» » Древнейший циркон

Древнейший циркон

Древнейший циркон

Перед вами изображение кристалла циркона, полученное катодолюминесцентным методом, который позволяет наблюдать различия в кристаллической структуре, невидимые глазу. Для наглядности зоны окрашены в псевдоцвета. Этот кристалл размером около 400 мкм (около 0,4 мм) один из самых древних на планете, его возраст около 4,4 млрд лет. Зональность, которая видна на изображении (синие и серые участки), возникает за счет роста циркона в разных условиях, то есть когда менялись параметры среды, вместе с ними менялись и параметры кристаллической структуры минерала.

Циркон (ZrSiO4) — силикат циркония, встречающийся в различных магматических и метаморфических породах. Это очень твердый минерал (7,5 по шкале Мооса), цвет кристаллов варьирует от бесцветного до коричневого, красновато-коричневого, желтого, черного.


Древнейший циркон

Кристалл циркона, Пакистан. фото с сайта ru.wikipedia.org


Циркон является основным источником циркония, попутно так же можно из него извлекать гафний, редкоземельные элементы, уран, которые накапливаются в цирконе в качестве примесей. Происходит это благодаря изоморфизму — свойству элементов замещать друг друга в структуре кристалла. В цирконе, помимо перечисленных элементов, могут присутствовать железо, алюминий, кальций, торий, фосфор, ниобий, тантал, иттрий. Их концентрации могут достигать 10%. Некоторые разновидности циркона с большим содержанием тех или иных примесей носят свои названия, например альвит (циркон с примесями гафния и тория), наэгит (с примесями редкоземельных элементов, тория и тантала), хагаталит (с редкоземельными элементами и ниобием), ямагутилит (с редкоземельными элементами, фосфором).


Древнейший циркон

Кристаллическая структура циркона. Рисунок с сайта aflowlib.org


Циркон достаточно устойчив к механическим и химическим воздействиям и поэтому накапливается в осадочных породах (например, песчаниках), образующихся за счет разрушения магматических и метаморфических пород. Магматические породы, в которых кристаллизуется циркон, как правило насыщены водой (например, граниты, сиениты).

Древнейший циркон (на первом фото) обнаружили в осадочных породах холмов Джек-Хиллс (Jack Hills) в Западной Австралии. Породы холмов сложены в основном песчаником. Для геологов это место интересно как источник самых древних цирконов на планете.

Возраст циркона определяли уран-свинцовым методом — одним из самых надежных изотопных методов для определения абсолютного возраста в геологии. Надежность обусловлена использованием данных по двум цепочкам распада урана, по ряду актиния и по ряду радия, в то время как в других методах это невозможно. Суть уран-свинцового метода заключается в измерении концентраций изотопов урана и подсчете того, какая его часть успела распасться. В природе встречаются три изотопа урана: уран-234 (234U), уран-235 (235U) и уран-238 (238U). Для датирования используют два последних изотопа, 234U применяется в другом методе — уран-урановом (Uranium–uranium dating).

Превращения изотопов следующие: 235U->207Pb, 238U->206Pb. Они осуществляются во много стадий, но промежуточные нуклиды быстро распадаются. Для датирования уран-свинцовым методом циркон — самый подходящий минерал. В первую очередь потому, что в его кристаллическую структуру не может встраиваться свинец, тогда как уран может. Следовательно, когда циркон закристаллизовался, наличие в нем свинца говорит о распаде урана. Зная период полураспада 235U и 238U (0,70381 и 4,4683 млрд лет соответственно) и количество образованного 207Pb и 206Pb, можно определить абсолютный возраст кристаллизации минерала. Для это используют специальную диаграмму (Wetherill plot).


Древнейший циркон

Ряды распада урана: a — ряд актиния, b — ряд радия. Изображения с сайта ru.wikipedia.org


Поскольку 235U распадается быстрее 238U, отношение 207Pb/235U растет быстрее, чем 206Pb/238U. Для образцов, в истории которых не было потери свинца, оба этих отношения растут определенным образом. Поэтому если на графике, вдоль осей которого отложены отношения изотопов, соединить точки, которые соответствуют образцам с ненарушенной изотопной системой, то данные точки могут лежать только на одной определенной линии — конкордии (кривой согласованных значений абсолютного возраста). Как раз по положению точки на данной кривой и определяют возраст. Чем дальше точка от начала координат, тем образец древнее, и наоборот: чем точка ближе, тем образец моложе.

Но как измерить с достаточной точностью отношения изотопов? Стандартом в таких измерениях считается термоионизационная масс-спектрометрия (TIMS). Однако, некоторым недостатком метода является полное растворение анализируемой пробы. Поэтому для определения соотношений изотопов свинца и урана в цирконе из Джек-Хиллс ученые применили масс-спектрометрию вторичных ионов (SIMS), способную измерять концентрации изотопов локально, в небольшом участке вещества. Пучок ионов (например, аргона, ксенона, кислорода) бомбардирует поверхность образца, образуется пучок вторичных ионов, который затем попадает на детектор и анализируется. Однако в результате анализа на поверхности вещества образуются «кратеры» за счет выбивания пучком ионов атомов анализируемого объекта.

Определенный этим методом возраст центра кристалла циркона — 4,374 млрд лет. Соотношения изотопов в краевой части кристалла образовали группу точек, лежащих не на конкордии. Это свидетельствует о нарушении изотопных соотношений в краевой части. Но даже в таком случае существует математическая модель, позволяющая определить возраст. Для этих целей строят так называемую дискордию — через группу точек проводится прямая линия, и точка пересечения ее с конкордией дает искомый возраст. В данном случае точка пересечения конкордии и дискордии соответствует более молодому возрасту по сравнению с центральной частью и равна примерно 3,4 млрд лет.


Древнейший циркон

Результаты анализа циркона из Австралии. Справа — возраст центральной части кристалла равен в среднем 4374 млн лет, и результаты определений лежат на кривой согласованных значений абсолютного возраста — конкордии (черная кривая линия). Кайма циркона имеет возраст около 3400 млн лет, что говорит о том, что она образовалась в результате повторного нагрева и роста циркона, соотношения изотопов образовали группу точек, лежащих на дискордии (пунктирная прямая, проходящая через точки 4, 5, 6). Значение возраста равно точке пересечения конкордии и дискордии. Слева — схема расположения кратеров (серые овалы), их диаметр — 20 мкм, глубина — 10–15 мкм. Рисунки из статьи J. W. Valley et al., 2014. Hadean age for a post-magma-ocean zircon confirmed by atom-probe tomography и A. Cavosie et al., 2018. The oldest terrestrial mineral record: Thirty years of research on Hadean zircon from Jack Hills, Western Australia


Однако древний возраст центральной части вызывал у ряда специалистов сомнения. Дело в том, что в процессе существования циркона соотношение элементов в нем могло нарушиться не только в краевой части, но и в центральной — под действием внешних факторов, например температуры. Такое явление и было отмечено в краевой части. Сомнения формулировались так: могла ли перекристаллизация затронуть весь кристалл циркона, а не только его край? Не могла ли произойти внутренняя диффузия атомов урана и свинца внутри кристалла? Тогда атомы бы формировали обогащенные участки, давая неправильное соотношение изотопов при их измерении и как следствие — неправильный возраст.

Для выяснения всех особенностей внутреннего строения кристалла циркона из Джек-Хиллс исследователями была применена методика атомно-зондовой томографии (Atom Probe Tomography), помогающая реконструировать положение атомов в кристаллической структуре изучаемого материала. Удалось доказать, что атомы свинца не перемещались внутри центральной части циркона — то есть система оставалась замкнутой на протяжении всего времени существования кристалла.


Древнейший циркон

Расположение атомов свинца и иттрия в кристаллической структуре циркона из Джек Хиллз. Иттрий (синие шарики), являясь примесным элементом в цирконе, показывает однородное распределение внутри кристалла. Похожая картина наблюдается для изотопов 206Pb (зеленые шарики) и 207Pb (желтые шарики). Это было бы невозможным при диффузии свинца в кристаллической решетке или при воздействии внешних факторов. Рисунок из статьи J. W. Valley et al., 2014. Hadean age for a post-magma-ocean zircon confirmed by atom-probe tomography


Для чего вообще нужно было с такой точностью определять возраст? Дело в том, что в некоторых метеоритах обнаруживаются так называемые богатые кальций-алюминиевые включения (Calcium-aluminium-rich inclusion). Считается, что это самые первые вещества, кристаллизовавшиеся на заре существования Солнечной системы, еще до образования планет. Так, возраст подобных включений из метеорита, обнаруженного в северо-западной Африке, составляет около 4568 млн лет. Следовательно, самое старое вещество в Солнечной системе лишь на 194 млн лет старше самого древнего циркона земного происхождения. Учитывая, что циркон кристаллизуется в водонасыщенных магмах, таких как граниты и сиениты, Земля меньше чем за 200 млн лет прошла стадию магматического океана и на ней уже присутствовали породы различного состава.

фото с сайта livescience.com.

Александр Марфин

28 декабрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Глубины магматических океанов хватило для окисления мантии молодой Земли

Немецкие ученые провели серию экспериментов в условиях, воспроизводящих состояние покрывавшего молодую Землю магматического океана на разных глубинах. Оказалось, что на глубинах более 400 км в нем

Плотное ядро галактики — индикатор скорого прекращения звёздообразования

Астрофизики проанализировали большую выборку галактик в диапазоне красного смещения от 0,5 до 3. Их интересовало, связаны ли структурные особенности распределения звезд в галактике с активностью

Радиоизотопные датировки подтвердили связь между падением Чиксулубского метеорита и усилением траппового вулканизма

Новые датировки пород, составляющих деканские траппы в Индии, показали, что после столкновения Земли с Чиксулубским метеоритом характер траппового вулканизма радикально изменился. Извержения стали

Уникальные минералы Камчатки

Серо-синие кристаллы на фото — минерал брадачекит (NaCu4(AsO4)3), найденный неподалеку от вулкана Толбачик на Камчатке...

Пещера кристаллов

Перед вами огромные кристаллы гипса, образовавшиеся в подземной Пещере кристаллов в Мексике...
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Существует 50% вероятность того, что мы живем в симуляцииВремя эластично: почему на вершине горы время идет быстрее, чем на пляже?Кого и зачем приносили в жертву Древние Египтяне?Ученые пытаются понять, как могла появиться жизнь на ВенереНа МКС найдено место утечки воздуха. Что дальше?Почему птицы летают клином11 живописных мест на планете, раскрашенных самой осеньюКрупнейшая озоновая дыра зафиксирована над Антарктидой