稀有气体氦、氩同位素定年

发布时间：2020-08-14 19:29

【摘要】：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~(40)Ar则由母体~(40)K衰变而来构成K-Ar定年;稀有气体~(40)Ar/~(39)Ar定年则是利用自然界中~(39)K/~(40)K比值的不变性,在K-Ar定年的基础上衍变而来。从实验技术和方法上,稀有气体同位素定年不同于其他的定年方法,针对(U-Th)/He和~(40)Ar/~(39)Ar定年,二者都需要低本底和矿物标样。~(40)Ar/~(39)Ar同位素定年标样较多,不仅存在不同矿物种类的标样,还存在不同时代的标样。而对于(U-Th)/He定年,存在大颗粒的Durango磷灰石标样,但是尚缺少大颗粒的锆石标样;Fish Canyon Tuff(FCT)锆石是现今使用最广泛的锆石标样,但是由于该标样颗粒小,年龄计算时需要额外的α射出校正,会带入较大的年龄误差。因此,寻找合适的大颗粒(U-Th)/He锆石标样显得尤为重要。另外,除了本底和矿物标样外,~(40)Ar/~(39)Ar定年还需要空气标样和样品照射等实验条件,而这四个因素都会影响到~(40)Ar/~(39)Ar定年精度。因此,本论文拟从以下两个方面开展研究工作(1)寻找(U-Th)/He定年的大颗粒锆石标样,并在新建立的(U-Th)/He实验室建立锆石(U-Th)/He定年流程,以及(2)改善以上实验条件提高~(40)Ar/~(39)Ar定年精度,对于低钾玄武岩因缺乏锆石和透长石,定年精度较低,需要解决低钾矿物~(40)Ar/~(39)Ar定年精度低的问题。针对目标(1),本论文试图将U-Pb定年的二次标样,即蓬莱锆石巨晶应用到(U-Th)/He定年中。将蓬莱锆石巨晶去除表面20μm后破碎,对四个锆石巨晶的20个内部碎片采用单颗粒激光熔融稀释法进行(U-Th)/He定年,剔除两个异常点后,18个(U-Th)/He定年结果均一,给出的加权平均年龄值为4.06±0.35 Ma(2s,MSWD=1.79),稍低于U-Pb ID-TIMS方法所推荐的~(206)Pb/~(238)U年龄4.4±0.1 Ma(95%置信度)以及其他测试方法所获得的U-Pb年龄结果。由于锆石巨晶是地幔捕掳晶,形成后被寄主玄武岩浆快速喷发带到地表,并且锆石(U-Th)/He体系具有较低的封闭温度(190℃),因此所获得的(U-Th)/He年龄代表的是喷发年龄。与之相比,锆石U-Pb同位素系统具有较高的封闭温度(900℃),表明当锆石居留在岩浆房时U-Pb体系已经封闭,同位素时钟开始计时,因此蓬莱锆石U-Pb ID-TIMS年龄代表的是锆石在岩浆房的居留时间以及喷发时间的总和。所以,(U-Th)/He年龄会比U-Pb年龄结果系统性地偏年轻。由于蓬莱锆石量大,颗粒大,大部分具有弱环带和迅速冷却的特点,以及本次实验研究所获得的一致的(U-Th)/He年龄结果,本论文推荐蓬莱锆石巨晶也适合做(U-Th)/He年代学的标样,同时表明本实验建立的U、Th和He的提取与测试方法是可行可靠的。针对目标(2),本论文将从影响~(40)Ar/~(39)Ar定年的几个因素,如本底、空气标样、矿物标样和样品照射方面进行改善,并通过两个低钾火山岩的研究实例对其进行验证。实例一的低钾火山岩矿物为峨嵋山大火成岩省云南巧家剖面高Ti区玄武岩中的斜长石斑晶,斜长石钾含量低,仅为0.4-0.7%,对五份平行样品进行~(40)Ar/~(39)Ar阶段升温实验,获得的坪年龄分别为259.3±2.4 Ma,259.7±2.5 Ma,260.5±2.5 Ma,260.2±2.6 Ma,261.7±3.4 Ma,五次测量结果在误差范围内一致,给出加权平均年龄值为260.1±1.2 Ma。由于该样品采自高Ti区底部,因此该年龄直接限定了峨嵋山高Ti玄武岩火山作用的开始时间。将本次获得的巧家剖面高Ti区底部的年龄与宾川剖面高Ti区顶部熔结凝灰岩的年龄259.1±0.5 Ma进行地层对比,可以推断出火山作用高Ti阶段喷发的持续时间约为1.0±1.3 Ma。同时,本研究获得新的~(40)Ar/~(39)Ar年龄结果与国际年代地层表中Guadalupian-Lopingian界限年龄结果一致(259.1±0.5 Ma,2017年2月国际年代地层表),本结果也支持峨嵋山火山作用与晚Guadalupian生物大灭绝事件具有时间上的联系。实例二的低钾火山岩来源于胶州-莱阳盆地白垩纪大陆科学钻钻孔的玄武岩岩芯样品,在位于614 m到757 m深度的火山-沉积序列共采集6块玄武岩样品,钾含量仅为0.1%-0.5%,根据岩石地层划分属于史家屯组5段。通过~(40)Ar/~(39)Ar阶段升温定年,对该沉积序列进行紧密的年代学限定,其最顶部(614 m深度)和最底部(757 m深度)~(40)Ar/~(39)Ar同位素年龄分别为73.5±1.1 Ma和79.7±2.7 Ma,对应于中-晚Campanian年龄。本次研究获得的胶莱盆地史家屯组5段的年代学框架也可以与中国东北,西北以及中南地区的盆地进行区域地层对比。同时,史家屯组5段最顶部的年龄暗示出上覆胶州组年龄会小于Campanian,本研究所获得的新的年龄数据结果也支持了K/Pg界线的位置放置。综合实例一和实例二,定年对象都为低钾火山岩样品,钾含量极低。实例一中峨嵋山玄武岩斜长石斑晶,钾含量0.4-0.7%;实例二中胶莱盆地低钾玄武岩样品,钾含量仅为0.1%-0.5%。通过在实验过程中降低仪器本底、监测空气标样、优选矿物标样以及优化样品照射,可将实例一中斜长石样品单次测量精度提高到0.9%-1%,将实例二中玄武岩样品年龄精度提高到1%-2%。
【学位授予单位】：中国地震局地质研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P597.3
【图文】：

双真空,二极管激光,准分子激光器

970nm 的二极管激光）。而紫外激光，如 193nm 准分子激光器、UP-213 紫外激光可进行原位、微区分析。对于磷灰石 He 同位素的提取，House et al. (2000) 将真空炉加热实验流程改为单颗粒激光熔融测试流程，标志着单颗粒激光熔融法建立（郑德文等，2016），而单颗粒激光熔融法通常采用二极管激光加热，工作电流设为 8A（约 1000 度（王英等，2017），而锆石较难提取，工作电流设置为 12A 并进行多次提取。对于常规40Ar/39Ar 阶段升温和热年代学研究，多用双真空炉加热，采用钽坩埚或者钼坩埚，热电偶对其控温，温度可达 1800-2000 度，对于普通地质样品1500 度基本能够满足要求。红外激光由于本底低，所以能够较好的应用于年轻样品的40Ar/39Ar 定年。激光单颗粒40Ar/39Ar 定年方法也能够有效的识别并排除捕掳晶和外来物质的影响，如火山灰中钾长石的40Ar/39Ar 定年（He et al., 2006）。如下图 0-1，分别为(U-Th)/He 实验室的 193nm 准分子激光器、970nm 二极管激光以及40Ar/39Ar 实验室的双真空炉。

纯化器,冷阱,质谱,倍增器

图 0-2 纯化器件锆铝泵和冷阱（3）测量系统纯化后的气体，如 He 送入四级杆质谱进行测量，配备一个法拉第杯和倍增器，通常使用倍增器即可满足要求。而 Ar 同位素需要较高的分辨率和灵敏度质谱，如 MM5400，Noblesse，Argus 等仪器。如下图 0-3 分别为(U-Th)/He 实验室的四级杆质谱 PrismaPlus QMG 220 和40Ar/39Ar 实验室的质谱 MM5400。

质谱,四级,倍增器

【参考文献】