综合定年标准样品研制——以青藏高原伦坡拉盆地丁青湖组凝灰岩为例

现今已有的(U-Th)/He、裂变径迹标准样品数量较少,仅有墨西哥的Durango磷灰石、美国的FCT锆石和缅甸的MK-1磷灰石,且多数是针对单定年方法的标样。为了研究青藏高原伦坡拉(LPL)盆地丁青湖组的凝灰岩能否成为多定年方法的标样,我们在凝灰岩中挑选合适的磷灰石和锆石颗粒进行多重年代学定年分析,获得了多个定年结果,并对其进行相互验证。其中,LPL磷灰石(U-Th)/He年龄为24.4±0.3Ma(1s),加权平均方差(MSWD)为4.25;LPL的锆石(U-Th)/He年龄为19.2±0.5Ma(1s),其MSWD为2.5;LPL磷灰石裂变径迹年龄为22.8±0.8Ma, LPL磷灰石U-Pb年龄为16.3±13.9Ma, MSWD为0.29。将LPL磷灰石与Durango磷灰石、MK-1磷灰石对比后认为LPL磷灰石有两种来源,所以不适合作为(U-Th)/He年龄标样。将LPL锆石与FCT锆石、蓬莱锆石做比较后,可以看出LPL锆石年龄结果较好,精确度和准确度较高且年龄分散性较弱,是一个潜在的(U-Th)/He年龄标样。

锆石(U-Th)/He定年技术研究

锆石(U-Th)/He定年是同位素热年代学体系中重要的定年手段,是记录地质体完整热历史重要的实验方法之一,在火山岩定年、造山带演化、地貌演化、沉积盆地热演化及限定矿床热液活动时代等应用方面发挥着重要的作用。中国地质科学院地质研究所同位素热年代学实验室成功建立了锆石(U-Th)/He定年的实验方法,实验主要包括三个独立的过程:样品前处理、He含量分析和U、Th含量分析。氦同位素质谱仪对锆石样品的氦同位素比值分析精度约为0.1%左右;ICP-MS对锆石的U、Th同位素比值分析精度通常情况下优于1%。对国际上普遍使用的FCT锆石和斯里兰卡锆石标样进行(U-Th)/He年龄测定。测试结果显示27粒FCT锆石(U-Th)/He年龄分布在25.81~30.72Ma之间,加权平均年龄为28.18±0.51Ma(1σ)(参考值为28.3±2.6Ma);20粒斯里兰卡锆石碎片(U-Th)/He年龄分布在445.5~489.5Ma之间,排除异常值后加权平均值为479.0±8.0Ma(1σ)(参考值为470±11Ma)。所测两个标准物质的年龄均与参考值一致,表明本实验室的实验流程准确可靠。本实验方法的建立填补了我国锆石(U-Th)/He定年实验方法的空白,为我国热年代学的发展提供了新的技术支撑。

川东北元坝地区中生代构造与动态热演化史——磷灰石、锆石(U-Th)/He定年分析

通过对川东北元坝地区须家河组(T3x)—嘉定组(K1j)钻井岩屑样品镜质体反射率和锆石、磷灰石(U-Th)/He定年分析,建立了该区He年龄—深度/温度动态演化模式,推断出元坝地区磷灰石He封闭温度为95℃左右。元坝地区T3x-K1j中生代地层基本都经历了磷灰石He封闭温度(95℃);所有样品未经历锆石He封闭温度,T3x2-J1z地层部分样品可能经历了约170℃的最高古地温。元坝地区中生代地层在古近纪—新近纪(0.2～36.4 Ma)发生重大冷却抬升剥蚀,剥蚀速率约为109.9 m/Ma,K1j及以上地层最大抬升剥蚀厚度约为4 000 m。系统揭示了该区动态热演化历史,中生代地层最高古地温接近于170～190℃,随后地层发生抬升,古地温下降;在36～176 Ma之间时,古地温在95～170℃之间;在0～36 Ma时,现今地温小于95℃。

不纯碳酸盐U-Th等时线定年及同位素分馏对年龄的影响

应用U-系L/R等时线模式测定了用天然碎屑沉积物与已知年龄的纯CaCO3按不同比例混合而成的不纯碳酸盐样品的年龄。实验分两个序列进行:其一研究碎屑沉积物化学前处理过程中U、Th同位素的萃取行为及其分馏效应。另一序列用不同浓度的溶剂对均匀混合的不纯碳酸盐样品进行溶解,确定稀酸淋滤碳酸盐的效率。各组分的238U、234U、230Th和232Th含量分析数据表明,稀酸溶解碎屑沉积物样品将U和Th同位素等比例的提取出来,不会发生U和Th同位素分馏现象。对于不纯碳酸盐样品,所有数据点落在一条直线上,良好的线性关系反映真实年龄含意。3个不纯碳酸盐样品的等时线年龄与纯碳酸盐年龄一致表明实验技术是可信的。同时,也证明对于碎屑含量较高的不纯碳酸盐U-Th定年,L/R等时线技术是适应的。

国际标样Durango磷灰石(U-Th)/He年龄测定

人们认识到可以用放射性成因4He对矿物进行定年已经有一百年的历史,但是利用富含U、Th的矿物进行（U-Th）/He定年是近三十年来快速发展的一种低温（热）年代学方法。由于U-Th-He同位素体系的封闭温度低（磷灰石4He的封闭温度为-75℃）,该方法极大的拓展了中低温热年代学研究（如40Ar/39Ar,裂变径迹等）的温度范围下限,已经被广泛应用于浅表地质过程的研究中。Durango磷灰石是国际上广泛使用的磷灰石（U-Th）/He定年的标准样品,准确测定其年龄可以对实验方法及流程的可靠性进行验证。中国科学院地质与地球物理研究所（U-Th）/He定年实验室建立于2013年,经过一年多的实验与摸索,我们建立了完整、可行的化学分析流程和仪器测试流程,并采用Durango国际标样进行了流程验证。重复测定了4批共40个Durango磷灰石颗粒,40个年龄结果分布在28.95-34.11Ma之间,全部年龄的概率分布峰值为31.61±2.7Ma,与国际标定值在误差范围内一致;Th/U比范围为16.43-23.72,与国际报道值一致,表明我们所建立的实验流程准确可行,实验室已经可以稳定运行。

原位U-Th/He同位素定年技术研究进展及其低温矿床学应用前景

应用传统单颗粒方法对目标矿物进行定年具有较高要求(如U、Th等母体同位素均匀分布),需要耗时的酸溶过程,同时还需进行α粒子射出效应校正。原位U-Th/He同位素定年技术是近年发展起来的一种定年技术,其主要原理是采用激光加热目标矿物,并通过与激光系统连接的稀有气体质谱(Alphachron)和电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)分别完成 ~4He和U、Th等母体同位素分析,将 ~4He和U、Th分析结果代入年龄公式计算即可获得目标矿物的U-Th/He年龄。本文阐述了原位U-Th/He同位素定年技术的主要原理、实验测试流程、适用矿物等,重点对原位U-Th/He同位素定年的技术难点和低温矿床学应用前景进行了分析。相对于传统单颗粒方法,原位测试方法解决了两个关键问题:1无需进行α粒子射出效应的校正,提高了定年结果的可靠性和准确度;2能完成母体同位素分布不均匀样品的测试,扩展了U-Th/He同位素定年的应用范围。尽管原位U-Th/He同位素定年技术在侧向加热效应、剥蚀坑体积测定以及标准矿物等方面尚存在一些亟待解决的问题,但已在硅酸盐、磷酸盐、钛铁氧化物等矿物的年代学研究方面展示了良好的应用前景。随着原位U-Th/He同位素定年技术的发展和进步,尤其是硫化物的U-Th/He同位素定年的发展,将为解决低温矿床的年代学问题提供一种新的思路。

国际标样Fish Canyon Tuff锆石的(U-Th)/He年龄测定

锆石是(U-Th)/He测年体系中最常用的富含U、Th的副矿物之一。相对于磷灰石而言,锆石的He封闭温度较高(约190℃),在解决沉积盆地物源和热史恢复方面更具优势。但锆石晶体内的U、Th分带普遍发育,浓度差异明显,即使是国际普遍使用的(U-Th)/He测年标样FCT(Fish Canyon Tuff)的年龄值分散度也可约达10%。文中依托中国地震局地质研究所新建立的(U-Th)/He年代学实验室,利用配备的Alphachron He同位素质谱仪对一批FCT锆石单颗粒采用激光加热萃取后进行4He含量测定,并应用自动进样的安捷伦7900 ICP-MS和同位素稀释剂法测定母体同位素U、Th的含量,得到FCT锆石的年龄范围为26. 61~31. 91Ma,加权平均年龄为(28. 8±3. 1) Ma(2SD,n=10),该年龄值与国际上多个实验室所获得的平均年龄((28. 3±3. 1) Ma,2σ,n=127;(28. 29±2. 6)Ma,2σ外部误差,9. 3%,n=114)在误差范围内一致;Th/U比值范围是0. 52~0. 67,与国际报道值一致,说明本实验室所建立的锆石单颗粒(U-Th)/He测年实验流程可靠。

(U-Th)/He定年——低温热年代学研究的一种新技术

近年来 (U Th) /He定年方法在技术和低温热年代学应用上的优势吸引人们以此开展构造、地形地貌演化等的研究 ;与裂变径迹、K Ar、Ar Ar等定年方法的比较 ,该方法是有效的 ;人们研究了温度及矿物粒径对He扩散的影响 ,确定了校正方法。 (U Th) /He的封闭温度低于其它体系(磷灰石的仅为 75℃± ) ;有质谱仪只需数十毫克样品就能获得U、Th、He含量 ;有较裂变径迹法快速、省样、省力的优点 ;该技术虽还有待完善 ,但仍不失为开展低温热年代学和低温热演化研究的潜在有效方法。

(U-Th)/He定年技术在矿床年代学研究中的应用前景

(U-Th)/He定年技术是近年来快速发展起来的一种新的放射性同位素定年方法,已经在基础地质研究领域得到了广泛应用。在介绍(U-Th)/He定年方法技术原理的基础上,对此技术发展现状和地质应用研究成果做出简要总结,并对用该方法研究金属和非金属矿床成矿时代、研究金属矿床后期改造和矿床揭顶时代的可行性进行探讨。

三峡地区二叠系牙形石的U-Th-Pb定年及古海水信息

利用激光剥蚀电感耦合等离子质谱(LA-ICP-MS)对三峡地区二叠系茅口组牙形石的U-Th-Pb同位素年龄进行测定。结果表明该地层中牙形石的208Pb/232Th放射年龄为269±44,Ma,207Pb/235U放射年龄为256±39,Ma,接近二叠系茅口组的生物地层年龄。206Pb/238U的年龄为196±6,Ma,虽然准确度较高,但与前人推测的地层年龄相比偏低。此外,作者对牙形石的稀土元素(REE)组成进行了分析,并且发现牙形石的REE组成和Ce异常与古海水氧化还原条件有一定的相关性,可以指示古海水的信息。

磷灰石单颗粒(U-Th)/He测年实验流程的建立及验证

(U-Th)/He同位素定年是近几十年快速发展起来的1种能够对岩石低温冷却历史进行有效研究的新型放射性同位素定年方法。由于磷灰石的He封闭温度较低,所以它能反映低温阶段(40~80℃)的热历史信息,在低温热年代学领域具有很好的应用前景。但是,由于磷灰石(UTh)/He测年的影响因素多且测试流程复杂,目前国内对于(U-Th)/He同位素定年方法和流程的研究还处于起步阶段。依托中国地震局地质研究所新建立的(U-Th)/He同位素年代学实验室,利用配备的Alphachron He同位素质谱仪对4批共75个国际标样Durango磷灰石单颗粒进行激光熔融和4He的含量测量,随后应用自动进样安捷伦7900 ICP-MS和同位素稀释剂法测定母体同位素U、Th的含量,最后计算得到Durango磷灰石的Th/U同位素比值在17.23~23.60之间,全部年龄分布在28.61~34.51Ma,平均年龄为(31.71±1.55)Ma(1σ),与国际标定年龄在误差范围内一致。

稀有气体氦、氩同位素定年

稀有气体氦、氩同位素定年都基于放射性累积衰变定律,即母体同位素随时间进行衰变以及子体同位素随时间不断积累以获得表面年龄,获得的表面年龄根据不同的地质事实解释为相应的形成年龄、喷发年龄或者是冷却年龄。如子体同位素^4He由母体同位素U、Th经过一系列放射性衰变累积计时构成(U-Th)/He定年。又如子体同位素^40Ar则由母体^40K衰变而来构成K-Ar定年;稀有气体^40Ar/^39Ar定年则是利用自然界中^39K/^40K比值的不变性,在K-Ar定年的基础上衍变而来。

U、Th同位素在沉积物定年中的应用

全球气候变化已成为当前研究的热点问题,为预测未来气候的变化趋势,有必要对过去气候变化进行深入的研究,而这又基于可靠的年代学成果,故而年代尺度的高灵敏度、高精密度的测量成为当前迫切需要解决的课题之一。U-Th定年技术在14 C年代测定(通常仅适用于<50ka的沉积物年代测定)和39 Ar/40 Ar法或裂变径迹年代测定(一般用于>500ka的火山堆积物)之间提供了一种年代测定的桥梁。U-Th定年技术在50～500ka测年范围内是首选。主要介绍了国内外热电离质谱法(TIMS)U-Th定年技术、单接受器电感耦合等离子体质谱技术(SC ICP-MS)和多接受器电感耦合等离子体质谱法(MCICP-MS)、U-Th定年法在沉积物领域中的研究概况,并对α谱仪、TIMS、SC ICP-MS、MC ICP-MS U-Th定年技术在测量时间、测量精度、样品需要量等方面进行比较。

新矿物(U-Th)/He年代学的研究进展

自20世纪末(U-Th)/He定年技术诞生以来,(U-Th)/He定年在地质学等领域发挥着越来越重要的作用,尤其是磷灰石及锆石的(U-Th)/He定年技术得到了广泛应用,然而这两种矿物在自然界中的分布相对有限,极大地限制了(U-Th)/He年代学的发展。近年来,随着He扩散动力学研究的不断深入和分析测试技术的提高,其他矿物的(U-Th)/He定年技术也得到了长足进步,理论与技术方法也日臻完善,为(U-Th)/He年代学开辟了新的应用领域。此外,不同类型的矿物记录了不同的地质信息,通过结合多种矿物的(U-Th)/He定年数据,将增进对地质过程的理解。基于(U-Th)/He定年新理论和新技术的发展,总结了赤铁矿、针铁矿、磁铁矿、碳酸盐矿物、牙形石、萤石、钙钛矿、尖晶石、金红石以及石榴子石等矿物的(U-Th)/He定年,重点介绍了相对成熟的赤铁矿、针铁矿、磁铁矿、碳酸盐矿物以及牙形石的(U-Th)/He定年的研究进展。目前,这些新矿物的(U-Th)/He定年在矿床学、沉积学、构造地质学、地球动力学和环境科学等领域得到了初步应用,尤其在约束成矿时代、古环境古气候重建、洋壳蚀变和俯冲剥露过程、热液活动、断裂变形以及古地震研究等方面将发挥关键作用。然而,这些新矿物的(U-Th)/He年代学仍存在不少问题,限制了这些方法的广泛推广与应用,比如多扩散域行为、辐射损伤和化学成分对He扩散的影响、加热脱气过程中母体同位素的挥发以及(U-Th)/He体系的开放行为等,这些因素将导致(U-Th)/He年龄数据表现出较大的分散性。因此,未来需要进一步研究He在这些矿物中的扩散行为,改善实验方法并提高仪器测试精度,以确保(U-Th)/He定年数据的准确性,为理解地质过程提供更加可靠的时间框架。

低温热年代对黄陵隆起中新生代古地形的约束

低温热年代技术已经广泛应用于造山带的剥露作用和古地形演化的研究。本文对黄陵隆起进行了裂变径迹和（U-Th）/He热年代学研究,分析计算其隆升剥露速率和厚度,恢复黄陵隆起中新生代古地形。依据岩石样品冷却历史计算出的剥露速率以及剥露厚度结果,综合黄陵隆起现今地形起伏,均衡回弹作用以及古海平面变化情况,获得了黄陵隆起早侏罗世、早白垩世、晚白垩世、晚始新世以及现今5个时期的古地形变化情况。结果表明黄陵隆起地形表现为持续降低的趋势,并存在两期剧烈的隆升剥露阶段。分析认为,白垩纪（140~80 Ma±）,黄陵隆起的快速隆升剥露作用与秦岭大别造山带大规模的挤压作用密切相关,晚始新世以来（40~0 Ma）黄陵隆起的快速抬升剥露作用则是对喜山期构造运动的响应。

磷灰石裂变径迹及(U-Th)/He分析技术在石油勘探中的应用

磷灰石裂变径迹及(U-Th)/He定年体系是近年来用于基础地质研究的一项新技术.该定年体系能有效恢复沉积盆地热历史,计算地层剥蚀量,推测盆地内热液活动的时间、温度以及时间与温度间的关系等信息,为油气勘探工作提供重要的科学依据.

南海北缘东沙隆起中生代以来的埋藏史和热史重建——来自LF35-1-1井(U-Th)/He和Ro的证据

沉积盆地埋藏史和热历史重建是了解盆地成因和油气形成条件的重要依据,而目前利用古温标手段研究珠江口盆地内东沙隆起热史和埋藏史的成果寥寥无几.本研究中,我们基于磷灰石与锆石(U-Th)/He年龄的反演结果给出了更多合理的约束条件,在此基础上对同一套镜质体反射率Ro数据进行了古热流法模拟计算,获得了钻井自中生代以来的地层温度史.反演结果显示LF35-1-1井区在早始新世-早渐新世发生了一期强烈的抬升剥蚀,地层剥蚀量为2000 m左右.拟合获得的埋藏史和热流史显示该井区在早始新世(~55Ma)经历了最高井底古热流(100 mW·m^(-2)),之后热流减小,持续至现今64.3 mW·m^(-2).最高古地温与隆升剥蚀在时间上的耦合体现了抬升事件对地温冷却的影响,但不足以排除基底热流下降因素.本次研究首次将(U-Th)/He技术用于南海北缘深水区盆地的热史研究,获得的热史结果更加符合现有的构造沉积大地构造方面的认识,展示了利用多种古温标手段进行盆地精细热史研究的良好效用.

矿物中~4He同位素提取和含量测定研究

(U-Th)/He定年是一种有效的低温热年代学定年技术,现已被广泛应用于地质研究的各个领域,而矿物中4He同位素的有效提取和含量准确测定是该技术的关键。磷灰石和锆石是(U-Th)/He定年最常用的矿物,其4He提取条件及铀钍含量测定方法都较为成熟;而其他矿物(如磁铁矿、橄榄石、针铁矿、石榴子石等)的研究则相对较少。文章介绍了当前国内外(U-Th)/He研究中采用的4He同位素提取方法———真空炉加热法和激光加热法,激光加热法因具有低4He背景值和耗时短的优点而成为主要的提取方法。以磷灰石样品测试为例,介绍了成都地质矿产研究所建立的采用激光加热法和四极杆质谱提取4He同位素及其含量测量过程、含量计算和校正方法。指出未来(U-Th)/He测试技术除继续改进现有分析方法外,应加强对更多不同矿物的测试研究。

青海共和盆地东北缘中-新生代热演化史:来自沟后杂岩体及当家寺岩体的低温热年代学证据

青藏高原东北部中-新生代隆升初始的时间、位置多有争议。共和盆地处于秦岭、祁连、昆仑造山带的结合部,是研究盆-山耦合、构造热演化的理想位置。新近在盆地东北部发现了异常高温的干热岩体,其热源机制和经历的热历史过程是进一步地热藏开发的关键。本文对盆地东北缘青海南山和沟后杂岩体以及盆地内瓦里贡-过马营隆起的当家寺岩体进行了系统的低温热年代学分析,以追溯该区经历的热历史。磷灰石裂变径迹和(U-Th)/He模拟结果显示,当家寺岩体和沟后杂岩体自三叠纪结晶以来,在侏罗纪-白垩纪,经历200~150Ma和135~100Ma两期快速冷却抬升,可能与羌塘地体和拉萨地体依次向北碰撞拼接在青藏高原东北部的远程效应有关。裂变径迹和(U-Th)/He模拟结果显示,沟后杂岩体记录到晚中新世(15~5Ma)的快速冷却事件,而盆地东部当家寺岩体的样品未记录到该期的快速冷却事件,可能是北倾的青海南山南缘逆冲断裂晚新生代再活动使得沟后杂岩体在新近纪晚期快速隆升造成,而当家寺岩体主要受右行走滑-逆冲的瓦里贡断裂的控制,并未发生该时期的快速冷却抬升事件。因此,青藏高原东北部差异隆升、热历史过程不仅受区域构造作用的控制,也明显受不同时期的活动断裂及古地貌的影响。共和盆地东北缘露头岩体热历史过程未见到明显的中新世以来的增热现象,与共和盆地内干热岩存在的增热特征不同。

盆地断层活动定年技术进展及发展趋势

断层的活动期次对盆地的形成与演化及油气运移成藏起着重要的控制作用,精确厘定断层活动期次及其年龄是盆地构造及油气成藏研究中的一项必不可少的工作,也一直是研究中的一个难点.针对这一问题,论文基于断层带内部结构的分析及前人研究成果,简要评述了常用的自生伊利石K-Ar/Ar-Ar定年法和石英电子自旋共振ESR(electron spin resonance)定年技术,重点综述了方解石激光原位U-Pb定年、石英流体包裹体^(40)Ar/^(39)Ar定年和低温热年代学技术应用于断层活动时间研究的基本原理、实验方法和典型实例,并探讨了存在的问题,分析了发展的趋势,指明了下一步研究的方向.认为这些技术对断层活动期次和油气勘探研究具有重要指导意义,未来将在盆地断裂研究中发挥重要作用,有着广阔的应用前景.