宇宙成因核素测年中石英分离流程的改进

就地宇宙成因核素测年是基岩断层面和滑坡、崩塌体古地震研究中至关重要的年代测定方法之一,其测定的目标矿物较多。石英因其成分简单、分布广泛且易于进行化学处理而成为就地宇宙成因核素测年中的一种理想测年矿物。从野外采集的岩石中分离出纯石英是就地宇成核素测年实验的首要步骤,同时也是一个关键环节。常规的HF/HNO 3蚀刻分离提纯石英的方法耗时长、效率低,影响就地宇宙成因核素测年方法在活动构造中的应用。文中报道了一种采用实验室集成的石英浮选提纯装置及提纯方法,选取活动构造研究中2种宇成核素测年常用的长英质岩石样品——花岗质片麻岩和石英岩,经破碎、筛分出0.25~0.50mm粒径的颗粒作为试验样,成功实现了石英与长石等杂质矿物的有效分离,获得的石英组分中石英占90%以上,效果显著。结果表明,花岗岩类样品浮选分离后的石英组分再用HF/HNO 3继续蚀刻2、3次后,石英中的Al含量降至200ppm以下,完全满足宇宙成因核素测年的要求,隐晶质的石英岩经过浮选分离再蚀刻提纯,比全岩粉碎后直接提纯减少了一倍以上的时间。文中的浮选提纯装置和方法极大地减少了HF/HNO 3蚀刻时的用酸量,降低了成本,同时也节省了蚀刻时间,提高了宇成核素测年石英分离提纯的效率。同时,还可为低温热年代学中提取锆石、磷灰石的处理流程提供借鉴。

应用宇宙成因核素^(10)Be和^(26)Al估算剥蚀面的暴露时间及剥蚀速率和剥蚀厚度

宇宙成因核素10 Be和2 6Al的浓度记录着岩层剥蚀面的暴露时间和岩石剥蚀速率等信息。利用数学换算法分析影响10 Be和2 6Al浓度的因素 ,并利用10 Be和2 6Al的半衰期的近似倍数关系建立联立方程组 ,从理论上得到了年轻地质体中遭受快速埋藏的剥蚀面的暴露时间和剥蚀速率的估算公式。在此基础上 ,对整个剥蚀区不同位置剥蚀速率进行了分析。通过分析可以更准确地估算出整个剥蚀区不同位置的剥蚀厚度 ,从而可恢复剥蚀面的古地貌。

原地生成宇宙成因核素^(10)Be和^(26)Al样品采集及处理

着重介绍原地生成宇宙成因核素10Be和26Al理想样品的特点、野外采集注意事项、实验室分离与纯化以及加速器质谱测量用靶样制备等。

基岩断面宇宙成因核素暴露定年:重建正断层古地震序列

正断层基岩断面可以连续地记录大地震位移累积的过程以及地震事件序列。该地震序列发生的时间与地震位移导致的基岩断面的暴露时间呈正相关。因此,通过测定断面基岩表层的宇宙成因核素浓度,可获得过去大地震发生的次数、时间和滑动量。目前研究工作中广泛选用灰岩的宇宙成因核素^(36)Cl测年方法,最佳采样基岩断面的高度距地表15~20m。选择采样剖面时,需确保基岩表面记录的是构造事件而并非地貌剥蚀过程,断面平直新鲜。基本采样策略是,在崩积楔之上和之下平行断层滑动方向连续采集一系列基岩样品,单件样品的长×宽×厚约15cm×10cm×3cm。基于样品的宇宙成因核素^(36)Cl和稀土元素-钇(REE-Y)浓度随着样品距地表高度的变化情况,识别出强震次数及其发生时间范围,然后运用数值模型模拟^(36)Cl剖面来获得最可能的强震事件发生时间和滑动量以及相应的误差。

宇宙成因核素埋藏年龄测定及其在地球科学中的应用

原地生成宇宙成因核素埋藏测年方法,在晚新生代沉积物尤其是陆相碎屑沉积物测年上具有广泛的应用前景。在同一岩石或矿物中的宇宙成因核素对,例如26Al和10Be在地表的生成速率比值是固定的,不受纬度和海拔的影响,但是这一核素对分别具有不同的半衰期。在地表经历了暴露的沉积物被埋藏后,该比值会随着时间而降低,因此具有不同的半衰期的核素对(例如26Al/10Be)可以作为一种地质时钟,测年范围在几十万a至5Ma。文中简要介绍了目前常用的4种方法及其应用:暴露-埋藏图解法、深度剖面法、等时线法以及26Al-21Ne和10Be-21Ne法。

宇宙成因核素^(21)Ne测年原理和应用

宇宙成因核素测年方法在地表暴露测年和沉积物埋藏测年方面均具有重要应用价值,还可用于定量计算地表侵蚀、地形抬升和河流下切等反映气候及构造运动影响的地表过程速率,对研究地球各圈层之间的相互作用关系具有重要意义,是第四纪年代学领域中一种重要的测年方法。与放射性宇宙成因核素10Be、26Al相比,稳定核素21Ne在地表暴露定年方面具有测年范围宽、测年材料选择范围广、测试所需样品量少、前处理过程简单等优点。通过与放射性核素的结合使用,稳定核素21Ne还可用于沉积物的埋藏测年,并具有比10Be-26Al埋藏测年法更高的测年上限和测年精度。稳定核素21Ne测年方法的应用在国内尚处于起步阶段,但可以预见,这一方法将以其独特的优势在第四纪地质学、地貌演化及活动构造等诸多研究领域得到广泛的应用。

基于宇宙成因核素^(10)Be的青藏高原东南部地区末次间冰期以来地表岩石剥蚀速率研究

地表剥蚀速率是衡量地貌演变的一个重要因子。本研究利用原地生成宇宙成因核素10Be对青藏高原东南部地区地表岩石剥蚀速率进行了首次测定。结果显示,自末次间冰期以来,青藏高原东南部地区的地表岩石剥蚀速率不超过60mm/ka,平均剥蚀速率值约为27.1±10.2mm/ka,这一结果与其他高海拔地区基岩剥蚀速率值一致。高原东南部地区地表岩石剥蚀率同时受构造活动和气候尤其降水量等因素的制约。与高原内部干旱、半干旱地区相比,青藏高原东南部地区的剥蚀速率偏大,但均在同一个数量级范围内。高原东南部地区较高原内部干旱区剥蚀速率大的原因主要是由于降水量的差异所致。

活动构造研究中相关速率的原地宇宙成因核素年代学约束

活动构造研究中获得的相关速率是解释活动构造运动方式和幅度的重要基础,同时也能够提供检验和建立有关运动学和动力学模型的必要参数。原地宇宙成因核素年代学是近几十年来随着加速质谱的出现而逐渐发展并不断广泛应用于地学,特别是地表过程以及活动构造研究中来的。由于仪器测试费用高以及处理流程比较复杂,国内早期相关研究没有得以广泛开展,然而目前正呈现逐渐升温的趋势。在样品采集以及精细野外地质调查测量的基础上,活动构造研究中的活动断裂运动速率,活动构造区的河流水系侵蚀下切速率以及古地震事件,活动火山喷发事件等均可以通过原地宇宙成因核素年代学定量约束。文中在概述原地宇宙成因核素年代学基本原理的基础上,总结了国内外有关该年代学在活动构造研究应用中的最新成果和资料,重点介绍了基于原地宇宙成因核素年代学方法获取和解释活动构造研究中相关速率的成果。

陆地原位宇宙成因核素(TCN)在地表过程与构造活动关系研究中的应用

大地构造、气候变化和地表过程间的耦合作用被视为今后10年内六大地学新课题之一,而从事这一重大课题研究的有效途经便是陆地原位宇宙成因核素的研究和应用。从目前该领域的研究实践来看,经常使用的是3He1、0Be1、4C2、1Ne2、6Al和36Cl核素,其中石英的26Al和10Be的配合使用最为普遍。通过陆地原位宇宙成因核素(TCN)方法基本原理的阐释,并结合当今国际上该领域利用10Be和26Al在暴露年龄与侵蚀速率、沉积物埋藏年龄以及河流下切速率等方面的工作实例,介绍陆地原位宇宙成因核素在地表过程以及地表过程与构造活动相互关系研究上的应用。

原地宇宙成因核素暴露测年方法中石英的提取

原地宇宙成因核素10Be和26Al的暴露年龄测定是近年来发展较快的测年技术,已在地学研究中得到广泛应用。该方法需要选用经一系列前处理过程获得的纯净石英作为待测样品,制备成BeO和Al2O3以供加速器质谱仪测量。因此获得高纯度的石英样品,是该测年方法的关键环节之一。本研究在已有报道的石英提纯化学流程的基础上,尝试对流程进行部分优化,通过实验对比不同粒径组分、不同固液比水浴振荡器和滚筒HF-HNO3蚀刻效果,确定使用HF-HNO3(1%或2%,固液比15.0 g/L)滚筒加热法刻蚀样品以去除铝硅酸盐,多钨酸钠重液分离样品中的石英和其他组分。优化的分离纯化流程应用于处理采自祁连山北缘河流阶地含石英的岩石样品,经纯化的石英纯度可达98%以上,Al的含量小于200μg/g,表明采用优化的提取流程获得了高纯度的石英样品,可以满足10Be和26Al暴露测年所需样品要求。

原地宇宙成因核素测年中石英样品分离提纯的几组实验对比

原地宇宙成因核素测年方法在地质及地理研究领域应用广泛,测年对象众多。石英因其致密的晶体结构不易被大气成因10Be污染,以及较低的27Al含量的特点而成为宇宙成因核素测年方法中一种理想的测年物质。在分离石英样品10Be和26Al的实验流程中,石英的提纯是其中的一个关键环节。原始的HCl/H2O2和HF/HNO3蚀刻分离提纯石英方法应用广泛、安全可靠,但处理样品周期长、效率较低。因此,在原始流程的基础上,设计了3组实验流程与原始流程进行对比。结果显示,在样品石英纯度较高的基础上,可以通过减少超声波使用时间、增加蚀刻溶液浓度及每步样品处理量的方法,提高样品的处理效率,同时可以用加热磁力搅拌器替代超声波清洗器进行石英样品的HF/HNO3蚀刻提纯。

宇宙成因核素^(10)Be,^(26)Al:原理及其在地表过程中的应用

地表岩石中宇宙成因核素10Be和26Al含量是侵蚀速率和辐射时间的函数,通过对岩石中10Be和26Al含量的测定能反映较长时间(103~107a)和较大空间尺度上的侵蚀作用大小和过程.根据10Be含量估算出长江中下游地区平均侵蚀速率为30~60m·Ma-1,攀枝花至三峡长江流域内地表平均侵蚀速率为200m·Ma-1.

宇宙成因核素测年方法及其在地球科学中的应用

宇宙成因核素地表暴露测年方法,是近年来迅速发展起来的一种新的同位素地质年代学方法.宇宙成因核素主要是由来源于银河系的宇宙射线与暴露于地表的物质作用形成的,作用机制主要包括裂变、中子捕获和介子反应.产生宇宙成因核素宇宙射线粒子主要是次生快中子、热中子和负慢介子,由于这些宇宙射线粒子在空间分布上的不同,地球上不同纬度、海拔高度和深度处的宇宙成因核素生成速率也表现出较大的差异.地表物质中宇宙成因核素浓度除了受到核素生成速率和地表物质的暴露时间制约外,还与地表侵蚀速率密切相关,此外,地磁场强度、遮蔽、化学风化及样品的几何位置等也会对核素浓度产生一定影响,在求算样品的地表暴露年代时,应对这些因素进行相应的校正.宇宙成因核素地表暴露测年技术的理论和方法日臻完善,目前它已被广泛到第四纪冰川、撞击坑、火山地貌、断层面等地学问题中来.

宇宙成因核素技术在第四纪冰川测年研究中的评述及展望

宇宙成因核素测年技术经过近几十年的发展,在采样程序、样品预处理与实验室分析以及理论等方面都获得了进一步的完善,在第四纪冰川测年中有着材料易取、测年范围宽泛与理论基础成熟等优点,已成为目前第四纪冰川测年的主要手段之一.宇宙成因核素测年的随机误差与系统误差分别为8%与10%,但只要根据一定的采样原则,就可以使得到的最老的漂砾年龄≥冰碛年龄的90%(95%的可能性).各纬度带测年数据与冰芯记录的对比中发现,北半球高纬度和南北半球低纬度地区与冰芯记录的相关性较高,而中纬度地区有一定的相关性,但不强.数据分布的纬度对比中发现,两半球的低纬度地区之间,以及中纬度之间有较好的对应关系,并且最大峰值出现的时间也较一致,但高、中与低纬度之间却存在明显的差异.

宇宙成因核素在地球科学中的应用

随着加速器质谱的出现 ,宇宙成因核素展示了其在地球科学中的生命力。文中介绍了宇宙成因核素的生成、示踪原理及近些年来在地球科学中的应用 ,特别着重地介绍了原地生成宇宙成因核素定年这一新的技术。宇宙成因核素是宇宙射线粒子 (包括原生和次生粒子 )与大气及岩石发生核反应所生成的新的核素 ,其在大气及岩石中的生成量可用已知物理过程定量地描述。大气生成宇宙成因核素在考古、古环境及地球各圈层的相互作用方面得到了广泛的应用 ,原地生成宇宙成因核素则在地貌学研究中扮演着重要的角色 ,成为一门新的实验技术。这门技术可以定量地描述地表的暴露历史和侵蚀速率 。

雪冰中宇宙成因核素^(10)Be在第四纪研究中的潜在应用

加速器质谱仪 (AMS)的发展使高精度测量宇宙成因核素1 0 Be并应用于研究天文、地理和古气候成为可能。雪冰中的1 0 Be浓度可以指示古降水量的变化 ,其在大气中的产率变化则可以反映三个主要控制因素 :原始宇宙射线强度、地磁场强度和太阳活动的变化。此外 ,配合其它宇宙成因核素 ,1 0 Be还能用于定年 ,并利用特殊“峰”帮助一些古老冰芯建立年代表 ,提供可作为全球对比标志的特殊信息。青藏高原因其特有的高海拔地势而拥有丰富的中低纬山地冰川资源 ,其冰雪中的1 0 Be资料可能提供比极地高纬资料更清晰的1 0 Be与大气环流、地磁场屏蔽作用关系的信息 ,将是对1 0 Be现有认识的极好补充。

原地生成宇宙成因核素在地学研究中的应用

传统测年方法(14C、热释光、光释光等)无法直接测量地貌面或基岩面的形成年代,利用宇宙生成核素定出的年代可以直接计算地质、地貌体的暴露年代和埋藏时代。随着测量仪器的长足进步,特别是加速器质谱(AMS)检出限(可测至106原子)的大幅度提高,原地生成宇宙成因核素定年技术给地貌学带来了革命性的变化,因此宇宙生成核素被广泛应用于古气候学、构造地质学、火山年代学及古地磁学等。本文阐释了原地生成宇宙核素定年方法的基本原理,并在地学领域应用的现有基础上,从冰川、断层、阶地等研究对象出发,以沉积物埋藏年龄、地表侵蚀速率、断层滑动速率等为研究内容,具体描述该定年技术在冰川地貌、构造地貌、地貌过程及地貌演化研究中的国内外研究现状,以及应用中尚待解决的诸如核素产生速率与空间、时间关系;样品地质、地貌条件对结果造成的不确定性等问题。

大气生成宇宙成因核素^(10)Be在中国黄土中的应用研究进展

中国黄土^(10)Be研究大体上经历了三个阶段:(1)地球化学行为研究:^(10)Be主要吸附于细颗粒及粘土颗粒,在黄土中保存性好,不会发生明显的化学迁移过程;(2)古气候代用指标应用:^(10)Be在黄土和古土壤层中的浓度变化与代表气候变化的深海氧同位素曲线变化一致,且可借此进行黄土年代标尺的建立;(3)地球环境示踪研究:示踪地磁场倒转及漂移事件,恢复古地磁场相对强度变化,以及定量重建黄土高原地区古降水变化历史等。由于近年来黄土^(10)Be环境示踪研究取得了可喜的成果,笔者认为有必要从以上三个方面对中国黄土^(10)Be研究历史进行较为系统的梳理回顾,总结当前最新研究进展,展望未来黄土^(10)Be在环境示踪中的研究方向,希望能使读者在短时间内了解中国黄土^(10)Be研究的发展脉络。

宇宙成因核素^(10)Be、^(36)C1及其加速器质谱测定

10Be、36Cl是宇宙射线与大气成份进行散裂核反应的产物。它们在大气圈停留1—2年,然后通过降水沉降至地表。10Be半衰期1.5×106a,36Cl半衰期0.301×106a,均属纯β放射体,在自然界含量极低,传统的衰变测量法已难以适应现代地球科学中高分辨研究的需要。