Απο που έρχεσαι? Παρακολούθηση προέλευσης ιζημάτων μέσω ισοτόπων μολύβδου
Η αναζήτηση να καταλάβουμε από πού προήλθε κάτι διαπερνά πολλούς δρόμους της επιστήμης. Ένα σημαντικό πεδίο γεωλογικής έρευνας είναι η παρακολούθηση της πατρότητας των ιζηματογενών πετρωμάτων μέσω μελετών ιζηματογενούς προέλευσης. Όταν τα πετρώματα εκτίθενται στην επιφάνεια της Γης, υπόκεινται τόσο σε φυσικές όσο και σε χημικές καιρικές συνθήκες, όπου διασπώνται σε λεπτόκοκκα συστατικά που τελικά σχηματίζουν ίζημα. Αυτά τα ιζήματα μεταφέρονται μακριά από την περιοχή πηγής τους, συνηθέστερα με ρέματα και διασυνδεόμενα συστήματα ποταμών, σε τοποθεσίες εναπόθεσης που μπορεί να απέχουν εκατοντάδες ή χιλιάδες χιλιόμετρα από την αρχική τους πηγή.
Οι μελέτες προέλευσης, οι οποίες εξετάζουν την πετρολογική ή γεωχημική σύνθεση των ιζηματογενών πετρωμάτων ή των ορυκτών συστατικών τους, στοχεύουν στην ανακατασκευή και ερμηνεία της οδού σχηματισμού και διασποράς ιζημάτων χαρακτηρίζοντας τις υπογραφές ισοτοπικών πετρωμάτων και ιζημάτων. Αυτές οι μελέτες, τόσο στα σύγχρονα όσο και στα αρχαία συστήματα, είναι σημαντικές καθώς παρέχουν στοιχεία σχετικά με το χρόνο ενός ευρέος φάσματος διεργασιών της γης, όπως οι συγκρούσεις πλακών, η ανύψωση και η εκταφή ή οι παγκόσμιες αλλαγές στις περιβαλλοντικές συνθήκες.
Επιπλέον, τέτοιες μελέτες μπορεί να είναι κρίσιμες για την κατανόηση της εξέλιξης της λεκάνης υδρογονανθράκων ή πλούσιων σε ορυκτά. Δεδομένου ότι οι περιοχές πηγής ιζημάτων είναι συνήθως περιοχές ταχέως ανυψούμενου φλοιού, όπως τα σημερινά Ιμαλάια, μπορεί επίσης να είναι οι τοποθεσίες σημαντικής συσσώρευσης μετάλλων με τη μορφή κοιτασμάτων μεταλλεύματος, καθώς η ανύψωση διευκολύνεται από τη ροή ρηγμάτων και τη συνοδευτική ροή ρευστού - δύο κύριες συστατικά που απαιτούνται για το σχηματισμό μεταλλευμάτων. Επομένως, ο σωστός προσδιορισμός των οδών ιζήματος, ιδιαίτερα σε βαθιά διαβρωμένα, αρχαία ιζηματογενή συστήματα, είναι κρίσιμος για την ανακατασκευή προηγούμενων τεκτονικών γεγονότων, αλλά και για τον εντοπισμό περιοχών του φλοιού που μπορεί να είναι προοπτικές για μεγάλα κοιτάσματα μεταλλεύματος.
Μέθοδοι προέλευσης
Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, η ισοτοπική χρονολόγηση ορυκτών που φέρουν ουράνιο (που ονομάζονται ζιρκόνιο) σε ίζημα (π.χ. αποθεματικό ζιρκόνιο) έχει γίνει η επιλογή της έρευνας προέλευσης επειδή οι κόκκοι ζιρκονίου είναι πανταχού παρόντες στους ψαμμίτες, είναι εξαιρετικά ανθεκτικοί τόσο στις χημικές όσο και στις φυσικές καιρικές συνθήκες, επιδέχονται για χρονολόγηση (δηλαδή περιέχουν ουράνιο που με την πάροδο του χρόνου αλλάζει σε μόλυβδο με έναν καλά κατανοητό ρυθμό) και φέρουν άλλες χημικές υπογραφές που μπορεί να συνδέουν μοναδικά έναν κόκκο ζιργκόν με την αρχική του πηγή. Σχεδόν όλες οι αρχικές περιοχές πηγής ζιρκονίου είναι πυριγενή πετρώματα. Ωστόσο, η στιβαρή φύση του ζιρκονίου αποτελεί πρόκληση για την ανακατασκευή προέλευσης, καθώς σε πολλές περιπτώσεις, μια κύρια πηγή καταλοίπων ιζημάτων είναι η ανύψωση, η διάβρωση και η ανακύκλωση προϋπαρχουσών (μετα) ιζηματογενών λεκανών (και των ιζηματογενών συστατικών τους, π.χ. Campbell et al., 2005· Anderson et al., 2016).
Στην ουσία, από τη στιγμή που ένα ζιρκόνιο έχει ενσωματωθεί σε ένα ίζημα, θα παραμείνει μέσα σε αυτό το ίζημα καθώς περνάει από τον κύκλο του βράχου, της ανύψωσης, της διάβρωσης, της καθίζησης, της θέρμανσης και της τήξης. Έτσι, το ζιρκόνιο θα παγιδευτεί σε αυτόν τον κύκλο βράχου μία, δύο, τρεις ή περισσότερες φορές. Η μακροζωία του ιζηματογενούς κύκλου σημαίνει ότι οι φαινομενικές οδοί ιζημάτων μπορεί, στην πραγματικότητα, να είναι πολύ πιο κρυπτικές από αυτές που μπορούν να οριστούν αποκλειστικά από το φορτίο ζιρκονίου των ιζηματογενών πετρωμάτων.
Μια νέα προσέγγιση για τον προσδιορισμό των πρωτογενών, σε αντίθεση με τις ανακυκλωμένες, περιοχές πηγής ιζημάτων είναι η χρήση ενός κοινού ορυκτού σχηματισμού πετρωμάτων που είναι απίθανο να επιβιώσει σε περισσότερους από έναν κύκλους διάβρωσης-μεταφοράς-απόθεσης. Ο άστριος Κ είναι ένα κοινό ορυκτό σε πολλά ιζηματογενή πετρώματα και είναι ένα κύριο συστατικό πυριγενών πετρωμάτων (π.χ. γρανίτες) που αποτελούν το κρυσταλλικό υπόγειο του ηπειρωτικού φλοιού. Η τάση του άστριου Κ σε χημικές και φυσικές καιρικές συνθήκες σημαίνει ότι είναι απίθανο να ανακυκλωθεί μέσω ενός ή περισσότερων ιζηματογενών κύκλων.
Ο άστριος K έχει αξιόλογες συγκεντρώσεις μολύβδου με ελάχιστο έως καθόλου ουράνιο. Αυτή η έλλειψη ουρανίου είναι το κλειδί έτσι ώστε να μην υπάρχει αλλαγή των αναλογιών ισοτοπικού μολύβδου με την πάροδο του χρόνου ως συνάρτηση της ραδιενεργής διάσπασης του ουρανίου. Αυτή η έλλειψη ουρανίου σημαίνει ότι ο Κ-άστριος δεν θα αποδώσει ηλικία όπως το ζιρκόνιο, αλλά μια σύγκριση των μετρούμενων διακυμάνσεων του ισοτόπου μολύβδου στον υπολειμματικό άστριο Κ μπορεί να γίνει απευθείας με εκείνες του μαγματικού άστρου σε πυριγενή πετρώματα, σε πιθανή πηγή υπογείου περιοχές (π.χ. Tyrrell et al., 2006).
Μελέτη περίπτωσης Capricorn Orogen
Το Capricorn Orogen είναι μια αρχαία ζώνη σύγκρουσης μήκους ~1000 km, πλάτους ~500 km μεταξύ των Archean Yilgarn και Pilbara Cratons της Δυτικής Αυστραλίας (Johnson et al., 2017). Το ορογόνο περιλαμβάνει τα παραμορφωμένα περιθώρια των δύο αρχαϊκών κρατόνων, των προτεροζωικών γρανιτικών και μεταιζηματογενών πετρωμάτων της επαρχίας Gascoyne καθώς και πολυάριθμων νεότερων ιζηματογενών λεκανών, συμπεριλαμβανομένης της λεκάνης του Έντμουντ από Παλαιο-Μεσοπροτεροζωικό. Η λεκάνη του Έντμουντ κυριαρχείται από μονάδες ψαμμίτη που περιέχουν ζιρκόνια που είναι παρόμοια σε ηλικία και ισοτοπική σύνθεση με τα υποκείμενα πυριγενή πετρώματα της επαρχίας Gascoyne. Ωστόσο, άφθονες, καλά ανεπτυγμένες δομές ιζηματογενούς πετρώματος (όπως η διαστρωμάτωση), υποδηλώνουν μια πρωτογενή πηγή ιζήματος στα βόρεια της επαρχίας Gascoyne (Martin et al., 2008). Αυτή η παρατήρηση υπονοεί ότι τα υπολείμματα ζιρκονίου στη λεκάνη ανακυκλώθηκαν μέσω παλαιότερων συστημάτων λεκάνης. Πολλοί από αυτούς τους ψαμμίτες περιέχουν επίσης αποθηματικό άστριο Κ και έτσι παρέχουν μια μοναδική ευκαιρία να δοκιμαστεί η ισχύς της σύγκρισης ισοτόπων μολύβδου του αδρανούς και μαγματικού άστρου σε μελέτες ιζηματογενούς προέλευσης.
Ο θρυμματικός άστριος Κ από δύο μονάδες ψαμμίτη στην ομάδα Edmund και ο μαγματικός άστριος Κ από έξι πυριγενή πετρώματα φελσίνιου, τέσσερις από την επαρχία Gascoyne και δύο από τον Πιλμπάρα Κράτον επιλέχθηκαν για in situ ανάλυση ισοτόπων μολύβδου με επαγωγική αφαίρεση λέιζερ- φασματομετρία μάζας συζευγμένου πλάσματος στο Κέντρο John DeLaeter στο Πανεπιστήμιο Curtin.
Ισότοπα μολύβδου του Κ-άστρου
Παρά τον σχετικά χαμηλό αριθμό δειγμάτων μαγματικού άστρου που αναλύθηκαν από το υπόγειο της επαρχίας Gascoyne, υπάρχει αξιοσημείωτη συνέπεια της σύνθεσης ισοτόπων μολύβδου εντός και μεταξύ των δειγμάτων που υποδηλώνουν ότι, παρά τους πολύπλοκους μηχανισμούς μεταφοράς και τοποθέτησης του μάγματος (Johnson et al., 2017) , υπήρχε μια κοινοτική πηγή μολύβδου στο μαγματικό σύστημα σε ολόκληρη την επαρχία. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τους μαγματικούς κόκκους άστριου Κ από φελσιτικά πυριγενή πετρώματα από τον Πιλμπάρα Κρατώνα που εμφανίζει ένα ευρύ φάσμα συνθέσεων ισοτόπων μολύβδου, τόσο εντός όσο και μεταξύ των δειγμάτων.
Παρά την ομοιότητα στην ηλικία μεταξύ των αποθηκωτικών ζιρκονίων από ψαμμίτες στη λεκάνη του Έντμουντ και των μαγματικών ζιρκονίων από πυριγενή πετρώματα της επαρχίας Gascoyne στον άμεσο νότο, οι συνθέσεις ισοτόπων μολύβδου του αδρανούς και του μαγματικού άστρου είναι ανόμοιες. Αυτό το εύρημα δείχνει ότι ο αποθηματικός άστριος Κ στους ψαμμίτες δεν θα μπορούσε να προέρχεται από τη διάβρωση των πυριγενών πετρωμάτων της επαρχίας Gascoyne. Αντ 'αυτού, η σύνθεση ισοτόπων μολύβδου των αποθηκών κόκκων Κ-άστριος είναι περισσότερο παρόμοια με τους μαγματικούς κόκκους Κ-άστρου από πυριγενή πετρώματα του Pilbara Craton προς τα βόρεια, ένα αποτέλεσμα που είναι συνεπές με τους δείκτες paleoflow στα ίδια τα πετρώματα (Martin et al. ., 2008).
Η ομοιότητα ηλικίας μεταξύ των αποθηκών ζιρκονίων που εξάγονται από παλαιότερα ιζηματογενή πετρώματα (οι «Βόρειες λεκάνες», συμπεριλαμβανομένων των ομάδων Ashburton Formation, Capricorn, Bresnahan και Mount Minnie) αμέσως στα βόρεια της λεκάνης Edmund, επιτρέπει τα στοιχεία ζιρκόν και K-feldspar. να συμβιβαστεί, υποδεικνύοντας ότι η ανύψωση και η διάβρωση αυτών των παλαιότερων ιζηματογενών πετρωμάτων και των υποκείμενων πυριγενών πετρωμάτων του Πιλμπάρα Κρατόν, ήταν η κυρίαρχη πηγή ιζημάτων στη λεκάνη του Έντμουντ. Επομένως, η πλειονότητα των ιζηματογενών ζιρκονίων στα ιζηματογενή πετρώματα της λεκάνης του Έντμουντ έχει περάσει τουλάχιστον από έναν προηγούμενο κύκλο διάβρωσης-μεταφοράς-απόθεσης. Με βάση την ηλικία και τη σύνθεσή τους, η κύρια πηγή αυτών των ζιρκονίων είναι πιθανό να είναι τα πυριγενή πετρώματα της επαρχίας Gascoyne, τα οποία φαίνεται να έχουν ανυψωθεί και διαβρωθεί κατά τη διάρκεια ενός παλαιότερου ορογενούς κύκλου, ρίχνοντας ιζήματα προς τα βόρεια σε αυτές τις «Βόρειες Λεκάνες». Η επακόλουθη ανύψωση και διάβρωση αυτών των λεκανών κατά τη διάρκεια ενός νεότερου ορογενούς συμβάντος, ανακύκλωσε αυτά τα υπολείμματα, προς τα νότια στη λεκάνη του Έντμουντ.
Αυτά τα αποτελέσματα είναι σημαντικά καθώς υποδεικνύουν ότι το βόρειο τμήμα του ορογόνου του Αιγόκερω υπέστη ανύψωση και διάβρωση κατά τη διάρκεια του σχηματισμού της λεκάνης του Έντμουντ, ένα αποτέλεσμα που δεν θα είχε υποστηριχθεί αποκλειστικά από τα στοιχεία ζιρκονίου. Η πρόσφατη χρονολόγηση πολυάριθμων κοιτασμάτων χρυσού κατά μήκος αυτού του περιθωρίου (Fielding et al., 2018) επιβεβαιώνει ότι η ανοργανοποίηση χρυσού συνέβη ταυτόχρονα με την εναπόθεση ιζημάτων στη λεκάνη του Έντμουντ και υπογραμμίζει την αλληλεπίδραση μεταξύ γεωλογικών διεργασιών όπως η ανύψωση, ο σχηματισμός λεκανών και η ανοργανοποίηση.
Αναφορές
- Anderson, T., Elburg, M., Cawthorn-Blazeby, A., 2016. Τα δεδομένα ζιρκονίου U–Pb και Lu–Hf σε νεαρά ιζήματα αντικατοπτρίζουν την ανακύκλωση ιζημάτων στην ανατολική Νότια Αφρική. Journal of the Geological Society 173, 337–351.
- Campbell, I.H., Reiners, P.W., Allen, C.M., Nicolescu, S., Upadhyay, R., 2005. Διπλή χρονολόγηση He–Pb των επιβλαβών ζιρκονίων από τους ποταμούς Γάγγη και Ινδό:επιπτώσεις για ποσοτικοποίηση μελετών ανακύκλωσης ιζημάτων και προέλευσης . Earth and Planetary Science Letters 237, 402–432.
- Fielding, I.O.H., Johnson, S. P., Zi, J-W., Sheppard, S., Rasmussen, B., 2018. Τα γειτονικά ορογενή κοιτάσματα χρυσού μπορεί να είναι προϊόντα άσχετων γεγονότων ανοργανοποίησης. Ore Geology Reviews 95, 593–603.
- Johnson, S.P., Korhonen, F.J., Kirkland, C.L., Cliff, J.A., Belousova, E.A., Sheppard, S., 2017. Μια ισότοπη προοπτική για την ανάπτυξη και τη διαφοροποίηση του ορογενούς φλοιού του Πρωτοζωικού:από τον μαγματισμό καταβύθισης. Λίθος 268–271, 76–86.
- Martin, D.M., Sircombe, K.N., Thorne, A.M., Cawood, P.A., Nemchin, A.A., 2008. Ιστορικό προέλευσης της υπερομάδας Bangemall και συνέπειες για τη μεσοπροτεροζωική παλαιογεωγραφία του κρατώνα της Δυτικής Αυστραλίας. Precambrian Research 166, 93–110.
- Tyrrell, S., Daly, J.S., Kokfelt, T.F., Gagnevin, D., 2006. Common-Pb ισότοπη σύνθεση κόκκων άφθαρτου K-άστρου:επικύρωση ως εργαλείο προέλευσης και εφαρμογή της στην παλαιοαποχέτευση Upper Carboniferous, Βόρεια Αγγλία . Journal of Sedimentary Research 76, 324–345.
