Titan i zirkon geotermometri
Titan i zirkongeotermometri är en form av en geotermometriteknik genom vilken kristallisationstemperaturen för en zirkonkristall kan uppskattas av mängden titanatomer som endast kan hittas i kristallgittret . I zirkonkristaller är titan vanligen införlivat och ersätter liknande laddade zirkonium- och kiselatomer . Denna process är relativt opåverkad av tryck och mycket temperaturberoende, med mängden titan som ingår stiger exponentiellt med temperaturen, vilket gör detta till en noggrann geotermometrimetod. Denna mätning av titan i zirkoner kan användas för att uppskatta kylningstemperaturerna för kristallen och härleda förhållanden under vilka den kristalliserade. Sammansättningsförändringar i kristallernas tillväxtringar kan användas för att uppskatta den termodynamiska historien för hela kristallen. Denna metod är användbar eftersom den kan kombineras med radiometriska dateringstekniker som vanligtvis används med zirkonkristaller (se zirkongeokronologi ), för att korrelera kvantitativa temperaturmätningar med specifika absoluta åldrar. Denna teknik kan användas för att uppskatta tidiga jordförhållanden, bestämma metamorfa facies eller för att bestämma källan till detritala zirkoner, bland annat.
Zirkon
_vs_T_graph.jpeg)
Zirkon ((Zr 1–y , REE y )(SiO 4 ) 1–x (OH) 4x–y )) är ett ortosilikatmineral som vanligtvis finns som ett tillbehörsmineral i hela jordskorpan. På grund av sin kristallstruktur och geokemi är zirkon ett vanligt analyserat mineral på grund av dess användbarhet för geologer som geokronometer och geotermometer.
Kemiskt är zirkon ett särskilt användbart mineral på grund av dess förmåga att införliva många spårämnen. Många av dessa element kan användas för radiometrisk datering för att ge en ålder för kristallen. Det är känt att utbyta uran , torium och sällsynta jordartsmetaller ( REE) såsom yttrium och lutetium . De kemiska potentiella energierna för dessa REE-substitutioner är dock inte väl förstådda, så de är inte lämpliga för att bestämma kristallisationstemperaturer. Titan är också inkorporerat i zirkon och dess växelkurser har studerats i detalj. Ti 4+ , en fyrvärd jon, kan ersätta Zr 4+ eller Si 4+ i en temperaturberoende mekanism. För zirkoner i närvaro av TiO 2 , dvs mineralet rutil , är denna substitutionsprocess vanlig och kan mätas. Zirkon är också användbart eftersom dess inkorporering av andra element som uran, lutetium, samarium och syre kan analyseras för att ge ytterligare insikt i åldern och förhållandena som kristallen växte under.
Termiskt är zirkon resistent mot temperaturförändringar och extremer. Den är stabil upp till 1690 °C vid omgivningstryck och har en låg termisk expansionshastighet. Zirkonkristaller är också några av de mest inkompressibla silikatmineralerna. Den höga hållbarheten hos zirkoner gör det också möjligt för dem att kristallisera runt andra silikatmineraler, vilket skapar fickor eller inneslutningar av omgivande smältor som tyder på magma vid specifika tryck och temperaturer. Detta bildar i huvudsak en tidskapsel som ger en glimt av tidigare förhållanden under vilka kristallen bildades.
Zirkoner är kända för att vara relativt kvarhållande av sina inkorporerade isotoper och därför mycket användbara för mikrokvantitativa studier. Katjoner såsom REE, U, Th, Hf, Pb och Ti diffunderar långsamt ut ur zirkoner, och deras uppmätta kvantiteter i mineralet är diagnostiska för smältförhållandena som omger kristallen under tillväxt. Denna långsamma diffusionshastighet av många av de inkorporerade elementen gör att zirkonkristaller mer sannolikt bildar sammansättningszonindelning, vilket kan representera oscillerande zonindelning eller sektorzonering, eftersom smältsammansättningen eller energiförhållandena förändras runt kristallen över tiden. Dessa zoner visar sammansättningsskillnader mellan kärnan och kanten av kristallen, vilket ger observerbara bevis på förändringar i smältförhållanden. Långsamma diffusionshastigheter förhindrar också kontaminering genom läckage eller förlust av isotoper från kristallen, vilket ökar sannolikheten för att kronologiska och sammansättningsmätningar är korrekta.
Metoder
Det här avsnittet kommer att granska processen för att mäta titanhalten i zirkoner, som börjar med provtagning, mineralseparering, montering för mikrosondanalys och slutar med mikrokvantitativ elementanalys. När en sten har samlats in, extraheras zirkoner med hjälp av en rad tekniker som att använda en sikt , tung vätska , skakbord och magnetisk separation för att separera mineraler baserat på olika densiteter och egenskaper. Zirkonkristaller monteras sedan på en skivformad epoxi- eller metallskiva, där de kan rakas till ungefär halv tjocklek för att avslöja deras inre struktur. Härifrån kan de avbildas med hjälp av katodoluminescens för att göra eventuella zoneringar i mineralet synliga. Om zonering är uppenbar kan flera mätningar av Ti-överflöd göras från mitten till kanten för att ge temperaturutvecklingen för kristallen.
Det sista steget innebär att mäta mängden titan på en specifik plats på en zirkonkristall med en jonmikrosond. För detta mäts den kemiska sammansättningen av zirkonerna med hjälp av sekundär jonmasspektrometri . Provet bombarderas med en stråle av primära joner, och laddningen och massan av de utstötta sekundära jonerna mäts för att bestämma den kemiska sammansättningen vid kontaktpunkten. Det kvantitativa värdet för titanhalt jämförs sedan med ett känt förhållande mellan titaninkorporering och temperatur för att bestämma kristallisationstemperaturen för den zonen av zirkonen. Förhållandet mellan titan och temperatur beräknades med användning av in situ radiometriskt daterade zirkoner med kända smälttemperaturer från det omgivande berget. Denna titan-i-zirkon-mätning kan göras flera gånger i zonerade zirkoner, vilket kan registrera temperaturutvecklingen som är resultatet av många geologiska händelser.
Används
Med användning av denna teknik kan kristallisationstemperaturerna för zirkoner uppskattas för att uppskatta kyltemperaturen för kristallen. Geotermometritekniker som denna kan ge bevis för förändringar i temperatur i olika miljöer, den termodynamiska utvecklingen av bergarter, den gradvisa förändringen i den geotermiska gradienten över geologisk tid och bestämma härkomsten av detritala sediment. Tillsammans med geokronologiska tekniker som mäter med radiometriskt sönderfall för att åldra en sten, till exempel med U/Pb-sönderfall, kan dessa paleotemperaturmätningar paras ihop med en absolut ålder för att bestämma temperaturförändringar över tiden.
Titan i zirkongeotermometri har hittills använts i magmatiska bergarter för att uppskatta kylningstemperaturer för magma från zirkonkristaller daterade till Hadean -åldern (>4,0 Ga). Låga kristallisationstemperaturer från zirkoner av denna ålder tyder på att Hadean-jorden innehöll flytande vatten, vilket minskade nedkylningstemperaturen för skorpmaterial. Potentiellt kan titan-i-zirkon-termometri av jordens äldsta zirkoner visa den progressiva värmeförlusten från en magmatisk Hadean-jord till början av plattektoniken när planetens skorpa började svalna och genomgick plastisk deformation. Detta kommer att tillhandahålla tidigare okända bevis för förhållandena i början av jorden och tillåta testning av idéer om hur planeten utvecklats genom Hadean och Archean eoner.
Titan-i-zirkon geotermometri kan användas i zirkoner som finns i metamorfa bergarter för att uppskatta tryck- och temperaturförhållandena under metamorfos. Detta hjälper till att identifiera de metamorfa faserna och därmed den geologiska miljön för en klippformation. Det kan också användas i sedimentära bergarter för att bestämma källan till detritala mineraler. Emellertid kan dessa kristaller ibland vara förorenade av extern titan som sipprar in i sprickor.
Fel och begränsningar
Titan-i-zirkon geotermometri anses vara en relativt tillförlitlig och exakt metod för att bestämma kristallisationstemperaturer för zirkoner, med ett fel på endast 10-16 grader Celsius. Det finns dock flera begränsningar och antaganden som används i denna teknik som ökar felmarginalen.
Den största begränsningen för denna teknik är att den endast kan användas i system som innehåller titan eller mineralet rutil (TiO 2 ). I system som har inget eller mycket lite titan är denna metod meningslös, eftersom zirkoner inte kommer att inkorporera titan om det inte finns i den magmatiska smältan. De senaste modellerna har dock tagit hänsyn till zirkons förmåga att ersätta antingen kisel eller zirkonium i kristallen med titan genom att använda oberoende aktiviteter av kisel och zirkon. Detta har utökat den potentiella användningen av zirkoner med okänt ursprung, på grund av överflöd av kisel i jordskorpan. I vissa zirkonkristaller kan inneslutningar av mineralet kvarts (SiO 2 ) användas som bevis på att kisel förekom under kristallisation, vilket validerar användningen av denna geotermometer.
På grund av det överflöd av radioaktiva element som kan införlivas i zirkoner, är de också mottagliga för skador från radioaktivt sönderfall genom metamiktiseringsprocessen . När radioaktiva element i kristallgittret sönderfaller bombarderar de det inre av kristallen med radioaktiva partiklar. Detta försvagar kristallen och lämnar den splittrad eller förstörd. Detta ökar risken för att isotoper läcker ut ur kristallen och påverkar titan, eller andra element, mätningar.
En annan svårighet med denna mikroanalys är kontamineringen av titan på yttre ytor. Nyligen genomförda studier har uttryckt oro över guldbeläggningen på ytan av jonmikrosondfästena , som innehåller små mängder titan (~1 ppm) som kan ge ett fel under mätningen . I detritala zirkoner som finns i sedimentära källor kan en titanhaltig oxidbeläggning på ytan och i sprickor av zirkoner också kontaminera kristallen med överskott av titan.
Nyare studier har också visat att det finns ytterligare okända faktorer som bidrar till Ti-inkorporering i zirkoner. Den kemiska aktiviteten hos SiO 2 , tryckvarians, ojämviktskristallisation från smältor, sen kristalltillväxt i vattenhaltiga smältor eller icke- Henrys lag- substitution i zirkonkristaller kan alla spela en roll för att förändra förutspådda kristallisationstemperaturer.
Denna teknik är också begränsad av flera antaganden som, även om de är giltiga, kan visa sig inkonsekventa i vissa situationer. Laboratoriestudier har använt konstanta tryck vid beräkning av kyltemperaturer och har antagit att trycket inte spelar någon större roll vid inkorporering av titan. Vid uppskattning av kyltemperaturer förklaras ökat tryck av ökade temperaturuppskattningar och ökar därmed osäkerheten i uppskattningarna.