Frakcionace přírodních látek je oddělení prvků z jednoho pole pod vlivem změn fyzikálně-chemických parametrů hostitelského média. Frakční analýza zvažuje chování alespoň dvou prvků.
Rozlišují se typy frakcionace:
V největší míře byla studována frakcionace stabilních izotopů lehkých prvků . K řešení tohoto problému významně přispěli Američané Bigeleisen [3] a Botinga [4] . Pokud jde o radiogenní prvky (především uran a olovo), některé teoretické studie provedl HCUrey [5] , který odhalil slabý vliv na jejich separaci parametrů vnějšího prostředí, a proto vetoval jejich další studium.
Mezi těmito systémy je ještě jeden rozdíl: ve stabilních izotopových systémech jsou všechny prvky horninotvorné, což odráží extrémní případ izomorfismu . To určuje možnost jejich použití pro řešení fyzikálně -chemických problémů. V radiogenních systémech není podřízený prvek izotopovým prvkem vzhledem k rodičovskému izotopu. Všechny podřízené prvky, zaujímající různá místa v periodickém systému D. I. Mendělejeva , se od rodičovských prvků liší ve všech ohledech a především velikostí. Jejich distribuce proto kromě vlivu T významně závisí na tlaku a dalších fyzikálně-chemických podmínkách minerálotvorného prostředí.
Problém frakcionace radiogenních prvků byl studován velmi špatně. G.Fore a D.Powell [6] zaznamenali rovnoměrnou distribuci radiogenních izotopů a izobarů (RGII) v roztaveném magmatu , které je zachováno během krystalizace , a nesoulad byl spojen s epigenetickými procesy . Toto tvrzení, brané jako axiom , však nesouhlasí s fenoménem frakcionace izomorfních a izotopových prvků, které jsou fyzikálně a chemicky analogické s RGII , zohledněným v geobarotermických studiích.
Existují dvě úrovně studia frakcionace.
První úroveň je způsobena teoretickou analýzou podmínek pro tuto frakcionaci, popsanou v [7] . V sovětské geochemii jsou tyto studie prezentovány především v dílech S. Z. Roginského (1900–1970) [8] [1] a A. I. Brodského http://www.warheroes.ru/hero/hero.asp? Hero_id=12882 (19.06 . .1895 - 21.08.1969) [9] . Bigeleisen a Botinga [10] dovedli tyto studie k jejich logickému konci, tedy k metodologii jejich využití v praxi . Pokud jde o U a Pb , teoretické studie provedl pouze HC Urey [11] .
Druhá úroveň je způsobena analýzou skutečného rozšíření RGII v přírodních podmínkách.
Výsledky výzkumu umožnily identifikovat skupiny témat, které reflektují možnost izotopové a izobarové frakcionace [12] .
Zahrnuje analýzu distribuce radiogenních izotopů (izobar) v exokontaktech intruzí, jejich společné chování se stabilními izotopy lehkých prvků a v jednotlivých minerálech.
Tyto studie byly prováděny především pro stabilní izotopy lehkých prvků (dále jen SILE). Bylo studováno chování nejen izotopů kyslíku a uhlíku, ale také Li , K (I. M. Morozova et al. [13] ), Mg a Ca ( V. S. Lepin et al., 1969 [14] ; [15] ). B (Yu. P. Sherpina et al. [16] ) aj. Li a K se zpravidla obohacují v centrálních částech metasomatických zón o lehký izotop a těžké odrůdy se oddestilují do okrajových částí. Mg a Ca mají jasnou závislost na koncentraci samotného prvku, což odpovídá Bachinského pravidlu [15] . Yu. P. Sherpina a A. B. Kaminsky stanovili relativní nárůst izotopu 11 B se vzdáleností od tělesa polymetalické rudy. Takové chování zaznamenal T. E. Lovering [17] pro izotop O se vzdáleností od rudné brekcie. Pozoroval také pokles izotopového složení C v kalcitech, jak se člověk blíží k průniku.
Pokud jde o radiogenní izotopy a izobary, takových údajů je mnohem méně. E. L. Landa et al [18] pozorovali změny izotopů Sr v apatitech a horninách obsahujících apatit karbonátitových komplexů masivů Kovdor a Guli. Hart S. R. [19] zavedl pseudoomlazení věku na kontaktu intruzí Eldora a Auduban-Albia. Stáří intruze Eldora podle metody BI Ar-K se odhaduje na 68-80 Ma. Stáří rohovce se mění v závislosti na vzdálenosti od kontaktu: ve vzdálenosti 1–76 m se pohybuje od 120 do 1150 Ma s maximem 1160 Ma ve 41 m . Sr - metoda; podobné situace popsal také G. Sh. Ashkinadze [20] v exokontaktu intruze Ozernaya Varaka.
Chování izotopů Pb v exokontaktních zónách intruze křemene-monzonitu Eldora Stock v Coloradu popsali Dow BR et al. [21] . V ortoklasech se mění nejen celkové množství Pb , ale i hodnoty izotopových poměrů: se vzdáleností od kontaktu poměry 206Pb / 204Pb a 207Pb / 204Pb výrazně klesají . Podrobnou analýzu chování izotopů v tepelném poli provedl Hart SR [22] na základě studia biotitu, živce (bez upřesnění druhu) a rohovce metodami Ar-K a Rb-Sr . Podle těchto údajů téměř u všech minerálů v samotné kontaktní zóně dochází k pseudoomlazení hornin, které je nutné považovat za projev migrace izobar v teplotním poli.
Tvorbu poměrů radiogenních izotopů a izobarů tedy výrazně ovlivňuje faktor teploty a dost možná i tlaku.
Při analýze SILE byl zjištěn významný vliv na jejich distribuci teplotními podmínkami pro tvorbu minerálů. Ukazuje se, že v tomto případě je distribuce izotopů dvojice koexistujících prvků, například C - O (u kalcitů), H - O (ve slídách) atd., nebo izotopů jednoho prvku v koexistujících minerálech, např. například pro kyslík - křemen - biotit nebo síru v galenitu - pyritu za izotermických podmínek popisuje rovnice přímky [23] . Při řešení inverzní úlohy, pokud je za izotermických podmínek distribuce izotopů ve dvojici s izotopy známého prvku jako standardu popsána rovnicí přímky, pak můžeme mluvit o vlivu teploty na rozložení izotopů obou prvků. . Proto se v tomto případě uvažuje o společném chování RGII a SILE v nějakém teplotním poli. Společné chování poměru 87 Sr/ 86 Sr a hodnoty δ 18 O je popisováno v poměrně velkém množství . Jednotlivé práce jsou známy pro systémy i Pb — S a (Ar-K)-δ 18 O .
Práce prováděné na studiu společného chování izotopů stroncia a kyslíku v bazaltech Kostariky (Barrett [24] ), v kimberlitech Jakutska (Kostrovitsky [25] ), karbonatitech (B.G. Pokrovsky et al. [26] ) , smektity [27] , minerály alpských žul [28] aj. a také izotopy Pb a S v galenitu (Illinois, Kulp JL et al, [29] ; V.I. Vinogradov [30] , A.I. Tugarinov et al. [ 31 ] ) odhalil poměrně vysokou korelaci mezi izotopy těchto prvků. Často byl popisován přímý vztah mezi 14 C a δ 13 C (Vinogradov V. I. [30] ; [32] a další).
V samostatných pracích bylo izotopové složení kyslíku porovnáno se stářím hornin a minerálů stanoveným metodou K-Ar (Garlick et al. [33] ).
Ve všech případech je identifikace lineárních závislostí vysvětlována výhradně jevy míšení (kontaminace) (například Kostrovitsky [25] ; A.A. Konev [34] ; Taylor [35] ). Pravděpodobnějším předpokladem je, že zde dochází k izotermické redistribuci izotopů.
Účinek tlaku není jasný. Izotopy, jejichž rozměrové parametry atomů se mírně liší, jsou slabě ovlivněny tlakem při hodnotách do 1 kbar. Tyto závěry potvrzují experimentální studie RNClatona [36] a P. Hartinga [37] aj. Izobary se od sebe výrazně liší, takže tlak významně ovlivňuje jejich rozložení.
V geochronologických rovnicích jsou obsahy prvků vyjádřeny počtem atomů bez určení měrné jednotky , i když správněji, počtem atomů na jednotku objemu hmoty. V moderní analytice se obsah prvků určuje v relativních jednotkách -%, g / t atd. Tyto musí být proto převedeny na systém jednotek geochronologických rovnic.
V soustavě fyzikálních veličin jsou hlavními parametry , které charakterizují množství látky, hmotnost (g) a objem (cm³ a hodnota, která tyto parametry přiměřeně odráží, je hustota (nebo měrná hmotnost ) d této látky. Nechť N * je počet atomů na jednotku objemu, C je relativní koncentrace tohoto prvku ve sloučenině, M je hmotnost jednoho atomu této látky . Pak N * \u003d Cd / M. Protože M zásadně neovlivňuje následné závěry , pak ji vynecháme, dostaneme rovnost N \u003d Cd , která ukazuje celkovou hmotnost izotopových atomů na jednotku objemu. Další analýza bude provedena pro izotop 206 Pb , pro který máme . Stručně řečeno, tuto rovnici přepíšeme jako
kde 6 N je počet 206 atomů izotopu Pb vytvořených během doby t , 8 N je počet atomů uranu 238 U zbývajících po rozpadu; je rozpadová konstanta atomů uranu 238 U ; S o je funkcí času. Když t = konst , rovnice (1) je izochronní rovnice se sklonem S o . V logaritmických souřadnicích má tato rovnice tvar:
.Po transformacích se rovnice (1) zredukuje do tvaru
.V případě studia jednoho vzorku se hodnota d snižuje. Pro spolehlivý odhad stáří [38] je však nutné použít dva vzorky ke konstrukci izochrony s naměřenými hustotami d1 a d2 . V tomto případě je sklon S * kvaziizochrony určen z rovnosti
Tato rovnost udává závislost sklonu izochrony na hustotě minerálů. Tato poloha je znázorněna v tabulce 1 a na obr.2.
Tabulka 1. Závislost izotopových poměrů na hustotě minerálů v izobarických systémech. | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Minerály | plemen | Hustota , g/cm³ |
Poměry abundance izotopů |
Zdroj analýz | ||
Rb/Sr | 87 Rb/ 86 Sr | 87 Sr/ 86 Sr | ||||
Kalishpat | syenit | 2.56 | 0,1584 | 0,4587 | 0,70606 | [44] |
Nepheline | 2,60 | 0,0614 | 0,1777 | 0,70454 | ||
Arvfedsonit | 3,45 | 0,0057 | 0,0166 | 0,70372 | ||
Sphene | 3.56 | 0,0002 | 0,0007 | 0,70367 | ||
Kalishpat | Urtit | 2.56 | 26,55 | 79,56 | 1,1121 | |
Nepheline | 2,60 | 2.61 | 7,69 | 0,744 | ||
Eudialyt | 2,92 | 0,0012 | 0,0034 | 0,70386 | ||
Kalishpat | Metapelit | 2.59 | 0,102 | 0,468 | 0,71552 | [43] |
Plagioklas | 2,76 | 0,030 | 0,0872 | 0,71532 | ||
Kalishpat | Granulit | 2.56 | 0,857 | 2.47 | 0,77341 | |
Plagioklas | 2,76 | 0,244 | 0,708 | 0,71980 | ||
Poznámka: K-živec je zkratka pro draselný živec. |
Další informace o separaci izotopů a izobar poskytuje analýza rozdělení izotopových (izobarických) poměrů mezi minerály. Příklad takového rozdělení je na obr. 2. V těchto případech jsou experimentální body umístěny na přímkách se sklonem s ≠ 1 .
V praxi byla frakcionace nepřímo ilustrována řadou rozdělení stáří podle minerálů a metodami stanovení stáří. Například byly zkonstruovány následující sekvence: pro Karélii — PL(Rb-Sr)>MU(Rb-Sr)>MU(K-Ar)≈Mi(Rb-Sr)>BI(Rb-Sr) , kde MI je mikroklin, MU je muskovit; pro Finsko - MI (Rb-Sr)> MU (Rb-Sr)> BI (Rb-Sr) ≈ BI (K-Ar) . Přesněji řečeno, toto srovnání se provádí na základě srovnání hodnot poměrů odpovídajících izotopů minerálů. Tabulka 2 ukazuje jako příklad několik sérií těchto poměrů:
Tabulka 2. Dílčí řady frakcionací podle poměrových hodnot. | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|
Systém | Izotop-izobarické poměry |
Sekvence minerálů | ||||
izotopický | 206 Pb\ 204 Pb | SF > AP,MT >BI,PL >KSh | ||||
207 Pb/ 204 Pb | SF >AP, MT> BI, PL >KSh | |||||
208 Pb/ 204 Pb | SF >AP, MT> BI, PL >KSh | |||||
87 Sr/ 86 Sr | BI> KSh >PL | |||||
izobarický | 87 Sr/ 87 Rb | PL > KSh > BI ≈ MU | ||||
40 Ar/ 40 K | AM > BI > KSh > MU, BI > PL | |||||
Poznámka:AM-amfibol;SF-sfén |
Vzor distribuce minerálů podle těchto poměrů je také odhalen porovnáním sekvencí minerálů seřazených podle hustoty d (referenční) uspořádaných v sestupném pořadí hustoty a sekvencí podle izotopových (izobarických) poměrů. V každé dvojici minerálů byl minerál s nejvyšší hodnotou d zařazen na první místo . Pokud se v tomto případě ukázalo, že poměry izotopů (izobarické) jsou podobné poměrům hustot minerálů, byly takové páry nazývány normální , jinak inverzní . Dále byly podle poměru normálních a inverzních párů sestaveny obecné sekvence umístění minerálů. Porovnání těchto sekvencí s referenčními bylo provedeno pomocí indexu (indexu) rozdílu J [48] . Výsledky těchto srovnání jsou uvedeny v tabulce č. 3 ve formě obecných sekvencí. Pro srovnání jsou uvedeny sledy minerálů podle hodnot δ 18 O .
Provedené studie ukázaly, že v izotopových systémech se těžký izotop hromadí v minerálech se zvýšenou hustotou, zatímco v izobarických systémech se tato tendence projevuje izobarami s minimální velikostí. V obecnějším případě se prvek s vyšší atomovou (iontovou) hustotou hromadí převážně v těžším minerálu.
Tabulka 3. Obecné posloupnosti minerálů podle poměrů. | |||
---|---|---|---|
Systém | Izotop-izobarické poměry |
Obecné posloupnosti minerálů | J |
izotopický | Odkaz | UR > GN > PI > MN > MT > ČR > PH > OR > SF > AP > BI > KV > PL > KSh | |
206 Pb\ 204 Pb | UR > (GN, PH) > MN ≈ CR > (OR, SF) > AP > MT > (PI, BI) > (KV, PL) > KSh | 0,13 | |
207 Pb/ 204 Pb | UR > GN > MN ≈ CR ≈ OR > (PKh,SF) > MT > AP > (PI, BI) > (KV, PL) > KSh | 0,15 | |
208 Pb/ 204 Pb | (MN,OR) > [(UR ≈ GN),PR] > MT ≈ (PKh,SF) > AP ≈ (PI,BI) > (KV,PL) > KSh | 0,13 | |
5 180 _ | KV > KSh > PL > AM > BI > KP > OL > MT (kyselé horniny, [49] ) | 0,95 | |
5 180 _ | KV > KSh > MU > KI > AM > GR > BI > CL > IL > MT (břidlice, [50] ) | 0,61 | |
izotopický | Odkaz | GR > SF > OL > KP > OP > AM > AP > BI > MU > FL > PL > NE > KSh > SL | 0 |
87 Sr/ 86 Sr | (BI, OP) > MU > GR > (KSh, OL) > (KP, NE, AM) > PL > AP > SF | 0,37 | |
izobarický | 87 Sr/ 87 Rb | PL > AP > SF > (ME,AM) > KSh > MU > BI | 0,33 |
KP > OP > OL > FM > BI | 0,13 | ||
40 Ar/ 40 K | AM > MU > [NOT, (KP ≈ OP)] > (SD, KV) > BI > PL > KSh > FL | 0,30 | |
Poznámka: AF-arvfedsonit; GL-galenit; GR-granát; IL-ilmenit; CL-kalcit; HF-křemen; KI-kyanit; CP-klinopyroxen; HE-nefelin; OR-ortit; OP-ortopyroxen; PI-pyrit; HRP-pyrochlor; SD-sodalit; UR-uraninit; FL-flogopit; CL-chlorit; CR-zirkon; EV-eudialyt; EP-epidot . |
Celý komplex geologických pozorování chování RGII v termogradientním poli naznačuje možnost jejich frakcionace v přírodních podmínkách. K tomuto závěru dospělo velké množství studií, aniž by se zmínil pojem „frakce“. Konečný závěr o možnosti jevu však mohou učinit pouze experimentální studie. V současnosti lze celý komplex studií v tomto směru rozdělit do dvou skupin, lišících se metodologickými metodami frakcionační analýzy:
Analýzy byly zpracovány pomocí výrazu pro frakcionační faktor
kde ( * X/X) o a ( * X/X) i jsou poměry izotopů prvku X v počátečním a po experimentu. Index ( * ) označuje těžký izotop. Pokud jsou uvažovány izotopy dvou prvků X a Y , pak se tento výraz převede na pracovní rovnici ve tvaru
kde m a n jsou nějaké sloučeniny. Často m = n . V této rovnici je parametr S * = f(T) .
Účelem těchto experimentů je odhalit míru zachování izotopových poměrů za různých termodynamických podmínek. Experimenty se vyznačují:
Experimentální expozici byly vystaveny izotopy Pb (asi 92 % studovaných vzorků) , méně často izobary Sr-Rb a minimálně izobary K-Ar . Izotopy Pb byly studovány zpravidla v akcesorických zirkonech a monazitech, živcích (častěji draselné živce, plagioklasy), biotitech, uraninitu, granitech a dalších horninách a minerálech. Izobary Sr-Rb - v chondritu ( Mittlefehldt DW et al [56] ), v čediči (Elderfild H, et al [57] ), izobary K-Ar - v biotitu (Aprub S.V. [58] ) atd. d.
Hlavními vyluhovacími činidly jsou kyseliny dusičné , méně často HCl , HF a octová , vzácně destilovaná voda. Kyseliny - vysoké koncentrace až koncentrované, teploty - více než 80° C . Doba louhování se pohybovala od prvních hodin do měsíce. Obvykle byly studovány jednotlivé vzorky, sporadicky bez dodržení požadavků na ustavení izotopových rovnováh.
Hlavním cílem výzkumu je identifikovat stupeň stability RGII ve vysoce agresivním prostředí za účelem stanovení přesnosti určení stáří hornin. Systematické a cílené studie k identifikaci hlavních vzorců migrace RGII a jejich frakcionace nebyly provedeny. Tyto údaje byly shrnuty [59] . Fragmenty těchto studií jsou znázorněny na obr.4. Při zobecnění jsme použili znázornění separačních koeficientů α ve tvaru
kde min je studovaný minerál, s je výluh (výsledný roztok) nebo jiný minerál; i = 206, 207, 208.
Údaje na obr.4 pro akcesorické zirkony a monazity (obr.4A) a živce (obr.4B) ukazují přítomnost určitých vzorců v procesech redistribuce izotopů Pb mezi studovaným minerálem a fází s ním interagující, které jsou vyjádřeny v lineárním chování parametrů lnα . Obrázek 4B ukazuje podobnou distribuci izotopů Pb mezi akcesorickým galenitem a hostitelskou žulou. Přítomnost podobného lineárního vztahu mezi parametry lnα nám umožňuje učinit předpoklad o existenci geochemické izotopové rovnováhy mezi těmito látkami.
Při provádění experimentálních prací různých typů a úrovní dochází vždy k přidání nebo odebrání ze systému RGII. To umožňuje kvalitativní posouzení vlivu přílivu (odstranění) RGII na provedení numerického modelování. Za tímto účelem se pro nějakou počáteční (referenční) skupinu analýz, například olova, se známými hodnotami stáří t et , přidá určité množství izotopů olova, pak se z nových údajů vypočítá stáří t * , podle kterého se s odkazem odhaduje účinek přidání izotopu do systému. Pak t o je věk nečistoty olova; t p je stáří radiogenní přísady. t 1 , t 2 a t 3 jsou stáří vypočtená podle rovnic:
; ;Mechanismy změn izochronních parametrů se rozlišují:
V experimentu byly hodnoceny následující faktory:
1). Změna hrubých koncentrací olova :
2). Změna izotopových poměrů X (= 206 Pb/ 204 Pb ) a Y (= 207 Pb/ 204 Pb ):
ti , t2 a t3 . _ _