Международный Центр Рерихов
Международная общественная организация
Ассоциированный член Департамента общественной информации ООН
Ассоциированный член Международной Организации Национальных Трастов
Коллективный член Международного совета музеев (ИКОМ)
Член Всеевропейской федерации по культурному наследию «ЕВРОПА НОСТРА»
Объединенный Научный Центр проблем космического мышления (ОНЦ КМ)
является структурным подразделением Международного Центра Рерихов (МЦР),
его творческим отделом, в котором сосредоточено научное направление деятельности МЦР

М. В. Густова 1), О. Д. Маслов 1), Т. Т. М. Чинь 2), Н. Норов 3)

Определение элементного состава и возраста геологических образцов, собранных в районе горы Кайлас (Тибетское плато), ядерно-физическими методами (РФА, ГАА и НАА)

1) Лаборатория ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна
2) Лаборатория нейтронной физики им. И. М. Франка Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна
3) Исследовательский ядерный центр, Монгольский национальный Университет, Улан-Батор, Монголия


Аннотация:

Рентгено-флуоресцентный (РФА), гамма-активационный  (ГАА) и нейтронно-активационный  (НАА) методы анализа  применяли для определения элементного состава геологических образцов, отобранных  в западной части тибетского плато (в районе горы Кайлас). Геологическая классификация выборок и оценка их возраста были сделаны на основе результатов анализа. Возраст образцов  оценивали рубидий-стронциевым методом, основанным  на радиоактивном распаде изотопа Rb-87 и превращения его в Sr-87. Содержание Sr-87   определяли с помощью ГАА. Сведения об общих содержаниях Rb и Sr в образцах были получены с помощью РФА и  НАА. Возраст вулканических пород оценили на уровне 24,6±0,5× 106 лет,  возраст самых молодых пород составил около 10,1±1,4 ×106 лет.

 

Введение

Гора Кайлас – одно из загадочных мест в мире, которое привлекает, как множество духовных искателей, так и научных исследователей, пытающихся понять его уникальные отличия от других горных образований. Кайлас является центром паломничества для верующих различных религий (индуизм, буддизм, бон). В последнее время наблюдается повышенный интерес к тектонической эволюции и деформации Тибета в позднем кайнозое. Коллизионные процессы были обусловлены столкновением континентов при закрытии океанических бассейнов. Время начала коллизии Индостана с Евразией широко обсуждается в литературе. Его определяют по данным о движении тектонических плит, формировании Гималаев, поднятии Тибета, изменениях в режиме седиментации и др. Многие ученые сходятся во мнении, что плита, несущая на себе Индию, отделилась от Антарктиды примерно 200 миллионов лет назад. После отделения Индийская плита перемещалась на север, замыкая море Тетис, и около 50 миллионов лет назад началась коллизия с Азией с приблизительной скоростью пяти сантиметров в год. Однако, результаты недавних исследований свидетельствуют в пользу относительно молодого возраста начала коллизии (34 – 35 млн. лет) [1]. Около 20 млн. лет назад скорость конвергенции Индостана с Евразией уменьшилась почти в полтора раза,  в это же время произошел подъем Южного Тибета. Формирование Гималаев развивалось в результате сложных пост-коллизионных процессов деформации, метаморфизма, плутонизма, сжатия, расширения и подъема горных хребтов. Средняя высота этого района (около 17000 футов) является результатом продолжающегося проникновения  Индии в Азию и  типична для западного тибетского нагорья. Геологические породы, формирующие Кайлас, расположенный в районе северной границы океанической сутуры Инд-Цангпо, могут содержать, как наиболее древние обломки пород Индостана и Южного Тибета, так и более молодые магматические образования. Несмотря на некоторый разброс полученных данных, большинство геологов придерживаются подобной  гипотезы геологической и геохронологической эволюции в месте расположения горы Кайлас.

Работа была проведена с целью  определения элементного состава геологических образцов, взятых у горы Кайлас, и оценки  их возраста с помощью ядерно-физических методов, таких как рентгено-флуоресцентный и ядерные гамма- и нейтронно-активационные  аналитические методы.

 

Экспериментальная часть

В результате экспедиций 2013 – 2014 года исследователями было собрано 13 геологических образцов шести типов горных пород на разных гранях горы Кайлас на высоте от 5390 до 5800 метров над уровнем моря.  Образцы отбирались сколом внешней части массива горной породы.
Содержание элементов и изотопов в этих образцах определяли с помощью трех аналитических методов – рентгено-флуоресцентного анализа (РФА), инструментального гамма-активационного анализа (ГАА) и нейтронно-активационного анализа (НАА). Анализы  проводили в лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) и в лаборатории нейтронной физики (ЛНФ) Объединенного института  ядерных исследований, г. Дубна (ОИЯИ).

Перед началом анализа  образцы высушивали при температуре 105°С, измельчали и пропускали через сито диаметром ячейки 1 мм. В таблице 1 представлены места отбора образцов.

Tабл 1. Места отбора образцов

Количество образцов

Место отбора

K1

2

левая часть основания восточной грани Кайласа, высота 5570 м

K2

2

верхний левый ярус западной грани,

высота 5390 м

K3

2

середина основания северной грани, высота 5555 м

K4

2

западный гребень, при совершении внутренней коры, высота 5670 м

K5

3

южная грань, внутренний слой под внешним слоем конгломерата в нише с 13 ступами (во время совершения внутренней коры), высота 5800 м

K6

2

восточная грань, правое крыло с гранитоидами, высота 5590 м

Рентгено-флуоресцентный анализ образцов (РФА): геологические образцы и стандарты  помещали  в полиэтиленовые цилиндрические кассеты диаметром 35 мм  и высотой 5 мм. Торцы кассет закрывали лавсановой пленкой толщиной 6 – 10 мкм. Определение стабильных элементов проводили на спектрометре с полупроводниковым Si(Li) – детектором с  разрешением 145 эВ для линии железа (6,4 кэВ). Стандартные кольцевые радиоизотопные источники 109Cd (Еg = 22,16 кэВ, Т1/2 = 453 дня) и 241Am (Еg = 59,6 кэВ, Т1/2 = 458 лет) использовали для возбуждения рентгеновского излучения. Обработку спектров проводили с использованием программ WinAxil и WinFund. Для определения количественного состава элементов применяли стандартную кривую зависимости количества импульсов от концентрации элементов.

Гамма-активационный анализ (ГАА): образцы облучали в течение 2 – 4 часов  тормозным излучением микротрона МТ-25. Ток электронов был 15 мА, энергия электронов – 25 МэВ. Гамма-спектры облученных образцов измеряли с помощью HPGe детектора с разрешением 1,5 кэВ на  линии 1332,5 кэВ  60Сo. Время измерения было от 600 до 3600 сек.

Инструментальный нейтронно-активационный анализ (НАА) был выполнен для уточнения общего содержания рубидия и стронция в пробах. 86Rb и 84Sr определяли НАА по реакции (n, g).Для определения концентрации долгоживущих изотопов 86Rb (Т1/2 = 18,7 дней) и 85Sr (Т1/2 = 64,8 дней) 0,1 г сухой массы каждого образца были упакованы в алюминиевую кассету; образцы облучали в течение 2,5 суток в 1 канале импульсного реактора на быстрых нейтронах ИБР-2, ЛНФ ОИЯИ. После 3-х дневного охлаждения и замены кассет образцы измеряли  с помощью GE (Li) детектора с разрешением 2,5-3 кэВ на линии 1332 кэВ 60Со и HPGe детектора с разрешением 1,9 кэВ для линии 1332 кэВ 60Со.

Данные обрабатывали  с помощью программного обеспечения, разработанного в ЛНФ ОИЯИ,  концентрации элементов определяли на основе сертифицированных эталонных материалов [2]. Для обеспечения контроля качества содержание элементов определяли при помощи группы сертифицированных эталонных материалов международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) и Национального института стандартов и технологий (США).

Рубидий-стронциевый метод был использован для определения возраста образцов. Метод основан на радиоактивном распаде изотопа 87Rb и превращения его в изотоп 87Sr. Для расчетов использовали  уравнение  [3]:

87Sr = 87Sr i + 87Rb(elt –1)   (i: начальная)   (1).

Содержание изотопа 87Sr в образце зависит от времени. На практике определяется соотношение изотопов в образце породы или минерала. Поэтому уравнение (1) делили на число атомов 86Sr, отношение которых является постоянным  с течением времени. В результате получаем  уравнение:

87Sr/86Sr = (87Sr/86Sr)i + 87Rb/86Sr (elt – 1)        (2).

Период полураспада 87Sr равен 4,89•1010 , следовательно l = ln2/Т1/2  очень мала, поэтому выражение (elt  – 1) уменьшается так, что его можно заменить  на  lt, и уравнение распада приобретает следующий вид:

87Sr/86Sr = (87Sr/86Sr)i + (87Rb/86Sr)·l·t            (3) или

Y       =        b         +       x       ·    a                  (4).

Это уравнение описывает прямую линию, называемую изохронной, тангенс угла наклона которой равен  а = lt. Таким образом, чтобы определить возраст, нужно знать содержание определенных изотопов рубидия (87Rb) и стронция (отношение изотопов 87Sr, 86Sr).

Способ рубидий-стронциевого датирования обычно осуществляют с помощью масс-спектрометрии. Например, масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ICP – MS), масс-спектрометрии с тепловой ионизацией (TIMS), вторичным ионным масс-спектрометром (SIMS) [4]. Эта работа показывает, что подобный метод датирования может быть реализован с использованием ядерно-физических  аналитических методов.

Мы использовали специальные условия для получения 87mSr. Изомерные состояния 87mSr могут быть получены  гамма-облучением по двум реакциям:

87Sr(γ, γ’)87mSr (Еg = 388 кэВ, Т1/2 = 2,81 ч) (оптимальная реакция) и 88Sr (γ, n) 87mSr (в данном случае мешающая реакция). Энергия  пучка гамма-квантов должна быть равной 10 МэВ для того, чтобы наблюдалась оптимальная реакция  [5]. На рис.1 показан порог реакции 88Sr (γ, n)87mSr равный 11,2 МэВ [5].

рис1

Рис.1. Выход 87mSr изомера в зависимости от  энергия облучения; а – выход изомерных состояний 87mSr с вкладом реакции 88Sr (γ, n)87mSr, б – выход изомерных состояний без вклада реакции 88Sr(γ, n)87m

 

Результаты и их обсуждение

Концентрации элементов в образцах (более 30 элементов, таких как Na, Mg, Cl, K, Ca, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Ga, As, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Cd, Sb, Cs, Ba, La, Ce, Nd, Ir, Hg, Pb, Th, U, включая Rb и Sr) определяли  РФА, ГAA и НAA. На основании полученных результатов проводили классификацию геологических проб и оценку их возраста (Табл. 2).

Содержания  Sr и Rb определяли РФА и  НАА. На рис. 2 показан спектр рентгеновского излучения образца К1, отобранного возле горы Кайлас.

рис2

Рис.2. Рентгеновский спектр образца K1, время измерения = 600 с.

Содержание изотопа 87Sr определяли  облучением гамма-квантами с энергией 10 МэВ на микротроне МТ-25. Гамма-спектр образца К4 после облучения гамма-квантами с Еg = 10 МэВ показан на Рис. 3.

рис3

Рис. 3. Гамма-спектр образца К4 после облучения гамма-квантами с Еg = 10 МэВ, время измерения = 300 сек.

Для определения содержания изотопа 87Sr и возраста образцов в качестве сравнения использовали стандарт сибирского траппа  (СТ-1А), возраст которого известен. Авторами  [6] сообщается, что возраст сибирских траппов составляет около 250×106 лет.

Из  результатов определения общего содержания стронция (РФА) и радиогенного 87Sr (ГАА) можно рассчитать  другие изотопы стронция (84Sr, 86Sr и 88Sr).

При расчетах использовались данные, рекомендованные подкомиссией по хронологии Международного союза геологических наук [3], такие как:
λRb – постоянная распада для Rb-87 (λ = 1,42×10-11 г-1);
отношения:

85Rb/87Rb = 2,59265 → 87Rb = 27,86 % от общего содержания Rb

86Sr/88Sr = 0,119400

84Sr/86Sr = 0,0565884

Надо отметить, что рубидий-стронциевый метод датирования  можно использовать, если

• все данные измерены правильно;

• образцы близки по происхождению и возрасту;

• горные породы не подвергались  преобразованиям, которые могли бы нарушить соотношение Rb/Sr.

Кроме того, необходимо  правильно выбрать исходное (в момент образования) соотношение (87Sr/86Sr)i   для предварительных расчетов. В предварительных расчетах было выбрано соотношение 87Sr/86Sr = 0,704, подобное  типичным магматическим породам.

Изохронные линии и расчетные  оценки возраста и образцов горы Кайлас показаны на рис.4.

рис4

Рис. 4. Расчетные оценки возраста и изохронные линии для образцов горы Кайлас.

Результаты расчетов представлены в виде двух изохронных линий. Одна линия относится к усредненному возрасту 24,6±0,5×106 лет, а другая к 10,1±1,4×106 лет.

В Табл. 2 представлен расчетный возраст,  происхождение и тип горных пород, характеризующие конгломераты на поверхности горы Кайлас.

Табл. 2. Расчетный возраст, происхождение и тип горных пород на поверхности горы  Кайлас

пробы

Происхождение

Тип

Возраст,

×106 лет

K1

Вулканическая порода

Метаандезит

24,6±0,5

K2

Плутоническая порода

Лейкогранит с флогопитом

10,1±1,4

K3

Вулканические обломки

Гравелит

24,6±0,5

10,1±1,4

K4

Осадочная порода, образовавшаяся после разрушения гранитов.

Аркозовый песчаник сильно выветрелый (со значительным изменением состава, состояния и свойств)

24,6±0,5

10,1±1,4

K5

Осадочная порода

Песчаник

10,1±1,4

K6

Плутоническая порода

Плагиогранит

24,6±0,5

Результаты определения возраста образцов из района горы Кайлас находятся в хорошем согласии с описанием тектонической эволюции Тибета. Кайлас находится в гангдезийском (Gangdese) магматическом поясе, который состоит в основном из гранодиорит-гранитной ассоциации с широкой вариацией состава, текстуры и хорошо выраженными переходными типами. На основе работ Хайма и Ганссера [7], Ганссера [8] гора Кайлас была определена как конгломерат. Причем, к  конгломерату относится лишь часть этого образования.  В нижней части формации Кайлас преобладают андезитовые вулканические гранитоидные горные породы гангдезийской магматической дуги. Тектоническое значение конгломератов Кайласа остается фундаментальной проблемой в понимании пост-коллизионной истории становления зоны горы Кайлас [1, 9 – 10]. Расположение горы Кайлас показано на Рис. 5.

рис5

Рис. 5. Расположение горы Кайлас.

Тектоническая эволюция Гималаев зависит от нескольких геологических событий, которые могли происходить одновременно или последовательно. Формирование Южного Тибета обычно объясняется тремя событиями: подъемом  из гандезийского пояса, оседание в бассейне Кайласа (Южная окраина гандезийского пояса) и поднятие в  шовной зоне Цангпо (шва Инд-Ярлунг Зангбу) [11]. В таблице 3 приведены данные разных авторов о формировании горы Кайлас.

Табл. 3. Данные разных авторов о формировании горы Кайлас

Авторы

Возраст, ×106лет

Места сбора образцов

[11-12]

Поздний Олигоцен –ранний Миоцен,

30 – 17

Конгломераты Кайласа и его эквиваленты вдоль долины реки Ялу в западном, центральном и восточном Тибете.

[13]

От 22,3±0,7 до 16,9±0,2

Конгломераты Кайласа, собранные в зоне шва Ярлунг Цангпо в Южном Тибете.

[10]

От 23,4 до 16,5

От 21,4 до 17,9

Конгломераты, собранные  на высоте пояса Гандеза с востока горы Кайлас в западном Сага на высотах   5100 м и 5750 м.

Настоящая работа

24,6±0,5

10,1±1,4

Конгломерат вокруг горы Кайлас на высоте от
5300 до 5800 м.

Приверженцы индуизма, буддизма, джайнизма и Бон конфессий считают гору Кайлас священной и официально закрытой, поэтому все исследования проводили на расстоянии. Эти результаты показали, что формирование гангдезийского пояса, куда входит и гора Кайлас, было во времена позднего Олигоцена и раннего Миоцена.

Данная  работа доказывает существование как старых (около 24×106 лет) так и молодых  пород (около 10 ×106 лет). Эти результаты согласуются с утверждением [1], что геологические, геофизические  и геодезические  данные  указывают на три  известные фазы подъема — обнажения (совокупность процессов сноса и переноса) в Гималаях: в начале Миоцена (21 – 17×106 лет), позднего Миоцена (11 – 7 ×106 лет) и Четвертичного периода.

Изучение тектонической эволюции тибетского плато другим способом показало, что:

• более 22×106 лет назад произошло поднятие и изменение погоды в данном регионе (начало муссонной системы погоды на тибетском плато) [14];

• оседание плато следует из сейсмических профилей Южно-китайского моря в период активных муссонов в начале среднего Миоцена (11-16×106 лет) [15 – 16].

 

Заключение

Ядерно-физические аналитические методы были использованы для определения концентрации элементов и для оценки возраста геологических образцов, отобранных во время  экспедиций  2013 – 2014 годов, на разных участках горы Кайлас. Содержание более 30 элементов, в том числе Sr  и Rb, в геологических образцах определяли РФА, ГАА и НАА. Проводили  классификацию геологических проб и оценку их возраста. Возраст некоторых  образцов из района горы Кайлас был определен  на уровне  24,6±0,5× 106 лет, а также – 10,1±1,4 106 лет. Результаты предлагаемой датировки совпадают  с  данными других авторов.

Настоящая  работа показывает возможности применения ядерно-физических методов анализа (РФА, ГАА и НАА ) для определения датировки геологических объектов  рубидий-стронциевым методом.

 

Благодарность

Авторы выражают благодарность Международному Центру Рерихов (Москва) и кандидату физико-математических наук Балалаеву С. Ю. за предоставленные образцы, Хотылеву О. А., сотруднику кафедры региональной геологии и истории Земли геологического факультета МГУ имени М. В. Ломоносова за помощь в классификации  образцов.

 

Литература

1.     В. С. Буртман Геодинамика Тибета, Тарима и Тянь-Шаня в позднем кайнозое // Геотектоника, 2012, № 3, с. 18 – 46.

2.     Frontasyeva M.V., Pavlov S.S. (2000) Analytical investigations at the IBR-2 reactor in Dubna, JINR preprint E14-2000-177, Dubna.

3.     Г. Фор. Основы изотопной геологии, Москва, «Мир»,1989.

4.     V Российской конференции по Изотопной Геохронологии изотопные системы геохронометрии, методы их изучения, хронология геологических процессов июнь 4 – 6, 2012 Moscow, ИГЕМ, конференция, Москва 2012.

5.     Гангрский Ю.П., Мазур В.М.// Физика элементарных частиц и атомных ядер, 2002, v. 33, № 1.

6.     Ivanov A.V., Rasskazov S.V., Feoktistov G.D., He H., Boven A. 40Ar/39Ar dating of Usol’skii sill in the southeastern Siberian Traps Large Igneous Province: evidence for long-lived magmatism // Terra Nova, 2005, v. 17, р. 203 – 208.

7.     Heim A., Gansser A. 1939, Central Himalaya – Geological observation of the Swiss expedition 1936. Memoire Societe Helvetique Science Naturelle, v. 73, p. 1 – 245.

8.     Gansser A. 1964, Geology of Himalayas. London, Inter-science, 289 p.

9.     DeCelles P.G., Kapp P., Quade J., and Gehrels G.E., Oligocene-Miocene Kailas basin, southwestern Tibet: Record of postcollisional upper-plate extension in the Indus-Yarlung suture zone. GSA Bulletin, July/August 2011, v. 123, no. 7/8, 1337 – 1362; DOI: 10.1130/B30258.1.

10.  Sorkhabi, E. Stump Rise of the Himalaya: A geo-chronologic approach. // GSA today, april 1993, Vol 3, № 4, p. 87 – 92.

11.  Wang E., Kamp P., Xu G. Hodges K. V., Meng K., 2015, Flexural bending of southern Tibet in a retro foreland setting. Scientific reports 5:12076; DOI: 10.1038/srep12076.

12.  Guo, Z.T., Ruddiman, W.F., Hao, Q.Z., Wu, H.B., Qiao, Y.S., Zhu, R.X., Peng, S.Z., Wei, J.J., Yuan, B.Y., Liu, T.S., 2002. Onset of Asian desertification by 22 Myr ago inferred from loess deposits in China. Nature 416, p. 159 – 163.

13.  Clift, P., Lee, J., Clark, M.K., Blusztajn, J., 2002. Erosional responseof South China to arc rifting and monsoon strengthening; a record from the South China Sea. Mar. Geol. 184, p. 207 – 226.

14.  Harrison, T. M., Copeland, P., Hall, S. A., Quade, J., Burner, S., Ojha, T. P., and Kidd, W. S. F.,1993, Isotopic preservation of Himalayan/Tibetan uplift, denudation, and climate histories of two molasse deposits: Journal of Geology, v. 100, p. 157 – 175.

15.  Ryerson, F. J., Yin, A., Harrison, T. M., and Murphy, M., 1995, The Gangdese and Renbu Zedong thrust systems: Westward extension to Kailas: Geological Society of America Abstracts with Programs, v. 27, № 5, p. A335.

16.  Aichison J.C., Ali J.R., Chan A., David A.M., Lo C.H., 2009 Tectonic implication of felsic tuffs within the Lower Miocene Gangrinboche congromerlates, southern Tibet. Journal of Asian Earth Sciences, v. 34, p. 287 – 297, DOI: 10.1016/j.jseaes. 2008.05.008.

 

Статья на английском языке опубликована в Proceeding of XXIII International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei (ISINN23), Dubna, May 25 – 29, 2015, Dubna, JINR, 2016, p. 394 – 401.