Изотопная геохимия. Часть III

Вы давно хотели приобрести земельный участок за городом и даже предпринимали несколько отчаянных попыток в поисках желаемого, раз за разом вбивая в поисковую строку Яндекса: “покупка и продажа земельных участков, которые, впрочем, закончились неудачей.
Я советую Вам посетить портал land247.ru, на котором собственники земли размещают свои предложения, а следовательно совершить сделку купли-продажи Вы сможете без посредничества в кратчайшие сроки.


В свете магнитной сепарации элементов изначально на Земле урана было на порядок больше, чем в поясе астероидов, тогда как содержание свинца и там и здесь было примерно одинаковым.
Начальная точка «кривой согласованного накопления» (точка А — первозданный свинец) определена по троилитовой фазе метеоритов. И эту точку мы принимаем в качестве «стартовой» для Земли, поскольку принимаем «Второе» исходное положение изотоп -ной геохимии (см. начало раздела).

Вместе с тем следует вспомнить, что помимо изотопов 235U и 238U существует еще один изотоп урана — 234U, с периодом полураспада = 2,44×105 лет. В настоящее время этот короткоживущий изотоп встречается лишь постольку, поскольку он присутствует среди прочих радионуклидов в ряду распада долгоживущего 238U. Однако, согласно «правилу Оддо-Гаркинса», можно утверждать, что в процессе нуклеосинтеза (взрыва Сверхновой, который определил исходный элементный состав Солнечной системы) урана-234 было синтезировано никак не меньше, чем урана-238. Спустя несколько миллионов лет после нуклеосинтеза этот 234U практически полностью распался, уже через 2,44 миллиона лет его содержание уменьшилось в 1000 раз. Здесь важно определить: сколько времени прошло от момента нуклеосинтеза до того этапа, когда магнитная сепарация определила состав протовещества в зоне формирования Земли, т.е. до этапа формирования протопланетного диска, который (как мы помним) был весьма кратким.

Вопрос этот представляется принципиально важным, поскольку 234U при распаде (так же как и 238U) превращается в 206Pb. И если это время было порядка одного миллиона лет, то 234U в существенных количествах мог войти в протовещество Земли (при этом в метеоритах его должно быть на порядок меньше).

Расчет времени от начала гравитационного стягивания межзвездной диффузной материи к своему центру тяжести и до момента вступления небулы в режим ротационной неустойчивости, когда, собственно, и произошел сброс протопланетного диска, — это одна из самых любимых задач астрофизиков. Считали многие и по-разному, но результат оказывался сходным: время гравитационного стягивания не должно превышать 106 лет. Если верить данному сроку, то на Земле вклад от распада 234U в долю радиогенного свинца 206Pb составил 11,5% от доли свинца, образовавшегося при распаде долгоживущего 238U (при условии, что изотопы 234U и 238U были образованы в равных количествах при нуклеосинтезе).

В свете сказанного эволюция изотопов свинца в земном веществе пойдет совсем не так, как изображено на рис. 46-а. За счет бы -строго накопления 206Pb от распада короткоживущего 234U должен был совершиться очень быстрый (в сопоставлении с возрастом планеты) «перескок» вправо от начальной «точки А», практически по горизонтали. И лишь после этого быстрого вклада 206Pb (в объеме 11,5%) эволюция свинца на Земле пошла по кривой согласованного накопления, как показано на рисунке 46-б. В поясе астероидов этот «быстрый вклад свинца-206» был на порядок меньше.

020512 1647 41 Изотопная геохимия. Часть III

Рис. 46-б. Изотопы свинца в рамках нашей модели.

Отличительный момент — горизонтальный отрезок в линии развития изотопов (вправо от исходной точки «А») за счет быстрого накопления свинца-206 от распада короткоживущего урана-234. В результате кривые согласованного накопления изотопов свинца от распада 235 U и 2138 U получают новый старт (проведены две кривые при μ = 8 и μ = 8,32). Геохрона, исходящая из новой стартовой точки, пересекает поле океанических базальтов примерно посередине и «свинцовый парадокс» исчезает.

Современные глубоководные осадки океана попадают точно на геохрону (кружок с лучиками).

Положение на диаграмме стратиформных галенитов (крестики) позволяет считать, что в архее на поверхности планеты ощущалось присутствие метеоритного свинца с его изотопной меткой, которая была полностью «стерта» в нижнем протерозое в процессе формирования континентальной коры.

Геохрона Земли, проведенная в рамках наших построений, рассекает поле океанических базальтов примерно посередине. Совершенно очевидно, что при таком «секущем» положении геохроны автоматически исчезает «свинцовый парадокс», поскольку появляется обедненный резервуар, комплементарный обогащенному. Приятно также видеть, что современные глубоководные осадки океана легли точно на нашу геохрону.

Однако есть ли необходимость проводить вторичную изохрону для того, чтобы объяснить линейный (якобы) характер поля океанических базальтов и выход его за геохрону, т.е. нужно ли предполагать дифференциацию подокеанической мантии где-то в интервале 1,5—2 миллиарда лет назад на два разобщенных резервуара с меньшим и большим отношением U/Pb против исходного? Мы полагаем, что можно обойтись без этого и объяснить положение океанических базальтов в рамках «одностадийной модели» развития уран-свинцовой модели.

Среди силикатов и окислов есть много минералов концентраторов урана (циркон, перовскит, сфен, ортит и др.), в которых исходное отношение U/Pb может достигать трех и даже четырех порядков. В настоящее время мы не знаем всего набора возможных интерметаллических соединений в металлосфере, но наверняка в ней также присутствуют фазы, концентрирующие уран. Соответственно со временем в этих фазах (концентраторах урана) отношение радиогенных изотопов к нерадиогенному свинцу будет гораздо выше среднего вмещающей среды (металлосферы). К тому же радиогенный свинец, появляющийся в урансодержащей фазе, оказывается «не в своей тарелке», в «изоморфно-чуждой» обстановке. Поэтому при подъеме температуры и повышении активности флюида происходит экстракция, прежде всего радиогенного свинца, тогда как нерадиогенный свинец может спокойно «пережидать невзгоды» в гостеприимной фазе-хозяйке, где он удобно расположился в «изоморфно-родственной» обстановке. При образовании океанических структур эти урансодержащие фазы могли быть вынесены к поверхности планеты с клиньями интерметаллических диапиров, которые, как было уже показано выше, внедряются холодными*.

————————————————————————————————————-

* Следует помнить, что температурный режим планеты, в рамках наших построений, совершенно иной. Прежде всего, жидкое состояние внешнего ядра, в нашем понимании, не от высокой температуры, а от присутствия водорода, растворенного в металлах. К тому же расширение Земли, идущее в мегабарном диапазоне давлений, чрезвычайно мощный охлаждающий фактор глубин. Периодическое повышение температуры в ядре планеты сопровождается дегазацией водорода-теплоносителя, но эта дегазация канализована, и, соответственно, вынос тепла из недр планеты уже давно идет по сравнительно узким каналам. Разумеется, эти каналы прогреваются теплоносителем, и этот прогрев должен был бы распространяться в окружающую металлосферу, у которой высокая теплопроводность. Но если в окружающей металлосфере содержится хотя бы небольшое количество растворенного водорода (слой D”, например), то этот водород будет втягиваться в канал, таким образом, создается движение теплоносителя в противоположном направлении, в сторону канала. Расчеты показывают, что этот «противоток» теплоносителя не позволяет теплу распространяться за пределы канала. В данной связи наше предположение о возможности существования в металлосфере урансодержащих фаз в закрытом состоянии не представляется абсурдным.

————————————————————————————————————-

В разделе 8.3 («Модель образования океана») мы красочно расписали, как верхняя часть интерметаллического диапира приобретает силикатную оторочку, которая при контакте силицидов с водой плавится (образуется «шляпа» силикатного расплава), и является источником базальтов в пределах рифтовых долин срединно-океанических хребтов. В этом расплаве, разумеется, происходит гомогенизация изотопов свинца, и такой расплав должен находиться точно на геохроне. Однако ниже, под расплавной шляпой, какой-то объем интерметаллических силицидов (во много раз превышающий объем расплава) прогревается, в результате чего урансодержащие фазы раскрываются и сбрасывают накопленный в них радиогенный свинец. Шляпа силикатного расплава может обогащаться этим радиогенным свинцом, и, таким образом, базальты оказываются справа от геохроны (как бы из обогащенного по урану источника). В дальнейшем, при следующем импульсе расширения, экстракция изотопов свинца будет происходить из того объема силицидов, который уже потерял какую-то долю радиогенного свинца. В результате базальты окажутся слева от геохроны, якобы из обедненного источника. Все это может повторяться многократно при внедрении очередных (свежих) клиньев интерметаллических диапиров в осевую часть срединно-океанических хребтов.

В разделе 9.4 мы связали происхождение «горячих точек» и базальтоидный вулканизм океанических островов с внедрением в литосферу струй горячего водорода (идущего от ядра) и силанов, которые вызывают магмагенерацию. Помимо водорода в этом флюиде должны присутствовать углерод, сера, фосфор, азот, хлор, фтор и др. элементы в виде разнообразных соединений. Безусловно, такой флюид вкупе с высокой температурой способен экстрагировать по пути следования все, «что плохо лежит», в том числе и радиогенный свинец, который в урансодержащих фазах находится в изоморфно-чуждой обстановке*.

————————————————————————————————————-

* Экспериментально было неоднократно показано, что при обработке породы кислотами или горячим флюидом (разнообразного состава) в вытяжке оказывается, как правило, более радиогенный свинец в сопоставлении с исходным изотопным составом свинца в породе.

————————————————————————————————————-

Объемы, промываемые этим флюидом в металлосфере, многократно превышают объем результирующей магматической выплавки. По этой причине на «свинец-свинцовой» диаграмме (рис. 46б) базальты океанических островов могут далеко уходить вправо от геохроны. Вместе с тем если магмагенерация длительно продолжается в одном и том же месте, то последующие выплавки будут продуцироваться флюидом, идущим по уже «промытым» объемам, из которых радиогенный свинец в какой-то мере был уже экстрагирован ранее. В результате базальты окажутся слева от геохроны.

Теперь обратимся к диаграмме на рис. 47, на котором изображение растянуто по вертикальной оси в несколько раз. Здесь пунктиром показана линия согласованного накопления, на которой точками (A-B-C-D) обозначено время закрытия урансодержащих фаз в различных объемах мантии. В точке Р (present — современное геологическое время) эти фазы раскрываются и сбрасывают радиогенный свинец в магматические выплавки по описанным выше сценариям. И если наши построения правомерны, то поле океанических базальтов на «свинец-свинцовой» диаграмме должно иметь форму перевернутой буквы «S». Таким образом, если традиционно принято считать, что наклон тренда океанических базальтов отражает некое активное событие в недрах планеты 1,5 миллиарда лет назад, сопровождавшееся повышением температуры и приведшее к разделению мантии на два резервуара, то наш подход свидетельствует об обрат -ном. По нашей версии, тренд океанических базальтов не может быть аппроксимирован прямой линией, как того требует вторичная изохрона. Он должен иметь изогнутую форму, и такое положение базальтов на «свинец-свинцовой» диаграмме обусловлено тем, что в различных объемах металлосферы урансодержащие фазы закрывались (в отношении изотопного обмена) в различное время, что происходило отнюдь не в связи с разогревом, а охлаждением.

020512 1647 51 Изотопная геохимия. Часть III

Рис. 47. Диаграмма, демонстрирующая возможность выхода океанических базальтов за геохрону в рамках одностадийной модели развития уран-свинцовой системы.

Точки А,В, C,D на кривой согласованного накопления отражают время закрытия урансодержащих фаз. Р — современная эпоха, когда произошло раскрытие фаз в отношении изотопного обмена. A’,B’,C’,D’ — положение выплавок, обогащенных радиогенным свинцом. Прописные буквы (abcd) показывают изотопные составы свинца в обедненных объемах.

Итак, судя по базальтам, U-Pb изотопная система в пределах океанов развивалась в рамках одностадийной модели вплоть до новейшего этапа эволюции планеты. Т.е. то, что мы сейчас наблюдаем во внутренних частях океанов, никогда раньше, в более ранние эпохи, не проявлялось в таких же масштабах, и глубинные зоны, расположенные под океанами, никогда ранее не принимали участия в магмагенерации. Процесс формирования резервуара «MORB» приобрел глобальное значение, по всей видимости, с юрского времени, когда в гидросферу стал поступать в больших количествах радиогенный 87Sr (см. рис. 45).

Теперь можно перечислить те резервуары, которые четко выделяются при нашем подходе к проблемам изотопной геохимии и которые могут быть источником магматических расплавов:

1. Прежде всего, это древний гиполит как первичная мантия.

2—3. Континентальная кора и рестит, появившиеся в своем преобладающем объеме в нижнем протерозое.

4. Молодой резервуар «MORB» мезо-кайнозойского возраста.

5. Дополнительно мы предполагаем, что в балансе изотопов свинца в магматических выплавках могут участвовать интерметаллические силициды металлосферы (содержащие фазы, обогащенные ураном). Глубинный водородный флюид (горячий, идущий от ядра), по пути следования через металлосферу, может обогащаться не только радиогенным свинцом, но также многими другими элементами. Никаких иных резервуаров, имеющих глобальную значимость, в рамках наших представлений быть не может.

Наше понимание изотопной геохимии позволяет определять (вычислять) некоторые параметры, которые прежде возможно было получить только эмпирическим путем. К примеру, мы можем рассчитать, каким должен быть изотопный состав гелия в современной Земле. Для этого сначала нужно обсудить проблему изначального отношения 3Не/4Не в Солнечной системе.

В железокаменных метеоритах, в одном и том же образце, отношение 3Не/4Не в силикатной фазе, как правило, ниже (примерно на 1,5 порядка), чем в металлической (рис. 48). Вместе с тем в металлической фазе практически нет урана и тория, тогда как в силикатной фазе они есть. По константам распада мы легко определяем, сколько их было изначально, и соответственно определяем количество радиогенного 4Не, выделившегося за 4,5 миллиарда лет. Расчеты показывают, если мы уберем радиогенный 4Не из силикатной фазы, то отношения 3Не/4Не в ней и железной фазе окажутся очень близкими или даже идентичными. На этом основании мы полагаем, что в железных метеоритах (в которых практически нет урана и тория) зафиксирован изначальный изотопный состав гелия Солнечной системы и его можно определить величиной 3Не/4Не ≈ 10-1.

Теперь покажем путь расчета современного отношения 3Не/4Не на Земле:

1. Определяем исходное содержание гелия в Протосолнце. В современном Солнце установлено 5 . 109 атомов Не/(на 106 атомов. Si). Согласно оценкам астрофизиков в Протосолнце содержание гелия было немногим меньше, порядка 1 . 109 ат. Не/(на 106 ат. Si).

020512 1647 61 Изотопная геохимия. Часть III

Рис. 48. Содержание изотопов гелия в железной (черные точки) и силикатной (светлые кружки) фазах железокаменных метеоритов. Выбраны образцы с одинаковым содержанием первозданного гелия—3 в обеих фазах, это указывает на удержание газов в образцах с момента их образования.

2. Проводим тренд на рис. 3 и согласно потенциалу ионизации гелия (23,58 В) определяем его коэффициент недостачи на Земле F = 5 . 10-13 (к сожалению, это мы можем сделать только с точностью «± порядок»).

3. По формуле: НеЗемля= НеСолнцеF определяем исходную концентрацию гелия на Земле порядка 5 . 10-4 ат. Не/(на 106 ат. Si).

4. Изначальный изотопный состав гелия в Солнечной системе определяем по изотопному составу гелия в железных метеоритах: 3Не/4Не= 10-1.

5. Исходя из современной концентрации урана на Земле 10-1 ат. и/(на 106 ат. Si), это на порядок больше, чем в метеоритах, и принимая современные отношения 238U/235U = 137,88 и Th/U = 3, определяем количество радиогенного гелия 4Не, выделившееся от распада урана и тория за 4,57 миллиарда лет.

Итак, мы определили исходное содержание гелия на Земле и его изначальный изотопный состав (3Не/4Не = 10-1). Добавка радиогенного изотопа 4Не от распада урана и тория, при нашей оценке содержания этих элементов, дает современное отношение 3Не/4Не = 2,7 . 10-5. Эта цифра удивительным образом совпадает с максимальными значениями отношения 3Не/4Не в базальтах океанических островов. Однако при нашей точности определения исходных параметров к этому совпадению (до знака после запятой) не следует относиться серьезно, нас вполне устраивает порядок величины (10-5). Согласитесь, если вы в расчетах используете значения, различающиеся на 21 порядок, и в результате получаете искомый порядок величины, то это уже вряд ли случайность, очень уж мала вероятность столь точного попадания по воле случая.

Таким образом, принятое нами содержание урана на Земле (на порядок большее, чем в метеоритах) согласуется с изотопным составом современного глубинного гелия. И еще, при таком содержании урана должно быть принято и расширение Земли, поскольку из-за масштабов генерации радиоактивного тепла планета с постоянным объемом была бы не в состоянии избежать полного плавления.

Наконец, отметим, что эволюция отношения 3Не/4Не в теле Земли от 10-1 до 10-5 разрешает присутствие древних минеральных фаз в недрах планеты с гелиевым изотопным отношением порядка 10-4 и даже 10-3. И если такие фазы будут обнаружены, то для них не надо придумывать внеземное происхождение. Помнится, я уже видел публикацию про алмазы с таким «аномальным» гелием. В рамках бытующих представлений автор этой публикации был вынужден предположить, что алмазы произошли где-то в космосе за пределами Земли, и потом долго и мужественно фантазировал относительно того, как они попали в кимберлитовую трубку.

Следует отметить, что если алмазы с отношением 3Не/4Не порядка 10-3 действительно существуют, то они могли быть образованы только в начальные 50 миллионов лет существования планеты (так показывают расчеты эволюции изотопного отношения гелия во времени). Однако в то время еще не было литосферы и планета (изначально холодная) только согревалась. Протопланетный конденсат во внешней зоне превращался в интерметаллические соединения, в которых углерод мог присутствовать в виде твердого раствора. С началом «водородной продувки» этот углерод должен был выделиться в виде самостоятельной фазы — алмаза. Возможность этого была показана нами экспериментально. В дальнейшем эти алмазы могли сохраниться при образовании литосферы (в условиях высоких давлений и водородного флюида, что способствует сохранению алмаза). И теперь мы их находим в минеральной ассоциации пироповых эклогитов (гранатовых пироксенитов), которые встречаются среди глубинных ксенолитов в кимберлитах*.

————————————————————————————————————-

* Я ни в коем случае не утверждаю, что все земные алмазы имеют такое происхождение. Скорее всего, таких (древних с «аномальным» гелием) мало. По всей видимости, преобладающая часть алмазов генерируется в самом процессе образования кимберлитов (а такжелампроитов и прочих мантийных дериватов). В данной связи следует вспомнить про силаны, которые способны восстанавливать углерод из карбонатов: CaCO3 + SinHm = CaSiO3 + C + H2. Эта реакция вполне может протекать при «алмазных давлениях». Постоянное присутствие в кимберлитах водорода и самородных металлов позволяет предполагать, что само образование кимберлитов было спровоцировано внедрением в литосферу силановых струй из металлосферы.

Видимо, следует еще раз напомнить, что по нашей модели образования океанов интерметаллические диапиры формируются в слое D”, в котором присутствует какая-то доля «остаточного водорода» (что уже обсуждалось где-то выше). После внедрения диапиров этот водород дегазируется. При этом он также собирается в струи, и, разумеется, они получаются малого размера, малой мощности, и, кроме того, у них совершенно иная температура, поскольку сами диапиры внедряются холодными. Эти струи не следует путать с потоками горячего водорода, идущего от ядра и образующего тектоногены.

————————————————————————————————————-


Найти на unnatural: Изотопная геохимия Часть
Автор: admin | 10 Февраль 2012 | 541 просмотров

Новые статьи:

Оставить комментарий:

Все размещенные на сайте материалы без указания первоисточника являются авторскими. Любая перепечатка информации с данного сайта должна сопровождаться ссылкой, ведущей на www.unnatural.ru.
Rambler's Top100