ČLENSTVÍ ZDARMA
Úvod Magazín Připravujeme Přebytek argonu v minerálových koncentracích z nového dacitového lávového dómu sopky Mount St. Helens

Přebytek argonu v minerálových koncentracích z nového dacitového lávového dómu sopky Mount St. Helens

Zde je zveřejněn překlad článku bez provedené korektury.
Nyní pracujeme na odborných a jazykových korekturách a na přípravě grafiky.

Link na článek v angličtině: Excess argon within mineral concentrates from the new dacite lava dome at Mount St Helens volcano

Autor: Steven A. Austin

V originále vydáno: Excess argon within mineral concentrates from the new dacite lava dome at Mount St Helens volcano, prosinec 1996

Souhrn

Konvenční metoda datování K-Ar byla použita na dacitový tok z roku 1986 z nového lávového dómu na Mount St Helens ve Washingtonu. Porfyrický dacit, který v roce 1986 ztuhl na povrchu lávového dómu, poskytuje „stáří“ celé horniny podle K-Ar 0,35 ± 0,05 milionu let (Ma). Minerální koncentráty z dacitu, který se vytvořil v roce 1986, udávají K-Ar „stáří“ od 0,34 ± 0,06 Ma (koncentrát živcového skla) do 2,8 ± 0,6 Ma (koncentrát pyroxenu). Tato „stáří“ jsou samozřejmě absurdní. Základní datovací předpoklad („v době vzniku horniny nebyl přítomen žádný radiogenní argon“) je těmito údaji zpochybněn. Data z tohoto dacitu z Mount St Helens naopak tvrdí, že při tuhnutí lávy v roce 1986 byl přítomen značný „přebytek argonu“. Fenokrystaly ortopyroxenu, hornblendu a plagioklasu jsou interpretovány tak, že argon byl zakryt v jejich minerálních strukturách hluboko v magmatické komoře a že si tento argon zachoval po usazení a ztuhnutí dacitu. Množství okludovaného argonu je pravděpodobně funkcí tlaku argonu při krystalizaci minerálů v hloubce a/nebo těsnosti minerální struktury. Nejvíce argonu si zachovává ortopyroxen, dále rohovec a nakonec plagioklas. Lávový dóm na hoře Svatá Helena je datován velmi výrazně starší, než je jeho skutečné stáří, protože fenokrystalické minerály dědí argon z magmatu. Studium tohoto dacitu z Mount St Helens vede k položení zásadnější otázky – jak přesné je K-Ar „stáří“ mnoha dalších lávových proudů obsahujících fenokrystaly po celém světě?

Úvod

Obrázek 1. Nejnovější lávový dóm uvnitř kráteru ve tvaru podkovy na hoře Svatá Helena během jeho budování v srpnu 1984. Foto: S.A. Austin

Dacitové magma na hoře Mount St Helens ve státě Washington se přímo projevilo během šesti explozivních magmatických erupcí v roce 1980 (18. května, 25. května, 12. června, 22. července, 7. srpna a 17. října 1980). Toto magma vyvolalo charakteristické pliniové, explozivní erupce, kterými je sopka proslulá. Po třech z těchto explozivních erupcí (12. června, 7. srpna a 17. října) měl magmat v blízkosti povrchu dostatečně nízký tlak páry, takže viskózní lávové proudy vytvořily v kráteru tři po sobě jdoucí kopulovité struktury. První dva dacitové lávové dómy vybudované uvnitř kráteru (koncem června a začátkem srpna 1980) byly zničeny následnými explozivními erupcemi (22. července a 17. října). Třetí dacitový lávový dóm se začal objevovat 18. října 1980 nad okrajem přívodního kanálu o průměru 25 metrů.

Nový dacitový lávový dóm

Po 18. říjnu 1980 se začal objevovat tento třetí a nejnovější složený dacitový dóm. Do října 1986 se tento nejnovější lávový dóm rozrostl uvnitř kráteru ve tvaru podkovy do obrovské struktury o výšce až 350 m a průměru až 1060 m (viz obr. 1 a 2). Lávový dóm vznikl složitou sérií lávových výlevů, občas doplněných vnitřním nafukováním dómu mělkými intruzemi dacitového magmatu do jeho roztaveného jádra. Extruse lávy vytvářely krátké (200-400 m) a silné (20-40 m) proudy navršené jeden na druhý.2 Většina dacitových proudů se táhla jako laloky směrem od vrcholového středu dómu a zpravidla se rozpadala na velmi blokovitý talus na bocích dómu, než dosáhla dna kráteru (viz obr. 3).

Obrázek 2. Nový lávový dóm Mount St Helens je tvořen 74 miliony metrů krychlových dacitových proudů a intruzí, které vznikly v kráteru mezi 18. říjnem 1980 a 26. říjnem 1986 Pohled je směrem k severu při pohledu přes lávový dóm do zóny výbuchu z roku 1980. Foto Lyn Topinka z US Geological Survey, podle Pringle, Ref. 1

Mezi 18. říjnem 1980 a 26. říjnem 1986 při sedmnácti epizodách růstu dómu přibylo do tohoto třetího a nejnovějšího dómu 74 milionů metrů krychlových dacitu.3 Během těchto erupcí byla viskozita magmatu vysoká a tlak páry nízký, takže se magma neprojevilo explozivně jako během šesti předchozích událostí v roce 1980. Struktura, která vznikla v kráteru během šestiletého období, byla eliptická kopule z dacitových lávových proudů a intruzí o průměru 860 m (ve směru východ-západ), na 1060 m (průměr ve směru sever-jih), na 350 m (výška nad severní základnou). Během šestiletého období budování dacitového dómu docházelo s časem k trvalému poklesu objemu vytlačeného magmatu. Dne 26. října 1986 se pohyb magmatu do dómu zastavil a začalo tuhnutí magmatu v hrdle sopky pod lávovým dómem. Erupce po 26. říjnu 1986 byly freatickými parními výbuchy, nikoliv přímými projevy magmatu. Stabilita této třetí kopule spolu s poklesem četnosti zemětřesení a freatických parních erupcí v deseti letech po říjnu 1986 naznačují, že se sopka opět může blížit období klidu.

Obsah SiO2 v 69 vzorcích lávového dómu z let 1980 až 1986 na Mount St Helens je 63,0 ± 0,4 %.4 Tato hornina, nazývaná „porfyrický dacit“5 , obsahuje v průměru asi 55 % jemnozrnné šedé zeminy a 45 % fenokrystalů a litických inkluzí (viz obrázek 4). Základní hmota horniny je tvořena mikrofenokrystami plagioklasu, ortopyroxenu a oxidů Fe-Ti ve skelné matrici.6 Pozdější výtoky na lávovém dómu vykazovaly tendenci k vyšší krystalinitě základní hmoty7 a asi o 1 % většímu obsahu SiO2.8 Fenokrystaly plagioklasu (30-35 %), ortopyroxenu (5 %), rohovce (1-2 %), Fe-Ti oxidů (1-2 %) a klinopyroxenu (méně než 0,5 %) tvoří dohromady téměř polovinu lávového dómu.9 Litické inkluze gabra, křemenného dioritu, rohovcového čediče, dacitu, andezitu a žilného křemene tvoří dohromady 3,5 procenta dacitového dómu.10 Z litických inkluzí tvoří 85 procent středně zrnité gabro o průměrném průměru 6 cm.11 Vysoký obsah mafických minerálů v gabrových inkluzích způsobuje, že celkový obsah SiO2 v dacitovém lávovém dómu se sice nepatrně, ale významně snižuje.12

Geologové se obecně shodují v názoru na zdroj dacitického magmatu pod horou Svatá Helena. Experimentální údaje ze složení minerálů v dacitu naznačují, že těsně před erupcí 18. května 1980 měla horní část magmatické komory teplotu 930 °C a nacházela se v hloubce asi 7,2 km.13 Předpokládá se, že toto magma obsahovalo asi 4,6 % hmotnosti všech těkavých látek, převážně H2O.14 Poslední dómotvorná intruze v roce 1986 vymezila dvě aseismické zóny (z hloubky 7-12 km a z hloubky 3-4,5 km), což naznačuje, že hluboká magmatická komora má mělkou oblast ukládání magmatu.15 Páry oxidů Fe-Ti naznačily pokles magmatické teploty na přibližně 870 °C v roce 1986, kdy se proudy do lávového dómu zastavily.16

Obrázek 3. Bloková povrchová textura východní strany dacitového lávového dómu nad výrazným talovým svahem.

Odběr a příprava vzorků

V červnu 1992 byl odebrán sedmikilogramový vzorek dacitu těsně nad talovou zástěrou na nejvzdálenějším severním svahu lávového dómu. Protože vzorek pochází ze svažitého povrchu dómu, představuje s největší pravděpodobností horní povrch laloku proudu. Interpretaci vzorku jako proudu potvrzuje „chlebová kůrka“ dacitu v místě vzorku, blokový vzor zlomů, který naznačuje špičku lávového proudu, a přítomnost dacitové skory těsně nad vzorkem. Poloha na dómu naznačuje, že vzorek představuje povrch jednoho z posledních lávových proudů, pravděpodobně z roku 1986.

Oxidy nebo prvky Množství
SiO2 67,50%
Al2O3 16,10%
TiO2 0,61 %
Fe2O3 3,97%
MnO 0,06 %
CaO 4,18 %
MgO 1,27 %
K2O 1,69 %
Na2O 4,78 %
P2O5 0,17 %
Cr2O3 < 0,01 %
Rb 44 ppm
Sr 450 ppm
Y 13 ppm
Zr 190 ppm
Nb 30 ppm
Ba 411 ppm
Ztráta žíháním 0,05 %
CELKEM 100,5%
Tabulka 1. Zastoupení hlavních a stopových prvků v dacitovém lávovém proudu z hory Svatá Helena z roku 1986 stanovené pomocí rentgenové fluorescence. Analýza byla provedena na dacitové zemině a fenokrystalech bez litických inkluzí.

Celý článek zobrazíte po přihlášení.

Kompletní článek a další exkluzivní filmy a obsah získáte po přihlášení.

ZÍSKAT ČLENSTVÍ

Již máte účet? Přihlaste se.

Svůj účet máte navždy zdarma.

Složení vzorku přesně odpovídá publikovanému mineralogickému, petrografickému a chemickému popisu „porfyrického dacitu“.17 Fenokrystů ve vzorku je druh a množství reprezentativní pro celý lávový dóm. Vzorek má dokonce několik gabrových inkluzí složením a velikostí reprezentativních pro celý lávový dóm.18 Chemická analýza základní hmoty vzorku s fenokrystami (bez gabrových inkluzí) poskytla metodou rentgenové fluorescence 67,5 % SiO2 (viz tab. 1). Pokud by byly gabrové inkluze zahrnuty do analýzy celé horniny, měl by dacit přibližně 64 % SiO2, což odpovídá průměrnému složení proudů z roku 1986 na lávovém dómu. Normativní minerály byly vypočteny v tabulce 2, přičemž sestava byla reprezentativní pro dacit. Tento sedmikilogramový vzorek dacitu je tedy reprezentativní pro celý lávový dóm.

Ze vzorku byl odebrán jeden kilogram dacitové zeminy s fenokrystami (bez gabrových inkluzí) pro draselno-argonovou analýzu. Technika začala drcením a mletím dacitu v železném hmoždíři. Částice byly prosety přes síto o velikosti 80 ok (0,18 mm) a shromážděny na horní straně síta o velikosti 200 ok (0,075 mm). Částice o velikosti 80-200 ok (0,18-0,075 mm) byly laboratoří argonu určeny jako optimální pro argonovou analýzu.

Následně byl zpracován druhý, kilogramový vzorek dacitové drti, aby se koncentrovalo více pyroxenu. Při této samostatné přípravě byly použity rozdrcené částice prosáté přes síto o velikosti ok 170 (0,090 mm) a shromážděné na sítu o velikosti ok 270 (0,053 mm). Bylo zjištěno, že tyto jemnější částice (0,053-0,090 mm) umožňují úplnější koncentraci minerálních fází, i když tyto částice byly jemnější než optimum požadované laboratoří.

Vzhledem k možnosti, že částice jemnější než 200 ok absorbují nebo uvolňují větší část argonu, byly částice procházející sítem o velikosti 200 ok odmítnuty. Jedinou výjimkou byl jediný přípravek vyrobený z částic, které prošly sítem o velikosti 170 ok a byly shromážděny na sítu o velikosti 270 ok.

Během drcení, mletí, prosévání a separačních procesů byla věnována velká pozornost tomu, aby nedošlo ke kontaminaci. Konkrétní kroky použité k zastavení nebo odhalení kontaminace vzorků zahrnovaly:

  1. řezání horniny z vnitřku odebraného bloku dacitu (sloužilo k odstranění částic ulpívajících na vzorku),
  2. omytí všech povrchů a sít, které měly přijít do přímého kontaktu se vzorkem,
  3. závěrečné mokré prosévání částic na sítu s 200 oky (nebo 270 oky), aby se zajistilo odstranění jemnějších částic (včetně možného kontaminujícího laboratorního prachu vneseného během mletí),
  4. filtrace těžkých kapalin za účelem odstranění kontaminantů,
  5. mikroskopická kontrola koncentrátů částic na přítomnost cizích částic,
  6. příprava druhého koncentrátu ze surového vzorku dacitu zahrnující zcela oddělené mletí a prosévání (za účelem zjištění, zda v jednom z koncentrátů nedošlo ke kontaminaci) a
  7. zapečetění vzorků v lahvičkách mezi jednotlivými kroky přípravy.

Pět koncentrátů zahrnovalo jeden prášek z celé horniny a čtyři minerální preparáty. Názvy a popisy koncentrátů jsou následující:

DOME-1 „celokamenný preparát“ složený z reprezentativních částic dacitové zeminy i fenokrystalů, bez litických inkluzí; částice 80-200 mesh.

DOME-1L „koncentrát živcového skla“ z dacitové hmoty a fenokrystalů; částice 80-200 mesh; většinou plagioklas, ale obsahuje také úlomky ze sklovité matrice.

DOME-1M „Těžkomagnetický koncentrát“ ze základní hmoty a fenokrystalů; většinou rohovec s oxidy Fe-Ti; částice 80-200 mesh.

DOME-1H „Těžký nemagnetický koncentrát“ ze základní hmoty a fenokrystalů; převážně ortopyroxen; částice 80-200 mesh.

DOME-1P „Pyroxenový koncentrát“ z drti a fenokrystalů; částice 170-270 mesh; připraven z odděleného vzorku dacitu podobně jako DOME-1H, ale s větší koncentrací ortopyroxenu.

Normativní minerál (vzorec) % hmotnosti
Křemen (SiO2) 23,02
Ortoklas (KAlSi3O8) 9,95
Albit (NaAISi3O8) 40,24
Anortit (CaAI2Si2O8) 17,40
Diopsid (CaMgSi2O6) 0,94
Hedenbergit (CaFeSi2O6) 0,82
Enstatit (MgSiO3) 1,53
Ferrosilit (FeSiO3) 1,52
Magnetit (Fe3O4) 3,04
Ilmenit (FeTiO3) 1,15
Apatit (Ca3P2O8) 0,39
CELKEM 100,0
Tabulka 2. Idealizované normativní složení minerálů pro dacit z Mount St Helens vypočtené na základě zastoupení hlavních prvků v tabulce 1.

Poslední čtyři minerální koncentráty byly připraveny z celé horniny těžkou kapalinovou a magnetickou separací. Nejprve byly reprezentativní částice z drti a fenokrystů rozptýleny v tribromomethanu (CHBr3), těžké kapalině o hustotě 2,85 g/cm3 při pokojové teplotě. Tyto částice a těžká kapalina byly odstředěny v 250 ml lahvích při 6 000 otáčkách za minutu. Po deseti minutách odstřeďování při 20 °C byly plovoucí částice sebrány, přefiltrovány, promyty, vysušeny a označeny. Tento plavený koncentrát „DOME-1L“ tvořil více než 90 % původního množství a stal se „koncentrátem živcového skla“. Zbytek těžkých minerálů, který se potopil v těžké kapalině, byl shromážděn, přefiltrován, promyt a vysušen. Bylo zjištěno, že těžký koncentrát lze rozdělit na „silně magnetickou“ a „slabě magnetickou“ frakci, přičemž přibližně jedna třetina těžkého zbytku byla silně magnetická. Těžký koncentrát byl rozdělen velmi silným ručním magnetem na velkém kusu filtračního papíru pod úhlem sklonu 45°. Frakce „silně magnetická“, později označená jako „DOME-1M“, se skládala z těžkých částic, které stoupaly po papíře se sklonem 45° nad vliv magnetu, který se pohyboval pod papírem. Zbytek, který se po filtračním papíře nepohyboval, byl „těžkou nemagnetickou“ frakcí. Byl označen jako „DOME-1H“. Čtvrtý minerální koncentrát byl připraven ze zcela oddělené části vzorku dacitu a zpracován podobně jako DOME-1H s výjimkou jemnějších částic (170-270 ok). Tato jemnější, těžká nemagnetická frakce oddělená od dacitu byla označena jako „DOME-1P“.

Mikroskopické vyšetření čtyř minerálních koncentrátů ukázalo účinnost separační techniky. V „živcovo-skelném koncentrátu“ (DOME-1L) převažoval plagioklas a sklo, pouze ojediněle byly v plagioklasu a skle patrné mafické mikrofenokrystaly. Přestože se nejednalo o úplnou separaci nemafických minerálů, obsahoval tento koncentrát fenokryst plagioklasu (andezinové složení s hustotou cca 2,7 g/cm3) a hlavní množství skla (předpokládaná hustota cca 2,4 g/cm3). Nebyl učiněn žádný pokus o oddělení plagioklasu od skla, ale mělo by se zvážit další použití těžkých kapalin.

V „těžkomagnetickém koncentrátu“ (DOME-1M) převažovaly minerály amfibolu, přičemž se předpokládalo, že nejhojnějším magnetickým minerálem v dacitu je rohovec. Bylo zde však také značné množství minerálů oxidů Fe-Ti, pravděpodobně magnetitu a ilmenitu. V „těžkomagnetickém koncentrátu“ se rovněž vyskytovaly sklovité částice (hojněji než v „těžkomagnetickém koncentrátu“). V těchto sklovitých částicích pravděpodobně převládaly mafické mikrofenokrystaly silně magnetických minerálů oxidů Fe-Ti. Mikroskopické zkoumání „silně nemagnetického koncentrátu“ odhalilo také stopové množství úlomků železa, zřejmě magnetického kontaminantu nevyhnutelně vneseného při mletí dacitu v železářské maltě. Nebyl učiněn žádný pokus o oddělení rohovce od oxidů Fe-Ti, ale je třeba zvážit další jemnější mletí a použití těžkých kapalin.

Obrázek 4. Mikrofotografie dacitového proudu z Mount St Helens z roku 1986. Nejhojnějšími fenokrystaly jsou plagioklasy, které jsou usazeny v mnohem jemnozrnnějším podkladu obsahujícím sklo a mikrofenokrystaly. Fotografováno v polarizovaném světle s šířkou záběru 2 mm.

V „těžkém nemagnetickém koncentrátu“ (DOME-1H) převládal ortopyroxen s mnohem menším množstvím klinopyroxenu, ale podél neúplně rozlámaných hranic zrn bylo značné množství sklovitých částic navázaných na mafické mikrofenokrystaly a úlomky mafických fenokrystalů. Tyto mafické mikrofenokrystaly a úlomky mafických fenokrystalů zřejmě zvýšily hustotu připojených skelných částic nad kritickou hustotu 2,85 g/cm3, což jim umožnilo potopit se v těžké kapalině. V tomto vzorku byl také rozpoznatelný rohovec, zřejmě ne zcela izolovaný magnetickou separací.

V „pyroxenovém koncentrátu“ (DOME-1P) převažoval ortopyroxen a mnohem méně klinopyroxen. Protože byl složen z jemnějších částic (170-270 ok), obsahoval mnohem méně mafických částic s navázanými úlomky skla než DOME-1H. Tento preparát je nejčistším minerálním koncentrátem. Mikroskopické vyšetření ortopyroxenu ukázalo, že se jedná o vysokohořečnatou odrůdu, což vysvětluje, proč je nemagnetická nebo jen slabě magnetická.

První tři minerální koncentráty (DOME-1L, DOME-1M a DOME-1H) reprezentují tři různá souvrství v dacitu. Vzhledem k tomu, že při přípravě byla vyřazena pouze frakce jemnější než 200 ok, měly by tyto tři koncentráty podle svého množství přibližně tvořit součet celé horniny. Jejich součet nemusí být přesný z důvodu rozdílů ve schopnosti mletí minerálů a jejich mleté hmoty.

K-Ar analýza

Draslík a argon v pěti koncentrátech měřila laboratoř Geochron Laboratories v Cambridge, Massachusetts, pod vedením Richarda Reesmana, vedoucího laboratoře K-Ar. Tyto preparáty byly laboratořím Geochron Laboratories předány s prohlášením, že pocházejí z dacitu a že laboratoř má očekávat „nízký obsah argonu“. Laboratoři nebyly poskytnuty žádné informace o tom, odkud dacit pochází, ani o tom, že hornina má historicky známé stáří (v době analýzy argonu bylo deset let stará).

Analytické údaje jsou uvedeny v tabulce 3. Koncentrace K (%) byla měřena metodou plamenové fotometrie, přičemž uváděná hodnota je průměrem dvou odečtů z každého koncentrátu. Koncentrace 40K (ppm) byla vypočtena z pozemského izotopického zastoupení pomocí koncentrace K. Koncentrace 40Ar*, předpokládaného „radiogenního argonu-40“, v ppm byla odvozena z měření izotopového ředění na hmotnostním spektrometru korekcí na přítomnost atmosférického argonu, jehož izotopické složení je známo. Uváděná koncentrace 40Ar* je průměrem dvou hodnot. Poměr 40Ar/celkový Ar je rovněž odvozen z měření na hmotnostním spektrometru a je průměrem dvou hodnot.

„Stáří“ každého koncentrátu se vypočítá pomocí rovnice, kterou Faure19 nazývá „obecná rovnice modelového stáří“:

(1)
kde t je „stáří“, Γ je rozpadová konstanta mateřského izotopu, Dt je počet dceřiných atomů v hornině v současnosti, Do je počet dceřiných atomů původně v hornině a Pt je počet atomů v hornině v současnosti. Rovnici (1) lze použít k datování hornin, pokud jsou v hornině provedena měření Dt a Pt a pokud je učiněn předpoklad o původním množství dceřiných atomů (Do). Pro konkrétní aplikaci na datování K-Ar20 se rovnice (1) stává ekvivalentní rovnici (2), když:

(2)
kde t je „stáří“ v milionech let, 5,543 x 10-10 yr-1 je současný odhad rozpadové konstanty pro 40K, 0,105 je odhadovaný podíl rozpadů 40K, při nichž vzniká 40Ar, a 40Ar*/40K je výpočet poměru molů radiogenního 40Ar a 40K v koncentrátu standardním postupem. Je třeba poznamenat, že rovnice (1) se stává ekvivalentní rovnici (2), když

(3)
40Ar* v sobě tedy zahrnuje předpoklad týkající se počátečního množství 40Ar v hornině. V praxi se předpokládá, že v době vzniku horniny neexistoval žádný radiogenní argon. To znamená, že se předpokládá Do = 0, aby rovnice (2) poskytovala přesné stáří. Rovnice (2) tedy poskytuje „modelové stáří“ za předpokladu nulového obsahu radiogenního argonu v hornině v době jejího vzniku. Po provedení počátečního předpokladu o dceřiné vrstvě se stanoví 40Ar*. Poté se v tabulce 3 vypočítá molární poměr 40Ar*/40K z hodnot 40Ar* (ppm) a 40K (ppm) každého koncentrátu. Po výpočtu molárního poměru (viz tabulka 3) se tento poměr dosadí do rovnice (2) a vypočítá se „modelové stáří“ uvedené v tabulce 3.

K (%) 40K (ppm) Ar celkem (ppm) 40Ar* (ppm) 40Ar*/celkem 40Ar 40Ar*/40K „Stáří“ (Ma)
DOME-1
„celá hornina“		 0,924 1,102 0,0018 0,0000225 0,0125 0,000020 0,35 ± 0,05
DOME-1
živec atd.		 1.048 1.250 0.0024 0.000025 0.0105 0.000020 0.34 ± 0.06
DOME-1M
amfibol atd.		 0.581 0.693 0.0027 0.000037 0.0135 0.000053 0.9 ± 0.2
DOME-1H
pyroxen atd.		 0.466 0.555 0.0015 0.000054 0.0360 0.000096 1.7 ± 0.3
DOME-1P
pyroxen		 0,447 0,533 0,0025 0,000087 0,0345 0,000163 2,8 ± 0,6
Použité konstanty: 40K/K = 1,193 x 10-4 g/g Rozpadová konstanta 40K = 5,543 x 10-10 yr-1
Podíl rozpadu 40K na 40Ar = 0,1048 Atmosférický 40Ar/36Ar = 295,5
Tabulka 3. Údaje o draslíku a arzonu z nového dacitového lávového dómu na sopce Mount St Helens.

Diskuse

Analýzy argonu z dacitového lávového dómu překvapivě ukazují nenulovou koncentraci „radiogenního argonu“ (40Ar*) ve všech preparátech z dacitu. K-Ar „stáří“ pomocí rovnice (2) se pohybuje od 0,34 ± 0,06 Ma (milión let) do 2,8 ± 0,6 Ma (viz tabulka 3). Protože odebraný dacit byl v době analýz starý pouze deset let, nebyl čas, aby se v hornině nahromadilo měřitelné množství 40Ar* v důsledku pomalého radioaktivního rozpadu 40K. Zdá se, že je nevyhnutelný závěr, že měřitelný 40Ar* v dacitu nepochází z radiogenní akumulace, ale musel se zdržovat již v různých minerálních souborech, když hornina v roce 1986 vychladla z lávy. V laboratoři nebyl naměřen „radiogenní argon“, ale nějaký jiný typ argonu.

U jiných historických lávových proudů byly rozpoznány nenulové hodnoty 40Ar*. Z 26 historických subaerálních lávových proudů, které studoval Dalrymple21 , jich pět poskytlo „nadbytečný argon“, a tudíž příliš staré „stáří“ K-Ar:

Čedič Hualalai (Havaj, 1800-1801 n. l.) 1.6 ± 0.16 Ma / 1.41 ± 0.08 Ma
Čedičová hora Etna (Sicílie, 122 př. n. l.) 0.25 ± 0.08 Ma
Čedičová hora Etna (Sicílie, 1792 n. l.) 0.35 ± 0.14 Ma
Mt Lassen plagioklas (Kalifornie, AD 1915) 0.11 ± 0.3 Ma
Čedič Sunset Crater (Arizona, 1064-1065 n. l.) 0.27 ± 0.09 Ma / 0.25 ± 0.15 Ma

Dalrymple22 uznal, že tato anomální „stáří“ mohou být způsobena „nadbytkem radiogenního 40Ar“ z přirozené kontaminace nebo izotopovou frakcionací argonu. Krummenacher23 nabídl podobné vysvětlení pro neočekávané poměry izotopů argonu z několika moderních lávových proudů. Olivín, pyroxen a plagioklas z bazaltů vulkanického pole Zuni-Bandera (čtvrtohory Nového Mexika) vykazovaly velmi významné množství nadbytečného argonu zděděného z magmatických zdrojů.24 Stejný závěr platí pro fenokryst olivínu a klinopyroxenu ze čtvrtohorních sopek Nového Zélandu.25 Významný nadbytek argonu byl nalezen také v podmořských bazaltech ze dvou v současnosti aktivních havajských sopek, Loihi Seamount a Kilauea.26

Co způsobilo nenulový obsah 40Ar* v dacitu Mount St Helens? Mohl být do dacitu z Mount St Helens přidán kontaminující 40Ar v laboratoři, což vyvolalo dojem velkého stáří? Možnost kontaminace způsobila, že se při čištění zpracovatelského zařízení dbalo na mimořádnou opatrnost a koncentráty byly mezi přípravou a analýzou pevně uzavřeny ve zkumavkách. Mohlo argon přidávat samotné zpracovatelské zařízení? Mohly například úlomky železa, které vznikly při mletí vzorku v hmoždíři, přidat argon? Proces separace těžké kapaliny silně vylučuje těžké železo ze souboru bohatého na lehký živec (preparát DOME-1L), ale tento koncentrát obsahuje také značné množství 40Ar. Zdá se, že ostatní procesy vylučují nebo izolují laboratorní kontaminaci. Například mokré prosévání na sítu s 200 oky by mělo odstranit veškerý jemný laboratorní prach, který mohl spadnout na koncentrát. Vzhledem k těmto mimořádným okolnostem je laboratorní kontaminace pěti koncentrátů velmi nepravděpodobná.

Mohl by magmatický proces pod lávovým dómem přidávat kontaminant do roztaveného dacitu, který stoupá z velké hloubky? Tuto možnost je třeba zvážit. Mohl by se do magmatu přidat minerál bohatý na argon („xenokrystal“), který by „celému“ dacitu dodal nadměrné stáří? Údaje v tabulce 3 zdánlivě svědčí o tom, že každá z velmi odlišných minerálních fází dacitu obsahuje významný podíl 40Ar. Ačkoli minerální koncentráty nejsou čisté a všechny obsahují nějaké sklo, lze tvrdit, že jak mafické, tak nemafické minerály dacitu obsahují významné množství 40Ar. O litických inkluzích v lávovém dómu by se dalo uvažovat jako o kontaminantu, v takovém případě by mohly přidávat „staré“ mafické a nemafické minerály k mladému magmatu. Dalo by se tvrdit, že gabrové shluky v magmatu se rozpadly, jak se s časem snižovala tekutost magmatu, a tím se přidal sortiment „starých“ minerálních zrn. Heliker27 však tvrdí, že gabrové inkluze nejsou xenolity ze starých venkovských hornin přiléhajících k plutonu, ale kumuláty vzniklé segregací krystalů uvnitř složením vrstevnatého plutonu. Tyto inkluze jsou proto považovány za jedinečnou asociaci v rámci recentního magmatického systému.

Mohly magmatické podmínky v hloubce umožnit, aby byl argon v době vzniku minerálů v nich uzavřen? Toto poslední a nejzajímavější vysvětlení anomálií 40Ar naznačuje, že různá množství argonu v různých minerálních souborech jsou způsobena kolísáním parciálního tlaku plynu v průběhu krystalizace nebo různým množstvím plynu zadrženého při uvolňování tlaku. Krystalizační experimenty Karpinské28 ukazují, že muskovit zadržuje až 0,5 % hmotnosti argonu při teplotě 640 °C a tlaku par 4 000 atmosfér. Studie fenokrystalů provedené Pothsem, Healeyem a Laughlinem29 ukázaly, že olivín a klinopyroxen oddělené z mladých bazaltů z Nového Mexika a Nevady mají „všudypřítomný přebytek argonu“. Pro argon ve fenokrystách olivínu a klinopyroxenu ve čtvrtohorních vulkanitech Nového Zélandu byl postulován magmatický zdroj.30 Pravděpodobně jiné minerály okluzí argon v závislosti na parciálním tlaku plynu v magmatickém zdroji.

Byly provedeny laboratorní experimenty s rozpustností argonu v syntetických bazaltických taveninách a s nimi spojených minerálech.31,32 Minerály a taveniny byly udržovány při teplotě blízké 1300 °C za tlaku jedné atmosféry v proudu plynu obsahujícího argon. Po ochlazení materiálu vědci naměřili až 0,34 ppm 40Ar v syntetickém olivínu. Poznamenali, že „rozpustnost Ar v minerálech je překvapivě vysoká“.33 Jejich závěr je, že argon se drží především v mřížkových vakančních defektech uvnitř minerálů.

Okluzi argonu v minerálních souvrstvích podporují i údaje z dacitu v Mount St Helens. Z tabulky 3 vyplývá, že ačkoli minerální koncentráty (bohaté na živec, amfibol nebo pyroxen) mají přibližně stejnou koncentraci „celkového Ar“, „pyroxenový koncentrát“ má nejvyšší koncentraci 40Ar* (více než trojnásobnou oproti „živcovo-skleněnému koncentrátu“) a nejvyšší podíl 40Ar* (40Ar*/celkový Ar je více než trojnásobný oproti „živcovo-skleněnému koncentrátu“). Tyto údaje naznačují, že zatímco struktura minerálu ortopyroxenu má přibližně stejný nebo o něco menší počet míst pro zadržování plynu jako související plagioklas, ortopyroxen má těsnější strukturu a je schopen zadržet větší část magmatického 40Ar. Ortopyroxen zadržuje nejvíce argonu, následuje hornblend a nakonec plagioklas. Podle této interpretace je koncentrace 40Ar* v minerálním souvrství měřítkem jeho okluze a retenčních vlastností argonu. Proto „stáří“ 2,8 mil. let „pyroxenového koncentrátu“ nemá nic společného s dobou krystalizace.

Odkud pochází argon v magmatu? Mohl by pocházet z odplynění spodní kůry a svrchního pláště? Je zapotřebí další studie.

Pro další testování hypotézy o okluzi argonu v minerálních souborech by bylo možné připravit z dacitu v Mount St Helens minerální koncentráty vyšší čistoty. Jemnozrnnější koncentráty by měly být zpracovány důkladněji pomocí těžkých kapalin a magnetické separace. Příprava DOME-1P, jemnozrnnějšího a čistšího pyroxenového koncentrátu než DOME-1H, má podle očekávání vyšší koncentraci 40Ar* a nižší koncentraci 40K. K odstranění nežádoucího skla by mohly přispět také techniky kyselého roztoku nebo další použití těžkých kapalin. Samotné sklo by mělo být koncentrováno pro analýzu argonu.

Aplikace na jiná stáří K-Ar

Mají i jiné vulkanické horniny s fenokrystaly minerální souvrství s obecně zakrytým argonem? Fenokrysty jsou ve vulkanických horninách velmi časté, takže by bylo možné vymyslet obecný test hypotézy. Kromě testování jiných historických lávových proudů by se mohly testovat fenokrystaly z některých starých proudů, které výrazně přesahují stáří „celé horniny“. Zde jsou navrženy tři možné aplikace.

  1. Čedič z Devils Postpile (Národní památník Devils Postpile, Kalifornie)

    Plagioklas oddělený z čediče Devils Postpile poskytl K-Ar „stáří“ 0,94 ± 0,16 milionu let.34 Nedávno bylo čediči na základě nového geologického mapování a podrobného stratigrafického studia nově přiřazeno stáří nižší než 100 000 let.35 Co bylo příčinou příliš vysokého stáří? Mohlo by jít o argon zakrytý v plagioklasu.

  2. Čedič Toroweapské přehrady (západní část Grand Canyonu, Arizona)

    Čedič Toroweap Dam leží na dně Grand Canyonu v těsné blízkosti současného koryta řeky Colorado. Čedič byl dvakrát datován metodou K-Ar na 1,16 ± 0,18 mil. let a 1,25 ± 0,2 mil. let.36 Původní badatelé svá tvrzení o datu čediče kvalifikovali slovy: „Existuje možnost, že se v čediči před erupcí zachoval argon.“37 U mnoha dalších čedičů západní části Grand Canyonu byl prokázán „přebytek argonu“.38 Ačkoli původní badatelé nevyjadřují jistotu ohledně K-Ar stáří čediče u Toroweap Dam, jiní geologové mu přisuzují mnohem větší jistotu a používají K-Ar stáří k argumentaci, že Grand Canyon existoval velmi dlouho (viz zejména D. A. Young39).

  3. Keramimský čedič (severní Golanské výšiny, Izrael)

    Pod keramimským čedičem datovaným metodou K-Ar na 0,25 mil. let se vyskytují artefakty z „doby kamenné“.40 Předpokládá se však, že v Izraeli nedošlo k lidskému osídlení během mladšího paleolitu,40 takže toto a další „stáří“ podle K-Ar je třeba ověřit. Protože metoda K-Ar byla použita i jinde k datování neandertálského člověka, můžeme se ptát, zda je třeba pečlivě prověřit i další neandertálská „stáří“.

Závěr

Argonové analýzy nového dacitového lávového dómu v Mount St Helens přinášejí více otázek než odpovědí. Základní předpoklad, na kterém je založeno modelové datování podle K-Ar, předpokládá nulový obsah 40Ar* v minerálních fázích horniny při jejím tuhnutí. Tento předpoklad se ukázal jako chybný. Rozumným alternativním předpokladem je okluze argonu v minerálních fázích dacitu v Mount St Helens. Tato studie vyvolává zásadnější otázky – poskytují spolehlivé stáří K-Ar i jiné vulkanické horniny obsahující fenokrystaly?

Poděkování

Finanční podporu poskytl Institut pro výzkum stvoření a pan Guy Berthault. Dr. Andrew Snelling poskytl užitečné připomínky a recenze rukopisu.

Reference

  1. Pringle, P.T., Roadside Geology of Mount St Helens National Volcanic Monument and Vicinity, Washington State Department of Natural Resources, Washington Division of Geology and Earth Resources, Information Circular 88, p. 120, 1993.
  2. Swanson, D.A. and Holcomb, R.T., Regularities in growth of the Mount St Helens dacite dome, 1980–1986. In: Lava Flows and Domes, J. Fink (ed.), Springer-Verlag, Heidelberg, Vol. 2, pp. 3–24, 1990.
  3. Swanson and Holcomb, Ref. 2.
  4. Swanson and Holcomb, Ref. 2.
  5. Cashman, K.V., Crystallization of Mount St Helens 1980–1986 dacite: a quantitative textural approach, Bulletin Volcanologique 50:194–209, 1988.
  6. Cashman, K.V. and Taggart, J.E., Petrologic monitoring of 1981 and 1982 eruptive products from Mount St Helens, Science 221:1385–1387, 1983.
  7. Cashman, K.V., Groundmass crystallization of Mount St Helens dacite, 1980–1986: a tool for interpreting shallow magmatic processes, Contributions to Mineralogy and Petrology 109:431–449, 1992.
  8. Swanson and Holcomb, Ref. 2.
  9. Cashman, Ref. 5
  10. Heliker, C., Inclusions in Mount St Helens dacite erupted from 1980 through 1983, Journal of Volcanology and Geothermal Research 66:115–135, 1995.
  11. Heliker, Ref. 10.
  12. Heliker, Ref. 10.
  13. Rutherford, M.J., Sigurdsson, H., Carey, S. and Davis, A., The May 18, 1980 eruption of Mount St Helens 1: melt composition and experimental phase equilibria, Journal of Geophysical Research 90:2929–2947, 1985.
  14. Rutherford, M.J. and Devine, J.D., The May 18, 1980 eruption of Mount St Helens 3: stability and chemistry of amphibole in the magma chamber, Journal of Geophysical Research 93:11949–11959, 1988.
  15. Endo, E.T., Dzurisin, D. and Swanson, D.A., Geophysical and observational constraints for ascent rates of dacitic magma at Mount St Helens. In: Magma Transport and Storage, M.P. Ryan (ed.), John Wiley and Sons, New York, pp. 318–334, 1990.
  16. Cashman, Ref. 7.
  17. Cashman, Ref. 5.
  18. Heliker, Ref. 10.
  19. Faure, G., Principles of Isotope Geology, 2nd edition, John Wiley and Sons, New York, p. 42, 1986.
  20. Dalrymple, G.B.and Lanphere, M.A., Potassium-Argon Dating: Principles, Techniques and Applications to Geochronology, W. H. Freeman, San Francisco, p. 49, 1969.
  21. Dalrymple, G.B., 40Ar/36Ar analyses of historic lava flows, Earth and Planetary Science Letters, 6:47–55, 1969.
  22. Dalrymple, Ref. 21.
  23. Krummenacher, D., Isotopic composition of argon in modern surface volcanic rocks, Earth and Planetary Science Letters 8:109–117, 1970.
  24. Laughlin, A.W., Poths, J., Healey, H.A., Reneau, S. and Wolde Gabriel, G., Dating of Quaternary basalts using the cosmogonic 3He and 14C methods with implications for excess 40Ar, Geology 22:135–138, 1994.
  25. Patterson, D.B., Honda, M. and McDougall, I., Noble gases in mafic phenocrysts and xenoliths from New Zealand, Geochimica et Cosmochimica Acta 58:4411–4427, 1994.
  26. Honda, M., McDougall, I., Patterson, D.B., Doulgens, A. and Clague, D.A., Noble gases in submarine pillow basalt glasses from Loihi and Kilauea, Hawaii: a solar component in the Earth, Geochimica et Cosmochimica Acta 57:859–874, 1993.
  27. Heliker, Ref. 10.
  28. Karpinskaya, T.B., Synthesis of argon muscovite, International Geology Review 9:1493–1495, 1967.
  29. Poths, J., Healey, H. and Laughlin, A.W., Ubiquitous excess argon in very young basalts, Geological Society of America Abstracts with Programs 25:A–462, 1993.
  30. Patterson et al., Ref. 25.
  31. Broadhurst, C.L., Drake, M.J., Hagee, B.E. and Benatowicz, T.J., Solubility and partitioning of Ar in anorthite, diopside, forsterite, spinel, and synthetic basaltic liquids, Geochimica et Cosmochimica Acta54:299–309, 1990.
  32. Broadhurst, C.L., Drake, M.J., Hagee, B.E. and Benatowicz, T.J., Solubility and partitioning of Ne, Ar, Kr, and Xe in minerals and synthetic basaltic melts, Geochimica et Cosmochimica Acta 56:709–723, 1992.
  33. Broadhurst et al., Ref 31.
  34. Dalrymple, G.B., Potassium-argon dates of three Pleistocene interglacial basalt flows from the Sierra Nevada, California, Geological Society of America Bulletin 75:753–758, 1964.
  35. Huber, N.K. end Eckhardt, W.W., Devils Postpile Story, Sequoia Natural History Association, Three Rivers, California, p. 30, 1985.
  36. Hamblin, W.K., Late Cenozoic Lava Dams in the Western Grand Canyon, Geological Society of America, Memoir 183, Boulder, Colorado, p. 139, 1994.
  37. McKee, E.D., Hamblin, W.K. and Damon, P.E., K-Ar age of lava dam in Grand Canyon, Geological Society of America Bulletin 79:133–136, 1968.
  38. Hamblin, Ref. 36.
  39. Young, D.A., The discovery of terrestrial history. In: Portraits of Creation: Biblical and Scientific Perspectives on the World’s Formation, H.I. Van Till, R.E. Snow, J.H. Stek and D.A. Young (eds), William B. Eerdmans, Grand Rapids, Michigan, pp. 26–81, 1990.
  40. Mor, D., Har Odem Geological Map, Geological Survey of Israel, Jerusalem, scale 1:50,000, one sheet, 1987.
  41. Bar-Yosef, O., Geochronology of the Levantine Middle Palaeolithic. In: The Human Revolution, P. Mellars and C. Stringer (eds), Princeton University Press, Princeton, New Jersey, pp. 589–610, 1989.