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同位素地质年代学新进展与发展趋势

2022-02-28 74

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内容提要:同位素地质年代学为地球与行星科学研究提供时间坐标,厘定深时地质过程发生和持续的时间,从而为不同地质作用的因果联系和协同演化提供定量制约。新世纪以来,在以EARTHTIME为代表的地质年代学共同体努力下,同位素地质年代学在高精度、高空间分辨率和高效率等维度取得长足进步,与其他学科的结合也更加紧密深入。结合正在兴起的相对定年技术和年代学大数据等,我们得以从更精细、更全面的视角来理解地质作用的全过程。展望未来,持续发展与革新的同位素地质年代学将继续为地球与行星科学研究提供关键支撑,服务于深地、深海、深空和地球系统科学等国家战略、国民经济主战场和科学前沿。
关键词:
深时;高精度;高效率;高空间分辨率;相对定年


1913年,Arthur Holmes 发表了《The Age of the Earth》著作、Frederick Soddy提出原子质量不同但化学性质相同的“同位素”概念,标志着同位素地质年代学诞生。同位素地质年代学依据放射性同位素衰变定律进行精确的地质计时,所研究的时间尺度从太阳系和地球演化早期的数十亿年到现代的数年,空间尺度从星体到原子的三维结构到四维时空演化,为研究太阳系各天体的形成、地球(和其他星球)各圈层的组成、形成演化以及各种地质作用、事件和过程提供精确时标。


现代电子学、计算机科学、离子光学、等离子、激光、超净化学等先进技术的迅速发展和高新技术的集成,极大地推动了同位素地质年代学的发展(图1)。例如,一个多世纪前Francis Aston用质量光谱仪测定Pb同位素组成时需要消耗〜10 mg铅,而现代固体热电离质谱(TIMS)测定Pb同位素组成只需〜10-8 mg铅,用二次离子质谱(SIMS)测定Pb同位素组成则仅需〜10-9 mg铅;TIMS的固体同位素比值分析精度已经从20世纪70年代以前的〜1‰发展到目前优于0.1‰-0.01‰ ,而SIMS和激光剥蚀-等离子体质谱(LA-Q/MC-ICPMS)联用技术以及微量分析技术的迅速发展,极大地提高了微区和微量同位素分析测试的水平。绝对定年技术与相对定年技术结合,二者互为补充,使我们得以从全所未有的高时间分辨率来认识地质过程,显著拓展和延伸了人类认识自然的能力。


本文主要回顾新世纪以来国内外同位素地质年代学在高精度、高空间分辨率和高效率三个方面取得的长足进步,总结正在兴起的相对定年技术和年代学大数据等领域的重要进展,并展望我国同位素地质年代学的发展方向。

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图1 同位素地质年代学重要技术进展里程碑

Fig. 1 Milestones of key technical advances in radiometric geochronology



高精度同位素年代学进展


1.1 EARTHTIME计划简介

现代地球科学研究对地质事件发生的过程和速率日益关注,这对年代学的精确度和准确度提出了更高的需求;此外,随着分析精度的提高,不同实验室和不同衰变体系之间的误差影响开始显现出来,给对比研究和全面理解地质过程造成困难。在此背景下,受美国国家科学基金会资助,以提高时间分辨率(高精度定年)为核心目标的国际“地时” (EARTHTIME)计划应运而生(Bowring et al. , 2005)。


始于2003年的EARTHTIME是一个以地质年代学学术共同体为基础的国际科学计划,其第一阶段(EARTHTIME 1.0,2004〜2016年)的主要目 标在于评估并消除不同实验室及不同定年体系(比如U-Pb和40Ar-39Ar)存在的差异。在美国国家科学基金会和欧盟的资助下,通过地质年代学学术共同体的努力,EARTHTIME1.0取得了显著成果,主要体现在:①通过配置标定统一的U-Pb稀释剂 和标准年龄溶液,将U-Pb体系校准到标准度量衡单位系统(SI单位);②在此基础上,通过统一的化学流程及数据处理程序,将ID-TIMS U-Pb体系工作方法标准化,获得通常优于0.1%的单颗粒测试精度和优于0.05%的加权平均年龄精度;③通过U-Pb、40Ar-39Ar和旋回地层学相互校准,将40Ar/39Ar体系定年精度提高到0.1%水平。


EARTHTIME的发展极大地促进了一系列以地质年代学为基础的重大地球科学问题的突破。比如,通过详细的高精度锆石U-Pb年代学工作,科学家提出了二叠纪末期生物灭绝事件的突发性(Shen et al. , 2011 ;Burgess et al. , 2014)以及西伯利亚 大火成岩省喷发诱导的环境异常机制(Burgess et al. , 2015);通过高精度锆石U-Pb (Schoene et al. , 2019)和斜长石40Ar/39Ar (Sprain et al. , 2019)年代学工作,深入探讨了白垩纪一古近纪之交生物大灭绝、德干大火成岩省喷发和希克苏鲁伯陨石撞击 事件之间的时间序列和成因联系。同时, EARTHTIME极大激发了年代学界甚至其他学科的关注,也为现代年代学发展寻求突破起到了很好的示范性作用,相应的组织相继在欧洲 (EARTHTIME-EU,2007)和中国(EARTHTIME-CN,2013)建立起来并快速发展。不同领域科学家 的协同攻关和密切合作显著提高了地质年代学在地球与行星科学研究中的广度与深度,并为高精度年代学的进一步发展指明了方向。


地时-中国(EARTHTIME-CN)立足于国内丰富的地质记录和实验室联盟,在EARTHTIME框 架内得到了迅速发展,显著推动了我国地质年代学测量水平的进步和学科发展。同时,我们也清醒地认识到,部分定年体系的分析测试能力和实验技术水平尚未跻身国际一流行列,有计划的测试能力评估和集中攻关仍有待推进。全面提升中国地质年代学的测试能力与学科水平仍需要久久为功的能力建设,以满足日益扩大的、大数据背景下的地球与行星科学研究对地质年代学的需求与期待,并支撑学术卓越。


目前,EARTHTIME已经进入了2.0发展阶段(Condon et al. , 2016)。除了继续发展和校准U-Pb和40Ar/39Ar等高精度定年方法以外,Re-Os、U-Th以及微区原位U-Pb等方法已被纳入了EARTHTIME年代学工具箱,并致力于建立更为强大的、富有影响力的地质年代学学术共同体,以促进学科之间的深度交流与合作。在强调综合使用年代学方法的基础上,EARTHTIME2.0将建立地史时期超高精度的年代学框架,并积极参与推动更加广泛的地球与行星科学前沿研究与科学突破。该发 展方向与美国国家科学基金会地球科学2020〜2030发展愿景(A Vision for NSF Earth Sciences 2020一2030 : Earth in Time)中对年代学的要求不谋而合。在后者所提出的12个地球科学研究优选方向中,几乎所有方向均需要年代学工作的深度参与,因此报告指出未来将加强对地质年代学能力建设的支持,为孕育地球与行星科学领域的突破提供支撑。

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1.2 CA-ID-TIMS 锆石 U-Pb


U-Pb定年方法基于238U衰变成206Pb和235U衰变成207Pb两个放射性衰变体系。通过这两个衰变体系,我们可以得到三个年龄:238U-206Pb年龄、235U-207Pb年龄和207Pb-206Pb年龄。三个年龄相互验证可以检验和评估样品的U-Pb体系封闭性,这是U-Pb定年方法相较于其他放射性衰变定年方法最为独特也独具优势的地方。同时,238U-206Pb和 235U-207Pb两个体系的放射性衰变常数的精度最高 (Jaffey et al. , 1971)并能够相互校正(Mattinson, 2010),因此它们被用于确定或者校正其他体系的放射性衰变常数(Smoliar et al. , 1996)。U-Pb定年方法已经被广泛运用到全岩样品和各种副矿物的定年工作中。其中,锆石因其在自然界岩石中的广泛分布、物理化学性质稳定、U含量适中、几乎不含初始Pb、U-Pb体系封闭温度高,而成为U-Pb定年最理想和最被广泛运用的对象。锆石U-Pb定年的技术手段主要有 LA-ICPMS、SIMS和CA-ID-TIMS。其中,CA-ID-TIMS锆石U-Pb方法获得的定年结果精准度最高,是计量科学的“基准方法”之一。目前,如高电阻放大器和电容放大器等新技术在TIMS中得到应用,将继续推动高精度CA-ID- TIMS锆石U-Pb年代学的发展(Szymanowski et al. , 2020)。


CA-ID-TIMS锆石U-Pb定年方法的技术要点主要包括选择合适的化学溶蚀条件、采用校准到基准单位的高纯U-Pb稀释剂和实现超低的实验全流程本底。化学溶蚀经高温淬火的锆石颗粒是去除遭受严重放射性损伤的锆石区域、消除Pb丢失对U-Pb年龄结果影响的关键(Mattinson, 2005)。不同的锆石样品通常需要根据其遭受放射性损伤的程度来选择合适的化学溶蚀条件(Huyskens et al. , 2016 ;Widmann et al. , 2019)。校准到基准单位的高纯U-Pb稀释剂是CA-ID-TIMS锆石U-Pb定年方法的核心,目前EARTHTIME实验室主要使用的U-Pb稀释剂为第三代的ET535(205Pb-233U-235U)和ET2535(202Pb-205Pb-233U-235U)(Condon et al. , 2015;McLean et al. , 2015)。通过使用相同的第三代EARTHTIME稀释剂,实验室间溶液标样的238U-206Pb年龄重现性可优于0.5‰,天然样品238U-206Pb年龄的单次分析精度可优于0.5‰,加权平均值精度可达0.1‰ (Schaltegger et al. , 2021)。


超低的实验室本底是CA-ID-TIMS锆石U-Pb定年方法的基础。实验室U和Pb本底的总量和同位素组成都需要进行准确地评估。实验室的U本底通常很低(<0.1 pg),且其同位素组成被假定为自然界锆石的U同位素组成(238U/235U = 137.818±0.045;Hiess et al. , 2012)。实验室的Pb本底包括样品溶解、离子交换树脂U-Pb分离和点样测试等过程中引入的非放射成因铅,其含量极易受到空气、试剂、器皿、灯丝的洁净度和实验操作规范的影响。Pb本底的含量可以通过测量非放射成因204Pb的量和Pb本底的同位素组成计算得来,而后者可以通过长期测量全流程Pb本底的同位素组成而获得。国际上先进的CA-ID-TIMS锆石U-Pb年代学实验室的Pb本底可低于0.2 pg。


CA-ID-TIMS锆石U-Pb分析技术的发展,使得地质学家能够确定地质事件发生的准确时间和精细过程。该方法被广泛运用到研究大火成岩省与生物大灭绝的成因联系等工作中,如中大西洋大火成岩省与三叠纪末生物大灭绝(Blackburn et al. , 2013)。同时,该方法在建立地质年代标尺方面也发挥了重要作用。比如,Yang et al. (2021)基于高精度年代学数据,将全球主要地区埃迪卡拉纪的重要化石纪录和碳酸盐岩碳同位素数据综合起来,建立了高精度的埃迪卡拉纪综合年代学标尺,为探讨寒武纪大爆发前夕生物-环境的协同演化奠定了基础。此外,该方法还使得从年代学角度刻画岩浆结晶精细过程成为可能。例如,Deering et al. (2016)通过结合CA-ID-TIMS锆石U-Pb和ICPMS锆石微量元素数据,发现美国亚利桑那Turkey Creek岩浆系统主喷发期之前,其中的高硅流纹岩与英安-二长斑岩共同演化时间长达300 ka,说明长英质火山岩与侵入岩具有直接成因联系以及岩浆在喷发之前经历了长时间的熔体抽离。


我国的ID-TIMS锆石U-Pb定年技术发展和应用已有几十年的历史。目前,中国科学院地质与 地球物理研究所和中国科学院广州地球化学研究所的CA-ID-TIMS锆石U-Pb年代学实验室已经可以将Pb本底控制在5pg以下(储著银等,2016;Zhong et al. , 2017)。然而,由于U-Pb稀释剂的缺乏和相对较高的实验室Pb本底,我国CA-ID-TIMS锆石U-Pb年代学实验室的发展仍然显著落后于国际先进水平。目前我国科学家开展的CA-ID-TIMS锆石U-Pb年代学工作,主要依赖与国外先进实验室的合作。尽管如此,随着国家的大力支持和学术界的共同刻苦攻关,这一“卡脖子”关键技术问题有望在未来得到解决。

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1.3 40Ar/39Ar 年代学


40K衰变为40Ar是40Ar/39Ar定年的基础,富钾矿物40Ar/39Ar定年已经在地球与行星科学领域得到广泛应用。近年来稀有气体分析技术的发展和 40Ar/39Ar法关键参数的重新厘定,显著提高了40Ar/39Ar定年的准确性和精确度,一流实验室的定年精度已可优于0.1% (Kuiper et al. , 2009)。在简要介绍这些技术进步的基础上,我们将以地层界线年龄及重大地质事件研究为例,介绍40Ar/39Ar高精度定年领域的重要进展。


40Ar/39Ar定年分析流程包括气体的提取、富集、纯化及分析。更低系统本底和更高的仪器灵敏度及分辨率将有利于进一步提高分析精度或减少样品使用量。对于大量样品的分析,加热炉气体提取方法依旧是首选。Pfander et al. (2014)研制了高效、小体积(〜90 mL)且低本底的加热炉系统,有效弥补了传统加热炉较高热本底的缺点,当36Ar为5×10-16mol时,依旧可以获得优于0.1%的分析精度。连续激光熔样可以实现微量样品的加热熔融,并显著降低气体提取过程中的本底,而金刚石激光样品窗(王英等,2018)进一步将全流程本底降低2个数量级。真空破碎技术能获取流体包裹体中的稀有气体,实现贫钾矿物流体包裹体定年,而真空阶段击碎技术则能获得不同世代流体的40Ar/39Ar年龄 (Xiao et al. , 2019)。邱华宁等研制了性能优异的纯化系统及包裹体提取系统,将样品使用量从几百毫克降至〜100 mg,并实现优于1%的分析精度,已经成为获取热液矿物成矿年龄和油气成藏时代的重要方法(例如,Qiu et al. , 2011, Bai et al. , 2013)。多接收稀有气体质谱仪的成熟和广泛应用(Mark et al. , 2011)显著提高了40Ar/39Ar定年的准确度和精确度(Jicha et al. , 2016),使得36Ar低至4×10-17mol时也能够被快速准确检测(Zhang et al. , 2021c)。Jicha et al. (2016)基于多接收技术对Alder Creek Sanidine (ACs)标样进行分析,实现优于0.1%的分析精度,并将该标样年龄校正为1.1864±0.0003/0.0012 Ma。对第四纪透长石颗粒阶段加热也能获得优于1%精度的40Ar/39Ar年龄(Singer et al. , 2014)。


在EARTHTIME的推动下,40Ar/39Ar定年的众多关键参数被重新厘定,主要进展体现在:①质量歧视校正及空气40Ar的准确扣除。Lee et al. (2006)通过重量法配置高浓度的36Ar和40Ar混合气,精确测量了仪器的校正因子并更正空气氩比值为:40Ar/36Ar=298.56,将空气值的准确度提高到了 0.1%。②衰变常数的精确标定。通过对Fish Canyon中U-Pb法和40Ar/39Ar得到的数据进行统计分析,Renne et al. (2011)将40K的衰变常数修订为λε=(0.5755±0.0016)×10-10a-1λβ=(4.9737±0.0093)×10-10a-1 (a表示年),精度提高了4个数量级。③多家实验室对Fish Canyon 凝灰岩中的透长石标样(FCs)进行了详细分析及标定,包括将FCs与其他标样交叉互检(例如,Spell et al. , 2003)、基于天文年代标尺校准FCs (例如,Kuiper et al. , 2008)、与U-Pb体系交叉互检(例如,Renne et al. , 2011)。这些工作有效地缩小了不同实验室间以及不同定年体系间(U-Pb及40Ar/39Ar法)的偏差。④为了对比不同时期采用不同参数计算所得的Ar-Ar定年数据,Mercer et al. (2016)开发了相应的数据校正方法及软件, Schaen et al. (2021)提出了40Ar/39Ar 定年数据报道的规范,即在报道Ar-Ar年龄时,需详细给出所选标样年龄、衰变常数及校正因子等参数。这些参数及标样年龄的重新厘定,显著提高了40Ar/39Ar定年的准确性和精确度。Sprain et al. (2019)对德干地盾火山岩中斜长石开展40Ar/39Ar定年,虽然使用了低K矿物,仍然得到优于0.2%的高精度40Ar/39Ar年龄。结合其基于Hell Creek地层火山灰中的透长石进行40Ar/39Ar定年获得高精度白垩系一古 近系界线年龄(66.052±0.008/0.043 Ma) ,Sprain et al. (2019)发现德干地盾的岩浆从〜66.413 Ma开始喷发,持续了991ka,并且火山喷发在希克苏鲁伯陨石撞击前400ka已开始,这为理解火山喷发及行星撞击在生物灭绝中的作用提供了精确的时间标尺。


2013年EARTHTIME-CN项目启动后,国内实验室在标样研制(李洁等,2013;Wang et al. , 2014)、实验室合作及实验室能力建设(Bai et al. , 2018)等方面也有了很大的进展。如Li et al. (2018a)对峨嵋山大火成岩省巧家剖面高Ti区玄武岩斜长石斑晶进行了分析,得到259.9±1.2 Ma的高精度年龄结果,该结果与美国威斯康星大学40Ar/39Ar年代学实验室所得结果(259.8士1.2 Ma, Jicha et al. , 2019)在误差范围内一致。

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1.4 Re-Os年代学


Re-Os定年已经成为辉钼矿等硫化物、铁陨石和富有机质沉积岩精确定年的关键技术,并在沥青、原油、煤、锰氧化物和石墨等直接定年中表现出重大潜力。Re-Os定年半个多世纪以来最为重要的技术进步主要包括衰变常数的精确测定、标准化的卡洛斯管样品消解和负离子热电离质谱仪测定技术等。在简要叙述这些技术进步的基础上,我们将通过研究实例介绍Re-Os同位素体系在精细成矿作用研究和生命-环境协同演化等领域的部分重要进展。


187Re通过β衰变生成187Os是Re-Os定年的基础,该过程产生的能量极低(2.6 keV),难以用于精确测量衰变常数;而较长的半衰期(41.6 Ga)导致单位时间内生成的187Os极少,也不利于通过子体积累测定衰变常数。因此,通过测量衰变过程中能量或 时间积累获得的187Re衰变常数精度一般较低(约3%〜16%, Selby et al. , 2007;Stein et al. , 2014),精确的测量主要来自与U-Pb (或Pb-Pb)体系交叉校正。通过分析多组铁陨石的Re-Os同位素组成,并以EA铁陨石4558 Ma的Pb-Pb年龄作为绝对年龄来反算187Re半衰期,Smoliar et al. (1996)首次获得迄今最好的187Re衰变常数(内部误差0.31%)。基于斑岩矿床成岩成矿等时性的假设,Selby et al. (2007)对11件含辉钼矿样品进行了Re-Os同位素研究,并利用对应岩体的TIMS U-Pb年龄计算出与Smoliar et al. (1996)在误差范围内一致、但稍大的187Re衰变常数(1.6689 X10-11a-1,内部精度0.2%)。在CA-ID-TIMS U-Pb定年技术取得长足进步的基础上,开展U-Pb和Re-Os定年体系的交叉校验与相互校准,将进一步提高Re-Os定年体系准确性并降低不同定年体系之间误差,这是EARTHTIME-CN 2.0阶段的重要攻关目标之一。


Re-Os定年基于同位素稀释法,实现样品和稀释剂之间的同位素交换平衡是准确定年的前提。Os非常活泼且价态多变,在常温下极易生成气态的氧化物,因此早期的碱熔法和微波消解法等样品消解技术均因难以实现稀释剂与样品中的Os同位素交换平衡且本底较高而被摒弃,而基于密封卡洛斯管的溶样技术则成为Re-Os同位素定年的标准方法(Shirey et al. , 1995)。得益于较低的记忆效应、极佳的离子流稳定性和较高的离子传输效率,热电离质谱仪是Re-Os定年最为理想的分析工具。因为较高的电离能,Re和Os的TIMS分析以负离子的方式(ReO4-,OsO3-)实现(Creaser et al. , 1991;Volkening et al. , 1991)。


辉钼矿非常富集Re(十到几百微克每克),且大多数样品普通Os含量极低,单个样品可直接获得高精度的模式年龄,是Re-Os同位素定年最重要的矿物。我国科学家较早开展辉钼矿Re-Os同位素定年研究,并以金堆城等斑岩钼矿为例,成功获得了有地质意义的成矿年龄(杜安道等,1993)。此后, 该技术迅速得到推广,为我国斑岩矿床定年研究提供了可靠的技术支撑。这些成果与国外同类实验室的相关研究同期、甚至更早(Suzuki et al. , 1993;Stein et al. , 1997;Selby et al. , 2001),有力提升了中国同位素年代学和矿床学研究的国际影响力 (Stein et al. , 2014)。


国内外学者很早就注意到部分辉钼矿样品的Re-Os定年结果重现性较差,并引发辉钼矿Re-Os体系封闭性和其定年可靠性的争论。Stein et al. (2003)和 Selby et al. (2004)通过IA-MCICPMS和微钻取样TIMS测量等方式证明Re和Os在辉钼矿晶体内部失耦,但整个晶体则保持封闭。因此, 尽量选择细颗粒辉钼矿或完整分析大颗粒晶体是辉钼矿Re-Os精确定年的基本要求。Barra et al. (2017)利用NanoSIMS mapping研究了辉钼矿中Re和Os的分布特征,并基于均匀分布的192Os信号认为辉钼矿中的普通Os是均匀分布的,还提出放射性187Os和187Re不存在空间解耦。鉴于辉钼矿中的普通Os含量通常极低,Re和Os的空间解耦问题难以通过监控192Os的分布来实现。Barra et al. (2017)研究的对象也并非少见的高普通Os样品, 因此,其观察到的192Os信号更可能代表接收器背景噪音,而非普通Os信号。对正在萌芽的原位Re-Os 定年技术,深入研究Re和Os的空间解耦问题并提出解决方案是亟待解决的关键问题。


通过配置高精度标定的普通Os稀释剂,并根据样品特征优化Re和Os混合稀释剂配比,降低全流程本底等,Li et al. (2017)实现了微量辉钼矿样品(<10 mg)的高精度分析。在此基础上,还提出可以对单一脉体进行多次独立采样分析,以实现同位素体系封闭性检验。基于这些分析技术和取样策略的改进与创新,Li et al. (2017)成功将辉钼矿Re-Os定年的分析精度从约0.5%提高到约0.3‰〜0.9‰,达到国际领先水平。这一新技术被用于西藏〜16 Ma驱龙斑岩铜钼矿床研究,将成矿作用持续时间限定为266ka,并创新性地将高精度Re-Os定年与高空间分辨率SIMS氧同位素分析结合,首次实现在绝对时间尺度下重建成矿流体演化过程,成功识别出3次持续时间为几万年的脉冲式成矿事件 (Li et al. , 2018b) 。这些观测结果暗示周期性含矿岩浆流体出溶主要受控于多期次岩浆热液补给和深部岩浆房结晶分异引起的水饱和等过程。最近, Pollard et al. (2021)基于新几内亚〜1.3 Ma辉钼矿样品实现了 1.0〜3.3‰的高精度定年分析,并证明Ok Tedi Mine斑岩-矽卡岩铜金矿也在极短的时间内形成,仅持续〜200 ka,并包含三次持续几千到几万年的脉冲成矿事件,这与Li et al. (2018b) 的结论一致。


Re和Os常显示出强有机质亲和性,在黑色页岩、沥青、原油、煤和石墨中富集,在雪球地球 (Rooney et al. , 2015)、大洋厌氧事件(Cumming et al. , 2013)、油气成藏(Selby et al. , 2005)等研究领 域中提供了关键的年代学约束。但受后期热事件扰动等因素影响,沉积岩Re-Os定年成功率一直较低 (Selby et al. , 2013 ;Stein et al. , 2014)。最近,通过改进的CT成像技术和XRF元素扫描技术, Yang et al. (2022)实现了对黑色页岩肉眼不可见沉积层理的精细可视化,并用于指导样品采集,克服了高成熟度、后期改造强烈页岩样品的定年困难,成功实现对蓝田组黑色页岩的精确Re-Os定年,将蓝田生物群的年龄限定为>602±7 Ma,为生命由小 变大这一里程碑事件提供了第一个精确的同位素年龄;基于较为放射的Os同位素初始值,Yang et al. (2022)还提出大陆地壳有氧风化可能是驱动埃迪卡拉纪生命演化与繁盛的重要驱动力。

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