同位素定年及古环境反演

1.同位素定年及古环境反演（Re-Os）（1）(Re-Os同位素在沉积地层精确定年及古环境反演中的应用进展)Re-Os同位素亲有机质的性质,使得富有机质沉积岩在沉积的过程中能够吸附富集海水中的Re、Os,沉积岩的沉积压实过程也是其中Re-Os同位素体系封闭计时的过程,沉积岩Re-Os同位素等时线年龄代表地层沉积时代,Os同位素初始比值187Os/188Os反映沉积时海水的Os同位素比值。Re-Os同位素体系在富有机质沉积岩中的成功应用,能够直接确定地层沉积时代,从而对地层界线进行直接厘定,并且能够对一些沉积矿床形成时代、冰川事件发生时代进行厘定和限制。通过沉积岩Re-Os同位素特征,可以对古环境进行反演,有助于了解全球大气海洋的演化,气候的变化,对研究生物灭绝等重大地质事件发生的时限和机制以及金属矿床的成矿物质来源具有重要意义。Re-Os同位素在沉积岩中应用原理：因此,将Re-Os同位素直接应用于金属矿物定年,解决了长期无法解决的内生金属矿床成矿年龄直接准确厘定问题,为探讨大规模成矿作用发生的时限、成矿的地球动力学背景和成矿模型的建立以及成矿预测提供了理论依据。近些年来,Re-Os同位素另外一种特殊的地球化学性质——亲有机性,被地质学家广泛关注,Re-Os同位素在沉积地层精确定年及古环境反演中的应用得到了国内外越来越多地质学家的广泛认可(Cohen,2004;Hannahetal.,2004;Yangetal.,2009)。海水的Re、Os通常是以ReO4–和HOsO5–等高价态形式存在,富有机质的沉积岩常形成于还原性较强环境,在这种条件下,海水中迁移性较强的高价的ReO4–和HOsO5–会被还原成较难迁移的低价离子而被有机物吸附下来,因此在富有机质的沉积岩沉积的过程中,高价态的Re、Os离子可被还原富集(Peucker-Ehrenbrinketal.,2000;Yoshiroetal.,2007)。因此,Re、Os的富集过程与沉积岩的沉积过程应该是同时的,沉积岩的沉积时代也是Re-Os同位素计时器开始计时的时间,并且同时代沉积的地层有相同的Os同位素初始比值,即沉积时海水的Os同位素比值。由于放射性母体187Re经过β衰变形成子体187Os,其半衰期为41.6Ga,比地球年龄还要高一个数量级,在沉积岩中有机物所吸附的Re-Os同位素体系封闭条件下,Re-Os等时线年龄就能够代表其沉积年代,并且Os同位素初始比值能够反映当时海水中的Os同位素比值,这就是Re-Os同位素在沉积岩中应用的原理。海水中的Re、Os来源主要有3个：(1)由于大陆地壳的风化剥蚀作用,岩石土壤的淋滤作用,使得大陆地壳中的Re、Os由河流带入海洋,陆源Re-Os同位素Re/Os较高,最高能达几千,Os同位素具有高放射性成因特征,不同时代、不同岩性的陆壳187Os/188Os值特征不同,平均值为1.4(Cohen,2004),一些老地层中187Os/188Os值大于50(Chenetal.,2009)。(2)由洋中脊热液带到海水中,Re/Os较低,一般小于1,Os同位素具有非放射性成因特征,187Os/188Os比值大于0.127。(3)以宇宙尘埃的形式进入海水,Re/Os较低,一般小于1,187Os/188Os值接近于原始地幔值约为0.127(一般条件下,海水中的Os主要来源于大陆,能占80%,其余的20%来自海底热液和宇宙尘埃物质(Sharmaetal.,1997)。因此,能够通过Re-Os同位素研究沉积岩的沉积时代以及海水Os同位素的变化来确定当时海水的环境以及古海水对地壳隆升、雪球地球、陨石撞击等重大地质事件的响应。海水中Re、Os的3个主要来源示意图海水Os同位素演化曲线：对于某一连续沉积地层来讲,其中的Re-Os同位素特征(Re、Os含量,Os同位素比值,Re/Os值)会随着不同时代的沉积环境不同而发生变化,因此,可以通过富有机质沉积岩Re-Os同位素特征进行分析来反演当时古海水的Re-Os同位素特征,海水中的Os同位素变化往往是由于古气候的变化或者较大的构造事件而引起的。因此,通过对沉积地层中的Re-Os同位素进行研究,不仅能够记录古环境的变化特征,而且还能够对全球较大的构造事件进行研究。海水中Os同位素演化曲线可用作摘要或结论处：沉积地层的精确定年对于地层学的研究具有重要意义。地层是地质事件记录最丰富的载体,而地质年代表作为地层学研究的重要成果和基本文件,它的功能是为地层学以及整个地球科学的研究和地球的历史过程提供一个恰当的时间参照体系,以利于全球范围的地质演化对比研究和成矿规律研究,揭示地球演化的阶段性和所经历的重大事件。因此,国际地层表的建立和不断完善是地层学研究的长期目标和永恒内容(王鸿祯,2006)。地层研究需要开展生物地层、化学地层、磁性地层、年代地层、层序地层、事件地层等多专业的综合研究,地层的划分主要是以地层中某种古生物的首次出现为依据,在应用生物地层方法建立精确的等时地层格架有困难的情况下,可以充分利用事件地层标志和同位素测年等多学科综合研究方法建立等时地层对比格架(王训练,2003),从而促进地区和全球相关地层对比继承,在地层建阶研究中,同位素年代学研究等是需要加强的工作(王泽九,2010)。可见,高精度的同位素测年以及同位素变化研究,是地层综合研究的一个不可或缺的重要的组成部分。事实上,沉积岩精确定年一直是一个世界性难题,因为在现有的技术手段下缺乏合适的测年对象。目前,地质年代表中年代地层时代的确定和划分主要采用锆石U-Pb法对沉积地层中火山岩夹层,特别是采用凝灰岩和斑脱岩中的锆石进行U-Pb年龄厘定,因为锆石U-Pb同位素体系封闭性较好,并且U-Pb同位素衰变常数经过了较为准确的测定,它们的年龄可代表沉积岩地层的形成时代(陈文等,2011)。然而,在地层界线上很少直接发现有火山岩夹层,地层界线绝对年龄往往是根据上下地层中火山岩锆石U-Pb年龄以及火山岩与界线层距离计算得到的。在显生宙的一些地层界线,是以黑色页岩的沉积为典型标志,并且其中的一些黑色岩系地层是与大洋缺氧事件以及生物灭绝事件关系紧密。这些黑色岩系能够采用Re-Os同位素体系进行直接精确定年,能够很好地研究生物灭绝等事件发生的绝对年代以及可能的发生机制。然而,黑色页岩等样品在地层中的分布有限,尤其在我国沉积地层中灰岩的分布范围更广,许多生物地层的划分是以古生物大量出现的碳酸盐岩地层为主要对象,并且富有机质碳酸盐岩往往能够作为烃源岩是油气地质学家重点研究的对象,Re-Os同位素在碳酸盐岩地层年代学研究中的成功应用,更有利于生物地层与年代地层直接进行比对,无疑极大地拓展了Re-Os同位素技术在沉积地层研究应用范围(中国地质科学院,2014)。Re-Os同位素在沉积地层中的应用实例：地层沉积速率：黑色页岩Re-Os同位素研究,能够计算地层的沉积速率。Xu等(2014)通过对三叠系Botneheia组，不同层位黑色页岩进行Re-Os同位素研究,获得四组等时线年龄,由于所有年龄都是采用Re-Os体系对黑色页岩沉积时代进行直接定年,因此能够抵消Re-Os衰变常数等不确定度,并且,所有样品的分析都是在同一实验室进行分析,能够抵消稀释剂标定系统误差。厘定地层界线：许多地层界线的确定是以大洋缺氧和生物灭绝事件为特征,在这种条件下就会发育黑色页岩,因此,能够通过对黑色页岩的Re-Os同位素分析对地质界线进行直接定年。Selby等(2005)采用Re-Os对Devonian-Mississippian界线黑色页岩进行直接定年,获得了精确的地层年龄(361.3±2.4)Ma,该年龄与其上部层位火山岩锆石U-Pb年龄(360.7±0.7)Ma在误差范围内一致。冰川事件时代：Re-Os同位素能够对于沉积有关的重大地质事件发生时代进行较好的限制和厘定。新元古代时期,地球上出现了几次大规模冰川事件。但是,由于新元古界地层缺少有利的冰期沉积对比标志,并且目前无法采用地球化学手段对冰期沉积时代进行直接厘定,因此对这些冰川事件发生的时限仍然存在较大争议。在冰川事件结束之后,粉砂岩、泥岩等细粒碎屑沉积岩海通常会随着海平面的上升而沉积,这些在缺氧环境下形成的富含有机质沉积岩是采用Re-Os同位素进行定年的最佳对象,这些沉积岩的Re-Os同位素年龄能够对冰期结束的最后时期进行限制。富有机质沉积岩Re-Os同位素研究能够对冰期事件的开始和结束时间进行限制,尤其是对于缺少火山岩的地层年代学研究发挥了重要作用。矿床时代：Mao等(2002)对华南下寒武系富含Ni-Mo矿的黑色页岩进行的Re-Os同位素分析,获得了(541±16)Ma的等时线年龄,这一结果与Pb-Pb同位素等时线年龄一致,准确厘定了华南黑色页岩中Ni-Mo矿的沉积时代。生物灭绝事件机制：Re-Os同位素不仅能够对地层沉积时代进行直接准确的定年,还能够提供古海洋的Os同位素信息,从而对古环境进行进行示踪。并且由于Re、Os地球化学性质的差异,使得两种元素在海水中的富集沉淀机制有所差异,这种差异会随着沉积环境的变化而被Re-Os同位素记录下来。Georgiev等(2012)通过对二叠纪/三叠纪地质界线黑色页岩进行Re-Os同位素分析,虽然没有发现Os同位素比值的异常,但是,通过较高的Re/Os比值,结合其它微量元素的证据,提出当时的海洋是热的,并且是酸性的,这种海水环境以及当时异常的气候条件是造成二叠纪/三叠纪生物灭绝的重要原因。结束语：富有机质沉积岩Re-Os同位素研究已经成为国际上研究的热点,Re-Os同位素能够为地层沉积时代进行直接厘定,尤其是对于火山岩夹层不发育的地区发挥了重要作用,这对地质年代表的校正研究以及地层比对研究具有重要意义。此外,Re-Os同位素以其特有的地球化学性质,已经成为在古环境演化研究方面一种灵敏的工具,为古海洋、古气候的反演提供了很多重要的信息。2.U-Pb（1）东昆仑牦牛山组流纹岩锆石U-Pb年龄及构造意义陆露等利用测定的流纹岩锆石中的U-Pb年龄来推测了牦牛山组火山岩的形成年龄，继而推断东昆仑早古生代洋盆关闭的构造年代。（2）赣东北中元古界铁沙街组石英角斑岩和流纹岩锆石SHRIMPU-Pb年龄、Hf同位素及地球化学特征（3）内蒙古西乌珠穆沁旗地区下二叠统原寿山沟组碎屑锆石LA-ICP-MSU-Pb年龄及地质意义（4）太原西山上二叠统—下三叠统地层最大沉积年龄的碎屑锆石Ｕ－Ｐｂ定年约束刘超等应用ＬＡ－ＭＣ－ＩＣＰＭＳ对华北中部太原西山晚二叠世—早三叠世上石盒子组、石千峰组、刘家沟组中４件砂岩样品进行碎屑锆石Ｕ－Ｐｂ定年，太原西山上石盒子组师脑峰砂岩（ＳＮＦ）的沉积时间不早于２７０Ｍａ，石千峰组底部Ｋ８砂岩（Ｋ８）沉积时间不早于２５０Ｍａ。因此，太原西山地区石千峰组应归属于早三叠世，二叠系—三叠系的界线应位于石千峰组Ｋ８砂岩之下。碎屑锆石最年轻颗粒年龄常用来确定地层最大沉积年龄（Ｒａｉｎｂｉｒｄｅｔａｌ．，２００１）。Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎ等（２００９）在对科罗拉多高原及其周边地区中生代锆石Ｕ－Ｐｂ年龄数据库进行分析时，提出可以用不同的方法来确定地层最大沉积年龄，并强调了利用几种不同的方法来获得最精确的最大沉积年龄的重要性。一般用来确定地层年龄有７种方法（Ｄｉｃｋｉｎｓｏｎｅｔａｌ．，２００９；Ｊｏｈｎｓｔｏｎｅｔａｌ．，２００９；Ｌａｗｔｏｎｅｔａｌ．，２０１１；Ｒｏｂｉｎｓｏｎｅｔａｌ．，２０１２，Ｔｕｃｋｅｒｅｔａｌ．，２０１３）分别是：①最年轻单颗粒年龄（ＹＳＧ）；②最年轻图像碎屑锆石年龄（ＹＰＰ）；③最年轻碎屑锆石年龄（ＹＤＺ）；④加权平均年龄（ＹＣ１’）（＋３）；⑤加权平均年龄（ＹＣ２’）（＋３）；⑥算术平均年龄（ＷＡ）；⑦Ｔｕｆｆｚｉｒｃ年龄（＋６）。计算Ｔｕｆｆｚｉｒｃ年龄需要锆石颗粒数大于１０（Ｌｕｄｗｉｇ，２００９），或者利用最年轻的６颗碎屑锆石来进行计算（Ｔｕｃｋｅｒｅｔａｌ．，２０１３），限于本文的年轻锆石颗粒较少，因此不讨论Ｔｕｆｆｚｉｒｃ年龄。通过与已知生物地层年龄的对比，ＹＳＧ