Инновации ИГГД РАН: точные изотопные часы

Ссылка: Информация 130314(2013), Вестник ОНЗ РАН, 5, url: http://onznews.wdcb.ru/news13/info_130314.html
^ Главная страница

Заместитель директора Института геохронологии и геологии докембрия РАН Шаукет Каимович Балтыбаев вместе со своими коллегами провел ознакомительную экскурсию по ИГГД для корреспондентов Вестника. Мы увидели прибор, который ученые называют "изотопным сердцем нашего института". Твердофазный масс-спектрометр "Тритон" немецкого производства, который позволяет измерять в вакууме изотопный состав различных элементов, используется для построения моделей и определения возраста пород. С его помощью можно получать и глобальные, и локальные характеристики конкретных объектов, например, о рудных месторождениях.

Старший научный сотрудник лаборатории изотопной хемостратиграфии и геохронологии осадочных пород к.г.-м.н. Антон Борисович Кузнецов с помощью прибора "Тритон" изучает изотопный состав стронция в древних карбонатных породах архейского пояса Сибирской платформы. Изучая архейские карбонатные породы, можно получить представление о составе и свойствах Мирового океана три млрд лет назад.

Ученый рассказал об исследованиях эволюции изотопного состава стронция в протерозойском океане, которые проводятся в его лаборатории. В современном океане стронций поступает из двух глобальных источников: мантийного (срединно-океанические хребты) и континентального. В геологической истории вклад этих источников различался в зависимости от геологической ситуации в конкретный момент. В целом можно видеть увеличение радиогенного стронция в протерозойский этап, связанное со старением и ростом континентальной коры. В архее континентальной коры почти не было. Удалось определить, что изотопный состав стронция в архейском океане был такой же, как в мантийном потоке. Рост изотопного отношения стронция связан с глобальными эпохами складчатости. Последние 20-30 млн лет изотопное отношение стронция в океане растет. То же самое происходило в протерозое, в докембрии.

Один из резких скачков изотопного состава стронция наблюдается на границе кембрий-докембрий, во время формирования суперконтинента Гондвана. Еще одно увеличение, но не такое масштабное, было около 1 млрд лет назад, во время формирования суперконтинента Родиния. На границе раннего и позднего протерозоя, 1,8 млрд лет назад, фиксируется небольшое увеличение изотопного состава стронция. По разным моделям, тогда формировалось два или три суперконтинента, и на фоне общего роста изотопного отношения стронция отмечены несколько отрицательных экстремумов. Как полагают ученые, это связано с какими-то деструктивными движениями в земной коре, с раскрытием океанов.

Одно из крупных раскрытий океанов происходило два млрд лет назад, при всплеске карбонатного накопления. В то же время туда поступала высокая доля низко-радиогенного стронция. Предстоит выяснить, было ли следствием этих процессов дополнительное насыщение атмосферы кислородом, которое произошло именно в это время.

Следующее насыщение атмосферы кислородом наблюдается на границе кембрий-докембрий около 600 млн лет назад. Тогда появились многоклеточные организмы. Этот очень важный этап, подчеркнул А. Б. Кузнецов, отражен во всех геодинамических и изотопных характеристиках. На этом интервале зафиксировано несколько крупных событий: формирование суперконтинента Гондвана; увеличение доли радиогенного стронция в океане; нарушение изотопного цикла углерода. Появились карбонатные осадки как с очень высоким изотопным составом углерода, так и с очень низким. Кроме того, началась глобальная эпоха фосфатонакопления. Насыщение атмосферы кислородом примерно до современного уровня привело к к мощному эволюционному скачку — возникновению многоклеточной жизни.

Антон Кузнецов отметил очень интересный факт: из всех перечисленных явлений, которые происходили на границе кембрия и докембрия, все наблюдается сейчас, в последние 20—30 млн лет. Происходит увеличение изотопного состава стронция в океане. Если посмотреть в будущее, то нетрудно предсказать, что мы должны ожидать какие-то события, может быть и в эволюционной области. Осталось подождать недолго, всего лишь каких-то 10—20 млн лет, что совсем немного для специалистов в области геохронологии.

"Географию прошлого мы можем воспроизводить лишь путем изучения изотопных геохимических и минералогических характеристик пород. Изотопные системы помогают нам не только в определении геодинамических моделей, но и позволяют построить модели формирования месторождений. Эти модели нужны для того, чтобы понять, в каких современных геологических обстановках искать те или иные полезные ископаемые", — пояснил А. Б. Кузнецов. Например, исследователи ИГГД изучали уральские магнезиты. С помощью разработанной методики удалось определить, что формирование этих пород имело не осадочное происхождение, а метасоматическое. Таким образом, стало понятно, что магнезиты следует искать не на платформах, а в складчатых областях.

"Мы определяем возраст пород, летопись Земли пишем. На основании наших исследований был пересмотрен возраст очень многих осадочных комплексов. Очень немногие в мире занимаются такими исследованиями, буквально пять лет назад такие исследования проводились только в Англии, и в Америке в Гарварде, в Германии. А сейчас очень быстро развивается наука в Китае и Индии. В нашей стране такое оборудование есть только в ИГЕМе и в ВСЕГЕИ, а в Китае в каждом уважающем себя институте есть целая линейка подобных приборов. Там целенаправленно выделяются средства, приглашаются специалисты", — констатирует ученый.

Антон Кузнецов твердо убежден в том, что следует финансировать не только создание лабораторий для наших соотечественников, которые уехали в 90-е годы работать за границу, и теперь решили вернуться, но и поддерживать тех исследователей, которые никуда не уезжали. Невзирая на недостаток средств, они продолжали проводить исследования, повышающие престиж нашей страны и создающие рабочие места для молодежи. Ученый предпочел остаться в родном институте, чтобы работать в тесно спаянном коллективе единомышленников, и добиваться хороших научных результатов.

Исследования, которые проводятся в институте, были бы невозможны без специально оборудованных суперчистых химических комнат — самого главного, что нужно для производства изотопных анализов при работе с микроскопическими количествами вещества. Здесь ученые работают с микрограммами для стронция и нанограммами для самария и неодима. Путем подачи воздуха с улицы, который проходит через систему очистных фильтров, в комнатах создан режим избыточного давления, чтобы убрать любую пыль. Создана и система очистки водопроводной воды для приготовления препаратов и реактивов. Там стоят весы, которые позволяют взвешивать образцы с точностью до пятого знака после запятой. Разложение образцов происходит в специальных тефлоновых бюксах. Это можно делать и при комнатной температуре, и при высокой в термопечах. Затем растворы смешиваются, к ним присоединяются изотопные индикаторы, чтобы определить изотопные отношения и концентрации. В зависимости от типа пород и элемента, который нужно выделить, применяются различные кислоты. Для этого используется специальная посуда из тефлона и оптического кварца, потому что изделия из этих материалов, в отличие от стеклянной посуды, можно отмыть от микрочастиц вещества, промывая их в кислоте в течение нескольких дней. Применяются и специальные приборы для очистки кислот, которые тоже должны быть чистыми. Следует особо отметить, что все оборудование было создано по индивидуальному проекту, разработанному самими специалистами института. Все это сделано и продолжает поддерживаться в хорошем рабочем состоянии в условиях весьма ограниченного финансирования.

Рассказ о работе ИГГД РАН был бы неполон без упоминания о работе главного научного сотрудника лаборатории геохронологии и геохимии изотопов д.х.н. Юрия Александровича Шуколюкова, заслуженного специалиста в области изотопно-геохимических и геохронологических исследований. В последнее время Ю. А. Шуколюков вместе со своей помощницей н.с. Ольгой Константиновной Кауровой изучали самородные металлы и поведение гелия в самородных металлах, и, по словам ученого, обнаружили удивительные вещи. Работы проводились с помощью масс-спектрометра, изготовленного одной маленькой петербургской фирмой по техническому заданию ученых. Прибор позволяет определять очень низкие концентрации гелия (до десятимиллиардных долей кубического сантиметра!) в разных объектах. Масс-спектрометр был настолько удачно изготовлен, что, когда германские коллеги из Института археометрии в Мангейме посетили ИГГД и увидели этот прибор, то они сказали: "Мы тоже хотим такой", и заказали в России аналог этого прибора.

Что же удалось сделать с помощью этого масс-спектрометра? Ю. А. Шуколюков подробно рассказал о ходе проведенных работ: ученые стали изучать гелий. Атомы гелия обладают особыми электронными оболочками. В самородном металле не образуется никаких связей между атомами гелия и металлом. Мало того, металлу энергетически выгодно выгнать этот гелий из себя. Он начинает выгонять гелий, и гелий начинает мигрировать, но он не успевает выйти из металла, а объединяется в неподвижные кластеры, которые уже невозможно изгнать до точки плавления металла.

Исследователи решили использовать это свойство благородных металлов, чтобы создать методы датирования пород, что часто требуется геологам. Зная возраст, можно выяснить условия образования месторождения. Исследователи начали работать с золотом, в котором есть уран, порождающий гелий при радиоактивном распаде. И таким образом, по гелию и урану в золоте можно рассчитывать возраст этого золота. "В этом направлении все оказалось не так просто, потому что уран занимает в золоте разное положение, в разных формах… Сложность была большая, и мы ее сейчас до сих пор решаем. Но нас осенила мысль: в платине есть очень мало распространенный изотоп — платина-190. Он распадается, и тоже дает гелий. А этот изотоп там распределен абсолютно гомогенно. Значит, по соотношению гелия, рожденного в платине, и числу атомов самой платины мы можем определить возраст месторождения платины. И вот мы сейчас этим занимаемся", — сказал ученый.

Ю. А. Шуколюков с удовлетворением отметил, что метод прекрасно работает: "Мы опередили мировую науку, на Западе еще нет такого метода, мы его создали впервые, и уже продатировали примерно восемь месторождений на территории России, Австралии и Бразилии, и мы получаем возраст от первых миллионов лет до трех миллиардов лет. Гелий прочно сидит на протяжении миллиардов лет, а его можно выгнать из металла, только если металл расплавить. Часы не отстают, гелий сохраняется, стрелки стоят на месте. Изотопные часы не отстают. Гелий вечно хранится в самородных металлах, где есть уран".

 


Е. Фирсова

Сопутствующие линки: