Ограничения, накладываемые метеоритным цирконом на валовый изотопный состав Lu-Hf и раннюю дифференциацию Земли
Meteorite zircon constraints on the bulk Lu−Hf isotope composition and early differentiation of the Earth. Tsuyoshi Iizuka, Takao Yamaguchi, Yuki Hibiya, Yuri Amelin. PNAS. 2015. Vol. 112. No 17. P. 5331–5336.
Радиоактивный распад лютеция (176Lu) с образованием гафния (176Hf) фиксирует ранний этап химической и термальной эволюции силикатной Земли – ее дифференциацию на кору и мантию. Но для интерпретации Lu–Hf данных нужна откалиброванная кривая роста изотопа 176Hf, которую достаточно сложно получить, основываясь на вариациях изотопного состава хондритовых метеоритов. Казалось бы, благодаря тому, что и лютеций, и гафний являются тугоплавкими литофильными элементами, их изотопную эволюцию можно легко экстраполировать, отталкиваясь от современных соотношений 176Hf/177Hf и 176Lu/177Hf в недифференцированных хондритах. Однако их вариации в хондритах, даже в их неравновесных разновидностях, весьма значительны из-за метаморфического перераспределения Lu и Hf, что существенно осложняет получении корректных референтных значений для валового состава Земли. К тому же существует предположение, что хондриты содержат избыточный 176Hf, образовавшийся при ускоренном распаде 176Lu на поверхности планетезималей вследствие фотовозбуждения под воздействием облученния гамма- или космическими лучами долгоживущего изотопа 176Lu и перехода его в состояние короткоживущего изомера. Если это так, то парадигма «хондритовой Земли» вообще не подходит для интерпретации Lu–Hf системы, так как Земля образовалась в результате аккреции преимущественно необлученного протопланетного материала. Авторы использовали Lu–Hf систематику кристаллов циркона из метеоритов Солнечной системы для идентификации первичных хондритов, Lu/Hf соотношение в которых наилучшим образом отражает валовый состав Земли. В ходе исследования был впервые произведен высокоточный Lu/Hf изотопный анализ метеоритного циркона – минерала, крайне устойчивого к метаморфизму и характеризующегося достаточно низкими соотношениями Lu/Hf, чтобы не принимать в расчет in situ радиогенный рост 176Hf в нем. Содержание Hf в цирконах обычно составляет около 1 вес.%. Возраст цирконов довольно легко определяется U-Pb методом. Измерения производились методом высокочувствительной мультиколлекторной масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Основные сложности аналитики были связаны с крайней мелкозернистостью кристаллов циркона (< 20 мкм) в метеоритах. Судя по результатам исследования, начальное соотношение 176Hf/177Hf в Солнечной системе составляло 0,279781 ±0,000018. Для первичных хондритов, не содержащих избыточного 176Hf и, таким образом, отражающих соотношение Lu/Hf в валовом составе Земли, были получены следующие значения: 176Hf/177Hf = 0,282793 ±0,000011; 176Lu/177Hf = 0,0338 ±0,0001. Авторы уверены, что первичный состав Hf в земных цирконах отражает эволюционное состояние обогащенного силикатами резервуара Земли в самом начале этапа его дифференциации 4,5 млрд лет назад. То, что именно в это время началась мантийно-коровая дифференциация Земли, подтверждает и кривая роста 176Hf, построенная на основе Lu–Hf систематики метеоритных цирконов.
В.В. Стрекопытов