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。     

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。     

宇宙成因核素在地质年代学研究中的新进展

根据地表暴露岩石或埋藏物中宇宙成因核素浓度可计算样品的暴露年龄或埋藏年龄,从而估算出研究区域的侵蚀速率和抬升速率等重要地质信息,该方法现已成为晚新生代地质和地貌变化研究的重要手段。概述了近5年来国内外宇宙成因核素在地质年代学研究中的最新进展,主要包括以下几个方面:①10Be研究进展,26Al/10Be双核素测年计算模型的改进和完善,以及21Ne的加入对26Al-10Be测年方法的拓展;②宇宙成因36Cl在碳酸盐岩中的研究和应用进展;③53Mn、41Ca等新核素的研究和应用;④宇宙成因核素测年技术在国内的应用进展。最后,分析了宇宙成因核素测年存在的主要问题及下一步重点研究方向。     

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。     

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。     

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。     

暴露时间对利用原地生宇生核素估算至大侵蚀速率的影响

为了探讨不同暴露时间对利用原地生宇生核素估算地表基岩至大侵蚀速率(maximum erosion rates,指假设样品达到侵蚀平衡状态下的侵蚀速率)的差异,本文选择青藏高原东南部稻城古冰帽区至少暴露年代(minimum exposure ages,指利用宇生核素暴露测年法所估算的在不考虑侵蚀速率影响时的暴露年代)为500 ka、100ka、10 ka的样品进行估算,并对前人的研究结果进行统计.研究表明:①研究区地表基岩在500 ka尺度、100 ka尺度和10 ka尺度的至大侵蚀速率分别约为1 mm/ka、5mm/ka和40 mm/ka,该结果与前人研究结果相一致.②文献统计显示百万年尺度和万年尺度地表岩石侵蚀速率可相差100倍.因此,基于原地生字生核素所估算的侵蚀速率是在某个暴露时间(假设该暴露时间已达到侵蚀平衡状态)内的至大侵蚀速率,而不同的暴露时间尺度所估算的结果相差较大,因此在进行区域至大侵蚀速率对比时一定要注意样品的至少暴露年代尺度是否一致.本研究可为青藏高原地区地表侵蚀速率的研究提供参考.     

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。     

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.     

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.     

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。     

青藏高原的剥蚀与构造抬升*

利用宇宙成因核素¹⁰ Be和²⁶ Al对西昆仑和可可西里北部地表基岩的剥蚀速率进行了测定,得到的结果是:西昆仑的平均剥蚀速率为12m/Ma, 可可西里北部的平均剥蚀速率为15m/Ma。裂变径迹和宇宙成因核素这两种手段所得到的平均剥蚀速率的时间尺度是不同的,前者得到的是几个至数十百万年的平均剥蚀速率,而后者得到的是十几至几十万年的平均剥蚀速率。比较通过这两种手段得到的青藏高原北部和中部的平均剥蚀速率可以发现其平均剥蚀速率从20Ma以来的100m/Ma以上减少到了最近几十万年以来的10m/Ma,我们认为这一剥蚀速率下降的趋势反映了青藏高原从中新世到第四纪晚期构造活动的减弱,据此推断青藏高原北部和中部的隆升应该主要发生在第四纪晚期之前,而不是在最近的几十万年。     

10Be and 26Al exposure‐age dating of bedrock surfaces on the Aran ridge,Wales: evidence for a thick Welsh Ice Cap at the Last Glacial Maximum

This paper presents results of the analysis of paired cosmogenic isotopes (¹⁰Be and ²⁶Al) from eight quartz‐rich samples collected from ice‐moulded bedrock on the Aran ridge, the highest land in the British Isles south of Snowdon. On the Aran ridge, comprising the summits of Aran Fawddwy (905 m a.s.l.) and Aran Benllyn (885 m a.s.l.), ²⁶Al and ¹⁰Be ages indicate complete ice coverage and glacial erosion at the global Last Glacial Maximum (LGM). Six samples from the summit ridge above 750–800 m a.s.l. yielded paired ¹⁰Be and ²⁶Al ages ranging from 17.2 to 34.4 ka, respectively. Four of these samples are very close in age (¹⁰Be ages of 17.5 ± 0.6, 17.5 ± 0.7, 19.7 ± 0.8 and 20.0 ± 0.7 ka) and are interpreted as representing the exposure age of the summit ridge. Two other summit samples are much older (¹⁰Be ages of 27.5 ± 1.0 and 33.9 ± 1.2 ka) and these results may indicate nuclide inheritance. The ²⁶Al/¹⁰Be ratios for all samples are indistinguishable within one‐sigma uncertainty from the production rate ratio line, indicating that there is no evidence for a complex exposure history. These results indicate that the last Welsh Ice Cap was thick enough to completely cover the Aran ridge and achieve glacial erosion at the LGM. However, between c. 20 and 17 ka ridge summits were exposed as nunataks at a time when glacial erosion at lower elevations (below 750–800 m a.s.l.) was achieved by large outlet glaciers in the valleys surrounding the mountains. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

Cenozoic landscape evolution of the Kruger National Park as derived from cosmogenic nuclide analyses

In contrast to active tectonic settings, little is known about the potential feedback between surface processes and climate change in tectonically inactive cratonic regions. Here, we studied the driving forces of erosion and landscape evolution in the Kruger National Park in South Africa using cosmogenic nuclide dating. ¹⁰Be‐derived catchment‐wide erosion rates (~2 and ~10 mm ka^?1) are similar in magnitude to erosion and rock uplift elsewhere in South Africa, suggesting that (1) rock uplift is solely the isostatic response to erosion and (2) the first‐order topography is likely of Cretaceous age. The topographic maturity is promoted by widespread exposure of rocks resistant to erosion. Our data, however, suggest that local variations in rock resistance lead to transient landscape changes, with local increases in relief and erosion rates.     

Cosmogenic nuclide methods for measuring long-term rates of physical erosion and chemical weathering

Understanding the evolution of geochemical and geomorphic systems requires measurements of long-term rates of physical erosion and chemical weathering. Erosion and weathering rates have traditionally been estimated from measurements of sediment and solute fluxes in streams. However, modern sediment and solute fluxes are often decoupled from long-term rates of erosion and weathering, due to storage or re-mobilization of sediment and solutes upstream from the sampling point. Recently, cosmogenic nuclides such as ¹⁰Be and ²⁶Al have become important new tools for measuring long-term rates of physical erosion and chemical weathering. Cosmogenic nuclides can be used to infer the total denudation flux (the sum of the rates of physical erosion and chemical weathering) in actively eroding terrain. Here we review recent work showing how this total denudation flux can be partitioned into its physical and chemical components, using the enrichment of insoluble tracers (such as Zr) in regolith relative to parent rock. By combining cosmogenic nuclide measurements with the bulk elemental composition of rock and soil, geochemists can measure rates of physical erosion and chemical weathering over 1000- to 10,000-year time scales.