Введение 4
1 Основы U-Th-He метода 6
2 Модели миграции гелия в твердом теле 9
2.1 Модель мономолекулярной химической реакции первого порядка . . 9
2.2 Классическая диффузия 10
3 Объект исследования 13
3.1 Арсенопирит 13
3.2 Месторождение Олимпиада 14
3.3 Месторождение Воронцовское 17
3.4 Месторождение Наталка 19
4 Методика исследования зерен арсенопирита и пирита 24
4.1 Сканирующая электронная микроскопия зерен арсенопирита и пирита 24
4.2 Нанотомография арсенопирита и пирита из месторождения Олимпиада 25
4.3 FIB-анализ арсенопирита и пирита из месторождения Олимпиада . 26
5 Определение миграционных параметров на масс-спектрометрическом
комплексе МСУ-Г-01-М 27
6 Методика определения содержания 4He, 235Uи 238U, 230U и 232Th в
арсенопирите 29
6.1 Измерение содержания радиогенного гелия 29
6.2 Измерение содержания урана и тория 30
6.3 Расчеты возраста по U-Th-He методу 30
7 Результаты 31
7.1 Форма нахождения урана и тория в арсенопирите и пирите 31
7.2 Исследования пористости арсенопирита и пирита из месторождения
Олимпиада 33
7.3 Кинетика выделения радиогенного гелия из арсенопирита 34
7.4 Первые попытки датирования арсенопирита U-Th-He методом ... 38
8 Дискуссия 40
8.1 Кинетика выделения радиогенного гелия из арсенопирита 40
8.2 Первые попытки датирования арсенопирита U-Th-He методом ... 41
9 Заключение 42
Литература 49
Альфа-распад урана и тория был одной из первых схем, используемых для датирования горных пород и минералов (Rutherford,1905). Вскоре стало ясно, что сохранность гелия в большинстве минералов достаточно низкая, и, как следствие, датировки давали неоправданно молодые U-Th-He возрасты. С течением времени совершенствовались аналитические методики, благодаря чему были получены многообещающие результаты датирования подземных вод, неметамиктного циркона, магнетита (Damon and Kulp,1957); (Damon and Green,1963), гематита (Boschmann et al.,1993), арагонита (Fanale and Schaeffer,1965);(Bender,1973), вулканических пород (Leventhal,1975); (Rowe et al.,1975). Позже U-Th-He систему стали использовать для реконструкций истории эволюции орогенических областей и бассейнов осадконакопления, где по доле потерянного минералом гелия судят о температурно-временной истории породы. Результаты последних исследований показывают, что пирит является геохронометром для датирования U-Th-He методом (Yakubovich et al.,2020).
На примере сульфидов выделяются следующие основные причины, определяющие высокую сохранность гелия в пирите: 1) кубическая решетка, 2) высокая плотность упаковки атомов, 3) низкое удельное сопротивление (Якубович et al., 2019). Арсенопирит обладает моноклинной кристаллической решеткой, в структуре двухслойная полнейшая упаковка сложена совместно ионами мышьяка и серы (Онуфриенок,2013), удельное электрическое сопротивление арсенопирита 2-10-5 - 15 Ом (Telford et al.,1990). Сохранность гелия в других изученных сульфидах и сульфосолях: пирротин, борнит, теннантит, сфалерит и тетраэдрит значительно ниже (Якубович et al.,2019). Высокое удержание гелия в пирите (Якубовичet al.,2019) позволяет предположить, что арсенопирит, отличающийся от пирита только сингонией кристаллической решетки по данным критериям, может быть подходящим минералом для геохронологии.
Интерес к этому минералу связан с тем, что он является частым спутником золоторудной минерализации и, как и пирит, часто содержит включения минералов урана и тория (Баранов and Вертепов,1966). В типичных гидротермальных, жильных и метасоматически образовавшихся месторождениях арсенопирит выделяется в широком диапазоне температур стадии минералообразования (Чухровand Бонштедт-Куплетская,1960). Также, арсенопирит успешно применяют в качестве геотермометра (Martins et al.,2020); (Sharp et al.,1985), при возможности датировании которого, можно использовать арсенопирит для реконструкции тек-тонических событий, остывания и эксгумации пород.
В настоящее время для датирования арсенопирита применяется Re-Os метод (Morelli et al.,2007). Основным ограничением использования этого метода являются низкие концентрации рения (или низкие Re/Os отношения) и методические сложности, связанные с измерением изотопных отношений Os на твердофазных масс-спектрометрах. В данной работе представлены результаты кинетики выделения радиогенного гелия из арсенопирита из золоторудных месторождений и первые попытки датирования этого минерала U-Th-He методом.
Целью работы являлось понять применим ли арсенопирит для датирования U-Th-He методом. Задачи данной работы состояли в том, чтобы 1) определить миграционные параметры гелия в арсенопирите; 2) оценить концентрации урана и тория и определить форму нахождения этих элементов в арсенопирите и пирите; 3) оценить устойчивость U-Th-He изотопной системы в арсенопирите; 4) оценить устойчивость U-Th-He изотопной системы в арсенопирите; 5) попробовать определить возраст арсенопирита и пирита и сравнить его с известным.
На основании исследования устойчивости U-Th-He изотопной системы в арсенопирите представляется:
1) Эксперименты по ступенчатому отжигу арсенопирита из месторождений Олимпиада и Воронцовское позволяют прогнозировать высокую сохранность радиогенного гелия.
2) Дипирамидальный арсенопирит 503/453 из месторождения Олимпиада был перекристаллизован, как следствие - в нем много захваченного гелия, а значит, он не подходит для датирования U-Th-He методом. Исследование по арсенопириту 509/643,2 будет продолжено.
3) Концентрации урана и тория в арсенопирите достаточны для их успешного U-Th-He датирования. Вероятно, они концентрируются в субмикронных минеральных включениях (монацит, торит, алланит, эпидот).
4) Пористость арсенопирита не превышает 0.3%, пирита - 0.6%, что указывает на несущественный вклад захваченного гелия газово-жидкими включениями. Однако, арсенопирит 503/453 пробы по данным FIB содержит множество пор и включений углеродистого состава, что, возможно, может указывать на флюидное обогащение арсенопирита газово-жидкими включениями.
5) Возраст пирита совпадает со временем формирования руд Олимпиады; возраст арсенопирита 509/643,2 завышен, что, скорее всего, связано с потерей урана.
На данный момент остается много нерешенных вопросов, связанных с потерей урана и причинами захвата радиогенного гелия. Необходимо продолжить исследование возможности датирования U-Th-He изотопной системы в арсенопирите.
