李 超, 屈文俊, 王登紅, 周利敏, 杜安道, 付 勇, 裴浩翔

1)中國地質科學院國家地質實驗測試中心, 北京 100037; 2)中國地質科學院礦產資源研究所, 北京 100037; 3)北京大學造山帶與地殼演化教育部重點實驗室, 北京 100871; 4)貴州大學資源與環(huán)境學院, 貴州貴陽 550003

Re-Os同位素在沉積地層精確定年及古環(huán)境反演中的應用進展

李 超1,3), 屈文俊1)*, 王登紅2), 周利敏1), 杜安道1), 付 勇4,2), 裴浩翔4,1)

1)中國地質科學院國家地質實驗測試中心, 北京 100037; 2)中國地質科學院礦產資源研究所, 北京 100037; 3)北京大學造山帶與地殼演化教育部重點實驗室, 北京 100871; 4)貴州大學資源與環(huán)境學院, 貴州貴陽 550003

Re-Os同位素親有機質的性質, 使得富有機質沉積巖在沉積的過程中能夠吸附富集海水中的 Re、Os, 沉積巖的沉積壓實過程也是其中Re-Os同位素體系封閉計時的過程, 沉積巖Re-Os同位素等時線年齡代表地層沉積時代, Os同位素初始比值187Os/188Os反映沉積時海水的Os同位素比值。Re-Os同位素體系在富有機質沉積巖中的成功應用, 能夠直接確定地層沉積時代, 從而對地層界線進行直接厘定, 并且能夠對一些沉積礦床形成時代、冰川事件發(fā)生時代進行厘定和限制。通過沉積巖 Re-Os同位素特征, 可以對古環(huán)境進行反演, 有助于了解全球大氣海洋的演化, 氣候的變化, 對研究生物滅絕等重大地質事件發(fā)生的時限和機制以及金屬礦床的成礦物質來源具有重要意義。文章闡述了Re-Os同位素在富有機質沉積巖中應用的原理, 并列舉了Re-Os同位素在沉積地層精確定年及古環(huán)境反演中應用實例, 說明了富有機質沉積巖Re-Os同位素分析精度及其影響因素, 以使 Re-Os同位素體系作為一種強有力的工具, 解決更多的沉積地層時代問題以及更好地對古環(huán)境進行反演。

錸-鋨同位素體系; 沉積巖; 地層; 定年; 示蹤; 反演; 古環(huán)境

自20世紀90年代以來, 隨著化學分析技術的不斷改進以及分析儀器的不斷創(chuàng)新, 使得Re-Os同位素體系作為地質學上定年和示蹤的一種強有力工具, 在金屬礦床的研究中得到了廣泛的應用(Shirey et al., 1998; Feng et al., 2009; Zhang et al., 2008; Sun et al., 2008; Yang et al., 2008)。與傳統(tǒng)的Rb-Sr、Sm-Nd、K-Ar、U-Pb等親石同位素不同, Re-Os同位素具有高親鐵性。因此, 將Re-Os同位素直接應用于金屬礦物定年, 解決了長期無法解決的內生金屬礦床成礦年齡直接準確厘定問題, 為探討大規(guī)模成礦作用發(fā)生的時限、成礦的地球動力學背景和成礦模型的建立以及成礦預測提供了理論依據。近些年來, Re-Os同位素另外一種特殊的地球化學性質——親有機性, 被地質學家廣泛關注, Re-Os同位素在沉積地層精確定年及古環(huán)境反演中的應用得到了國內外越來越多地質學家的廣泛認可(Cohen, 2004; Hannah et al., 2004; Yang et al., 2009)。

沉積地層的精確定年對于地層學的研究具有重要意義。地層是地質事件記錄最豐富的載體, 而地質年代表作為地層學研究的重要成果和基本文件,它的功能是為地層學以及整個地球科學的研究和地球的歷史過程提供一個恰當的時間參照體系, 以利于全球范圍的地質演化對比研究和成礦規(guī)律研究,揭示地球演化的階段性和所經歷的重大事件。因此,國際地層表的建立和不斷完善是地層學研究的長期目標和永恒內容(王鴻禎, 2006)。地層研究需要開展生物地層、化學地層、磁性地層、年代地層、層序地層、事件地層等多專業(yè)的綜合研究, 地層的劃分主要是以地層中某種古生物的首次出現為依據, 在應用生物地層方法建立精確的等時地層格架有困難的情況下, 可以充分利用事件地層標志和同位素測年等多學科綜合研究方法建立等時地層對比格架(王訓練, 2003), 從而促進地區(qū)和全球相關地層對比繼承, 在地層建階研究中, 同位素年代學研究等是需要加強的工作(王澤九, 2010)?？梢? 高精度的同位素測年以及同位素變化研究, 是地層綜合研究的一個不可或缺的重要的組成部分。

事實上, 沉積巖精確定年一直是一個世界性難題, 因為在現有的技術手段下缺乏合適的測年對象。目前, 地質年代表中年代地層時代的確定和劃分主要采用鋯石U-Pb法對沉積地層中火山巖夾層,特別是采用凝灰?guī)r和斑脫巖中的鋯石進行 U-Pb年齡厘定, 因為鋯石U-Pb同位素體系封閉性較好, 并且 U-Pb同位素衰變常數經過了較為準確的測定,它們的年齡可代表沉積巖地層的形成時代(陳文等, 2011)。然而, 在地層界線上很少直接發(fā)現有火山巖夾層, 地層界線絕對年齡往往是根據上下地層中火山巖鋯石 U-Pb年齡以及火山巖與界線層距離計算得到的。在顯生宙的一些地層界線, 是以黑色頁巖的沉積為典型標志, 并且其中的一些黑色巖系地層是與大洋缺氧事件以及生物滅絕事件關系緊密。這些黑色巖系能夠采用Re-Os同位素體系進行直接精確定年, 能夠很好地研究生物滅絕等事件發(fā)生的絕對年代以及可能的發(fā)生機制。然而, 黑色頁巖等樣品在地層中的分布有限, 尤其在我國沉積地層中灰?guī)r的分布范圍更廣, 許多生物地層的劃分是以古生物大量出現的碳酸鹽巖地層為主要對象, 并且富有機質碳酸鹽巖往往能夠作為烴源巖是油氣地質學家重點研究的對象, Re-Os同位素在碳酸鹽巖地層年代學研究中的成功應用, 更有利于生物地層與年代地層直接進行比對, 無疑極大地拓展了Re-Os同位素技術在沉積地層研究應用范圍(中國地質科學院, 2014)。

1 Re-Os同位素在沉積巖中應用原理

早在20世紀80年代末就發(fā)現富有機質沉積巖中富集Re-Os, 并開創(chuàng)性地將 Re-Os同位素體系應用于沉積巖的年代學及古環(huán)境研究中(Ravizza et al., 1989, 1991, 2003)。甚至有學者發(fā)現, 富有機質沉積巖中Re、Os含量比在同沉積硫化物中Re、Os含量更高(Cohen et al., 1999), 表明在海相沉積環(huán)境下, Re、Os親有機性相對于高親鐵特性表現得更為明顯。雖然Re、Os與Ni、V等元素一樣主要在以螯合的形式賦存在富有機質沉積巖中, 但是與 Ni、V等元素主要與四吡咯等有機物絡合不同, 相對較低含量的 Re、Os賦存在哪種或哪幾種有機質中還尚未研究清楚, 目前只查明Re、Os主要富集在極性較強的瀝青質中(Fatima et al., 2013)。

海水中的Re、Os來源主要有3個: (1)由于大陸地殼的風化剝蝕作用, 巖石土壤的淋濾作用, 使得大陸地殼中的Re、Os由河流帶入海洋, 陸源Re-Os同位素Re/Os較高, 最高能達幾千, Os同位素具有高放射性成因特征, 不同時代、不同巖性的陸殼187Os/188Os值特征不同, 平均值為1.4(Cohen, 2004),一些老地層中187Os/188Os值大于 50(Chen et al., 2009)。(2)由洋中脊熱液帶到海水中, Re/Os較低, 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)以宇宙塵埃的形式進入海水, Re/Os較低, 一般小于1,187Os/188Os值接近于原始地幔值約為 0.127(圖 1)。一般條件下, 海水中的Os主要來源于大陸, 能占80%, 其余的20%來自海底熱液和宇宙塵埃物質(Sharma et al., 1997)。因此, 能夠通過Re-Os同位素研究沉積巖的沉積時代以及海水 Os同位素的變化來確定當時海水的環(huán)境以及古海水對地殼隆升、雪球地球、隕石撞擊等重大地質事件的響應。

2 海水Os同位素演化曲線

對于某一連續(xù)沉積地層來講, 其中的Re-Os同位素特征(Re、Os含量, Os同位素比值, Re/Os值)會隨著不同時代的沉積環(huán)境不同而發(fā)生變化, 因此,可以通過富有機質沉積巖Re-Os同位素特征進行分析來反演當時古海水的 Re-Os同位素特征, 海水中的 Os同位素變化往往是由于古氣候的變化或者較大的構造事件而引起的。因此, 通過對沉積地層中的Re-Os同位素進行研究, 不僅能夠記錄古環(huán)境的變化特征, 而且還能夠對全球較大的構造事件進行研究。當今海水的187Os/188Os值為 1.03~1.06 (Peucker-Ehrenbrink et al., 2000; Cumming et al., 2012); 白堊紀—第三紀深海沉積物研究程度較高,得到了大量 Re-Os同位素數據(Cohen et al., 1999; Selby et al., 2009; Selby, 2007); 二疊紀地層發(fā)育大量沉積型礦床, 并且在二疊紀末期, 發(fā)生了生物史上最嚴重的大滅絕事件, 使得二疊紀—三疊紀地層Re-Os研究一直是一個研究熱點(楊剛等, 2004; Xu et al., 2009, 2014; Georgiev et al., 2012; 李超等, 2011); 對于泥盆紀—石炭紀地層界線、奧陶紀—志留紀地層界線以及寒武紀—奧陶紀地層界線都有學者對其 Re-Os特征進行了研究(Selby et al., 2005; Harris et al., 2013; Steven et al., 2007; Finlay et al., 2010; Tripathy et al., 2014); 前寒武地層的Os同位素研究對于研究地球早期演化十分重要, 近年來成為研究的重點(Singh et al., 1999; Zhu et al., 2013; Kendall et al., 2004, 2009a, b, 2013; Acken et al., 2013; Rooney et al., 2010; Geboy et al., 2013; Creaser et al., 2007; Hannah et al., 2004, 2006; Yang et al., 2009; Cabral et al., 2013)。本文列舉了目前發(fā)表的關于富有機質沉積巖Re-Os同位素數據, 并展現了自大約2.7 Ga至今的海水Os同位素演化曲線(圖2)。

圖1 海水中Re、Os的3個主要來源示意圖(據Cohen, 2004)Fig. 1 Schematic illustration of three major Re and Os fluxes to seawater (after Cohen, 2004)

圖2 海水中Os同位素演化曲線Fig. 2 Os isotope variation curve for seawater from 2.7 Ga to the present

由圖 2可以清楚地看到, 自 2.7 Ga至大約1.4 Ga, 海水中的Os同位素比值187Os/188Os值在誤差范圍內與地幔值是一致的, 表明了地球演化早期海水中的 Os幾乎沒有陸源的貢獻, 這是由于大氣中的氧含量較低, 表明當時的地球還處于一個相對還原的環(huán)境。因此, 大陸地殼中的Os無法氧化、運移從而進入海洋, 使得當時很長的一段時期海水中的Os主要來源與地幔流體(Siebert et al., 2004)。自1.4 Ga至 0.65 Ga, 海水中的 Os同位素比值187Os/188Os是一個快速增加的過程, 這是由于大氣中的氧氣含量增加, 使得大陸地殼中的 Os氧化進入海洋。而從0.65 Ga到寒武紀早期, 由于地球受到了三期主要冰川事件的影響, 甚至有些學者提出了“雪球地球”的模型來形容當時的冰川事件, 這使得大陸地殼被冰雪覆蓋, 風化氧化速率降低, 使得海水中的Os同位素比值187Os/188Os相對比較穩(wěn)定,主要受到冰川事件的影響。自寒武紀以來, 或者是由于地?；顒拥膹娏? 使得海水中的 Os主要受到地幔流體的控制, 或者是由于地殼風化速率加強,主要受地殼來源Os的控制, 使得海水中的Os同位素曲線不斷上下波動。其中, 大約在65 Ma左右, 發(fā)生了一次對地球影響巨大的地質事件, 造成了恐龍的滅絕, 有學者通過Ir的異常認為這是由于隕石撞擊造成的, 從圖2中能看出, 大約在65 Ma左右, 海水中的Os同位素比值由0.8迅速降至0.2, 支持了隕石撞擊造成恐龍滅絕的結論(Cohen et al., 2007)?？梢? Os同位素可以作為一種靈敏的示蹤劑來研究全球地質事件發(fā)生的機制。

3 Re-Os同位素在沉積地層中的應用實例

3.1 地層沉積速率

黑色頁巖Re-Os同位素研究, 能夠計算地層的沉積速率。Xu等(2014)通過對三疊系 Botneheia組不同層位黑色頁巖進行Re-Os同位素研究, 獲得四組等時線年齡, 由于所有年齡都是采用Re-Os體系對黑色頁巖沉積時代進行直接定年, 因此能夠抵消Re-Os衰變常數等不確定度, 并且, 所有樣品的分析都是在同一實驗室進行分析, 能夠抵消稀釋劑標定系統(tǒng)誤差。鉆孔18.2 m獲得的年齡是(238.4±1.47) Ma, 鉆孔 10.2 m 獲得的年齡是(236.6±0.39) Ma, 因此, 能夠計算出這套黑色頁巖的沉積速率大約為4 m/Ma。

3.2 厘定地層界線

許多地層界線的確定是以大洋缺氧和生物滅絕事件為特征, 在這種條件下就會發(fā)育黑色頁巖,因此, 能夠通過對黑色頁巖的Re-Os同位素分析對地質界線進行直接定年。Selby等(2005)采用Re-Os對 Devonian-Mississippian界線黑色頁巖進行直接定年, 獲得了精確的地層年齡(361.3±2.4) Ma, 該年齡 與 其 上 部 層 位 火 山 巖 鋯 石 U-Pb年齡(360.7±0.7) Ma在誤差范圍內一致。

Selby(2007)通過對英國晚侏羅世Oxfordian-Kimmeridgian金釘子剖面黑色頁巖進行了 Re-Os同位素研究, 獲得了(154.1±2.2) Ma的年齡, 由于在該層位上下地層中未發(fā)現火山巖, 因此,比國際地層委員會 2004年發(fā)表的國際地層年代表采用的是Ar-Ar法獲得的年齡值(155±6) Ma在精度上有了較大的提高。初步成果表明, 二疊紀/三疊紀地層界線長興灰?guī)rRe-Os同位素等時線年齡與國際地層年代表推薦值在誤差范圍內相一致, 體現了Re-Os同位素在地層界線甚至“金釘子”地層年齡厘定上的巨大潛力。

3.3 冰川事件時代

Re-Os同位素能夠對于沉積有關的重大地質事件發(fā)生時代進行較好的限制和厘定。新元古代時期,地球上出現了幾次大規(guī)模冰川事件。但是, 由于新元古界地層缺少有利的冰期沉積對比標志, 并且目前無法采用地球化學手段對冰期沉積時代進行直接厘定, 因此對這些冰川事件發(fā)生的時限仍然存在較大爭議。在冰川事件結束之后, 粉砂巖、泥巖等細粒碎屑沉積巖海通常會隨著海平面的上升而沉積,這些在缺氧環(huán)境下形成的富含有機質沉積巖是采用Re-Os同位素進行定年的最佳對象, 這些沉積巖的Re-Os同位素年齡能夠對冰期結束的最后時期進行限制。富有機質沉積巖Re-Os同位素研究能夠對冰期事件的開始和結束時間進行限制, 尤其是對于缺少火山巖的地層年代學研究發(fā)揮了重要作用。如Kendall等(2004)對澳大利亞中部和南部與蓋帽碳酸鹽巖同一層位的后冰期黑色頁巖進行了 Re-Os同位素分析, 分別得到了(643.0±2.4) Ma 和 (657.2±5.4) Ma的年齡, 較好對Sturtian冰期的結束時間進行了約束。

3.4 礦床時代

Mao等(2002)對華南下寒武系富含Ni-Mo礦的黑色頁巖進行的 Re-Os同位素分析, 獲得了(541±16) Ma的等時線年齡, 這一結果與Pb-Pb同位素等時線年齡一致, 準確厘定了華南黑色頁巖中Ni-Mo礦的沉積時代。Jiang等(2003)通過對華南富集 Ni-Mo-PGE-Au牛蹄塘組黑色頁巖, 獲得(535±11) Ma等時線年齡,187Os/188Os初始比值為0.80±0.04, 認為該礦床的形成是由于富含有成礦元素的深部流體與海水混合, 被有機物還原富集下來而形成的。

3.5 生物滅絕事件機制

Re-Os同位素不僅能夠對地層沉積時代進行直接準確的定年, 還能夠提供古海洋的 Os同位素信息, 從而對古環(huán)境進行進行示蹤。并且由于Re、Os地球化學性質的差異, 使得兩種元素在海水中的富集沉淀機制有所差異, 這種差異會隨著沉積環(huán)境的變化而被Re-Os同位素記錄下來。Georgiev等(2012)通過對二疊紀/三疊紀地質界線黑色頁巖進行Re-Os同位素分析, 雖然沒有發(fā)現 Os同位素比值的異常,但是, 通過較高的 Re/Os比值, 結合其它微量元素的證據, 提出當時的海洋是熱的, 并且是酸性的,這種海水環(huán)境以及當時異常的氣候條件是造成二疊紀/三疊紀生物滅絕的重要原因。

3.6 地球表面氧化時間

太古代的大氣和海水均處于一個厭氧環(huán)境下,因此, 由大陸地殼的風化剝蝕也不會使其中的Re、Os釋放出來而帶入海洋, 因此太古代的沉積巖中Re含量較低, 海洋中的Re、Os主要來源于海底熱液以及星外顆粒物質, 其中的 Os同位素比值接近地幔Os同位素比值0.12。Hannan等(2004)通過對南非海相黑色頁巖的Re-Os同位素分析, 認為元古代冰期事件的存在以及當時缺氧的大氣環(huán)境。直到1.54 Ga, 通過對加拿大西部Athabasca盆地中的沉積巖進行Re-Os同位素分析, 發(fā)現其Os同位素初始比值為0.51±0.03, 表明了在中元古代已經存在放射性的 Os同位素隨著陸殼的風化剝蝕進入海洋(Creaser et al., 2007), 記錄了大氣氧濃度增加的過程以及地球表面氧化的時間。

3.7 對古大氣的記錄

Cohen(2004)通過對英國 Yorkshire的碳質泥巖Re-Os同位素進行分析, 確定了早侏羅世大洋缺氧事件發(fā)生在大約181 Ma, 由于大氣中較高的CO2濃度,造成大陸風化的速率增加了4~8倍, 使得海水中的陸源Os的加入比例增大, 海水中的187Os/188Os值從大約0.4升高到大約1.0, 海水Os同位素曲線的漂移與δ13C漂移?6‰高度一致, 這使得當時的所有主要生物都受到了影響, 較高的CO2濃度也導致全球的平均氣溫增加, 造成的化學風化速率大幅增加。然而, 隨著化學風化速率的增強, 減少了大氣中的二氧化碳濃度, 使得大氣中的二氧化碳濃度和全球的平均溫度逐漸恢復到了正常水平?？梢? 富有機質沉積巖Re-Os同位素能夠對古環(huán)境進行較好的記錄。

3.8 對與天體和地幔有關事件的響應

許多古環(huán)境的變化都與類似中大西洋火成巖省噴發(fā)等較大的地質事件密切相關, Ravizza等(2003)通過對白堊紀—第三紀地質界線深海沉積物樣品進行 Re-Os同位素分析, 發(fā)現在界線層位置187Os/188Os初始值出現了一個驟降, 此時正值Deccan大陸溢流玄武巖噴發(fā), Deccan玄武巖187Os/188Os值約為 0.13, Deccan玄武巖的噴發(fā)造成了海水中的187Os/188Os值由原來的0.55降至0.4, 這表明了 Deccan玄武巖的噴發(fā)對全球的氣候都產生了極大的影響, 使得全球氣溫升高了 3~5℃, 并且造成了生物滅絕事件。Ravizza團隊還通過對晚始新世海底沉積物Re-Os同位素進行研究, 并推測晚始新世的隕石撞擊事件中的隕石直徑大約為2 km, 造成了當時海水的 Os同位素演化曲線發(fā)生了明顯的負漂移(Peucker-Ehrenbrink et al., 2000)。

3.9 對區(qū)域隆升事件的響應

由圖 1所示, 自 25 Ma至今, 全球海水187Os/188Os值逐步上升, 從0.65逐漸上升到當今海水 Os同位素比值 1.06, 這主要是由于青藏高原的隆起, 遭到了強烈的風化剝蝕作用造成的, Ravizza等(1993)通過研究表明, 由于青藏高原的隆升, 全球海水 Os同位素比值從自 16 Ma到 1.5 Ma, 以0.012/Ma的速率上升, 自1.5 Ma以來, 全球海水的Os同位素比值以0.09/Ma的速率增長。

4 富有機質沉積巖Re-Os同位素分析

4.1 樣品采集

樣品采集這一步驟是得到一個理想的Re-Os同位素數據非常重要的環(huán)節(jié), 如果采集的樣品存在問題, 那么之后的化學處理、測量數據解釋等一切都是無稽之談。

首先要保證樣品新鮮, 無風化。Hannan等(2009)發(fā)現河道相鄰的黑色頁巖由于長時間受到河流的沖刷作用, 使得其中Re、Os發(fā)生丟失, 而使得Re-Os同位素體系受到破壞。Jaffe等(2002)通過研究發(fā)現風化后的黑色頁巖 Re相對于 Os來講更容易丟失,至今, 能夠成功獲得精確Re-Os等時線年齡的前寒武紀富有機質沉積巖樣品幾乎都是采自鉆孔巖心,這樣能夠有效避免 Re、Os在沉積巖表面發(fā)生氧化或者風化作用而發(fā)生遷移?？梢? 地表的風化以及淋濾作用對沉積巖樣品Re-Os同位素體系封閉性影響較大。

保證樣品未發(fā)生熟化。Creaser等(2002)發(fā)現加拿大西部未成熟、成熟以及過成熟的黑色頁巖能夠共同構成一條較好的Re-Os同位素等時線, 得到了(358±10) Ma的等時線年齡, 該年齡與黑色頁巖地層底部的凝灰?guī)r中獨居石鋯石 U-Pb 年齡(363.3±0.4) Ma吻合得較好, 表明了黑色頁巖即使發(fā)生熟化作用, 也不會影響其中的 Re-Os同位素體系的封閉性, 仍然能夠得到較好的 Re-Os同位素等時線來反映黑色頁巖的沉積時代。然而, 如果黑色頁巖有過排烴過程, 熟化生成的瀝青或原油 Re-Os同位素年齡代表烴源巖熟化或油氣運移的年代, 瀝青或原油等烴類的Re-Os同位素反映不同位置烴源巖混合的特征。因此, 如果烴源巖發(fā)生熟化, 還存有未排出的烴類, 其Re-Os同位素封閉性肯定會受到影響。

4.2 樣品選取

樣品進行沉積巖Re-Os同位素分析必須具備以下條件: (1)分析的樣品是同時沉積或者近似同時沉積; (2)所有的樣品具有相同的初始Os同位素比值,即沉積時海水的 Os同位素比值; (3)沉積巖形成后其 Re-Os同位素體系保持封閉, 沒有Re、Os的丟失和加入; (4)每件樣品的 Re/Os值不同, 能夠使等時線拉開, 獲得精度較高的等時線年齡。由于不同的地質時期海水中的187Os/188Os值是變化的, 不同類型的樣品沉積速率不同, 對于黑色頁巖來講, 由于沉積速率比較慢, 因此每個取樣點的位置間距不能過大, 如果間距過大, 就會造成每件樣品的 Osi不一致, 并且不滿足同時沉積的條件。相反, 如果取樣點的位置間距過小, 就會使每件樣品 Re、Os含量相近, 造成 Re-Os同位素等時線拉不開, 而使得所得結果誤差較大。而對于石灰?guī)r樣品來講, 由于其沉積速率較快, 為了使每件樣品的 Re/Os值不同, 采樣點位置間距可以適當增大。只有適當的采樣間距才能獲得令人滿意的等時線年齡。目前, 對于每件樣品的取樣量不同的實驗室還未達成共識,如果每件樣品取太多, 會人為地造成樣品均一化,不利于等時線的拉開。Yang等(2009)在2 m巖心范圍內鉆取了5件樣品, 每件樣品大約取500 mg, 獲得了較好結果。Kendall等(2009c)發(fā)現, 如果每件樣品的取樣量少于10 g, 小范圍的Re、Os擴散現象以及Re、Os失耦現象表現得較為明顯, 因此建議每件樣品的取樣量大于20 g。每件樣品在準備的過程中避免和一切金屬器械接觸, 因為金屬中含有不可忽略的Os, 如果是巖心樣品, 需將巖心樣品外圍與金屬接觸部分剔除后再進行處理。此外, 盡量避開離方解石脈較近位置的樣品, 以減少由于流體熱作用對Re-Os同位素體系的干擾, 因為前人研究表明一些熱液流體對沉積巖中的Re-Os同位素體系封閉性影響很大。

4.3 樣品溶解

目前, 國際上富有機質沉積巖的溶解方法氧化劑主要為兩種, 一種為采用硫酸+三氧化鉻溶樣,另一種采用逆王水溶解樣品。從理論上講, 只有黑色頁巖有機相中的Re-Os同位素定年結果才能代表真正的巖石開始形成的年齡。Creaser等(2002)提出了用CrO3-H2SO4替代王水和逆王水溶樣。該方法減少了來自老地層巖屑中Re和Os的溶解釋放, 而選擇性溶解沉積物巖中有機相中的 Re-Os。然而, 由于硫酸+三氧化鉻溶劑中較高的空白, 限制了該方法對低含量沉積巖的研究。劉華等(2008)通過對比硫酸+三氧化鉻和逆王水的溶樣效果, 發(fā)現兩種方法所得結果沒有本質區(qū)別。陸源碎屑中含有多少Re、Os, 以及逆王水方法究竟將多少陸源碎屑中的Re、Os氧化出來, 值得研究。

4.4 分析精度

前人的研究表明, 富有機質沉積巖中的 Re-Os同位素體系封閉性較好, 即使其中的有機質發(fā)生熟化, 即使沉積巖發(fā)生了綠片巖相的弱變質作用, 其同位素體系能夠一直保持封閉。隨著分析技術和儀器的改進, 沉積巖Re-Os同位素分析精度越來越高,獲得精度小于1%(2s)的Re-Os同位素年齡數據完全是有可能的, 并且在一些與上下含有鋯石地層SHRIMP U-Pb年齡在不確定度范圍內吻合得較好(Kendall et al., 2004, 2006; Selby et al., 2003; Rooney et al., 2011; Creaser et al., 2007)。Selby等(2005)獲得了黑色頁巖的 Re-Os同位素的等時線年齡為(361.3±2.4) Ma, 不確定度為 7‰, 所得到的 Re-Os等時線年齡不確定度包括Re-Os體系衰變常數的不確定度(0.35%), 稀釋劑標定的不確定度, 同位素組成的不確定度, 儀器測量不確定度等, 分析的黑色頁巖層位之下約6.9 m處的火山巖鋯石U-Pb年齡為(363.3±0.4) Ma, 在誤差范圍內一致。不確定度僅為1‰?？梢? 沉積巖Re-Os同位素分析的精度還有待于進一步提高。

5 結束語

富有機質沉積巖Re-Os同位素研究已經成為國際上研究的熱點, Re-Os同位素能夠為地層沉積時代進行直接厘定, 尤其是對于火山巖夾層不發(fā)育的地區(qū)發(fā)揮了重要作用, 這對地質年代表的校正研究以及地層比對研究具有重要意義。此外, Re-Os同位素以其特有的地球化學性質, 已經成為在古環(huán)境演化研究方面一種靈敏的工具, 為古海洋、古氣候的反演提供了很多重要的信息。

然而, 沉積巖Re-Os同位素研究還有許多問題亟待解決和許多方面需要加強。首先, 目前國際地層年代表中采用的數據都來自鋯石 U-Pb同位素年齡, 沒有一個地層年齡數據采用Re-Os同位素年齡,因此需要加強沉積巖 Re-Os同位素年齡與鋯石U-Pb同位素年齡比對工作, 以使Re-Os同位素能夠更好地進行未知地層年齡厘定, 尤其是“金釘子”地層年齡精確厘定方面的應用。其次, 石灰?guī)rRe-Os同位素研究更有利于生物地層和年代地層的直接比對, 并且石灰?guī)r的沉積速率較快, 對古環(huán)境的變化更加靈敏, Re-Os同位素在石灰?guī)r方面的應用, 可以彌補現有技術手段的不足, 解決一大批尚未解決的地層定年問題, 但是目前石灰?guī)rRe-Os同位素研究成功的實例不多, 需要進一步加強。此外, 全球前寒武紀地層的研究一直比較緩慢, 主要是由于地層中缺乏古生物, 并且許多地層發(fā)生了變質作用, 缺少化學地層學的記錄, 并且缺少可靠的 U-Pb年齡對地層沉積時代進行限制, 文中介紹了Re-Os同位素在前寒武紀地層中成功應用的實例, 展現了Re-Os同位素在前寒武地層精確定年以及早期地球環(huán)境演化方面的巨大潛力。

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The Progress of Applying Re-Os Isotope to Dating of Organic-rich Sedimentary Rocks and Reconstruction of Palaeoenvironment

LI Chao1,3), QU Wen-jun1)*, WANG Deng-hong2), ZHOU Li-min1), DU An-dao1), FU Yong4,2), PEI Hao-xiang4,1)
1) National Research Center for Geoanalysis, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 2) Institute of Mineral Resources, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037; 3) Laboratory of Orogen and Crustal Evolution, Peking University, Beijing 100871; 4) School of Resources and Environments, Guizhou University, Guiyang, Guizhou 550003

As Re and Os are organophilic and redox-sensitive, Re and Os are concentrated from seawater in organic-rich sediments. Re-Os geochronology of organic-rich sediments has the potential to provide direct depositional ages and vital information on the Os isotope. The successful application of Re-Os in organic-rich sedimentary rocks making it possible to obtain absolute ages for the deposition of sedimentary successions directly, and hence the age of some sedimentary deposits and glacial can be dated and constrained. From the Re-Os isotope characteristics obtained for organic-rich sediments, the Palaeoenvironment can be reconstructed, and this helps to know and understand the paleoenvironmental evolution and to date and trace the metallic deposits and oil/gas reservoir, thus playing an important role in studying numerous major issues, such as the mass extinction and theimpact events. Based on the Re-Os isotope data available, the authors obtained Os isotope curve for seawater from 2.7 Ga to the present day. In addition, the variations in the Os isotope compositions of seawater since 2.7 Ga are helpful to the study of the paleoenvironmental evolution. In this paper, some factors affecting the precision of Re-Os isochron age for organic-rich sediments are investigated. The Re-Os isotope system will play a unique role in the dating of organic-rich sedimentary rocks and the reconstruction of palaeoenvironment.

Re-Os isotope; sedimentary rocks; strata; dating; tracing; reconstruction; palaeoenvironment

P618.6; P597.2

A

10.3975/cagsb.2014.04.02

本文由國家自然科學基金項目(編號: 41203037)和中國地質調查局地質大調查項目(編號: 12120113015500)聯合資助。獲中國地質科學院2013年度十大科技進展第九名。

2014-04-14; 改回日期: 2014-05-06。責任編輯: 張改俠。

李超, 男, 1983年生。助理研究員。從事Re-Os同位素研究。E-mail: Re-Os@163.com。

*通訊作者: 屈文俊, 男, 1964年生。研究員。從事同位素年代學研究。通訊地址: 100037, 北京市西城區(qū)百萬莊大街 26號。E-mail: quwenjun03@163.com。