Phosphate geochronometer minerals: Crystal chemistry and radiation disorder, methodological issues of their microprobe non-isotope U–Th–Pbtot dating

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Research subject. Phosphate mineral geochronometers – the international reference sample of Trebilcock monazite from pegmatites with the age of 272 ± 2 Ma, as well as samples of monazite from pegmatites of the Shartash massif and monazite, cheralite and xenotime from leucogranite of the Peshcherninsky stock and diorite of the Khomutinsky massif, Middle Urals. Methods. The composition of minerals was studied using CAMECA SX100 microprobe; Raman spectra were obtained using LabRAM HR800 Evolution confocal spectrometer. Research aim. Study of the internal texture of the grains of phosphate minerals on the basis of their elemental and spectroscopic mapping; analysis of the mineral crystal chemistry and estimation of auto-irradiation doses; microprobe non-isotopic U–Th–Pbtot dating of phosphate minerals; development of the appropriate algorithm for using analytical techniques. Results. It has been shown that the studied monazites belong to the cerium variety with ThO2 content from 1.1 to 17.2; UO2 – from 0 to 0.8; PbO – from 0.01 to 0.23 wt % (detection limits 160, 230, and 110 ppm). When analyzing the PbO content, the background line was interpolated into models of linear background (Trebilcock monazite, monazite and cheralite of the Peshcherninsky stock) and exponential background (monazite of the Shartash massif). It has been shown that for monazite, both huttonite and cheralite types of isomorphism are realized; the non-stoichiometric parameter of its composition β = (Si + Ca)/(Th + U + Pb + S) lies in the range of 0.95–1.05, which indicates the preservation of the U–Th–Pb-system. The analysis of BSE-images, intensity distribution maps of the Th Mα and Pb Mα RE lines, compositional point analyses and the results of spectroscopic mapping of the parameters of the ν1(PO4) vibrational mode testify to high homogeneity of Trebilcock monazite and pronounced zoning of the Ural monazites. It has been shown that the parameters of the ν1(PO4) vibrational mode in monazites are determined by the superposition of two factors, i.e. chemical and radiation disorder. The data on U, Th, and Pb content for different zones of monazite grains were used to perform non-isotopic U–Th–Pbtot dating: weighted average age values for the zones were obtained, and isochron plotting was made on the ThO2* vs. PbO diagram. The datings obtained based on the Trebilcock sample are in satisfactory agreement with the literature. Conclusions. The dating of monazite from leucogranite of the Peshcherninsky stock and the Shartash massif are in agreement with the U-Pb isotopic dating of zircon. The physical and chemical characteristics of cheralite, xenotime, and zircon in samples from the Peshcherninsky stock were analyzed. The U–Th–Pbtot dating of cheralite, xenotime, and zircon was attempted. The described algorithm and analytical methods were used at the Geoanalitik Common Use Center for microprobe non-isotopic dating of phosphate minerals.

About the authors

V. A. Bulatov

A.N. Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, UB RAS

Email: vladislavtalica@gmail.com

D. A. Zamyatin

A.N. Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, UB RAS

S. L. Votyakov

A.N. Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, UB RAS

D. D. Korovin

A.N. Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, UB RAS

V. N. Smirnov

A.N. Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, UB RAS

S. V. Pribavkin

A.N. Zavaritsky Institute of Geology and Geochemistry, UB RAS

References

  1. Вотяков С.Л., Прибавкин С.В., Замятин Д.А. (2016) Химическое датирование циркона из гранитных пегматитов Шарташского Массива (Средний Урал). Докл. АН, 470(1), 83-86.
  2. Вотяков С.Л., Щапова ю.В., Хиллер В.В. (2011) Кристаллохимия и физика радиационно-термических эффектов в ряде U-Th-содержащих минералов как основа для их химического микрозондового датирования (Ред. Н.П. юшкина). Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 336 с.
  3. Замятин Д.А., Вотяков С.Л., Ферштатер Г.Б., Замятина М.Д. (2017) Химическое датирование и рамановская спектроскопия монацита из гранитов Адуйского Массива (Средний Урал). Тр. ИГГ УрО РАН, вып. 163, 200-209.
  4. Коровин Д.Д., Смирнов В.Н. (2023) Первая U-Pb (SHRIMP-II) датировка гранитов Рефтинского массива (Восточная зона Среднего Урала). Изв. Коми НЦ УрО РАН, 2(60), 14-23.
  5. Королюк В.Н., Нигматулина Е.Н. (2013) Регистрация Mα-линии свинца в фосфатах редких земель на микроанализаторе JEOL JXA-8100. Журн. аналитич. химии, 68(9), 781-787.
  6. Смирнов В.Н., Иванов К.С., Ронкин ю.Л., Серов П.А., Гердес А. (2018) Изотопный состав Sr, Nd и Hf в породах Рефтинского габбро-диорит-тоналитового комплекса (Восточный склон Среднего Урала): петрологические и геологические следствия. Геохимия, (6), 499-513.
  7. Щапова ю.В., Вотяков С.Л., Замятин Д.А., Червяковская М.В., Панкрушина Е.А. (2020) Минералыконцентраторы d- и f-элементов: локальные спектроскопические и ЛА-ИСП-МС исследования состава, структуры и свойств, геохронологические приложения. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 424 с.
  8. Allaz J.M., Jercinovic M.J., Williams M.L. (2019a) U-Th-Pb total dating of ree-phosphate by electron microprobe. Book of Tutorials and Abstracts of the 13 EMAS Regional Workshop on “Microbeam analysis in Earth Sciences”. Norway, Trondheim, 285-310.
  9. Allaz J.M., Williams M.L., Jercinovic M.J., Goemann K., Donovan J. (2019б) Multipoint background analysis: Gaining precision and accuracy in microprobe trace element analysis. Microsc. Microanal., 25(1), 30-46.
  10. Asami M., Suzuki K., Grew E.S. (2002) Chemical Th-U-total Pb dating by electron microprobe analysis of monazite, xenotime and zircon from the Archean Napier Complex, East Antarctica: evidence for ultra-high-temperature metamorphism at 2400 Ma. Precambr. Res., 114(3), 249-275.
  11. Baldwin J.A., Bowring S.A., Williams M.L., Mahan K.H. (2006) Geochronological constraints on the evolution of high-pressure felsic granulites from an integrated electron microprobe and ID-TIMS geochemical study. Lithos, 88, 173-200.
  12. Baughman J.S., Flowers R.M., Metcalf J.R., Dhansay T. (2017) Influence of radiation damage on titanite He diffusion kinetics. Geochim. Cosmochim. Acta, 205, 50-64.
  13. Begun G.M., Beall G.W., Boatner L.A., Gregor W.J. (1981) Raman spectra of the rare earth orthophosphates. J. Raman Spectrosc., 11(4), 273-278.
  14. Boatner L.A. (2002) Sуnthesis, structure and properties of monazite, pretulite and xenotime Phosphates. Rev. Miner. Geochem., 48, 87-122.
  15. Boatner L.A., Sales B.C. (1988) Monazite. Radioactive Waste Forms for the Future. (Еds W. Lutze, R.C. Ewing). North-Holland. Amsterdam, 495-564.
  16. Cocherie A., Legendre O. (2007) Potential minerals for determining U–Th–Pb chemical age using electron micro-probe. Lithos, 93(3-4), 288-309.
  17. Ewing R.C., Meldrum A., Wang L., Weber W.J., Corrales L.R. (2003) Radiation effects in zircon. Zircon. Rev. Miner. Geochem. (Еds J.M. Hanchar, P.W.O. Hoskin), 53, 387-425.
  18. Fisher C.M., McFarlane C.R.M., Hanchar J.M., Schmitz M.D., Sylvester P.J., Lam R., Longerich H.P. (2011) Sm–Nd isotope systematics by laser ablationmulticollector-inductively coupled plasma mass spectrometry: methods and potential natural and synthetic reference materials. Chem. Geol., 284, 1-20.
  19. Grew E.S., Suzuki K., Asami M. (2001) CHIME ages of xenotime, monazite and zircon from beryllium pegmatites in the Napier Complex, Khmara Bay, Enderby Land, East Antarctica. Polar Geosci., 14, 99-118.
  20. Hirsch A., Kegler P., Alencar I., Ruiz-Fuertes J., Shelyug A., Peters L., Schreinemachers C., Neumann A., Neumeier S., Liermanne H.P., Navrotsky A., Roth G. (2017) Structural, vibrational, and thermochemical properties of the monazite-type solid solution La1–xPrxPO4. J. Solid State Chem., 245, 82-88.
  21. Jercinovic M.J., Williams M.L. (2005) Analytical perils (and progress) in electron microprobe trace element analysis applied to geochronology: Background acquisition, interferences, and beam irradiation effects. Amer. Miner., 90(4), 526-546.
  22. Jercinovic M.J., Williams M.L., Allaz J., Donovan J.J. (2012) Trace analysis in EPMA. IOP conference series: materials science and engineering. IOP Publ., 32(1), 012012.
  23. Kusiak M.A., Dunkley D.J., Suzuki K., Kachlík V., Kędzior A., Lekki J., Opluštil S. (2010) Chemical (non-isotopic) and isotopic dating of Phanerozoic zircon – A case study of durbachite from the Třebíč Pluton, Bohemian Massif. Gondw. Res., 17(1), 153-161.
  24. Larson K.P., Shrestha S., Cottle J.M., Guilmette C., John-son T.A., Gibson H.D., Gervais F. (2022) Re-evaluating monazite as a record of metamorphic reactions. Geosci. Front., 13(2), 101340.
  25. Meng C., Ding X., Zhao J., Li W., Ren C., Yang H. (2016) Preparation and characterization of cerium-gadolinium monazites as ceramics for the conditioning of minor actinides. Progress in Nuclear Energy, 89, 1-6.
  26. Montel J.M., Foret S., Veschambre M., Nicollet C., Provost A. (1996) Electron microprobe dating of monazite. Chem. Geol., 131, 37-53.
  27. Montel J.M., Kato T., Enami M., Cocherie A., Finger F., Williams M., Jercinovic M. (2018) Electron-microprobe dating of monazite: The story. Chem. Geol., 484, 4-15.
  28. Nasdala L., Ruschel K., Rhede D., Wirth R., Kerschhofer-Wallner L., Kennedy A.K., Groschopf N. (2010) Phase decomposition upon alteration of radiation-damaged monazite-(Ce) from Moss, Østfold, Norway. Chimia, 64, 705-711.
  29. Parrish R.R. (1990) U-Pb dating of monazite and its application to geological problems. Canad. J. Earth Sci., 27, 1431-1450.
  30. Podor R. (1995) Raman spectra of the actinide-bearing monazites. Eur. J. Mineral., 7, 1353-1360.
  31. Ruschel K., Nasdala L., Kronz A., Hanchar J.M., Többens D.M., Škoda R., Finger F., Möller A. (2012) A Raman spectroscopic study on the structural disorder of monazite-(Ce). Miner. Petrol., 105(1-2), 41-55.
  32. Schlenz H., Dellen J., Kegler P., Gatzen C., Schreinemachers C., Shelyug A., Klinkenberg M., Navrotsky A., Bosbach D. (2019) Structural and thermodynamic mixing properties of La1−xNdxPO4 monazite-type solid solutions. J. Solid State Chem., 270, 470-478.
  33. Seydoux-Guillaume A.M., Paquette J.L., Wiedenbeck M., Montel J.M., Heinrich W. (2002) Experimental resetting of the U-Th-Pb systems in monazite. Chem. Geol., 191, 165-181.
  34. Silva E.N., Ayala A.P., Guedes I., Paschoal C.W.A., Moreira R.L., Loong C.K., Boatner L.A. (2006) Vibrational spectra of monazite-type rare-earth orthophosphates. Optic. Mat., 29(2), 224-230.
  35. Suzuki K., Adachi M., Kajizuka I. (1994) Electron micro-probe observations of Pb diffusion in metamorphosed detrital monazite. Earth Planet Sci. Lett., 128, 391-405.
  36. Suzuki K., Adachi M., Tanaka T. (1991) Middle Precambrian provenance of Jurassic sandstone in the Mino Terrane, central Japan: Th-U-total Pb evidence from an electron microprobe monazite study. Sediment. Geol., 75, 141-147.
  37. Suzuki K., Kato T. (2008) CHIME dating of monazite, xenotime, zircon and polycrase: Protocol, pitfalls and chemical criterion of possibly discordant age data. Gondw. Res., 14, 569-586.
  38. Švecová E., Čopjaková R., Losos Z., Škoda R., Nasdala L., Cícha J. (2016) Multi-stage evolution of xenotime–(Y) from Písek pegmatites, Czech Republic: an electron probe micro-analysis and Raman spectroscopy study. Miner. Petrol., 110(6), 747-765.
  39. Tomascak P.B., Krogstad E.J., Walker R.J. (1996) U-Pb Monazite Geochronology of Granitic Rocks from Maine: Implications for Late Paleozoic Tectonics in the Northern Appalachians. J. Geol., 104(2), 185-195.
  40. Tomascak P.B., Krogstad E.J., Walker R.J. (1998) Sm–Nd isotope systematics and the derivation of granitic pegmatites in southwestern Maine. Canad. Mineralog., 36, 327-337.
  41. Williams M.L., Jercinovic M.J., Mahan K.H., Dumond G. (2017) Electron microprobe petrochronology. Rev. Miner. Geochem., 83(1), 153-182.
  42. Wu L.-G., Li X.-H., Ling X.-X., Yang Y.-H., Li Ch.-F., Li Y.-L., Mao Q., Li Q.-L., Putlitz B. (2019) Further Characterization of the RW-1 Monazite: A New Working Reference Material for Oxygen and Neodymium Isotopic Microanalysis. Minerals, 9(10), 583. https://doi.org/10.3390/min9100583
  43. Yokoyama K., Shigeoka M., Goto A., Terada K., Hidaka H., Tsutsumi Y. (2010) U–Th-total Pb ages of Uraninite and Thorite from Granititc Rocks in the Japanese Islands. Bull. Natl. Mus. Nat. Sci., 36, 7-18.
  44. Zamyatin D.A., Shchapova Yu.V., Votyakov S.L., Nasdala L. (2017) Effect of radiation damage in natural zircon of the silicon K-beta X-ray emission line. Book of Tutorials and Abstracts of the 15th European Workshop on “Modern developments and applications in microbeam analysis” and IUMAS-7 Meeting. Germany, Konstanz, 484-485.
  45. Zietlow P., Beirau T., Mihailova B., Groat L.A., Chudy T., Shelyug A., Navrotsky A., Ewing R., Schlüter J., Škoda R., Bismayer U. (2017) Thermal annealing of natural, radiation-damaged pyrochlore. Zeitschrift für Kristallographie-Crystalline Materials, 232(1-3), 25-38.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Bulatov V.A., Zamyatin D.A., Votyakov S.L., Korovin D.D., Smirnov V.N., Pribavkin S.V.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».