宇宙成因核素埋藏年龄测定及其在地球科学中的应用

袁兆德 陈 杰 张会平

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

宇宙成因核素埋藏年龄测定及其在地球科学中的应用

袁兆德 陈 杰*张会平

(中国地震局地质研究所，地震动力学国家重点实验室，北京 100029)

原地生成宇宙成因核素埋藏测年方法，在晚新生代沉积物尤其是陆相碎屑沉积物测年上具有广泛的应用前景。在同一岩石或矿物中的宇宙成因核素对，例如26Al和10Be在地表的生成速率比值是固定的，不受纬度和海拔的影响，但是这一核素对分别具有不同的半衰期。在地表经历了暴露的沉积物被埋藏后，该比值会随着时间而降低，因此具有不同的半衰期的核素对(例如26Al/10Be)可以作为一种地质时钟，测年范围在几十万a至5Ma。文中简要介绍了目前常用的4种方法及其应用:暴露-埋藏图解法、深度剖面法、等时线法以及26Al-21Ne和10Be-21Ne法。

宇宙成因核素 埋藏年龄测定 晚新生代 沉积物

0 引言

虽然已有多种测年技术用于晚新生代地质年代的测定，但对于数十万a至几Ma的沉积物，尤其是陆相碎屑沉积物，目前仍无可靠的绝对测年方法或技术可用来准确测定其年龄，只能借助一些间接的方法或技术来获得一些半定量或定性的地层年龄估计值。例如，磁性地层年代学方法只能给出地层剖面中极性界线的年代，但该方法要求所研究的沉积地层剖面是相对较连续的细粒沉积，且需要有独立的年龄控制点，并不适用于所有类型的沉积物测年。对于认识晚新生代地质环境演化过程，这一时段的沉积物年龄测定是十分重要和有意义的。这是晚新生代地质年代学研究中亟待解决的一个问题。加速质谱(AMS)技术的发展和宇宙成因核素埋藏年龄测定技术有可能为解决这个难题提供新的途径。

宇宙成因核素测年技术是在研究陨石中宇宙成因核素的基础上发展而来的，分为原地(insitu)生成宇宙成因核素测年和大气宇生核素测年。本文将重点介绍前者，即原地生成宇宙成因核素测年技术，是由Lal等(1985)首先提出来的。该测年分为暴露测年和埋藏测年，2种方法都能达到百万a的时间尺度。本文将介绍原地生成宇宙成因核素埋藏测年，此技术在缺少可用于K-Ar或Ar-Ar测年物质的地区，相对其他测年方法，具有得天独厚的优势，其有效测年范围为几十万a至5Ma(Granger et al.，2001a)，填补了铀系测年(测年范围至4万a)、14C测年(测年范围至5万a)和释光测年(测年范围至10万a)等测年方法的空区;测年对象是在各种地质环境中广泛存在的石英，易于采集。因此，该方法在晚新生代地质测年特别是干旱、半干旱地区陆相碎屑沉积物测年上有着广泛的应用前景。国内目前仅有少数学者开展了宇宙成因核素暴露测年技术方面的研究(黄费新等，2004;顾兆炎等，2006;Kong et al.，2009b)，对埋藏测年方面的应用研究则更少(Kong et al.，2009a;Shen et al.，2009)。

1 宇宙成因核素埋藏测年原理与方法

宇宙成因核素埋藏测年基于在同一岩石或矿物中的宇宙成因核素对是以固定比值生成的，但是这一核素对分别具有不同的半衰期。例如26Al-10Be核素对在地表石英矿物中的生成速率比值是固定的，不受纬度和海拔的影响(Granger et al.，2001a)。石英矿物在地表暴露一定时间后，被埋藏至不再受宇宙射线影响的深度，由于石英中的26Al和10Be核素分别具有不同的半衰期(10Be的半衰期为1.36Ma 或 1.387Ma、1.34Ma，而26Al为 0.716Ma 或 0.71Ma)，两核素浓度比值会随着时间而降低，据此可以用26Al/10Be比值来测定沉积物的埋藏年龄(Granger et al.，1997;Balco et al.，2008)。用加速器质谱测量埋藏沉积物中石英的26Al和10Be核素浓度，并计算其比值，就可以计算出相应沉积物的埋藏年龄。当然，在不同地质条件下，其计算原理与方法也不尽相同。目前有4种基本方法:暴露-埋藏图解法(Lal，1991;Granger et al.，1997;Granger et al.，2001a;Gosse et al.，2001)、深度剖面法(Granger et al.，2000;Granger et al.，，2001a;Wolkowinsky et al.，2004)、等时线法(Balco et al.，2008)以及26Al-21Ne 和10Be-21Ne 法(Balco et al.，2009)。

1.1 暴露-埋藏图解法

该方法是在Klein等(1986)的基础上发展而来的，Lal(1991)、Nishiizumi等(1991)对其进行了改进，Granger等(1997)首次把此方法应用到实例中。

此方法假定石英在地表暴露一段时间后被埋藏到不再受宇宙射线影响的深度，经过一段时间(t)后，26Al和10Be浓度分别为

式(1)中的NAl(t)和NBe(t)分别为经过t时间埋藏后的26Al和10Be的浓度;NAl(0)和NBe(0)分别为埋藏前26Al和10Be的初始浓度;τAl和τBe分别为26Al和10Be的平均寿命，其中τAl=(1.02 ±0.04)Ma，τBe=(2.18 ±0.09)Ma(Granger et al.，2001a)。在该式中有2 个未知量，初始浓度和埋藏时间。假定沉积物在埋藏前的侵蚀速率恒定，那么初始浓度可以由下式给出

式(2)中，PAl和PBe分别为地表石英中的26Al和10Be生成速率;E为埋藏前侵蚀速率;L为衰减长度。，其中I为宇宙射线原始能量，I为穿过厚为l的岩石后剩余的宇宙

0射线能量，l为射线的穿透长度。衰减长度与岩石密度、纬度以及海拔高度有关，通常L≈160gcm-2/ρ(Granger et al.，2001a)，ρ为上覆堆积物的密度。如何准确计算生成速率还存在争论，目前采用的几种计算模型为:Desilets(Desilets et al.，2003;Desilets et al.，2006)、Dunai(Du-nai，2000)、Lal(Lal，1991)以及 Stone(Stone，2000)。

联合式(1)和式(2)，可得

图1 暴露-埋藏图(Granger，2006)Fig.1 Exposure-burial diagram(Granger，2006).

若给出NAl(t)/NBe(t)和NBe(t)，就可以用图1直接得到埋藏年龄和古侵蚀速率E(Granger，2006)。用这种方法得到的年龄是最小埋藏年龄，因为沉积物有可能经历了复杂的暴露、埋藏历史，比如反复暴露和埋藏或者埋藏后核素生成没有停止等，也就是说沉积物可以经历不同的暴露、埋藏历史而达到相同的核素浓度。不过，通过谨慎选取采样点和利用其他的地质信息，也能得到真实的埋藏年龄。

1.2 深度剖面法

Granger(Granger et al.，2001a;Granger，2006)简要介绍了如何用该方法计算埋藏年龄。他认为如果沉积物埋藏仅几m深，那么在考虑核素衰减的同时还要考虑埋藏后生成的核素对埋藏年龄的影响。对于处于稳定侵蚀的沉积物来说，可以用下式计算出样品的埋藏年龄

其中Ninh为埋藏前的核素继承量，即埋藏前核素的浓度，z为埋藏深度，P为埋藏后的生成速率，ρ为上覆沉积物的密度，ε为埋藏后的侵蚀速率。式(4)中至少有3个未知量，埋藏时间t、核素埋藏前的浓度Ninh和侵蚀速率ε。因此，从单个样品中的2种核素是无法求出埋藏年龄的。但可以从一个垂直剖面上采集多个样品，假定所有沉积物是快速沉积的(沉积的时间明显小于核素在近地表生成足够浓度的时间或一个半衰期的时间)，那么剖面上不同深度的样品具有相同的年龄和侵蚀速率，这样就可以求出样品的埋藏年龄和侵蚀速率。

1.3 等时线法

Balco等(2008)详细介绍了等时线法。该方法假设被埋藏的沉积物具有相同的核素继承量;没有地表侵蚀，即侵蚀速率为零;沉积物在埋藏前暴露时间短，即不用考虑在埋藏前核素的衰减;上覆沉积物非常厚，即可以不考虑埋藏后生成的核素，那么样品的26Al和10Be浓度可以用下式表示

其中 NAl，inh和NBe，inh分别为暴露前26Al和10Be的继承量;te为沉积物暴露的时间;λAl和λBe分别为26Al和10Be的半衰期。联合式(5)和(6)，可得

其中，Rinit为埋藏时的26Al和10Be浓度比。根据上面的假设，Rinit应该为PAl/PBe。式(7)表示了NAl(t)和BBe(t)的线性关系，斜率RM为Rinite-t(λAl-λBe)。显然，斜率的大小只和埋藏时间有关。通过测量不同深度上样品的核素浓度，就可以求出这条线，进而得到斜率RM，最终用下式计算出埋藏年龄，详细计算过程见Balco等(2008)。

很多地质条件并不满足上述假设，往往侵蚀速率不为零，也有可能暴露时间比较长。Rinit取决于侵蚀速率和暴露时间，在上述假设条件下，该值应该为简单的核素散列生成之比。在实际应用中，可以利用不同的方法对Rinit进行校正和约束，评估侵蚀速率和暴露时间对Rinit的影响(Balco et al.，2008)。另外，应用等时线法的前提条件之一是样品具有相同的核素继承浓度。如果沉积物在堆积时具有明显不同的26Al和10Be继承浓度，那么所测的核素浓度就不会位于同一条等时线上。这也是对能否应用等时线方法的一种检验。

1.4 26Al-21Ne和10Be-21Ne法

以上3种方法，都是利用26Al和10Be核素对进行测年。Balco等(2009)首次提出用26Al-21Ne和10Be-21Ne法进行埋藏测年，运用了类似于暴露-埋藏图解的方法得到了由这2种核素对所计算的埋藏年龄。与26Al和10Be核素对法测年相比，26Al-21Ne和10Be-21Ne埋藏测年技术在测年范围和测年准确性上应该均有提高。10Be-21Ne埋藏测年有效测年上限有可能达到中新世。尽管沉积物中的21Ne相对于26Al和10Be更难以准确测量，但是21Ne属于稳定核素，不用考虑衰减造成的测量误差。总之，运用21Ne进行埋藏测年的总误差比26Al和10Be要小。尽管Balco 等(2009)根据26Al/10Be=6.75、21Ne/26Al=0.606、21Ne/10Be=4.08 这些核素间生成速率比值计算出的埋藏年龄具有很好的一致性，但是目前21Ne/26Al比值和21Ne/10Be比值并没有很好地确定(Balco et al.，2009)。因此，准确地确定这些核素生成比值和衰减常数对提高这种测年方法的精度是非常重要的。

2 宇宙成因核素埋藏测年应用实例

宇宙成因核素埋藏测年目前主要被应用于洞穴沉积物、冲积物、冰川相关沉积物和湖相沉积物的测年上。

2.1 洞穴沉积物埋藏测年

石英在剥蚀和搬运过程中，会受到宇宙射线的照射生成宇宙成因核素，在洞穴中沉积下来以后，就会被几十m甚至几百m的基岩屏蔽，宇宙成因核素停止生成，并开始衰减。假定沉积物在地表的侵蚀速率稳定，就可以用埋藏-图解方法计算出该石英的埋藏年龄。

目前，洞穴沉积物埋藏测年研究主要包括河流长期下切速率和古人类演化两个方面。Granger等(1997)首次把宇宙成因核素埋藏测年法应用在美国弗吉尼亚州新河(New River)流域的洞穴中。由于新河的下切作用，致使形成的洞穴高出现今河床。通过对洞穴中的石英砾石进行测年，得到新河第四纪以来的下切速率约为27m/Ma，与区域侵蚀速率相当。Granger等(2001b)采用同样的方法确定了美国肯塔基Mammoth多级洞穴的年龄，把洞穴的形成与气候环境进行了对比，最终确定了与Mammoth洞穴形成相关的7次事件，并认为这些事件与Laurentide冰盖的扩张和俄亥俄河水系的重新调整有关。Anthony等(2004)在美国田纳西对Cumberland河附近的洞穴用同样的埋藏测年方法进行了测年，认为洞穴的发展与气候变化和水系调整相关。Stock等(2004)对内华达山脉10个洞穴中的沉积物进行了埋藏测年，获得该地区在2.7～1.5Ma期间河流下切速率约为0.2mm/a，这一较快的下切速率可能反映了构造抬升;之后的下切速率仅约为0.03mm/a，这一较低的下切速率可能是由晚第四纪冰川融化造成的河道堵塞引起的。

洞穴中往往含有古人类化石，通过对洞穴中含有古人类遗迹的沉积物进行测年，可以揭示人类演化的历程。Partridge等(2003)对位于南非斯泰克方丹的洞穴进行了埋藏测年，结果表明该洞穴沉积物的年龄接近4Ma，这个年龄比以前用其他方法确定的年龄要大，由此认为洞穴中的古人类与东非的Australopithecus anamensis古人类是同期的。Shen等(2009)利用26Al-10Be测年技术对北京周口店古人类遗址中的洞穴沉积物石英和古人类的石英岩制品进行了年龄测定。3个石英砂样品和石英岩制品的埋藏年龄为 (0.77±0.08)Ma，对应于中国黄土-古土壤层中的S6-S7(或者MIS17-19)，可能反映了在一个相对温暖的冰期中，早期人类出现在了中国北方。该研究不仅弥补了早期周口店遗址铀系不平衡(U-series)和电子自旋共振法(ESR，electron spin resonance)等测年工作的不足，而且对中国古人类考古学提供了宝贵的资料;同时该研究也进一步证明，宇宙成因核素埋藏测年法是目前解决早、中更新世地层沉积年代最为有效的测年方法之一。

2.2 冲积物埋藏年龄测定

Wolkowinsky等(2004)利用深度剖面法研究了美国犹他州San Juan河的早更新世河流下切作用。他们研究了2个剖面的26Al-10Be对。第1个剖面深11.7m，采集了7个样品，利用X2法确定其埋藏年龄为(1.36+0.20/-0.15)Ma;第2个剖面深5.5m，采集了5个样品，由于其深度不够，所测得的核素浓度较分散，没有得到相应的埋藏年龄。

当河流阶地沉积物中发育古人类文化遗址时，河流阶地埋藏测年也可应用在古人类学研究中。Gibbon等(2009)用26Al-10Be埋藏测年技术研究了南非西部Windsorton镇附近Vaal河下游的阶地沉积物，这些沉积物中含有Acheulean人工石制品。虽然前人已对这个地区的人类遗址进行了研究，但是由于缺乏用于进行绝对年龄测定的火山沉积物，其年代一直无法很好地限定，因此在将这一人类遗址与其他人类遗址进行对比时尚存不少争议。Gibbon等(2009)获得剖面下部含有人工石制品的冲积物埋藏年龄为(1.57±0.2)Ma，其上覆冲积物埋藏年龄为(1.26±0.10)Ma，这与地层层序相符。这一结果推翻了前人认为Acheulean人在1Ma前严格地限制在非洲南部的北、东区域，只是后来才迁移到了更干燥的中、西部的观点。

2.3 冰川相关沉积物

由于冰碛物中缺少其他相关测年物质以及其他测年方法不能满足所测年代的要求，利用宇宙成因核素埋藏测年技术研究冰碛物或与冰期相关的沉积序列已逐渐成为一个重要手段(Balco et al.，2005a，b，c;Balco et al.，2008;Balco et al.，2009;Rovey et al.，2010)。

Balco等(2008)利用等时线法研究了美国密苏里州的冰碛物-古土壤序列。该序列由5期冰碛物和古土壤组成，冰碛物代表了冰进，而古土壤则代表了间冰期，同时也是宇宙成因核素产生和积累的时期。古土壤被上覆的冰碛物埋藏后，放射性核素就开始衰减。Balco等(2008)利用等时线法确定了冰碛物古土壤的年龄，这也是下次冰进的起始时间，其测年结果与地层层序相符，剖面底部埋藏年龄与磁性地层年代相一致，说明密苏里在距今1.25Ma、0.8Ma发生了2次冰进事件以及在距今0.4～0.2Ma也发生了2次冰进事件。

2.4 湖相沉积物

对于长江的贯通和演化过程以及昔格达组湖相沉积的年代目前尚存争论(陈智梁等，2004;钱方等，1984;王书兵等，2006;徐则民等，2011)。Kong等(2009a)利用10Be-26Al埋藏测年法成功地获得了长江中游攀枝花地区广泛分布的昔格达组湖相地层及其下伏河床相砾石的年龄。4个湖相沉积和2个河床砾石石英样品的26Al/10Be比值相近，为3.34～4.01，其最小埋藏年龄变化于1.14～1.53Ma。以10Be浓度为横坐标、26Al浓度为纵坐标作图，所有样品的数据均落在一条直线上，这表明几乎没有埋藏后生成的核素26Al和10Be。利用线性回归，获得其沉积年龄为 (1.34±0.11)Ma(假定沉积物样品沉积埋藏后完全屏蔽)和(1.58±0.15)Ma(假定侵蚀速率为零)。对这些湖相沉积物和河流相砂样中锆石U-Pb年龄的分析，发现其物源来自长江上游和长江支流雅砻江。Kong等(2009a)认为在昔格达组古湖形成前，长江中段的流向与目前的流向可能相反，由于程海断层在早第四纪的左旋走滑运动阻断了南流的红河及长江上游，形成了昔格达组古湖。长江最终切穿溢洪道开始东流。该项研究为讨论和解决长江的演化问题提供了新思路和新手段。尽管Kong等(2009a)首次利用26Al-10Be埋藏测年法获得了昔格达组湖相地层的埋藏年龄，但由于缺少其他独立年龄的约束，其结果尚需进一步的验证。

Davis等(2011)用宇宙成因核素埋藏测年法研究了以色列Jordan谷地的Erk-el-Ahmar(EEA)湖相地层。该湖相层的时代已有其他独立年代来约束。根据该湖相层上覆含古人类遗迹和动物群的Ubeidiya地层年代、下伏Cover玄武岩的Ar-Ar和K-Ar年龄以及EEA湖相层磁性地层年代学研究，EEA湖相层的年龄应该在(1.5～4.5)Ma。Davis等(2011)利用10Be、26Al和21Ne 3种核素计算了EEA湖相层的埋藏年龄，为3.15～4.5Ma。他们发现该湖相层样品中不同来源的石英和燧石其埋藏年龄是不同的，并对此进行了校正，最终得到了该地层的埋藏年龄为3.60～4.19Ma，这与其他方法得到的结果是一致的。

3 存在的问题及展望

以上简要介绍了宇宙成因核素埋藏年龄测定的原理与方法以及迄今为止不同研究者的应用研究成果。不难看出这种测年方法和技术目前还存在不少有待解决的问题:

(1)关于26Al-10Be核素对在地表石英矿物中的生成速率比值尚有不同认识，例如Balco等(2009)认为26Al/10Be=6.75，而Kong等(2009a)认为26Al/10Be=6.87，这是由于两者采用的26Al和10Be半衰期不同造成的。例如关于10Be的半衰期不同时期有不同的报道，分别为 (1.51±0.06)Ma(Granger，2006)或 (1.36 ±0.07)Ma(http:∥www.physics.purdue.edu/primelab/News/news 0907.php)或 1.34Ma(Nishiizumi et al.，2007;Fink et al.，2007)。显然随着技术的发展，宇宙成因核素半衰期的测定将会更为准确。

(2)如何准确计算生成速率还存在争论(Lal，1991;Stone，2000;Dunai，2000;Desilets et al.，2003;Desilets et al.，2006)，因为核素的生成速率受地磁纬度、经度、海拔高度、宇宙射线通量的变化以及地形的影响(Gosse et al.，2001)。

(3)在具体应用该方法进行地学研究时，还必须考虑沉积物在埋藏前后的侵蚀速率、核素的继承浓度、埋藏后的核素生成量、μ介子在埋藏前后的影响、沉积物的后期改造以及沉积物复杂的暴露-埋藏历史等。这些因素都给宇宙成因核素埋藏测年带来了挑战和不确定性。要解决这些问题，各种理论模型的建立以及其它核素的引入，将会不断降低上述不确定因素带来的困扰。

(4)不同类型沉积物宇宙成因核素埋藏测年的可靠性到底如何，很难从这种测年技术本身来评估。因而亟需选择具有其他独立年龄控制的不同类型沉积剖面，开展类似于Davis等(2011)的细致研究，检验和完善实验流程和技术，提高测年的精度和准确度。

迄今为止，宇宙成因核素埋藏测年技术不仅被应用在研究河流下切速率、古人类学以及冰川作用中，在其他领域的研究也正方兴未艾(Bubank et al.，2010，私人通讯)。由于该方法对于数十万a至几Ma的沉积物尤其是陆相碎屑沉积物测年具有巨大潜力，我们相信宇宙成因核素埋藏测年技术将在中国早期人类演化的一些悬案如元谋人、蓝田人等的年代，晚新生代西域砾岩、大邑砾岩、玉门砾岩等的年代，长江、黄河的贯穿与演化等地学问题以及新构造研究中将大有所为。

致谢 在成文的过程中与卢演俦老师进行了有益的讨论，感谢评审人提出的建设性评论和修改建议。

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TERRESTRIAL IN SITU COSMOGENIC NUCLIDES BURIAL DATING AND ITS APPLICATION IN GEOSCIENCES

YUAN Zhao-de CHEN Jie ZHANG Hui-ping
(State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Administration，Beijing 100029，China)

Terrestrial in situ cosmogenic nuclides burial dating has a promising application in dating of late Cenozoic detrital sediments，for example，cave sediments，fluvial sediments and moraine.This method relies on a pair of cosmic-ray-produced nuclides that are produced in the same rock or mineral target at a fixed ratio，but have different half-lives.For example，26Al and10Be are produced in quartz at26Al:10Be=6.75:1.The ratio is not affected by latitude and altitude.After sediments are buried，the ratio would become less as time goes.Therefore，26Al/10Be ratio can be used as a geological clock.The dating range can be from several hundreds of thousand years to five million years.In this article，we introduce four methods and their applications:exposure-burial diagram method，depth profile method，isochron method，26Al-21Ne and10Be-21Ne method.Exposure-burial diagram method is often applied to cave sediments dating，for exposure-burial history of cave deposits is easy.Depth profile method is applied to fluvial sediments dating.There is a good application for isochron approach in till-paleosol sequences in North America.26Al-21Ne and10Be-21Ne method has a great potential applicaton in future for its larger dating time and less uncertainty than other methods.The dating method still has many problems.Firstly，there are no exact half-lives.For example，there is still controversy for10Be half-life.Its estimate is 1.51 ±0.06Ma or 1.36 ±0.07Ma.Secondly，it is also a debate how to determine nuclides'production rates.In addition，post-burial or preburial erosion rate，inheritance nuclides concentration，post-burial nuclide production，effect of post-burial or preburial muonic production，sediment rework，complicated exposure-burial history of sediments all bring great challenges to cosmogenic nuclides dating.

Terrestrial in situ cosmogenic nuclides， burial dating，late Cenozoic cave river downcutting，paleoanthropology

P597

A

0253-4967(2011)02-0480-10

10.3969/j.issn.0253-4967.2011.02.021

2011-03-05收稿，2011-04-23改回。

地震动力学国家重点实验室自主研究课题(LED2010A04)、国家自然科学基金(40672109)和科技部国际科技合作计划项目(2008DFA20860)共同资助。

* 通讯作者:陈杰，研究员，E-mail:chenjie@ies.ac.cn。

袁兆德，男，1986年出生，2009年毕业于成都理工大学地质学系，现为中国地震局地质研究所硕士研究生，研究方向为活动构造与年代学，电话:010-62009243，E-mail:yzd19862922@163.com。