• ИГМ СО РАН
    Институт геологии и минералогии им. В.С. Соболева
    Сибирского отделения Российской академии наук
  • Поиск и разведка месторождений твердых полезных ископаемых
    Проведение научно-методических и научно-исследовательских работ на всех этапах
    поиска, разведки и разработки месторождений твердых полезных ископаемых
  • Центральный Сибирский геологический музей
    Крупнейший за Уралом геологический музей. Более 10 000 образцов, характеризующих 1154 минеральных вида, эталонные коллекции горных пород и руд из более чем 150 месторождений Сибири и Дальнего Востока.
  • Эколого-геохимические исследования
    Проведение эколого-геохимических экспертиз,
    ведение экологического мониторинга окружающей среды
  • Экспериментальная минералогия и рост алмазов
    ИГМ СО РАН — один из мировых лидеров
    по исследованию процессов кристаллизации алмаза
  • Национальные проекты России "Наука и университеты"
    Национальные проекты России "Наука и университеты"

Наши партнеры

ИГМ СО РАН является подрядчиком по заказам РосНедра, МПР РФ, а также крупнейших недропользователей Российской Федерации

  • Polyus Gold International

Лаборатория изотопно-аналитической геохимии (775)

 

В.А. Пономарчук

 Заведующий лабораторией

Доктор геолого-минералогических наук, Травин Алексей Валентинович 

Научные руководители базового проекта (совместного с лаб. рентгеноспектральных методов анализа)

Доктор геолого-минералогических наук, Травин Алексей Валентинович 

Кандидат геолого-минералогических наук, Карманов Николай Семенович  

Кадровый состав лаборатории 

Состав лаборатории насчитывает 33 сотрудника, имеющих большой опыт изотопно-геохимических исследований, в том числе: 3 доктора геолого-минералогических наук, 4 кандидата геолого-минералогических наук, 3 кандидата химических наук, а также высоко квалифицированных инженеров и лаборантов.

Контакты

Зав. лаб. д.г.-м.н. Алексей Валентинович Травин, тел. +7 (383) 373-05-26, доп. 3-43, Email: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Методы и методики

Коллектив лаборатории состоит из нескольких, тесно взаимодействующих между собой групп, сложившихся на основе их специализации по методам исследования:

- группа разделения минералов

Группа проводит выделение мономинеральных фракций (циркон, апатит, биотит, мусковит, амфибол, плагиоклаз и др.) на основе гравитационных, центробежных, электромагнитных, электростатических, флотационных, химических и других методов.

На основе классических методов «мокрой химии» проводится определение содержаний CO2, S общей, сульфидной, Fe растворимого, F.

- группа ИСП масс-спектрометрии

В группе разработаны и применяются различные методики химической подготовки разных типов геологических пород (силикаты, карбонаты, углеродсодержащие образцы), почв, растений, высокоминерализованных вод для последующего ИСП-МС анализа с определением до 50 элементов в одном растворе на масс-спектрометре высокого разрешения Element I. Выполняется определение наноколичеств элементов платиновой группы и рения изотопным разбавлением с масс-спектрометрическим окончанием после кислотного разложения проб при высокой температуре и давлении с последующим отделением определяемых элементов на катионите Dowex AG50Wx8. Поставлен анализ широкого набора элементов методами атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС) и атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС). U/Pb датирование цирконов и других акцессорных минералов выполняется методом ЛА-ИСП-МС с использованием ИСП масс-спектрометра Element XR (ThermoFisher Scientific) и эксимерного лазера Analyte Excite (Teledyne Cetac Technologies). Кроме того, с использованием указанного оборудование проводится определение микроэлементов, включая редкоземельные, в минералах.

- группа стабильных изотопов

В настоящий момент на основе газового масс-спектрометра Finnigan 253 с комплексом on-line систем пробоподготовки в режиме постоянного тока гелия поставлены методики определения изотопного состава углерода и азота в органическом веществе; углерода и кислорода в карбонатах. С помощью H-Device в режиме двойного напуска проводится изотопный анализ водорода в воде. Масс-спектрометр Delta V Advantage функционирует исключительно в режиме двойного напуска и является основой для изучения изотопного состава углерода алмазов, графитов, рассеянного углерода, а также изотопного состава серы в сульфидах и сульфатах, самородных и рассеянных форм серы. Исследования проводятся с применением оригинальных вакуумных установок для экстракции изотопов, что позволяет исследовать трудно вскрываемые и рассеянные формы углерода и серы, в том числе содержащиеся во флюидных включениях в минералах.

Квалификация коллектива группы обеспечивает высокий уровень владения техникой и проведения исследований (дипломы о прохождении обучения).

                1 2 3

- группа термоионизационной масс-спектрометрии

В имеющихся химически чистых помещениях поставлены методики Rb/Sr, Sm/Nd изохронного датирования геологических пород, минералов. Базовым прибором группы является много-коллекторный термоионизационный масс-спектрометр МИ 1201 АТ Сумского НПО Электрон (Украина). Для целей изотопной Sr хемостратиграфии проводится определение Ca, Mg, Fe, Sr, Mn из солянокислой вытяжки карбонатных пород. В связи с ограниченностью возможностей имеющегося масс-спектрометра, в случае необходимости, измерения изотопных отношений Sr с точностью до 6 знака и выше проводятся на масс-спектрометрах Finnigan 261 в ИЗК СО РАН (Иркутск) и Triton в ИГГ УрО РАН (Екатеринбург).

- группа 40Ar/39Ar датирования

Функционирование метода основывается с одной стороны, на технологиях и методиках, отработанных ранее при постановке K/Ar метода датирования, с другой – на инфраструктуре доставки с томского исследовательского атомного реактор (Томский политехнический университет) и хранения облученных образцов. Для датирования используется методика ступенчатого прогрева с кварцевым реактором и внешней трубчатой печью. Преимущество такого варианта по сравнению с используемой в большинстве мировых лабораторий системы «двойного вакуума» состоит в контроле температуры с помощью термопары, подведенной непосредственно к исследуемому образцу, в возможности удалить запакованный предварительно в Ni фольгу отработанный образец из реактора с помощью магнита. Измерение выделенного из образцов и очищенного аргона производится на масс-спектрометрах noble gas 5400 и Argus (Micromass, Англия).

Для образцов, характеризующихся сложной термической историей и, соответственно, – сложной формой возрастного спектра разработана методика, позволяющая оптимизировать схему ступенчатого прогрева с целью максимально эффективной расшифровки формы возрастного спектра и интерпретации полученных данных.

4

Предложен новый метод измерения возрастных спектров с высоким разрешением по доле выделенного газа, основанный на накоплении экспериментальных данных и позволяющий по мере необходимости уточнять возрастной спектр или его отдельные участки. Представленный метод может быть использован не только для измерения возрастных спектров при 40Ar/39Ar датировании, но и для измерения других характеристик изотопных систем образцов горных пород и минералов при поэтапном выделении анализируемого вещества.

Инфраструктура 

Основные приборы:

  • масс-спектрометр высокого разрешения с индуктивно-связанной плазмой Element (Finnigan Mat, Германия) с лазерной приставкой для элементного анализа;
  • твердофазный многоколлекторный масс-спектрометр МИ1201 «АТ» (НПО Электрон, Украина, 2006 год), химически чистые помещения для Rb/Sr датирования и изотопно-геохимических исследований;
  • масс-спектрометр «noble gas 5400” (Micromass, Англия, 1998 год) для 40Ar/39Ar датирования методом ступенчатого прогрева;
  • газовый масс-спектрометр Finnigan 253, (Германия) с проточным комплексом систем пробоподготовки для определения изотопного состава C, N в органике; C, O в карбонатах; в С, Н в нефтях; H, O воде;
  • много-коллекторный газовый масс-спектрометр Argus (Бремен, Германия, ) в комплексе с системой очистки и инфракрасным лазером Fusions 10.6 (Photon Machines, США) для 40Ar/39Ar датирования методом ступенчатого прогрева и лазерного испарения вещества;
  • Element XR (ThermoFisher Scientific) и эксимерный лазер Analyte Excite (Teledyne Cetac Technologies);

газовый масс-спектрометр Delta V Advantage (Германия) с оригинальной вакуумной системой пробоподготовки для определения изотопного состава S, C, O.

Важнейшие достижения за 5 лет

1. Методики пробоподготовки и ИСП-МС определения микроэлементов

Разработаны новые методики ИСП-МС определения микроэлементов в различных типах горных пород и минералов (силикаты, карбонаты, углеродсодержащие образцы), а также высокоминерализованных природных водах. В зависимости от состава выбраны оптимальные условия химической подготовки каждого типа образцов, обеспечивающие полное переведение в раствор определяемых элементов. С использованием модернизированных методик получены новые геохимические данные для геологических объектов Северной Евразии [Doroshkevich&All, Journal of Asian Earth Sciences, 2018; Владимиров и др., ДАН, 2018 и другие], с помощью которых выявлены закономерности процессов, протекающих в Земной коре и верхней мантии.

5

2. Термохронология раннепалеозойских коллизионных, субдукционно-коллизионных структур Центральной Азии

Предложена методика «сквозного изотопного датирования», на основе которой проведена реконструкция термохронологической истории аккреционно-коллизионных, субдукционно-коллизионных систем и глаукофансланцевых комплексов каледонид Центрально-Азиатского складчатого пояса [Лепезин и др., Петрология, 2006; Травин, Геология и геофизика, 2016]. Показано, что история формирования этих геологических структур складывается из коротких, синхронных этапов активных термических событий, сопряженных с масштабным мантийно-коровым магматизмом, метаморфизмом HP/LT, HT/LP типов, интенсивными тектоническими деформациями. В качестве глубинного механизма синхронизации предполагается проявление плюмов различного масштаба как во внутриокеанической, так и внутриконтинентальной обстановке.

Для высокоградных метаморфических пород Чернорудской зоны (Ольхонский регион) установлено, что перемещение с глубины 27 км до глубины, меньшей 10 км происходило в течение 100 млн лет (рис. 1).

С учетом совокупности всех полученных для главных зон Ольхонского региона данных, это происходило в результате нескольких тектонических событий (рис. 1). В перерывах длительностью десятки млн лет между этапами породы тектонических пластин «замораживались» на промежуточной глубине при относительно пониженной температуре (рис. 2). В процессе очередной тектоно-магматической активизации происходило кратковременное повышение температуры, сопровождавшееся понижением давления - эксгумацией пород Чернорудской зоны на следующий уровень глубины. Если основным источником прогрева на ранних этапах являлось поступление магм мантийного, мантийно-корового генезиса, то на поздних, характеризующихся амагматичностью этапах прогрев мог быть обусловлен интенсивными пластическими, хрупко-пластическими деформациями.

6

Рис. 1. Термическая эволюция (возраст-температура) литопастин и бластомилонитовых комплексов Ольхонского региона. Стрелками показаны термохронологические тренды, установленные для отдельных литопластин. Серым фоном отмечены возрастные рубежи тектонотермальной активности. Для калиевого полевого шпата Чернорудской зоны жирными линиями показаны термические тренды, а пунктирными – доверительные интервалы. Отдельно, со шкалой справа показана эволюция глубины для Чернорудской и Ангинской зон. Литературные источники использованных изотопных данных [Бибикова и др., 1990; Летников и др., 1990; Юдин и др., 2005; Fedorovsky et al., 2005; Gladkochub et al., 2008; Скляров и др., 2001; 2009; Травин и др., 2009; Волкова и др., 2008; 2010; Владимиров А.Г. и др., 2008; 2011; Гладкочуб и др., 2010; Федоровский и др., 2010].

7

Рис. 2. Схема эволюции P-T параметров метаморфизма пород Чернорудской зоны. Красным прямоугольником показана область, оцененная по минералогическим термометрам и барометрам для двупироксеновых гнейсов [Федоровский и др., 2003].

3. Реконструкции термохронологической истории гранитоидных батолитов

Разработан подход (рис. 1), позволяющий на основе методов решения обратных задач, осуществлять подбор сценариев эволюции гранитоидных батолитов, при которых расчетные времена закрытия изотопных систем согласуются с результатами мультисистемного и мультиминерального датирования. Для моделирования динамики остывания и кристаллизации гранитоидного расплава создана программа Геотермохрон, апробация алгоритма осуществлена на примере гранитоидных батолитов и связанных с ними рудных месторождений Алтайской [Анникова и др., Литосфера, 2019; Владимиров и др., Геология и геофизика, 2019; Мурзинцев и др., Геодинамика&Тектонофизика, 2019], Забайкальской [Травин и др., ДАН, 2020], Памирской аккреционно-коллизионных систем и Вьетнама [Владимиров и др., ДАН, 2019; Владимиров и др., Геодинамика&Тектонофизика, 2019].

8

 Рис. 1. Блок схема, демонстрирующая методологию комплексного подхода при реконструкции геодинамической эволюции гранитоидных батолитов.

Синтез геологических, геохронологических исследований (U/Pb – циркон, Re/Os – молибденит, 40Ar/39Ar – биотит, мусковит) Калгутинского Mo-W месторождения на основе предложенного подхода позволил реконструировать начавшуюся с внедрения Калгутинского гранитного массива 215 млн лет назад, историю формирования Калгутинской РМС длительностью в 35 млн лет, включающую 5 этапов. С учетом геофизических данных рассмотрена модель, в которой магматическая камера Калгутинского массива представлена в виде системы двух каскадов, включающей само гранитное тело (изначально на глубине 10-15 км), а так же, - подстилающую нижнюю магматическую камеру на глубине 20-30 км, соединенную с верхней посредством подводящего канала (рис. 2).

9

Рис. 2. Схематизированная модель Калгутинской РМС, отражающая последовательно остывание двухуровневой магматической колонны, осложненная тектоническим экспонированием (подъёмом при растяжении континентальной литосферы Южного Алтая и сдвиго-взбросовыми деформациями).

Результаты расчетов показывают, что при геотермальном градиенте у поверхности 30°C/км длительное (до 20 млн лет) остывание глубинной магматической камеры гранитного состава приводит к формированию остаточных очагов расплава на нижних уровнях глубинного резервуара (рис. 2). Именно эти, значительно обогащенные в результате фракционирования редкими металлами расплавы являются источниками редкометалльно-гранитного магматизма и рудных гидротермальных флюидов, которые через 30 млн лет после зарождения Калгутинской РМС привели к образованию пояса ультраредкометалльных протяженных даек онгонитов и эльванов, пространственно совмещенных с богатыми вольфрамовыми жилами Калгутинского месторождения.

Информационная справка

История лаборатории берет свое начало от созданной в 1953 г. сначала в Горно-геологическом (ГГИ), затем в Институте геологии (ИГ) ЗСФАН и вошедшей в образованный в 1958 г. Институт геологии и геофизики лаборатории абсолютного возраста, которой с основания до 1968 года руководил заместитель директора ИГиГ, к.г.-м.н. (в последствии – д.г.-м.н.) Вениамин Михайлович Кляровский. Основным методом, используемым для датирования геологических пород и минералов, являлся K/Ar метод сначала в объемном варианте, затем – в варианте изотопного разбавления, с использованием двойного радиочастотного масс-спектрометра оригинальной конструкции (Е.Ф. Доильницын, Б.П. Пучков). В дальнейшем лаборатория изотопных исследований трансформировалась и под разными названиями неизменно присутствовала в структуре отдела общеинститутских лабораторий: лаборатория геохронологии – заведующий д.г.-м.н. Лев Васильевич Фирсов (1968-1981 гг.), лаборатория изотопных исследований – к.т.н. Евгений Федорович Доильницын (1981-1988 гг.), лаборатория геохронологии – заведующая д.г.-м.н. Ирина Владимировна Николаева (1981-1988 гг.), лаборатория радиогенных и стабильных изотопов - заведующие д.г.-м.н. Виктор Антонович Пономарчук (1988-2006 гг), д.г.-м.н. Вадим Николаевич Реутский (2006-2010 гг.); лаборатория изотопно-аналитической геохимии – заведующий д.г.-м.н. Алексей Валентинович Травин (2010-н.в.).

На протяжении всей истории лаборатории происходило последовательное развитие существующих методик датирования и изотопного анализа. При Льве Васильевиче Фирсове, человеке с поразительной многогранностью интересов на фоне дальнейшего развития объемного варианта K/Ar метода (Ю.Н. Лебедев) стал интенсивно развиваться метод радиоуглеродного датирования (к.г.-м.н. В.А. Панычев, к.г.-м.н. Л.А. Орлова). В лаборатории Евгения Федоровича Доильницына интенсивно использовались методики изотопии ряда элементов (S, Pb и др.) рудных минералов и нефтей (к.г.-м.н. А.П. Перцева, Л.Д. Шипилов, Н.Г. Пятилетова, Б.П. Пучков). Несмотря на трудности в годы перестройки Ириной Владимировной Николаевой было организовано приобретение партии современных украинских масс-спектрометров МИ1201, что позволило осуществить постановку Rb/Sr метода датирования (д.г.-м.н. В.А. Пономачук, Л.И. Разворотнева, Н.И. Козырева), на новом уровне подойти к K/Ar датированию методом изотопного разбавления (Ю.Н. Лебедев, А.В. Травин). Логическим продолжением этих работ уже под руководством Виктора Антоновича Пономарчука стали: дальнейшее развитие Rb/Sr метода датирования, постановка новой для Института методики Sr-изотопной хемостратиграфии (д.г.-м.н. В.А. Пономачук, к.х.н. С.В. Палесский, И.П. Морозова), а также - постановка Ar/Ar метода датирования (д.г.-м.н. В.А. Пономарчук, д.г.-м.н. А.В. Травин). Решение последней задачи было значительно облегчено благодаря наличию в лаборатории радиогеохимии природных и техногенных систем (зав. лаб. к.г.-м.н. Ф.В. Сухоруков) инфраструктуры доставки и хранения облученных образцов.

Необходимым этапом всех геологических исследований является подготовка коллекций каменного материала. Эффективность изотопно-геохимических, геохронологических исследований напрямую зависит от качества, чистоты выделения минеральных фракций. В этой связи на протяжении всей истории изотопной лаборатории принципиально важным является тесное сотрудничество с коллективом, возглавляемым д.т.н. Т.С. Юсуповым, работы которого в области направленного изменения структурных и физико-химических свойств минералов получили широкую известность в России. В результате структурных преобразований в начале XXI века коллектив Талгата Сунгатулловича (Л.Г. Шумская, И.Ю. Васькова, Л.П. Пантюкова, Е.А. Кириллова, Ю.В. Алешкова, Л.А. Горчукова, И.М. Фоминых) вошел в состав лаборатории изотопно-аналитической геохимии. В 2019 году Институтом закуплен комплекс оборудования (изодинамический, электромагнитный сепараторы, центрифуги и др.), позволяющий организовать выделение минеральных фракций на уровне, соответствующем самым высоким современным требованиям.

Возможности изотопных исследований лаборатории в конце XX – начале XXI века значительно расширились благодаря поступлению новейшего аналитического оборудования. Так, появление масс-спектрометра высокого разрешения с индуктивно-связанной плазмой Element I (Finnigan Mat) и разработка соответствующих методик пробоподготовки позволило выполнять высокочувствительное определение редкоземельных, высоко зарядных и других редких элементов в природных водах, в твердых геологических образцах после разложения, а также и в лазерном варианте с помощью Nd:YAG лазера (266 нм, 213 нм) для мономинеральных фракций и пород, приготовленных в виде сплавленных стекол. Особым достижением является методика определения элементов платиновой группы и рения с изотопным разбавлением (к.х.н. С.В. Палесский, при всяческой поддержке и помощи вед. инж. Лаб. 451 О.А. Козьменко), что позволяет получать ценную информацию о генезисе геологических пород, минералов.

В 1998 году, на замену устаревшего морально украинского газового масс-спектрометра МИ1201В, был получен noble gas 5400 (Micromass). На основе этого прибора, системы выделения и очистки оригинальной конструкции в лаборатории была организована работа Ar/Ar метода датирования в режиме центра коллективного пользования, сотрудничающего практически со всеми российскими Институтами в области наук о Земле, многочисленными российскими и зарубежными геологическими компаниями (д.г.-м.н. В.А. Пономарчук, д.г.-м.н. А.В. Травин, к.г.-м.н. Д.С. Юдин, к.г.-м.н. С.А. Новикова, А.В. Пономарчук). В 2008 году был приобретен много-коллекторный газовый масс-спектрометр Argus (Micromass) в комплекте с системой пробоподготовки и инфракрасным лазером. Благодаря значительно большей чувствительности этого прибора появилась возможность Ar/Ar датирования методом ступенчатого прогрева по микронавескам, в том числе и по отдельному зерну минерала, а также - датирования с использованием лазерного испарения вещества (к.г.-м.н. Д.С. Юдин, Д.В. Алексеев, Н.Г. Мурзинцев).

Приобретение в 2006 году термоионизационного многоколлекторного масс-спектрометра МИ 1201АТ позволило значительно усилить возможности Rb/Sr датирования и решения задач Sr изотопной хемостратиграфии (к.г.-м.н. И.А. Вишневская, к.г.-м.н. В.Ю. Киселева, Г.А. Докукина, О.А. Спичак).

Поступление газового масс-спектрометра Finnigan 253 с комплексом систем пробоподготовки позволило поставить в массовом варианте анализ изотопного состава C, O в карбонатах для целей изотопной хемостратиграфии, методики определения изотопного состава C в органике, алмазах, графитах, в газообразных углеводородах; S в сульфидах и сульфатах; H в воде (д.г.-м.н. В.А. Пономарчук, д.г.-м.н. В.Н. Реутский, Д.В. Семенова, к.г.-м.н. О.П. Изох, к.х.н. А.Н. Пыряев). В дальнейшем на замену устаревшему газовому масс-спектрометру Finnigan Delta удалось получить новейший его аналог, что позволило организовать автономный анализ изотопного состава S в рудных минералах, C в алмазах, разгрузив Finnigan 253 (д.г.-м.н. В.Н. Реутский, М.Н. Колбасова). Приобретение масс-спектрометра высокого разрешения с индуктивно-связанной плазмой Element XR (ThermoFisher Scientific) и системы лазерной абляции Analyte Excite (Teledyne Cetac Technologies) на основе эксимерного лазера (193 нм) расширило возможности лаборатории в области локального изотопного датирования, в частности, U/Pb датирование цирконов и других акцессорных минералов.

Список основных проектов и публикаций