Геохронология монацита

Иллюстрация, показывающая возрастную карту и структуру зонирования зерна монацита. Более яркий цвет означает пожилой возраст. Отредактировано по мотивам Уильямса, 1999 г.

Геохронология монацита — это метод датирования для изучения геологической истории с использованием минерала монацита . Это мощный инструмент в изучении сложной истории метаморфических пород , в частности, а также магматических , осадочных и гидротермальных пород. При датировании в качестве часов используются радиоактивные процессы в монаците.

Уникальность геохронологии монацита обусловлена ​​высокой термостойкостью монацита, которая позволяет сохранять информацию о возрасте на протяжении геологической истории. По мере роста монацит образует последовательные поколения различного состава и возраста, обычно не стирая предыдущие, образуя зональные закономерности в монаците. Из-за возрастной зональности датировку следует проводить по отдельным зонам, а не по всему кристаллу. Кроме того, текстуры кристаллов монацита могут отражать события определенного типа. Поэтому необходимы методы прямого отбора проб с высоким пространственным разрешением, чтобы изучить эти крошечные зоны индивидуально, не повреждая текстуры и зональность.

Преимуществом геохронологии монацита является возможность связать составы монацита с геологическими процессами. Определение возраста зон состава может означать определение возраста геологических процессов.

Распад U и Th до Pb

Дополнительная информация: Радиометрическое датирование § Основы радиометрического датирования.

Монацит представляет собой редкоземельных элементов фосфатный минерал с химической формулой, например (Ce, La, Nd, Th, Y)PO ₄ . В небольшом количестве он появляется как акцессорный минерал во многих магматических, метаморфических и осадочных породах. Минералиты монацита содержат значительные количества радиоактивных элементов Th и U , запускающих радиоактивные процессы. Именно эти два элемента делают этот минерал подходящим для радиометрического датирования .

В радиоактивных процессах три нестабильных родительских изотопа распадаются на соответствующие стабильные дочерние изотопы Pb. Каждый следующий за цепочкой распада, состоящей из альфа- и бета-распадов , родительские изотопы ²³⁸ В, ²³⁵ У и ²³² Th распадается на ряд промежуточных дочерних изотопов и, наконец, приводит к стабильным изотопам, ²⁰⁶ Пб, ²⁰⁷ Pb и ²⁰⁸ Пб соответственно. Каждая цепочка распада имеет уникальный период полураспада , что означает, что дочерние изотопы генерируются с разной скоростью.

Процессы распада можно упростить до следующих уравнений, в которых не учитываются все промежуточные дочерние изотопы.

$^{238}U\rightarrow ^{206}Pb+8\alpha +6\beta ^{-}+Energy\quad \lambda _{238}=1.55125{e}^{-10}yr^{-1}\quad t_{1/2}=9842yr$

$^{235}U\rightarrow ^{207}Pb+7\alpha +4\beta ^{-}+Energy\quad \lambda _{235}=9.8485{e}^{-10}yr^{-1}\quad t_{1/2}=1550yr$

$^{232}Th\rightarrow ^{208}Pb+6\alpha +4\beta ^{-}+Energy\quad \lambda _{232}=4.9475{e}^{-10}yr^{-1}\quad t_{1/2}=3086yr$

где α представляет собой альфа-частицу , β ⁻ представляет собой бета-частицу , λ представляет константу распада , а t _1/2 представляет собой период полураспада .

Геохронология монацита изучает соотношение родительских изотопов к дочерним изотопам (изотопное соотношение) и рассчитывает, сколько времени прошло с тех пор, как дочерние изотопы начали накапливаться.

Радиометрический возраст и геологический возраст

Радиометрический возраст представляет собой время, когда начинается процесс распада. Геологический возраст представляет собой время, когда происходит геологическое событие. Манипулирование изотопными соотношениями может дать нам только радиометрический возраст. Чтобы определить геологический возраст, нам необходимо знать взаимосвязь между ними. Другими словами, как геологические события влияют на радиоактивную систему монацита? На самом деле радиоактивная система подобна цифровым «часам», а геологические процессы могут напоминать замену батарейки. Когда вставлена ​​новая батарея, эти «часы» начинают отсчет с 00:00. Этот процесс мы называем механизмом сброса возраста. В монаците восстановление возраста происходит за счет потери Pb. Pb образуется непрерывно в результате распада U и Th с тех пор, как начинает работать радиоактивная система (часы). Чем больше Pb (или меньше U и Th) содержится в системе, тем дольше прошел период. Если весь Pb внезапно будет удален из монацита в результате геологического события (замены батареи), возраст снова станет нулевым (00:00). Прежде чем задуматься о том, какие именно геологические события вызывают потерю Pb (см. раздел «Интерпретация и применение»), важно знать два механизма, вызывающих потерю Pb в монаците.

Механизмы потери Pb

Твердотельная диффузия

Температура закрытия для U-Pb датирования

Минерал	T c для U-Pb датирования (°C)
Титанит	600–650
Рутил	400–450
Апатит	450–500
Циркон	>1000
Монацит	>1000

в твердом состоянии Диффузия — это чистое движение атомов в твердой фазе из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Диффузию в жидкой фазе легко представить как растекание чернил в воде. Диффузия Pb в твердом состоянии представляет собой чистый обмен Pb в твердом минерале с внешней средой, которая обычно представляет собой жидкость. В большинстве случаев Pb переносится из минерала во флюид, что приводит к потере Pb и, таким образом, к возобновлению старения.

Скорость диффузии увеличивается с температурой, поскольку атомы движутся быстрее. Однако по мере остывания минерала и более полной кристаллической структуры диффузия материнских и дочерних изотопов замедляется и при определенной температуре, наконец, становится незначительной. Эта температура закрытия (T _c ) зависит от размера кристаллов, формы, скорости охлаждения и коэффициента диффузии, который, в свою очередь, варьируется для каждого минерала и радиоактивной системы. То есть выше T _c Pb постоянно теряется, и радиоактивные часы показывают ноль. Как только температура падает ниже T _c , система закрывается и часы начинают отсчет.

Монацит характеризуется высокой способностью удерживать свинец даже при высоких температурах в течение длительного периода. Температура смыкания монацита в системе U-Th-Pb превышает 800 °C, что намного выше, чем у других распространенных минералов.

Растворение-осаждение с помощью жидкости

В отличие от диффузии в твердом состоянии, растворение-осаждение с помощью жидкости происходит при температуре ниже T _c . Взаимодействие между минеральной фазой и сосуществующей флюидной фазой во время геологических событий напрямую способствует этому процессу. Это химическая реакция, вызванная стабилизацией системы за счет минимизации свободной энергии Гиббса . Реакционноспособная жидкость присутствует в качестве катализатора и источника реагентов для реакции.

Если геологический процесс создает подходящую жидкость и температуру, монацит растворяется при контакте с жидкостью (фронт реакции) и переосаждается в виде измененного монацита с новым химическим составом. Скорости растворения и переосаждения одинаковы, так что исходная минеральная фаза всегда находится в контакте с осаждающейся фазой, разделенной лишь тонким слоем жидкости в качестве реакционной среды. Как только реакция активирована, она становится самопродолжающейся. Фронт реакции мигрирует к центру исходного монацита, оставляя позади вновь образовавшийся монацит, образуя структуру ядро-ободок.

Состав осаждающейся фазы зависит от состава жидкости и температуры. В большинстве реакций Pb эффективно удаляется, а осаждающаяся фаза не содержит Pb. Поэтому возраст новообразованного обода сбрасывается, отражая время этого чередования.

Есть два основных фактора, которые могут привести к прекращению реакции. (А) Реакция прекращается из-за рекристаллизации осаждающейся фазы, удаляя все пути проникновения жидкости. Это приводит к образованию флюидных включений в монаците. (B) Реакция прекращается из-за изменения в системе, такого как состав жидкости и монацита, что делает эту реакцию более нереактивной.

Значение для геохронологии монацита

Диапазон геологических процессов при разных температурах, зафиксированных монацитом, цирконом и апатитом при U-Pb датировании

Поскольку диффузия реагентов между фазой растворения и осаждающейся фазой происходит медленно, жидкость необходима для обеспечения легкой транспортировки реагентов. Однако по ходу реакции растворяющая фаза и жидкость разделяются твердой осаждающейся фазой, блокируя транспорт реагентов. Следовательно, в осаждающейся фазе должна быть некоторая взаимосвязанная пористость, которая позволяет жидкости проникать и подпитывать фронт реакции.

Большинство других геохронометров обычно имеют гораздо более низкую температуру закрытия. Как только они подвергнутся воздействию температуры выше T _c , вся информация о возрасте будет сброшена, потеряв информацию о прошлых геологических событиях. Напротив, поскольку монацит имеет высокую температуру _, высокой степени даже несмотря на то, что он может подвергаться более молодому метаморфизму с высокими температурами, вполне вероятно, что предыдущая геологическая история сохранится. Кроме того, растворение-осаждение обычно вызывается геологическими событиями, такими как метаморфизм , деформация и гидротермальные изменения ниже T _c . Каждое из этих событий записывает информацию нового возраста, создавая новый домен, не стирая старую информацию. Поэтому вполне вероятно, что монацит сохраняет полную историю поколений.

Монацит и циркон — два минерала, которые обычно используются в геохронологии для изучения геологической истории. Оба они имеют высокие температуры закрытия, что делает их пригодными для регистрации магматических и метаморфических событий. Однако на протяжении всей своей геологической истории они ведут себя по-разному. Как правило, монацит лучше подходит для регистрации метаморфизма (возраста рекристаллизации) с различной зональностью по возрасту и составу. Циркон не так активен, как монацит, во время метаморфических реакций и лучше подходит для регистрации извержений (периодов охлаждения). Более того, монацит более пригоден для датирования относительно низкотемпературных метаморфизмов, например амфиболитовой фации, чем циркон.

Монацитовая зональность

Зональность характерна для монацита. Одно зерно монацита может содержать домены совершенно разного состава и возраста. Широко распространено мнение, что эти домены представляют собой эпизоды геологической истории с ростом или рекристаллизацией монацита. Ключом к геохронологии монацита является выяснение того, какие геологические события или среды представляет домен, путем сравнения его химического состава со стабильностью минералов и реакциями. Таким образом, возраст события представлен возрастом домена.

Идеальная формула монацита — [LREE(PO ₄ )], изменение состава обусловлено главным образом химическими замещениями легких редкоземельных элементов (РЗЭ) в монаците другими элементами. Одним из распространенных замещений является обмен легких РЗЭ на Th и Ca, а P на Si с образованием хуттонита [ Th ( Si O ₄ )] и брабантита [ CaTh (PO ₄ ) ₂ ). Поскольку все три минерала имеют одинаковую химическую структуру, они являются тремя конечными членами твердого раствора , а это означает, что они появляются в одной и той же твердой фазе, где происходят замещения. Важно отметить, что закономерности композиционной зональности могут быть неодинаковы при рассмотрении разных элементов, а возрастная зональность может вообще не иметь связи с композиционной зональностью. (см. изображения из раздела: процедуры анализа) Таким образом, при увязке зонально- сти нужно быть очень осторожным. В природном монаците структура зональности может быть сложной и трудной для интерпретации. Ниже мы опишем некоторые простые закономерности химического зонирования и связанные с ними интерпретации. Модели зонирования, связанные с магматической деятельностью, обычно легко интерпретировать. Однако те, что связаны с метаморфизмом, более сложны.

Концентрическое зонирование

Концентрическая зональность: монацит нарастает новыми последовательными слоями разного состава.

Секторная зональность: разные элементы кристаллизуются преимущественно на разных гранях кристалла.

Зональность ядро-обод: измененная кайма, образовавшаяся вокруг исходного ядра в результате реакции растворения-осаждения.

Зональность монацита. Интенсивность цвета представляет собой концентрацию определенного элемента. Отредактировано по мотивам Уильямса, 2007 г.

Одним из способов образования монацита является кристаллизация из магматического расплава . Концентрическая зональность отражает изменение состава расплава, влияющее на состав кристаллизующегося монацита.

Секторное зонирование

Секторная зональность связана также с кристаллизацией монацита в расплаве. Однако некоторые элементы могут иметь тенденцию кристаллизоваться на определенной грани кристалла . Это приводит к неравномерному росту и составу.

Зонирование ядра-края

Зональность ядро-обод обычно связана с растворением-осаждением с помощью флюидов в метаморфических реакциях, образующими последовательные обода, каждый из которых имеет новый состав. Флюидный состав и степень метаморфизма (H/T) являются важными факторами состава оторочки.

Другие схемы зонирования

Пятнистая и пятнистая зональность представляет собой более сложную зональность. Толкования обычно непростые.

Подходы к свиданиям

Изотопное датирование и химическое датирование — два типичных метода, используемых в геохронологии монацита. Оба метода используют радиоактивную природу Th и U в монаците.

Изотопное датирование

Дополнительная информация: Датирование урана и свинца.

Изотопное датирование требует измерения изотопной концентрации радиоактивных U и Th, а также радиогенного Pb в монаците. Рассматривая каждую цепочку распада в системе U-Th-Pb независимо, можно получить три классических уравнения изохрон:

$\left({\frac {^{206}Pb}{^{204}Pb}}\right)=\left({\frac {^{206}Pb}{^{204}Pb}}\right)_{0}+\left({\frac {^{238}U}{^{204}Pb}}\right){\bigl (}e^{\lambda _{238}t}-1{\bigr )}$

$\left({\frac {^{207}Pb}{^{204}Pb}}\right)=\left({\frac {^{207}Pb}{^{204}Pb}}\right)_{0}+\left({\frac {^{235}U}{^{204}Pb}}\right){\bigl (}e^{\lambda _{235}t}-1{\bigr )}$

$\left({\frac {^{208}Pb}{^{204}Pb}}\right)=\left({\frac {^{208}Pb}{^{204}Pb}}\right)_{0}+\left({\frac {^{232}Th}{^{204}Pb}}\right){\bigl (}e^{\lambda _{232}t}-1{\bigr )}$

где ${\bigl (}\quad {\bigr )}_{0}$ представляет собой начальное соотношение изотопов при перезагрузке системы, t представляет собой время после перезагрузки системы, а λ ²³⁸ , л ²³⁵ и λ ²³² являются константами распада ²³⁸ В, ²³⁵ У и ²³² эт соответственно.

Комбинации использования вышеуказанных уравнений, такие как датирование U-Th-Pb, датирование U-Pb и датирование Pb-Pb, требуют разных уровней методов анализа и предлагают различные уровни точности и аккуратности. Общая неопределенность измеренного возраста составляет 2σ (например, ).

Химическое датирование/общее датирование Pb

Химическое датирование требует измерения содержания элементов U, Th и Pb, но не изотопов. U-Th-датирование по общему Pb, также известное как электронный микрозондДатирование U-Th-Pb, измерение содержания трех элементов с помощью электронного микрозонда и расчет возраста (t) по приведенному ниже уравнению. $$Pb={\frac {Th}{232}}[\exp(\lambda ^{232}t)-1]208+{\frac {U}{238.04}}0.9928\times [\exp(\lambda ^{238}t)-1]206+{\frac {U}{235}}0.0072\times [\exp(\lambda ^{235}t)-1]207$$где Pb, Th и U — концентрации в частях на миллион, а λ ²³² , л ²³⁵ и λ ²³⁸ являются константами распада ²³² эт, ²³⁵ У и ²³⁸ У соответственно.

Для того чтобы результаты химического датирования были достоверными, необходимы следующие допущения:

1. Нерадиогенный Pb ничтожно мал по сравнению с радиогенным Pb.
2. Никаких модификаций U/Th/Pb, кроме радиоактивности, не произошло.

Первое предположение имеет тенденцию быть верным, поскольку маловероятно, что монацит включит Pb во время своего роста. Во многих лабораторных исследованиях содержание нерадиогенного свинца оказалось очень низким, почти всегда менее 1 ppm. Наиболее распространенной ошибкой, возникающей из этого предположения, является загрязнение свинцом во время подготовки проб. Второе предположение обычно оправдывается согласованным поведением минерала, наблюдаемым при испытаниях. Это означает, что система либо полностью перезагружена, либо полностью не затронута геологическими процессами, частичной перезагрузки системы не происходит. Незначительные ошибки могут возникнуть из-за незначительных нарушений во время массопереноса.

Теория состоит в том, что монацит имеет высокое содержание Th (обычно 3–15% и до 25% от его веса) и U (обычно сотни частей на миллион и до 5% по концентрации). Таким образом, Pb накапливается с высокой скоростью в результате радиоактивных процессов. Менее чем за сотни лет он достигает уровня, достаточно высокого, чтобы его можно было точно измерить электронным микрозондом.

Методы анализа

Возраст и зональность состава, а также текстура монацита свидетельствуют о последовательном росте кристалла во время дискретных геологических событий. Объем информации, которую можно получить, во многом зависит от методов анализа, используемых в геохронологии.

Сравнение традиционного анализа и анализа на месте

Традиционный анализ

Традиционно монацит выделяют из проб растворением и химическими методами. Для датирования отбирают одиночные кристаллы или их фракции, обычно с помощью масс-спектрометрии с термической ионизацией (TIMS). Это означает, что один возраст определяется для одного кристалла монацита или для группы кристаллов. Полученные сведения о возрасте явно противоречивы и неточны, поскольку даже в одном кристалле монацита присутствуют зоны разного возраста. Кроме того, механическое разделение монацита часто разрушает связанную с ним текстурную и пространственную информацию в кристаллах монацита, что имеет решающее значение для интерпретации взаимосвязей между доменами и геологической средой.

Анализ на месте

	Традиционный анализ	Анализ на месте
Выборка	Физическое/химическое разделение	Прямой отбор проб
Цель знакомства	Единичные/фракции зерен	Возрастные домены
Датированный возраст	непоследовательный	Последовательный
Текстура сохранилась?	Нет	Да

По вышеуказанным причинам спрос на анализы на месте растет. In-situ означает анализ зерен монацита в их исходных вмещающих породах без разделения (см. in situ ), при котором текстура и структура зонирования сохраняются неизменными, чтобы раскрыть более полную геологическую историю вмещающей породы. Для анализа на месте необходимы методы прямого отбора проб, высокое пространственное разрешение и точность. все больше и больше измерительных инструментов, таких как масс-спектрометрия с лазерной абляцией и индуктивно связанной плазмой (LA-ICPMS) и лазерный микрозондовый масс-спектрометр С развитием технологий для такого анализа становится (LMMS).

Процедуры анализа

Ниже показана общая процедура датирования монацита. Характеристики и процедуры различны для каждого измерительного инструмента, особенно для методов подготовки проб и датирования. Подробности о некоторых распространенных инструментах измерения описаны в разделе: Инструменты измерения.

1. Подготовка проб
2. Идентификация и картирование монацита
3. Картирование состава монацита
4. Картирование возраста монацита
5. Количественное датирование

Подготовка проб: Шлифы известняковых пород.

Идентификация монацита: иллюстрация, показывающая изображение образца горной породы с монацитом в обратно рассеянных электронах (в центре, белый цвет). Отредактировано по мотивам Уильямса, 1999 г.

Картирование состава: иллюстрация, показывающая рентгеновскую карту состава Th зерна монацита. Более яркий цвет означает более высокую концентрацию. Отредактировано по мотивам Уильямса, 1999 г.

Количественное датирование: измеренная гистограмма возраста, показывающая две возрастные зоны в монаците. Отредактировано по мотивам Уильямса, 1999 г.

Иллюстрация карты возраста зерна монацита. Более яркий цвет соответствует старшему возрасту. Отредактировано по мотивам Уильямса, 1999 г.

Подготовка проб

Как при традиционном датировании, так и при датировании на месте подготавливается тонкий срез интересующей породы. Сначала тонкий слой камня разрезается алмазной пилой и шлифуется, чтобы он стал оптически плоским. Затем его монтируют на предметное стекло из стекла или смолы и шлифуют абразивным зерном. Окончательный образец обычно имеет толщину всего 30 мкм.

Идентификация и картирование монацита

Зерна монацита идентифицируются с помощью визуализации обратного рассеяния электронов или/или электронного микрозондового анализа (EMPA) путем картирования концентрации характерного Ce в монаците. Два изображения обычно накладываются друг на друга, чтобы одновременно отразить текстуру образца и расположение монацита.

Картирование состава монацита

Зерна монацита, которые демонстрируют полезные связи с микротекстурами или минералами-хозяевами, отбираются для картирования состава. Карты основных элементов, а иногда и микроэлементов создаются при большом увеличении с помощью электронного микрозондового рентгеновского картирования, чтобы показать закономерности зонального состава. Карты элементов Y, Th, Pb, U оказались полезными для идентификации доменов состава в монаците.

Картирование возраста монацита

Предполагаемый возраст рассчитывается по карте состава путем анализа концентрации Th, Pb и U методом датирования по общему Pb. Результат затем используется для создания карты возраста, которая приблизительно идентифицирует все возрастные области.

Количественное датирование

Ряд пятен в пределах возрастной области отбирается и далее точно датируется с помощью измерительных инструментов методом изотопного датирования. Затем результаты анализируются статистически, чтобы определить точный возраст каждой возрастной области.

Методы измерения

Выбор различных традиционных методов анализа или анализа на месте влияет на разрешение, точность, пределы обнаружения и стоимость геохронологии монацита. Недавний аналитический прогресс в системе U-Th-Pb в природном монаците был в основном достигнут с помощью (1) термоионизационной масс-спектрометрии с изотопным разбавлением (ID-TIMS), (2) масс-спектрометрии вторичных ионов (SIMS), (3) лазерной абляции . Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (LA-ICP-MS) и (4) электронный микрозондовый анализ (EMPA).

Традиционный анализ

Масс-спектрометрия с термоионизацией изотопного разбавления

Дополнительная информация: масс-спектрометрия с термоионизацией.

В 1950-х годах Альфред Ниер разработал метод ID-TIMS, который позже стал первым инструментом, использованным в геохронологии монацита. Поскольку этот метод предполагает химическое разделение монацита (изотопное разбавление), он считается традиционным методом анализа. Обычно измерение U-Pb занимает несколько часов. Точность даты составляет около 0,1% при условии совпадения возрастов (т.е. не дат, отражающих смешение зональностей). Он считается наиболее точным методом геохронологии монацита.

Минеральные зерна монацита тщательно отбираются для датирования. В них добавляют индикаторный раствор и растворяют в HF или HCl. С помощью ионообменной химии U, Th и Pb отделяются от других элементов. Целями разделения являются: (1) потенциальные изобарические помехи должны быть устранены перед анализом из-за высокой чувствительности и малой разрешающей способности TIMS; (2) ионизации интересующих элементов могут препятствовать другие элементы, что приводит к уменьшению размера и точности сигнала.

Отделенные образцы U, Th и Pb осторожно помещают на металлическую нить, которая обычно изготавливается из Re . Элементы нагреваются и ионизируются до соответствующих ионов, которые ускоряются под действием сильного магнитного поля и измеряются детектором.

Раствор индикатора представляет собой раствор с известным количеством изотопов индикатора U и Pb. Из-за элементного фракционирования оба элемента не могут быть измерены с помощью TIMS одновременно. Поэтому раствор индикатора используется для измерения соотношения изотопа образца к изотопам индикатора. Соотношения преобразуются в моли изотопов образца для датирования.

Анализ на месте

Следующие методы измерения применимы к анализу in-situ, который включает в себя прямой отбор проб зерен монацита с использованием падающего ионного луча или лазера.

Масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС)

Дополнительная информация: Масс-спектрометрия вторичных ионов.

Старый магнитный сектор SIMS от производителя CAMECA

SIMS — это метод масс-спектрометрии для измерения мелкомасштабных элементных и изотопных вариаций в образцах. Его способность измерять пятна с узким диаметром (10–40 мкм) делает его полезным инструментом для датирования небольших (<100 мкм) минеральных зерен и отдельных доменов внутри монокристалла. SIMS может достичь точности ~ 3%. Чувствительный ионный микрозонд высокого разрешения (SHRIMP) широко считается мощным инструментом среди SIMS.

SIMS анализирует состав поверхности минерала (размером в несколько микрон) путем распыления поверхности сфокусированным лучом первичных ионов в вакууме. Вторичные ионы, высвободившиеся из минерала, ускоряются, измеряются и анализируются в масс-спектрометре. Образцы анализируются поочередно со стандартом известных элементных или изотопных соотношений, чтобы определить соотношения в образце для датирования.

Лазерная абляция масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (LA-ICPMS)

Дополнительная информация: Масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой.

Применение LA-ICPMS в U-Pb геохронологии началось в 1990-х годах. Поскольку он обеспечивает относительно короткий и дешевый анализ с высоким пространственным разрешением, он стал наиболее используемым методом геохронологии монацита. Точность LA-ICPMS ограничена стандартной изменчивостью, которая составляет около 2% от данного возраста.

Поверхность минерального образца распыляется лазером внутри ячейки для образца. Удаленные частицы собираются и включаются в газ-носитель. Полученные аэрозоли анализируются с помощью масс-спектрометра для датирования. Твердотельный или газовый лазер с короткой длиной волны обычно используется в качестве системы лазерной абляции в геохронологии.

Электронный микрозондовый анализ (EMPA)

Дополнительная информация: Электронный микрозонд.

EMPA используется в геохронологии монацита, особенно для химического датирования in-situ (датирование по общему Pb). Высокое содержание U, Th и Pb в монаците соответствует требованиям, вытекающим из относительно более высокого нижнего предела обнаружения. Таким образом, EMPA представляет собой быстрый и недорогой метод химического датирования с высоким разрешением (около 1 мкм), позволяющий определить историю роста монацита. Он может достигать точности 5–10 млн лет для монацита с высоким содержанием свинца и 10–20 млн лет для монацита с низким содержанием свинца.

Интерпретация и применение

Геохронология монацита может раскрыть сложную геологическую историю, зафиксированную в минеральных зернах монацита. Характерный состав и возраст каждой области или зоны представляют собой прошлое геологическое событие определенного возраста. Ключевая задача геохронологии монацита состоит в том, чтобы правильно связать текстуры и составы в каждом домене с соответствующими геологическими событиями, которые их сформировали.

Даже одно зерно монацита может раскрыть сложную историю, в которой геологические события могут быть взаимосвязаны или одновременны, что затрудняет распознавание. Целью раздела ниже является краткое объяснение того, как данные о составе и возрасте интерпретируются для связи различных типов событий.

Кристаллизация расплава

Дополнительная информация: Кристаллизация.

Понимание магматической петрологии монацита важно для определения возраста кристаллизации магматических пород . Монацит обычно присутствует в качестве акцессорного минерала в перглиноземистых гранитоидах с низким содержанием CaO , от диоритов , слюдистых гранитов до пегматитов . Причина низкого содержания СаО, вероятно, заключается в том, что расплавы с высоким содержанием СаО способствуют образованию апатита и алланита , но не монацита. Обычно он образуется в результате магматизма с участием карбонатных расплавов, а не основных плутонов или лав . Эти породы обычно содержат полезные месторождения редкоземельных руд , что делает геохронологию монацита важной при разведке полезных ископаемых.

Простейшей зональностью монацита, показывающей последовательную кристаллизацию расплавов, является концентрическая зональность, при которой новые слои монацита кристаллизуются один за другим вокруг ранее существовавшего ядра. Ободки часто имеют вариации состава из-за преимущественного включения определенных элементов в кристаллическую решетку. Например, если рассматривать закрытую систему, Th предпочтительно включается в минеральную структуру монацита, оставляя расплав, обедненный Th. Таким образом, более старый монацит вблизи ядра зерна богат Th, тогда как более молодой монацит содержит меньше Th, что приводит к уменьшению Th по направлению к краю в форме концентрической зональности. Исследование состава и возрастных изменений этих кайм помогает определить время и скорость кристаллизации, а также состав расплава, особенно для пород, в которых циркон отсутствует.

Система монацит – хералит – гуттонит.

Геохронология монацита также может выявить события магматической дифференциации , такие как смешивание магмы, когда магматический очаг приобретает другой состав. Одним из примеров является изоморфное замещение. Это форма замещения, при которой один элемент заменяется другим без изменения кристаллической структуры. В случае монацита редкоземельные элементы заменены Ca и Th.

$2REE^{3+}\leftrightarrow Ca^{2+}+Th^{4+}$

Различные уровни замещения образуют ряд составов, конечными элементами которых являются монацит [2REE(PO ₄ )], брабантит [Ca,Th(PO ₄ ) ₂ ] и гуттонит [2ThSiO ₄ ]. Уровень замещения обычно зависит от состава расплава и геологической среды.

Гидротермальные изменения

Иллюстрация, показывающая кластеры, образованные несколькими кристаллами. Отредактировано по мотивам Шандла (2004).

Гидротермальные процессы обычно сочетаются с магматическими процессами. Геохронология монацита помогает изучать эволюцию от магматических процессов к гидротермальным процессам. и выявление более поздних гидротермальных изменений, что имеет жизненно важное значение при изучении рудообразования.

Хотя отличить магматический монацит от гидротермального монацита трудно, анализ текстуры и рисунка монацита может помочь отличить их. Гидротермальные монациты имеют тенденцию появляться в виде скоплений множества кристаллов, тогда как магматические монациты имеют тенденцию казаться однородно распределенными по всей породе. Также гидротермальные монациты обычно содержат низкое _{ThO 2 .} содержание Эти отличительные особенности можно легко определить с помощью текстурного и композиционного анализа в геохронологии монацита.

Метаморфизм

Геохронология монацита обычно считается мощным инструментом для раскрытия истории метаморфизма. Метаморфизм — это минералогические и текстурные изменения в ранее существовавших горных породах в ответ на изменение окружающей среды при различных температурах и давлениях. Это происходит при температуре выше диагенеза (~200°С) и ниже плавления (>800°С). Минеральный комплекс, образовавшийся в результате метаморфизма, зависит от состава материнской породы ( протолита ) и, что более важно, стабильности различных минералов при различной температуре и давлении (PT). Совокупность минеральных комплексов, образующихся при одинаковых температуре и давлении, называется метаморфической фацией . Большинство минеральных изменений при захоронении пород, поднятии, гидротермальных процессах и деформациях связано с метаморфическими реакциями.

Монацит обычно встречается во многих метаморфических породах, особенно в тех, которые образовались из пелитов и песчаников . Зональность в монаците отражает последовательные события монацитообразования. Они могут образовываться в результате реакций, протекающих по одной петле давление-температура (РТ) на фазовой диаграмме , или реакций без изменения РТ. В случае метаморфизма монацит образуется в результате реакций с более чем одной петлей PT.

Цель геохронологии монацита состоит в том, чтобы связать эти события/реакции образования монацита с условиями PT. Затем мы можем наложить временные ограничения на петли PT, образуя комплексные петли «давление-температура-время», раскрывающие метаморфическую историю горных пород.

Включения монацита в метаморфических порфиробластах и ​​матрице

(1–3) Упрощенная схема, показывающая генерации включений монацита в разных порфиробластах и ​​матрице.

Путь PT, связанный с образованием порфиробласта и матрикса, содержащего монацитовые включения

Различные порфиробласты , такие как гранат и кварц, часто образуются в ходе метаморфизма в разных диапазонах PT. Зерна монацита часто встречаются в виде включений в порфиробластах. Поскольку минерал-хозяин монацит достаточно термостоек, эти включения защищены от старения даже при длительном воздействии температуры выше 800 °С. это позволяет нам ограничить верхний предел возраста порфиробластов и, следовательно, связанных с ними метаморфических событий.

Например, метаморфическая порода в районе залива Нил на севере Саскачевана подверглась метаморфизму высокой степени (высокое P/T) с последующей эксгумацией (поднятием). Порфиробласт граната образовался при метаморфизме высокой степени, а порфиробласт кордиерита - при последующей эксгумации. Оба порфиробласта содержат включения монацита, возраст которых датирован 1910 млн лет и 1840 млн лет соответственно. А матричный монацит датируется 1800 млн лет назад. Таким образом, предполагается, что метаморфизм высокой степени происходил после 1910 млн лет и до 1840 млн лет, тогда как эксгумация произошла после 1840 млн лет, а окончательный отжиг (охлаждение и укрупнение минералов) произошел при 1800 млн лет.

В тех же условиях, что и выше, включения монацита в гранате могут быть моложе, старше или иметь одинаковый возраст с матричным монацитом. Оба они могут даже иметь широкий диапазон возрастов без систематического распределения. Эти сценарии интерпретируются как представляющие различные пути и условия метаморфизма, давая различные или сложные последовательности метаморфических реакций.

Элементное фракционирование между монацитом и силикатами

Элементарное фракционирование относится к разнице между количеством элемента, включенного в твердую минеральную фазу, и количеством, оставшимся в жидкой фазе. Минералы демонстрируют преимущественное поступление определенных элементов во время роста. Например, по мере увеличения размера монацита он преимущественно включает Th в свою кристаллическую структуру, в результате чего в жидкости становится меньше доступного Th для будущего роста монацита. Таким образом, более молодой монацит имеет тенденцию иметь более низкое содержание Th. Это одна из основных причин разнообразия состава монацита.

Если рассматривать всю систему метаморфических пород, то имеются и другие минералы, для которых характерно элементное фракционирование. Взаимодействие фракционирования монацита и других минералов оказывает большое влияние на зональность состава монацита. Взаимодействие часто вызвано образованием и распадом минералов, что является результатом разных стадий пути PT. Таким образом, зональность, связанная с датированием фракционирования, помогает ограничить время метаморфизма.

Путь PT, соответствующий образованию ядра с низким содержанием Y и обода с высоким содержанием Y монацита.

Наиболее изученной системой является фракционирование иттрия (Y) между фосфатом монацитом и силикатами граната и ксенотима. Все три минерала преимущественно фракционируют Y, однако они образуются и разрушаются на разных стадиях метаморфизма. Наибольшую фракционирующую способность имеет ксенотим, затем гранат и затем монацит. В упрощенном случае PT-пути по часовой стрелке с участием граната и монацита гранат растет по прогрессивному пути с постоянным включением Y, таким образом, содержание Y в монаците, образующемся на этой стадии (проградном), должно постепенно уменьшаться с более высоким содержанием. Однако при повышении температуры до определенной точки вокруг его края происходит частичное плавление (анатектика) монацита, высвобождающее Y в расплавы. По мере того как система позже охлаждается и расплав кристаллизуется, вновь выращенный монацит будет иметь более высокое содержание Y. Частичное плавление обычно происходит во время пика метаморфизма (самая высокая температура на пути PT), но возраст и химическая информация на этом этапе не записываются, поскольку монацит плавится. Однако возраст последней проградной каймы роста (самый низкий Y) и первой послеанатектической каймы роста (самый высокий Y) обычно ограничивает время частичного плавления.

Другой сценарий предполагает образование или распад граната, что влияет на содержание Y и HREE ( тяжелых редкоземельных элементов ) в окружающей среде, а значит, и на содержание растущего монацита. В основном монациты, выращенные до образования граната, имеют более высокое содержание Y и HREE, чем те, которые образовались во время или после образования граната. Когда на поздней стадии метаморфизма гранат начинает разрушаться, образуются каймы монацита, богатые Y и HREE.

Обнаружено, что степень фракционирования Y между гранатом и монацитом также связана с температурой. Таким образом, он используется в качестве термометра, обеспечивая ограничение температуры на пути PT.

Деформация

Выбор времени для событий деформации является одним из важных компонентов тектонического исследования. Крупномасштабные сквозные связи между горными породами, дайками и плутонами обеспечивают определенные, но относительно широкие временные ограничения на деформацию. Монацит может быть включен в ткани деформаций, реакционные текстуры и трещины; таким образом, изучение микроткани и микротекстуры монацита предлагает более простой метод датировки события деформации.

Деформационно-метаморфические реакции

События деформации могут вызвать метаморфические реакции, в результате которых образуется монацит. Например, метаморфическая реакция, связанная с движением в зоне сдвига озера Легс, частично заменила гранат кордиеритом. В результате этой реакции также образовался новый монацит с высоким содержанием Y, датированный примерно 1850 млн лет назад. Возраст интерпретируется как время стрижки.

Реакции образования монацита могут произойти немного позже, чем сдвиг, после того, как породы пришли в равновесие в ответ на новое давление. Это означает, что возраст монацита не может быть полностью эквивалентен возрасту сдвига, но он обеспечивает более точный возраст, чем другие методы.

Монацитовые деформационные ткани

Зерно монацита выровнено со слоением S1. Новые разрастания монацита растут в направлении S1. Отредактировано по Маккою, 2005 г.

Монацит может образовываться в тканях вследствие деформации. Монацит может присутствовать в виде удлиненных зерен, выровненных в слоение. Можно интерпретировать, что либо монацит образовался до сдвига и выровнялся во время сдвига, либо образовался одновременно со сдвигом. Таким образом, это обеспечивает верхний предел возраста сдвига. Например, если монацит датирован 800 млн лет назад, возраст сдвига не может быть старше 800 млн лет.

Однако можно также интерпретировать, что монацит рос вдоль слоистости других минералов спустя долгое время после сдвига. Эту проблему можно решить, анализируя домены состава монацита. Монацит вдоль существующего слоения будет иметь тенденцию к росту на двух концах вдоль слоения. Если мы сможем обнаружить наросты монацита различного состава и возраста вдоль двух противоположных концов зерна, вполне вероятно, что дата нарастания монацита моложе, чем дата сдвига.

Излом монацита

Схематическая диаграмма, показывающая разрушение монацита и повторное заполнение монацита. Кристалл монацита более светлого цвета раскалывается при сдвиге. Позже по излому образуется новый монацит нового состава и более темного цвета. Модифицировано из Шоу (2001).

В одном кристалле монацита наблюдались трещины и смещения, имитирующие разлом «книжной полки» в результате более масштабного разрушения. Трещина зерна датирована 1375 млн лет назад, что указывает на то, что крупномасштабное смещение произошло после этой даты. Более того, новый монацит может позже вырасти и заполнить пространство, созданное трещиной, полностью охватывая временные ограничения. Например, если новый монацит датируется 1200 млн лет назад, то смещение, вероятно, произошло между 1375–1200 млн лет назад.

Осадочные события

Детритовый монацит

Дополнительная информация: Детрит (геология)

Обломочные зерна монацита образуются в результате выветривания и эрозии ранее существовавших пород, а затем переносятся в осадочные бассейны . Детритовый монацит содержит закономерности зональности, которые сохраняют геологическую историю региона-источника. Исследование обломочного монацита в бассейне не только помогает реконструировать метаморфическую, тектоническую и гидротермальную историю региона источника, но также определить возраст отложений, структурную эволюцию и источники отложений бассейна. Например, домен самого молодого возраста может представлять собой эксгумацию нефтематеринской породы, за которой следует немедленная эрозия и отложение.

Диагенетический монацит

Дополнительная информация: Диагенез.

Диагенетический монацит — это монацит, образовавшийся во время или после литификации осадочных пород. Было замечено, что монацит растет на других минералах или в поровых пространствах во время диагенеза отложений. Изучение диагенетического монацита является хорошим методом изучения возраста, геохимической и термической эволюции осадочных бассейнов, особенно докембрийских, с небольшим контролем возраста окаменелостей.

Промышленное использование

Данные U-Th-Pb и возраст монацита могут быть использованы в качестве ценного инструмента для поисков . Он был показан для 3 населенных пунктов Писецко-Горского края, Чехия .