ИЗБЫТОК АРГОНА В МИНЕРАЛЬНЫХ КОНЦЕНТРАТАХ НОВОГО ДАЦИТОВОГО ЛАВОВОГО КУПОЛА
ВУЛКАНА СЕНТ-ХЕЛЕНС
Остин С. А.

Остин С. Избыток аргона в минеральных концентратах нового дацитового лавового купола вулкана Сент-Хеленс // Разумный замысел: от гипотезы к научной парадигме. 2024. №1 (4). С. 52-63.

Аннотация. Обычный K-Ar метод определения возраста был применён для исследования потока дацитовой лавы, образовавшейся в 1986 г. в новом куполе вулкана Сент-Хеленс (St. Helens), штат Вашингтон (северо-запад США). Порфирный дацит, который застыл на поверхности купола в 1986 г., показал K-Ar «возраст» породы в целом 0,35±0,05 млн. лет (Ма). Минеральные концентраты, полученные из дацита, сформировавшегося в 1986 г., показали K-Ar «возраст» от 0,34±0,06 Ma (концентрат полевошпатового стекла) до 2,8±0,6 Ма (пироксеновый концентрат). Этот «возраст», конечно, противоречит здравому смыслу. Фундаментальное предположение, сделанное при определении возраста («отсутствие радиоактивного аргона во время формирования породы»), этими данными ставится под сомнение. Вместо этого данные, полученные из дацита вулкана Сент-Хеленс, служат доказательством того, что при образовании лавы в 1986 г. наблюдался существенный избыток аргона. Принимается, что фенокристаллы ортопироксена, роговая обманка и плагиоклаз консервировали аргон в своих минеральных структурах глубоко в магме и сохранили этот аргон после выхода на поверхность и затвердевания дацита. Количество поглощённого аргона, по всей вероятности, является функцией давления аргона на глубине в период минеральной кристаллизации и/или напряжённости минеральной структуры. Наибольшую часть аргона сохраняет ортопироксен, за ним следует роговая обманка, и наконец, плагиоклаз. Купол лавы вулкана Сент-Хеленс датируется большим возрастом, чем истинный, потому что фенокристаллы минералов поглощают аргон из магмы. Изучение данного дацита вулкана Сент-Хеленс приводит к необходимости получения ответа на более фундаментальный вопрос – насколько точны K-Ar «возрасты» многих других потоков лавы, содержащих фенокристаллы, по всему миру?
Ключевые слова: эволюция, теория эволюции, геология, геохронология, радиометрическое датирование, разумный замысел, креационизм

Austin Steven A. EXCESS ARGON WITHIN MINERAL CONCENTRATES FROM THE NEW DACITE LAVA DOME AT MOUNT ST HELENS VOLCANO
Abstract. The conventional K-Ar dating method was applied to the 1986 dacite flow from the new lava dome at Mount St. Helens, Washington. Porphyritic dacite, which solidified on the surface of the lava dome in 1986, gives a whole rock K-Ar ‘age’ of 0.35±0.05 million years (Ma). Mineral concentrates from the dacite formed in 1986 give K-Ar ‘ages’ ranging from 0.34±0.06 Ma (feldspar-glass concentrate) to 2.8±0.6 Ma (pyroxene concentrate). These ‘ages’ are, of course, preposterous. The fundamental dating assumption (‘no radiogenic argon was present when the rock formed’) is questioned by these data. Instead, data from this Mount St. Helens dacite argue that significant ‘excess argon’ was present when the lava solidified in 1986. Phenocrysts of orthopyroxene, hornblende, and plagioclase are interpreted to have occluded argon within their mineral structures deep in the magma chamber and to have retained this argon after emplacement and solidification of the dacite. The amount of argon occluded is probably a function of the argon pressure when mineral crystallization occurred at depth and/or the tightness of the mineral structure. Orthopyroxene retains the most argon, followed by hornblende, and finally, plagioclase. The lava dome at Mount St. Helens dates very much older than its true age because phenocryst minerals inherit argon from the magma. The study of this Mount St. Helens dacite causes the more fundamental question to be asked – how accurate are K-Ar ‘ages’ from the many other phenocryst-containing lava flows worldwide?
Keywords: evolution, theory of evolution, geology, geochronology, radiometric dating, intelligent design, creationism

Введение

Дацитовая магма вулкана Сент-Хеленс в штате Вашингтон, США, непосредственно изливалась в течение шести вулканических извержений 1980 г. (18 мая, 25 мая, 12 июня, 22 июля, 7 августа и 17 октября). После трёх из этих извержений (12 июня, 7 августа и 17 октября 1980) приповерхностная магма имела достаточно низкое давление водяного пара, поэтому вязкие потоки лавы сформировали три последовательные, куполовидные структуры в пределах кратера. Первые два дацитовых купола лавы, образовавшиеся в пределах кратера (в конце июня и в начале августа 1980 г.), были разрушены последующими взрывными извержениями (22 июля и 17 октября 1980 г.). Третий дацитовый купол лавы начал появляться 18 октября 1980 г. выше жерла вулкана, имеющего диаметр 25 метров.

Новый дацитовый купол лавы

Как мы уже сказали, после 18 октября 1980 г. начал появляться третий и самый свежий купол. К октябрю 1986 г. этот купол лавы вырос в пределах подковообразного кратера и стал огромной структурой высотой до 350 м и диаметром до 1,060 м (рисунки 1 и 2).

Этот купол был сформирован совокупностью последовательных этапов выдавливания лавы, иногда сопровождаемых внедрением мелких интрузий дацитовой магмы в его расплавленное ядро. Выдавленная лава сформировала короткие (200–400 м) и толстые (20–40 м) лежащие друг на друге слои [Swanson 1990]. Большинство дацитовых потоков простирались языками далеко от центра купола, распадаясь в большинстве случаев на глыбовые осыпи на флангах купола, не достигая основания кратера (рисунок 3).

Содержание SiO2 в 69-ти образцах, отобранных на куполе с 1980 по 1986 гг., составляет 63,0±0,4 % [Swanson 1990]. Порода, называемая порфиритовым дацитом [Cashman 1988], в среднем примерно на 55% состоит из мелкокристаллической, серой вмещающей массы, и на 45% – из фенокристаллов и включений других пород (рисунок 4). Вмещающая масса состоит из микрофенокристаллов плагиоклаза, ортопироксена и окислов железа и титана, включённых в стеклянную массу [Cashman 1983]. Более поздние излияния лавы имеют тенденцию к увеличению степени раскристаллизации основной массы [Cashman 1992] и содержат приблизительно на 1% больше SiO2 [Swanson 1990]. Фенокристаллы плагиоклаза (30–35%), ортопироксена (5%), роговой обманки (1–2%), окислов (от 1 до 2%) и клинопироксена (менее 0,5%) в сумме составляют почти половину массы лавового купола [Cashman 1988]. Ксенолиты (инородные включения) габбро, кварцевого диорита, роговообманкового базальта, дацита, андезита и жильного кварца совокупно составляют 3,5% от объёма дацитового купола [Heliker 1995]. До 85% включений составляют частицы среднезернистого габбро средним диаметром 6 см [Heliker 1995]. Высокое содержание тёмных минералов габброитных включений приводит к заметному уменьшению суммарного содержания SiO2 в дацитовой лаве купола [Heliker 1995]. 

Таблица 1. Относительное содержание основных и второстепенных элементов дацита лавового потока 1986 г., определённое методом рентгеновской флюоресценции. Анализу был подвергнут материал основной массы и фенокристаллов без включений посторонней породы

Оксид или элемент	Относительное содержание
SiO2	67,50 %
Al2 O3	16,10 %
TiO2	0,61 %
Fe2O3	3,97 %
MnO	0,06 %
CaO	4,18 %
MgO	1,27 %
K2O	1,69 %
Na20	4,78 %
P2O5	0,17 %
Cr2O5	< 0,01 %
Rb	44 ppm
Sr	450 ppm
Y	13 ppm
Zr	190 ppm
Nb	30 ppm
Ba	411 ppm
Потеря при прокаливании	0,05 %
СУММА	100,5 %

С учётом габброидных включений содержание SiO2 составляет приблизительно 64%, что соответствует среднему составу лавовых потоков 1986 г. Рассчитанный нормативный минеральный состав, характерный для дацитов, приведён в таблице 2.

Однокилограммовый образец вмещающей массы с фенокристаллами (без габброидных включений) был выделен из всего образца для калий-аргонового анализа. Процесс анализа начинался с дробления и измельчения дацита в железной ступе. Частицы были просеяны через сито с отверстиями 0,18 мм и собраны на сите с отверстиями 0,075 мм. Частицы 0,18–0,075 мм имеют оптимальный размер для калий-аргонового анализа.

Второй однокилограммовый образец вмещающей массы дацита был последовательно обработан для увеличения концентрации пироксена. При измельчении частицы пропустили через дробилку с отверстием 0,090 мм и собрали на экране с отверстиями 0,053 мм. Эти более мелкие частицы (0,053–0,090 мм) использовались для более полного извлечения минеральных фаз, несмотря на то, что эти частицы были мельче оптимальных, требуемых для исследования.

Из-за свойства частиц размером менее 0,075 мм абсорбировать или терять большие порции аргона, частицы, проходящие через такое сито, не исследовались. Единственное исключение было сделано для одного препарата, содержащего частицы размерной фракции 0,053–0,090 мм.

Процесс дробления, измельчения, просеивания и разделения производился крайне осторожно во избежание загрязнений. Для предотвращения загрязнения исследуемых образцов применялись:

1) Выпиливание внутренних частей обломков дацита (для удаления частиц, прилипших к образцу);

2) Промывка всех поверхностей и сит, находившихся в непосредственном контакте с образцом;

3) Заключительное влажное просеивание частиц на сите 0,075 мм (или 0,053 мм), для удаления более мелких частиц (включая возможную загрязняющую лабораторную пыль, образовавшуюся в процессе измельчения);

4) Фильтрация тяжёлых жидкостей для удаления загрязнения;

5) Микроскопический просмотр частиц на наличие инородных частиц;

6) Приготовление второго концентрата из необработанного дацита, включая полностью раздельное дробление, истирание и просеивание (с целью обнаружения загрязнения в одном из концентратов);

7) Герметизация образцов в стеклянных трубках между подготовительными операциями.

Для анализа было подготовлено 5 препаратов, в том числе одна истёртая валовая проба и 4 минеральных концентрата:

КУПОЛ-1 «валовая проба» – представительная проба из основной массы и фенокристаллов, без включений инородной породы; частицы 0,18–0,075 мм.

КУПОЛ-1L «Концентрат полевошпатового вулканического стекла» из вмещающей массы и фенокристаллов; частицы 0,18–0,075 мм; главным образом плагиоклаз, но также содержит фрагменты стекловидной вмещающей массы.

КУПОЛ-1M «Тяжелый магнитный концентрат» из вмещающей массы и фенокристаллов; главным образом, роговой обманки с окислами железа и титана; частицы 0,18–0,075 мм.

КУПОЛ-1H «Тяжелый немагнитный концентрат» из вмещающей массы и фенокристаллов; главным образом ортопироксен; частицы 0,18–0,075 мм.

КУПОЛ-1P «Пироксеновый концентрат» из вмещающей массы и фенокристаллов; частицы 0,053–0,090 мм; приготовленный из отдельного образца дацита, по аналогии с образцом КУПОЛ-1H, но с более полной концентрацией ортопироксена.

Последние четыре минеральных концентрата были приготовлены из цельной породы посредством разделения в тяжёлой жидкости и магнитной сепарации. Сначала, образцы частиц из вмещающей массы и фенокристаллов были диспергированы в трибромометане (CHBr3), тяжёлой жидкости с плотностью 2,85 г/см³ при комнатной температуре. Эти частицы и тяжёлая жидкость прошли через центрифугу в 250 мл бутылках при 6000 об./мин. После десятиминутного центрифугирования при 20°С , плавающие частицы были собраны, отфильтрованы, вымыты, высушены и маркированы. Этот плавающий концентрат, КУПОЛ-1L, составил больше 90% от начальной пробы и стал «концентратом полевошпатового вулканического стекла». Минеральный остаток, который выпал в тяжёлой жидкости, был собран, отфильтрован, вымыт и высушен. Было обнаружено, что тяжёлый концентрат мог быть разделен на «сильно магнитную» и «слабо магнитную» фракции; приблизительно треть тяжёлого остатка относится к «сильно магнитной» фракции. Тяжёлый концентрат был разделён очень сильным ручным магнитом на большом куске фильтровальной бумаги, наклонённой под углом в 45°. Проба «тяжёлых магнитных» частиц, позже маркированная как КУПОЛ-1M, была составлена из тяжёлых частиц, которые поднялись вверх по бумаге, наклонённой под 45°, под действием магнита, который перемещался под бумагой. Остаток, который не перемещался по бумаге, составил «тяжёлый немагнитный концентрат». Он был маркирован как КУПОЛ-1H. Четвертый минеральный концентрат был приготовлен из полностью отдельного образца дацита и обработан подобно КУПОЛ-1H, за исключением того, что он был составлен из более мелких частиц (0,053–0,090 мм). Эта более мелкая, тяжелая немагнитная фракция, извлечённая из дацита, была маркирована как КУПОЛ-1P.

Микроскопическое исследование четырёх минеральных концентратов показало эффективность данной технологии разделения. «Концентрат полевошпатового вулканического стекла» (КУПОЛ-1L) состоял преимущественно из плагиоклаза и вулканического стекла, только со случайными темноцветными (мафическими) микрофенокристаллами, наблюдаемыми в плагиоклазе и стекле. Хотя из-за неполного разделения немафических минералов этот концентрат включал плагиоклазовые фенокристаллы андезинового состава с плотностью прибл. 2,7 г/см³ и, главным образом, стекло с плотностью прибл. 2,4 г/см³.

«Тяжёлый магнитный концентрат» (КУПОЛ-1M) состоял преимущественно из минералов группы амфиболов; роговая обманка может считаться наиболее распространённым магнитным минералом в дацитах. Однако имелось также значительное количество оксидов Fe и Ti, вероятно в виде магнетита и ильменита. «Тяжёлый магнитный концентрат» также содержал частицы стекла (в большем количестве, чем в «тяжёлом немагнитном концентрате»). Тёмные микрофенокристаллы в этих стеклянных частицах, возможно, были представлены сильномагнитными осидами Fe и Ti. Микроскопическое исследование «тяжёлого магнитного концентрата» также показало следы присутствия железных фрагментов, очевидно, это магнитное загрязняющее вещество, неизбежно получаемое в результате дробления дацита в железной ступе. Не было предпринято попыток по отделению роговой обманки от оксидов Fe и Ti, но в дальнейшем более мелкое дробление и использование тяжёлых жидкостей должно приниматься во внимание.

В «тяжёлом немагнитном концентрате» (КУПОЛ-1H) преобладал ортопироксен с небольшим количеством клинопироксена и существенным содержанием частиц вулканического стекла, насыщенных мафическими микрофенокристаллами. Эти микровключения темноцветных минералов, очевидно, увеличили плотность частиц стекла более 2,85 г/см³, что привело к выпадению их в осадок в тяжёлой жидкости. В этом образце также была обнаружена роговая обманка, не полностью удалённая магнитной сепарацией.

В «пироксеновом концентрате» (КУПОЛ-1P) ортопироксен значительно преобладал над клинопироксеном. Поскольку он состоял из более мелких частиц (0,053–0,090 мм), то содержал гораздо больше частиц стекла с темноцветными включениями, чем в образце КУПОЛ-1H. Этот препарат содержал самый чистый минеральный концентрат. Микроскопическая экспертиза ортопироксена показала, что он представлен высокомагнезиальной разновидностью этого минерала, что объясняет его слабые магнитные свойства.

Таким образом, три минеральных концентрата (КУПОЛ-1L, КУПОЛ-1M, и КУПОЛ-1H) представляют три разные минеральные фазы дацита. По своему относительному содержанию, суммарно они представляют почти весь образец дацита, поскольку только частицы размером менее 0,075 мм были исключены из анализа. Некоторые различия связаны с неодинаковой измельчаемостью минералов и вмещающей массы.

Калий-аргоновый анализ

Анализ всех 5 концентратов на содержание калия и аргона был произведён в Кембриджской геохронологической лаборатории, штат Массачусетс, под руководством заведующего лабораторией Ричарда Рисмана (Richard Reesman). Эти препараты были представлены в геохронологическую лабораторию с сопроводительной информацией о том, что концентраты получены из дацита, и что в этих образцах ожидается «низкое содержание аргона». Никакой другой информации относительно места отбора образца и его исторически известного возраста (10 лет на момент проведения анализа) предоставлено не было.

Аналитические данные приведены в таблице 3. Концентрация K (калия, %) была измерена методом пламенной фотометрии, приведённые значения являются средними из двух измерений каждого концентрата. Концентрация 40К (ppm – одна миллионная часть) была рассчитана с использованием концентрации K по кларку концентраций этого изотопа в земной коре. Концентрация 40Ar*(в ppm), предполагаемого «радиоактивного аргона-40», была получена из измерений изотопного растворения на масс-спектрометре, с учётом присутствия атмосферного аргона, чей изотопный состав известен. Приведённая концентрация 40Ar* – среднее двух значений. Отношение 40Ar/общему Ar также получено из измерений на масс-спектрометре и является средним из двух измерений.

Таблица 3. Данные по калию и аргону из нового дацитового купола вулкана Сент-Хеленс

	K (%)	40K (ppm)	Общий Ar (ppm)	40Ar* (ppm)	40Ar*/общий 40Ar	40Ar*/40K	«Возраст» млн. лет
КУПОЛ-1 валовая проба	0,924	1,102	0,0018	0,0000225	0,0125	0,000020	0,35±0,05
КУПОЛ-1L полевой шпат и др.	1,048	1,250	0,0024	0,000025	0,0105	0,000020	0,34±0,06
КУПОЛ-1M амфибол и др.	0,581	0,693	0,0027	0,000037	0,0135	0,000053	0,9±0,2
КУПОЛ-1H пироксен и др.	0,466	0,555	0,0015	0,000054	0,0360	0,000096	1,7±0,3
КУПОЛ-1P пироксен	0,447	0,533	0,0025	0,000087	0,0345	0,000163	2,8±0,6

Используемые постоянные:
40K/K = 1,193 x 10–4 g/g доля 40K распадающегося на 40Ar = 0,1048
постоянная распада 40K = 5,543 x 10–10 год–1 атмосферный 40Ar/36Ar = 295,5

«Возраст» каждого концентрата рассчитан, используя выведенное Фауре (Faure) [Faure 1986] общее уравнение для модели датирования возраста:

t = (1/ λ ) ln [((D _t — D _o)/ P _t) +1]                  (1)

где t – «возраст», λ – постоянная распада материнского изотопа, Dt – число дочерних атомов в породе на данный момент, Do – первоначальное число дочерних атомов в породе, и Pt – число материнских атомов в данное время. Уравнение (1) может использоваться для определения возраста породы, если в ней сделаны измерения Dt и Pt, и если сделано предположение относительно первоначального содержания дочерних атомов (Do). В нашем конкретном случае K-Ar датирования [Dalrymple 1969а] уравнения (1) принимает вид:

1                               1   40Ar* t = ———————— ln [ ————— + 1]                               (2) 5.543 x 10-10                       0,105 40K

где t – «возраст» в миллионах лет, 5,543x10–10 год–1 – современная оценка для постоянной распада для 40К; 0,105 – рассчитанная доля распадов 40К создающих 40Ar, и 40Ar*/40K – молярное отношение радиоактивного 40Ar к 40К в концентрате, вычисленное в соответствии со стандартной методикой.

Нужно отметить, что уравнение (1) становится эквивалентным уравнению (2) когда:

 40Ar* = Dt – Do                               (3)

Таким образом, определение 40Ar* по данной методике содержит предположение о первоначальном количестве 40Ar в породе. На практике предполагается, что в момент образования породы радиоактивный аргон в ней отсутствует. То есть предполагается, что D0 = 0 в уравнении (2) даёт точные значения возраста. Следовательно, уравнение (2) выступает как модель датирования возраста, основанная на отсутствии радиоактивного аргона в породе в момент её формирования. После принятия указанного предположения, определяется значение 40Ar*. Далее рассчитывается молярное отношение 40Ar*/40K, приведённое в таблице 3 для каждого концентрата 40Ar* (ppm) и 40К (ppm). Как только молярное отношение рассчитано, оно подставляется в уравнение (2) для вычисления «возраста образцов». Данные расчётов представлены в таблице 3.

Обсуждение результатов

Крайне неожиданным оказалось то, что калий-аргоновый анализ лавового купола показал отличную от нуля концентрацию радиоактивного аргона (40Ar*) во всех препаратах, полученных из дацита. Результаты датирования K-Ar методом с использованием уравнения (2) находятся в диапазоне от 0,34±0,06 млн. лет до 2,8±0,6 млн. лет. Поскольку исследуемый образец дацита был взят из породы, образовавшейся 10 лет назад, то за это время из-за медленной скорости радиоактивного распада 40К в породе не должно было произойти измеримого накопления 40Ar*. Неизбежным кажется заключение, что измеримые величины 40Ar* в даците появились не в результате радиоактивного накопления, а содержались в породе в момент охлаждения лавы в 1986 году. В результате этого оказался измерен не аргон, образовавшийся в результате радиоактивного распада, а аргон, полученный из других источников.

Было признано, что некоторые другие молодые лавовые потоки, возраст которых исторически известен, имеют отличное от нуля содержание 40Ar*. Из 26 зарегистрированных в истории наземных потоков лавы, изученных Далримплом (Dalrymple) [Dalrymple 1969б], пять показали «избыток аргона» и, поэтому, дали явно завышенные результаты K—Ar датирования (таблица 4).

Далримпл [Dalrymple 1969б] считал, что этот аномальный «возраст» образцов мог быть вызван «избытком радиоактивного 40Ar», полученного за счёт естественного загрязнения или изотопного фракционирования аргона. Крумменахер (Krummenacher) [Krummenacher 1970] предложил сходное объяснение неожиданных соотношений изотопа аргона, имевших место в нескольких свежих потоках лавы. Оливин, пироксен и плагиоклаз из базальта вулканической области Зуни-Бандера (Zuni-Bandera) (четвертичные отложения штата Нью-Мексико) показали существенный избыток аргона, унаследованный из магматического источника [Laughlin 1994]. Такое же заключение было сделано по фенокристаллам оливина и клинопироксена из вулканов четвертичного периода Новой Зеландии [Patterson 1994]. Существенный избыток аргона был также найден в подводных базальтах двух активных в настоящее время Гавайских вулканов – Лоихи Симаунт (Loihi Seamount) и Килауэа (Kilauea) [Honda 1993].

Таблица 4. Аномально древние возраста исторически зарегистрированных лавовых потоков

Базальт (Гавайи, 1800–1801 гг.)	1,60±0,16 млн. лет 1,41±0,08 млн. лет
Базальт горы Этна (Сицилия, 122 г. до н. э.)	0,25±0,08 млн. лет
Базальт горы Этна (Сицилия, 1792 г.)	0,35±0,14 млн. лет
Плагиоклаза горы Лаззен (Калифорния, 1915 г.)	0,11±0,30 млн. лет
Базальт кратера Сансет (Аризона, 1064–1065 гг.)	0,27±0,09 млн. лет 0,25±0,15 млн. лет

Что послужило причиной значимых содержаний 40Ar* в даците горы Сент-Хеленс? Могло ли лабораторное загрязнение 40Ar стать причиной увеличения кажущегося возраста дацита? Возможность загрязнения стала причиной принятия чрезвычайных мер в процессе чистки и обработки; концентраты были герметично запечатаны в ампулах в период между подготовкой и анализом. Могло ли лабораторное оборудование стать причиной появления избыточного аргона? Например, могли ли железные обломки, образовавшиеся в процессе дробления образца в ступке, быть источником аргона? В процессе сепарации в тяжёлой жидкости происходит надёжное разделение тяжёлого железа от лёгкого полевого шпата (подготовка образца КУПОЛ-1L), но этот концентрат также содержит существенное количество 40Ar. Другие процессы, кажется, исключают или изолируют лабораторное загрязнение. Влажное просеивание на сите 0,075 мм, например, должно удалить любую мелкую лабораторную пыль, которая могла попасть в концентраты. Из-за этих экстраординарных мер предосторожности, лабораторное загрязнение, произошедшее во всех пяти концентратах одновременно, представляется крайне маловероятным.

Мог ли расплавленный дацит, поднимающийся с большой глубины, быть дополнительно насыщен аргоном в результате магматических процессов, происходящих под лавовым куполом? Эта возможность нуждается в рассмотрении. Могли ли посторонние, обогащённые аргоном минералы (ксенокристаллы) попасть в магму извне и повлиять на увеличение возраста валовой пробы дацита? Данные таблицы 3 с определенной вероятностью указывают, что различные минеральные фазы дацита имеют существенное содержание 40Ar. Хотя минеральные концентраты не однородны и содержат некоторое количество вулканического стекла, аргументом может быть то, что все концентраты дацита, независимо от их минерального состава, содержат существенное количество 40Ar. Можно предположить, что загрязняющий эффект могли произвести инородные каменные включения в составе лавы (ксенолиты), если они содержали давно образованные минералы, вошедшие в состав молодой магмы. Можно рассмотреть предположение, что габброидные глыбы, попавшие в тело дацитовой магмы, послужили таким источником «старых» минеральных зёрен. Однако, Хейликер [Heliker 1995] считает, что габброидные включения являются не ксенолитами «старых» пород, попавших в молодую магму из окружающей толщи, а стяжениями, образовавшимися в результате процессов сегрегации, происходящих внутри магмы. Эти включения, поэтому, расцениваются как уникальная ассоциация в недавно сформировавшейся магматической системе.

Могли ли магматические условия в глубине способствовать поглощению аргона минералами в процессе их формирования? Это последнее, и самое интересное, объяснение аномалий 40Ar предполагает, что различное количество аргона в различных минеральных скоплениях были вызваны изменением парциального давления газа по мере процесса кристаллизации, или способностью к удержанию газа минералами по мере стравливания парциального давления. Эксперименты по кристаллизации минералов, проведённые Карпинской [Karpinskaya 1967], показывают, что мусковит сохраняет до 0,5% аргона при 640°C и давлении пара 4000 атмосфер. Изучение фенокристаллов [Poths 1993] показали, что оливин и клинопироксен, выделенные из молодых базальтов штатов Нью-Мексико и Невада, имеют «повсеместный избыток аргона». Существование магматического источника было постулировано для аргона, содержащегося в фенокристаллах оливина и клинопироксена в четвертичных вулканах Новой Зеландии [Patterson 1994]. Не исключено, что и другие минералы удерживают аргон в зависимости от парциального давления газа в магматическом источнике.

Лабораторные эксперименты по растворимости аргона проводились на синтетических базальтовых сплавах и на сопутствующих им минералах [Broadhurst 1990, Broadhurst 1992]. Минералы и сплавы были выдержаны при температуре порядка 1300°C и давлении в одну атмосферу в газовом потоке, содержащем аргон. После охлаждения образцов в синтезированном оливине было обнаружено до 0,34 ppm 40Ar. Отмечается «удивительно высокая степень растворимости аргона в минералах» [Broadhurst 1990]. Делается заключение о том, что аргон содержится, прежде всего, в дефектах кристаллической решетки минералов.

Удержание аргона минеральными агрегатами подтверждается данными исследования дацита вулкана Сент-Хеленс. Данные таблицы 3 свидетельствуют, что, хотя минеральные концентраты (в полевом шпате, амфиболе или пироксене) имеют почти одинаковые концентрации «совокупного Аr», «пироксеновый концентрат» обладает самой высокой концентрацией 40Ar* (более чем в 3 раза по сравнению с концентратом полевошпатового вулканического стекла) и самой высокой долей 40Ar* (отношение 40Ar* к общему Ar более чем в 3 раза выше, чем «концентрате полевошпатового вулканического стекла»). Эти данные предполагают, что в то время как ортопироксеновая минеральная структура имеет такое же или слегка меньшее количество участков удержания газа, чем плагиоклаз, ортопироксен имеет более плотную структуру и способен сохранить большее количество магматического 40Ar. Он удерживает большее количество аргона, далее следует роговая обманка, и, наконец, плагиоклаз. Согласно этой интерпретации, концентрация 40Ar* в минеральных скоплениях это количественная мера окклюзионных свойств структуры минералов и минеральных агрегатов, поэтому, «возраст» «пироксенного концентрата» 2,8 млн. лет не имеет никакого отношения ко времени кристаллизации.

Откуда аргон поступает в магму? Могло ли источник находиться в нижних слоях земной коры или в верхней мантии? Необходимо более тщательное изучение этих вопросов.

Для дальнейшей проверки гипотезы окклюдирования аргона в минеральных скоплениях, необходима подготовка минеральных концентратов из дацита горы Сент-Хеленс более высокой чистоты. Более мелкозернистые концентраты должны пройти полную обработку более тяжёлыми жидкостями и магнитным разделением. Препараты КУПОЛА-1P содержат более мелкозернистые и чистые концентраты пироксена, чем в КУПОЛ-1H и имеют, как ожидалось, более высокую концентрацию 40Ar* и более низкую концентрацию 40К. Использование методов кислотных растворов или использование более тяжёлых жидкостей могли бы помочь удалению нежелательного стекла. Само стекло должно быть собрано для анализа на содержание аргона.

Применения K-Ar метода к определению возрастов других объектов

Содержат ли другие аналогичные вулканические породы окклюдированный аргон? Фенокристаллы очень часто присутствуют в вулканических породах, так что есть смысл более детальной проработки этой гипотезы. В дополнение к исследованию других исторических лавовых потоков, имеет смысл проверить фенокристаллы с других древних потоков, где возраст по фенокристаллам значительно отличается от возраста валовой пробы. Ниже описываются возможные объекты исследования.

1) Базальт Девил Постпаил (Devil Postpile) (Калифорния)

Плагиоклаз, выделенный из базальта Девил Постпаил, дал K-Ar «возраст» 0,94±0,16 млн. лет [Dalrymple 1964]. Возраст базальта был недавно пересмотрен повторно на основе новой геологической картографии и детализированном изучении стратиграфии, и стал менее 100 тыс. лет [Huber 1985]. Что было причиной чрезмерно старого возраста? Это мог быть содержавшийся в плагиоклазе аргон.

2) Базальт Торовип Дам (Toroweap Dam) (западный Великий Каньон, Аризона)

Базальт Торовип Дам залегает на склонах и дне Великого Каньона в непосредственной близости от русла реки Колорадо. Базальт дважды был датирован K-Ar методом, который показал возраст 1,16±0,18 млн. лет и 1,25±0,2 млн. лет [Hamblin 1994]. Исследователи с самого начала сделали оговорку относительно датирования этого базальта, говоря «имеется возможность, что базальт удерживает аргон, содержавшийся в магме до извержения» [McKee 1968]. Многие другие базальты западной части Великого Каньона показали содержание «избыточного аргона» [Hamblin 1994]. Хотя первые исследователи не выражали уверенности относительно K-Ar возраста базальта Торовип Дам, позже геологи стали использовать его для доказательства большого возраста Великого Каньона (см. [Young 1990]).

3) Керамим (Keramim) базальт (северные Голанские высоты, Израиль)

Ниже этого базальта, датированного методом K-Ar [Mor 1987] в 0,25 млн. лет, встречаются находки памятников материальной культуры «каменного века». Однако, человеческая деятельность, как полагают, не отсутствовала на территории Израиля в эпоху раннего палеолита [Bar-Yosef 1989], так что этот и другие K-Ar «возрасты» должны быть проверены. Поскольку метод K-Ar использовался и в других местах для датирования времени существования неандертальской культуры, мы можем сказать, что оценки этих возрастов нуждаются в тщательной проверке.

Заключение

Проведенные исследования нового дацитового лавового купола горы Сент-Хеленс вызывают больше вопросов, чем ответов. Изначально при определении возраста K-Ar методом предполагалось отсутствие 40Ar* в минеральных фазах пород в момент отвердевания лавы. Как было показано, это предположение оказалось неверным. Разумным альтернативным предположением является окклюзия аргона минеральными фазами дацита. Проведенные исследования поднимают более фундаментальный вопрос: дают ли другие вулканические породы, содержащие фенокристаллы, надежный K-Ar возраст?

ПОСЛЕСЛОВИЕ (от редакции журнала)

Из этой работы можно сделать несколько далеко идущих выводов:

1. Реальная относительная ошибка калий-аргонового анализа, который очень часто применяется при радиометрическом датировании горных пород, гораздо выше заявленной, которая следует из аналитической точности определения содержаний материнских и дочерних компонентов – 15–20%. Учитывая то, что реальный возраст дацитов лавового купола вулкана Сент-Хеленс на момент отбора образцов составлял 10–16 лет, а полученный варьировал от 0,34 до 2,8 млн. лет, относительная ошибка значительно (в десятки тысяч раз!) превышает значение исследуемого параметра. То есть, если мы получили возраст исследуемой породы в сотни тысяч и миллионы лет, реальный возраст может составлять не более сотен или тысяч лет, а не 0,34±0,06 млн. лет или 2,8±0,6 млн. лет, как принято указывать в результатах датирования.

2. Возраст предполагаемого предка человека, так называемого Люси (Australopithecus afarensis), найденного в 1974 г. в Эфиопии*, был определен калий-аргоновым анализом (по возрасту перекрывающего слоя туфа) в 2,8–3,3 млн. лет. Эта датировка считается истинной и вполне устраивает антропологов, поскольку по своей морфологии этот скелет существенно отличается от человеческого, поэтому он должен был быть древним. Учитывая, что реальный достоверный возраст может не превышать сотен или тысяч лет, данная находка (как и многие другие, продатированные калий-аргоновым методом) не могут считаться нашими предками, а представляют собой разновидности обезьян, вымерших в самое недавнее время.

*Джохансон Д., Иди М. Люси. Истоки рода человеческого. М.: Мир. 1984. 443 c.

 Список использованной литературы

1. Bar-Yosef O., Geochronology of the Levantine Middle Palaeolithic // The Human Revolution / Mellars P. and Stringer C. (eds). Princeton. New Jersey. Princeton University Press. 1989. P. 589–610.

2. Broadhurst C. L., Drake M. J., Hagec B. E., Benatowicz T. J. Solubility and partitioning of at in anorthite, diopside, forsterite, spinel, and synthetic basaltic liquids. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1990. Vol. 54. P. 299–309.

3. Broadhurst C. L., Drake M. J., Hagee B. E., Benatowicz T. J. Solubility and partitioning of Ne, Ar, Kr, and Xe in minerals and synthetic basaltic melts. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1992. Vol. 56. P. 709–723.

4. Cashman K. V. Crystallization of Mount St Helens 1980–1986 dacite: a quantitative textural approach // Bulletin Volcanologique. 1988. Vol. 50. P. 194–209.

5. Cashman K. V., Taggart J. E. Petrologic monitoring of 1981 and 1982 eruptive products from Mount St Helens // Science. 1983. Vol. 221. P. 1385–1387.

6. Cashman, K. V. Groundmass crystallization of Mount St Helens dacite, 1980–1986: a tool for interpreting shallow magmatic processes // Contributions to Mineralogy and Petrology. 1992. Vol. 109. P. 431–449.

7. Dalrymple G. B. 40Ar/36Ar analyses of historic lava flows // Earth and Planetary Science Letters. 1969б. Vol. 6. P. 47–55.

8. Dalrymple G. B. Potassium-argon dates of three Pleistocene interglacial basalt flows from the Sierra Nevada, California // Geological Society of America Bulletin. 1964. Vol. 75. P. 753–758.

9. Dalrymple G. B., Lanphere M. A. Potassium-Argon Dating: Principles, Techniques and Applications to Geochronology. San Francisco: W. H. Freeman. 1969а. P. 49.

10. Endo E. T., Dzurisin D., Swanson D. A., Geophysical and observational constraints for ascent rates of dacitic magma at Mount St Helens // Magma Transport and Storage / Ryan M. P. (ed.). New York: John Wiley and Sons. 1990. P. 318–334. .

11. Faure G. Principles of Isotope Geology. New York: John Wiley and Sons. 1986. P. 42.

12. Hamblin W. K. Late Cenozoic Lava Dams in the Western Grand Canyon // Geological Society of America. Memoir 183. Boulder. Colorado. 1994. 139 p.

13. Heliker C. Inclusions in Mount St Helens dacite erupted from 1980 through 1983 // Journal of Volcanology and Geothermal Research. 1995. Vol. 66. P. 115–135.

14. Honda M., McDougall I., Patterson, D. B., Doulgeris A., 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. 1993. Vol. 57. P. 859–874.

15. Huber N. K., Eckhardt W. W. Devils Postpile Story / Sequoia Natural History Association. Three Rivers. California. 1985. 30 p.

16. Karpinskaya T. B. Synthesis of argon muscovite // International Geology Review. 1967. Vol. 9. P. 1493–1495.

17. Krummenacher D. Isotopic composition of argon in modern surface volcanic rocks // Earth and Planetary Science Letters. 1970. Vol. 8. P. 109–117.

18. Laughlin A. W., Poths J., Healey H. A., Reneau S., Wolde-Gabriel G. Dating of Quaternary basalts using the cosmogenic 3He and 14C methods with implications for excess 40Ar // Geology. 1994. Vol. 22. P. 135–138.

19. McKee E. D., Hamblin W. K., Damon P. E. K-Ar age of lava dam in Grand Canyon // Geological Society of America Bulletin. 1968. Vol. 79. P. 133–136.

20. Mor D. Har Odem Geological Map // Geological Survey of Israel. Jerusalem. Scale 1:50 000. One sheet. 1987.

21. Patterson D. B., Honda, M., McDougall, I., Noble gases in mafic phenocrysts and xenoliths from New Zealand // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1994. Vol. 58. P. 4411–4427.

22. Poths J., Healey H., Laughlin A. W. Ubiquitous excess argon in very young basalts // Geological Society of America Abstracts with Programs. 1993. Vol. 25. P. A-462.

23. Pringle P. T. Roadside Geology of Mount St Helens National Volcanic Monument and Vicinit // Washington State Department of Natural Resources. Washington Division of Geology and Earth Resources. Information Circular. 1993. Vol. 88. 120 p.

24. Rutherford M. J., 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. 1988. Vol. 93. Vol. 11949–11959.

25. 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. 1985. Vol. 90. P. 2929–2947.

26. Swanson D. A., Holcomb R. T. Regularities in growth of the Mount St Helens dacite dome, 1980–1986 // Lava Flows and Domes / Fink J. (ed.). Springer-Verlag, Heidelberg. 1990. Vol. 2. Р. 3–24.

27. Young D. A., The discovery of terrestrial history // Portraits of Creation: Biblical and Scientific Perspectives on the World’s Formation / Van Till H. J., Snow R. E., Stek J. H. and Young D. A. (eds), William B. Eerdmans. Grand Rapids. Michigan. 1990. P. 26–81.

Статья впервые опубликована в 1996 г.: Austin S. A. Excess Argon Within Mineral Concentrates From the New Dacite Lava Dome at Mount St Helens Volcano // CEN Technical Journal. 1996. Vol. 10. № 3. Р. 335–343. URL: https://answersingenesis.org/geology/mount-st-helens/argon-in-mineral-concentrates-from-mount-st-helens-volcano/