就地宇宙成因核素~(10)Be测年法与地学应用

就地宇宙成因核素定年法在地球科学相关研究中有着广泛的应用,主要集中在对晚新生代地质事件的发生年代以及地质活动中相关速率的限定。本文将主要概述就地宇宙成因核素定年原理,并结合国内外相关研究介绍就地宇宙成因核素~(10)Be在地学研究中获取地质事件年代(包括暴露年龄和埋藏年龄)、定量约束地表风化侵蚀、以及河流水系下切侵蚀等相关速率的应用现状。     

就地生成宇宙成因核素测年方法概述

就地生成宇宙成因核素年代学通过宇宙射线与地表岩石反应所积累核素浓度进行测年,相较传统定年方法具有许多独特的优势,近30年来得到了迅速发展和完善,已成为第四纪研究中的主要测年方法之一。目前该方法虽然仍存在一些问题和限制,随着研究和认识的深入,其理论方法将会越来越成熟,新的核素和应用领域也将会逐步扩展。本文通过就地生成宇宙成因核素的产生机制、测年原理、影响因素等方面对该方法进行了全面的介绍,为相关学者在测年实践中的应用提供有益的指导。     

宇宙成因核素~(10)Be、~(36)C1及其加速器质谱测定

~(10)Be、~(36)Cl是宇宙射线与大气成份进行散裂核反应的产物。它们在大气圈停留1—2年,然后通过降水沉降至地表。~(10)Be半衰期1.5×10~6a,~(36)Cl半衰期0.301×10~6a,均属纯β放射体,在自然界含量极低,传统的衰变测量法已难以适应现代地球科学中高分辨研究的需要,七十年代末八十年代初兴起的加速器质谱技术使这两核素的测量灵敏度提高了五个数     

陨石中宇宙成因核素~(10)Be和~(26)Al的化学分离纯化

陨石离开其小行星母体直至降到地球表面期间,受到宇宙射线的照射,产生一系列包括10Be和26Al等的放射性核素。10Be和26Al的含量及其比值记录了宇宙射线辐照历史,而陨石降落到地球表面后,它们的衰变又提供了测定其降落时间,即居地年龄的方法。10Be和26Al由加速器质谱测定,样品需分离纯化。为此,开展了陨石样品Be和Al的分离纯化实验。通过模拟样品的条件实验,建立了Be和Al分离纯化的化学流程,其回收率分别达到89%和70%。在此基础上,分离并测定了一个降落型普通球粒陨石(吉林陨石)非磁性部分的10Be和26Al的含量。结果显示,吉林陨石26Al/10Be的比值为5.005,远大于两者的饱和比值(2.72),说明吉林陨石经历了短期的暴露辐射,这一结果与吉林陨石第二阶段的暴露年龄0.4Ma一致。整个化学流程的10Be/9Be和26Al/27Al空白分别为(4.33±0.46)×10-14和(6.59±4.66)×10-15,其中前者接近于该仪器的空白测量值,而后者则接近于仪器的检测限2.3×10-15。     

地球环境中的宇宙成因核素10Be

10Be是宇宙射线高能粒子与大气主要成分氮、氧原子核进行散裂反应的产物, 主要核反应为14N x10Be 18010Be, 10Be的半衰期为1.6×106a。图1为10Be产生率与纬度一高度关系剖面。同温层10Be的产生率随纬度增加而增加, 而对流层的10Be产生率几乎保持稳定。约70务的10Be产生于同温层, 30%的10Be产生于对流层。大气中产生的10Be主要通过降水到地表。     

宇宙成因核素~(10)Be揭示的北祁连山侵蚀速率特征

山脉侵蚀速率的大小和时空分布信息是研究山脉构造—气候相互作用和地貌演化的关键切入点,其大小是受气候还是构造控制争论已久。宇宙成因核素10Be方法为从千年至万年尺度上定量研究流域平均侵蚀速率提供了一种先进和快捷的技术手段,为揭示侵蚀速率与现代气候和构造地貌因子的关系并进行相关分析提供了基础。利用该方法对北祁连山近现代侵蚀速率进行了研究。所采集的9个流域现代河沙样品,结合前人数据进行共同分析,结果显示该区侵蚀速率的变化范围为18.7~833 mm/ka,北祁连山中段的侵蚀速率约为323 mm/ka,该区侵蚀速率与降雨量没有明显的对应关系,但与流域平均坡度呈现很好的非线性关系,揭示坡度是该区侵蚀速率的最主要控制因素。通过对比北祁连山地表平均侵蚀速率和该区域的断层垂直滑动速率发现整体上该区域地表侵蚀速率要低于祁连山北缘断层的垂直滑动速率,反映了北祁连山正处于地形抬升和生长的过程之中。     

原地宇宙成因核素(TCN)测年靶标制备

自20世纪80年代以来,得益于高能加速器质谱的发展及其分析精度的提高,TCN测年技术得到了快速发展,并被成功应用于解决诸多领域关键性的年代学问题研究中,对地学的发展也起到了革命性的推动作用。TCN测年由测年靶标制备、AMS测量及数据分析等步骤组成。其中测年靶标制备直接影响AMS的测量结果,进而影响可靠年代学框架的建立与古气候环境的重建。测年靶标制备首先是代表性样品的采集,继而是所用靶标矿物的提纯,再者是所测元素的分离提取,最后是靶标压制。此处以第四纪冰川研究中应用较为广泛的TCN放射性核素¹⁰Be与²⁶Al为例,结合冰川侵蚀与沉积地貌的分布及其特征,从样品采集、石英提纯、¹⁰Be与²⁶Al核素的分离提取及最后的靶标压制等方面展开论述,以期为初涉第四纪冰川研究的学者提供TCN测年靶标制备的理论指导,同时也为地学其他研究领域该测年技术的应用提供参考。     

昆仑山垭口地区"望昆冰期"冰碛宇宙成因核素10Be测年

昆仑山垭口地区是东昆仑山现代冰川作用中心之一,在第四纪冰期间冰期旋回中保留了多套较为完整的冰川沉积.位于垭口盆地西侧山脊上的望昆冰碛,是本区已知最老的冰川沉积.应用宇宙成因核素10Be暴露年龄方法对望昆冰碛进行年代测定,5个样品中有4个介于(56.9±5.6)～(38.2±3.5)ka BP之间,相当于MIS3阶段,明显年轻于前人所测ESR和古地磁年代,且与地貌系列不符.这一结果不能代表望昆冰碛的实际年代,而应为所测漂砾后期暴露的年代,反映了MIS3阶段昆仑山垭口地区曾遭受过强烈地表剥蚀过程.望昆冰碛10Be暴露年龄显著地年轻,表明应用宇宙核素暴露年代测定冰碛物形成时代具有复杂性,应充分考虑后期剥蚀等地表过程,并应使用其他测年方法进行相互验证.     

就地生成宇宙成因核素年龄计算模式应用

就地生成宇宙成因核素测年是被广泛应用于地貌面和地表过程研究测年的新兴手段,相较传统年代学方法具有独特的优势,近年来得到国际上众多地学工作者的认可和应用。然而多数国内学者对其年龄计算模式缺乏深入理解,限制了其在实践中的应用。通过阐述目前已被国际学者普遍认可的四种计算模式,对比分析了不同模式间的差异,评价了每种模式的独特优势和应用领域,以使初学者和尝试应用宇宙成因核素测年的研究者在实践中能够合理应用相应的计算模式,最终获得较可靠的年代结果。     

宇宙成因核素26Al/10Be埋藏测年法在宁夏沙坡头黄河砾石阶地年代研究中的应用

本文利用宇宙成因核素26Al/10Be埋藏测年法对宁夏沙坡头地区黄河左岸的T5、T6、T8和T9阶地开展了年代学研究。采用简单快速埋藏模式获得4级阶地的26Al/10Be埋藏年龄分别约为0.25Ma、0.36Ma、0.59Ma和1.06Ma,如果考虑后期剥蚀作用的影响（E≈5m/Ma）,则4级阶地的年龄分别约为0.42Ma、0.39Ma、1.02Ma和1.59Ma。本研究未发现砾石大小与10Be、26Al核素浓度及26Al/10Be比值有明显相关性。     

黄土中宇宙成因核素10Be示踪古地磁场变化研究进展

宇宙成因核素10Be示踪古地磁场的研究在海洋和冰芯研究中得到了广泛应用,然而受黄土来源及沉降过程的复杂性制约,运用中国黄土10Be示踪古地磁场变化的研究直到近年来才取得突破进展.综述了黄土10Be的研究现状并指出将其应用于地磁场示踪研究存在的关键问题,重点介绍了为分离黄土10Be浓度记录所包含的气候因素和地磁场影响因素而建立的LGM分离方法、剩磁矫顽力估算模型方法和"平均值概念"方法.各种创新数理方法的建立基本解决了黄土10Be示踪古地磁场的科学难题,使黄土10Be示踪古地磁场变化研究成为可能.     

河流阶地样品中石英纯化和宇宙核素~(10)Be和~(26)Al分离方法研究

经历反复埋藏暴露演化过程的河流阶地样品,难以用常规方法将原生宇宙核素10Be、26Al有效分离。本文在前人实验方法基础上,使用人工挑选、磁选仪分选及酸洗方法,分离样品中碳酸盐、含铁矿物及大气生成的10Be,进一步优化了石英提纯实验流程。结果表明:长度为9 cm、内径为1 cm的阴离子交换树脂装置匹配4 mol/L氢氟酸淋滤液,可将B、Mg、Ca、Cr、Fe、Mn、Ni、Ti和Be、Al有效分离,Be、Al回收率分别可达95.7%、85.7%。阳离子交换树脂能有效分离Be、Al,两元素回收率均达到85%。获得10Be/9Be和26Al/27Al流程空白分别为2.19×10-15和1.63×10-15。优化后的实验方法显著提高了河流阶地样品中原生宇宙核素10Be、26Al的纯化效率,且10Be/9Be和26Al/27Al流程空白数值与国内外实验室具有可比性。采用本方法获得了成都平原冲积物10Be、26Al暴露年龄分别是76.36±9.51 ka和69.44±14.13 ka,为评价龙门山前缘隐伏断裂构造特征和活动性提供了年代学依据。     

长江流域河流沉积物宇宙成因核素10Be特征与侵蚀速率估算

地球表面每时每刻都在经历各式各样的侵蚀作用,了解侵蚀过程及其速率大小有助于人们认识许多重要的地质作用和过程.本文介绍的内容是长江流域河流沉积物宇宙成因核素10Be的研究工作,目的是在于定量估算长江流域及其子流域的平均侵蚀速率,更好地理解沉积物的由源到汇过程以及评价人类活动对水土流失的影响提供自然背景,分析样品来自于长江主要干流和支流的表层现代沉积.研究表明,长江干流10Be含量从金沙江流域到长江口呈现出由高到低的趋势,不同的是支流10Be含量值偏低而且比较稳定.这很可能受核素产生率和侵蚀速率两个因素的共同影响.在长江上游干流沉积物中10Be含量最高,随着低含量物质的不断从支流汇入,产生“西高东低”的现象.10Be侵蚀速率估算表明长江干流金沙江上游段平均侵蚀速率较低,在44.7～48.1m/Ma之间;长江中游段(枝江至彭泽)长江干流侵蚀速率数据变化较大,在65.7 ～ 175m/Ma的范围内波动;到长江口平均侵蚀速率比较稳定,在50～60m/Ma之间变化.与干流相比,长江支流侵蚀速率显著偏高.侵蚀速率最高的地区在大渡河-岷江流域,平均侵蚀速率在300m/Ma之上;侵蚀速率最低的区域发生在乌江流域,平均的侵蚀速率在10 ～ 30m/Ma之间.比较长江流域10Be和水文估算的侵蚀速率可以看出,水文估算总体上反映的侵蚀速率要普遍高于10Be反映的侵蚀速率.大渡河-岷江流域地表侵蚀速率高主要与构造活动、地貌发育、岩石特征以及气候条件等自然因素有关.嘉陵江、汉江等流域水文数据估算侵蚀速率明显超过10Be估算的结果,可能与地形地貌等地质因素对侵蚀作用的影响显著下降,以及人类长期活动导致水土流失加剧有关.     

原地生成宇宙成因核素在地学研究中的应用

传统测年方法(14C、热释光、光释光等)无法直接测量地貌面或基岩面的形成年代,利用宇宙生成核素定出的年代可以直接计算地质、地貌体的暴露年代和埋藏时代。随着测量仪器的长足进步,特别是加速器质谱(AMS)检出限(可测至106原子)的大幅度提高,原地生成宇宙成因核素定年技术给地貌学带来了革命性的变化,因此宇宙生成核素被广泛应用于古气候学、构造地质学、火山年代学及古地磁学等。本文阐释了原地生成宇宙核素定年方法的基本原理,并在地学领域应用的现有基础上,从冰川、断层、阶地等研究对象出发,以沉积物埋藏年龄、地表侵蚀速率、断层滑动速率等为研究内容,具体描述该定年技术在冰川地貌、构造地貌、地貌过程及地貌演化研究中的国内外研究现状,以及应用中尚待解决的诸如核素产生速率与空间、时间关系;样品地质、地貌条件对结果造成的不确定性等问题。     

基于宇宙成因核素~(10)Be的青藏高原东南部地区末次间冰期以来地表岩石剥蚀速率研究

地表剥蚀速率是衡量地貌演变的一个重要因子.本研究利用原地生成宇宙成因核素10Be对青藏高原东南部地区地表岩石剥蚀速率进行了首次测定.结果显示,自末次间冰期以来,青藏高原东南部地区的地表岩石剥蚀速率不超过60 mm/ka,平均剥蚀速率值约为27.1±10.2 mm/ka,这一结果与其他高海拔地区基岩剥蚀速率值一致.高原东南部地区地表岩石剥蚀率同时受构造活动和气候尤其降水量等因素的制约.与高原内部干旱、半干旱地区相比,青藏高原东南部地区的剥蚀速率偏大,但均在同一个数量级范围内.高原东南部地区较高原内部干旱区剥蚀速率大的原因主要是由于降水量的差异所致.     

西域砾岩宇宙成因核素26Al/10Be埋藏定年探索

西域砾岩是分布于青藏高原北缘天山、昆仑山一带的一套晚新生代砾石堆积地层, 获知其可靠的年代信息对于理解高原隆升及地貌演化过程尤为关键。宇宙成因核素 26Al/10Be埋藏测年是近年来发展起来的同位素测年新技术。本文对帕米尔高原西昆仑山山前的两个西域砾岩剖面采集的砾石样品进行了 26Al/10Be埋藏测年分析。简单快速埋藏模式计算获得亚马勒剖面西域砾岩下部混合砾石样品的埋藏年龄>3.5Ma, 对该剖面西域砾岩上部5个样品加权平均得到的年龄为2.11+0.60/-0.46Ma; 另一处奥依塔克西域砾岩生长地层底部砾石样品的埋藏年龄在0.46~7.12Ma。研究表明, 研究区的西域砾岩堆积具有穿时性。本文是 26Al/10Be埋藏测年方法应用于西域砾岩年代学研究的一次有益探索和尝试, 并对在西域砾岩 26Al/10Be埋藏测年中存在的问题进行了探讨。     

宇宙成因核素测年方法及其在地球科学中的应用

宇宙成因核素地表暴露测年方法,是近年来迅速发展起来的一种新的同位素地质年代学方法.宇宙成因核素主要是由来源于银河系的宇宙射线与暴露于地表的物质作用形成的,作用机制主要包括裂变、中子捕获和介子反应.产生宇宙成因核素宇宙射线粒子主要是次生快中子、热中子和负慢介子,由于这些宇宙射线粒子在空间分布上的不同,地球上不同纬度、海拔高度和深度处的宇宙成因核素生成速率也表现出较大的差异.地表物质中宇宙成因核素浓度除了受到核素生成速率和地表物质的暴露时间制约外,还与地表侵蚀速率密切相关,此外,地磁场强度、遮蔽、化学风化及样品的几何位置等也会对核素浓度产生一定影响,在求算样品的地表暴露年代时,应对这些因素进行相应的校正.宇宙成因核素地表暴露测年技术的理论和方法日臻完善,目前它已被广泛到第四纪冰川、撞击坑、火山地貌、断层面等地学问题中来.