漢中大佛洞宇宙成因核素26Al/10Be埋藏年齡

陳清敏，張 麗，王 喆，羅乾周，藺新望，張俊良，任娟剛

1.陜西省地質(zhì)調(diào)查院 陜西省地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710068 2.中國科學院地球環(huán)境研究所 黃土與第四紀地質(zhì)國家重點實驗室，西安 710061 3.西安加速器質(zhì)譜中心，陜西省加速器質(zhì)譜技術(shù)及應用重點實驗室，西安 710061

漢中天坑群是在我國32°N濕潤熱帶-亞熱帶巖溶地貌區(qū)北界首次發(fā)現(xiàn)的巖溶地質(zhì)景觀，它填補了世界巖溶地質(zhì)研究空白，不僅對洞穴對比研究有著重要科學意義，而且對研究中國南北方乃至全球古環(huán)境及氣候變化具有重要科學價值。其中，南鄭小南海天坑群位于漢中天坑群的最北界，且發(fā)育天坑和洞穴較為密集、規(guī)模較大。洞穴中保留有豐富的古地下河沖積物、次生化學沉積物及重力崩塌堆積，為研究巖溶地下河演化和秦嶺南部古環(huán)境變遷提供了寶貴素材，為進一步研究區(qū)域乃至全球氣候變化提供科學基礎。

由于測年手段的限制，國內(nèi)在巖溶洞穴演化精確年代學方面的研究一直進展不大。洞穴次生化學沉積物可在溶洞形成若干年后才開始生長，因此用化學沉積物的鈾系年齡可能會極大地低估溶洞的形成年齡，而高估河流的下切速率（Stock et al，2005）。20世紀80年代迅速發(fā)展起來的宇宙成因核素測年法（Granger et al，1997，2011；Anthony and Granger，2004；Granger，2006；Dunai，2010；Wagner et al，2010；Kong et al，2011；Zhang et al，2016）為解決這一問題提供了契機。宇宙成因核素26Al/10Be的測年范圍為0.3 —5.0 Ma，而21Ne/10Be核素可將測年范圍擴展到15 Ma（孔屏，2012）。加速器質(zhì)譜儀宇宙成因核素測年技術(shù)在國外已受到普遍應用，但國內(nèi)對該方法的應用才剛起步。Kong et al（2009，2011）將26Al/10Be埋藏測年法應用到措格達組沉積物定年，并對四川大邑礫巖進行埋藏年齡測定。有學者將26Al/10Be埋藏測年法應用到周口店遺址第一地點定年和湖北白龍洞遺址定年（Shen et al，2009；Liu et al，2015）。此外，運用宇宙成因核素得到洞穴碎屑沉積物埋藏年齡的方法逐漸應用于反演山地區(qū)域構(gòu)造、地貌演化研究（張珂和蔡劍波，2006；王亞軍等，2008；孔屏，2012；呂延武等，2012；王建等，2012）。已取得的一些重要的認識和發(fā)現(xiàn)體現(xiàn)出極大的潛力與發(fā)展前景，特別是針對缺乏第四紀沉積記錄、用傳統(tǒng)測年方法難以研究的地區(qū)，宇宙成因核素埋藏年齡測年技術(shù)對研究晚新生代地貌演化歷史更是具有重要意義。

宇宙成因核素測年法被認為是目前研究洞穴發(fā)育最可靠的方法（Stock et al，2005；Shen et al，2009），并應用到中國西南部巖溶洞穴年代學研究（劉彧等，2013；Liu et al，2013）。但是漢中巖溶區(qū)鮮有相關(guān)年代報道。本文擬將這一新方法應用到漢中南鄭小南海巖溶洞穴大佛洞年代學研究，以期為漢中巖溶區(qū)地貌及巖溶演化提供新的認識。

1 研究區(qū)概況

大佛洞位于秦巴山區(qū)33°N附近漢中天坑群，大地構(gòu)造屬于揚子地塊北緣與秦嶺造山帶結(jié)合部，區(qū)域分布有5000多平方公里的二疊系、三疊系碳酸鹽巖。陜西省地質(zhì)調(diào)查中心承擔的《漢中天坑群地質(zhì)遺跡調(diào)查》項目查明區(qū)內(nèi)以發(fā)育天坑、溶洞為特征，另有地縫、峽谷、瀑布等重要地質(zhì)遺跡。目前發(fā)現(xiàn)南鄭小南海天坑群天坑20處，洞穴49處，其中大佛洞位于紅軍路，向南距離小南海鎮(zhèn)政府約1.5 km處（圖1）。小南海一帶巖溶洞穴分布具有成層性，分布在海拔580 —1200 m，其中大佛洞位于中間層，洞口高程(726 ± 11) m。

大 佛 洞 洞 口 朝 向 45°， 坐 標 E107°01′41″，N32°50′18″。洞口寬約 19 m，高約 20.4 m。洞口處巖性為灰-深灰色厚層狀灰?guī)r夾黑色中厚層狀硅質(zhì)巖。洞頂上方巖層蓋物厚度均大于30 m。洞深約2680 m，出露巖性為灰色中層狀含燧石團塊泥晶灰?guī)r，屬上二疊統(tǒng)吳家坪組（圖1）。洞內(nèi)最高高度可達80 m。洞內(nèi)次生沉積物為砂質(zhì)、泥質(zhì)，偶見礫石。目前該洞正在進行旅游開發(fā)。

2 洞穴沉積物26Al / 10Be埋藏測年的基本原理和方法

2.1 26Al/10Be埋藏測年的基本原理

利用宇宙成因核素來測定沉積物埋藏年齡的原理最早是由Lal and Arnold（1985）提出的。26Al/10Be埋藏測年的原理可簡單解釋為：暴露在地表的巖石長期接受宇宙射線的照射形成宇宙成因核素（核素生成量與衰變和侵蝕量平衡），如果某次地質(zhì)事件將地表巖石埋入地下或是通過流水帶入洞穴，屏蔽了宇宙射線照射，那么宇宙成因核素將停止生成，并開始根據(jù)自身性質(zhì)與時間呈指數(shù)衰變，測量現(xiàn)今巖石中的核素含量，可獲悉巖石被埋藏的時間。Granger et al（1997）于1997年最早利用26Al/10Be比值變化得到沉積物埋藏年齡。

石英是目前用作26Al/10Be埋藏測年最理想的礦物。石英礦物成分由SiO2構(gòu)成，物質(zhì)成分和晶體結(jié)構(gòu)簡單，地表常見，并且使全球核素埋藏研究可對比，同時具有滿足加速器質(zhì)譜（AMS）測量的26Al/10Be的靶核。石英中27Al含量很低，有利于精確測量26Al。另外，石英穩(wěn)定的物理化學性質(zhì)使大氣生成的10Be難以滲入，而原地生成的26Al和10Be又不易淋失。假設石英顆粒在一個穩(wěn)定侵蝕（侵蝕速率為ε）的地表暴露了時間T，生成足夠量的10Be和26Al可作加速器質(zhì)譜測試，那么T時間內(nèi)10Be和26Al生成的濃度N10（0）和N26（0）分別為（此處考慮了μ介子生成量）：

公式(1)和公式(2)中：Pn,10是10Be中子生成率（4.5 atom ? a ? g-1）（Dunai，2010），Pn,26是26Al 中子 生 成 率（31.1 atom ? a-1? g-1）（Stone，2000）；Pμ,10是10Be 的 μ 介 子 生 成 率（0.10 atom ? a-1? g-1）（Heisinger et al，2002），Pμ,26是26Al的 μ 介 子 生成 率（0.80 atom ? a ? g-1）（Heisinger et al，2002）；τ是核素的平均年齡（τ = T1/2/ln2，T1/226 = 0.71 Ma，T1/210 = 1.39 Ma）（Nishiizumi，2004；Chmeleff et al，2010；Korschinek et al，2010），ρ是巖石密度（假設為2.65 g ? cm-3），ε是地表平均侵蝕速率（cm ? a-1），Λn和Λμ分別是中子和介子在巖石中的穿透長度（Λn≈ 160 g ? cm-2，Λμ≈1300 g ? cm-2）（Brown et al，1995；Masarik and Reedy，1995）。

石英顆粒被河流帶入洞穴之后，屏蔽了宇宙射線的照射，宇宙成因核素停止生成并開始衰變，埋藏t時間后，10Be和26Al的濃度變?yōu)椋?/p>

由于26Al的衰變速度比10Be快近2倍，樣品被埋藏前的初始濃度(N26/N10)0，將隨時間呈指數(shù)減小，所以上述公式可寫為：

N26和N10是通過AMS測得的26Al和10Be的核素濃度。通過數(shù)學迭代法，利用上述5個公式可計算得出樣品埋藏年齡t以及埋藏前侵蝕速率ε。

應用26Al /10Be埋藏測年有以下要求：（1）洞內(nèi)碎屑沉積物必須是從洞外帶入的外源物質(zhì)，不然無宇宙成因核素初始量；（2）所采樣品的垂直埋深最好超過20 m，而水平埋深最好超過10 m（孔屏，2012）；（3）由于核素半衰期和儀器測試精度的限制，該方法的測年范圍為0.1—5.0 Ma（Granger and Muzikar，2001）；（4）碎屑物被快速帶入洞穴，進洞前無埋藏歷史，否則計算得到的埋藏年齡是綜合年齡，不能代表其在洞穴中的年齡。

2.2 樣品采集與分析

大佛洞石英礫石樣品采集點位于大佛洞主洞約2.3 km處階地上，距離地下河水面垂直距離約4 m處。階地上淤泥發(fā)育，鈣華膠結(jié)灰?guī)r碎屑，周邊巖石表面鈣化明顯?？梢娙芸印㈢娙槭?、石筍等。礫石呈雞窩狀散布，石英礫石磨圓較好，分選較好，礫徑大多1—3 cm（圖2）。

礫石樣品在中國科學院地球環(huán)境研究所加速器質(zhì)譜中心完成前處理和加速器質(zhì)譜26Al、10Be測試等工作。實驗室處理步驟如下：進行初步清洗、烘干、粉碎，篩選0.25 — 0.50 mm粒徑組分；使用磁選儀去除磁性礦物（雜質(zhì)）；再通過5次HF/HNO3處理，去除長石等鋁硅酸鹽和大氣成因10Be（Kohl and Nishiizumi，1992）以提取純凈的石英，ICP-AES 測量 Al含量低于 100 μg ? g-1；純凈石英樣品中加入約0.3 mg9Be載體溶液，使用HF和HNO3消解，高氯酸去除氟化物；使用陰、陽離子交換樹脂分離Be和Al，其中使用1 M HCl將Be2+從陽離子交換樹脂洗脫，H2C2O4-HCl混合溶液將Al3+從陰離子交換樹脂洗脫；之后，分別加入氨水獲得Be(OH)2和Al(OH)3沉淀；轉(zhuǎn)至坩堝并置于馬弗爐于900oC灼燒生成BeO和Al2O3，BeO與Nb粉混合，Al2O3與Cu粉混合（體積比1:1），壓制靶樣進行AMS測量。

圖2 大佛洞樣品采集處及礫石照片F(xiàn)ig.2 Sampling location in the Dafo Cave (a) and the photos of gravels (b)

中國科學院地球環(huán)境研究所3 MV加速器質(zhì)譜儀測量對10Be的探測靈敏度可達1.56×10-16，10Be和26Al測量精度分別優(yōu)于1.4%（10-12）和1.14%（10-11）（Zhou et al，2007）。26Al/27Al和10Be/9Be的儀器測量標準采用ICN AMS標樣（26Al/27Al取 1.065×10-11，10Be/9Be取 2.851×10-12）（Nishiizumi et al，2007）。此外，與樣品同步進行空白樣的前處理和測量，以監(jiān)測實驗本底對樣品中26Al/27Al和10Be/9Be的影響。測量得到空白樣26Al/27Al ＜ 5.95×10-16，10Be/9Be 比值為 6.03×10-15，確保本底對樣品的影響很小。

3 結(jié)果與討論

通過實驗室前處理之后，大佛洞礫石樣品（編號DFD）獲得14.2257 g純石英樣品進行制靶測量。加速器質(zhì)譜儀（AMS）測量大佛洞宇宙成因核素26Al和10Be濃度及年齡、侵蝕速率計算結(jié)果見表1和圖3。

表1 大佛洞石英礫石宇宙成因核素濃度和計算結(jié)果Tab.1 Cosmogenic nuclide concentrations, burial age and pre-burial erosion rate from Dafo Cave

圖3穩(wěn)定侵蝕曲線由公式(1)和(2)生成，石英埋藏前的26Al/10Be值應落在此線上，落點表示沉積物源區(qū)的侵蝕速率。穩(wěn)定暴露曲線，由公式(3)和(4)生成，表示樣品暴露于宇宙射線中的26Al/10Be值。與穩(wěn)定暴露曲線平行的為等埋藏年齡線，一旦樣品被埋藏，26Al/10Be值將沿著虛心直線呈指數(shù)衰減。宇宙成因核素26Al和10Be濃度和計算結(jié)果表明，大佛洞石英礫石埋藏年齡為(1.07 ± 0.71) Ma。因用于AMS測量的純石英量較少，考慮本底及標準計算后，26Al、10Be濃度和埋藏年齡誤差較大，但仍然很好地反應了大佛洞石英礫石樣品的埋藏年齡。反應漢中南鄭小南海一帶巖溶區(qū)在早更新世已發(fā)育巖溶洞穴，地下河發(fā)育，水流量大，石英礫石進入溶洞，而后由于構(gòu)造活動或者巖溶作用等影響導致流水減少，石英礫石在洞內(nèi)沉積下來。

表1中列出的侵蝕速率表示石英埋藏前的侵蝕速率，可反映樣品被帶入洞穴埋藏前所在流域的平均侵蝕速率。計算表明：大佛洞石英礫石樣品在埋藏前侵蝕速率為 (156.5 ± 73.4) m ? Ma-1。劉彧等（2013）獲得的貴州荔波1.06 Ma前的侵蝕速率為55.1 m ? Ma-1。對比發(fā)現(xiàn)，早更新世晚期，漢中巖溶區(qū)的侵蝕速率顯著高于貴州荔波巖溶區(qū)。這樣的差異值得進一步研究和探討。

圖3 大佛洞（DFD）石英礫石26Al/10Be濃度關(guān)系Fig.3 Cosmogenic nuclides data from Dafo Cave, shown on a logarithmic graph of 26Al/10Be

4 結(jié)論與展望

本文通過采用加速器質(zhì)譜儀宇宙成因核素26Al/10Be埋藏年齡測量技術(shù)和方法首次獲得了漢中巖溶區(qū)大佛洞次生沉積石英礫石的宇宙成因核素26Al/10Be埋藏年齡為(1.07±0.71) Ma；同時獲得大佛洞石英礫石樣品在埋藏前該流域侵蝕速率為(156.5 ± 73.4) m ? Ma-1。

漢中巖溶區(qū)地貌及巖溶演化研究剛剛起步，尚沒有相關(guān)年代學研究成果報道。本文對漢中南鄭大佛洞石英礫石宇宙成因核素26Al/10Be埋藏年齡的研究是漢中巖溶區(qū)年代學研究的全新探索，對于研究漢中巖溶區(qū)地貌演化、巖溶發(fā)育、進一步研究區(qū)域乃至全球古氣候古環(huán)境變化具有重要科學意義。同時也體現(xiàn)了巖溶洞穴石英礫石宇宙成因核素埋藏年齡測年技術(shù)和方法在該區(qū)域地貌演化和巖溶發(fā)育研究方面具有良好的應用前景。

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