные измерения могут быть сопряжены с абсолютным возрастом, чтобы определить изменения температуры с течением времени.

Геотермометрия титана в цирконе до сих пор использовалась в магматических породах для оценки температур охлаждения магмы из кристаллов циркона, датируемых гадейским периодом (>4,0 млрд лет). Низкие температуры кристаллизации цирконов этого возраста позволяют предположить, что гадейская Земля содержала жидкую воду, которая снижала температуру охлаждения материалов земной коры. [2] Потенциально термометрия титана в цирконе древнейших цирконов Земли может показать прогрессирующую потерю тепла от магматической гадейской Земли до начала тектоники плит , когда кора планеты начала остывать и подвергаться пластической деформации. Это предоставит ранее неизвестные доказательства условий на ранней Земле и позволит проверить идеи о том, как планета развивалась в течение гадейского и архейского эонов.

Геотермометрия титана в цирконе может использоваться в цирконах, обнаруженных в метаморфических породах, для оценки условий давления и температуры во время метаморфизма. Это помогает идентифицировать метаморфические фации и, таким образом, геологическую обстановку горной породы. [16] [17] Ее также можно использовать в осадочных породах для определения источника обломочных минералов. Однако эти кристаллы иногда могут быть загрязнены внешним титаном, просачивающимся в трещины. [1] [15]

Ошибки и ограничения

Геотермометрия титана в цирконе считается относительно надежным и точным методом определения температур кристаллизации цирконов с погрешностью всего 10-16 градусов Цельсия. [2] Однако в этой методике используется несколько ограничений и допущений, которые увеличивают погрешность.

Основным ограничением этого метода является то, что он применим только в системах, содержащих титан или минерал рутил (TiO 2 ). В системах, в которых титан отсутствует или содержится в очень малом количестве, этот метод бесполезен, поскольку цирконы не будут включать титан, если его нет в магматическом расплаве. [2] Однако в последних моделях была учтена способность циркона заменять кремний или цирконий в кристалле титаном, используя независимые активности кремния и циркона. [18] Это расширило потенциальные возможности использования цирконов неизвестного происхождения из-за обилия кремния в земной коре. В некоторых кристаллах циркона включения минерала кварца (SiO 2 ) могут использоваться в качестве доказательства того, что кремний присутствовал во время кристаллизации, тем самым подтверждая использование этого геотермометра.

Из-за обилия радиоактивных элементов, которые могут быть включены в цирконы, они также подвержены повреждению от радиоактивного распада через процесс метамиктизации . Поскольку радиоактивные элементы внутри кристаллической решетки распадаются, они бомбардируют внутреннюю часть кристалла радиоактивными частицами. Это ослабляет кристалл и оставляет его треснувшим или разрушенным. [15] Это увеличивает вероятность утечки изотопов из кристалла и влияния на измерения титана или других элементов.

Еще одной сложностью этого микроанализа является загрязнение титаном внешних поверхностей. Недавние исследования выразили обеспокоенность по поводу золотого покрытия на поверхности ионного микрозонда , которое содержит небольшие количества титана (~1 ppm), что может привести к ошибке во время измерения. В детритовых цирконах, обнаруженных в осадочных источниках, титансодержащее оксидное покрытие на поверхности и в трещинах цирконов также может загрязнять кристалл избыточным титаном. [1]

Более поздние исследования также показали, что существуют дополнительные неизвестные факторы, которые способствуют включению Ti в цирконы. Химическая активность SiO 2 , изменение давления, неравновесная кристаллизация из расплавов, поздний рост кристаллов в водных расплавах или замещение не по закону Генри в кристаллах циркона могут играть роль в изменении прогнозируемых температур кристаллизации. [19]

Этот метод также ограничен несколькими предположениями, которые, хотя и являются обоснованными, могут оказаться непоследовательными в определенных ситуациях. Лабораторные исследования использовали постоянное давление при расчете температур охлаждения и предполагали, что давление не играет большой роли в инкорпорации титана. При оценке температур охлаждения повышенное давление учитывается за счет повышенных оценок температуры и, таким образом, увеличивает неопределенность оценок. [18]

Ссылки

  1. ^ abcde Watson, EB; Wark, DA; Thomas, JB (3 марта 2006 г.). "Кристаллизационные термометры для циркона и рутила". Contributions to Mineralogy and Petrology . 151 (4): 413–433. Bibcode :2006CoMP..151..413W. doi :10.1007/s00410-006-0068-5. S2CID  11920691.
  2. ^ abcde Уотсон, ЭБ; Харрисон, ТМ (6 мая 2005 г.). «Цирконовый термометр выявил минимальные условия плавления на самой ранней Земле». Science Magazine . 308 (5723): 841–843. Bibcode :2005Sci...308..841W. doi :10.1126/science.1110873. PMID  15879213. S2CID  11114317.
  3. ^ ab Finch, Robert J.; Hanchar, John M. (2003). «Структура и химия циркона и минералов группы циркона». Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 1–25. Bibcode : 2003RvMG...53....1F. doi : 10.2113/0530001.
  4. ^ Bea, F. (1996). «Расположение REE, Y, Th и U в гранитах и ​​протолитах земной коры; последствия для химии расплавов земной коры». Журнал петрологии . 37 (3): 521–552. Bibcode : 1996JPet...37..521B. doi : 10.1093/petrology/37.3.521 . Получено 29 ноября 2014 г.
  5. ^ Kinny, Peter D.; Maas, Roland (январь 2003 г.). «Изотопные системы Lu–Hf и Sm–Nd в цирконе». Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 327–341. Bibcode :2003RvMG...53..327K. doi :10.2113/0530327 . Получено 29 ноября 2014 г. .
  6. ^ Valley, John W. (январь 2003 г.). «Изотопы кислорода в цирконе». Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 343–385. Bibcode :2003RvMG...53..343V. doi :10.2113/0530343 . Получено 29 ноября 2014 г. .
  7. ^ Thomas, JB; Bodnar, RJ; Shimizu, N.; Chesner, CA (январь 2003 г.). «Расплавные включения в цирконе». Reviews in Mineralogy and Geochemistry . 53 (1): 63–87. Bibcode : 2003RvMG...53...63T. doi : 10.2113/0530063 . Получено 29 ноября 2014 г.
  8. ^ Черняк, диджей ; Ханчар, Дж. М.; Уотсон, Э.Б. (1997). «Диффузия редкоземельных элементов в цирконе». Химическая геология . 134 (4): 289–301. Бибкод :1997ЧГео.134..289С. дои : 10.1016/S0009-2541(96)00098-8.
  9. ^ Черняк, DJ; Ханчар, JM; Уотсон, EB (1997). «Диффузия четырехвалентных катионов в цирконе». Вклад в минералогию и петрологию . 127 (4): 383–390. Bibcode :1997CoMP..127..383C. doi :10.1007/s004100050287. S2CID  96293255.
  10. ^ Черняк, DJ; Уотсон, EB (2001). "Диффузия Pb в цирконе". Химическая геология . 172 (1–2): 5–24. Bibcode :2001ChGeo.172....5C. doi :10.1016/S0009-2541(00)00233-3.
  11. ^ Черняк, диджей; Уотсон, Э.Б. (9 мая 2007 г.). «Диффузия Ti в цирконе». Химическая геология . 242 (3–4): 470–483. Бибкод :2007ЧГео.242..470С. doi :10.1016/j.chemgeo.2007.05.005.
  12. ^ Черняк, Даниэль Дж.; Уотсон, Э. Брюс (январь 2003 г.). «Диффузия в цирконе». Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 113–133. Bibcode : 2003RvMG...53..113C. doi : 10.2113/0530113.
  13. ^ Корфу, Фернандо; Ханчар, Джон М.; Хоскин, Пол У.О.; Кинни, Питер (январь 2003 г.). «Атлас текстур циркона». Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 469–500. Bibcode : 2003RvMG...53..469C. doi : 10.2113/0530469 . Получено 29 ноября 2014 г.
  14. ^ "Подготовка образца". Подготовка образца SHRIMP RG . USGS . Получено 8 октября 2014 г.
  15. ^ abc Hoskin, PW; Schaltegger, Urs (2003). «Состав циркона и магматический и метаморфический петрогенезис». Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 27–62. Bibcode :2003RvMG...53...27H. doi :10.2113/0530027.
  16. ^ Эвинг, Таня А.; Германн, Йорг; Рубатто, Даниэла (апрель 2013 г.). «Надежность термометров Zr-в-рутиле и Ti-в-цирконе во время высокотемпературного метаморфизма (зона Ивреа-Вербано, северная Италия)». Вклад в минералогию и петрологию . 165 (4): 757–779. Bibcode :2013CoMP..165..757E. doi :10.1007/s00410-012-0834-5. S2CID  129193226.
  17. ^ Лю, И-Кань; Дэн, Лян-Пэн; Гу, Сяо-Фэн; Гроппо, К.; Рольфо, Ф. (январь 2015 г.). «Применение термометров Ti-в-цирконе и Zr-в-рутиле для ограничения высокотемпературного метаморфизма в эклогитах из орогена Дабие, Центральный Китай» (PDF) . Gondwana Research . 27 (1): 410–423. doi :10.1016/j.gr.2013.10.011. hdl : 2318/142443 .
  18. ^ ab Ferry, JM; Watson, EB (октябрь 2007 г.). «Новые термодинамические модели и пересмотренные калибровки для термометров Ti-в-цирконе и Zr-в-рутиле». Вклад в Mineralogy and Petrology . 154 (4): 429–437. Bibcode :2007CoMP..154..429F. doi :10.1007/s00410-007-0201-0. S2CID  129429412.
  19. ^ Fu, Bin; Page, F. Zeb; Cavosie, Aaron J.; Fournelle, John; Kita, Noriko T.; Lackey, Jade Star; Wilde, Simon A.; Valey, John W. (12 февраля 2008 г.). "Ti-in-zircon thermometry: applications and limits". Contributions to Mineralogy and Petrology . 156 (2): 197–215. Bibcode : 2008CoMP..156..197F. doi : 10.1007/s00410-008-0281-5. S2CID  15272322.