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℃。

松潘甘孜长沙贡玛盆地古近纪地层碎屑锆石U-Pb年龄与Hf同位素组成及碎屑磷灰石(U-Th)/He年龄的地质意义

青藏高原隆升和剥蚀是从大陆岩石圈变形到全球变冷等新生代众多地质事件诱发的关键因素。目前针对这一问题的研究主要集中在高原中部的拉萨和羌塘地区,高原东部的松潘甘孜地体关注甚少。本文报道了在松潘甘孜地体中西部的长沙贡玛盆地获得的碎屑锆石U-Pb年龄、Hf同位素组成以及磷灰石(U-Th)/He年龄的结果。长沙贡玛盆地古近纪沉积物以分选极差的砾岩、岩屑砂岩和块状泥岩为主,表明其为近源快速堆积环境下形成的。砂岩碎屑锆石年龄谱图出现四组峰值,分别为200～500Ma,760～1040Ma,1800～2000Ma,2300～2600Ma,与松潘甘孜三叠系地层的U-Pb年龄峰值极为相似,表明长沙贡玛盆地古近纪沉积物主要来自其周围的三叠纪地层。考虑到盆地沉积与源区地表隆升与剥蚀存在一定的时滞,由这些古近纪的沉积物可以推断其源区的松潘甘孜地体在晚白垩世-古近纪发生一次强烈的隆升。该期隆升与高原中部发生的早期隆升在时间上相吻合,暗示了原西藏高原可能包括了部分松潘甘孜地体。磷灰石(U-Th)/He年龄表明长沙贡玛盆地可能在渐新世晚期-中新世早期发生了新一期的隆升和剥蚀。松潘甘孜大部分地区可能同样经历了该期隆升,从而奠定了其现今地貌格局。碎屑锆石Hf模式年龄主要分布在0.77～2.5Ga范围内,推断其初始源区最强烈的地壳增生发生在元古代。

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。

大别山造山带白垩纪热窿伸展作用——锆石(U-Th)/He年代学证据

对大别山造山带的岳西-罗田核部及其南北两翼的13个锆石样品的(U-Th)/He测年结果表明,各样品锆石(U-Th)/He年龄介于85～155Ma之间,核部He年龄为85～107Ma,两翼年龄介于114～155Ma之间,反映岳西-罗田穹隆实际上是一个核部比两翼要热得多的热穹隆,形成大别穹状核杂岩这一热伸展事件可能持续到85Ma左右,核部岩石自85Ma以来的剥露量要比两翼多1528.8m。

青藏高原的隆升剥蚀—斑岩铜钼矿床的锆石/磷灰石U-Th/He年龄

在青藏高原发育3条著名的斑岩铜成矿带:始新世三江-玉龙斑岩Cu-Mo成矿带(如玉龙,纳日贡玛等)、中新世冈底斯斑岩Cu-Mo成矿带(中国最大的斑岩型驱龙Cu-Mo矿床、甲玛斑岩-矽卡岩型Cu-Mo矿床等)以及白垩纪班公湖斑岩Cu-Au成矿带(多龙斑岩Cu-Au矿床等),吸引了国外内众多研究学者的关注(芮宗瑶等,2003,2006;唐仁鲤等,1995;

锆石裂变径迹定年蚀刻技术

回顾了锆石裂变径迹定年蚀刻方法的进展 ,分析了各蚀刻方法的使用及其局限。对不同混合酸体系蚀刻FC - 3锆石进行了比较 ,选出浓HNO3+HF 1 90℃为最佳混合酸蚀刻体系。改进的碱酸体系结合的两步蚀刻法 ,可使锆石观测面清晰度明显增加 ,光学特性变好 ,观测部位界限清楚 ,可观测面积增加 ,径迹干扰减少 ,易测准 ,读数的可重复性好。先碱后酸的蚀刻顺序可明显使误差减小 ,提高测量精度 。

碎屑锆石U-Pb年龄谱物源示踪技术确定黄河贯通时间的质疑

黄河贯通时间一直是地学研究者关注的热点问题,但未能形成共识。本文在阐明新近纪以来黄河中游及邻区古湖消亡及水系贯通过程的基础上,剖析了运用碎屑锆石U-Pb年龄谱物源示踪技术约束黄河贯通时间4个案例研究所存在的问题。三门湖泥岩中的钙结核和钙质层表明,0.3 Ma前该湖为咸水-半咸水内流湖,三门峡一带的黄河沿岸阶地是古湖的湖滨或河流阶地,三门湖沉积物源于当地河流,黄河上游与中游贯通发生于1.3 Ma~1.5 Ma,和~5 Ma前的结论不能成立。华北平原现黄河入海口附近钻孔沉积物源于燕山和太行山的河流,根据碎屑锆石U-Pb年龄谱得出的1.5 Ma~1.6 Ma黄河贯通的结论不成立。黄土是黄河泥沙的主要来源,黄土中碎屑锆石U-Pb年龄谱比较复杂,增加了运用这一技术约束黄河贯通时间的不确定性。

华北克拉通北缘中—新元古界构造-热演化:来自锆石(U-Th)/He年龄的约束

由于复杂的构造沉积史和缺乏有效古温标,华北克拉通北缘燕辽裂陷带中—新元古界热史研究很薄弱,造成古老烃源岩成熟演化过程一直存在争议。研究利用锆石(U-Th)/He热定年技术探讨了燕辽裂陷带自中元古代以来的构造-热演化史,并分析了中元古界两套烃源岩成熟演化期次。燕辽裂陷带中—新元古界单颗粒锆石(U-Th)/He年龄均小于地层年龄,有效地记录了研究区早期的热信息,其中新元古界龙山组单颗粒(U-Th)/He年龄与有效铀浓度具有负相关性。通过正、反演耦合模拟明确了燕辽裂陷带曾经历过440~310 Ma和~220 Ma至今两期快速冷却事件,分别由白乃庙岛弧碰撞和蒙古-鄂霍次克洋洋壳俯冲引起;并揭示出奥陶纪末期和三叠纪末期地层温度变化对古老烃源岩成熟演化具有重要影响。

基于重砂鉴定技术的火山岩锆石精选与测年方法关系探讨

针对中浅变质沉凝灰岩锆石U-Pb同位素年龄分散幅度较大的现状,在湘中地区碧溪长安组底部凝灰岩几次采集样品测年不成功的情况下再次取样,通过室内重砂样品加工分选等工序,利用立体显微镜和偏光显微镜对锆石进行详细的矿物学特征对比分析,确定样品是否有来自不同时代、不同成因或不同地质背景的锆石。将精选出的锆石进行再次分选,分离成两组样品送往测年,采用LA-ICP-MSU-Pb法测得同沉积期的火山岩岩浆成因锆石年龄751±5 Ma和构造岩浆热事件年龄431.3±4.3 Ma,两组年龄数据与区域地质事实吻合。由此认为对此类样品的锆石进行成因、形态与光学性质等方面的综合分析研究,将混合锆石进行分组,有助于同位素测年数据的有效集中,保证测年数据精度。本文研究表明重砂精细分析鉴定是同位素精准定年的基础。

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。

青藏高原南羌塘坳陷白垩纪以来的隆升剥蚀历史——来自低温热年代学的约束

为了重建青藏高原的形成过程和评价羌塘盆地油气的保存条件,对南羌塘坳陷隆升剥蚀历史进行了研究。利用锆石和磷灰石(U-Th)/He和磷灰石裂变径迹技术,对南羌塘坳陷中部嘎尔敖包地区的侏罗系砂岩样品进行了分析,数据显示大部分颗粒经历完全退火阶段;基于实验数据对盆地热史进行反演,并结合区域低温热年代学研究,认为南羌塘坳陷共经历了3期隆升剥蚀历史,即早白垩世、古新世—始新世和中新世以来,分别造成了南羌塘坳陷中部地区1.7~2.6 km、1.89 km和1.13 km的剥蚀量。热历史结果显示,早白垩世南羌塘坳陷中部地区首先遭受剥蚀,随后剥蚀逐渐向南、北两侧传递。南羌塘坳陷第一期冷却历史可能受到羌塘地体和拉萨地体碰撞的影响;第二期冷却历史可能受到印度—亚洲大陆碰撞的影响;第三期冷却历史可能与印度—亚洲大陆持续会聚下羌塘盆地发育大量近南北向断层有关。南羌塘坳陷中部地区位于不同构造位置的样品的热历史显示,其经历了不同的剥蚀过程,这可能受到印度—亚洲大陆的碰撞和随后持续会聚造成的区域性近南北向断裂差异性活动的影响。基于不同构造位置样品热历史的差异性,认为区域性南北向断裂开始活动时间为65~45 Ma。

锆石He扩散模型与中国典型克拉通盆地古老层系热史重建

沉积盆地古老层系已成为我国油气勘探的重要领域,但由于缺乏有效古温标,其热史研究一直很薄弱.本文在系统综述锆石He扩散动力学模型及差异性基础上,探讨了锆石(U-Th)/He热定年技术在我国克拉通盆地古老层系热史恢复中的适用性.目前常用的锆石He扩散动力学模型包括简单模型、锆石辐射损伤积累和退火模型及扇形-线性模型.基于不同温度路径模拟发现,锆石辐射损伤积累和退火模型和扇形-线性模型在约束低温热史时具有较强的一致性,而在约束高温热史(>200℃)时,则具有明显的差异性.塔里木盆地、四川盆地和华北克拉通盆地的前寒武系样品单颗粒锆石(U-Th)/He年龄均小于地层年龄,且与有效铀浓度呈负相关性,反映了辐射损伤是锆石He年龄分散的主因.基于正、反演热史模拟明确了三大盆地前寒武系样品自沉积以来的古温度史,并揭示出它们曾经历过160~185℃的高温热历史,这对深层、古老层系烃源岩成熟演化和资源评价具有重要的科学意义.

同位素地质年龄测定技术及应用

同位素地质年代学是地球科学、物理学、化学和技术科学相互交叉发展起来的一门新兴学科,是地球系统科学中一个年轻而充满活力的分支学科。它根据放射性同位素衰变规律确定地质体形成和地质事件发生的时代,以研究地球和行星物质的形成历史和演化规律。本文对几种常用的精度比较高的同位素测年方法从理论、实验技术、应用范围、使用的注意事项等方面予以简要总结和介绍,期望为地质同行们提供有益的参考。所涉及的同位素测年方法主要有U-Pb法、Ar-Ar法、Rb-Sr法、Sm-Nd法、Re-Os法、(U-Th)/He法等。①U-Pb法:是最早用来测定地质年龄的放射性方法之一,也是国内目前最重要的同位素测年方法。近10年来,近乎完美的锆石微区U-Pb年龄测定技术的引进对我国的地质科学研究起到了巨大的推动作用,并且其应用领域仍在进一步扩展中。②Ar-Ar法:已经成为同位素地质年代学研究最主要的方法之一。该方法具有以下特点:a.测量的时间域较宽,最老可到3800 Ma(月岩年龄),最年轻可测到千年级(意大利维苏威火山喷发年龄);b.测量对象广泛,原则上,所有的含钾矿物、岩石都可以用作Ar-Ar法同位素测年,甚至含有微量钾盐包裹体的非钾矿物如石英、闪锌矿等也有成功测定出Ar-Ar年龄的报道;c.独特的分步加热技术和内部组分的Ar同位素相关图处理技术不仅可以获得高精度的年龄,还可以揭示被测定对象所经历的多期地质演化信息;d.和激光技术配套可以直接在岩石光片上寻找待测矿物进行微区(几十微米—几百微米)Ar-Ar测年,从而能够获得变质岩P-T-t轨迹研究中最精确的时间信息;e.应用领域广泛,几乎所有的地质学分支学科中都有应用;f.是矿床年代学研究的最主要的技术手段;g.是同位素热年代学研究的支柱技术。Ar-Ar法测年也有其局限性:首先是分析技术复杂导致其成本高、分析周期长。其次中子参数测定的准确性直接影响样品年龄测定的准确性。核反冲效应会导致极细粒的粘土矿物Ar-Ar年龄结果偏高。对于古元古代和太古宙古老变质岩样品,由于可能存在K和Ar的自然扩散作用或后期变质、变形等多因素的扰动作用,用Ar-Ar法很难测出早期的变质事件年龄。③Rb-Sr法:是一个应用很广泛的方法,利用等时线技术可以测定侵入岩、火山岩、变质岩和某些沉积岩的同位素地质年龄。在用Rb-Sr同位素系统测定中酸性侵入岩和火山岩的年龄时,如果岩石迅速冷却,无论用全岩等时线法或矿物等时线法得到的年龄都可能是岩石的形成年龄。对于变质岩,矿物Rb-Sr等时线年龄一般代表岩石遭受最后一次强变质热事件Sr同位素均一化时间。对于沉积岩,可以利用Rb-Sr法测定成岩自生矿物年龄。对于金属矿床,可以用包裹体的Rb-Sr等时线确定矿床的形成时间。通过断层和韧性剪切带形成的矿物的Rb-Sr年龄测定,可以限定构造形成时间。Rb-Sr法最大缺点是,由于Rb的流动性,极易形成开放系统,从而得到不正确的年龄。此外,还经常受到假等时线的困扰。④Sm-Nd法:由于Sm-Nd体系的保存性能良好,抗蚀变和变质作用的能力较强,因此Sm-Nd法年龄能代表原岩生成的时间和反映成岩物质源区的特性。对于基性岩、超基性岩,对太古宙古老岩石,Sm-Nd等时线法是较好的测年方法。Sm-Nd模式年龄代表地壳岩石从CHUR地幔源中分异出来的时间,利用碎屑沉积岩的模式年龄可以鉴别沉积物的源区,判断岩石形成构造背景,了解其物源区存留地壳的平均年龄,揭示地壳形成和演化历史等。其缺点是由于Sm、Nd地球化学性质的类似,地质作用过程中难以发生相互分离,Sm、Nd在岩石中的比值变化范围就很小,给Sm-Nd等时线法测年带来了困扰,有时不能给出正确可信的年龄。⑤Re-Os法:是目前能够直接测定金属矿床矿化年龄的唯一成熟方法。但在实验技术和应用方面还存在不少问题:a.近年来发现有些金属矿床辉钼矿的Re-Os年龄高于其赋矿围岩的年龄,原因不明;b.黄铁矿等多数硫化物矿物含Re量很低,并含有一定程度的普通Os,对样品化学制备过程中低本底的要求很高,一般实验室难以达到,普通Os也难以准确扣除;c.后期的热液活动有时可以使Os同位素发生重置,因此,金属硫化物Re-Os同位素体系封闭温度及其影响因素是一个亟待解决的问题。⑥(U-Th)/He法:(U-Th)/He同位素系统的优势是其封闭温度是已有同位素体系中最低的,能够记录地质体经历较低温度范围的时代与温度信息。该方法在矿床年代学研究中也具有可观应用前景。其不足之处是因为封闭温度很低,在用于地质体定年时要特别关注冷却速率和再加热作用的影响。

川北米仓山隆起构造-热演化特征

本文基于实测锆石(U-Th)/He和磷灰石裂变径迹年龄的联合热史模拟明确了米仓山隆起自新元古代以来的构造-热演化史。米仓山隆起前寒武系样品锆石(U-Th)/He年龄和磷灰石裂变径迹年龄分别为190~138 Ma和106.1~120.6 Ma,均小于地层年龄或成岩结晶年龄,有效地记录了早期热信息。热史模拟结果表明米仓山隆起自新元古代以来主要经历了早侏罗世—早白垩世和晚中新世至今两期快速冷却事件,分别与扬子-华北板块碰撞和印度-欧亚板块碰撞的东扩作用有关,而白垩纪—早中新世的缓慢冷却过程则与当时的古夷平面发育有关。本文不仅丰富完善了川北地区构造-热演化成果,而且对于该地区下一步油气勘探具有重要的指导意义。

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。

小兴安岭东部清水岩体的锆石激光探针U-Pb年龄测定

本文应用锆石激光剥蚀等离子质谱 (LA ICPMS)定年技术 ,测得小兴安岭东部清水岩体的侵位年龄为 2 2 2± 5Ma。岩石学和地球化学研究显示 ,该岩体为过碱性A型花岗岩 ,属于A2 型或PA型 ,形成于造山后构造环境 ,与华北板块和西伯利亚板块在二叠纪末期碰撞拼合后的岩石圈伸展作用有关。

(U-Th)/He年代学及其地质应用

U Th He年代学是近十余年来发展起来的一种新的高精度低温热年代学定年技术。本文在简单介绍这一技术的基本原理、实验室测试方法的基础上 ,介绍了这一方法在古地形演变、造山带抬升剥露时代和速率及年轻样品高精度年龄等方面的几个研究实例。

藏北环纳木错湖区岩画遗存的时代分析

文章是2021年“环纳木错湖泊区科学考察队”对西藏纳木错及藏北高海拔湖区岩画考古调查的年代学研究报告。文章对纳木错扎西岛、尼玛县加林山和夏桑三处具有代表性的岩画遗存进行了包括U-Th与C14测年技术在内的考古学综合分析,认为纳木错等藏北内陆湖泊地区两种技术(琢刻、涂绘)制作的岩画其时代是基本平行共存的,该区域大量岩画制作于距今2000年前后至7~9世纪的吐蕃时期,U-Th与C14测年数据还显示其中涂绘岩画的制作可能早到距今2200年或更早。对岩画遗存形式的分析表明,纳木错扎西岛至少在公元7~9世纪,已是藏北神祇崇拜及宗教信仰的重要场所,而不同文化因素的岩画显示出古代西藏积极参与“高原丝绸之路”的文化互动,即古代西藏与不同民族和地区文化的交往交流与交融。