Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2021, T. 498, № 1, стр. 37-41

Как известно, дискордантные значения U–Pb-возраста циркона обусловливаются главным образом миграцией изотопов Pb и U из его кристаллической решетки. Для уменьшения дискордантности во многих случаях используется методика предварительной кислотной обработки (“химическая абразия”) [1, 2], которая часто сопровождается предварительным высокотемпературным отжигом (CA–ID–TIMS) [3]. Как правило, предварительной обработке подвергается циркон с хорошей или средней степенью сохранности кристаллической структуры. Метамиктизированные зерна циркона, имеющие высокую степень радиационных повреждений, обычно считаются непригодными для использования такого подхода [3–5]. В настоящем сообщении представлены результаты экспериментальных исследований, направленных на выбор оптимальных условий предварительной обработки (температура отжига и параметры кислотной обработки) зерен циркона с высокой степенью радиационных повреждений (>6 × 10¹⁸ α-расп/г, что по [6] соответствует содержанию аморфной фазы >80%) для получения достоверной геохронологической информации.

В качестве объекта исследований был выбран циркон из редкометалльных гранитов Тургинского массива кукульбейского комплекса (Восточное Забайкалье). Массив имеет двухфазное строение. Первая фаза представлена гранитами с Li-сидерофиллитом, а вторая – амазонитовыми гранитами. Циркон из гранитов первой фазы представлен преимущественно идиоморфными призматическими кристаллами. Зерна циркона прозрачные, полупрозрачные и непрозрачные темно-коричневого цвета. Огранение кристаллов определяется комбинацией пирамиды {111} и призмы {110} (рис. 1, I–II). Размеры кристаллов изменяются в широких пределах – от 100–300 мкм до 1 мм (К_удл = 1.7–3.0). Они характеризуются осцилляторной зональностью (рис. 1, VI). В зернах часто присутствуют метамиктизированные ядра (рис. 1, V–VI), обогащенные ураном (до 3–5 мас. % UO₂) и торием (до 1–2 мас. % ThO₂), и твердофазные включения, в том числе U- и Th-содержащие [7]. Рассчитанная доза авторадиационного облучения циркона [8] составляет 6.0 × 10¹⁸–1.1 × 10¹⁹ α-расп/г.

Рис. 1.

Микрофотографии кристаллов циркона из гранитов с Li-сидерофиллитом (I–II, V–VI) и амазонитовых гранитов (III–IV, VII–VIII) Тургинского массива редкометалльных гранитов, выполненные на сканирующем электронном микроскопе “HITACHI” TM 3000 (Ресурсный центр микроскопии и микроанализа, Научный парк СПбГУ) в режиме вторичных электронов (I–IV) и на сканирующем электронном микроскопе VEGA3 TESCAN (ИГГД РАН) в режиме катодолюминесценции (V–VIII); VI, VIII – кристаллы, подвергшиеся высокотемпературному отжигу.

Циркон из амазонитовых гранитов представлен непрозрачными и полупрозрачными зернами с вариациями цвета от белого до коричневого. Идиоморфные кристаллы огранены призмой {100} и дипирамидой {111} (рис. 1, III–IV). Размер кристаллов циркона составляет 50–200 мкм (К_удл = 2.0–3.0). Катодолюминесцентное исследование (рис. 1, VIII) и анализ рамановских спектров подтверждают высокую степень метамиктности зерен циркона. Средние содержания ThO₂ в цирконе составляют 1–2 мас. % ThO₂, а UO₂ – 2–7 мас. % UO₂ [7]. Рассчитанная доза авторадиационного облучения циркона [8] составляет 7.0 × 10¹⁸–2.3 × 10¹⁹ α-расп/г.

Отобранные для U–Pb-геохронологических исследований навески наиболее прозрачных кристаллов циркона (40–300 зерен) подвергались высокотемпературному отжигу в муфельной печи “SNOL E5CC” в керамических или кварцевых тиглях при температуре 850°С и 900°С в течение 48 ч. Последующая кислотная обработка HF + + HNO₃ проводилась в течение 2–6 ч при температуре 180, 220 и 230°С. После предварительной обработки циркон был проанализирован по стандартной методике [9]. Изотопные анализы выполнены на многоколлекторном масс-спектрометре TRITON TI в статическом режиме при помощи счетчика ионов. Для изотопных исследований использовали изотопный индикатор ²⁰²Pb–²³⁵U. Точность определения U/Pb-отношений и содержаний U и Pb составила 0.5%. Холостое загрязнение не превышало 15 пг Pb и 1 пг U. Обработку экспериментальных данных проводили при помощи программ “PbDAT”, “ISOPLOT” [10, 11]. При расчете возрастов использованы общепринятые значения констант распада урана [12]. Поправки на обычный Pb введены в соответствии с модельными величинами [13]. Все ошибки приведены на уровне 2σ.

Видимые изменения циркона, подвергнутого высокотемпературному отжигу, проявились в незначительном увеличении прозрачности зерен и изменении интенсивности окраски включений, за счет чего кристаллы приобретали яркий рыжий оттенок. Кроме того, наблюдались увеличение количества и размера трещин и уменьшение доли флюидных включений. Для кристаллов, подвергшихся высокотемпературному отжигу, характерно значительное повышение интенсивности катодолюминесценции (рис. 1, VI, VIII), что свидетельствует о восстановлении кристалличности отдельных зон. В целях наиболее эффективного удаления метамиктной фазы проводилась серия экспериментов, в рамках которых изменялись параметры предварительной кислотной обработки (температура и длительность экспозиции). В результате в пробах обоих типов гранитов сохранялся лишь мелкокристаллический (5–20 мкм) неразрушенный остаток циркона. При этом циркон из амазонитовых гранитов, обработанный в течение 2 ч при температуре 220°С, растворился практически полностью. В ходе экспериментов были определены оптимальные условия предварительной кислотной обработки, обеспечивающие, с одной стороны, сохранность минимального количества анализируемого материала, а с другой стороны, практически полное удаление метамиктной фазы. Такими условиями для циркона из гранитов с Li-сидерофиллитом являются температура кислотной обработки 230°С и экспозиция 2 ч, а для циркона из амазонитовых гранитов – температура кислотной обработки 180°С с экспозицией 4 ч. Циркон, обработанный при таких условиях, характеризуется низкой долей обыкновенного Pb (табл. 1) и незначительной возрастной дискордантностью (рис. 2). Как видно из табл. 1, доля обыкновенного свинца в цирконе, отжигавшемся при температуре 900°C, существенно выше. По-видимому, увеличение температуры отжига приводит к восстановлению кристалличности нарушенных зон в большей степени и, очевидно, требует более длительной и, возможно, более высокотемпературной кислотной обработки для эффективного удаления метамиктной фазы. Следовательно, оптимальным для анализируемого циркона предполагается отжиг при температуре 850°C.

Рис. 2.

Диаграммы с конкордией для циркона из гранитов с Li-сидерофиллитом (а) и циркона из амазонитовых гранитов (б) Тургинского массива редкометалльных гранитов. Номера точек на диаграмме соответствуют порядковым номерам в табл. 1.

В результате проведенных исследований с использованием оптимизированной методики были получены следующие оценки возраста формирования гранитоидов Тургинского массива (табл. 1, рис. 2). Для гранитов первой фазы верхнее пересечение дискордии с конкордией соответствует возрасту 146 ± 4 млн лет (СКВО = 0.074, нижнее пересечение отвечает нулю) (рис. 2а), а для амазонитовых гранитов второй фазы нижнее пересечение дискордии с конкордией соответствует возрасту 141 ± 1 млн лет (СКВО = 0.014, верхнее пересечение отвечает 1575 ± 470 млн лет) (рис. 2б). В пределах погрешностей полученные оценки возрастов согласуются с известными оценками возрастов формирования редкометалльных гранитов кукульбейского комплекса (U–Pb-метод по циркону, Rb–Sr-метод) [14–16].

Таким образом, при условии тщательного отбора кристаллов циркона для U–Pb-геохронологических исследований (ID–TIMS), исследований и подбора оптимальных параметров “химической абразии”, сопровождающейся предварительным высокотемпературным отжигом, появляется возможность использования метамиктизированного циркона с высокой дозой авторадиационного облучения (>6 × 10¹⁸ α-расп/г) для получения достоверных оценок возраста.