Фосфатные минералы-геохронометры: особенности кристаллохимии и радиационного разупорядочения, методические вопросы их микрозондового неизотопного U–Th–Pb_tot-датирования

Объект исследования. Фосфатные минералы-геохронометры – международный образец сравнения монацита из пегматитов Trebilcock c возрастом 272 ± 2 млн лет, монацит из пегматитов Шарташского массива, монацит, чералит и ксенотим из лейкогранита Пещернинского штока и диорита Хомутинского массива, Средний Урал. Методы. Химический состав минералов изучен с помощью рентгеноспектрального микроанализатора CAMECA SX 100; спектры комбинационного рассеяния получены на конфокальном спектрометре LabRAM HR800 Evolution. Цель. Исследование внутренней текстуры зерен фосфатных минералов-геохронометров на основе их элементного и спектроскопического картирования; анализ особенностей кристаллохимии и радиационного разупорядочения минералов; их микрозондовое неизотопное U–Th–Pb_tot-датирование; отработка соответствующего алгоритма использования аналитических методик. Результаты. Показано, что изученные монациты относятся к цериевой разновидности с содержанием ThО₂ от 1.1 до 17.2, UО₂ – от 0 до 0.8, PbO – от 0.01 до 0.23 мас. % (при пределах обнаружения 160, 230, 110 г/т); при анализе содержания PbO фоновая линия интерполирована в модели линейного (монацит Trebilcock, монацит и чералит Пещернинского штока) и экспоненциального фона (монацит Шарташского массива). Выявлено, что для монацита реализуется как хаттонитовый, так и чералитовый тип изоморфизма; параметр нестехиометричности его состава β = (Si + Ca)/(Th + U + Pb + S) лежит в интервале 0.95–1.05, что свидетельствует о сохранности U–Th–Pb-системы. Анализ BSE-изображений, карт распределения интенсивности РЭ-линий Th M_α и Pb M_α, точечных анализов состава и результатов спектроскопического картирования параметров колебательной моды ν₁(PO₄) свидетельствует о высокой однородности монацита Trebilcock и ярко выраженной зональности уральских монацитов. Показано, что параметры колебательной моды ν₁(PO₄) в монацитах определяются суперпозиционным влиянием двух факторов – химического и радиационного разупорядочения. Данные по содержанию U, Th, Pb для различных зон зерен монацитов использованы для выполнения неизотопного U–Th– Pb_tot-датирования: получены средневзвешенные значения возраста по зонам, выполнены изохронные построения на диаграмме ThO₂*–PbO. Полученные датировки по образцу Trebilcock удовлетворительно согласуются с литературными, датировки монацитов Пещернинского штока и Шарташского массива – с данными изотопных U-Pb-датировок по циркону. Выводы. Проанализированы физико-химические характеристики чералита, ксенотима и циркона в пробах Пещернинского штока; предприняты попытки U–Th–Pb_tot-датирования чералита, ксенотима и циркона. Описанный алгоритм и аналитические методики использованы в ЦКП “Геоаналитик” для микрозондового неизотопного датирования фосфатных минералов.

1. Вотяков С.Л., Прибавкин С.В., Замятин Д.А. (2016) Химическое датирование циркона из гранитных пегматитов Шарташского Массива (Средний Урал). Докл. АН, 470(1), 83-86.

2. Вотяков С.Л., Щапова ю.В., Хиллер В.В. (2011) Кристаллохимия и физика радиационно-термических эффектов в ряде U-Th-содержащих минералов как основа для их химического микрозондового датирования (Ред. Н.П. юшкина). Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 336 с.

3. Замятин Д.А., Вотяков С.Л., Ферштатер Г.Б., Замятина М.Д. (2017) Химическое датирование и рамановская спектроскопия монацита из гранитов Адуйского Массива (Средний Урал). Тр. ИГГ УрО РАН, вып. 163, 200-209.

4. Коровин Д.Д., Смирнов В.Н. (2023) Первая U-Pb (SHRIMP-II) датировка гранитов Рефтинского массива (Восточная зона Среднего Урала). Изв. Коми НЦ УрО РАН, 2(60), 14-23.

5. Королюк В.Н., Нигматулина Е.Н. (2013) Регистрация Mα-линии свинца в фосфатах редких земель на микроанализаторе JEOL JXA-8100. Журн. аналитич. химии, 68(9), 781-787.

6. Смирнов В.Н., Иванов К.С., Ронкин ю.Л., Серов П.А., Гердес А. (2018) Изотопный состав Sr, Nd и Hf в породах Рефтинского габбро-диорит-тоналитового комплекса (Восточный склон Среднего Урала): петрологические и геологические следствия. Геохимия, (6), 499-513.

7. Щапова ю.В., Вотяков С.Л., Замятин Д.А., Червяковская М.В., Панкрушина Е.А. (2020) Минералыконцентраторы d- и f-элементов: локальные спектроскопические и ЛА-ИСП-МС исследования состава, структуры и свойств, геохронологические приложения. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 424 с.

8. Allaz J.M., Jercinovic M.J., Williams M.L. (2019a) U-Th-Pb total dating of ree-phosphate by electron microprobe. Book of Tutorials and Abstracts of the 13 EMAS Regional Workshop on “Microbeam analysis in Earth Sciences”. Norway, Trondheim, 285-310.

9. Allaz J.M., Williams M.L., Jercinovic M.J., Goemann K., Donovan J. (2019б) Multipoint background analysis: Gaining precision and accuracy in microprobe trace element analysis. Microsc. Microanal., 25(1), 30-46.

10. Asami M., Suzuki K., Grew E.S. (2002) Chemical Th-U-total Pb dating by electron microprobe analysis of monazite, xenotime and zircon from the Archean Napier Complex, East Antarctica: evidence for ultra-high-temperature metamorphism at 2400 Ma. Precambr. Res., 114(3), 249-275.

11. Baldwin J.A., Bowring S.A., Williams M.L., Mahan K.H. (2006) Geochronological constraints on the evolution of high-pressure felsic granulites from an integrated electron microprobe and ID-TIMS geochemical study. Lithos, 88, 173-200.

12. Baughman J.S., Flowers R.M., Metcalf J.R., Dhansay T. (2017) Influence of radiation damage on titanite He diffusion kinetics. Geochim. Cosmochim. Acta, 205, 50-64.

13. Begun G.M., Beall G.W., Boatner L.A., Gregor W.J. (1981) Raman spectra of the rare earth orthophosphates. J. Raman Spectrosc., 11(4), 273-278.

14. Boatner L.A. (2002) Sуnthesis, structure and properties of monazite, pretulite and xenotime Phosphates. Rev. Miner. Geochem., 48, 87-122.

15. Boatner L.A., Sales B.C. (1988) Monazite [for radwaste solidification]. Radioactive Waste Forms for the Future. (Еds W. Lutze, R.C. Ewing). North-Holland. Amsterdam, 495-564.

16. Cocherie A., Legendre O. (2007) Potential minerals for determining U–Th–Pb chemical age using electron micro-probe. Lithos, 93(3-4), 288-309.

17. Ewing R.C., Meldrum A., Wang L., Weber W.J., Corrales L.R. (2003) Radiation effects in zircon. Zircon. Rev. Miner. Geochem. (Еds J.M. Hanchar, P.W.O. Hoskin), 53, 387-425.

18. Fisher C.M., McFarlane C.R.M., Hanchar J.M., Schmitz M.D., Sylvester P.J., Lam R., Longerich H.P. (2011) Sm–Nd isotope systematics by laser ablationmulticollector-inductively coupled plasma mass spectrometry: methods and potential natural and synthetic reference materials. Chem. Geol., 284, 1-20.

19. Grew E.S., Suzuki K., Asami M. (2001) CHIME ages of xenotime, monazite and zircon from beryllium pegmatites in the Napier Complex, Khmara Bay, Enderby Land, East Antarctica. Polar Geosci., 14, 99-118.

20. Hirsch A., Kegler P., Alencar I., Ruiz-Fuertes J., Shelyug A., Peters L., Schreinemachers C., Neumann A., Neumeier S., Liermanne H.P., Navrotsky A., Roth G. (2017) Structural, vibrational, and thermochemical properties of the monazite-type solid solution La1–xPrxPO4. J. Solid State Chem., 245, 82-88.

21. Jercinovic M.J., Williams M.L. (2005) Analytical perils (and progress) in electron microprobe trace element analysis applied to geochronology: Background acquisition, interferences, and beam irradiation effects. Amer. Miner., 90(4), 526-546.

22. Jercinovic M.J., Williams M.L., Allaz J., Donovan J.J. (2012) Trace analysis in EPMA. IOP conference series: materials science and engineering. IOP Publ., 32(1), 012012.

23. Kusiak M.A., Dunkley D.J., Suzuki K., Kachlík V., Kędzior A., Lekki J., Opluštil S. (2010) Chemical (non-isotopic) and isotopic dating of Phanerozoic zircon – A case study of durbachite from the Třebíč Pluton, Bohemian Massif. Gondw. Res., 17(1), 153-161.

24. Larson K.P., Shrestha S., Cottle J.M., Guilmette C., John-son T.A., Gibson H.D., Gervais F. (2022) Re-evaluating monazite as a record of metamorphic reactions. Geosci. Front., 13(2), 101340.

25. Meng C., Ding X., Zhao J., Li W., Ren C., Yang H. (2016) Preparation and characterization of cerium-gadolinium monazites as ceramics for the conditioning of minor actinides. Progress in Nuclear Energy, 89, 1-6.

26. Montel J.M., Foret S., Veschambre M., Nicollet C., Provost A. (1996) Electron microprobe dating of monazite. Chem. Geol., 131, 37-53.

27. Montel J.M., Kato T., Enami M., Cocherie A., Finger F., Williams M., Jercinovic M. (2018) Electron-microprobe dating of monazite: The story. Chem. Geol., 484, 4-15.

28. Nasdala L., Ruschel K., Rhede D., Wirth R., Kerschhofer-Wallner L., Kennedy A.K., Groschopf N. (2010) Phase decomposition upon alteration of radiation-damaged monazite-(Ce) from Moss, Østfold, Norway. Chimia, 64, 705-711.

29. Parrish R.R. (1990) U-Pb dating of monazite and its application to geological problems. Canad. J. Earth Sci., 27, 1431-1450.

30. Podor R. (1995) Raman spectra of the actinide-bearing monazites. Eur. J. Mineral., 7, 1353-1360.

31. Ruschel K., Nasdala L., Kronz A., Hanchar J.M., Többens D.M., Škoda R., Finger F., Möller A. (2012) A Raman spectroscopic study on the structural disorder of monazite-(Ce). Miner. Petrol., 105(1-2), 41-55.

32. Schlenz H., Dellen J., Kegler P., Gatzen C., Schreinemachers C., Shelyug A., Klinkenberg M., Navrotsky A., Bosbach D. (2019) Structural and thermodynamic mixing properties of La1−xNdxPO4 monazite-type solid solutions. J. Solid State Chem., 270, 470-478.

33. Seydoux-Guillaume A.M., Paquette J.L., Wiedenbeck M., Montel J.M., Heinrich W. (2002) Experimental resetting of the U-Th-Pb systems in monazite. Chem. Geol., 191, 165-181.

34. Silva E.N., Ayala A.P., Guedes I., Paschoal C.W.A., Moreira R.L., Loong C.K., Boatner L.A. (2006) Vibrational spectra of monazite-type rare-earth orthophosphates. Optic. Mat., 29(2), 224-230.

35. Suzuki K., Adachi M., Kajizuka I. (1994) Electron micro-probe observations of Pb diffusion in metamorphosed detrital monazite. Earth Planet Sci. Lett., 128, 391-405.

36. Suzuki K., Adachi M., Tanaka T. (1991) Middle Precambrian provenance of Jurassic sandstone in the Mino Terrane, central Japan: Th-U-total Pb evidence from an electron microprobe monazite study. Sediment. Geol., 75, 141-147.

37. Suzuki K., Kato T. (2008) CHIME dating of monazite, xenotime, zircon and polycrase: Protocol, pitfalls and chemical criterion of possibly discordant age data. Gondw. Res., 14, 569-586.

38. Švecová E., Čopjaková R., Losos Z., Škoda R., Nasdala L., Cícha J. (2016) Multi-stage evolution of xenotime–(Y) from Písek pegmatites, Czech Republic: an electron probe micro-analysis and Raman spectroscopy study. Miner. Petrol., 110(6), 747-765.

39. Tomascak P.B., Krogstad E.J., Walker R.J. (1996) U-Pb Monazite Geochronology of Granitic Rocks from Maine: Implications for Late Paleozoic Tectonics in the Northern Appalachians. J. Geol., 104(2), 185-195.

40. Tomascak P.B., Krogstad E.J., Walker R.J. (1998) Sm–Nd isotope systematics and the derivation of granitic pegmatites in southwestern Maine. Canad. Mineralog., 36, 327-337.

41. Williams M.L., Jercinovic M.J., Mahan K.H., Dumond G. (2017) Electron microprobe petrochronology. Rev. Miner. Geochem., 83(1), 153-182.

42. Wu L.-G., Li X.-H., Ling X.-X., Yang Y.-H., Li Ch.-F., Li Y.-L., Mao Q., Li Q.-L., Putlitz B. (2019) Further Characterization of the RW-1 Monazite: A New Working Reference Material for Oxygen and Neodymium Isotopic Microanalysis. Minerals, 9(10), 583. https://doi.org/10.3390/min9100583

43. Yokoyama K., Shigeoka M., Goto A., Terada K., Hidaka H., Tsutsumi Y. (2010) U–Th-total Pb ages of Uraninite and Thorite from Granititc Rocks in the Japanese Islands. Bull. Natl. Mus. Nat. Sci., 36, 7-18.

44. Zamyatin D.A., Shchapova Yu.V., Votyakov S.L., Nasdala L. (2017) Effect of radiation damage in natural zircon of the silicon K-beta X-ray emission line. Book of Tutorials and Abstracts of the 15th European Workshop on “Modern developments and applications in microbeam analysis” and IUMAS-7 Meeting. Germany, Konstanz, 484-485.

45. Zietlow P., Beirau T., Mihailova B., Groat L.A., Chudy T., Shelyug A., Navrotsky A., Ewing R., Schlüter J., Škoda R., Bismayer U. (2017) Thermal annealing of natural, radiation-damaged pyrochlore. Zeitschrift für Kristallographie-Crystalline Materials, 232(1-3), 25-38.