Избыток аргона в минеральных концентратах нового

дацитового лавового купола вулкана СЕНТ-ХеленС

 

Стивен А. Остин

(Steven A. Austin. Excess Argon within Mineral Concentrates from the New Dacite Lava Dome at Mount St Helens Volcano. Creation Ex Nihilo Technical Journal, 1996, 10(3), pp. 335-343.

РЕЗЮМЕ

Обычный K-Ar метод определения возраста был применен для исследования потока дацитовой[1] лавы, образовавшейся в 1986 году в новом куполе вулкана Сент-Хеленс (St. Helens), штат Вашингтон (северо-запад США). Порфирный дацит, который застыл на поверхности купола в 1986 году, показал K-Ar “возраст” породы в целом 0,35 ± 0,05 миллионов лет (Ма). Минеральные концентраты, полученные из дацита, сформировавшегося в 1986, показали K-Ar “возраст” от 0,34 ±  0,06Ma (концентрат полевошпатового стекла), до 2,8 ± 0,6 Ма (пироксеновый концентрат). Этот “возраст”, конечно, противоречат здравому смыслу. Фундаментальное предположение, сделанное при определении возраста (“отсутствие радиоактивного аргона во время формирования породы”), этими данными ставится под сомнение. Вместо этого, данные, полученные из дацита вулкана Сент-Хеленс, служат доказательством того, что при образовании лавы в 1986 году наблюдался существенный избыток аргона. Принимается, что фенокристаллы орто-пироксена, роговая обманка и плагиоклаз консервировали аргон в своих минеральных структурах глубоко в магме  и сохранили этот аргон после выхода на поверхность и затвердевания дацита. Количество поглощенного аргона по всей вероятности, является функцией давления аргона на глубине в период минеральной кристаллизация и/или напряженности минеральной структуры. Наибольшую часть аргона сохраняет ортопироксен, за ним следует роговая обманка, и наконец, плагиоклаз. Купол лавы вулкана Сент-Хеленс датируется большим возрастом, чем истинный, потому что фенокристаллы минералов поглощают аргон из магмы. Изучение данного дацита вулкана Сент-Хеленс приводят к необходимости получения ответа на более фундаментальный вопрос — насколько точны K-Ar «возрасты»  многих других, содержащих фенокристаллы, потоков лавы по всему миру?

ВВЕДЕНИЕ

Дацитовая магма вулкана Сент-Хеленс  в штате Вашингтон в США непосредственно изливалась в течение шести вулканических извержений 1980 года (18 мая, 25 мая, 12 июня, 22 июля, 7 августа и 17 октября 1980 года). После трех из этих извержений (12 июня, 7 августа и 17 октября), приповерхностная магма имела достаточно низкое давление водяного пара, поэтому вязкие потоки лавы сформировали три последовательные, куполовидные структуры в пределах кратера. Первые два дацитовых купола лавы, образовавшиеся в пределах кратера (в конце июня и в начале августа 1980), были разрушены последующими взрывными извержениями (22 июля и 17 октября). Третий дацитовый купол лавы начал появляться 18 октября 1980 года выше жерла вулкана, имеющего диаметр 25 метров.

            НОВЫЙ ДАЦИТОВЫЙ КУПОЛ ЛАВЫ

После 18 октября 1980 начал появляться третий и самый свежий купол. К октябрю 1986 этот  купол лавы вырос в пределах подковообразного кратера и стал огромной структурой высотой до 350 м  и диаметром до 1,060 м (Рис. 1 и 2).

 

Рис.1. Наиболее поздний купол лавы в пределах подковообразного кратера на горе Сент-Хеленс во время  его образования в августе 1984 года (фото С. А. Остина).

 

Рис.2. Наиболее поздний купол вулкана Сент-Хеленс,  состоящий из 74 миллионов кубических метров потоков  дацита и магматических  интрузий, образовавшихся в пределах кратера между 18 октября 1980  и 26 октября  1986 года. Вид на северную сторону купола  лавы в 1980, зона взрыва (фото Lyn Topinka из US Geological Survey,[1]).

 

Этот купол был сформирован совокупностью последовательных этапов выдавливания лавы, иногда сопровождаемых внедрением мелких интрузий дацитовой магмы в его расплавленное ядро. Выдавленная лава сформировала короткие (200- 400 м) и толстые (20-40 м), лежащие друг на друге слои [2]. Большинство дацитовых потоков простирались языками далеко от центра купола, распадаясь в большинстве случаев на глыбовые осыпи  на флангах купола, не достигая основания кратера (Рис. 3).

Между 18 октября 1980 года  и 26 октября 1986 года произошли семнадцать случаев роста купола, которые добавили 74 миллиона кубических метров дацита к этому третьему, самому новому куполу [2]. В течение этих извержений вязкость магмы была высока, а давление пара низким, поэтому выброс магмы  происходил без взрыва, как это было в шести более ранних событиях 1980 г. Структура, образовавшаяся в пределах кратера в течение шестилетнего периода, представляла собой эллиптический купол дацитовых лавовых потоков и мелких интрузий: 860 м с востока на запад, 1,060 м с севера на юг и 350 м высоты по отношению к северному основанию. В течение шестилетнего периода образования дацитового купола, имело место устойчивое уменьшение со временем  количества вытесненной магмы. 26 октября 1986 вытеснение магмы в купол прекратились, и отвердевание магмы началось в пределах шейки вулкана, ниже купола лавы. Извержения после 26 октября 1986 происходили в виде выброса фреатического пара, без открытых выбросов магмы. Стабильность этого третьего купола, наряду с уменьшением частоты землетрясений и извержений фреатического пара в течение этих десяти лет после октября 1986 года, указывает на то, что активность вулкан затухает.

Содержание SiO2 в 69-ти образцах, отобранных на куполе с 1980 до 1986 года, составляет 63.0 ± 0,4 процента [2]. Порода, называемая порфиритовым дацитом [3] в среднем примерно на 55 процентов состоит из мелкокристаллической, серой вмещающей массы и на 45 процентов из фенокристаллов и включений других пород (Рис. 4). Вмещающая масса состоит из микрофенокристаллов плагиоклаза, ортопироксена и окислов железа и титана, включенных в стеклянную массу [4]. Более поздние излияния лавы имеют тенденцию к увеличений степени раскристаллизации основной массы [5] и содержат приблизительно на 1 процент больше SiO2 [2].  Фенокристаллы плагиоклаза (30-35 процентов), ортопироксена (5 процентов), роговой обманки (1-2 процента), окислов (от 1 до 2 процентов), и клинопироксена (менее 0,5 процента) в сумме составляют почти половину массы лавового купола [3]. Ксенолиты (инородные включения) габбро, кварцевого диорита, роговообманкового базальта, дацита, андезита и жильного кварца совокупно составляют 3,5 процента от объема дацитового купола [6]. До 85 процентов включений составляет частицы среднезернистого габбро средним диаметром 6 см [6]. Высокое содержание темных минералов габброитных включений приводит к заметному уменьшению суммарного содержания SiO2 в дацитовой лаве купола [6].

 

Рисунок 3. Глыбовая поверхностная структура восточной стороны дацитового лавового купола (фото сделано  с вертолета  С. Остиным в октябре 1989 года).

 

Геологи имеют единое мнение относительно происхождения дацитовой магмы вулкана Сент-Хеленс. Экспериментальные данные по всем минералам, содержащимся в даците, показывают, что непосредственно перед извержением 18 мая 1980 верхняя часть магмы находилась при температуре 930°C на глубине приблизительно 7.2 км [7]. Считается, что содержание летучих компонентов в этой магме составляет приблизительно 4.6% от общего веса, главным образом  это H2O [8]. Наиболее позднее зарегистрированное движение  куполообразующей интрузии магмы в 1986 году показало наличие двух асейсмических зон на глубинах  7-12 км и 3 - 4.5 км, указывающих, что магматическая полость имеет небольшую глубину залегания [9]. Соотношение окислов железа и титана показывает, что магматические температуры уменьшились до 870°C в 1986 году, когда потоки прекратили поступать в лавовый купол [5].

 

Рисунок 4. Микрофотография дацита излияния 1986 года. Большую часть породы составляют фенокристаллы плагиоклаза (1), внедренного в более мелкозернистую основную массу (2), содержащую вулканическое стекло и микрофенокристаллы. Фотография сделана в поляризованном свете, поле зрения составляет 2 мм (образец 'КУПОЛ -1', фотография A. A.Снеллинга).

сбор и подготовка образцов

В июне 1992 года семикилограммовый образец дацита был взят из осыпи в самой северной точке лавового купола. Поскольку образец взят с поверхности склона, то наиболее вероятно, что он представляет собой верхнюю часть потока. Такая интерпретация места взятия образца подтверждается рисунком трещиноватости, который характерен для кромки лавы, и присутствием дацитовой окалины непосредственно выше образца. Положение на куполе говорит, что образец представляет собой поверхность одного из последних потоков лавы, вероятно 1986 года.

 

Окисел или элемент

Относительное содержание

SiO2,

67.50  %

Al2 O3

16.10  %

TiO2

0,61  %

Fe2O3

3.97  %

MnO

0,06  %

CaO

4.18  %

MgO

1,27  %

K2O

1,69  %

Na20

4.78  %

P2O5

0,17 %

Cr2O5

< 0,01 %

Rb

44 ppm

Sr

450 ppm

Y

13 ppm

Zr

190 ppm

Nb

30 ppm

Ba

411 ppm

Потеря при прокаливании

0,05 %

СУММА

100,5 %

 

Таблица 1. Относительные содержание главных  и второстепенных элементов дацита лавового потока 1986 года, определенное методом рентгеновской флюоресценции. Анализу был подвергнут материал основной массы и фенокристаллов  без включений посторонней породы.

 

Состав образцов хорошо соответствует опубликованным минералогическим, петрографическим и химическим описаниям «порфиритового дацита» [3]. Фенокристаллы образца  представляют характерные особенности всего лавового купола. Образец даже имеет несколько габброидных включений, по составу и размеру типичных для купола в целом [6].  Химический анализ основной массы образца с фенокристаллами (без габброидных включений) методом рентгеновской флюоресценции показал содержания SiO2 на уровне 67.5 процентов (Таблица 1). С учетом габброидных включений содержание SiO2 составляет приблизительно 64 процента, что соответствует среднему составу лавовых потоков 1986 года. Рассчитанный нормативный минеральный состав, характерный для дацитов,  приведен в Таблице 2. Таким образом, данный семи килограммовый образец дацита является представительным для  всего лавового купола.

 

Нормативный Минерал (Формула)

% по весу

Кварц (SiO2)

23.02

Ортоклаз (KAISi3O8)

9.95

Альбит (NaAISi3O8)

40,24

Анортит (CaAI2Si2O8)

17.40

Диопсид (CaMgSi2O6)

0,94

Геденбергит  (CaFeSi206)

0,82

Энстатит (MgSi03)

1,53

Ферросилиций (FeSiO3)

1,52

Магнетит (Fe3O4)

3.04

Ильменит (FeTiO3)

1,15

Апатит (Ca3P2O8)

0,39

СУММА

100,00

Таблица 2. Идеализированный нормативный минеральный состав дацита  горы Сент-Хеленс,  рассчитанный по содержанию главных элементов, приведенных в Таблице 1.

 

Однокилограммовый образец вмещающей массы с фенокристаллами (без габброидных включений) был выделен из всего образца для калий-аргонового анализа. Процесс анализа начинался с дробления и измельчения дацита в железной ступе. Частицы были просеяны через сито с отверстиями 0,18мм и собраны на сите с отверстиями 0,075 мм. Частицы 0,18-0,075 мм имеют оптимальный размер для калий-аргонового анализа.

Второй  однокилограммовый образец вмещающей массы дацита был последовательно обработан для увеличения концентрации пироксена. При измельчении частицы пропустили через дробилку с отверстием 0,090 мм и собрали на экране с отверстиями 0,053 мм. Эти более мелкие частицы (0,053-0,090 мм) использовались для более полного извлечения минеральных фаз, не смотря на то, что эти частицы были мельче оптимальных, требуемых для исследования.

Из-за свойства частиц размером менее 0,075 мм, абсорбировать или терять большие порции аргона, частицы, проходящие через такое сито, не исследовались. Единственное исключение было  сделано для одного препарата, содержащего частицы размерной фракции 0,053-0,090 мм.

Процесс дробления, измельчения, просеивание и разделения производился крайне осторожно во избежание загрязнений. Для предотвращения загрязнения исследуемых образцов применялись:

(1) Выпиливание внутренних частей обломков дацита (для удаления частиц, прилипших к образцу);

(2) Промывка всех поверхностей и сит, находившихся в непосредственном контакте с образцом;

(3) Заключительное влажное просеивание частиц на сите 0,075 мм (или 0,053 мм), для удаления более мелких частиц (включая возможную загрязняющую лабораторную пыль, образовавшуюся в процессе измельчения);

(4) Фильтрация тяжелых жидкостей для удаления загрязнения;

(5) Микроскопический просмотр частиц на наличие инородных частиц;

(6) Приготовление второго концентрата из необработанного дацита, включая полностью раздельное дробление, истирание и просеивание (с целью обнаружения загрязнения в одном из концентратов);

(7) Герметизация образцов в стеклянных трубках между подготовительными операциями.

 

Для анализа было подготовлено пять препаратов, в том числе одна истертая валовая проба и четыре минеральных концентрата:   

 

КУПОЛ-1 “валовая проба” – представительная проба из основной массы и фенокристаллов, без включений инородной породы; частицы 0,18-0,075 мм.

КУПОЛ-1L ''Концентрат полевошпатового вулканического стекла'' из вмещающей массы и фенокристаллов; частицы 0,18-0,075 мм; главным образом плагиоклаз, но также содержит фрагменты стекловидной вмещающей массы.

КУПОЛ-1M ''Тяжелый магнитный концентрат'' из вмещающей массы и фенокристаллов; главным образом, роговой обманки с окислами железа и титана; частицы 0,18-0,075 мм.

КУПОЛ-1H ''Тяжелый немагнитный концентрат '' из вмещающей массы и фенокристаллов; главным образом ортопироксен; частицы 0,18-0,075 мм.

КУПОЛ-1P ''Пироксеновый концентрат'' из вмещающей массы и фенокристаллов; частицы 0,053-0,090 мм; приготовленный из отдельного образца дацита, по аналогии с образцом КУПОЛ-1H, но с более полной концентрацией ортопироксена.

 

Последние четыре минеральных концентрата были приготовлены из цельной породы посредством разделения в тяжелой жидкости и магнитной сепарации. Сначала, образцы частиц из вмещающей массы и фенокристаллов были диспергированы в трибромометане (CHBr3), тяжелой жидкости с плотностью 2,85 г/см3 при комнатной температуре. Эти частицы и тяжелая жидкость прошли через центрифугу в 250 мл бутылках при 6,000 оборотах в минуту. После десятиминутного центрифугирования при 20°C, плавающие частицы были собраны, отфильтрованы, вымыты, высушены и маркированы. Этот плавающий концентрат, «КУПОЛ-1L», составил больше 90 процентов от начальной пробы и стал «концентратом полевошпатового вулканического стекла». Минеральный остаток, который выпал в тяжелой жидкости, был собран, отфильтрован, вымыт и высушен. Было обнаружено, что тяжелый концентрат мог быть разделен на «сильно магнитную» и «слабо магнитную» фракции; приблизительно треть тяжелого остатка  относится к «сильно магнитной» фракции. Тяжелый концентрат был разделен очень сильным ручным магнитом на большом куске фильтровальной бумаги, наклоненной под углом в 45°. Проба «тяжелых магнитных» частиц, позже маркированная как «КУПОЛ-1M», была составлена из тяжелых частиц, которые поднялись вверх по бумаге наклоненной под 45°  под действием магнита, который перемещался под бумагой. Остаток, который не перемещался по бумаге, составил  «тяжелый немагнитный концентрат». Он был маркирован как «КУПОЛ-1H». Четвертый минеральный концентрат был приготовлен из полностью отдельного образца дацита и обработан подобно DOME-1H, за исключением того, что он был составлен из более мелких частиц (0,053-0,090 мм). Эта более мелкая, тяжелая немагнитная фракция, извлеченная из дацита были маркирована как 'КУПОЛ-1P'.

Микроскопическое исследование четырех минеральных концентратов показало эффективность данной технологии разделения. «Концентрат полевошпатового вулканического стекла» (КУПОЛ-1L) состоял преимущественно из плагиоклаза и вулканического стекла, только со случайными  темноцветными (мафическими) микрофенокристаллами, наблюдаемыми в плагиоклазе и стекле. Хотя из-за неполного разделения немафических минералов этот концентрат включал плагиоклазовые  фенокристаллы андезинового состава с плотностью приблизительно 2,7 г/см3 и, главным образом, стекло с плотностью приблизительно 2,4 г/см3.

«Тяжелый магнитный концентрат» (КУПОЛ-1M) состоял преимущественно из минералов группы амфиболов; роговая обманка может считаться наиболее распространенным магнитным минералом в дацитах. Однако имелось также значительное количество окислов Fe и Ti, вероятно в виде магнетита и  ильменита. «Тяжелый магнитный концентрат» также содержал частицы стекла (в большем количестве, чем в «тяжелом немагнитном концентрате»). Темные микрофенокристаллы в этих стеклянных частицах, возможно, были представлены сильномагнитными окислами Fe и Ti. Микроскопическое исследование «тяжелого магнитного концентрата» также показало следы присутствия железных фрагментов, очевидно, это магнитное загрязняющее вещество, неизбежно получаемое в результате дробления дацита в железной ступе. Не было предпринято попыток по отделению роговой обманки от окислов Fe и Ti, но в дальнейшем более мелкое дробление и использование тяжелых жидкостей должно приниматься во внимание.

В «тяжелом немагнитном концентрате» (КУПОЛ-1H) преобладал ортопироксен с небольшим количеством клинопироксена и существенным содержанием частиц вулканического стекла, насыщенных мафическими микрофенокристаллами. Эти  микровключения темноцветных минералов, очевидно, увеличили плотность частиц стекла более 2,85 г/см3, что привело к выпадению их в осадок в тяжелой жидкости. В этом образце также была обнаружена роговая обманка, не полностью удаленная магнитной сепарацией.

В «пироксеновом концентрате» (КУПОЛ-1P) ортопироксен значительно преобладал над  клинопироксеном. Поскольку он состоял из более мелких частиц (0,053-0,090 мм), то содержал гораздо частиц стекла с темноцветными включениями, чем в образце «КУПОЛ-1H». Этот препарат содержал самый чистый минеральный концентрат. Микроскопическая экспертиза ортопироксена показала, что он представлен высокомангезиальной разновидностью этого минерала, что объясняет его слабые магнитные свойства.

Таким образом, три минеральных концентрата (КУПОЛ-1L, КУПОЛ-1M, и КУПОЛ-1H)  представляют три разные минеральные фазы дацита. По своему относительному содержанию суммарно они представляют почти весь образец дацита, поскольку только частицы размером менее 0,075 мм были исключены из анализа. Некоторое различие связано с неодинаковой измельчаемостью минералов и вмещающей массы.

Калий-аргоновый анализ

Анализ всех пяти концентратов на содержание калия и аргона были произведен в Кембриджской геохронологической лаборатории, штат Массачусетс, под руководством  заведующего лабораторией Ричарда Рисмана (Richard Reesman). Эти препараты были представлены в Геохронологическую лабораторию с сопроводительной информацией, что концентраты получены из дацита, и что в этих образцах ожидается «низкое содержание аргона». Никакой другой информации относительно места отбора образца и его исторически известного возраста (десять лет на момент проведения анализа) предоставлено не было.

Аналитические данные представлены в Таблице 3. Концентрация K (калия, %) была измерена методом пламенной фотометрии, приведенные значения являются средними из двух измерений каждого концентрата. Концентрация 40К (ppm - одна миллионная часть) была рассчитана с использованием концентрации K по кларку концентраций этого изотопа в земной коре. Концентрация 40Ar*(в ppm), предполагаемого «радиоактивного аргона-40», была получена из измерений изотопного растворения на масс-спектрометре,  с учетом присутствия атмосферного аргона, чей изотопный состав известен. Приведенная концентрация 40Ar* - среднее двух значений. Отношение 40Ar/общему Ar также получено из измерений на масс- спектрометре и является средним из двух измерений.

«Возраст» каждого концентрата рассчитан,  используя выведенное Фауре (Faure) [10] общее уравнение для модели датирования возраста:

           

t = (1/ λ ) ln [((D t   - D o)/ P t) +1]          (1)

      

где t – «возраст», λ – постоянная распада материнского изотопа, Dt - число дочерних атомов в породе на данный момент, Do - первоначальное число дочерних атомов в породе, и Pt - число материнских атомов в данное время. Уравнение (1) может использоваться для определения возраста породы, если в ней сделаны измерения Dt и Pt, и если сделано предположение относительно первоначального содержания дочерних атомов (Do). В нашем конкретном случае K-Ar датирования [11] уравнения (1) принимает вид:

                 1                          1     40Ar*

 t = --------------------  ln [ ------  -------- + 1]          (2)

       5.543 x 10-10               0,105   40K

 

 

 

 

 

где t – «возраст» в миллионах лет, 5.543 x 10 10 год-1 - современная оценка для постоянной распада для 40К; 0,105 - расчитанная доля  распадов 40К создающих  40Ar, и 40Ar*/40K - вычисленное в соответствии со стандартной процедурой молярное отношение  радиоактивного 40Ar к 40К в концентрате. Нужно отметить, что уравнение (1) становится эквивалентным уравнению (2) когда:

 

40Ar* = D t   - D o                                          (3)

 

 

 

K(%)

 

40K

(ppm)

Общий

Ar (ppm)

40Ar*

(ppm)

40Ar*/общий 40Ar

40Ar*/40K

 

'Возраст' (миллионов лет)

КУПОЛ-1

‘валовая проба’

0,924

 

1,102

 

0,0018

 

0,0000225

 

0,0125

 

0,000020

 

0,35 ±0,05

 

КУПОЛ -1L

полевой шпат и др.

1,048

 

1,250

 

0,0024

 

0,000025

 

0,0105

 

0,000020

 

0,34 ±0,06

 

КУПОЛ -1M

амфибол и др.

0,581

 

0,693

 

0,0027

 

0,000037

 

0,0135

 

0,000053

 

0,9 ±0,2

 

КУПОЛ -1H

пироксен и др.

0,466

 

0,555

 

0,0015

 

0,000054

 

0,0360

 

0,000096

 

1,7 + 0,3

 

КУПОЛ -1P

пироксен

0,447

 

0,533

 

0,0025

 

0,000087

 

0,0345

 

0,000163

 

2,8 ±0,6

 

 

Используемые постоянные:

40K/K = 1,193x 10 –4 g/g        

доля 40 K распадающегося на 40Ar = 0,1048

постоянная распада  40 K = 5,543 x 10-10год-1  

атмосферный 40Ar/ 36Ar = 295,5

 

Таблица 3. Данные по калию и аргону  из нового дацитового купола вулкана Сент-Хеленс.

 

Таким образом, определение 40Ar* по данной методике содержит предположение о первоначальном количестве 40Ar в породе. На практике предполагается, что в момент образования породы радиоактивный аргон в ней отсутствует. То есть предполагается, что  D0 = 0 в уравнении (2) дает точные значения возраста. Следовательно, уравнение (2) выступает как модель датирования возраста, основанная на отсутствии радиоактивного аргона в породе в момент ее формирования. После принятия указанного предположения, определяется значение 40Ar*. Далее рассчитывается молярное отношение  40Ar*/40K, приведенное в таблице 3 для каждого концентрата 40Ar* (ppm) и 40К (ppm). Как только молярное отношение рассчитано, оно подставляется в уравнение (2), для вычисления «возраста образцов». Данные расчетов представлены в таблице 3.

ОБСУЖДЕНИЕ результатов

Крайне неожиданным оказалось то, что, калий-аргоновый анализ лавового купола показал отличную от нуля концентрацию радиоактивного аргона (40Ar*) во всех препаратах, полученных из дацита. Результаты датирования K-Ar методом с использованием уравнения (2) находятся в диапазоне от 0,34 ± 0.06 миллиона лет до 2,8 ± 0,6 миллиона лет. Поскольку исследуемый образец дацита был взят из породы, образовавшейся 10 лет назад, то за это время из-за медленной скорости радиоактивного распада 40К в породе  не должно было произойти измеримого накопления 40Ar*.  Неизбежным кажется заключение, что измеримые величины 40Ar* в даците появились не в результате радиоактивного накопления, а содержались в породе в момент охлаждения лавы в 1986 году. В результате этого оказался измерен не аргон, образовавшийся в результате радиоактивного распада, а аргон, полученный из других источников.

Было признано, что некоторые другие молодые лавовые потоки, возраст которых исторически известен, имеют отличное от нуля содержание 40Ar*. Из 26 зарегистрированных в истории наземных потоков лавы, изученных Далримплом (Dalrymple) [12], пять показали «избыток аргона» и, поэтому, дали явно завышенные результаты K-Ar датирования:

 

Базальт (Гавайи, 1800-1801 гг.)

1.60 ±0.16 мл. лет

1.41 ±0.08 мл. лет

Базальт горы Этна (Сицилия, 122 г. до н.э)

0.25 ±0.08 мл. лет

Базальт горы Этна (Сицилия, 1792 г.)

0.35 ±0.14 мл. лет

Плагиоклаза  горы Лаззен (Калифорния, 1915 г.)

0.11 ±0.30 мл. лет

Базальт кратера Сансет (Аризона, 1064-1065 гг.)

0.27 ± 0.09 мл. лет

0.25 ±0.15 мл. лет

 

Таблица 4. Аномально древние возраста исторически зарегистрированных лавовых потоков.

 

Далримпл [12] считал, что этот аномальный «возраст» образцов мог быть вызван «избытком радиоактивного 40Ar», полученного за счет естественного загрязнения или изотопного фракционирования аргона. Крумменахер (Krummenacher) [13] предложил сходное объяснения неожиданных соотношений изотопа аргона, имевших место в нескольких свежих потоках лавы. Оливин, пироксен и плагиоклаз из базальта вулканической области Зуни-Бандера (Zuni-Bandera) (четвертичные отложения штата Нью-Мексико) показали существенный избыток аргона, унаследованный из магматического источника [14]. Такое же заключение было сделано по фенокристаллам оливина и клинопироксена из вулканов четвертичного периода Новой Зеландии [15]. Существенный избыток аргона был также найден в подводных базальтах двух активных в настоящее время Гавайских вулканов -  Лоихи Симаунт (Loihi Seamount) и Килауеа (Kilauea) [16].

Что послужило причиной значимых содержаний 40Ar* в даците горы Сент-Хеленс? Могло ли лабораторное загрязнение  40Ar стать причиной увеличения кажущегося возраста дацита? Возможность загрязнения стало причиной принятия чрезвычайных мер в процессе чистки и обработки; концентраты были герметично  запечатаны в ампулах в период между подготовкой и анализом. Могло ли лабораторное оборудование стать причиной появления избыточного аргона? Например, могли ли железные обломки, образовавшиеся в процессе дробления образца в ступке, быть источником аргона? В процессе сепарации в тяжелой жидкости происходит надежное разделение тяжелого железа от легкого полевого шпата – (подготовка образца «КУПОЛ-1L»), но этот концентрат также содержит существенное количество 40Ar. Другие процессы, кажется,  исключают или изолируют лабораторное загрязнение. Влажное просеивание на сите 0,075 мм, например, должно удалить любую мелкую лабораторную пыль, которая могла попасть в концентраты. Из-за этих экстраординарных мер предосторожности, лабораторное загрязнение, произошедшее во всех пяти концентратах одновременно, представляется крайне маловероятным.

Мог ли расплавленный дацит, поднимающийся с большой глубины, быть дополнительно насыщен аргоном в результате магматических процессов, происходящих под лавовым куполом? Эта  возможность нуждается в рассмотрении. Могли ли посторонние, обогащенные аргоном минералы (ксенокристаллы) попасть в магму извне и повлиять на увеличение возраста валовой пробы дацита? Данные таблицы 3 с определенной вероятностью указывают, что различные минеральные фазы дацита имеют существенное содержание 40Ar. Хотя минеральные концентраты не однородны и содержат некоторое количество вулканического стекла, аргументом может быть то, что все концентраты дацита, независимо от их минерального состава, содержат существенное количество 40Ar. Можно предположить, что загрязняющий эффект могли оказать инородные каменные включения составе лавы (ксенолиты), если они содержали давно образованные минералы, вошедшие в состав молодой магмы. Можно рассмотреть предположение, что габброидные глыбы, попавшие в тело дацитовой магмы, послужили таким источником «старых» минеральных зерен. Однако, Хейликер [6] считает, что габброидные включения являются не ксенолитами «старых» пород, попавших в молодую магму из окружающей толщи, а стяжениями, образовавшимися в результате процессов сегрегации, происходящих внутри магмы. Эти включения, поэтому, расцениваются как уникальная ассоциация в недавно сформировавшейся магматической системе.

Могли ли магматические условия в глубине способствовать поглощению аргона минералами в процессе их формирования? Это последнее, и самое интересное, объяснение аномалий 40Ar предполагает, что  различное количество аргона в различных минеральных скоплениях были вызваны изменением парциального давлении газа по мере процесса кристаллизации, или способностью к удержанию газа минералами по мере стравливания парциального давления. Эксперименты по кристаллизации минералов, проведенные Карпинской [17], показывают, что мусковит сохраняет до 0.5 процентов аргона при 640°C и давлении пара 4 000 атмосфер. Изучение фенокристаллов [18] показали, что оливин и клинопироксен, выделенные из молодых базальтов штатов Нью-Мексико и Невада, имеют «повсеместный избыток аргона». Существование магматического источника было постулировано для аргона, содержащегося  в фенокристаллах оливина и клинопироксена в четвертичных вулканах Новой Зеландии [15]. Не исключено, что и другие минералы удерживают аргон в зависимости от парциального давления газа в магматическом источнике.

Лабораторные эксперименты по растворимости аргона проводились на синтетических базальтовых сплавах и на сопутствующих им минералах [19, 20]. Минералы и сплавы были выдержаны при температуре порядка 1300°C и давлении в одну атмосферу в газовом потоке, содержащем аргон. После охлаждения образцов в синтезированном оливине было обнаружено до 0.34 ppm 40Ar. Отмечается «удивительно высокая степень растворимости аргона в минералах»[19]. Делается заключение о том, что аргон содержится, прежде всего, в дефектах кристаллической решетки минералов.

Удержание аргона  минеральными агрегатами подтверждается данными исследования дацита вулкана Сент-Хеленс. Данные таблицы 3 свидетельствуют что, хотя минеральные концентраты (в полевом шпате, амфиболе или пироксене) имеют почти одинаковые концентрации «совокупного Аr», «пироксеновый концентрат» обладает самой высокой концентрацией 40Ar* (более чем в три раза по сравнению с концентратом полевошпатового вулканического стекла) и самой высокой долей 40Ar* (отношение 40Ar* к общему Ar более чем в три раза выше чем «концентрате полевошпатового вулканического стекла»). Эти данные предполагают, что в то время как ортопироксеновая минеральная структура имеет такое же или слегка меньшее количество участков удержания газа, чем плагиоклаз, ортопироксен имеет более плотную структуру и способен сохранить большее количество магматического 40Ar. Он удерживает большее количество аргона, далее следует  роговая обманка, и, наконец, плагиоклаз. Согласно этой интерпретации, концентрация 40Ar* в минеральных скоплениях это количественная мера окклюзионных свойств структуры минералов и минеральных агрегатов, поэтому, «возраст» «пироксенного концентрата» 2,8 млн. лет не имеет никакого отношения ко времени кристаллизации.

Откуда аргон поступает в магму? Могло ли источник находиться в нижних слоях земной коры или в верхней мантии? Необходимо более тщательное изучение этих вопросов.

Для дальнейшей проверки гипотезы окклюдирования аргона в минеральных скоплениях, необходима подготовка минеральных концентратов из дацита горы Сент-Хеленс более высокой чистоты. Более мелкозернистые концентраты должны пройти полную обработку более тяжелыми жидкостями и магнитным разделением. Препараты КУПОЛА - 1P, содержат более мелкозернистые и чистые концентраты пироксена, чем в КУПОЛ-1H и имеют, как ожидалось,  более высокую концентрацию 40Ar* и более низкую концентрацию 40К. Использование методов кислотных растворов или использование более тяжелых жидкостей могли бы помочь удалению нежелательного стекла. Само стекло должно быть собрано для анализа на содержание аргона.

ПРИМЕНЕНИЯ K-Ar МЕТОДА К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВОЗРАСТОВ ДРУГИХ ОБЪЕКТОВ

Содержат ли другие аналогичные вулканические породы окклюдированный аргон? Фенокристаллы очень часто присутствуют в вулканических породах, так что есть смысл более детальной проработки этой гипотезы. В дополнение к исследованию других исторических лавовых потоков, имеет смысл проверить фенокристаллы с других древних потоков, где возраст по фенокристаллам значительно отличается от возраста валовой пробы. Ниже описываются возможные объекты исследования.

(1) Базальт Девил Постпаил (Devil Postpile) (Калифорния)

Плагиоклаз, выделенный из базальта Девил Постпаил, дал K-Ar «возраст» 0.94 ± 0.16 миллионов лет [21]. Возраст базальта был недавно переcмотрен повторно на основе новой геологической картографии и детализированном изучении стратиграфии, и стал менее 100.000 лет [22]. Что было причиной чрезмерно старого возраста? Это мог быть содержащийся в плагиоклазе аргон.

(2) Базальт Торовип Дам (Toroweap Dam) (западный Великий Каньон, Аризона)

Базальт Торовип Дам залегает на склонах и дне Великого Каньона в непосредственной близости от русла реки Колорадо. Базальт дважды был датирован K-Ar методом, который показал возраст 1,16 ± 0,18 миллионов лет и 1,25 ± 0,2 миллионов лет [23]. Исследователи с самого начала сделали оговорку относительно датирования этого базальта,  говоря «имеется возможность, что базальт удерживает аргон, содержавшийся в магме до извержения»[24]. Многие другие базальты западной части Великого Каньона показали содержание «избыточного аргона» [23]. Хотя первые исследователи не выражали уверенности относительно K-Ar возраста базальта Торовип Дам, позже геологи стали использовать его для доказательства большого возраста Великого Каньона (см. особенно D. A. Young [25]).

(3) Керамим (Keramim) базальт (северные Голанские высоты, Израиль)

Ниже этого базальта, датированного K-Ar методом [26] в 0,25 миллионов лет, встречаются находки памятников материальной культуры «каменного века». Однако, человеческая деятельность, как полагают, не отсутствовала на территории Израиля в эпоху раннего палеолита [27], так что этот и другие K-Ar «возрасты» должны быть проверены. Поскольку K-Ar метод использовался и в других местах для датирования времени существования неандертальской культуры, мы можем сказать, что оценки этих возрастов нуждаются в тщательной проверке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования нового дацитового лавового купола горы Сент-Хеленс вызывают больше вопросов, чем ответов. Изначально при определении возраста K-Ar методом предполагалось отсутствие 40Ar* в минеральных фазах пород в момент отвердевания лавы. Как было показано, это предположение оказалось неверным. Разумным альтернативным предположением является окклюзия аргона минеральными фазами дацита. Проведенные исследования поднимают более фундаментальные вопрос — дают ли другие вулканические породы,  содержащие фенокрислаллы, надежный K-Ar возраст?

 

Перевод В.С. Михалкина (канд. техн. наук) и А.В.Лаломова (канд. геол.-мин. наук)

ЛИТЕРАТУРА

1.      Pringle, P. T, 1993. Roadside Geology of Mount St Helens National Volcanic Monument and Vicinity, Washington State Department of Natural Resources, Washington Division of Geology and Earth Resources, Information Circular 88, 120 p.

2.      Swanson, D. A. and Holcomb, R. T., 1990. Regularities in growth of the Mount St Helens dacite dome, 1980-1986. In: Lava Flows and Domes, J. Fink (ed.), Springer-Verlag, Heidelberg, Vol. 2, pp. 3-24.

3.      Cashman, K. V, 1988. Crystallization of Mount St Helens 1980-1986 dacite: a quantitative textural approach. Bulletin Volcanologique, 50:194-209.

4.      Cashman, K. V. and Taggart, J. E., 1983. Petrologic monitoring of 1981 and 1982 eruptive products from Mount St Helens. Science, 221:1385-1387.

5.      Cashman, K. V, 1992. Groundmass crystallization of Mount St Helens dacite, 1980-1986: a tool for interpreting shallow magmatic processes. Contributions to Mineralogy and Petrology, 109:431 449.

6.      Heliker, C., 1995. Inclusions in Mount St Helens dacite erupted from 1980 through 1983. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 66:115 135.

7.      Rutherford, M. J., Sigurdsson, H., Carey, S. and Davis, A., 1985. The May 18, 1980 eruption of Mount St Helens 1: melt composition and experimental phase equilibria. Journal of Geophysical Research, 90:2929-2947.

8.      Rutherford, M. J. and Devine, J. D., 1988. The May 18, 1980 eruption of Mount St Helens 3: stability and chemistry of amphibole in the magma chamber. Journal of Geophysical Research, 93:11949 11959.

9.      Endo, E. T., Dzurisin, D. and Swanson, D. A., 1990. Geophysical and observational constraints for ascent rates of dacitic magma at Mount St Helens. In: Magma Transport and Storage, M.P. Ryan (ed.), John Wiley and Sons, New York, pp. 318-334.      .

10.  Faure, G., 1986. Principles of Isotope Geology, 2nd edition, John Wiley and Sons, New York, p. 42.

11.  Dalrymple, G. B. and Lanphere, M. A., 1969. Potassium-Argon Dating: Principles, Techniques and Applications to Geochronology, W. H. Freeman, San Francisco, p. 49.

12.  Dalrymple, G. B., 1969. 40Ar/36Ar analyses of historic lava flows. Earth , and Planetary Science Letters, 6:47 - 55.

13.  Krummenacher, D., 1970. Isotopic composition of argon in modern surface volcanic rocks. Earth and Planetary Science Letters, 8:109-117.

14.  Laughlin, A. W., Poths, J., Healey, H. A., Reneau, S. and WoldeGabriel, 1 G., 1994. Dating of Quaternary basalts using the cosmogenic 3He and  14C methods with implications for excess 40Ar. Geology, 22:135-138. I

15.  Patterson, D. B,, Honda, M. and McDougall, I., 1994. Noble gases in mafic phenocrysts and xenoliths from New Zealand. Geochimica et Cosmochimica Acta, 58:4411-4427.

16.  Honda, M., McDougall, I., Patterson, D. B., Doulgeris, A. and Clague, D. A., 1993. Noble gases in submarine pillow basalt glasses from Loihi and Kilauea, Hawaii: a solar component in the Earth. Geochimica et Cosmochimica Acta, 57:859 874.

17.  Karpinskaya,T. B., 1967. Synthesis of argon muscovite. International Geology Review, 9:1493-1495.

18.  Poths, J., Healey, H. and Laughlin,A. W, 1993. Ubiquitous excess argon in very young basalts. Geological Society of America Abstracts with Programs, 25:A-462.

19.  Broadhurst, C. L., Drake, M. J.,Hagec,B. E.andBenatowicz.T. J., 1990. Solubility and partitioning of at in anorthite, diopside, forsterite, spinel, and synthetic basaltic liquids. Geochimica et Cosmochimica Acta, 54:299-309.

20.  Broadhurst, C. L., Drake, M. J., Hagee, B. E. and Benatowicz,T. J., 1992. Solubility and partitioning of Ne, Ar, Kr, and Xe in minerals and synthetic basaltic melts. Geochimica et Cosmochimica Acta, 56:709-723.

21.  Dalrymple, G. B., 1964. Potassium-argon dates of three Pleistocene interglacial basalt flows from the Sierra Nevada, California. Geological Society of America Bulletin, 75:753-758.

22.  Huber,N. K. andEckhardt, W. W., 1985. DevilsPostpileStory,Sequoia Natural History Association, Three Rivers, California, 30 p.

23.  Hamblin, W. K., 1994. Late Cenozoic Lava Dams in the Western Grand Canyon, Geological Society of America, Memoir 183, Boulder, Colorado, 139 p.

24.  McK.ee, E. D., Hamblin, W. K. and Damon, P. E., 1968. K-Ar age of lava dam in Grand Canyon. Geological Society of America Bulletin, 79:133-136.

25.  Young, D. A., 1990. The discovery of terrestrial history. In: Portraits of Creation: Biblical and Scientific Perspectives on the World's Formation, H. J. Van Till, R. E. Snow, J. H. Stek and D. A. Young (eds), William B. Eerdmans, Grand Rapids, Michigan, pp. 26-81.

26.  Mor, D., 1987. Har Odem Geological Map, Geological Survey of Israel, Jerusalem, scale 1:50,000, one sheet.

27.  Bar-Yosef, O., 1989. Geochronology of the Levantine Middle Palaeolithic. In: The Human Revolution, P. Mellars and C. Stringer (eds), Princeton University Press, Princeton, New Jersey, pp. 589-610.    

 

Об авторе: Стивен А. Остин (Steven A. Austin) является профессором Института Креационных Исследований (Сан-Диего, Калифорния). Он имеет геологические степени бакалавра от Вашингтонского Университета, диплом M. S. от Государственного Университета Сан-Хосе и Ph. D. от Государственного Университета Штата Пенсильвания. Является членом Геологического Общества Америки, Американской Ассоциации Геологов Нефтяной Промышленности, Литологического Общества и Международной Ассоциации Седиментологов. Наиболее известны его исследования Великого Каньона реки Колорадо и извержения вулкана Сент-Хеленс.

 

примечания



[1] Дацит – вулканическая порода кислого состава, состоящая преимущественно из полевого шпата, кварца, цветных минералов: биотита, роговой обманки или пироксена, и вулканического стекла. Дациты характерны для областей континентального вулканизма (Прим. редакции).