CC BY
76
УДК 551.89+550.93 Вестник СПбГУ. Сер. 7, 2003, вып. 2 (Лг® 15)
В. Ю. Кузнецов, X. А. Арсланов. В. Б. Козлов,
Ф. Е. Максимов, Л. А. Савельева, С. Б. Чернов, Н. Г. Баранова
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ УРАН-ТОРИЕВОГО МЕТОДА НЕРАВНОВЕСНОЙ ГЕОХРОНОЛОГИИ ДЛЯ ДАТИРОВАНИЯ МЕЖЛЕДНИКОВЫХ КОНТИНЕНТАЛЬНЫХ ОТЛОЖЕНИЙ1
Введение. Решение многих проблем четвертичной геологии и палеогеографии неразрывно связано с использованием надежных геохронологических методов датирования континентальных и океанических осадков. При изучении голоценовых и позднеплейстоценовых отложений на континенте наибольшее применение нашел радиоуглеродный метод определения абсолютного возраста органогенных формаций (торф, гит-тия. сапропель). На его основе были разработаны геохронологические шкалы, хроно-стратиграфические и климато-геохронологические схемы голоцена и второй половины позднего плейстоцена (последние 50-55 тыс. лет) [1. 2].
В последние десятилетия для датирования отложений минерального состава (пески. опесчаненные глины, минералы) с возрастом более 50-55 тыс. лет используются разные модификации термолюминисцентного (ТЛ) метода. Однако, как известно, данные ТЛ-датирования не всегда можно рассматривать как окончательные, так как они часто не совпадают с результатами других стратиграфических методов изучения плейстоценовых континентальных осадков. Поэтому вопрос об абсолютной геохронологии поздне- и среднеплейстоценовых формаций на континенте до настоящего времени остается открытым.
Известно, что для датирования океанических осадков, конкреций, кораллов и раковин моллюсков (из трансгрессивных морских отложений), возраст которых превышает 50-55 тыс. лет, применяются так называемые неравновесные методы ядерной геохронологии. Они основаны па установленном факте нарушения радиоактивного равновесия в урановом и актиноурановом природных рядах в океанической воде и соответственно в морских осадках и формациях [3, 4]. К этим методам относятся иониевый и протактипиевый, пределы датирования которых составляют около 300-350 и 150-200 тыс. лет соответственно, и их модификации. Радиоактивный распад избыточной активности дочерних радионуклидов 230ТЬ и 231 Ра над материнскими изотопами урана в колонке осадочной толщи используется для установления возраста донных осадков. Для определения возраста карбонатных отложений (раковин моллюсков, кораллов), наоборот, необходимо знать количество накопившегося к настоящему времени дочернего изотопа в сравнении с материнским ураном.
Датирование морских осадочных формаций по 230ТЪИЗб и 231Раизб в сочетании с методами биостратиграфического, изотопно-кислородного, палеотемпературного, палеомагнитпого и других видов анализов легло в основу обобщенной изотопно-кислородной шкалы океанических осадков и позволило выявить тесную корреляцию между колебаниями уровня и палеотемпературами Мирового океана, с одной стороны, и глобальными изменениями климата на Земле в плейстоцене — с другой [5-9]. Определение возраста ураи-ториевым методом, а также методом электронно-парамагнитпо-резопансной спектроскопии раковин моллюсков из трансгрессивных морских отложений дало возможность установить временные границы межледниковых уровней океана в позднем плейстоцене [10-13].
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №01-05-64870) и ИНТАС (№ 01-0675).
© В. Ю. Кузнецов, X. Л. Арсланов, В. Б. Козлов, Ф. Е. Максимов, Л. А. Савельева, С. Б. Чернов,
Н. Г. Баранова, 2003
В последнее время в Западной Европе находит применение уран-ториевый метод ядерной геохронологии для определения возраста континентальных органогенных отложений (погребенный торф), возраст которых достигает 300-350 тыс. лет. В отложениях погребенного торфа, как и в морских раковинах моллюсков, наблюдается нарушение радиоактивного равновесия в урановом ряду. При этом со временем из материнского урана, находящегося в органической фракции пробы в значительных количествах — (10 — 100) ■ 10~° г/г, — накапливается дочерний 230Th, а значение отношения 230Th/234U является мерой возраста образца. Первые результаты применения уран-ториевого датирования погребенных торфов опубликованы в 1980 г. [14]. В дальнейшем рядом исследователей проводилось изучение геохимического поведения изотопов урана и тория в отложениях погребенного торфа, разрабатывались основы и предпосылки уран-ториевого датирования этих формаций [15]. Однако возможности и ограничения урап-ториевого метода датирования до конца не проработаны, потому получаемые им датировки не всегда приводят к ожидаемым результатам, давая иногда искаженные возрастные данные.
В качестве объекта исследований был выбран разрез межледниковых микулинских отложений, представленных погребенным торфом и гиттией, и расположенный на территории Русской равнины (Смоленская обл., пос. Микулино). Эти осадки, изученные методами относительной геохронологии (палинологическим, палеокарпологическим и др.), исследователи относят ко времени последнего межледниковья, называемого мику-линским в России и эемским или рисс-вюрмским в Западной Европе, а разрез «Микулино» рассматривают как стратотип этого геологического периода. Возрастные границы данного межледниковья коррелируют с изотопно-кислородной стадией 5е, согласно гссхрспслогической шкале океанических осадков, и гпгтя.рляют приблизительно 115— 130 тыс. лет [5-7], или, по мнению ряда исследователей [12, 13], соответствуют всей стадии 5 (около 74-130 тыс. лет).
Основными целями настоящей работы являлись:
1) детальное изучение геохимического поведения изотопов урана и тория в вертикальном профиле отложений погребенного торфа из разреза «Микулино» для проработки основных предпосылок использования уран-ториевого метода датирования этих формаций;
2) получение первых в России значений абсолютного возраста погребенного торфа из стратотипического разреза микулинского межледниковья;
3) оценка возможностей применения уран-ториевого метода в геохронологических исследованиях верхне- и среднеплейстоценовых межледниковых отложений.
Предпосылки создания уран-ториевого метода датирования погребенных торфов. Первые сведения о содержании изотопов урана и тория в погребенных торфяниках приведены в монографии В. В. Чердьшцева [16]. Им было показано, что концентрация этих радионуклидов в торфах предположительно микулинского возраста обнаруживает заметное обогащение их как ураном (Th/U = 0,33), так и торием-230 (230Th/232Th = 3,6). Очень низкая способность живущих (растущих в настоящее время) растений концентрировать уран из грунтовых вод не может объяснить подобное насыщение ураном торфов. А.Шалаи [17] подсчитал, что производство 1 г сухого растительного материала требует 500 г воды, что приводит к обогащению ураном органической фазы в 500 раз (по отношению к грунтовой воде). Обычно концентрация урана в грунтовой воде составляет примерно несколько 10-9 г/г. Поэтому объяснить концентрацию урана в торфе порядка 10 — 100 ppm (10 — 100 ■ 10~6 г/г) таким путем не представляется возможным.
Некоторые авторы нашли, что продукты разложения органики в торфе имеют большую адсорбционную способность и играют главную роль в обогащении ураном торфяников [18]. Этот разложившийся органический материал содержит гуминовые и фульвокислоты, характеризуется наличием циклических ароматических структур и присутствием гидроксильных
и карбоксильных групп. При этом органические кислоты обладают очень высокой адсорбционной способностью по отношению к урану в уранил-форме, образуя очень стабильные уранил-органические комплексы [19]. Таким образом, включение в торф урана может идти двумя путями: а) образование нерастворимых органических комплексов и б) твердо-фазовое комплексообразование с гуматами, покрывающими поверхность глинистых частиц и материалов.
Более поздние работы подтвердили тот факт, что в торфе, как древнем, так и живом, наблюдаются высокие концентрации урана (от 25 • 10_6 г/г и выше), что в принципе создает возможность для их датирования уран-ториевым методом [14, 18]. Действительно, в дальнейшем было установлено, что высокие содержания 230ТЬ в погребенных торфах обусловлены его накоплением из материнского урана органической фазы (содержание которой иногда достигает 80-90%) осадков, а величина отношения 230ТЬ/234и может служить мерой возраста этих органогенных отложений [14, 15, 20].
Природные процессы, ответственные за формирование погребенного торфа, и геохимические пути поступления в эти отложения изотопов урана и тория схематически показаны па рис. 1 [15]. Из него видно, что поступление основной части урана (не считая минеральной, или детритной, составляющей) к отложениям торфа происходит по схеме: высвобождение нуклида из состава минеральных частиц (образующихся в результате эрозии подстилающих породообразующих минералов) с последующим окислением и растворением в воде — транспортировка в ионной форме (иОг)^ или в виде урапил-карбопатного комплекса [иОг(СОз)з]4 —закрепление в органическом субстрате торфа. Торий (232ТЬ), не имеющий в природе водорастворимых форм, может включаться в структуру формирующегося торфа только в составе минеральных (детритпых) частиц за счет речного или эолового переноса.
Основные положения уран-ториевого метода датирования отложений погребенного торфа. В процессе настоящего исследования были тщательно проработаны основные предпосылки уран-ториевого датирования этих формаций [4, 14, 15]: 1) датируемый образец должен представлять собой закрытую геохимическую систему по отношению к изотопам урана и тория; 2) не должно быть детритных урана и тория в датируемой органической фракции торфа в начальный момент времени его образования; если же в датируемой фракции образца присутствуют незначительные количества этих радионуклидов, то необходима коррекция на детрит-ные (привнесенные из минеральной фазы пробы) уран и торий-
Описание разреза «Микулино». Разрез «Микулино» расположен на юго-востоке Витебской возвышенности (рис. 2), платообразная поверхность которой расчленена системой валдайских ложбин ледникового выпахивания и размыва. Перепад высот между кровлей валдайской морены на водоразделе и ее подошвой в Никулинской ложбине составляет свыше 40 м.
Межледниковые гиттии и торфяники обнажаются в средней части склона Мику-линской ледниковой ложбины, унаследованные р. Рутавсчыо. и фиксируют собой положение дна межледникового водоема в микулинское время. Межледниковые осадки центральной части микулинского водоема были уничтожены в валдайское время при образовании ложбины. В результате эрозии и экзарации сохранились лишь краевые части межледникового озера на месте известных разрезов «Панская Гора» и «Мачеха» [21].
В 1998 г. были отобраны пробы из разреза озерно-болотных осадков микулинского межледниковья в селе Микулино Смоленской обл. (разрез «Панская Гора»). С целью детальных геохронологических исследований пробы отбирались через 5-10 см. Приведем описание разреза сверху вниз:
0.0-0,2 м — гумусированный суглинок с корнями деревьев;
0,2-0,3 м —торф темно-коричневый с вкраплениями песка;
0,3-1,3 м —торф темно-коричневый;
Рис. 1. Схема формирования погребенного торфа.
1,3-1,5 м — гиттия темно-серая, плитчатая; нижние 10 см являются водоносным горизонтом.
Экспериментальная часть. Для проведения радиохимических исследований использовались пробы высушенного торфа массой 3-5 г, отобранные из органогенной толщи в интервале глубин 0,2-1,3 м. Определение содержаний, или, точнее, удельных активностей, изотопов урана и тория осуществлялось только в органической фракции образцов из 17 слоев торфа по
58° с.ш.
всему профилю разреза. Озолепие проб производило'- при 600° С в течение 24 ч. Остаток после прокаливания выщелачивался раствором 7 н. ННОз- После центрифугирования минеральный остаток отбрасывался (на этой стадии анализа в оставшийся раствор вводились индикаторы химического выхода изотопов урана — 232U и тория — 234Th); а урановая и ториевая фракции очищались и разделялись с помощью хроматографических колонок. Затем каждая фракция в отдельности осаждалась из спиртового раствора па Pt-диски. Альфа-спектрометрические измерения осуществлялись в течение нескольких дней [22].
Палинологические исследования проводились на материале 15 образцов, отобранных по всей мощности разреза из каждого 10-саптиметрового слоя. Предварительная обработка и подготовка образцов для спорово-пыльцевого анализа производились по стандартной методике [23]. При построении спорово-пыльцевой диаграммы за 100% принята сумма пыльцы древесной и травянистой растительности, исключая водные растения и споры.
Обсуждение полученных результатов. Стратиграфия отложений по данным спорово-пыльцевого анализа. По результатам палинологических исследований построена спорово-пыльцевая диаграгмма (рис. 3). На основе изменения состава спорово-пыльцевых спектров удалось выделить 4 палинологические зоны, которые в соответствии с принятой схемой деления никулинского межледниковья можно отнести к зонам М5-М8 [24].
Зона М5 (глубина 1,4-1,2 м). В спектрах доминирует пыльца древесных пород, среди которой пыльца лещины (Corylus) и ольхи (Ainus) составляет 55 и 35% соответственно, что является максимальным количеством для всего разреза. Среди пыльцы широколиственных пород доминирует пыльца липы (Tilia) — около 10%, затем пыльца граба (Carpinus), дуба (Quercus) и вяза (Ulmus) — каждая не более 5%. Содержание пыльцы трав незначительно и колеблется от 2 до 8%. Споровые растения представлены только спорами папоротников (Polypodiaceae) — от 5 до 50%.
Зона Мб (глубина 1,2-0,75 м). В спектрах преобладает пыльца Ainus (20-40%) и Corylus (15-20%). Наблюдается появление пыльцы сосны (Pinus); пыльца ели (Picea) присутствует в значительном количестве (10-35%). Характерным для этой зоны является высокое содержание пыльцы Carpinus (10-15%). Среди споровых по-прежнему доминируют споры Polypodiaceae. В этой зоне зафиксированы также споры чистоуста коричного (Osmunda cinnamomea).
Рис. 3. Спорово-пыльцевая диаграмма отложений из разреза «Микулино:
Зона М7 (глубина 0,75-0,5 м). Резко сокращается участие пыльцы широколиственных пород (Carpinus. Quercus, Ulmus, Tilia), а. также пыльцы Ainus и Corylus. Постепенно возрастает содержание пыльцы Pinus (до 20%), тогда как количество пыльцы Picea достигает своего максимума (60%). В группе споровых растений сокращается количество спор папоротников и увеличивается содержание спор сфагиумовых мхов.
Зона MS (глубина 0,5-0,15 м). Кз состава спектров почти полностью выпадает пыльца широколиственных пород, а также Ainus и Corylus, сокращается количество пыльцы Picea до 15-20%. Основным домилантом становится пыльца Pinus (65-80%). Участие споровых незначительно и представлено спорами сфагиумовых мхов (8-15%) и папоротников (2-7%).
Таким образом, на диаграмме отражены все основные особенности в истории формирования лесной растительности микулинского межледниковья, которые считаются характерными для этой эпохи. Начальные стадии микулинского межледниковья (зоны М1-М4, по В.П.Гричуку, см. [24]) не зафиксированы в изучаемом разрезе. Для времени климатического оптимума отражено высокое содержание пыльцы широколиственных пород, обилие пыльцы лещины и ольхи. Однако последовательность кульминаций широколиственных пород и лещины несколько смазана из-за недостатка образцов из кровли гиттии. В данном разрезе нашла отражение только вторая фаза климатического оптимума (зоны М5-М6). Отчетливо выражены максимум пыльцы ели (зона М7) и следующий за ним максимум пыльцы сосны (зона М8), характеризующие вторую половину межледниковья. В целом же состав спорово-пыльцевых спектров сопоставим с тем, который был описан В. П.Гричуком в 1961 г. (см. [24]). Данные палинологического изучения осадков из стратотипического разреза «Микулино» позволяют отнести их ко второй половине микулинского межледниковья.
Распределение U и Th в вертикальном, профиле разреза. Результаты радиохимического анализа отложений погребенного торфа из разреза «Микулино» представлены в таблице и на рис. 4. Из полученных результатов видно, что концентрация радионуклидов и значения отношений U/Th (в органической фракции образцов) в верхней (А) и нижней (С) частях разреза заметно выше, чем в центральной (В). Поскольку поведение изотопов в этих слоях торфа различно, рассмотрим их в отдельности.
Слой А. В нем наблюдается высокое содержание урана, которое изменяется от 56,39 (горизонт 20-25 см) до 4,31 рргп (горизонт 55-60 см). Вертикальное распределение повышенных концентраций тория (по сравнению со моем В) близко распределению урана. Изменения зольности (показателя степени миперализовагшости торфа) хорошо согласуются с распределением
Образец Глубина, Зольность, и, Th, 238 u/232Th 238у 234 и,
см % ppm ppm dpm dpm
LU-4222 20-25 33,44 56,4 ± 2,4 3,74 ±0,04 15,08 ± 0,65 40,6 ± 1,7 42,8± 1,8
LU-4306 30-35 20,85 7,36 ±0,26 1,04 ±0,04 7, 08 ±0,38 5,3 ±0,2 5, 7 ±0,2
LU-4301 35-40 19,79 4,86 ± 0,29 1,30 ± 0, 10 3, 74 ± 0,37 3, 3 ± 0, 2 3, 5 ± 0,2
LU-4225 45-50 12,71 2,92 ± 0,15 1,26 ± 0,04 2, 32 ±0,14 2,0 ±0,1 2,1 ± 0,1
LU-4311 55-60 17,03 4,31 ±0,15 1,24 ±0,04 3,48 ±0,16 2,9 ± 0,1 3, 1 ± 0,1
LU-4302 60-65 10,58 1,42 ± 0,11 0,65 ±0,04 2, 18 ± 0,22 1,0 ± 0,1 1,1 ± 0,1
LU-4310 65-70 11,20 1,44 ± 0,12 0,69 ±0,04 2, 09 ±0,21 1,0±0, 1 1, 2 ± 0,1
LU-4304 70-75 10,25 1,29 ± 0,10 0,65 ±0,04 1,98 ±0,20 1, 0 ± 0, 1 0,9 ±0,1
LU-4226 75-80 8,09 1,08 ± 0,11 0,45 ± 0,04 2, 40 ±0,32 0,8 ±0,1 0, 8 ± 0, 1
LU-4308 80-85 9,50 1,94 ± 0,14 0,45 ± 0,04 4, 30 ±0,49 1,4 ± 0,1 1, 4 ± 0,1
LU-4305 85-90 9,33 1,47 + 0,13 0, 37 ± 0, 04 3,97 ±0,53 1,1 ± 0,1 1,2 ±0,1
LU-4232 90-95 10,16 2,26 ± 0,14 0,49 ± 0,04 4,61 ±0,48 1,6 ± 0,1 1,7 ±0,1
LU-4309 95-100 10,05 4,17 ± 0,14 0,52 ±0,04 8,02 ±0,67 3,0 ±0,1 3,1 ±0,1
LU-4227 100-105 10,48 5,28 ±0,14 0,41 ±0,04 12,88 ±1,20 3,8 ±0,1 4,0 ±0,1
LU-4307 105-110 9,83 6, 67 ±0,27 0,72 ±0,04 9, 26 ±0,65 4, 8 ± 0, 2 4,5 ± 0,2
LU-4303 110-115 10,43 9, 58 ±0,29 0,38 ±0,04 25,21 ±2,62 6, 9 ±0,2 6, 9 ±0,2
LU-4228 125-130 14,15 14, 9 ±0,6 0, 65 ± 0,04 22,88 ± 1,66 10, 7 ± 0,4 10, 7 ± 0,4
П р имечание. ppm — п ■ 10 6 г/г;
Глубина, см
U, ppm Th, ppm U/Th Зольность, %
Рис. 4- Распределение содержаний 238U, 232Th, отношения 238U/232Th и зольности в вертикальном профиле разреза «Микулино».
обоих радиоэлементов — U и Th. На основании этих данных, а также согласно приведенному выше описанию разреза, можно заключить, что слой торфа А содержит большие количества детритного (минерального происхождения) урана и тория, поступивших в органическую фазу в процессе выщелачивания проб при анализе образцов. Высокие значения отношений U/Th,
анализа образцов торфа
230Th, dpm dpm 234 j-j 230Th/234U 230Th/232Th Возраст, лет Слой
4, 15 ± 0,05 1,78 ±0,03 1,61 ± 0,07 1,16 ± 0,02 1,32 ±0,03 0,92 ± 0,01 0,25 ± 0,01 0,32 ± 0,03 0,31 ± 0,01 0,31 ± 0,01 1,06 ±0,01 1,07 ± 0,02 1.06 ± 0,04 1,02 ± 0,02 1.06 ±0,02 0,10 ± 0, 01 0,31 ±0,01 0,46 ±0,03 0,56 ±0,02 0,43 ±0,02 4, 51 ± 0,07 6,96 ±0,29 5,01 ± 0,45 3,72 ±0,13 4,31 ± 0,16 11 100 ± 500 40 700 ± 2200 67 300 ± 6200 89 900 ± 4600 60 000 ± 3300 А
0,61 ± 0,02 0,66 ±0,02 0,65 ± 0,02 0,45 ±0,01 0,90 ±0,03 0,69 ±0,01 0,96 ±0,01 0,16 ± 0,01 0,17 ± 0, 01 0,16 ± 0,01 0,11 ±0,01 0,11 ±0,01 0,09 ± 0,01 0,12 ± 0,01 1,05 ±0,02 1,14 ±0,05 0,94 ±0,04 1.01 ±0,05 1.01 ±0,04 1,07 ±0,03 1.01 ±0,02 0,57 ±0,02 0,56 ±0,02 0,73 ±0,03 0,57 ±0,03 0,63 ±0,03 0,61 ±0,02 0,58 ±0,02 3,91 ± 0,27 3,90 ±0,26 4, 25 ±0,39 4,05 ± 0,38 8,31 ±0,82 7, 64 ± 0, 76 8,03 ±0,66 91 800 ± 5200 89 000 ± 6200 143 000 ± 16 000 90 300 ± 7400 108000 ± 9200 102 000 ± 6300 94 900 ± 4900 В
1,43 ± 0,03 1,89 ±0,03 2,39 ±0,05 3,09 ±0,04 4,87 ± 0,10 0,13 ± 0,01 0,10 ±0,01 0,18 ± 0,01 0,09 ± 0,01 0,16 ± 0,01 1,01± 0,02 1,04 ±0,03 0,94 ±0,02 0,99 ±0,02 1,00 ± 0,01 0,47 ±0,02 0,48 ±0,02 0,54 ±0,02 0,45 ±0,01 0,45 ±0,02 11,22 ± 0,89 18,68 ± 1,68 13,51 ± 0,80 32,17± 3,23 30,25 ± 1,97 67900 ± 3500 70 500 ± 3800 83 100 ± 5600 65 000 ± 2800 65 100 ± 3400 С
dpm — распады/мин-г.
достигающие 15.08, свидетельствуют, кроме того, о дополнительной поставке урана в составе грунтовых вод в слои торфа уже после их формирования и фиксации этого радионуклида органической составляющей образцов. Это связано, по-видимому, с тем, что верхние горизонты разреза располагались в относительной близости от грунтовых вод. Таким образом, можно заключить, что все горизонты из слоя А являются зоной открытой геохимической системы по отношению к урану.
Слои В. с5десь отчетливо прослеживается близость вертикальною распределения зиль-иости, отношений U/Th, концентраций урана и тория между собой. Кроме того, значения этих показателей во всех горизонтах практически постоянны и являются наименьшими для разреза в целом. Полученные нами результаты позволяют рассматривать внутреннюю (центральную) часть отложений торфа как закрытую геохимическую систему по отношению к U и Th. Однако обращает на себя внимание величина отношения активностей 234U/238U в слое 70-75 см, которая существенно меньше равновесного значения 1,0. Это может свидетельствовать о преимущественном выщелачивании 234U по отношению к материнскому 238U, так как он является атомом отдачи согласно «эффекту Чердынцева» [16]. С данных позиций такой слой торфа нельзя считать геохимической закрытой системой по отношению к урану. Потому только 6 образцов из слоя В можно признать пригодными для их датирования урап-ториевым методом.
Слой С. В нем содержание тория и значения зольности такие же, как в слое В. При этом распределение тория и зольности близки между собой и практически постоянны по глубине. Это может свидетельствовать об отсутствии значительного количества минерального детрита в нижней части разреза. Однако существенное повышение как концентрации урана (до 14,86 ррт), так и отношения U/Th (до 25,21) является, по-видимому, результатом дополнительной поставки урана в горизонты торфа уже после их формирования. Таким образом, слой С (располагающийся в достаточной близости от грунтовых вод, что подтверждается описанием разреза) можно рассматривать как открытую геохимическую систему в отношении урана.
Тщательное радиохимическое изучение отложений погребенного торфа из разреза «Микулино» показало, что слои А и С служат своеобразными фильтрами (или геохимическими барьерами), препятствующими обогащению ураном (и в некоторой степени торием в составе мельчайшего минерального детрита) внутренних горизонтов торфа (слой В) уже после их образования. Поэтому 6 центральных образцов из слоя В, которые ведут себя подобно закрытым геохимическими системам, могут быть использованы для их датирования уран-ториевым методом.
Датирование уран-ториевым, методом. Результаты прямого датирования уран-ториевым методом органогенных отложений из разреза «Микулино» представлены в таблице. Из нее видно, что верхние и нижние части разреза содержат повышенные по сравнению со слоем В значения отношений и/ТИ. Это приводит к омоложению возраста образцов (исключая образец ЛУ-4225 с датировкой около 90 тыс. лет). Датирование образцов из центральной части разреза дает возраст в пределах 89-143 тыс. лет. Однако в таких образцах (в их органической фазе) присутствуют, как видно из рис. 4 и таблицы, незначительные количества 232ТИ. Известно, что при растворении образцов торфа в процессе анализа из глинистой составляющей (детрита) в выщелат могут переходить некоторые количества 230ТЬ, 232Т]1, 238ЪГ, 234и, что вызывает искажение значений отношений 230ТЬ/234и и 234и/238и в датируемой органической фракции проб. Факт привноса детритных урана и тория устанавливается по присутствию 232ТЬ в органогенной фазе образца, поскольку этот долгоживущий изотоп тория (родоначальник ториевого радиоактивного ряда) может нах. диться в отложениях торфа только в составе минерального детрита. Таким образом, чтобы получить истинный возраст отложений погребенного торфа, необходимо знать величину 230Т11/234и (на сегодняшний день) в датируемой органической фракции.
Коррекция полученных значений 230 Т/г/234 V и 234 и/238 II по методу изо-хрон. Поскольку не существуют химические и физические методики полного разделе-‘ния органической и минеральной составляющих торфа, используется математическая коррекция прямых уран-ториевых датировок с применением метода изохрон [4, 15]. Суть этого метода заключается в том, что при растворении одновозрастных (в пределах ошибки) проб торфа изотопы урана и тория поступают в выщелат в одних и тех же соотношениях (при одинаковых условиях проведения эксперимента). Тогда полученные значения изотопных отношений сформируют прямую линию на графиках 234и/232ТЬ — 238и 232ТЬ и 230ТЬ/232ТЬ — 234и'/232ТЬ (см. рис. 4). Углы наклона построенных таким образом изохрон соответствуют скорректированным на детритный привнос значениям отношений 234и/238И и 230ТЬ/234и, которые и используются в дальнейшем при расчете истинного абсолютного возраста исследованных погребенных торфов по формуле
230
ть
238
и
(1 - е-А°‘)
234 и 234 и
где Ао и Л4 — постоянные радиоактивного распада 230Т11 и 23411; 230ТЬ/234и и 238и 234и — отношения активностей, рассчитанные по методу изохрон; £ — возраст образца [4, 15].
Рассчитанный таким образом (с использованием 6 образцов из центральной части) скорректированный возраст внутренних горизонтов разреза «Микулино» (слой В) дает значение 113 000 ± 11 000 лет (рис. 5). Полученная абсолютная датировка микулинских отложений торфа (в пределах ошибки метода) вполне соответствует временным границам (порядка 115-130 тыс. лет [5-7]) изотопно-кислородной стадии океанических осад-
10
20 Г
8
6
4
2
0
0
0
5
10
15
20
0
5
10
15 20
Рис. 5. Графики изохрон для внутренней части разреза «Микулино» (рассчитанный абсолютный возраст — 113 000 ± 11000 лет).
а — у = 0, 6478а; — 0, 5632, i?2 = 0, 9893; б— у — 0, 9789х + 0, 6186, R2 = 0, 9914.
ков 5е и согласуется с данными спорово-пыльцевого анализа, позволившими отнести исследованные органогенные осадки ко второй половине последнего межледниковья.
Контрольное радиоуглеродное датирование одного образца (слой 25-40 см) показало возраст более 50 тыс. лет.
Аналогичные геохронологические исследования микулинских органогенных отложений из парастратотипического разреза «Нижняя Боярщина» (Смоленская обл.) на территории Русской равнины подтвердили возможность получения достоверных уран-ториевых датировок древних межледниковых осадков. Скорректированное значение абсолютного возраста внутренних слоев этого разреза также укладывается в рамки изотопно-кислородной стадии 5е и составляет 119 500 ± 11 000 лет.
До последнего времени не был решен вопрос об абсолютном возрасте погребенного торфа из разреза «Филевский парк», расположенного в г. Москве. Эти спорные в хроностратиграфическом отношении осадки исследователи относят как к микулин-скому (изотопно-кислородная стадия 5), так и к одинцовскому (стадия 7, приблизительно 180-240 тыс. лет) времени. Применение уран-ториевого метода (в сочетании с палинологическим анализом) позволило получить скорректированное значение возраста внутренней части этого разреза —89 ±11 тыс. лет и установить принадлежность погребенного торфа из разреза «Филевский парк» микулинскому межледниковью [25].
Заключение. Проведены исследования, направленные на изучение и проработку основ (предпосылок) уран-ториевого метода датирования погребенных торфов. Особенности геохимического поведения урана и тория детально изучались на примере органогенных отложений из стратотипического разреза «Микулино» (Смоленская обл., пос. Микулино). Полученные результаты комплексных геохронологических исследований позволили сделать ряд выводов:
1) установлено, что верхние и нижние части разреза служат своеобразными геохимическими барьерами для изотопов урана и тория, тогда как внутренние слои отло-
жений можно рассматривать как геохимическую закрытую систему по отношению к этим радионуклидам; это дало возможность использовать уран-ториевый метод ядер-ной геохронологии для датирования центральной части разреза;
2) применение математической модели по методу изохрон позволило учесть привнесенные количества детритного урана и тория и скорректировать полученные прямые датировки. Вычисленный таким образом абсолютный возраст внутренней части разреза «Микулино» составил 113000 ± 11000 лет и соответствует временным рамкам изотопно-кислородной стадии 5е;
3) результаты спорово-пыльцевого анализа осадков относят их ко второй половине микулинского межледниковья, хорошо согласуются с данными предыдущих палинологических исследований отложений разреза «Микулино» и подтверждают полученное значение их абсолютного возраста.
Достоверные уран-ториевые датировки микулинских органогенных отложений открывают широкие перспективы использования этого метода ядерной геохронологии (в сочетании с термолюминесцентиым. оптико-люминесцентным, палеоботаническими и палеофаунистическими анализами) для внесения ясности в проблему хроностратиграфии верхнего и среднего плейстоцена (вплоть до возрастных границ метода — 300-350 тыс. лет) на территории России. Тем самым появляются возможности для: 1) идентификации спорных в хроностратиграфическом отношении органогенных отложений и отнесения их к тому или иному межледниковью / межстадиалу; 2) установления хронологии формирования осадков в межледниковое время благодаря более детальному радиохимическому анализу Мощных органогенных толщ (более 1 м) и выделению горизонтов в профиле разреза, отвечающим условиям закрытой геохимической системы; это позволит получить ряд последовательных скорректированных значений абсолютного возраста для внутренней части изучаемого профиля и продатировать слои торфа, относящиеся ко времени, близкому к началу и завершению того или иного межледни-ковья/межстадиала, а также рассчитать возраст соответствующих оптимумов; 3) внесения существенного вклада в обоснование хроностратиграфии верхнего и среднего плейстоцена на территории России.
Summary
Kuznetsov V.Yu.. Arslanov Kh.A., Kozlov V.B., Maksimov F.E., Savelyeva L.A., Chernov S.B., Baranova N. G. Perspectives of applyng of U-Th method of disequilibrium geohronology for dating of interglacial terrestrial deposits.
A detailed radiochemical investigation of interglacial peat from the stratotypical “Mikulino” section (Smolensk province) was carried out. The geochemical behavior of U and Th isotopes in the samples were studied and prerequistes for using uranium-thorium method for dating of terrestrial organogenous deposits, whose age is beyond the scope of the the radiocarbon dating method, were worked out. Determination of uranium and thorium contents was made in each 5-cm layer of peat with total thickness of 110 cm. It was found out that only 6 inner sections layers were closed geochemical systems with regard to U and Th and could be used for the uranium-thorium dating. This allowed us to estimate their direct absolute ages in the range from 89 ka to 108 ka. Applying of isochron method enabled additional contents of detrital U and Th to be taken into account as involved in the organic sample fractions during the radiochemical analysis. The age of the central section part corrected in this way yielded the dating of 113±11 ka. A detailed palynological analysis of each 10-cm peat layer of the section was carried out. Spore pollen diagram was built and showed 4 pollen zones (M5-M8) in accordance with the adopted subdivision scheme of the Last Inerglacial. The dated inner section layer corresponds to palynozones M6-M7. The results of a similarly comprehensive investigation of organognous deposits from the parastratotypical section “Nizhnyaya Boyarshchina” (Smolensk province) and the section “Fili Park” (Moscow City) are also
given. The corrected ages of the inner section layers were 119,5±11,0 ka and 89±11 ka, respectively.
The perspectives of applyng of 230Th/U dating method for organogenous terrestrial deposits as old 300-350 ka were discussed.
Литература
1. Хотинский H.A. Радиоуглеродная хронология и корреляция природных и антропогенных рубежей голоцена // Новые данные по геохронологии четвертичного периода / Под ред. Я.-М. К. Пуннинга. М., 1987. 2. Arslanov Kh.A. Late Pleistocene geochronology of European Russia // Radiocarbon. 1992. Vol. 35, N 3. 3. Кузнецов Ю.В. Радиохронология океана. М., 1976. 4. Ivanivich М., Harmon R.S. (eds). Uranium-series disequilibrium: Applications to earth, marine and environmental sciences. 2nd Edn. Oxford, 1992. 5. Morley J.J., Hays J.D. Towards a high-resolution global deep-sea chronology for the last 750000 years // Earth and Planet. Sci. Lett. 1981. Vol. 53, N 3. 6. Shackleton N.J., Opdyke N.D. Oxigen isotope and plaleomagnetic stratigraphy of Eguatorial Pacific Core V29-238: oxygen isotope temperatures and ice volumes on a 105 year and 106 year scale // Quater. Res. 1973. Vol. 3, N 1. 7. Martinson D.G., Pisias N.G., Hays J.D. et al. Age dating and the orbital theory of the ice ages: Development of a high-resolution 0 to300,000-year chronostratigraphy // Quater. Res. 1987. Vol.' 27, N 1. 8. Арсланов X.A., Бараш М.С., Кузнецов В.Ю. О геохронологии среднего и верхнего плейстоцена по данным изучения осадков Северной Атлантики /'/ Океанология. 1988. Т. XXVIII, вып. 4. 9. Kuznetsov V.Yu., Arslanov Kh.A., Shilov V.V. et al. 230Th-excess and 14C dating of pelagic sediments from the hydrothermal zone of the North Atlantic // Geochronometria. 2002. Vol. 21. 10. Арсланов X.A., Тертычный Н.И., Герасимова С.А., Локгиин Н.В. К вопросу о датировании морских раковин моллюсков по отношению Th230/U234 // Геохимия. 1976. №11. 11. Arslanov Kh.A., Ter-tychny N.I, Kuznetsov V.Yu. et al. Dating of Caspian, Barents, White and Black sea coast shell molluscs by uranium/ioniummethod // Geochronometria. 2001. Vol. 21. 12. Molodkov A.N., Bo-likhovskaya N.S. Eustatic sea-level and climate changes over the last 600 ka as derived from mollusc-based ESR-chronostratigraphy and pollen evidence in Northern Eurasia // Sedimentary Geology. 2002. Vol. 150. 13. Болиховс.кая H.C., Молодъков A.H. К корреляции континентальных и морских четвертичных отложений Северной Евразии по палинологическим данным и результатам ЭПР датирования // Актуальные проблемы палинологии па рубеже третьего тысячелетия / Под ред. Н. С. Болиховской, Л. В. Ровнина. М., 1999. 14. Vogel J., Kronfeld J. A new method for dating peat // South. Africa Sci. 1980. Vol. 76. 15. Heijmis H Uranium/thorium dating of Late Pleistocene peat deposits in N.W Europe. Groningen, 1995. 16. Чердыицев В.В. Уран-234. М.. 1968. 17. Szalay A. Accumulation of uranium and other micrometals in coal and organic shales and the role of humic acids in these geochemical enrichments // Ark. Mineral. Geol. 1969. Vol. 5. 18. Hal-bach P., Von Borstel D., Gunderman K.-D. The uptake of uranium by organic substances in a peat bog environment on a granite // Chem. Geol. 1980. Vol. 29. 19. Borovec Z., Kribek B., Tolar V. Sorption of uranyl by humic acids // Chem. Geol. 1979. Vol. 27. 20. Van der Wijk A., El-Daoushy F., Arends A.R., Mook W.G. Dating peat with U/Th disequilidrium: Some geochemical considerations // Chem. Geology (Isotope Geoscience Section). 1986. Vol. 59. 21. Санъко А.Ф. Неоплейстоцеп северо-восточной Белоруссии и смежных районов РСФСР. Минск, 1987. 22. Кузнецов В.Ю., Арсланов Х.А., Шилов В.В. и др. Распределение урана и тория в металлоносных осадках гидротермальной зоны Северной Атлантики // Радиохимия. 2000. №6. 23. Arslanov Kh.A.. Saveljeva L.A., Gey V.A. et al. Chronology of vegetation and paleoclimatic stages of Northwestern Russia during the Late Glacial and Holocene // Radiocarbon. 1999. Vol. 41, N 1. 24. Гричук В.FI. Ископаемые флоры как палеонтологическая основа стратиграфии четвертичных отложений // Рельеф и стратиграфия четвертичных отложений Северо-Запада Русской равнины / Под ред. К. К. Маркова. М,, 1961. 25. Kuznetsov V. Yu., Arslanov Kh.A., Alekseev M.N. et al. New age data of buried peat deposits from the site «Fili Park» (Moscow, Russia) by the uranium-thorium dating and palynological analysis and its stratygraphic significance // Geochronometria. 2002. Vol. 21.
Статья поступила в редакцию 25 ноября 2002 г.
