Hadean zirkon
Hadeansk zirkon är det äldsta överlevande jordskorpans material från jordens tidigaste geologiska tidsperiod, Hadean- eonen, för cirka 4 miljarder år sedan. Zirkon är ett mineral som ofta används för radiometrisk datering eftersom det är mycket resistent mot kemiska förändringar och uppträder i form av små kristaller eller korn i de flesta magmatiska och metamorfa värdbergarter.
.jpg)
Hadean zirkon har mycket låg förekomst runt om i världen på grund av återvinning av material genom plattektonik . När berget på ytan är begravt djupt i jorden värms det upp och kan omkristallisera eller smälta. I Jack Hills , Australien, fick forskare ett relativt omfattande register över Hadean zirkonkristaller i motsats till andra platser. Jack Hills zirkoner finns i metamorfoserade sediment som ursprungligen deponerades för cirka 3 miljarder år sedan, eller under den arkeiska eonen. Däremot är zirkonkristallerna äldre än stenarna som innehåller dem. Många undersökningar har genomförts för att hitta zirkons absoluta ålder och egenskaper, till exempel isotopförhållandena , mineralinneslutningar och geokemi hos zirkon. Egenskaperna hos hadiska zirkoner visar tidig jordhistoria och mekanismen för jordens processer i det förflutna. Baserat på egenskaperna hos dessa zirkonkristaller föreslogs många olika geologiska modeller .
Bakgrund
Betydelse
Djupare förståelse av jordens historia
Den geologiska historien för Hadean eon av tidig jord är dåligt känd på grund av bristen på stenrekord äldre än 4,02 Ga ( giga-år eller miljarder år). De flesta forskare accepterar att plåtåtervinningsmekanismen har smält nästan alla delar av jordskorpan. Vissa små delar av skorpan har dock inte smälts, eftersom några sällsynta hadiska zirkonkorn som ingår i mycket yngre värdberg upptäcktes. Undersökningen av Hadean detrital eller ärvda korn av zirkon kan ge bevis på geofysiska förhållanden på den tidiga jorden.
Vetenskapligt bidrag
Eftersom det inte finns några starka bevis som visar den tidiga jordens verkliga miljö, genereras många modeller för att förklara den tidiga jordens historia. Det höga värdet av Hadean värmeproduktion och slagflöde bevisade att kontinental skorpa inte existerade, vilket skiljer sig mycket från den moderna processen. I avsaknad av stora mängder ofördelad data och inom ramen för analytiska metoder, har beräkningar på geofysik och planetvetenskap snabbt utvecklats för att utforska detta nya kunskapsområde.
Överflöd
Mindre än 1% av zirkoner som upptäcks runt om i världen är över fyra miljarder år gamla. Sannolikheten att upptäcka åtminstone en enda över fyra miljarder år gammal zirkon är mycket låg. Förekomsten av över fyra miljarder år gammal zirkon i Jack Hills är onormalt hög för de flesta arkeiska kvartsiter och därför är sannolikheten för förekomsten av andra fläckar extremt låg (0,2–0,02 %). [ misslyckad verifiering ]
Genom att använda uran-bly-datering (U-Pb) tillsammans med andra analysmetoder kan mer geokemisk information erhållas. Endast 3 % av över 200 000 oönskade zirkonkorn daterade med U-Pb-analys är över fyra miljarder år gamla.
Typer
På grund av olika halter av uran och spårämnen identifieras fyra kluster av zirkoner enligt nedan
- Lunar och meteorit zirkon
- Detrital korn zirkon
- Kimberlite zirkon
- Havsskorpa zirkon
Låga kristallisationstemperaturer och spårelementegenskaper är de två huvudsakliga egenskaperna som skiljer på mantelhärledd zirkon eller havsskorpa härledd zirkon. Mån- och meteoritiska zirkoner är unika på grund av deras REE -signatur, till exempel bristen på en ceriumanomali . Kristallisationstemperaturen sträcker sig från 900 till 1100 °C. Däremot är jordlevande hadiska zirkoner begränsade till 600 till 780 °C. Hadean Jack Hills zirkon har ett brett utbud av syrefraktioner jämfört med meteoritiska zirkoner. Inga utomjordiska zirkoner hittades på någon terrestrisk lokalitet. De strukturella egenskaperna som tillväxtzonindelning och inklusionsmineralogin visar att Hadean zirkon från Jack Hills alla kommer från magmatiska källor.
Egenskaper
De ospecificerade proverna som användes för analyserna nedan var Jack Hills zirkon i Australien på grund av de stora mängderna och tillgängliga data.
Åldersfördelning
U-Pb-datering i U-Pb zirkonsystemet har länge setts som jordskorpans geokronometer eftersom zirkon är kemiskt resistent och berikat på U och Th jämfört med dotterprodukten Pb. Spårelement och isotopsammansättning av zirkon är viktigt för att bestämma kristallisationsmiljön.
Resultat från detritala zirkoner från Erawondoo Hills upptäcktsplatskonglomerat visar generellt att zirkonerna har en bimodal åldersfördelning med stora toppar vid c. 3,4 och 4,1 Ga.
Zirkon är dock känsligt för strålskador och kan brytas ned till amorft material. Hadean zirkon med ursprungliga urankoncentrationer större än 600 ppm utmanas av effekten av förändringar efter kristallisation.
Isotop geokemi
Stabila isotopdata , som indikerar att de ursprungliga värdstenarna till zirkonet relaterade till en betydande mängd material som bildades på eller nära jordens yta och därefter överfördes till en mellan- till lägre jordskorpa där de smälte för att generera värdmagman från vilken zirkon kristalliserade.
| Data typ | Observation | Tolkning | Begränsning |
|---|---|---|---|
| Syreisotopförhållanden _ | Granitoider med lägre ઠ 18 O-värden | Det förekom hydrotermiska interaktioner med meteoriskt vatten istället för väderpåverkan . | Det saknas heltäckande registrering av de analyserade områdena inom kornen, vilket leder till svårigheter att relatera åldrarna på specifikt daterade delar av zirkonkornen till deras syre- och hafniumisotopsystematik och spårelementkoncentrationer . |
| Förhållandet mellan syreisotoper har mätts i hadiska zirkoner. Högt värde på 18ઠ SMOW observerat i Hadean Jack Hills zirkoner ledde till två olika idéer om källan till Hadean zirkon. 18 O -berikade lermineraler hittades i värdberget av zirkonkorn. | Vatten fanns på jordens yta runt 4,3 Ga. | ||
| Hadean Jack Hills zirkoner innehåller fler 18 O-anrikningar än mantelzirkonen ca 5,3%. I-typ granitoider protoliter ger relativt låga ઠ 18 O-värden medan de härledda av S-typ metasedimentära bergarter har högre ઠ 18 O-värden. | Närvaron i protoliten av återvunnet skorpmaterial som hade interagerat med flytande vatten under ytan eller nära ytan. | ||
| Lutetium-hafnium | Förhållandet mellan isotoper av hafnium 176 Hf/ 177 Hf data i jordskorpan överensstämmer med bildandet av skorpa sedan 4,5 Ga. | Lu-Hf-systematik som potentiellt indikerar existensen av en tidigt bildad reservoar, liknande den kontinentala skorpan i dess grad av Lu-utarmning i förhållande till Hf. | De flesta data matchar bildandet av skorpa vid 4,5 Ga medan vissa zirkondata är orimliga och kräver avlägsnande av protolit från chrondritic uniform reservoar (CHUR). Eftersom dessa extra fynd kan studier inte överensstämma med det positiva värdet av E Hf(T) på grund av att komplikationen av Hf-isotopanalys och avsaknaden av U-Pb-datum är tillgängliga samtidigt. |
| Kluster av resultat längs en linje som motsvarar en Lu/Hf ~0,01, låg reservoar vid ~4Ga | Data överensstämmer med antingen tidig extraktion av mycket felsisk skorpa eller genom omsmältning av en urbasaltreservoar , men i båda fallen ger extrapolering av denna trend en nuvarande εHf(T) på cirka -100 | Ett återvinningsevenemang c. 3.9-3.7 Ga som liknar Hf-isotoputvecklingen av moderna subduktionsrelaterade orogener och kan därför ha ytterligare tektonisk betydelse. | |
| Plutonium-xenon | Vissa hadeanska zirkonkorn innehöll ursprungligen plutonium , ett grundämne som sedan dess har försvunnit från den naturliga miljön. I meteoritrekordet var överflödsförhållandet mellan initialt plutonium och uran (Pu/U) cirka 0,007 och 244 Pu var närvarande i det tidiga solsystemet . | Resultatet av förhållandet kan tolkas som xenonförlust under senare metamorfism . Uran oxiderades till löslig uranyljon (UO 2 2+ ) medan lösligheten av plutoniumföreningar är låg, variationer i Pu/U betraktas som en effektiv indikator på vattenhaltig förändring i Jack Hills protoliter. | Endast Nd/U har förväntade korrelationer från vattenhaltiga processer exklusive analys av Xe-isotopförhållanden, U-Pb-ålder , spårelementinnehåll och δ18O |
| De initiala Pu/U-förhållandena för Jack Hills zirkon sträcker sig från ca. 0,007 till noll. | På grund av Xe-förlust under senare metamorfos. Variation i Pu/U har föreslagits som en potentiell indikator på vattenhaltig förändring i Jack Hills zirkonprotoliter | ||
| Hög-Nd/U zirkoner visar endast låga Pu/U, medan Nd/U zirkoner visar mer heterogena Pu/U | High-Nd/U-gruppen verkar mindre magmatiskt utvecklad än andra Hadean zirkoner, har REE- mönster som tyder på någon grad av förändring, antingen genom hydrotermisk vätskeinteraktion eller fosfatersättning , och består enbart av låg-Pu/U zirkoner med en rad Hadean till Proterozoiska U-Xe åldras | ||
| Litium | Litiumisotoper varierar avsevärt i Hadean zirkon. 7 . Li isotopresultatet av Hadean Jack Hills zirkoner gav mycket negativa värden | Miljön för att bilda zirkon som mycket väderbitna. | En hög litiumdiffusionshastighet i zirkon vid låg temperatur och utbyte med väte under metamorfism är två exempel på efterföljande variationer av litium som kan begränsa användbarheten av mätningarna |
| Li är homogent fördelad inom enskilda tillväxtzoner av zirkonerna. Jack Hills zirkoner är zonerade i både 7 Li och Li koncentration. | Dessa värden korrelerar med magmatisk tillväxtzonering. |
Mineralinneslutningar
Utvecklingen av texturella kriterier för identifiering av primära inneslutningar öppnar möjligheter för att känna igen zirkoners föränderliga härkomst med tiden och undersöka deras post-avsättningsförändringshistorik. Det finns två vanliga inklusionssammansättningar som överensstämmer med deras bildning i "I-typ" ( hornblende , kvarts, biotit, plagioklas, apatit , ilmenit ) och "S-typ" (kvarts, K-fältspat, muskovit, monazit ) granitoider . Domineras av kvarts med mindre rikligt med K-fältspat, plagioklas, muskovit, biotit och fosfater, som tolkas ha bildats under relativt låg geotermisk gradient liknande den som hänför sig till moderna subduktionszoner .
| Data typ | Observation | Tolkning |
|---|---|---|
| Moskovit | Kvarts och muskovit är de huvudsakliga inklusionsfaserna, som potentiellt pekar på en aluminiumhaltig granitkälla. Hopkins (2010) använde en termodynamisk lösningsmodell för celadonitsubstitution i muskovit för att uppskatta tryck för muskovitinneslutningar i magmatiska zirkoner . Resultatet avslöjade att tryckförhållandena för över 1700 inklusionsprover är större än 5 kbar , tillsammans med en relativt låg värdzirkonkristallisationstemperatur. | Muskovitisk inkludering i kombination med en termodynamisk modell antydde att jordytan hade ett anmärkningsvärt lågt värmeflöde. Detta resultat fick forskare att föreslå bildning i en undertrycks- eller subduktionsliknande miljö som finns på den moderna jorden |
| Järnoxider | Ceriumanomali hos en zirkon (Ce/Ce*) är en kvantitativ undersökning för värdmagma fO 2 . Hadean Jack Hills zirkoner visar ett intervall i fO 2 med ett genomsnitt nära fayalit - magnetit - kvarts (FMQ) buffert. | Den Hadeanska geologiska miljön liknar den moderna övre manteln |
| Biotit | Sammansättningen av biotit skiljer sig mellan granitoider. FeO-, MgO- och Al 2 O 3 -innehåll isolerar kalk-alkaliska , peraluminösa och alkaliska granitoider. [ fullständig hänvisning behövs ] | Naturen hos Hadean-smältkompositioner kan vara känd. |
| Sulfid- och kolhaltiga faser har avslöjats i Hadean zirkon även om antalet fall är litet. | De sällsynta faserna har raderat det flyktiga innehållet i Hadean magma och källmaterial. | |
| Grafit | Genom att känna till förekomsten av kol kan livets existens avslöjas i aspekten av timing, förhållanden och mekanismer. | Isotopiskt resultat identifierade att zirkonet var 3,8 till 3,5 miljarder år och metabolism har skett inom värdmikrobiotan . |
Zirkon geokemi
Genom att analysera innehållet av zirkon visar en del zirkon närvaro av titan, sällsynta jordartsmetaller, litium, aluminium och kol. Ett visst förhållande och normalfördelning ger bevis för zirkonets ursprung och källan till magma.
| Data typ | Observation | Tolkning | Begränsning |
|---|---|---|---|
| Titan | Innehållet av Ti-i-zirkon fungerar som en kristallisationstermometer givet kunskap om smältan a SiO2 och en TiO2. Ti-mätningarna applicerades på korn som sträckte sig från 3,91 till 4,35 Ga och majoriteten av data plottar en normalfördelningsgraf . | Kristallisering av Ti-i-zirkonkorn kommer från utvecklade smältor | Det gav en extremt hög temperatur 680±25 °C. Eftersom kristalliseringen av rutil är okänd kan forskare endast uppskatta temperaturen genom beräkning. |
| Sällsynt jordartsmetall | Ceriumanomali hos en zirkon (Ce/Ce*) är en kvantitativ undersökning för värdmagma f O2 . Resultatet visade lågt värde på Ce/Ce*-förhållandet. | Mångfald av källmaterial | REE-signaturer i vissa zirkonkorn som har tolkats för att indikera kristallisering av dessa korn från utvecklade smältor. |
| I EDS-analys var magnetit dominerande i inklusionen istället för ilmenit i granitoider. | Hydrotermisk växling av zirkon bestäms ofta av högt, platt ljus sällsynt jordartsmetall (LREE) mönster. | ||
| Litium | Li-zonindelning i zirkon fungerar som en topptemperaturindikator samtidigt som man undersöker retentionen av primära remanenta magnetiska signaler. Jack Hills zirkon innehållande ca. 5 upp-brett Li-koncentrationsband som krävde under 500 °C toppvärmetemperatur för zirkon. | Kornen kan användas för att studera primär magnetism eftersom den inte översteg Curie-temperaturen som är 585 °C för magnetit . | Metakonglomeraten vid Erawondoo Hill upplevde inte temperaturer över 500 °C . Resultatet visade att det finns variation av data och termisk historia i olika händelser. |
| Aluminium | Peraluminösa granitoider innehåller cirka 10 ppm aluminium i Jack Hills zirkon medan I-typ och A-typ zirkon erhålls i genomsnitt 1,3 ppm. Molvärdet för Al 2 O 3 /(CaO+Na 2 O+K 2 O) större än 1. | Ursprunget är från återvunnet pelitiskt material. | En liten mängd zirkonprover innehåller höga Al-halter tyder på att metalliska bergarter är vanligare än peraluminösa bergarter i Hadean. Emellertid har c. 20 % överlappning av låg Al (dvs < 5 ppm) i zirkoner av S-typ döljer något denna slutsats. |
| En del av kornen visar hög aluminiumhalt | Metalliska bergarter kan vara vanligare än peraluminösa bergarter i Hadean. | ||
| Kol | Forskare mätte koncentrationen av kol i form av grafit i zirkon med hjälp av sekundär jonmasspektrometer (SIMS). Att upptäcka kol från Hadeskorpan kunde säkerställa att det fanns en överföring av kol från mantelreservoarer | Tillåt valet bland modeller av den tidiga jorden. | En hel del tidiga jordmodeller innehåller denna egenskap som inte kan bekräfta vilken modell som är korrekt |
Analytisk metod
Jonmikrosondanalys
Jonmikrosond (eller sekundär jonmasspektrometri , SIMS) och uran-torium-bly geokronologi är två vanliga metoder för att mäta isotoper i ett specifikt tidsintervall.
Mycket exakta SIMS-mätningar in situ av syreisotoper och OH/O-förhållanden, laserablationsinduktivt kopplad masspektrometri (LA-ICP-MS) bestämning av hafniumisotoper och atomsondtomografi . LA-ICP-MS är den vanligaste metoden hittills med användning av isotoper men den saknar kapacitet att mäta 204 Pb. Därför finns det en möjlighet att förekomsten av enstaka zirkoner över 4 miljarder år gamla kan bero på inkludering av icke-radiogent Pb.
U-Pb-datering, delta 18 O och Ti-mätningar kan testas med CAMECA ims 1270 jonmikrosond. Epoxi appliceras på provet. En plan yta av provet behövs för att utföra en analys. U-Pb-datering och T-mätning använder en primär O − stråle med låg intensitet (10-15 nA). U-Pb åldersstandard AS3 användes för dateringsstudier. Koncentrationen av Ti kan bestämmas baserat på analys av Jack Hills zirkon och NIST610 glas.
Elektronmikrosondanalys
användes JEOL 8600 elektronmikrosondanalysator (EPMA) för att kemiskt analysera zirkon. Det används för att analysera den kemiska sammansättningen av material. Elektronstrålar sänds ut till mineralets yta och blåser av joner och uppskattar mängden grundämnen i ett mycket litet prov. Många isotoper kan mätas på en gång i denna analys, till exempel Ti och Li.
Förekomst
| Händelser | Analytisk metod och resultat | Tolkning |
|---|---|---|
Australien |
||
| Mt Narryer | Jonmikrosonddatering av 80 detritala zirkoner från kvartsiter har avslöjat att 2% till 12% korn >4,0Ga, med yngre zirkoner som sträcker sig till ca.3 Ga. I LA-ICP-MS-studien har Mt. Narryer zirkoner högre U-innehåll och lägsta Ce/Ce* i motsats till Jack Hills zirkoner | Mångfald av källberg. Magmatiskt ursprung. |
| Churla Wells | Kornen är 4,14 till 4,18Ga genom att använda 207Pb/206Pb datering. Kärnregionen har mycket lägre Hf, REE, U och Th än andra yttre regioner. Medan U-innehållet i kärnan är runt 666 ppm, är Th/U 0,6. | Granitisk magma ursprung |
| Maynard Hills | Datering av grönstensbälte avslöjade att 207Pb/206Pb-åldern är 4,35Ga. | / |
| Mt Alfred | Den konkordanta zirkonen har åldern 4,17Ga. Inga geokemidata har samlats in | / |
Nordamerika |
||
| Northwest Territory, Kanada | Protolitens kristallisationsålder är 3,96Ga analyserad med U-Pb-datering. Genom att tillämpa LA-ICP-MS, 4,20+0,06Ga zirkon daterades. Den oförändrade zirkonen enligt ovanstående metod erhöll LREE-mönster. | Magmatiskt ursprung. Härledning från en felsisk smälta genom en annan process än differentiering av en maffisk magma |
| Grönland | Kristallisationsåldern bestäms till 3,83±0,01 Ga genom jonmikrosonddatering. 4,08±0,02Ga identifierades i U-Pb-undersökning | / |
Asien |
||
| Tibet | I jonmikrosondmetoden är detritala kornens Th/U-förhållanden större än 0,7 | Magmatiskt ursprung |
| Norra Qinling | LA-ICP-MS-åldern för xenokristallisk zirkon i North Qinling Orogenic Belt är 4,08Ga. Hf-isotop stöder också åldersdata för LA-ICP-MS-test | / |
| North China Craton | Zirkonet är 4,17±0,05Ga bestämt med LA-ICP-MS U-Pb-dateringsmetod. Th/U-förhållandet är 0,46 | Magmatiskt ursprung |
| södra Kina | Ledande jonmikrosond U-Pb-datering, 207 Pb/ 206 Pb ålder är 4,13±0,01 Ga med 5,9±0,1% 18O -isotopdata. Positiv Ce-avvikelse | tidig jord är en mycket oxiderande miljö och en hög Ti-i-zirkoner kristallisationstemperatur på 910°C. |
Sydamerika |
||
| Södra Guyana | 4.22Ga med LA-ICP-MS U-Pb-dateringsmetod. Ingen annan geokemisk analys har utförts | / |
| Östra Brasilien | Bergets ålder är 4,22Ga och Th/U-förhållanden på 0,8 och högt U-innehåll (upp till 1400 ppm) | Felsiskt magmatiskt ursprung |
Föreslagna mekanismer för att bilda Hadean Jack Hills zirkoner
Plattektonisk teori är allmänt accepterad för generering av skorpa. Med Hadean rock rekord, drog de flesta av forskarna slutsatsen att hypotesen om en helvetisk tidig jord utan hav är felaktig. Forskare har konstruerat olika modeller för att förklara den termiska historien i den tidiga jorden, såsom den kontinentala tillväxtmodellen, isländska rhyoliter, mellanliggande magmatiska bergarter, maffiska magmatiska bergarter, sagduktion, slagsmälta, värmerörstektonik, terrestra KREEP och flerstegsscenarier .
Den mest kända är den kontinentala tillväxtmodellen som liknar den moderna tektoniska dynamiken.
Relativt låg kristallisationstemperatur och vissa är berikade med tungt syre, innehåller inneslutning som liknar moderna skorpprocesser och visar tecken på silikatdifferentiering vid ~4,5 Ga. Tidig terrestrisk hydrosfär, tidig felsisk skorpa där granitoider producerades och senare vittrades under förhållanden med hög vattenaktivitet och till och med den möjliga förekomsten av interaktioner mellan plattgränser .