550. 4 Геохимия
 Скачать 0.49 Mb.
|
|
Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова технический университет) Кафедра минералогии, кристаллографии и петрографии ГЕОХИМИЯ Методические указания к лабораторным работам Санкт-Петербург 2006 2 УДК 550.4 ГЕОХИМИЯ. Методические указания по выполнению лабораторных работ Санкт-Петербургский горный ин-т. Сост А.Г. Марченко, В.В. Смоленский. СПб, 2006. 56 с. Изложены тематика, методические указания и порядок выполнения лабораторных работ по курсу Геохимия для студентов специальностей 130301 Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых, 130302 Поиски и разведка подземных води инженерно-геологические изыскания и 130306 Прикладная геохимия, петрология, минералогия. Табл. Ил. Библиогр.: 10 назв. Научный редактор проф. Ю.Б.Марин © Санкт-Петербургский горный институт им. Г.В.Плеханова, 2006 г. ВВЕДЕНИЕ Геохимия, наука о химическом составе Земли в целом и отдельных ее оболочек, об истории и судьбах атомов земного вещества, о законах их концентрации и рассеяния является неотъемлемой частью геологических науки самым тесным образом связана с химией, физикой, биологией и экологией. Ведь процессы естественной истории развития вещества – формирование земных оболочек, слагающих их пород, минералов и руд, их разрушение, взаимодействие с живым веществом, миграция химических элементов, их рассеяние или концентрация в окружающей среде – это процессы геохимические. Без понимания базовых закономерностей распространенности химических элементов и особенностей их поведения в различных геологических процессах невозможно полноценное освоение многих специальных дисциплин геологического профиля, а также квалифицированное проведение работ по поиску, разведке и оценке месторождений полезных ископаемых и экологических исследований. Лабораторные работы по курсу "Геохимия" выполняются студентами, обучающимися по направлению "Прикладная геология" входе изучения соответствующего теоретического курса. Целью лабораторных работ является закрепление студентами теоретических знаний по предмету, детальное ознакомление с особенностями геохимии отдельных элементов и изотопов, получение навыков работы с различными источниками геологической и геохимической информации, освоение способов обработки и интерпретации геохимических данных. Лабораторные работы по курсу "Геохимия" подразделяются на две категории 1) изучение геохимических свойств химических элементов и изотопов 2) обработка и интерпретация геохимических данных. В методических указаниях приводятся возможные темы лабораторных работ, рекомендации по их выполнению и требования к представляемым студентом материалам. В конце приведен список основной методической и справочной литературы, которой следует пользоваться при выполнении работ. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ИЗУЧЕНИЮ ГЕОХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЛЕМЕНТОВ И ИЗОТОПОВ Лабораторная работа Изучение геохимических свойств элементов Цель работы закрепить знания о геохимических свойствах отдельных элементов и групп элементов с близкими свойствами. Исходные данные учебная и справочная геохимическая литература. Решаемые задачи подготовить конспект по геохимии выбранных элементов и компьютерную презентацию, сделать устный доклад. Рекомендации по выполнению работы Результатом лабораторной работы является компьютерная презентация в формате PowerPoint с соответствующим устным докладом продолжительностью 20-30 минут, входе которой должны быть освещены следующие вопросы. Общие сведения об элементе история открытия и область применения основные физические характеристики основные химические свойства. Распространенность химического элемента в земной коре в магматических горных породах в осадочных горных породах в метаморфических горных породах в других природных объектах (гидросфера, атмосфера, биосфера основные минералы-носители. Поведение в геологических процессах (уровни концентрации, валентные состояния, формы нахождения, переноса и осаждения магматическом осадочном метаморфическом (включая выветривание. Формы нахождения, поведение вводной и воздушной средах, участие в биологическом круговороте. Основные типы месторождений. История открытия и область применения Материалы по истории открытия практически всех химических элементов и их применению содержатся в огромном количестве доступной справочной и научно-популярной литературе. В связи с этим, особый акцент в данном разделе необходимо сделать на том, в какой минеральной (или неминеральной) форме был впервые обнаружен химический элемент и с какими свойствами элемента связаны трудности его обнаружения и области применения. Некоторые элементы (например, представители группы редких земель) открывались и переоткрывались под разными именами. Для таких случаев желательно составить блок-схему последовательности открытия химических элементов. Основные физические характеристики и химические свойства В этом разделе особое внимание необходимо уделить положению элементов в Периодической таблице и вытекающей из этого информации особенности электронного строения, возможные валентности, положение в рядах электроотрицательности, атомные и ионные радиусы и т.п. Нужно сделать акцент на тех химических свойствах, которые наиболее часто проявляются в природных объектах (минералах, породах, природных водах и т.д.). Желательно указать наиболее близкие по физическими химическим свойствам элементы, с которыми возможны изоморфные замещения или схожее поведение в геохимических процессах. Также необходимо разобраться с химической (щелочные, щелочноземельные и т.п.) и геохимической (литофильный, халькофильный, сидерофильный, атмо- фильный) классификационной принадлежностью элемента. Распространенность химического элемента Данные по средним уровням содержаний химических элементов (кларкам) в различных геосферах и природных объектах имеются в соответствующей справочной и специальной литературе. Для наглядного представления этих цифровых данных, кроме таблиц содержаний, необходимо построить сравнительные графики или диаграммы. Диаграммы строятся с использованием программных пакетов Excel или Statistica и затем помещаются непосредственно в нужный слайд презентации PowerPoint стандартным копированием через буфер обмена Windows или другим привычным способом. Удобной для восприятия уровней содержаний является столбчатая диаграмма. При наличии определенных данных, на нее дополнительно могут быть вынесены пределы содержаний элемента и другая статистическая информация. Для изображения процентов распространенности (например 60% элемента сосредоточено в осадочных породах, 20% – в метаморфических ив магматических) рекомендуются круговые диаграммы. При необходимости могут быть использованы тройные, точечные и другие типы диаграмм. Независимо от вида диаграмм, все они, в обязательном порядке, должны иметь заголовки, обозначения осей и единиц измерения мас., % ο , % об, г/т, гл и т.п.) и условные обозначения. Предпочтительные единицы измерения содержаний: породообразующие элементы в горных породах - % мас., второстепенные и редкие элементы в горных породах – г/т, элементы в природных водах – гл. Основные минералы – носители элемента Большинство химических элементов имеют собственные минералы, те. входят в виде формульных компонентов в состав определенных минеральных видов. Для них должны быть указаны названия этих видов (с соответствующими формулами) и наличие существующих изоморфных рядов и схем изоморфизма. Если количество минеральных видов у химического элемента достаточно велико больше десятка, то необходимо указать их общее количество и информацию об основных типах минералов (например, сульфидов – 40 минералов, оксидов – 20, силикатов – 60 и т.п.) и подробно перечислить только самые распространенные. При наличии соответствующей информации желательно специально отметить самые редкие виды. Кроме собственных минералов, все химические элементы входят в другие минералы в виде элементов-примесей, а для некоторых элементов, например рубидия, это вообще единственная форма существования. Поэтому в этом разделе обязательно необходимо указать, в каких основных минералах ив каком количестве может содержаться данный химический элемент в виде примеси. Поведение в геологических процессах Информацию данного раздела необходимо проиллюстрировать специально построенными диаграммами, показывающими степень изменения содержаний и форм нахождения элемента при переходе от одной геологической обстановки к другой. Например, изменение содержания элемента при переходе от неизмененных магматических пород к глинистым корам выветривания, разница содержа- ний элемента в породах разной степени метаморфизма. Необходимые данные для построения таких диаграмм в большом количестве содержатся в специальной геологической литературе – журналах и монографиях по геохимии, минералогии и полезным ископаемым. Формы нахождения и поведение вводной и воздушной средах, участие в биологическом круговороте Следует указать, в каких формах может находиться и мигрировать химический элемент вводной и воздушной средах (в составе микровзвесей, в растворенном состоянии – в виде простых ионов, в составе комплексных ионов – указать каких, в составе недиссоции- рованных молекул – указать каких, и т.п.). Обратить внимание на типичное соотношение указанных форм нахождения и миграции в природных средах. Кратко указать, по имеющимся на сегодняшний день сведениям, насколько необходим данный элемент для живых организмов и с чем связана эта потребность, а также токсичность элемента и его соединений. Основные типы месторождений Необходимо перечислить основные типы месторождений химического элемента и увязать их с особенностями его поведения в геологических процессах (например, переменная валентность и легкая окисляемость приводят к формированию повышенных концентраций на окислительных барьерах и появлению определенного типа месторождений. Желательно построить столбчатые или круговые диаграммы, показывающие распределение месторождений по типам, объему запасов и географическому положению. Необходимо знать названия наиболее крупных и известных месторождений (как отечественных, таки зарубежных) и их географическое местоположение, которое может быть вынесено на соответствующую карту. Варианты заданий Вариант для выполнения работы выбирается студентом по согласованию с преподавателем, либо назначается преподавателем. Номер варианта Химические элементы Номер варианта Химические элементы 1) Fe, Mn, Cr; 11) Zr, Hf; 2) Ni, Co; 12) РЗЭ; 3) Cu, Ag; 13) U, Th; 4) Zn, Cd; 14) F, Cl, Br, I; 5) Pb, Hg; 15) S, Se, Te; 6) Au; 16) As, Sb; 7) Pt, Pd, Ru, Rh, Os, Ir; 17) Bi, Tl; 8) W, Mo; 18) Be, Sn; 9) Li, Rb, Cs; 19) Ti, V; 10) Nb, Ta; 20) Sr, Ba. Лабораторная работа Изучение геохимии изотопов Цель работы закрепить знания о геохимии изотопов и свойствах природных изотопных систем Исходные данные учебная и справочная геохимическая литература. Решаемые задачи подготовить конспект по геохимии выбранных изотопов и компьютерную презентацию, сделать устный доклад. Рекомендации по выполнению работы Результатом лабораторной работы является компьютерная презентация в формате PowerPoint с соответствующим устным докладом продолжительностью 20-30 минут о геохимии стабильных изотопов химического элемента либо о геохимии радиогенных систем радиоактивных и дочерних радиогенных изотопов. В зависимости от варианта, рекомендуется следующий порядок изложения. Стабильные изотопы Общая информация об изотопах данного элемента возможные изотопы стабильные изотопы. Распространенность элемента и его изотопов в земной коре в магматических горных породах в осадочных горных породах в метаморфических горных породах в других природных объектах (гидросфера, атмосфера, биосфера основные минералы-носители и изотопные стандарты. Причины и закономерности дифференциации изотопов в земной коре гидросфере атмосфере биосфере. Основные методы анализа и изучения изотопов данного элемента. Радиогенные системы Общая информация об элементах, радиоактивных и стабильных нуклидах возможные изотопы схемы радиоактивного распада, материнские радиоактивные и дочерние стабильные изотопы. Распространенность элементов и их изотопов в земной коре в магматических горных породах в осадочных горных породах в метаморфических горных породах в других природных объектах (гидросфера, атмосфера, биосфера основные минералы-носители и изотопные стандарты. Применение изотопных отношений для определения абсолютного возраста общая схема датирования возрастные пределы датирования и область применения метода возможные ошибки датирования. Применение изотопных отношений для определения источника вещества. Стабильные изотопы Общая информация об изотопах данного элемента Необходимо привести данные о существующих изотопах данного элемента и особенностях их физических свойств. В большинстве случаев данные удобно представлять в табличной форме. Информация о доле конкретных изотопов элемента в общей массе всех его природных изотопов может быть представлена в виде круговой диаграммы. Распространенность элемента и его изотопов Данные по средним уровням содержаний элементов и их изотопов в различных геосферах и природных объектах имеются в соответствующей справочной и специальной литературе. Для наглядного представления этих цифровых данных, кроме таблиц со- держаний, необходимо построить сравнительные графики или диаграммы. Диаграммы строятся с использованием программных пакетов или Statistica и затем помещаются непосредственно в нужный слайд презентации PowerPoint стандартным копированием через буфер обмена Windows или другим привычным способом. Удобной для восприятия уровней содержаний является столбчатая диаграмма. При наличии определенных данных, на нее дополнительно могут быть вынесены пределы содержаний элемента и другая статистическая информация. При необходимости могут быть использованы тройные, точечные и другие типы диаграмм. Независимо от их вида, все диаграммы, в обязательном порядке, должны иметь заголовки, обозначения осей, единиц измерения (%;% ο; % мас., % об, г/т, гл и т.п.) и условные обозначения. В этом же разделе должны быть указаны наиболее часто используемые изотопные стандарты (стандартные образцы, а также минералы или другие природные объекты (воды, газы, биологические объекты, рекомендуемые или традиционно используемые для анализа на данные изотопов. Причины и закономерности дифференциации изотопов Информацию данного раздела необходимо проиллюстрировать специально построенными блок-схемами и диаграммами, показывающими степень изменения содержаний изотопных отношений в процессах дифференциации изотопов с разной массой входе определенных геологических процессов (кристаллизации магматических расплавов, испарения и конденсации природных води т.п.). Необходимые данные для построения таких диаграмм в большом количестве содержатся в специальной геохимической литературе – журналах и монографиях по изотопной геологии и геохимии. Радиогенные системы Общая информация об элементах, радиоактивных и стабильных нуклидах Материал подготавливается по требованиям, аналогичным пунктам общая информация и распространенность элемента и его изотопов, приведенным выше в разделе Стабильные изотопы. Принципиальным отличием является необходимость привести сведения о изотопах как материнских, таки дочерних нуклидов и построить схемы радиоактивного распада. Схема может быть нарисована в любом графическом редакторе и скопирована в презентацию либо построена при помощи встроенного графического редактора PowerPoint (Меню Вставка→Рисунок→Автофигуры и т.д.). Применение изотопных отношений для определения абсолютного возраста В данном разделе необходимо привести формулы расчета абсолютного возраста на основе изотопных отношений (Меню Вставка→Объект→Microsoft Equation 3.0 и т.д.) и привести примеры диаграмм для соответствующих изотопных систем (изохроны, конкордии и т.п.). Диаграммы могут быть построены при помощи программ Excel и Statistica или вставлены в виде готового рисунка. В обязательном порядке должна содержаться информация о возможностях данного метода датирования и области его применения (для какого диапазона возрастов, каких породи минералов и т.д.). Отдельно необходимо указать сведения о возможных ошибках например, обогащение атмосферным аргоном в K-Ar методе и т.п.), об ограничениях данного метода и способах их избежать, например, в результате определенной схемы пробоотбора или анализа. Применение изотопных отношений для определения источника вещества Для некоторых изотопных систем (Rb-Sr, Sm-Nd и др) существуют определенные методики определения начальных изотопных отношений (начальное отношение изотопов стронция, так называемый эпсилон неодима и др) и их сравнения с модельными значениями, позволяющие на этой основе сделать выводы о природе (или расположении) источника вещества, сформировавшего изучаемый геологический объект. В большинстве случаев речь идет о разделении корового и мантийного источников, но иногда изотопные отношения позволяют выделять более тонкие градации, указывающие на конкретные геодинамические обстановки. Если метод анализа изотопной системы позволяет решать такие задачи, то необходимо привести соответствующую информацию в табличной форме или в виде диаграмм. Варианты заданий Вариант для выполнения работы выбирается студентом по согласованию с преподавателем, либо назначается преподавателем. Стабильные изотопы 1) Водород 2) Кислород 3) Сера 4) Углерод 5) Азот. Радиогенные изотопные системы 1) K – Ar; 2) Rb – Sr; 3) Sm – Nd; 4) Re – Os; 5) U – Pb; 6) Th – Pb; 7) Pb – Pb; 8) 14 C – 14 N. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО ОБРАБОТКЕ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ДАННЫХ Лабораторная работа Оценка распространенности химических элементов в главных разновидностях горных пород Цель работы закрепить знания о средней распространенности химических элементов в главных разновидностях горных пород земной коры на примере ряда конкретных элементов. Исходные данные справочные сведения о средних содержаниях химических элементов в земной коре и главных разновидностях магматических и осадочных горных пород. Решаемые задачи проиллюстрировать относительную распространенность ряда химических элементов в различных горных породах с помощью численных показателей и наглядных графиков дать заключение о характерных группах элементов, обычно накапливающихся в тех или иных горных породах. Общие сведения Численные значения средних содержаний химических элементов в земной коре получили наименование кларков в честь американского ученого ФУ. Кларка, который в конце XIX века впервые составил сводку среднего химического состава континентальной земной коры. По мере углубления представлений о строении и составе земной коры кларки постоянно уточняются. Кроме того, к настоящему времени достаточно точно определены средние содержания элементов в главных разновидностях горных пород. Чтобы оценить, является ли содержание элемента в рассматриваемом геологическом объекте, в данном случаев той или иной горной породе, повышенным либо пониженным по сравнению с кларком земной коры, удобно использовать так называемый кларк концентрации - численный показатель, вычисляемый как отношение содержания элемента в данной породе C к кларку C K : KK = Если в числитель этой формулы подставляются средние содержания элементов в горной породе определенного типа, то вычисленные величины кларков концентрации тоже будут представлять собой средние значения для данной разновидности пород. Значение KK > 1 говорит о том, что для данного элемента характерно относительное накопление в соответствующей разновидности горных пород иными словами, данный химический элемент является типичным, характерным для этой породы. И наоборот, значения KK < 1 свидетельствуют, что данный элемент обычно содержится в соответствующей породе в пониженных (дефицитных) количествах. Проанализировав таблицы данных по средним содержаниям и кларкам концентрации элементов в различных горных породах и построив иллюстративные графики, легко сделать заключение о группах элементов, характерных либо, наоборот, нехарактерных для пород того или иного типа. Порядок выполнения работы 1. Каждому студенту выдается номер варианта, которому соответствует свой набор элементов. Используя справочные табличные данные по средним содержаниям химических элементов в земной коре и главных разновидностях магматических пород, составить таблицу средних содержаний заданного вариантом работы набора элементов в разных магматических породах (табл. 1). 2. Построить графики, демонстрирующие средние значения кларков концентрации элементов в различных магматических породах. По горизонтальной оси через равные интервалы откладывают категории – типы пород в той же последовательности, что ив таблице (ультраосновные – основные- … - щелочные. Поверти- кальной оси откладывают численные значения средних значений кларков концентрации элементов. При этом строют 2 комплексных графика на одном совмещаются частные графики макроэлементов главных породообразующих элементов из заданного вариантом набора, на другом – частные графики микроэлементов. Если на томили ином графике значения KK каких-либо элементов выходят за пределы интервала 0.1 – 10, для вертикальной оси желательно использовать логарифмический масштаб. Таблица 1 Форма таблицы средних содержаний химических элементов в земной коре Средние содержания химических элементов Магматические горные породы Si, % Mg, % Li, г/т Sb, г/т ……. Ультраосновные ……. ……. ……. ……. ……. Основные (базальты континентов) ……. ……. ……. ……. ……. Основные (базальты океанов) ……. ……. ……. ……. ……. Средние ……. ……. ……. ……. ……. Кислые ……. ……. ……. ……. ……. Щелочные (сие- ниты) ……. ……. ……. ……. ……. Кларк земной коры ……. ……. ……. ……. ……. Примечание набор элементов в шапке таблицы заполняется в соответствии с вариантом задания. 3. Построить график соотношения средних содержаний элементов в континентальных и океанических базальтах. По горизонтальной оси откладывают символы элементов в том же порядке, что ив таблице. По вертикальной оси откладывают отношения средних содержаний элементов в континентальных (числитель) и океанических (знаменатель) базальтах. Если численные значения отношений выходят за пределы интервала 0.1 – 10, для вертикальной желательно использовать логарифмический масштаб. 4. Проанализировав полученные таблицы и графики, следует сделать заключение о наиболее характерных и наиболее дефицитных элементах тех или иных магматических пород. Результаты представить в форме таблицы 2. Таблица 2 Форма таблицы характерных и дефицитных элементов магматических пород Разновидности магматических пород Наиболее характерные относительно накапливающиеся) элементы Нехарактерные наиболее дефицитные) элементы Ультраосновные Mg, Ni, …… Si, Основные Средние Кислые …… Mg, Щелочные (сиениты) …… Mg, В этой таблице каждый элемент следует указывать только для тех пород, в которых кларк концентрации достигает экстремального или почти экстремального значения. Например, средние содержания магния уменьшаются в следующей последовательности ультраосновные породы (27,3%) – основные породы (базальты океанов, базальты континентов – 4,08%) – средние породы (1,96%) – кислые породы (0,66%) – щелочные породы (0.58%). Поэтому магний является наиболее характерным элементом ультраосновных магматических пород (резко повышенное относительно других магматических пород среднее содержание) и наименее характерным элементом кислых и щелочных магматических пород (наиболее низкие, близкие по величине средние содержания. Таблица 3 Форма таблицы относительного накопления элементов Сравнение континентальных и океанических базальтов Относительно накапливающиеся элементы Континентальные базальты Океанические базальты Mg, При заполнении таблицы 3 оперируют рассчитанными отношениями коэффициентов концентрации либо средних содержаний элементов в континентальных (числитель) и океанических (знаменатель) базальтах. Например, у магния отношение соответствующих содержаний равно 4,08% / 4,57% = 0,89, поэтому магний попадает в нижнюю строчку как элемент, относительно накапливающийся в океанических базальтах. Если указанное отношение, наоборот, больше единицы, элемент более распространен в континентальных базальтах. Если же отношение равно или почти равно единице, соответствующий элемент не проявляет дифференциации между двумя главными типами базальтов ив таблице не указывается. 5. Аналогично пункту 1, составить таблицу средних содер- жаний заданного вариантом работы набора элементов в разных осадочных породах глинах и глинистых сланцах, песчаниках, карбонатных породах. 6. Аналогично пункту 2, построить графики, демонстрирующие средние значения кларков концентрации элементов в различных осадочных породах. 7. Аналогично пункту 4, проанализировать полученные таблицы и графики и сделать заключение о характерных и нехарактерных элементах тех или иных осадочных пород. Результаты представить в виде таблицы 4: Таблица 4 Форма таблицы характерных и дефицитных элементов осадочных пород Разновидности осадочных пород Характерные (относительно накапливающиеся) элементы Нехарактерные дефицитные) элементы Глины и глинистые сланцы Песчаники …… Mg, Карбонатные породы Mg, Поскольку здесь сравниваются всего лишь три главные разновидности осадочных пород, каждый элемент следует указывать только для той породы, в которой кларк концентрации или содержание достигает экстремального значения. Например, средние содержания магния равны в глинах и глинистых сланцах – 1,54%, в песчаниках, в карбонатных породах – 4,6% (при кларке земной коры 2,26% кларки концентрации равны, соответственно, 0,68, 0,32 и 2,04). Поэтому магний является наиболее характерным элементом карбонатных осадочных породи нехарактерен для песчаников. Заметим, что если даже максимальный средний кларк концентрации какого-либо элемента оказывается меньше единицы, все равно следует считать, что элемент накапливается в данной осадочной породе относительно двух других типов осадочных породи этот элемент попадает в разряд характерных (относительно накапливающихся. Рекомендации по выполнению работы Поскольку все вычисления и графические построения являются простыми, работа легко может быть выполнена вручную с использованием карманного калькулятора, карандаша и линейки. Однако более удобно выполнять работу на компьютере с использованием программы Excel или других программ, позволяющих работать с электронными таблицами и строить графики. Результаты представляют в виде рукописных материалов либо распечаток. Варианты заданий Номер варианта Набор химических элементов 1) Si, Ca, Na, Mg, Cu, Zn, Ni, Co, Be, Ta, Nb, U; 2) Si, Al, Fe, K, Cu, Pb, Zn, Cr, Co, La, Ce, Th; 3) Si, Ca, Mg, Al, Ti, V, Li, Be, Sr, Mn, Co, Pt; 4) K, Na, Ca, Mg, P, C, V, Zn, W, Mo, Sr, Ni; 5) Fe, Si, Al, K, U, Th, Cr, Ni, Co, Au, W, Li; 6) Mg, Ca, Na, Al, La, Y, Sc, Cu, Zn, Pb, Sn, W; 7) Si, Al, K, Fe, Li, Be, Mn, Zr, Sm, Nd, U, Cr; 8) Al, Mg, Ca, Na, Cr, Ni, Co, Pd, V, Ti, Ga, Be; 9) Si, Al, Fe, Ca, Sr, Ba, W, Mo, Zn, Pb, Sn, Ta; 10) O, Si, Mg, K, Sb, As, Ni, Co, Be, Li, Au, Ag; 11) Fe, Mg, K, Al, Cr, Ni, V, Mn, C, Sr, W, Sn; 12) Si, Al, Na, Mg, U, Zr, Hf, La, Ce, S, Cu, Ni. Лабораторная работа Определение абсолютного возраста магматических горных породи типа источников магм по изотопным отношениям Цель работы научиться определять абсолютный возраст древних магматических горных пород по соотношениям радиоактивных и радиогенных изотопов в породе и слагающих ее минералах, а также оценивать вероятный тип исходных магм по индикаторным изотопным параметрам. Исходные данные таблицы соотношений изотопов Rb и Sr (рубидий-стронциевый метод) или Sm и Nd (самарий-неодимовый метод) в пробах породы или минералов данной породы, полученные с помощью масс-спектрометрического анализа. Данные для расчетов выдает преподаватель. Решаемые задачи определить абсолютный возраст t (в млн. лет) изучаемой породы определить индикаторный изотопный параметр (I Sr или ε Nd ) и по его величине сделать заключение о типе магматического источника, из которого образовалась изучаемая порода. Общие сведения и методические указания Радиологические (ядерно-геохронологические) методы определения абсолютного возраста минералов игорных пород используют соотношения радиоактивных (материнских, родительских) и радиогенных (дочерних) изотопов. В основе лежит закон радиоактивного распада естественных радионуклидов и соответствующего накопления дочерних стабильных нуклидов. С учетом возможного наличия некоторого начального количества атомов дочернего изотопа в магме в момент ее застывания, связь между дочерними материнским изотопом запишется следующим образом , ) 1 ( 0 − + = t e P D D λ где D 0 - начальное количество атомов дочернего изотопа в минерале или породе в момент их образования D - количество атомов дочернего изотопа в настоящий момент времени P – количество атомов материнского (родительского) изотопа в настоящий момент λ - постоянная радиоактивного распада материнского изотопа, t – абсолютный возраст минерала или породы, те. время, прошедшее с момента образования породы до настоящего момента. При практическом использовании этого уравнения все его члены нормируются на количество атомов определенного нерадиогенного (стабильного) изотопа дочернего элемента D s , те. используются не абсолютные, а относительные количества радиоактивного и радиогенного изотопов D / D s , D 0 /D s , P / D s . Наиболее надежные оценки возраста магматической породы могут быть получены на основе так называемой изохронной модели. Ее использование правомочно, если исследуемые образцы породы или минералов можно рассматривать как изотопную систему, удовлетворяющую следующим допущениям 1) все исследуемые образцы изучаемой породы или извлеченных из нее минералов когенетичны, те. образовались водном процессе кристаллизации магмы и имеют одинаковый возраст 2) в момент своего образования они захватили разное количество дочернего элемента, но одинакового изотопного состава 3) система оставалась закрытой для материнского и дочернего элементов с момента образования породы или ее минералов до настоящего времени (либо, в крайнем случае, изотопы материнского и дочернего элементов частично мигрировали, нов таких атомарных количествах, которые не изменили изотопных соотношений. При соблюдении этих условий в координатах относительных атомных количеств материнского и дочернего изотопов точки, соответствующие разным образцам (пробам, ложатся напрямую линию – изохрону, а по параметрам этой линии вычисляются абсолютный возрасти начальное отношение изотопов дочернего элемента D 0 Уравнения изохрон рубидий-стронциевого и самарий- неодимового методов, которые в последнее время очень широко используются для изучения древних магматических пород, записывают через соотношения атомных количеств изотопов следующим образом Эти уравнения можно записать в обобщенном виде так Y i = a + X i × b Если у нас имеется не менее х измерений изотопных соотношений и Y i , те. количество уравнений типа Y i = a + bX i не менее трех (n ≥3), то значения параметров a и b можно найти как оценки параметров уравнения линейной регрессии с положительным коэффициентом корреляции r. Работу с изотопными данными следует начинать с построения поля корреляции изотопных отношений и Y i на графике с горизонтальной координатой X и вертикальной Y. Если все n точек, по визуальной оценке, хорошо укладываются на наклонно возрастающую прямую линию, то это означает, что можно пользоваться изохронной моделью ив последующих вычислениях использовать результаты анализа всех n проб. Если окажется, что большинство точек ложатся напрямую, а 1 – 2 точки резко отклоняются от нее, это означает, что в соответствующих 1- 2 пробах либо была нарушена закрытость изотопной системы, либо соответствующие минералы или фрагменты породы имеют иной возраст, чем остальные минералы изучаемой породы. В этом случае нужно исключить данные по отклоняющимся пробам из дальнейших расчетов. Если же большинство точек не укладывается напрямую линию, то применение изохронной модели вообще неправомочно, и расчеты, методика которых описана ниже, выполнять не следует. Назаре применения изотопных методов геохронологии абсолютный возраст t вычисляли по тангенсу угла наклона изохроны параметр b линейного уравнения Y = a+ bX), который определяли непосредственно по графику. Сейчас используют специальные математические алгоритмы. Для определения абсолютного возраста t и других искомых параметров в упрощенном варианте можно воспользоваться уравнением приведенной главной оси линейной регрессии. Оценки параметров уравнения Y = a+ bX будут следующими b = S y / S x ; a = Y – b X , где и Y – средние арифметические значения X и Y, соответственно S x и S y – их среднеквадратические (стандартные) отклонения. Точность оценок a и b определяется погрешностями s(a) и s(b): 2 1 ) ( 2 − − = n r S a s y ; 2 Абсолютный возраст изучаемого геологического объекта оценивается через параметр наклона изохроны b: Для рубидий-стронциевого метода λ Rb = 1,42 ×10 -11 год, для самарий-неодимового λ Sm = 6,54 ×10 -12 год -1 Начальные отношения изотопов стронция I Sr = ( 87 Sr/ 86 Sr) 0 или неодима I Nd = ( 143 Nd/ 144 Nd) 0 определяются величиной параметра a, который на графике изохроны находится в точке ее пересечения с осью ординат Y: I = a. Полученная величина начального изотопного отношения I позволяет прояснить генезис изучаемых пород. Низкие значения начального отношения изотопов стронция (I Sr < 0,706) обычно интерпретируются как связанные стем обстоятельством, что источником магмы и образовавшейся из нее породы был мантийный материала высокие значения этого параметра (I Sr > 0,706) указывают на коровый магматический очаг либо пере- плавление корового материала в более глубинном очаге. В некоторых случаях повышенное значение I Sr может указывать на то, что магма, произошедшая из глубинного источника, на своем пути ассимилировала коровый материал. Указанное здесь граничное значение, однако, при более глубоком изучении оказывается не универсальным в породах различного происхождения в целом отмечается тенденция некоторого уменьшения I Sr от более молодых к более древним магматическим образованиям. По начальному отношению изотопов неодима обычно вычисляется специальный параметр ε Nd , который характеризует соотношение с модельным отношением соответствующих изотопов неодима на момент образования породы I Nd CHUR в так называемом мантийном однородном хондритовом резервуаре, обозначаемом CHUR (от слов Chondritic Uniform Reservoir): 4 10 1 × ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − = CHUR Nd Nd Nd I I ε Cогласно модели Де-Паоло и Вассербурга, отношения изотопов ив равны отношениям в хондритовых метеоритах в любой момент геологического времени. Современные отношения в хондритах следующие ( 143 Nd/ 144 Nd) CHUR = 0,512638; ( 147 Sm/ 144 Nd) CHUR = 0,1967. Это позволяет вычислить IR Nd CHUR для того времени образования породы t, которое было определено по изохроне: I Nd CHUR = ( 143 Nd/ 144 Nd) CHUR - ( 147 Sm/ 144 Nd) CHUR × ( e λ Sm t – 1) С учетом этого ε Nd вычисляется последующей формуле 4 10 1 ) 1 ( 1967 0 512638 Интерпретация полученной величины ε Nd обычно следующая соответствует магматической породе, произошедшей из однородного хондритового мантийного резервуара (CHUR); ε Nd >0 – породе, произошедшей из материала так называемой деплетирован- ной мантии (DM – Depleted Mantle), обедненной некогерентными элементами ε Nd <0 – породе корового происхождения либо глубинной породе, произошедшей из магмы, включавшей переплавленный коровый материал, те. продукту так называемой обогащенной мантии. Отрицательные значения ε Nd могут быть встречены ив глубинных магматических породах, если магма на своем пути ассимилировала верхнекоровый материал. Погрешности оценок возраста ∆t и начального изотопного отношения ∆I с доверительной вероятностью q вычисляются по формулам В этих формулах k(q,f) – значение критерия Стьюдента для доверительной вероятности q (обычно выбирается q=95%, что отвечает уровню значимости 5%, или 0,05) и числа степеней свободы f=n-2. Значения k(q,f) для малых выборок, взятые из справочников по математической статистике, приводятся в таблице 5. Таблица 5 Значения критерия Стьюдента для выборок малого объема f k (q=95%, f) f k (q=95%, f) 1 12,706 6 2,447 2 4,303 7 2,365 3 3,182 8 2,306 4 2,776 9 2,262 5 2,571 10 2,228 Точность определения ε Nd удовлетворительно оценивается по приближенной формуле 4 10 ) 1 ( 1967 0 512638 или по эквивалентной формуле Заметим в заключение, что более совершенные алгоритмы оценки абсолютного возраста и начальных изотопных отношений, а также их точности используют более сложный способ оценки параметров и b уравнения Y = a+ bX методом наименьших квадратов с учетом точности каждого отдельного аналитического определения изотопных отношений и Y i . Для этого применяются специальные компьютерные программы (“Isoplot” и другие. Порядок выполнения работы 1. По полученным от преподавателя исходным данным построить график в координатах соответствующих изотопных отношений, на котором показать точки изотопных отношений в пробах и линию изохроны. Принять решение о возможности использования всех или части исходных данных при определении возраста породы t и других параметров по изохроне. 2. Произвести расчеты, описанные в предыдущем разделе. 3. По изотопным данным сделать выводы о геологическом возрасте изученной породы и ее генезисе. Дополнительное задание, которое может быть выдано отдельным студентам для углубленного изучения вопроса произвести расчеты на компьютере по программе Isoplot и сравнить результаты, полученные по обоим алгоритмам. Рекомендации по выполнению работы и оформлению |