Титан в цирконе геотермометрия
Геотермометрия титана в цирконе — это разновидность метода геотермометрии , с помощью которого температуру кристаллизации кристалла циркона можно оценить по количеству атомов титана , которые можно найти только в кристаллической решетке . В кристаллы циркона обычно включается титан, заменяющий одинаково заряженные циркония и кремния атомы . Этот процесс относительно не зависит от давления и сильно зависит от температуры, при этом количество включенного титана растет экспоненциально с температурой. [ 1 ] [ 2 ] что делает это точным методом геотермометрии. Это измерение содержания титана в цирконах можно использовать для оценки температуры охлаждения кристалла и определения условий, в которых он кристаллизовался. Изменения состава годичных колец 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 ), для корреляции количественных измерений температуры с конкретным абсолютным возрастом. можно использовать для оценки условий ранней Земли, определения метаморфических фаций или для определения источника обломочных Этот метод , помимо прочего, цирконов.
Циркон
[ редактировать ]
Циркон ((Zr 1–y , REE y )(SiO 4 ) 1–x (OH) 4x–y )) — ортосиликатный минерал, который обычно встречается в качестве акцессорного минерала в земной коре. [ 3 ] Благодаря своей кристаллической структуре и геохимии циркон является широко анализируемым минералом из-за его полезности для геологов в качестве геохронометра и геотермометра.
С химической точки зрения 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 , [ 4 ] 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, курс его обмена подробно изучен. Ти 4+ , четырехвалентный ион, может заменить Zr 4+ или Си 4+ по температурно-зависимому механизму. Для цирконов в присутствии TiO 2 , т.е. минерала рутила , этот процесс замещения является обычным и может быть измерен. [ 1 ] Циркон также полезен, поскольку в его состав входят другие элементы, такие как уран, лютеций, самарий , [ 5 ] и кислород [ 6 ] можно проанализировать, чтобы получить более глубокое представление о возрасте и условиях, в которых вырос кристалл.
Термически циркон устойчив к перепадам температур и перепадам температур. Он стабилен до 1690 °C при атмосферном давлении и имеет низкую степень теплового расширения. Кристаллы циркона также являются одними из наиболее несжимаемых силикатных минералов. [ 3 ] Высокая прочность цирконов также позволяет им кристаллизоваться вокруг других силикатных минералов, создавая карманы или включения окружающих расплавов, которые указывают на наличие магмы при определенных давлениях и температурах. По сути, это образует капсулу времени, дающую представление о прошлых условиях, в которых формировался кристалл. [ 7 ]
Известно, что цирконы относительно сохраняют включенные в них изотопы и поэтому очень полезны для микроколичественных исследований. Катионы, такие как РЗЭ, [ 8 ] У, Тх, Хф, [ 9 ] Пб , [ 10 ] и Ти [ 11 ] медленно диффундируют из цирконов, и их измеренные количества в минерале служат диагностикой условий расплава, окружающего кристалл во время роста. Эта медленная скорость диффузии многих включенных элементов делает кристаллы циркона более вероятными для формирования композиционной зональности, которая может представлять собой колебательную зональность или секторную зональность, поскольку состав расплава или энергетические условия меняются вокруг кристалла с течением времени. [ 12 ] Эти зоны демонстрируют различия в составе ядра и края кристалла, что является наблюдаемым свидетельством изменений условий расплава. [ 13 ] Медленная скорость диффузии также предотвращает загрязнение в результате утечки или потери изотопов из кристалла, увеличивая вероятность того, что хронологические и композиционные измерения будут точными.
Методы
[ редактировать ]
В этом разделе будет рассмотрен процесс измерения содержания титана в цирконах, начиная со сбора проб, разделения минералов, установки для микрозондового анализа и заканчивая микроколичественным элементным анализом. После того, как горная порода собрана, цирконы извлекаются с использованием ряда методов, таких как использование сита , тяжелой жидкости , встряхивающего стола и магнитной сепарации для разделения минералов в зависимости от плотности и свойств. Кристаллы циркона затем монтируются на эпоксидное или металлическое предметное стекло в форме диска. [ 14 ] где их можно сбрить примерно до половины толщины, чтобы раскрыть их внутреннюю структуру. Отсюда их можно визуализировать с помощью катодолюминесценции , чтобы сделать видимыми любые зональные зоны в минерале. Если зональность очевидна, можно провести несколько измерений содержания Ti от центра к краю, чтобы определить температурную эволюцию кристалла.
Последний шаг включает измерение содержания титана в определенном месте кристалла циркона с помощью ионного микрозонда. Для этого химический состав цирконов измеряется с помощью вторично-ионной масс-спектрометрии . Образец бомбардируется пучком первичных ионов и измеряются заряд и масса выброшенных вторичных ионов для определения химического состава в точке контакта. Количественное значение содержания титана затем сравнивается с известным соотношением включения титана и температуры для определения температуры кристаллизации этой зоны циркона. Зависимость титана от температуры была рассчитана с использованием цирконов, датированных радиометрическим методом in situ с известными температурами плавления окружающей породы. Это измерение содержания титана в цирконе можно провести несколько раз в зональных цирконах, что может зафиксировать эволюцию температуры, возникшую в результате многих геологических событий. [ 1 ] [ 2 ] [ 15 ]
Использование
[ редактировать ]Используя этот метод, можно оценить температуру кристаллизации цирконов и оценить температуру охлаждения кристалла. Подобные методы геотермометрии могут предоставить данные об изменениях температуры в различных средах, термодинамической , постепенном изменении геотермического градиента с течением геологического времени и определить происхождение обломочных эволюции горных пород отложений. В сочетании с методами геохронологии, которые измеряют возраст горных пород с помощью радиометрического распада, например, с распадом U / Pb, эти измерения палеотемпературы могут сочетаться с абсолютным возрастом, чтобы определить изменения температуры с течением времени.
Геотермометрия титана в цирконе до сих пор использовалась в магматических породах для оценки температур охлаждения магмы из кристаллов циркона, датированных гадейским возрастом (> 4,0 млрд лет). Низкие температуры кристаллизации цирконов этого возраста позволяют предположить, что Гадейская Земля содержала жидкую воду, которая снижала температуру охлаждения материалов земной коры. [ 2 ] Потенциально термометрия титана в цирконе старейших цирконов Земли может показать прогрессирующую потерю тепла от магматической Гадейской Земли до начала тектоники плит , когда кора планеты начала охлаждаться и подвергаться пластической деформации. Это предоставит ранее неизвестные доказательства условий на ранней Земле и позволит проверить идеи о том, как планета развивалась на протяжении гадейского и архейского эонов.
Геотермометрию титана в цирконе можно использовать в цирконах, обнаруженных в метаморфических породах, для оценки условий давления и температуры во время метаморфизма. Это помогает идентифицировать метаморфическую фацию и, следовательно, геологическую обстановку горной породы. [ 16 ] [ 17 ] Его также можно использовать в осадочных породах , чтобы определить источник обломочных минералов. Однако иногда эти кристаллы могут быть загрязнены внешним титаном, просачивающимся в трещины. [ 1 ] [ 15 ]
Ошибки и ограничения
[ редактировать ]Геотермометрия титана в цирконе считается относительно надежным и точным методом определения температур кристаллизации цирконов с погрешностью всего 10-16 градусов Цельсия. [ 2 ] Однако в этом методе используется несколько ограничений и допущений, которые увеличивают погрешность.
Основным ограничением этого метода является то, что его можно использовать только в системах, содержащих титан или минерал рутил (TiO 2 ). В системах, в которых титана нет или его очень мало, этот метод бессмысленен, поскольку цирконы не будут включать титан, если он не присутствует в магматическом расплаве. [ 2 ] Однако недавние модели приняли во внимание способность циркона заменять кремний или цирконий в кристалле титаном, используя независимые активности кремния и циркона. [ 18 ] Это расширило возможности использования цирконов неизвестного происхождения из-за обилия кремния в земной коре. В некоторых кристаллах циркона включения минерального кварца (SiO 2 ) могут использоваться как доказательство присутствия кремния во время кристаллизации, что подтверждает возможность использования этого геотермометра.
Из-за обилия радиоактивных элементов, которые могут быть включены в цирконы, они также подвержены повреждению от радиоактивного распада в процессе метамиктизации . По мере распада радиоактивных элементов внутри кристаллической решетки они бомбардируют внутреннюю часть кристалла радиоактивными частицами. Это ослабляет кристалл и оставляет его сломанным или разрушенным. [ 15 ] 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 обеспокоенность по поводу золотого покрытия на поверхности креплений ионного микрозонда , которое содержит небольшое количество титана (~1 ppm), что может привести к ошибке во время измерения. В обломочных цирконах, обнаруженных в осадочных источниках, титансодержащее оксидное покрытие на поверхности и в изломах цирконов также может загрязнять кристалл избытком титана. [ 1 ]
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 несоответствующее закону Генри замещение в кристаллах циркона - все это может играть роль в изменении прогнозируемых температур кристаллизации. [ 19 ]
Этот метод также ограничен несколькими предположениями, которые, хотя и верны, в определенных ситуациях могут оказаться противоречивыми. В лабораторных исследованиях при расчете температуры охлаждения использовалось постоянное давление, и предполагалось, что давление не играет большой роли во внедрении титана. При оценке температуры охлаждения повышенное давление учитывается за счет увеличения оценок температуры и, таким образом, увеличивает неопределенность оценок. [ 18 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Уотсон, Э.Б.; Уорк, округ Колумбия; Томас, JB (3 марта 2006 г.). «Термометры кристаллизации циркона и рутила». Вклад в минералогию и петрологию . 151 (4): 413–433. Бибкод : 2006CoMP..151..413W . дои : 10.1007/s00410-006-0068-5 . S2CID 11920691 .
- ^ Jump up to: а б с д и Уотсон, Э.Б.; Харрисон, ТМ (6 мая 2005 г.). «Цирконовый термометр показывает минимальные условия плавления на древней Земле». Научный журнал . 308 (5723): 841–843. Бибкод : 2005Sci...308..841W . дои : 10.1126/science.1110873 . ПМИД 15879213 . S2CID 11114317 .
- ^ Jump up to: а б Финч, Роберт Дж.; Ханчар, Джон М. (2003). «Строение и химия циркона и минералов цирконовой группы». Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 1–25. Бибкод : 2003RvMG...53....1F . дои : 10.2113/0530001 .
- ^ Беа, Ф. (1996). «Нахождение РЗЭ, Y, Th и U в гранитах и протолитах коры; значение для химии коровых расплавов» . Журнал петрологии . 37 (3): 521–552. Бибкод : 1996JPet...37..521B . дои : 10.1093/petrology/37.3.521 . Проверено 29 ноября 2014 г.
- ^ Кинни, Питер Д.; Маас, Роланд (январь 2003 г.). «Изотопные системы Lu–Hf и Sm–Nd в цирконе» . Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 327–341. Бибкод : 2003RvMG...53..327K . дои : 10.2113/0530327 . Проверено 29 ноября 2014 г.
- ^ Вэлли, Джон В. (январь 2003 г.). «Изотопы кислорода в цирконе» . Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 343–385. Бибкод : 2003RvMG...53..343V . дои : 10.2113/0530343 . Проверено 29 ноября 2014 г.
- ^ Томас, Дж.Б.; Боднар, Р.Дж.; Симидзу, Н.; Чеснер, Калифорния (январь 2003 г.). «Расплавные включения в цирконе» . Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 63–87. Бибкод : 2003РвМГ...53...63Т . дои : 10.2113/0530063 . Проверено 29 ноября 2014 г.
- ^ Черняк, диджей ; Ханчар, Дж. М.; Уотсон, Э.Б. (1997). «Диффузия редкоземельных элементов в цирконе». Химическая геология . 134 (4): 289–301. Бибкод : 1997ЧГео.134..289С . дои : 10.1016/S0009-2541(96)00098-8 .
- ^ Черняк, диджей; Ханчар, Дж. М.; Уотсон, Э.Б. (1997). «Диффузия четырехвалентных катионов в цирконе». Вклад в минералогию и петрологию . 127 (4): 383–390. Бибкод : 1997CoMP..127..383C . дои : 10.1007/s004100050287 . S2CID 96293255 .
- ^ Черняк, диджей; Уотсон, Э.Б. (2001). «Диффузия Pb в цирконе». Химическая геология . 172 (1–2): 5–24. Бибкод : 2001ЧГео.172....5С . дои : 10.1016/S0009-2541(00)00233-3 .
- ^ Черняк, диджей; Уотсон, Э.Б. (9 мая 2007 г.). «Диффузия Ti в цирконе» Химическая геология . 242 (3–4): 470–483. Бибкод : 2007ЧГео.242..470С . doi : 10.1016/j.chemgeo.2007.05.005 .
- ^ Черняк, Даниэле Дж.; Уотсон, Э. Брюс (январь 2003 г.). «Диффузия в Цирконе». Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 113–133. Бибкод : 2003RvMG...53..113C . дои : 10.2113/0530113 .
- ^ Корфу, Фернандо; Ханчар, Джон М.; Хоскин, Пол В.О.; Кинни, Питер (январь 2003 г.). «Атлас текстур циркона» . Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 469–500. Бибкод : 2003RvMG...53..469C . дои : 10.2113/0530469 . Проверено 29 ноября 2014 г.
- ^ «Подготовка проб» . Подготовка проб SHRIMP RG . Геологическая служба США . Проверено 8 октября 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с Хоскин, П.В.; Шальтеггер, Урс (2003). «Состав циркона и магматического и метаморфического петрогенезиса» . Обзоры по минералогии и геохимии . 53 (1): 27–62. Бибкод : 2003RvMG...53...27H . дои : 10.2113/0530027 .
- ^ Юинг, Таня А.; Германн, Йорг; Рубатто, Даниэла (апрель 2013 г.). «Надежность термометров Zr-в-рутиле и Ti-в-цирконе во время высокотемпературного метаморфизма (зона Ивреа-Вербано, северная Италия)» . Вклад в минералогию и петрологию . 165 (4): 757–779. Бибкод : 2013CoMP..165..757E . дои : 10.1007/s00410-012-0834-5 . S2CID 129193226 .
- ^ Лю, И-Цан; Дэн, Лян-Пэн; Гу, Сяо-Фэн; Гроппо, К.; Рольфо, Ф. (январь 2015 г.). «Применение термометров Ti-в-цирконе и Zr-в-рутиле для ограничения высокотемпературного метаморфизма в эклогитах орогена Даби, Центральный Китай» (PDF) . Исследования Гондваны . 27 (1): 410–423. дои : 10.1016/j.gr.2013.10.011 . hdl : 2318/142443 .
- ^ Jump up to: а б Ферри, Дж. М.; Уотсон, Э.Б. (октябрь 2007 г.). «Новые термодинамические модели и пересмотренные калибровки для термометров Ti-циркон и Zr-рутил». Вклад в минералогию и петрологию . 154 (4): 429–437. Бибкод : 2007CoMP..154..429F . дои : 10.1007/s00410-007-0201-0 . S2CID 129429412 .
- ^ Фу, Бин; Пейдж, Ф. Зеб; Кавоси, Аарон Дж.; Фурнель, Джон; Кита, Норико Т.; Лакей, Нефритовая Звезда; Уайльд, Саймон А.; Вейли, Джон В. (12 февраля 2008 г.). «Термометрия титана в цирконе: применение и ограничения». Вклад в минералогию и петрологию . 156 (2): 197–215. Бибкод : 2008CoMP..156..197F . дои : 10.1007/s00410-008-0281-5 . S2CID 15272322 .