【摘要】：稀有氣體氦、氬同位素定年都基于放射性累積衰變定律,即母體同位素隨時(shí)間進(jìn)行衰變以及子體同位素隨時(shí)間不斷積累以獲得表面年齡,獲得的表面年齡根據(jù)不同的地質(zhì)事實(shí)解釋為相應(yīng)的形成年齡、噴發(fā)年齡或者是冷卻年齡。如子體同位素~4He由母體同位素U、Th經(jīng)過一系列放射性衰變累積計(jì)時(shí)構(gòu)成(U-Th)/He定年。又如子體同位素~(40)Ar則由母體~(40)K衰變而來構(gòu)成K-Ar定年;稀有氣體~(40)Ar/~(39)Ar定年則是利用自然界中~(39)K/~(40)K比值的不變性,在K-Ar定年的基礎(chǔ)上衍變而來。從實(shí)驗(yàn)技術(shù)和方法上,稀有氣體同位素定年不同于其他的定年方法,針對(U-Th)/He和~(40)Ar/~(39)Ar定年,二者都需要低本底和礦物標(biāo)樣。~(40)Ar/~(39)Ar同位素定年標(biāo)樣較多,不僅存在不同礦物種類的標(biāo)樣,還存在不同時(shí)代的標(biāo)樣。而對于(U-Th)/He定年,存在大顆粒的Durango磷灰石標(biāo)樣,但是尚缺少大顆粒的鋯石標(biāo)樣;Fish Canyon Tuff(FCT)鋯石是現(xiàn)今使用最廣泛的鋯石標(biāo)樣,但是由于該標(biāo)樣顆粒小,年齡計(jì)算時(shí)需要額外的α射出校正,會帶入較大的年齡誤差。因此,尋找合適的大顆粒(U-Th)/He鋯石標(biāo)樣顯得尤為重要。另外,除了本底和礦物標(biāo)樣外,~(40)Ar/~(39)Ar定年還需要空氣標(biāo)樣和樣品照射等實(shí)驗(yàn)條件,而這四個(gè)因素都會影響到~(40)Ar/~(39)Ar定年精度。因此,本論文擬從以下兩個(gè)方面開展研究工作(1)尋找(U-Th)/He定年的大顆粒鋯石標(biāo)樣,并在新建立的(U-Th)/He實(shí)驗(yàn)室建立鋯石(U-Th)/He定年流程,以及(2)改善以上實(shí)驗(yàn)條件提高~(40)Ar/~(39)Ar定年精度,對于低鉀玄武巖因缺乏鋯石和透長石,定年精度較低,需要解決低鉀礦物~(40)Ar/~(39)Ar定年精度低的問題。針對目標(biāo)(1),本論文試圖將U-Pb定年的二次標(biāo)樣,即蓬萊鋯石巨晶應(yīng)用到(U-Th)/He定年中。將蓬萊鋯石巨晶去除表面20μm后破碎,對四個(gè)鋯石巨晶的20個(gè)內(nèi)部碎片采用單顆粒激光熔融稀釋法進(jìn)行(U-Th)/He定年,剔除兩個(gè)異常點(diǎn)后,18個(gè)(U-Th)/He定年結(jié)果均一,給出的加權(quán)平均年齡值為4.06±0.35 Ma(2s,MSWD=1.79),稍低于U-Pb ID-TIMS方法所推薦的~(206)Pb/~(238)U年齡4.4±0.1 Ma(95%置信度)以及其他測試方法所獲得的U-Pb年齡結(jié)果。由于鋯石巨晶是地幔捕擄晶,形成后被寄主玄武巖漿快速噴發(fā)帶到地表,并且鋯石(U-Th)/He體系具有較低的封閉溫度(190℃),因此所獲得的(U-Th)/He年齡代表的是噴發(fā)年齡。與之相比,鋯石U-Pb同位素系統(tǒng)具有較高的封閉溫度(900℃),表明當(dāng)鋯石居留在巖漿房時(shí)U-Pb體系已經(jīng)封閉,同位素時(shí)鐘開始計(jì)時(shí),因此蓬萊鋯石U-Pb ID-TIMS年齡代表的是鋯石在巖漿房的居留時(shí)間以及噴發(fā)時(shí)間的總和。所以,(U-Th)/He年齡會比U-Pb年齡結(jié)果系統(tǒng)性地偏年輕。由于蓬萊鋯石量大,顆粒大,大部分具有弱環(huán)帶和迅速冷卻的特點(diǎn),以及本次實(shí)驗(yàn)研究所獲得的一致的(U-Th)/He年齡結(jié)果,本論文推薦蓬萊鋯石巨晶也適合做(U-Th)/He年代學(xué)的標(biāo)樣,同時(shí)表明本實(shí)驗(yàn)建立的U、Th和He的提取與測試方法是可行可靠的。針對目標(biāo)(2),本論文將從影響~(40)Ar/~(39)Ar定年的幾個(gè)因素,如本底、空氣標(biāo)樣、礦物標(biāo)樣和樣品照射方面進(jìn)行改善,并通過兩個(gè)低鉀火山巖的研究實(shí)例對其進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)例一的低鉀火山巖礦物為峨嵋山大火成巖省云南巧家剖面高Ti區(qū)玄武巖中的斜長石斑晶,斜長石鉀含量低,僅為0.4-0.7%,對五份平行樣品進(jìn)行~(40)Ar/~(39)Ar階段升溫實(shí)驗(yàn),獲得的坪年齡分別為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,五次測量結(jié)果在誤差范圍內(nèi)一致,給出加權(quán)平均年齡值為260.1±1.2 Ma。由于該樣品采自高Ti區(qū)底部,因此該年齡直接限定了峨嵋山高Ti玄武巖火山作用的開始時(shí)間。將本次獲得的巧家剖面高Ti區(qū)底部的年齡與賓川剖面高Ti區(qū)頂部熔結(jié)凝灰?guī)r的年齡259.1±0.5 Ma進(jìn)行地層對比,可以推斷出火山作用高Ti階段噴發(fā)的持續(xù)時(shí)間約為1.0±1.3 Ma。同時(shí),本研究獲得新的~(40)Ar/~(39)Ar年齡結(jié)果與國際年代地層表中Guadalupian-Lopingian界限年齡結(jié)果一致(259.1±0.5 Ma,2017年2月國際年代地層表),本結(jié)果也支持峨嵋山火山作用與晚Guadalupian生物大滅絕事件具有時(shí)間上的聯(lián)系。實(shí)例二的低鉀火山巖來源于膠州-萊陽盆地白堊紀(jì)大陸科學(xué)鉆鉆孔的玄武巖巖芯樣品,在位于614 m到757 m深度的火山-沉積序列共采集6塊玄武巖樣品,鉀含量僅為0.1%-0.5%,根據(jù)巖石地層劃分屬于史家屯組5段。通過~(40)Ar/~(39)Ar階段升溫定年,對該沉積序列進(jìn)行緊密的年代學(xué)限定,其最頂部(614 m深度)和最底部(757 m深度)~(40)Ar/~(39)Ar同位素年齡分別為73.5±1.1 Ma和79.7±2.7 Ma,對應(yīng)于中-晚Campanian年齡。本次研究獲得的膠萊盆地史家屯組5段的年代學(xué)框架也可以與中國東北,西北以及中南地區(qū)的盆地進(jìn)行區(qū)域地層對比。同時(shí),史家屯組5段最頂部的年齡暗示出上覆膠州組年齡會小于Campanian,本研究所獲得的新的年齡數(shù)據(jù)結(jié)果也支持了K/Pg界線的位置放置。綜合實(shí)例一和實(shí)例二,定年對象都為低鉀火山巖樣品,鉀含量極低。實(shí)例一中峨嵋山玄武巖斜長石斑晶,鉀含量0.4-0.7%;實(shí)例二中膠萊盆地低鉀玄武巖樣品,鉀含量僅為0.1%-0.5%。通過在實(shí)驗(yàn)過程中降低儀器本底、監(jiān)測空氣標(biāo)樣、優(yōu)選礦物標(biāo)樣以及優(yōu)化樣品照射,可將實(shí)例一中斜長石樣品單次測量精度提高到0.9%-1%,將實(shí)例二中玄武巖樣品年齡精度提高到1%-2%。
【學(xué)位授予單位】：中國地震局地質(zhì)研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P597.3
【圖文】：

970nm 的二極管激光）。而紫外激光，如 193nm 準(zhǔn)分子激光器、UP-213 紫外激光可進(jìn)行原位、微區(qū)分析。對于磷灰石 He 同位素的提取，House et al. (2000) 將真空爐加熱實(shí)驗(yàn)流程改為單顆粒激光熔融測試流程，標(biāo)志著單顆粒激光熔融法建立（鄭德文等，2016），而單顆粒激光熔融法通常采用二極管激光加熱，工作電流設(shè)為 8A（約 1000 度（王英等，2017），而鋯石較難提取，工作電流設(shè)置為 12A 并進(jìn)行多次提取。對于常規(guī)40Ar/39Ar 階段升溫和熱年代學(xué)研究，多用雙真空爐加熱，采用鉭坩堝或者鉬坩堝，熱電偶對其控溫，溫度可達(dá) 1800-2000 度，對于普通地質(zhì)樣品1500 度基本能夠滿足要求。紅外激光由于本底低，所以能夠較好的應(yīng)用于年輕樣品的40Ar/39Ar 定年。激光單顆粒40Ar/39Ar 定年方法也能夠有效的識別并排除捕擄晶和外來物質(zhì)的影響，如火山灰中鉀長石的40Ar/39Ar 定年（He et al., 2006）。如下圖 0-1，分別為(U-Th)/He 實(shí)驗(yàn)室的 193nm 準(zhǔn)分子激光器、970nm 二極管激光以及40Ar/39Ar 實(shí)驗(yàn)室的雙真空爐。

圖 0-2 純化器件鋯鋁泵和冷阱（3）測量系統(tǒng)純化后的氣體，如 He 送入四級桿質(zhì)譜進(jìn)行測量，配備一個(gè)法拉第杯和倍增器，通常使用倍增器即可滿足要求。而 Ar 同位素需要較高的分辨率和靈敏度質(zhì)譜，如 MM5400，Noblesse，Argus 等儀器。如下圖 0-3 分別為(U-Th)/He 實(shí)驗(yàn)室的四級桿質(zhì)譜 PrismaPlus QMG 220 和40Ar/39Ar 實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)譜 MM5400。

圖 0-2 純化器件鋯鋁泵和冷阱（3）測量系統(tǒng)純化后的氣體，如 He 送入四級桿質(zhì)譜進(jìn)行測量，配備一個(gè)法拉第杯和倍增器，通常使用倍增器即可滿足要求。而 Ar 同位素需要較高的分辨率和靈敏度質(zhì)譜，如 MM5400，Noblesse，Argus 等儀器。如下圖 0-3 分別為(U-Th)/He 實(shí)驗(yàn)室的四級桿質(zhì)譜 PrismaPlus QMG 220 和40Ar/39Ar 實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)譜 MM5400。

【參考文獻(xiàn)】

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10 王成善;馮志強(qiáng);吳河勇;王璞s

本文編號：2793449