Лаборатория изотопной геохимии и геохронологии

Основные направления и объекты исследований:

• Геохронология процессов рудообразования и магматизма, источники вещества месторождений стратегических металлов на основе данных изучения U-Pb, Rb-Sr, Sm-Nd, K-Ar изотопных систем и вариаций изотопного состава Pb, Sr, Nd, S, O.
• Региональные и локальные вариации изотопного состава свинца в металлогенических провинциях Евразии, их связь с геологическим строением и тектоническим развитием регионов.
• Геохронология, периодизация катастрофических извержений и источники магм новейшего неоген-четвертичного этапа вулканизма в Евразии.
• Фракционирование стабильных изотопов легких элементов (О, Н, С,S) в природных и экспериментальных условиях: приложение к изучению формирования магматических пород, рудообразующих флюидных систем и взаимодействия флюид-порода.
• Поведение стабильных изотопов легких элементов (О, Н, С) при трансформации изотопного и солевого состава вод морей Российской Арктики.
• Поиск и изучение вариаций природной распространенности «нетрадиционных» изотопов как потенциальных трассеров природных процессов.
• Развитие методов изотопной геологии, совершенствование методик изотопного анализа.

Важнейшие научные результаты, полученные за последние годы

• Комплексные геохронологические (Rb-Sr, 40Ar-39Ar)и изотопно-геохимические (Pb, Sr, Nd, δ34S) исследования золоторудных месторождений «сухоложского» типа Бодайбинского района, лидирующего золотодобывающего региона России, впервые позволили обосновать раннепалеозойский возраст (450-430 млн. лет) и источники вещества рудной минерализации, а также подтвердить ее гидротермально-метаморфогенное происхождение (Chugaev, Budyak, Larionova, Chernyshev, Travin, Tarasova, Gareev, Batalin, Rassokhina, Oleinikova, 2022).
• В ряде известных металлогенических провинций России на основе разработанного в лаборатории (2007 г.) высокоточного (±0.02%) МС-ICP-MS метода изотопного анализа проведены систематические исследования изотопного состава свинца рудных месторождений и ассоциирующих с ними пород. Результаты изучения 120 проб галенита из 27 Au-Ag месторождений Южно-Верхоянского синклинория (ЮВС), включая крупное месторождение Нежданинское (628.8 т, Au), позволили выявить четкую свинцово-изотопную специализацию месторождений различного генетического типа. Источником свинца являлось вещество океанической коры после короткого ее пребывания (short residence) в составе континентальной коры (Чернышев, Чугаев, Бортников, Гамянин, Прокопьев, 2018). На основе результатов изотопного Pb-Pb изучения 20 месторождений (по 40 пробам галенита) крупнейшей в России Южно-Сихотэ-Алиньской Sn-В-полиметаллической металлогенической провинции идентифицированы главные региональные источники рудного свинца: раннемеловые осадочные толщи и мантийный источник типа MORB (Chugaev, Chernyshev, Ratkin, Gonevchuk, Eliseeva, 2020). В колчеданно-полиметаллической провинции Рудного Алтая выявлена высокая гомогенность изотопного состава Pb, как в провинции в целом, образующей линейный пояс протяженностью 500 км., так и в пределах рудных районов и месторождений. Изучено 20 месторождений по 61 пробе галенита (рис. 1).Эволюционные характеристики источника Pb позволяют рассматривать в качестве источника металлов субконтинентальную литосферную мантию (Чернышев, Викентьев, Чугаев, Дергачев, Раткин, 2023).

Рис. 1. Изотопные диаграммы 206Pb/204Pb – 208Pb/204Pb (a) и 206Pb/204Pb – 207Pb/204Pb (б) с результатами измерений изотопного состава свинца галенита колчеданно-полиметаллических месторождений Зыряновского, Лениногорского, Змеиногорского и Рубцовского рудных районов Рудного Алтая.

• Результаты изучения месторождения Восток (Сев. Казахстан) – самого крупного среди Mo-U месторождений Средней Азии и Казахстана показали, что под действием наложенного верхнепалеозойского процесса первичные урановые минералы месторождения утратили свои U-Pb геохронологические «метки», а информация о возрасте месторождения сохранилась в виде «замороженных» изотопных отношений 207Pb/204Pb и 206Pb/204Pb в переотложенном галените. Детальное U-Pb (ID TIMS) и Pb-Pb изотопное изучение разновозрастных генераций настурана и галенита (рис. 2) позволило установить время проявления наложенного гидротермального события 267±7 млн. лет назад и возраст начального этапа рудообразования (413±7 млн. лет) (Голубев, Чернышев, 2022).

Рис. 2. Месторождение Восток. Переотложенный галенит (белый) в кварц-карбонатном прожилке, секущем настуран 2 (серый). Места отборки проб настурана обозначены белыми эллипсами, а галенита – черным элипсом.

• Для расшифровки истории формирования гидротермальной урановой минерализации крупнейшего в России и Евразии Стрельцовского рудного поля (Вост. Забайкалье) по флюоритовой жиле заключительной стадии формирования месторождений получены две Sm-Nd изохроны (рис. 3). Они дают значения возраста соответственно 134.8±1.3 млн. лет (СКВО = 0.43) и 135.8±1.6 млн. лет (СКВО = 1.5). Высокая точность результатов в основном обязана локальному микроотбору проб флюорита вдоль зон роста флюорита. С учетом этих высокоточных согласующихся датировок и ранее полученных значений возраста настурана основной рудной стадии 135.1 млн. лет (U-Pb ID TIMS) оценена длительность гидротермальных процессов в пределах рудного поля: она не превышает 1.0 млн. лет (Чернышев, Алешин, Голубев, Ларионова, Гольцман, 2016).

Рис. 3. Sm-Nd изохронная диаграмма для образца флюорита 2F.

• За истекшие 25 лет работами Лаборатории с помощью низкофонового варианта К-Ar метода, а также Rb-Sr метода создана геохронология неоген-четвертичного магматизма, проявленного на территории России и некоторых сопредельных стран (Лебедев, Чернышев, Чугаев, Гольцман, Баирова 2010). Так, для Кавказского сегмента альпийского пояса в большинстве вулканических областей Большого и Малого Кавказа датировано около 200 вулканов, показан дискретный характер извержений, выделено 4 этапа молодого магматизма Кавказского сегмента: среднемиоценовый (15-13 млн. лет), позднемиоценовый (11-5 млн. лет), плиоценовый (5-1.5 млн. лет) и четвертичный (менее 1.5 млн. лет назад). В истории развития Казбекского вулканического центра на Большом Кавказе выделены 4 фазы магматической активности: 460–380, 310–200, 130–90 и менее 50 тыс. лет назад. В связи с тем, что последние извержения в районе Казбека происходили в голоцене, вулкан отнесен к категории потенциально-активных. Для Казбекского центра впервые составлены детальная вулканологическая карта (масштаб 1/25000) и геохронологическая шкала со стратиграфической колонкой (рис. 4) (Парфенов, Лебедев, Чернышев, Вашакидзе, Якушев, Гольцман, Чугаев, Олейникова, Канунникова, Габарашвили, 2019).

Рис. 4. Геохронологическая шкала и стратиграфическая колонка Казбекского неовулканического центра (Парфенов, Лебедев, Чернышев, Вашакидзе, Якушев, Гольцман, Чугаев, Олейникова, Канунникова, Габарашвили, 2019).

• Впервые на основе прямых экспериментальных исследований изотопных отношений 18О/16О в силикатных расплавах разного химического состава установлено наличие интраструктурного изотопного фракционирования кислорода, обусловленного разной способностью к концентрированию тяжелого изотопа атомами кислорода, находящимися в разных структурных позициях (мостикового и немостикового кислорода). Полученный изотопный эффект является крайне существенным (4.19 ‰) для температуры эксперимента (1500°С) и указывает на необходимость коррекции расчетов изотопных равновесий кислорода при плавлении, дифференциации расплавов и их ликвации в природных и технических системах (рис. 5) (Дубинина, Борисов, 2018; Борисов, Дубинина, 2014).

Рис. 5. Экспериментальное изучение влияния состава и структуры расплава на изотопное фракционирование кислорода.

• На основе изучения изотопного состава кислорода Южной Зоны гранулитового комплекса Лимпопо (ЮАР) в минералах метаморфических пород, гранитоидов интрузивных тел, жил и прожилков во вмещающих тоналитовых гнейсах и метапелитах выявлены процессы и условия, определившие формирование этих пород (рис. 6) (Dubinina e tal., 2015).

Рис. 6. Распределение стабильных изотопов легких элементов в процессах метаморфизма высоких ступеней.

• Проведена реконструкция кристаллизационной дифференциации расплавов, ретроградного изотопного обмена и автометаморфизма многофазного гранитного массива Раумид, основанная на комплексном (изотопно-кислородном, петрографическом, геохимическом) изучении представительных образцов каждой из фаз внедрения массива, а также свежих и измененных разностей Qz, Pl, Kfs и Bt. Установлено, что геохимические черты гранитов массива Раумид соответствуют как гранитам А-типа, так и высоко фракционированным гранитам I-типа. Дифференциация кислых расплавов Раумида протекала при 750–800°С, Р = 4.5–7.8 кбар с преимущественной кристаллизацией Pl. Рассчитанные кажущиеся скорости остывания гранитов отражают динамику внедрения расплавов в гипабиссальную зону, которое протекало в три этапа: (γ1–γ3), (γ4–γ6), (γ7, γ8) (Дубинина и др., 2023).
• Проведено изотопное Rb-Sr изучение разностей плагиоклаза из лейкогранитов Раумидского массива (Памир). Показано, что соссюритизация привела к увеличению в измененном плагиоклазе концентраций Rb и Sr, при этом изотопные отношения 87Rb/86Sr и (87Sr/86Sr)0 также увеличились; соссюритизация плагиоклаза в гранитах сопровождается привносом щелочных и щелочноземельных элементов (Шатагин, Волков, 2020).
• В результате работ по новому направлению – изучению природного фракционирования изотопов урана 238U и 235U, в настуране ряда гидротермальных урановых месторождений впервые обнаружены сдвиги величины δ238U, достигающие 0.7 ‰ (Чернышев, Голубев, Чугаев, Баранова, 2014). В экзогенных урановых месторождениях «песчаникового» типа Витимского урановорудного района (Дыбрын, Намаруи Вершинное) по данным распределения содержаний изотопов234U,235U и 238U установлены вариации величины δ238U до 2.9‰, зависящие от различного положения образцов по отношению к фронту рудоотложения и смены окислительно-восстановительных условий. Кроме того, оценена направленность постформационного перераспределения урана в рудных залежах (Голубев, Чернышев, Чугаев, Еремина, Баранова, Крупская, 2013; Golubev, Chernyshev, Kochkin, Tarasov, Ochirova, Chugaev, 2022).
• Показано, что при современном взаимодействии гидротермального настурана с трещинными водами в процессе окисления U(IV)→U(VI) и перехода U(VI) в водную фазу, происходит обогащение растворенного в воде урана изотопом 235U на 0.15-0.28 ‰. При замещении настурана минералами U(VI) также происходит фракционирование изотопов 238U и 235U с обогащением (~0.3 ‰) легким изотопом 235U более поздних минеральных фаз U (Чернышев, Голубев, Чугаев, Манджиева, Гареев, 2019).
• На примере изучения образцов самородного серебра и золота ряда крупных золоторудных месторождений мира показано, что величина 107Ag/109Ag, варьирующая от +0.9 до –5.0 ε107Ag, не коррелирует с возрастом месторождений, составом руд и вмещающих пород. Причинами вариаций величины 107Ag/109Ag, по-видимому, является изотопная гетерогенность источников Ag и фракционирование изотопов серебра в рудообразующих процессах (Чугаев, Чернышев, 2012).