СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВОЗРАСТА ГОРНЫХ ПОРОД И МИНЕРАЛОВ Российский патент 2002 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к области геохронологии - определению абсолютного и относительного возраста пород и минералов.

Преимущественные области использования: фундаментальные исследования в области геологии и минералогии Земли и других планет и поиски и разведка месторождений полезных ископаемых.

В природе большинство элементов существует в виде смеси различных изотопов. Часть изотопов нестабильна, со временем их атомы путем различных ядерных реакций (спонтанного распада) превращаются в атомы радиогенных изотопов других элементов. Стабильные же изотопы существуют неопределенно долго без всяких изменений.

Все известные способы определения абсолютного возраста пород и минералов (методы ядерной геохронологии - свинцовый (U, Th, Pb), гелиевый, аргоновый (Аr, К), кальциевый, стронциевый (Sr, Rb), осмиевый и углеродный) основаны на измерении отношений содержаний изотопов генетически связанных элементов. Большая часть этих методов основана на измерении отношения содержаний исходных нестабильных изотопов некоторых элементов и содержаний накапливающихся со временем продуктов их распада - радиогенных изотопов вновь образующихся элементов (Большая Советская Энциклопедия. 3-е изд. М.: Советская энциклопедия, 1971, т. 6, с. 338-339). Например, в уран-свинцовом методе измеряется отношение содержаний радиогенных изотопов свинца - конечных продуктов распада урана к содержаниям соответствующих материнских изотопов урана (²⁰⁶Pb/²³⁸U; ²⁰⁷Pb/²³⁵U; ²⁰⁸Pb/²³²U). Чем больше время жизни породы или минерала, тем больше накапливается в них продуктов распада нестабильных изотопов элементов и, следовательно, тем больше величина отношения содержания появившегося продукта распада (некоторого радиогенного изотопа вновь образованного элемента) к содержанию материнского изотопа исходного элемента. Необходимое условие применения любого метода ядерной геохронологии - замкнутость системы, т.е. отсутствие массо-переноса (привноса или выноса данных элементов за счет посторонних процессов). Строгость его выполнения определяет правильность и точность всех методов определения возраста, основанных на использовании ядерных превращений.

За прототип принят уран-свинцовый метод определения возраста, суть которого кратко описана выше и который по числу совпадающих признаков можно считать наиболее близким к заявляемому методу. Чем выше в породе (минерале) содержание некоторого радиогенного изотопа свинца при данном содержании соответствующего материнского изотопа урана, тем больше ее возраст.

Недостаток прототипа - низкая производительность и высокая стоимость определений абсолютного возраста вследствие необходимости проведения изотопных измерений на относительно мало распространенных и весьма дорогих масс-спектрометрах, что практически делает невозможным его широкое применение при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых.

Цель данного изобретения - упрощение и удешевление определения абсолютного или относительного возраста пород или минералов и создание нового независимого канала получения информации об абсолютном возрасте пород.

Каждая порода или минерал в момент своего образования характеризуется определенным составом (в частности, фиксированными содержаниями элементов), отличающим ее (или его) от всех других. Постоянство отношений данных элементов в некотором образовании в момент его рождения не случайный факт, а всеобщая закономерность. Это создает надежную базу для применения заявляемого способа. Исследование особенностей состава некоторой определенной породы (или их смеси) или минерала, функционально связанных со временем ее (его) существования, и позволяет определять абсолютный возраст.

В основе заявляемого способа (как и в прототипе) лежит фундаментальная физическая закономерность, заключающаяся в том, что с течением времени атомы нестабильных изотопов одного элемента в процессе спонтанно протекающих ядерных реакций (спонтанного деления ядер) превращаются в атомы других элементов. Вследствие чего содержания исходных элементов с течением времени уменьшаются. Скорости этих процессов определяются периодами полураспада изотопов - величинами, относящимися к разряду физических констант.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что возраст пород и минералов определяют по величине отношения общих концентраций выбранных элементов, по крайней мере двух, не связанных между собой атомными реакциями распада (один не служит продуктом распада другого): а) либо двух элементов, содержащих нестабильные изотопы, характеризующихся тем, что их нестабильные изотопы обладают различными периодами полураспада (т.е. скорость уменьшения содержаний одного элемента выше, чем другого), б) либо двух элементов, из которых один содержит нестабильный изотоп с данным периодом полураспада, а другой состоит из стабильных изотопов. В течение жизни элементов их нестабильные изотопы распадаются, вследствие чего общие содержания этих элементов со временем уменьшаются. Поэтому величина отношения общего содержания одного выбранного элемента к общему содержанию другого либо стабильного, либо нестабильного, но с другим периодом полураспада, функционально связана с возрастом этой породы. Сказанное в полной мере справедливо, если используется информация о трех или более элементах с их любыми комбинациями в числителе и знаменателе отношения. При этом в отличие от прототипа не требуется ни проведения каких-либо изотопных измерений, ни анализа продуктов распада - образующихся радиогенных изотопов других элементов.

Заявляемый способ реализуется следующим образом. (Для лучшего понимания реализация заявляемого способа описывается на самом простом примере использования информации о содержании только двух элементов, при 3-х и более элементах смысл полностью сохраняется, усложняется лишь процедура вычислений. ) Берется образец заданной массы выбранного материала, адекватного решаемой конкретной задаче, например определенной породы или руды, без видимых следов изменений. Образец дробится, истирается согласно стандартной процедуре подготовки образцов к данной методике анализа и подвергается анализу любыми адекватными методами, например методами классической химии, с пределами обнаружения, позволяющими определять процентное содержание выбранных элементов - С_1t и C_2t (с разными периодами полураспада) с точностью не хуже заданной (индекс t означает, что содержание относится к данному моменту времени). Величина абсолютного возраста определяется путем подстановки в уравнение ((8) или (16) в подробно описанной ниже технической процедуре проведения вычислений) измеренных содержаний С_1t и С_2t, периодов полураспада T₁ и Т₂, взятых из соответствующих справочников, постоянной А (см. ниже описание методов ее определения) и вычисления величины соответствующего отношения. Возраст определяется величиной этого отношения и рассчитывается в тех же единицах, в которых выражается период полураспада.

Для лучшего понимания приемов практического использования (промышленной применимости) заявляемого способа детально рассмотрим техническую процедуру определения с его помощью абсолютного возраста на базе информации о содержаниях двух элементов.

Концентрация изотопа С_i с периодом полураспада T_i в любой момент времени t может быть определена, например, из уравнения
С_i=С_о•2^-t/Ti, (1)
где С_о - концентрация данного изотопа в момент времени t = 0.

В простейшем случае, когда каждый из элементов в выбранной паре представлен одним изотопом, отношение их содержаний в момент времени t определяется из отношения двух уравнений (1) для каждого из элементов, т.е. из выражения
K_t = C_1t/C_2t = С_1о/C_2о•(2^-t/T1/2^-t/T2)=A•2^{-t(1/ T1-1/T2)}, (2)
где C_1о и С_2о концентрации 1-го и 2-го элементов в начальный момент времени t = 0 (т.е. в момент рождения породы или минерала) соответственно;
C_1о/С_2о = А - постоянная для данной пары элементов.

Время t, другими словами, абсолютный возраст данной породы или минерала определится из уравнения
K_t/A=2^{-t(1/T1 -1/T2)}, (3)
которое после логарифмирования
log₂(K_t/A)=-t(1/T₁-1/T₂) (4)
и перехода от логарифмов при основании 2 к десятичным логарифмам с учетом того, что
log₂X=lgX/lg2, (5)
превращается в уравнение
lg(K_t/A)/lg2=-t(1/T₁-1/T₂). (6)
Откуда искомый возраст определится из выражения
t=-[lg(K_t/A)/lg2]/(1/T₁-1/Т₂) (7)
или, учитывая, что 1/lg2 = 3,322, величина возраста находится по формуле
t=-{lg[(C_1t/C_2t)/A]•3,322}/(1/T₁-1/Т₂). (8)
Для пород и минералов, находившихся в "закрытой системе", определенный таким образом возраст будет соответствовать истинному абсолютному возрасту.

Определение относительного возраста (насколько одна порода или минерал старше (моложе) аналогичной другой) проще и точнее, поскольку позволяет исключить из уравнения постоянную А. Во многих случаях достаточно знания только относительного возраста образований. Для определения относительного возраста двух однотипных образований необходимо вычислить отношение двух уравнений (3) для одной породы (K_t') и другой, сравниваемой с ней, (K_t'').

[K_t'/A]/[K_t''/A] = [2^{-t'(1/T1 -1/T2)}]/[2^{-t''(1/T1 -1/T2)}], (9)
где t' и t'' возрасты первой и второй породы соответственно.

При делении постоянная А в левой части уравнения сокращается, а его правая часть упрощается, тогда
K_t'/K_t''=2^{(t''-t') (1/T1- 1/T2)}. (10)
После логарифмирования этого выражения при основании 2 получим
Log₂(K_t'/K_t'')=(t''-t')(1/T1-1/T2). (11)
Откуда (после перехода к десятичным логарифмам с учетом выражения (5)) относительный возраст находится из решения простого уравнения
t''-t'=[lg(K_t'/K_t'')•3,322]/(1/T₁-1/T₂). (12)
Часто элемент представляет из себя смесь различных изотопов. Общее содержание данного элемента суть суммы содержаний всех составляющих его изотопов, поэтому выраженная в долях Р_i она всегда равна 1, т.е. ΣP_i = 1.
В реальной ситуации элементы могут состоять из смеси изотопов, в которой на естественный нестабильный интересующий нас изотоп в момент рождения данного вещества (породы или минерала) (t_о = 0) приходится доля P₁ общего содержания элемента C_1о, а все другие изотопы этого элемента стабильны. Тогда на долю стабильных изотопов, т.е. неизменяемой во времени части элемента, в начальный момент придется C_1cтаб = (1-P₁)/C_о. Абсолютная величина этой части концентрации во времени не изменяется. Так как постоянная А равна
А = C_1о/С_2о,
то исходя из известной концентрации С_2t стабильного элемента пары и учитывая, что С_2t = С_2о, величина C_1cтаб (одинаковая в любой момент времени) может быть легко определена из уравнения
C_1стаб=A•C_2t•(1-P₁). (13)
Следовательно, содержание в данном образце нестабильного изотопа в момент времени t будет равно
С_нестаб=С_1t-С_1стаб. (14)
Поэтому в уравнение (8) вместо С_1t следует подставлять величину
С_нестаб=С_1t-A•C_2t•(1-P₁). (15)
После чего уравнение (8) примет вид:
t=-{lg[([C_1t-A•C_2t•(1-P₁)]/C_2t)/A]•3,322}/(1/T₁-1/T₂). (16)
При использовании некоторых методов анализа, например, классической химии результаты анализа выдаются в виде концентраций не элементов, а их устойчивых соединений, например окислов. В этом случае при проведении вычислений необходимо проводить перерасчет и от концентраций соединений переходить к содержаниям элементов. Если использовать концентрации не элементов, а их соединений, то рассчитанные величины возрастов будут отклоняться от истинных значений, поскольку в этом случае величины содержаний, подставляемые в уравнения, оказываются увеличенными за счет других элементов (в окислах за счет кислорода), не имеющих отношения к рассматриваемым процессам.

Постоянная А определяется одним из двух способов. Первый - путем подстановки величины абсолютного возраста данной породы (минерала), определенного классическим методом измерения изотопных отношений, в уравнение (8) или (16) и решения его относительно постоянной А, принимаемой за переменную.

Второй - путем выбора величины этого коэффициента из ряда эмпирически определенных его значений на многих объектах. Максимальное значение этого коэффициента (в случае, если в числителе находится содержание элемента с изотопами с меньшим периодом полураспада) приближается к его истинной величине. Чем моложе порода, тем больше его значение и тем оно ближе к истинной величине А.

В качестве конкретного примера, иллюстрирующего возможности заявляемого способа, приведем данные расчетов абсолютного возраста руд ряда золото-серебряных месторождений Камчатки, проведенных на основе отношения содержаний Мn к сумме Fe, определенных методами классической химии (объемными и колориметрическими методами).

Период полураспада изотопа 5325

Mn равен 3,7 млн лет. Распад этого изотопа Мn происходит без α, β и γ излучений, так как энергия распада расходуется на захват электрона. (Справочник "Физические величины". М.: Энергоатомиздат, 1991, гл.37. Ядерные свойства нуклидов, с. 993-1044). Продуктом распада 5325Mn служит 5224Cr. Эмпирически методом последовательных приближений (опираясь на величины возрастов, определенных методами классической геохронологии) установлено, что в момент образования пород около 95% марганца приходилось на нестабильный изотоп ⁵³Мn и 5% на стабильный изотоп ⁵⁵Мn. Железо представлено пятью стабильными изотопами.

За основу принималось уравнение
t=lg[([C_1t-A•C_2t•(1-P₁)]/C_2t)/A]•3,322}/(1/T₁-1/T₂), (16)
где С_1t - измеренное общее содержание Мn;
С_2t - измеренное общее содержание Fe;
T₂ - период полураспада стабильных изотопов Fe = ∞;
T₁ - период полураспада изотопа Мn, равный 3,7 млн лет;
константа 1/lg2 = 3,322;
P₁=0,95 (доля нестабильного изотопа ⁵³Мn в момент времени t=0).

После подстановки этих значений в уравнение (16) оно приняло вид:
t=12,29•lg(K_t/A), (17)
где K_t=[С_мn-А•С_Fе•(1-0,95)]/С_Fе - отношение измеренных содержаний Мn, с введенной поправкой на содержание в нем стабильного изотопа, к сумме Fe;
A - постоянная.

Для пары марганец - железо А=0,08. Вычисления проводились по формуле (17).

В таблице для сравнения приведены результаты расчетов абсолютного возраста заявляемым способом и данные о возрасте для тех же пород, полученные классическими методами ядерной геохронологии.

Примечание к таблице: И.Д.Петренко. Золото-серебряная формация Камчатки. Из-во С. -Пб. Карт. Фаб. ВСЕГЕИ, П.-Камч., 1999, с. 20-21, 35, 45, 55; В.В. Иванов, П. Лейер. Новые данные по аргон-аргоновому датированию возраста золото-серебряного оруденения Корякии, Камчатки и Курил. В сб.: Геология и полезные ископаемые Камчатской области и Корякского АО. КАМШАТ, П-Камч., 1999, с. 107-108; B.C.Шеймович, М.Г.Патока. Геологическое строение зон активного кайнозойского вулканизма. М.: Геос, 2000, с.104.

Эти данные показывают, что в приведенных примерах расхождения между величинами возрастов для каждого из объектов, определенных классическим и заявляемым способами, независимыми друг от друга, практически незначимы.

Заявляемый способ определения возраста обладает рядом преимуществ перед известными методами ядерной геохронологии. Основное преимущество - отсутствие необходимости проведения изотопных измерений на дорогих и относительно мало распространенных масс-спектрометрах. Это значительно упрощает и удешевляет определение абсолютного возраста, что, в принципе, позволяет перейти к сплошному датированию всех выделенных геологических разностей (интрузивных, субвулканических, эффузивных пород; даек; рудных месторождений, рудных зон, рудных жил, рудных тел) и исследовать возрастные характеристики объектов по падению и по простиранию различных горизонтов и т.д. и т.п. Решение этих задач прежде было невозможно вследствие высоких затрат финансовых средств и времени.

Другое преимущество заявляемого способа состоит в том, что методы ядерной геохронологии обычно требуют для проведения измерений только определенных чистых минералов, не всегда присутствующих в образцах, возраст которых требуется определить (например, в калий-аргоновом методе необходимо отбирать минерал адуляр), а в заявляемом способе таких строгих ограничений нет.

Чем полнее информация об абсолютном и относительном возрасте пород и минералов, тем благоприятнее условия для лучшего понимания истории образования месторождений, их строения и локализации рудных зон. Более глубокие и обоснованные знания о возрастных характеристиках рудных объектов имеют не только познавательную ценность, в ряде случаев они помогают целенаправленно изменять подход к стратегии поисков и разведки месторождений и тем самым повышать эффективность этих этапов исследований.

К тому же заявляемый способ служит новым независимом методом определения возраста, что будет способствовать повышению надежности и точности проведения геохронологических исследований.

Использование: при проведении фундаментальных исследований в области геологии и минералогии Земли и других планет и при поисках и разведке месторождений полезных ископаемых. Сущность: определяют отношения общих содержаний подобранных элементов, не связанных между собой атомными реакциями распада (один не служит продутом распада другого), которые либо все нестабильны и представлены изотопами с различными периодами полураспада, либо одним или несколькими нестабильными элементами с изотопами с данными периодами полураспада, и другими (одним или несколькими) стабильными, состоящими из стабильных изотопов. Отношение общих содержаний элементов, распадающихся с разными скоростями, функционально связано с возрастом данной породы. Исключение из процедуры определения возраста изотопных измерений упрощает и удешевляет анализ. Этот способ служит новым независимым методом проведения геохронологических исследований, что позволяет повысить надежность и уменьшить ошибки определения абсолютного возраста пород и минералов. Технический результат: упрощение, удешевление и повышение надежности способа. 1 з.п.ф-лы, 1 табл.

1. Способ определения возраста горных пород и минералов, включающий отбор образцов и определение в них общих концентраций химических элементов, отличающийся тем, что определяют отношения концентраций элементов, не связанных между собой атомными реакциями распада, изотопы которых имеют разные длительности периодов полураспада, и по величине отношений судят о возрасте. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одну из частей отношения составляют из элементов, состоящих только из стабильных изотопов.