Геотермометрия титана в цирконе - Titanium in zircon geothermometry

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

Геотермометрия титана в цирконе - это форма метода геотермометрии , с помощью которого температура кристаллизации кристалла циркона может быть оценена по количеству атомов титана, которые могут быть обнаружены только в кристаллической решетке . В кристаллы циркона обычно включается титан, заменяющий одинаково заряженные атомы циркония и кремния . Этот процесс относительно не зависит от давления и сильно зависит от температуры, при этом количество введенного титана экспоненциально возрастает с температурой, что делает этот метод точной геотермометрии. Это измерение титана в цирконах можно использовать для оценки температуры охлаждения кристалла и определения условий, при которых он кристаллизовался. Изменения состава в кольцах роста кристаллов можно использовать для оценки термодинамической истории всего кристалла. Этот метод полезен, поскольку его можно комбинировать с методами радиометрического датирования , которые обычно используются с кристаллами циркона (см. Геохронологию циркона ), чтобы сопоставить количественные измерения температуры с определенным абсолютным возрастом. Этот метод может быть использован для оценки ранних состояний Земли, определения метаморфических фаций или для определения источника обломочных 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 - атомы циркония.
График содержания Ti (логарифм Ti ppm) в зависимости от температуры в градусах Цельсия. Упрощенная версия, модифицированная из Watson and Harrison 2005.

Циркон ((Zr 1 – y , REE y ) (SiO 4 ) 1 – x (OH) 4x – y )) - ортосиликатный минерал, который обычно встречается в качестве вспомогательного минерала в земной коре. Из-за своей кристаллической структуры и геохимии циркон является часто анализируемым минералом из-за его полезности для геологов в качестве геохронометра и геотермометра.

В химическом отношении циркон является особенно полезным минералом из-за его способности включать в себя множество микроэлементов. Многие из этих элементов можно использовать для радиометрического датирования, чтобы определить возраст кристалла. Известно, что он обменивает уран , торий и редкоземельные элементы (РЗЭ), такие как иттрий и лютеций . Однако химические потенциальные энергии этих замещений РЗЭ недостаточно изучены, поэтому они не подходят для определения температур кристаллизации. Титан также входит в состав циркона, и его обменные курсы были подробно изучены. Ti 4+ , четырехвалентный ион, может заменять Zr 4+ или Si 4+ по механизму, зависящему от температуры. Для цирконов в присутствии TiO 2 , то есть минерального рутила , этот процесс замещения является обычным и может быть измерен. Циркон также полезен, потому что в нем могут быть проанализированы другие элементы, такие как уран, лютеций, самарий и кислород , чтобы получить более полное представление о возрасте и условиях, в которых рос кристалл.

Термически циркон устойчив к перепадам температур и перепадам температур. Он стабилен до 1690 ° C при атмосферном давлении и имеет низкий коэффициент теплового расширения. Кристаллы циркона также являются одними из самых несжимаемых силикатных минералов. 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. По сути, это формирует капсулу времени, дающую представление о прошлых условиях, в которых формировался кристалл.

Цирконы, как известно, относительно удерживают включенные в них изотопы и поэтому очень полезны для микроколичественных исследований. Катионы, такие как РЗЭ, U, Th, Hf, Pb и Ti, 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 из включенных элементов делает кристаллы циркона более склонными к формированию композиционной зональности, которая может представлять собой колебательную зональность или секторную зональность, поскольку состав расплава или энергетические условия меняются вокруг кристалла с течением времени. Эти зоны демонстрируют различия в составе ядра и края кристалла, что дает видимые свидетельства изменений в условиях плавления. Низкие скорости диффузии также предотвращают загрязнение из-за утечки или потери изотопов из кристалла, увеличивая вероятность того, что хронологические и композиционные измерения будут точными.

Методы

Мультяшная версия беззональных (слева) и зональных (справа) цирконов. Красные точки обозначают места сканирования ионного микрозонда. Белая полоса около 50 мкм.

В этом разделе будет рассмотрен процесс измерения содержания титана в цирконах, начиная со сбора образцов, отделения минералов, монтажа для микрозондового анализа и заканчивая микроколичественным анализом элементов. После сбора породы цирконы извлекаются с использованием ряда методов, таких как использование сита , тяжелой жидкости , встряхивающего стола и магнитной сепарации для разделения минералов на основе различной плотности и свойств. Затем кристаллы циркона устанавливаются на предметное стекло из эпоксидной смолы или металла в форме диска, где их можно сбрить примерно на половину толщины, чтобы обнажить их внутреннюю структуру. Отсюда их можно отобразить с помощью катодолюминесценции, чтобы сделать видимыми любые зональности в минерале. Если зональность очевидна, можно провести несколько измерений содержания Ti от центра к краю, чтобы получить температурную эволюцию кристалла.

Последний шаг включает измерение содержания 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, и заряд и масса выброшенных вторичных ионов измеряются для определения химического состава в точке контакта. Затем количественное значение содержания титана сравнивается с известным соотношением включения титана и температуры для определения температуры кристаллизации этой зоны циркона. Отношение титана к температуре было рассчитано с использованием цирконов, датированных радиометрическим методом in situ с известными температурами плавления окружающей породы. Это измерение содержания титана в цирконе может быть выполнено несколько раз для зональных цирконов, что может зафиксировать изменение температуры, вызванное многими геологическими событиями.

Использует

Используя этот метод, можно оценить температуру кристаллизации цирконов, чтобы оценить температуру охлаждения кристалла. Геотермика метода , как это может предоставить доказательства изменений температуры в различных средах термодинамической эволюция пород, постепенное изменение геотермального градиента по геологическому времени , и определить происхождение из обломочных отложений. В сочетании с методами геохронологии, которые измеряют с использованием радиометрического распада для определения возраста породы, например, при распаде U / Pb, эти измерения палеотемпературы могут быть сопряжены с абсолютным возрастом для определения изменений температуры во времени.

Геотермометрия титана в цирконе до сих пор использовалась в магматических породах для оценки температуры охлаждения магмы из кристаллов циркона, датированных хадейским возрастом (> 4,0 млрд лет). Низкие температуры кристаллизации цирконов этого возраста предполагают, что Гадейская Земля содержала жидкую воду, которая снизила температуру охлаждения материалов земной коры. 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 охлаждаться и претерпела пластическую деформацию. Это предоставит ранее неизвестные доказательства условий на ранней Земле и позволит проверить идеи о том, как планета развивалась на протяжении эонов Хадея и Архея .

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, следовательно, геологическую обстановку горной формации. Его также можно использовать в осадочных породах, чтобы определить источник обломочных минералов. Однако иногда эти кристаллы могут быть загрязнены внешним проникновением титана в трещины.

Ошибки и ограничения

Геотермометрия титана в цирконе считается относительно надежным и точным методом определения температур кристаллизации цирконов с погрешностью всего 10-16 градусов Цельсия. Однако в этом методе используются несколько ограничений и допущений, которые увеличивают погрешность.

Основным ограничением этого метода является то, что его можно использовать только в системах, содержащих титан или минеральный рутил (TiO 2 ). В системах, в которых нет или очень мало титана, этот метод бесполезен, поскольку цирконы не будут включать титан, если он не присутствует в магматическом расплаве. Однако в последних моделях учтена способность циркона заменять кремний или цирконий в кристалле титаном за счет использования независимых активностей кремния и циркона. Это расширило возможности использования цирконов неизвестного происхождения из-за большого количества кремния в земной коре. В некоторых кристаллах циркона включения минерального кварца (SiO 2 ) могут использоваться в качестве доказательства присутствия кремния во время кристаллизации, что подтверждает правильность использования этого геотермометра.

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

Еще одна трудность этого микроанализа - загрязнение титаном внешних поверхностей. Недавние исследования выразили озабоченность по поводу золотого покрытия на поверхности держателей ионных микрозондов , которое содержит небольшое количество титана (~ 1 ppm), которое может привести к ошибке во время измерения. В обломочных цирконах, обнаруженных в осадочных источниках, оксидное покрытие, содержащее титан, на поверхности и в трещинах цирконов также может загрязнять кристалл избытком титана.

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 кристаллов циркона не по закону Генри - все это может играть роль в изменении прогнозируемых температур кристаллизации.

Этот метод также ограничен несколькими предположениями, которые, хотя и действительны, могут оказаться несовместимыми в определенных ситуациях. В лабораторных исследованиях при расчете температур охлаждения использовалось постоянное давление, и было сделано предположение, что давление не играет большой роли во введении титана. При оценке температуры охлаждения повышенное давление учитывается увеличением оценок температуры и, таким образом, увеличивает неопределенность оценок.

использованная литература