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

地表侵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侵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侵蚀速率不超过60 mm/ka,平均侵蚀速率值约为27.1±10.2 mm/ka,这一结果与其他高海拔地区基岩侵蚀速率值一致。高原东南部地区地表岩石侵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侵蚀速率偏大,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侵蚀速率大的原因主要是由于降水量的差异所致。     

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.     

原地生成宇宙成因核素测年技术思考(二):持续抬升区单样品直接计算抬升速率方法

原地生成宇宙成因核素测年技术在计算暴露年龄和侵蚀速率时,一直默认样品所在位置不随时间发生高程变化,从而核素生成速率不因高程变化而改变。在构造稳定区,这样的假设是合理的。在构造活动区,往往会因构造运动,地表样品高程发生改变。大冰盖地区（如南极）的冰川消融或加厚也会引起地壳均衡反弹,从而导致样品高程变化,而核素的生成速率将随高程变化而改变。本文对连续抬升情况下,地表样品中宇宙成因核素浓度与生成速率加速率间的计算关系进行了三种方法的数学推导,并提出如何利用单块样品中两种宇宙成因核素（以10Be和26Al为例）浓度计算地表抬升速率,最后指出已往利用宇宙成因核素方法对构造活动区的侵蚀速率的计算存在高估。本文首次提出利用地表在接近稳态侵蚀状态下的单块样品的两种宇宙成因核素直接计算地表持续抬升速率的方法,从而将原地生成宇宙成因核素方法和构造运动学研究直接联系起来。     

10Be DATED BOULDERS FROM THE THIRD TERRACE OF NUJIANG RIVER AT BINGZHONGLUO,YUNNAN PROVINCE,CHINA

宇宙成因核素可用于河流阶地测年,然而保存于阶地面上的漂砾暴露年龄是否能代表其形成年代还缺乏深入研究.应用宇宙成因核素10Be对怒江丙中洛河段第三级阶地上的花岗岩漂砾进行测年研究,结果显示继承性组分可以忽略,而风化侵蚀将对其暴露年龄产生较大影响.基于采集自第三级阶地保存较好的基岩中石英脉样品,应用有效暴露年龄、暴露时间与风化速率间的关系图解出花岗岩漂砾的风化速率为0.3cm/ka,并据此得到第三级阶地的形成年代大约为 150～203 ka.     

白龙江中游凤安山滑坡26Al暴露年代研究

准确地重建滑坡发生年代和复活期次是滑坡灾害风险评估与管理的关键步骤之一。近年来,随着AMS技术的发展,宇宙成因核素测年逐渐成为滑坡年代测定的有效手段之一。以甘肃省东南部白龙江中游的凤安山滑坡作为研究对象,在该滑坡后壁和其下方的大石块上各采集了1个宇生核素暴露年代样品,在综合考虑了遮蔽因子以及对该区域的侵蚀速率估算的基础上,研究了该滑坡的宇生核素26Al暴露年代。结果显示:该滑坡分别大约在0.72~0.75 ka和2.26~2.65 ka左右发生过,后者发生时间与该区公元前186年的地震型滑坡发生时间一致;对于年代越老的样品,侵蚀速率对宇生核素测年的年代结果影响越大。     

原地生成宇宙成因核素测年技术思考(一):稳态侵蚀等式解出的ε是当前地表侵蚀速率

原地生成宇宙成因核素测年技术可以方便地计算出地表的暴露年龄和侵蚀速率,从而成为研究地表演化过程的有力工具。在利用原地生成宇宙成因核素测年方法研究地表的侵蚀过程中,常常将稳态侵蚀状态下浓度与侵蚀速率的关系式所计算出的侵蚀速率当成暴露时间内的地表平均侵蚀速率,这其实是不准确的。本文通过数学计算和理论推导,证明由当前稳态侵蚀关系式解出的侵蚀速率是地表当前侵蚀速率(或称为最后恒定侵蚀速率),显然与地表平均侵蚀速率所代表的地质含义是不同的。     

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。     

原地生成宇宙成因核素测年技术思考(四):核素浓度年份化数列累加方法探讨

原地生成宇宙成因核素测年技术中,计算核素浓度的传统通用等式假设了地表侵蚀速率(参数ε)及样品的位置在暴露期间保持不变,从而简化了计算过程。然而这种假设可能并不符合复杂地质背景的实际情况,从而造成计算结果误差较大,与其他测年方法结果也难以相互比较和匹配。本文利用将核素总浓度按年份分解为每年生成的浓度,经衰变和侵蚀的综合影响后至今剩余的浓度(称为年份净剩余浓度),组成数列累加的办法,分别推导了地表样品在高程以及侵蚀速率变化情况下的核素浓度计算等式。在此基础上,给出了地表生成速率和侵蚀速率逐年变化情况下的通用浓度年份化累加等式。最后讨论了传统浓度计算等式中的参数ε(侵蚀速率)的地质意义,明确了ε是一个积分中值,并不代表暴露期间的算术平均侵蚀速率,而是每年的侵蚀速率以自然指数加权的复杂方式(即T年前的那一年的生成浓度将乘以e-(λ+ρεΛ)(T-1))影响到样品的最终浓度值。     

原地生成宇宙成因核素测年技术思考(三):暴露、侵蚀、埋藏、再暴露和地表升降过程的双核素投影

双核素稳态侵蚀岛投影是原地生成宇宙成因核素测年技术中判断样品是否具有复杂暴露历史和估计侵蚀速率的常用方法。暴露、侵蚀、埋藏和再暴露的投影图可依据传统核素浓度计算等式利用计算机编程绘出。利用新推出的地表持续抬升与下降过程中样品的核素浓度与生成速率(及加速率)、侵蚀速率及暴露时间的计算等式,对其26Al/10Be浓度比值相对于10Be浓度/10Be生成速率比值投影分别进行了计算机模拟,发现下降样品的投影可高于或右偏于稳态侵蚀岛,而抬升样品的投影仍然在稳态侵蚀岛内。利用持续地表下降,可以解释已往文献数据中一次性暴露样品投影高于或右偏于稳态侵蚀岛的"不合理"现象,而持续抬升对投影结果的影响类似于侵蚀,因此如果忽略抬升,计算的暴露年龄结果将偏小。     

继承性宇生核素对暴露测年结果影响的定量分析方法探讨

宇生核素暴露测年过程中,通常假设在样品最后一次暴露前,样品中的宇生核素（继承性宇生核素）浓度为0。然而,大量的测年数据研究发现,样品的暴露年代结果会受到继承性核素的影响从而高估地貌的真实年代。因此,如何降低继承性核素对暴露年代结果的影响或者定量分析继承性核素的影响程度不仅可为地貌演化提供准确的年代数据,而且对宇生核素暴露测年技术的研究具有重要意义。因此,本文以宇生核素暴露测年技术在冰川地貌中应用为例,通过分析继承性核素的研究概况,并结合宇生核素暴露测年原理,探讨继承性核素对测年结果影响的定量分析方法。研究结果表明： ① 通过样品中 n ( 26 Al)/ n ( 10 Be) 值\[即同一样品中宇生核素Al 26 与Be 10 浓度（单位为atom/g）的比值\]以及同一地貌位置多个的样品年代数据分布情况可初步判断测年结果是否受到继承性核素的影响;② 通过现代冰川冰碛物中宇生核素的浓度可以定量分析继承性核素对暴露测年结果的影响; ③ 通过计算冰碛垄顶部和一定深度（＞2~3 m）样品的宇生核素浓度差,可以减少继承性核素的影响。本研究内容对冰川地貌宇生核素暴露测年具有重要意义。     

Uplift rate and landscape development in southwest Fiordland, New Zealand, determined using Be and Al exposure dating of marine terraces

We demonstrate that cosmogenic nuclide surface exposure dating can be used to provide the first well-constrained age for a Fiordland bedrock surface that was created by coastal erosion and has since been uplifted. Tight clustering of ¹⁰Be and ²⁶Al apparent exposure ages between 102-119 kyr on a terrace with strandline at 65 ± 8 m gives a last interglacial age of terrace formation of 130-120 ka, and an uplift rate of 0.52 ± 0.08 mm/yr. Apparent exposure ages from a higher (92-130 m), more incised region of remnant coastal morphology fall in the range 53-111 kyr. The anomalously low ages and large variance demonstrate that weathering and fluvial or rockfall erosion rates are too extreme at the higher sites to determine an age of coastal erosion. Sea level samples have apparent exposure ages in the range 2-11 kyr, with an uncertainty of about 3 kyr. This is consistent with surface exposure during the present sea level high-stand, indicates minimal inheritance of ancient cosmogenic nuclides, and is in accord with geomorphic arguments. Mean ²⁶Al/¹⁰Be ratios of 6.6 for each sample set is consistent with the actively exhuming late Quaternary tectonic setting. Large boulders and gently convex rocky outcrops formed during coastal erosion preserve surfaces that are least modified during later uplift, and are hence the best sites for determining the age of coastal erosion.     

10Be和26Al在地表形成和演化研究中的应用

地球表面丰富多样的地形、地貌是地球内外动力相互作用的结果。宇宙射线辐射地表岩石、沉积物等产生的¹⁰Be和²⁶Al放射性核素（半衰期分别为1．5Ma和0．71Ma）,它们的浓度主要取决于由地理位置和地形、地貌条件所决定的宇宙射线辐射的通量和时间,从而能够记录地表的形成和演化历史。因此,宇宙成因核素是研究地表形成历史和作用过程的有力工具。     

宇宙成因核素在地球科学中的应用

随着加速器质谱的出现 ,宇宙成因核素展示了其在地球科学中的生命力。文中介绍了宇宙成因核素的生成、示踪原理及近些年来在地球科学中的应用 ,特别着重地介绍了原地生成宇宙成因核素定年这一新的技术。宇宙成因核素是宇宙射线粒子 (包括原生和次生粒子 )与大气及岩石发生核反应所生成的新的核素 ,其在大气及岩石中的生成量可用已知物理过程定量地描述。大气生成宇宙成因核素在考古、古环境及地球各圈层的相互作用方面得到了广泛的应用 ,原地生成宇宙成因核素则在地貌学研究中扮演着重要的角色 ,成为一门新的实验技术。这门技术可以定量地描述地表的暴露历史和侵蚀速率 ,在解决许多地质问题上成为惟一的手段     

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.     

Minimum Bedrock Exposure Ages and Their Implications: Larsemann Hills and Neighboring Bolingen Islands, East Antarctica

<正>Considerable controversy exists over whether or not extensive glaciation occurred during the global Last Glacial Maximum(LGM) in the Larsemann Hills.In this study we use the in situ produced cosmogenic nuclide ~(10)Be(half life 1.51 Ma) to provide minimum exposure ages for six bedrock samples and one erratic boulder in order to determine the last period of deglaciation in the Larsemann Hills and on the neighboring Bolingen Islands.Three bedrock samples taken from Friendship Mountain(the highest peak on the Mirror Peninsula,Larsemann Hills;～2 km from the ice sheet) have minimum exposure ages ranging from 40.0 to 44.7 ka.The erratic boulder from Peak 106(just at the edge of the ice sheet) has a younger minimum exposure age of only 8.8 ka.The minimum exposure ages for two bedrock samples from Blundell Peak(the highest peak on Stornes Peninsula,Larsemann Hills;～2 km from the ice sheet) are about 17 and 18 ka.On the Bolingen Islands(southwest to the Larsemann Hills;～10 km from the ice sheet),the minimum exposure age for one bedrock sample is similar to that at Friendship Mountain(i.e.,44 ka).Our results indicate that the bedrock exposure in the Larsemann Hills and on the neighboring Bolingen Islands commenced obviously before the global LGM(i.e.,20-22 ka),and the bedrock erosion rates at the Antarctic coast areas may be obviously higher than in the interior land.     

Using pyroxene microphenocrysts to determine cosmogenic 3He concentrations in old volcanic rocks: an example of landscape development in central Gran Canaria

Determinations of cosmogenic ³He exposure ages and erosion rates in volcanic rocks older than a few hundred thousand years are complicated by the presence of radiogenic He in addition to the magmatic and cosmogenic He, in phenocryst minerals. However, by analysing microphenocrysts (that crystallised on or immediately prior to eruption) that have not trapped magmatic He, the three-component problem can be eliminated and accurate determinations of cosmogenic ³He made. In this study, we perform three experiments using pyroxene microphenocrysts in basaltic clasts in the Pliocene Ayacata Formation breccias, Gran Canaria, that demonstrate they are free of magmatic He. Exposure ages and erosion rates calculated from the cosmogenic ³He concentrations are combined with a geomorphological study, to produce a tentative interpretation of landscape evolution in the mountainous interior of Gran Canaria. Long-term steady-state erosion rates of 14–24 mm ka⁻¹ are recorded from bedrock erosional surfaces on a high plateau. Headwall retreat rates for a major drainage system of 1.6 m ka⁻¹ have been constrained from the ca 225 ka exposure age of a boulder emplaced on slopes beneath the headwall. Strath terraces and boulders in a small canyon system yield much younger exposure ages of 47–43 ka.     

Quantitative evaluation of soil processes using in situ-produced cosmogenic nuclides

In situ-produced cosmogenic nuclides provide a means for quantitative evaluation of a wide range of weathering and sediment transport processes. Although these nuclides have received attention for their power as geochronometers of surface exposure, it may be argued that they are more broadly suited for study of surface processes. In many environments, they may be used to evaluate collapse, erosion, burial, bioturbation, and creep, as well as providing a qualitative basis for distinguishing allochthonous from autochthonous materials. In addition, these nuclides can provide quantitative information on rates of erosion on scales of landforms and drainage basins. Here, we review the systematics of cosmogenic nuclide production within the Earth's surface, and present field examples demonstrating the utilization of in situ-produced cosmogenic nuclides distributions for evaluation of a range of soil evolution processes. To cite this article: E.T. Brown et al., C. R. Geoscience 335 (2003).