表生含鉀礦物40Ar／39Ar年代學(xué)研究及其古氣候意義探討

楊 靜

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

表生含鉀礦物40Ar／39Ar年代學(xué)研究及其古氣候意義探討

楊 靜

（中國地震局地質(zhì)研究所，北京100029）

對于中國西北部地區(qū)干旱化的時間及原因，國內(nèi)外的科學(xué)家進(jìn)行了大量的研究，但是現(xiàn)在還存在激烈的爭論。黃鉀鐵礬等含鉀硫酸鹽礦物通常形成于干旱-半干旱氣候條件下，并保存于極端干旱氣候條件下，因此對這類礦物進(jìn)行40Ar／39Ar定年，不僅可以得到大陸化學(xué)風(fēng)化的時間序列，還可以反演區(qū)域的古氣候特征。本文通過對吐哈盆地2個礦床氧化帶：紅山銅金礦床和彩華溝銅-硫多金屬礦床中表生含鉀硫酸鹽礦物40Ar／39Ar定年的研究，探索和驗證了風(fēng)化礦物黃鉀鐵礬、斜鉀鐵礬等用于40Ar／39Ar定年研究的適用性和可行性，建立了樣品的前處理流程和實驗測試流程。結(jié)合這類礦物的形成條件和環(huán)境，分析了吐哈盆地的古氣候和古環(huán)境，為中國西北部吐哈盆地干旱環(huán)境演化提供了年代學(xué)證據(jù)。主要取得以下認(rèn)識：

建立了樣品的前處理流程和實驗測試流程：首先在雙目鏡下對樣品進(jìn)行觀察，以了解其礦物組成和共生關(guān)系、以及是否有原生礦物（如伊利石、斜長石等）的混染。將樣品破碎到0.2～2mm，在雙目鏡下挑選2～3g純凈的礦物顆粒。在進(jìn)行40Ar／39Ar同位素分析之前先進(jìn)行X衍射分析、掃描電鏡分析，以檢查樣品的純凈度、組成、粒度大小和結(jié)晶度。樣品經(jīng)過X衍射分析、掃描電鏡分析確定所挑選的樣品純凈后，從中挑選大約20～30mg的礦物，將其與中子通量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)樣品一起進(jìn)行快中子照射。經(jīng)過一段時間的放置再用于40Ar／39Ar分析。在40Ar／39Ar分析時，礦物加熱析出的氣體經(jīng)過-130℃的冷阱和兩個鋯鋁泵（分別為室溫和400℃）的純化，再進(jìn)入質(zhì)譜進(jìn)行分析；然后用ArArCALC處理數(shù)據(jù)得到年齡。

根據(jù)擴散理論，應(yīng)用階段加熱的方法對一種新的含鉀礦物斜鉀鐵礬進(jìn)行Ar的擴散特性研究，在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用簡單的內(nèi)生長—擴散模型模擬了可能的高地表溫度和礦物顆粒大小對樣品年齡的影響。實驗結(jié)果表明，斜鉀鐵礬中Ar的擴散頻率因子logD0／a2＝13.71／s，活化能Ea＝71.30kcal／mol，封閉溫度Tc為294℃（假設(shè)冷卻速率為10℃／Myr），活化能和封閉溫度較高。而且，模擬結(jié)果表明斜鉀鐵礬形成后，在外界環(huán)境下溫度和礦物顆粒大小對年齡也幾乎沒有影響。在誤差范圍內(nèi)重復(fù)性測試結(jié)果基本一致，約3.3Ma，進(jìn)一步證明斜鉀鐵礬適用于40Ar／39Ar定年。

對一個黃鉀鐵礬樣品的3個子樣品進(jìn)行了40Ar／39Ar定年：每個子樣品的坪年齡與反等時線年齡、概率分布年齡基本一致，及這3個子樣品年齡的重現(xiàn)性再次證實了40Ar／39Ar定年技術(shù)可以對表生含鉀硫酸鹽礦物進(jìn)行年齡測定，并且其年齡是其真實的沉淀時的年齡。通過測得的紅山銅金礦床的風(fēng)化礦物的年齡，可以看出硫酸鹽礦物從上到下生成年代逐漸變新。根據(jù)風(fēng)化剖面的高程與對應(yīng)位置風(fēng)化礦物的年齡的關(guān)系就可以計算出風(fēng)化前鋒的拓展速率。這樣計算得到氧化帶中中新世到早上新世期間風(fēng)化前鋒的平均拓展速率約為2.92m／Ma。

通過對中國新疆吐哈盆地的2個硫化物礦床氧化帶（紅山銅金礦床和彩華溝銅-硫多金屬礦床氧化帶）中含鉀硫酸鹽礦物進(jìn)行40Ar／39Ar定年，得到了高精度的年齡，范圍在30.3Ma～3.3Ma。結(jié)合其他學(xué)者測得的K-Ar年齡，我們認(rèn)為在中國西北部地區(qū)，在漸新世以來經(jīng)歷了較長時間的風(fēng)化作用和表生氧化作用，但是各個時期的強度是不同的。對得到的礦物年齡做的一個概率分布，表明吐哈盆地可能在漸新世早期就已經(jīng)出現(xiàn)干旱半干旱氣候；在中新世，10.5～7.3Ma年齡出現(xiàn)的概率達(dá)到最大，表明這期間一直盛行干旱-半干旱氣候條件，之后氣候開始逐漸向極端干旱氣候轉(zhuǎn)變。4～3.3Ma斜鉀鐵礬的出現(xiàn)代表了4～3.3Ma之后的一次干旱化增強事件。

需要進(jìn)一步開展的工作：繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)的野外采樣，爭取采集被開挖出來的完整的氧化帶剖面，以確保獲得比較完整的年齡數(shù)據(jù)庫。由于采集的黃鉀鐵礬樣品中的K部分會被Na替代，造成含鉀量較低，如何能尋找到含鉀量高的黃鉀鐵礬是一個難點。對于原生礦物的混染，進(jìn)一步嘗試用HF對黃鉀鐵礬進(jìn)行前處理分離得到純凈的礦物。

風(fēng)化40Ar／39Ar年代學(xué)；表生含鉀礦物；干旱-半干旱；吐哈盆地

（作者電子信箱，楊靜：yangjing822822＠gmail.com）

P532，P597；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2014.06.010