Вяткин Сергей Васильевич
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
|
содержание |
В главе кратко изложены факты проявления вулканической деятельности Эльбруса в настоящее время, позволяющие считать этот вулкан потенциально опасным, оценка возможных катастрофических последствий возобновления активной вулканической деятельности, а также история геологического изучения Эльбрусского вулканического центра и обзор используемых для этого методов. Более подробно в главе рассмотрены методы ЭПР-датирования и связанные с ними методические особенности, ограничения и проблемные вопросы.
Комплексные исследования (1997-2001 гг.) Эльбрусского вулканического центра О.А. Богатиковым, И.В. Мелекесцевым и др., а также определения возраста пород по разработанной в ИГЕМ РАН специальной методике K/Ar датирования четвертичных геологических образований позволили выделить следующие циклы в эволюции Эльбруса: докальдерный (около 900 тыс. лет); кальдерный с ранним (800 - 700 тыс. лет) и поздним (225-170 тыс. лет) этапами и посткальдерный с ранним (110-70 тыс.лет) и поздним (35-1 тыс.лет) этапами.
Метод ЭПР-датирования основан на регистрации изменений, происходящих с течением времени в минеральном веществе. Под действием природного ионизирующего излучения примесные Al-центры в кристаллической решетке α-кварца переходят в парамагнитную форму. Измерение концентрации центров и мощности радиационного фона позволяет определять полученную образцом дозу облучения (палеодозу), и его возраст:
где t - возраст (лет), P - палеодоза (Гр), а D - радиационный фон (Гр/год).
Существует два основных способа определения палеодозы - методика добавочных доз и методика регенерации. Методика добавочных доз предусматривает дополнительное лабораторное γ-облучение образца и построение зависимости концентрации парамагнитных центров от дозы облучения (Рис. 1). Полученный график экстраполируется до пересечения с осью х. Вычисленная таким образом доза облучения принимается равной палеодозе.
Методика регенерации предусматривает отжиг образца после измерения природной концентрации парамагнитных центров и восстановление концентрации парамагнитных центров путем лабораторного γ-облучения. Когда концентрация парамагнитных центров становится равной природной, потребовавшаяся для этого доза лабораторного облучения принимается равной палеодозе.
Скорость образования Al-парамагнитных центров в природной системе не зависит от внешних факторов, однако суммарное их количество - зависит, поскольку одновременно с образованием происходит и рекомбинация центров. В случае изотермических природных систем, к которым можно отнести и эффузивные породы Эльбруса, образование и рекомбинация радиационных парамагнитных Al-центров в кварце (согласно реакции I порядка) описывается следующим уравнением:
Здесь y - относительная концентрация парамагнитных центров, T - температура, t - время, λ - эффективность образования центров (f - радиационная чувствительность, p - радиационный фон, Сp - концентрация родительских предцентров), ki(Ti) - вероятность рекомбинации центров при температуре Ti. (Разрушение парамагнитных центров описано согласно реакции I порядка).
Процесс образования и накопления радиационных парамагнитных центров описывается первой, а их рекомбинация - второй частью соотношения (2). Рекомбинация радиационных парамагнитных центров осуществляется по одному из двух механизмов. Механизм линейной (одночастичной) рекомбинации - это реакция первого порядка, описываемая уравнением:
где y - относительная концентрация центров, ki(Ti) - вероятность рекомбинации центров при температуре Ti, t - время.
Второй механизм - это квадратичная (двухчастичная) рекомбинация, реакция второго порядка, описываемая уравнением
Механизм квадратичной рекомбинации реализуется, если в процессе участвуют две частицы. Такое происходит, когда два типа центров - электронный и дырочный - рекомбинируют друг с другом. В этом случае скорость процесса пропорциональна произведению концентраций центров (или, в случае равенства концентраций, квадрату одной из них). В более простом случае одночастичного процесса его скорость пропорциональна концентрации центров.
Параметр ki(Ti) зависит от температуры в соответствии с соотношением Аррениуса:
где K0 - предэкспоненциальный множитель (частотный фактор), Ea - энергия активации, а kB - константа Больцмана.
В случае, когда энергия термического воздействия на образец превышает энергию активации Ea, электроны освобождаются из ловушек и рекомбинируют с дырками. Накопленная информация о длительности воздействия радиационного фона на образец теряется. Однако это не единственный фактор, ограничивающий использование метода ЭПР-датирования.
| Таблица 1. Рекомбинационные параметры [AlO4-/h+] центров в кварце |
| Генезис кварца | Ea, эВ | K0, с-1 | τ (15оС), млн. лет | Источник |
| туфы Тамагава | 2,4 | 3,00 • 1012 | 1,8 - 3,8 (при 10оС) | Imai et al., 1985 |
| гидротермальные жилы и вмещающие их граниты | 1,31 -
1,41 | 2,94 • 108 - 2,65 • 1010 | 0,51 - 0,54 | Мельников П. В. и др., 1990 |
| туфы Тамагава | 1,5 | 1,10 • 1013 | 0,48 | M. Ikeya, S. Toyoda, 1991 |
| гранит Маннари | 1,7 | 1,10 • 107 | 7 400 (при 27оС) | Toyoda et al., 1991 |
| осадочные породы | 1,4 | 1,00 • 109 | 12,0 (при 27оС) | Раков Л.Т., 1992 |
| Месторождение урана | 1,3 | 1,00 • 109 | 1,7 | Мельников П. В., 1995 |
| Скрытокристаллический кварц (кремни - археолог.) | 0,75 -
0,79 | 1,93 • 103 - 4,14 • 103 | 0,0001 - 0,001 | Porat N. et al., 1995 |
| эльджуртинский гранит | 1,3 | 1,60 • 109 | 1,06 | Кощуг Д.Г., 1998 |
| эльджуртинский гранит | 1,9 | 6,00 • 1016 | 875 | Grun R., 1999 |
| эльджуртинский гранит | 1,7 | 8,20 • 1014 | 20,4 | Шабалин Р.В. и др., 2004 |
Величина τ, обратная ki(Ti) в выражении (5), носит название <среднего времени жизни> парамагнитного центра. Эта величина является основной характеристикой времени существования парамагнитных центров, а, значит, и применимости того или иного типа центров к ЭПР-датированию. Величина τ оказывает непосредственное влияние на точность экспериментального определения полученной образцом дозы природного облучения и, соответственно, на корректность устанавливаемого при ЭПР-датировании возраста. При истинном возрасте образца t >> τ концентрация [AlO4-/h+] центров достигает насыщения, когда число вновь образующихся парамагнитных центров будет равно числу распадающихся за тот же период времени.
Параметры рекомбинации Ea и K0 для Al-парамагнитных центров в кристаллической структуре α-кварца определялись неоднократно и разными исследователями. Однако полученные значения рекомбинационных параметров весьма разнородны (табл. 1). Некоторые авторы склонны объяснять это различным генезисом кварца, используемого в экспериментах, однако такое предположение не совсем приемлемо, поскольку значения Ea и K0 различны даже в случае использования образцов одного и того же геологического объекта, что несложно заметить на примере кварца вулканических туфов Тамагава (Япония) или Эльджуртинского гранитного массива (Кавказ).
|
