Геотермометрия титана в цирконе - Titanium in zircon geothermometry - Wikipedia

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

Геотермометрия титана в цирконе это форма геотермометрия техника, с помощью которой кристаллизация температура циркон кристалл можно оценить по количеству титан атомы, которые можно найти только в кристаллическая решетка. В кристаллы циркона обычно включается титан, заменяющий аналогично заряженные цирконий и кремний атомы. Этот процесс относительно не зависит от давления и сильно зависит от температуры, при этом количество введенного титана экспоненциально растет с температурой,[1][2] что делает этот метод точной геотермометрии. Это измерение содержания титана в цирконах можно использовать для оценки температуры охлаждения кристалла и определения условий, при которых он кристаллизовался. Изменения состава в кольцах роста кристаллов можно использовать для оценки термодинамической истории всего кристалла. Этот метод полезен, поскольку его можно комбинировать с радиометрическое датирование методы, которые обычно используются с кристаллами циркона (см. цирконовая геохронология ), чтобы связать количественные измерения температуры с конкретным абсолютным возрастом. Этот метод можно использовать для оценки состояния Земли на ранней стадии, определения метаморфические фации, или определить источник обломочный цирконы, среди прочего.

Циркон

А ячейка циркона. Стрелки указывают на возможные места замещения атомов титана. Желтые сферы представляют атомы кремния, серые сферы - атомы циркония.
График содержания Ti (логарифм Ti ppm) в зависимости от температуры в градусах Цельсия. Упрощенная версия, модифицированная из Watson and Harrison 2005.

Циркон ((Zr1 – й год, REEу) (SiO4)1 – x(ОЙ)4x – y)) является ортосиликат минерал, который обычно встречается в качестве дополнительного минерала в земной коре.[3] Из-за своей кристаллической структуры и геохимии циркон является часто анализируемым минералом из-за его полезности для геологов в качестве геохронометра и геотермометра.

В химическом отношении циркон является особенно полезным минералом из-за его способности включать множество микроэлементов. Многие из этих элементов можно использовать для радиометрического датирования, чтобы определить возраст кристалла. Известно об обмене уран, торий и редкоземельные элементы (REE) такие как иттрий,[4] и лютеций. Однако химические потенциальные энергии этих замещений РЗЭ изучены недостаточно, поэтому они не подходят для определения температур кристаллизации. Титан также входит в состав циркона, и его обменные курсы были подробно изучены. Ti4+, четырехвалентный ион, может заменить Zr4+ или Si4+ в механизме зависимости от температуры. Для цирконов в присутствии TiO2, т.е. минерал рутил, этот процесс замещения является обычным и может быть измерен.[1] Циркон также полезен, потому что он содержит другие элементы, такие как уран, лютеций, самарий,[5] и кислород[6] могут быть проанализированы, чтобы получить более полное представление о возрасте и условиях, в которых рос кристалл.

Термически циркон устойчив к перепадам температур и перепадам температур. Он стабилен до 1690 ° C при атмосферном давлении и имеет низкий коэффициент теплового расширения. Кристаллы циркона также являются одними из самых несжимаемых силикатных минералов.[3] Высокая прочность цирконов также позволяет им кристаллизоваться вокруг других силикатных минералов, создавая карманы или включения, окружающих расплавов, которые указывают на магму при определенных давлениях и температурах. По сути, это образует капсулу времени, дающую представление о прошлых условиях, в которых формировался кристалл.[7]

Известно, что цирконы относительно удерживают включенные в них изотопы и поэтому очень полезны для микроколичественных исследований. Катионы, такие как РЗЭ,[8] U, Th, Hf,[9] Pb,[10] и Ti[11] медленно диффундируют из цирконов, и их измеренные количества в минерале позволяют определить условия расплава, окружающие кристалл во время роста. Эта низкая скорость диффузии многих из включенных элементов делает кристаллы циркона более склонными к формированию композиционной зональности, которая может представлять колебательную зональность или секторную зональность, поскольку состав расплава или энергетические условия меняются вокруг кристалла с течением времени.[12] Эти зоны показывают различия в составе ядра и края кристалла, что дает видимые свидетельства изменений в условиях плавления.[13] Низкие скорости диффузии также предотвращают загрязнение из-за утечки или потери изотопов из кристалла, увеличивая вероятность того, что хронологические и композиционные измерения будут точными.

Методы

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

В этом разделе будет рассмотрен процесс измерения содержания титана в цирконах, начиная со сбора образцов, отделения минералов, монтажа для микрозондового анализа и заканчивая микроколичественным анализом элементов. После сбора породы цирконы извлекаются с использованием ряда методов, таких как использование сито, тяжелая жидкость, качающийся стол и магнитная сепарация для разделения минералов по разным плотностям и свойствам. Затем кристаллы циркона устанавливаются на пластину в форме диска из эпоксидной смолы или металла.[14] где их можно сбрить примерно на половину толщины, чтобы раскрыть их внутреннюю структуру. Отсюда их можно отобразить с помощью катодолюминесценция чтобы сделать видимыми любые зональности в минерале. Если зональность очевидна, можно провести несколько измерений содержания Ti от центра к краю, чтобы получить температурную эволюцию кристалла.

Последний шаг включает измерение содержания титана в определенном месте на кристалле циркона с помощью ионного микрозонда. Для этого химический состав цирконов измеряется с помощью вторично-ионная масс-спектрометрия. Образец бомбардируется пучком первичных ионов, и заряд и масса выброшенных вторичных ионов измеряются для определения химического состава в точке контакта. Затем количественное значение содержания титана сравнивают с известным соотношением включения титана и температуры для определения температуры кристаллизации этой зоны циркона. Отношение титана к температуре было рассчитано с использованием цирконов, датированных радиометрическим методом in situ с известными температурами расплава окружающей породы. Это измерение содержания титана в цирконе может быть выполнено несколько раз в зональных цирконах, что может зафиксировать изменение температуры в результате многих геологических событий.[1][2][15]

Использует

Используя этот метод, можно оценить температуру кристаллизации цирконов для оценки температуры охлаждения кристалла. Подобные методы геотермометрии могут предоставить доказательства изменений температуры в различных средах, термодинамический эволюция горных пород, постепенное изменение геотермальный градиент над геологическое время, и определить происхождение из обломочный отложения. В сочетании с методами геохронологии, которые измеряют с использованием радиометрического распада для определения возраста породы, например, с помощью распада U / Pb, эти палеотемпературные измерения могут быть сопряжены с абсолютным возрастом для определения изменений температуры во времени.

Геотермометрия циркона до сих пор использовалась в огненный пород для оценки температуры охлаждения магма из кристаллов циркона, датированных Hadean возраст (> 4,0 млрд лет). Низкие температуры кристаллизации цирконов этого возраста предполагают, что Гадейская Земля содержала жидкую воду, которая снизила температуру охлаждения материалов земной коры.[2] Потенциально, термометрия диоксида циркония древнейших цирконов Земли может показать прогрессирующую потерю тепла от магматической Гадейской Земли к началу тектоника плит кора планеты начала остывать и подвергалась пластической деформации. Это предоставит ранее неизвестные доказательства условий на ранней Земле и позволит проверить идеи о том, как планета развивалась через Хадей и Архейский эоны.

Геотермометрия титана в цирконе может быть использована в цирконах, найденных в метаморфических пород для оценки давления и температуры при метаморфизме. Это помогает определить метаморфические фации и, таким образом, геологическая обстановка горной породы.[16][17] Его также можно использовать в осадочные породы чтобы помочь определить источник обломочных минералов. Однако иногда эти кристаллы могут быть загрязнены внешним проникновением титана в трещины.[1][15]

Ошибки и ограничения

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 используются 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 (TiO2). В системах, в которых нет или очень мало титана, этот метод бесполезен, так как цирконы не будут включать титан, если он не присутствует в магматическом расплаве.[2] Однако в последних моделях учтена способность циркона заменять кремний или цирконий в кристалле титаном за счет использования независимых активностей кремния и циркона.[18] Это расширило возможности использования циркона неизвестного происхождения из-за большого количества кремния в земной коре. В некоторых кристаллах циркона включения минерала кварц (SiO2) может использоваться как доказательство присутствия кремния во время кристаллизации, что подтверждает правильность использования этого геотермометра.

Из-за обилия радиоактивных элементов, которые могут быть включены в цирконы, они также подвержены повреждению в результате радиоактивного распада в процессе метамиктизация. Когда радиоактивные элементы внутри кристаллической решетки распадаются, 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 сложность этого микроанализа - загрязнение титаном внешних поверхностей. Недавние исследования выразили обеспокоенность по поводу золото покрытие на поверхности ион микрозонд крепления, которые содержат небольшое количество титана (~ 1 ppm), что может привести к ошибке во время измерения. В обломочных цирконах, обнаруженных в осадочных источниках, оксидное покрытие, содержащее титан, на поверхности и в трещинах цирконов также может загрязнять кристалл избытком титана.[1]

Более поздние исследования также показали, что существуют дополнительные неизвестные факторы, которые способствуют включению Ti в цирконы. Химическая активность SiO2, изменение давления, неравновесная кристаллизация из расплавов, поздний рост кристаллов в водных расплавах или неравновесная кристаллизация.Закон Генри Замещение в кристаллах циркона все может играть роль в изменении прогнозируемых температур кристаллизации.[19]

Этот метод также ограничен несколькими предположениями, которые, хотя и действительны, могут оказаться несовместимыми в определенных ситуациях. В лабораторных исследованиях при расчете температур охлаждения использовалось постоянное давление, и было сделано предположение, что давление не играет большой роли во введении титана. При оценке температуры охлаждения повышенное давление учитывается увеличением оценок температуры и, таким образом, увеличивает неопределенность оценок.[18]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Watson, E.B .; Wark, D.A .; Томас, Дж. Б. (3 марта 2006 г.). «Кристаллизационные термометры циркона и рутила». Вклад в минералогию и петрологию. 151 (4): 413–433. Bibcode:2006CoMP..151..413W. Дои:10.1007 / s00410-006-0068-5.
  2. ^ а б c d е Watson, E.B .; Харрисон, Т. М. (6 мая 2005 г.). «Цирконовый термометр показывает минимальные условия плавления на самой ранней Земле». Научный журнал. 308 (5723): 841–843. Bibcode:2005Sci ... 308..841W. Дои:10.1126 / наука.1110873. PMID  15879213.
  3. ^ а б Финч, Роберт Дж .; Гончар, Джон М. (2003). «Строение и химия циркона и минералов группы циркона». Обзоры по минералогии и геохимии. 53 (1): 1–25. Bibcode:2003РвМГ ... 53 .... 1Ф. Дои:10.2113/0530001.
  4. ^ Беа, Ф. (1996). «Размещение РЗЭ, Y, Th и U в гранитах и ​​протолитах земной коры; последствия для химии расплавов земной коры». Журнал петрологии. 37 (3): 521–552. Bibcode:1996JPet ... 37..521B. Дои:10.1093 / петрология / 37.3.521. Получено 29 ноябрь 2014.
  5. ^ 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. Bibcode:2003РвМГ ... 53..327К. Дои:10.2113/0530327. Получено 29 ноябрь 2014.
  6. ^ Вэлли, Джон В. (январь 2003 г.). «Изотопы кислорода в цирконе». Обзоры по минералогии и геохимии. 53 (1): 343–385. Bibcode:2003РвМГ ... 53..343В. Дои:10.2113/0530343. Получено 29 ноябрь 2014.
  7. ^ Thomas, J.B .; Bodnar, R.J .; Shimizu, N .; Чеснер, К.А. (Январь 2003 г.). «Включения расплава в цирконе». Обзоры по минералогии и геохимии. 53 (1): 63–87. Bibcode:2003RvMG ... 53 ... 63T. Дои:10.2113/0530063. Получено 29 ноябрь 2014.
  8. ^ Черняк, Д.Дж .; Hanchar, J.M .; Уотсон, Э. (1997). «Редкоземельная диффузия в цирконе». Химическая геология. 134 (4): 289–301. Bibcode:1997ЧГео.134..289С. Дои:10.1016 / S0009-2541 (96) 00098-8.
  9. ^ Черняк, Д.Дж .; Hanchar, J.M .; Уотсон, Э. (1997). «Диффузия четырехвалентных катионов в цирконе». Вклад в минералогию и петрологию. 127 (4): 383–390. Bibcode:1997CoMP..127..383C. Дои:10.1007 / s004100050287.
  10. ^ Черняк, Д.Дж .; Уотсон, Э. (2001). «Диффузия Pb в цирконе». Химическая геология. 172 (1–2): 5–24. Bibcode:2001ЧГео.172 .... 5С. Дои:10.1016 / S0009-2541 (00) 00233-3.
  11. ^ Черняк, Д.Дж .; Уотсон, Э. Б. (9 мая 2007 г.). «Диффузия Ti в цирконе». Химическая геология. 242 (3–4): 470–483. Bibcode:2007ЧГео.242..470С. Дои:10.1016 / j.chemgeo.2007.05.005.
  12. ^ Черняк, Даниэле Дж .; Уотсон, Э. Брюс (январь 2003 г.). «Диффузия в цирконе». Обзоры по минералогии и геохимии. 53 (1): 113–133. Bibcode:2003RvMG ... 53..113C. Дои:10.2113/0530113.
  13. ^ Корфу, Фернандо; Гончар, Джон М .; Хоскин, Пол W.O .; Кинни, Питер (январь 2003 г.). «Атлас цирконовых текстур». Обзоры по минералогии и геохимии. 53 (1): 469–500. Bibcode:2003RvMG ... 53..469C. Дои:10.2113/0530469. Получено 29 ноябрь 2014.
  14. ^ "Базовые приготовления". Подготовка образца SHRIMP RG. USGS. Получено 8 октября 2014.
  15. ^ а б c Хоскин, P.W .; Шальтеггер, Урс (2003). «Состав циркона и магматический и метаморфический петрогенезис». Обзоры по минералогии и геохимии. 53 (1): 27–62. Bibcode:2003RvMG ... 53 ... 27H. Дои:10.2113/0530027.
  16. ^ Юинг, Таня А .; Германн, Йорг; Рубатто, Даниэла (апрель 2013 г.). «Устойчивость термометров Zr-in-rutile и Ti-in-zircon во время высокотемпературного метаморфизма (зона Ивреа-Вербано, север Италии)». Вклад в минералогию и петрологию. 165 (4): 757–779. Bibcode:2013CoMP..165..757E. Дои:10.1007 / s00410-012-0834-5.
  17. ^ Лю, И-Цань; Дэн, Лян-Пэн; Гу, Сяо-Фэн; Groppo, C .; Рольфо, Ф. (январь 2015 г.). «Применение термометров Ti-in-Zircon и Zr-in-rutile для сдерживания высокотемпературного метаморфизма в эклогитах из орогена Dabie, центральный Китай» (PDF). Исследования Гондваны. 27 (1): 410–423. Дои:10.1016 / j.gr.2013.10.011. HDL:2318/142443.
  18. ^ а б Ferry, J.M .; Уотсон, Э. (Октябрь 2007 г.). «Новые термодинамические модели и пересмотренные калибровки для термометров Ti-in-Zircon и Zr-in-rutile». Вклад в минералогию и петрологию. 154 (4): 429–437. Bibcode:2007CoMP..154..429G. Дои:10.1007 / s00410-007-0201-0.
  19. ^ Фу, Бин; Пейдж, Ф. Зеб; Кавози, Аарон Дж .; Фурнель, Джон; Кита, Норико Т .; Лэки, Джейд Стар; Уайльд, Саймон А .; Вэйли, Джон У. (12 февраля 2008 г.). «Термометрия титана в цирконе: применение и ограничения». Вклад в минералогию и петрологию. 156 (2): 197–215. Bibcode:2008CoMP..156..197F. Дои:10.1007 / s00410-008-0281-5.