就地生成宇宙成因核素年龄计算模式应用

就地生成宇宙成因核素测年是被广泛应用于地貌面和地表过程研究测年的新兴手段,相较传统年代学方法具有独特的优势,近年来得到国际上众多地学工作者的认可和应用。然而多数国内学者对其年龄计算模式缺乏深入理解,限制了其在实践中的应用。通过阐述目前已被国际学者普遍认可的四种计算模式,对比分析了不同模式间的差异,评价了每种模式的独特优势和应用领域,以使初学者和尝试应用宇宙成因核素测年的研究者在实践中能够合理应用相应的计算模式,最终获得较可靠的年代结果。

川西龙门山前陆盆地南段前缘砾石层成因及青衣江演化过程:基于宇宙成因核素^(26)Al/^(10)Be埋藏年龄

四川西部(川西)龙门山前陆盆地自中新世以来发生强烈隆升,形成了陡峻的地形梯度带。在紧邻龙门山断裂带的四川盆地堆积一系列砾石层,其中包括名邛(名山—邛崃)砾石层、丹思(丹棱—思蒙)砾石层。名邛砾石层、丹思砾石层为古青衣江堆积砾石层,是古青衣江改道的产物,也是探究青衣江演化及该地区古环境变化的良好对象。基于龙门山前缘地区野外调查和名邛砾石层、丹思砾石层的宇宙成因核素^(26)Al/^(10)Be定年测试,发现名邛砾石层埋藏年龄为(0.6089±0.0187)Ma,丹思砾石层埋藏年龄为(0.2180±0.0941)Ma,由此推断名邛砾石层形成时间为早更新世晚期—中更新世早期(Q_(1)^(3)—Q_(2)^(1)),丹思砾石层形成时间为中更新世中期(Q_(2)^(2))。结合前人研究结果分析,两套砾石层分别对应于深海冰心δ^(18)O曲线和中国黄土序列曲线,都形成于温暖的间冰期。结合前人对该地区的砾石成分、砾径、砾向统计分析和古流向分布等研究,认为青衣江水系经历三次主要的改道事件,早期的青衣江由雅安往北北东方向流向建山,随着熊坡背斜的隆起和名邛台地的持续抬升,由南西-北东流向的青衣江被迫在草坝东南方向切断熊坡背斜从而改道南东方向。

就地生成宇宙成因核素测年方法概述

就地生成宇宙成因核素年代学通过宇宙射线与地表岩石反应所积累核素浓度进行测年,相较传统定年方法具有许多独特的优势,近30年来得到了迅速发展和完善,已成为第四纪研究中的主要测年方法之一。目前该方法虽然仍存在一些问题和限制,随着研究和认识的深入,其理论方法将会越来越成熟,新的核素和应用领域也将会逐步扩展。本文通过就地生成宇宙成因核素的产生机制、测年原理、影响因素等方面对该方法进行了全面的介绍,为相关学者在测年实践中的应用提供有益的指导。

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。

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。

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。

原地生成宇宙成因核素测年技术思考(一):稳态侵蚀等式解出的ε是当前地表侵蚀速率

原地生成宇宙成因核素测年技术可以方便地计算出地表的暴露年龄和侵蚀速率,从而成为研究地表演化过程的有力工具。在利用原地生成宇宙成因核素测年方法研究地表的侵蚀过程中,常常将稳态侵蚀状态下浓度与侵蚀速率的关系式所计算出的侵蚀速率当成暴露时间内的地表平均侵蚀速率,这其实是不准确的。本文通过数学计算和理论推导,证明由当前稳态侵蚀关系式解出的侵蚀速率是地表当前侵蚀速率(或称为最后恒定侵蚀速率),显然与地表平均侵蚀速率所代表的地质含义是不同的。

原地生成宇宙成因核素测年技术思考(二):持续抬升区单样品直接计算抬升速率方法

原地生成宇宙成因核素测年技术在计算暴露年龄和侵蚀速率时,一直默认样品所在位置不随时间发生高程变化,从而核素生成速率不因高程变化而改变。在构造稳定区,这样的假设是合理的。在构造活动区,往往会因构造运动,地表样品高程发生改变;大冰盖地区(如南极)的冰川消融或加厚也会引起地壳均衡反弹,从而导致样品高程变化;而核素的生成速率将随高程变化而改变。本文对持续抬升情况下,地表样品中宇宙成因核素浓度与生成速率加速率间的计算关系进行了三种方法的数学推导,并提出如何利用单块样品中两种宇宙成因核素(以 10 Be和 26 Al为例)浓度计算地表抬升速率,最后指出以往利用宇宙成因核素方法对构造活动区的侵蚀速率的计算存在高估。本文首次提出利用地表在接近稳态侵蚀状态下的单块样品的两种宇宙成因核素直接计算地表持续抬升速率的方法,从而将原地生成宇宙成因核素方法和构造运动学研究直接联系起来。

原地生成宇宙成因核素测年技术思考(四):核素浓度年份化数列累加方法探讨

原地生成宇宙成因核素测年技术中,计算核素浓度的传统通用等式假设了地表侵蚀速率(参数ε)及样品的位置在暴露期间保持不变,从而简化了计算过程。然而这种假设可能并不符合复杂地质背景的实际情况,从而造成计算结果误差较大,与其他测年方法结果也难以相互比较和匹配。本文利用将核素总浓度按年份分解为每年生成的浓度,经衰变和侵蚀的综合影响后至今剩余的浓度(称为年份净剩余浓度),组成数列累加的办法,分别推导了地表样品在高程以及侵蚀速率变化情况下的核素浓度计算等式。在此基础上,给出了地表生成速率和侵蚀速率逐年变化情况下的通用浓度年份化累加等式。最后讨论了传统浓度计算等式中的参数ε(侵蚀速率)的地质意义,明确了ε是一个积分中值,并不代表暴露期间的算术平均侵蚀速率,而是每年的侵蚀速率以自然指数加权的复杂方式(即T年前的那一年的生成浓度将乘以e-(λ+ρεΛ)(T-1))影响到样品的最终浓度值。

原地生成宇宙成因核素测年技术思考(三):暴露、侵蚀、埋藏、再暴露和地表升降过程的双核素投影

双核素稳态侵蚀岛投影是原地生成宇宙成因核素测年技术中判断样品是否具有复杂暴露历史和估计侵蚀速率的常用方法。暴露、侵蚀、埋藏和再暴露的投影图可依据传统核素浓度计算等式利用计算机编程绘出。利用新推出的地表持续抬升与下降过程中样品的核素浓度与生成速率(及加速率)、侵蚀速率及暴露时间的计算等式,对其26 Al/10 Be浓度比值相对于10 Be浓度/10 Be生成速率比值投影分别进行了计算机模拟,发现下降样品的投影可高于或右偏于稳态侵蚀岛,而抬升样品的投影仍然在稳态侵蚀岛内。利用持续地表下降,可以解释已往文献数据中一次性暴露样品投影高于或右偏于稳态侵蚀岛的“不合理”现象,而持续抬升对投影结果的影响类似于侵蚀,因此如果忽略抬升,计算的暴露年龄结果将偏小。

原地生成宇宙成因核素暴露和埋藏年龄计算方法的统一

原地生成宇宙成因核素测年技术计算暴露和埋藏年龄以往分属于不同的计算方法体系,采用的计算等式不同。实际上,无论是暴露过程还是埋藏过程,都涉及了核素的新生和已生成核素的减少,其浓度计算方法原理上有相通之处。考察被研究样品历史上某时点的状态,侵蚀使样品距地表深度不断减小,埋藏使样品距地表深度不断增加,刚好是一种相反的过程,而原地生成宇宙成因核素的生成速率与距地表深度呈指数函数形式相关。本文按照原地生成宇宙成因核素浓度与暴露时间、侵蚀速率间关系的计算原理,推导出在匀速埋藏过程中,计算被测试样品的浓度随时间的变化时,以样品目前生成速率为标准,可将埋藏速率(β)视为负侵蚀速率(-ε),从而将暴露年龄和埋藏年龄的计算等式统一起来。非匀速埋藏情况,通过求导计算,仍可视埋藏为负侵蚀。在埋藏速率和侵蚀速率用同一参数指代,埋藏速率可视为负侵蚀速率的基础上,推导出不同埋藏(侵蚀)模式下样品的核素浓度计算等式。理论上根据不同埋藏(侵蚀)模式,可计算复杂地表演化过程样品的埋藏(暴露)年龄。

原地生成宇宙成因核素测年技术思考(五):单核素计算地表最大抬升速率方法

以往研究中,原地生成宇宙成因核素测年技术虽然理论上可以利用两种核素(如^10Be和^26Al)联立方程组同时解出暴露年龄和侵蚀速率,但在实践中却常采用单种核素(常用^10Be)分别解出最小暴露年龄或最大侵蚀速率,^26Al数据只用于辅助判断。这主要是因为受目前误差水平限制,^10Be和^26Al的测试数据结果常常并未能达到联立两个方程解出暴露年龄和侵蚀速率两个参数的精度(当然也有其他因素影响)这在投影图上常表现为被认为只有一次性暴露历史的样品,投影结果在稳态侵蚀岛之外,只有加上误差,才能进入或靠近稳态侵蚀岛。同理在推导出包含生成速率加速率的计算等式后,虽然理论上抬升区长期暴露的样品也能够利用两种核素(如^10Be和^26Al)同时解出侵蚀速率和抬升速率,但实践上^10Be和^26Al浓度投影结果可能并未在抬升的正常投影区(稳态侵蚀岛上曲线附近),从而解出的侵蚀速率和抬升速率合理性存疑。对此,参考计算最大侵蚀速率的原理提出利用长期暴露样品的^10Be浓度来解出抬升区地表最大抬升速率的计算方法(vmax=PH/4V),从而可以对碰撞造山抬升区的抬升速率上限进行限定。

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。

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。

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。

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。