气候变化与构造运动是山前砾石层形成与进积的主要控制因素^[1],砾石层堆积所反映的地表快速侵蚀过程可以为研究地貌演化、 构造运动和气候变化提供重要证据^[2]。在青藏高原北缘地区塔里木盆地周缘、 天山和昆仑山山前盆地中,广泛发育和出露了一套晚新生代砾石沉积,即西域砾岩,其作为晚新生代地层的重要部分,主要由巨厚层、 冲-洪积相砂砾石层组成^{[3, 4]}。大量研究表明,其形成与进积反映了青藏高原北缘构造抬升导致的地表剥蚀,以及由气候剧变引起的源区侵蚀作用二者加速的共同作用^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22]}。因此对这套晚新生代地层的研究可以为青藏高原北麓晚第三纪到更新世隆升提供重要的构造和气候信息。

西域砾岩作为一个地层单位最早见于20世纪40年代黄汲清等对塔里木盆地北缘、 天山南麓库车地区新生代地质调查^[23]。对于其成因和时代的研究一直是学术界的热点,其成因目前主要有两种观点:Zhang等^[13]认为西域砾岩堆积是发育于第三纪红层之上一套上新世晚期至第四纪的磨拉石建造,是晚新生代全球气候变冷和气候从稳定状态变至大幅度、 高频率动荡状态的产物； Sun等^[16]研究认为天山山前早更新世的西域砾岩是第四纪冰川作用(气候变冷)与新构造运动共同作用下的产物。对西域砾岩形成时代的研究主要是通过古生物化石和磁性地层学方法: 早在20世纪70年代在安集海剖面的西域砾岩层底部曾发现早更新世的三门马化石^[24],之后不同学者对多个西域砾岩地点开展了磁性地层学研究^{[5, 8, 11, 14, 16, 17, 19, 20, 21, 25]}。陈华慧等^[25]对北天山独山子剖面的磁性地层学研究认为西域砾岩的底界年龄为2.9Ma,Sun 等^{[16, 17]}对同一地区西域砾岩剖面的研究显示其底界正好位于松山和高斯极性期的界线位置,由此得出其底界年龄约为2.58Ma； Charreau等^[26]对该地区奎屯剖面的磁性地层学研究则认为西域砾岩的底界年龄约为4.8Ma。腾志宏等^[5]对南天山山前库车河剖面西域砾岩的研究认为其堆积时间跨度为3.4-1.5Ma。Zheng等^[11]对帕米尔-西昆仑山前的叶城剖面的研究显示西域砾岩的起止时代约为3.5-1.8Ma。陈杰等^{[7, 8, 14]}对塔里木盆地西北缘西南天山山前的多个剖面的西域砾岩进行了磁性地层学研究,其中博古孜河剖面,底界磁性地层学年龄约为1.9Ma,明尧勒和喀什西两个剖面西域砾岩的起始沉积时间约为1.6Ma； Charreau 等^[21] 和 Huang等^[20]对塔里木盆地库车坳陷内亚哈剖面的磁性地层学研究均认为该地区西域砾岩开始堆积的时间约为1.7Ma。另外,近年来国外还有学者通过对有磁性地层学年龄控制的西域砾岩剖面沉积物的¹⁰ Be浓度分析来研究古侵蚀速率^[22]。尽管不同学者对不同地区的西域砾岩开展了大量的磁性地层年代测定工作,但对于西域砾岩这套标志性地层堆积的底界年龄和时间跨度尚不十分明确。

目前对晚新生代砾石层的测年主要采用地层对比、 古生物化石或磁性地层学的方法。其中,古生物地层学方法是研究地层中古生物化石动物群组成,其可以作为判断化石出土层位地层时代的标志^[27],但化石在砾石层中往往不易保存,所以在野外通过寻找动物化石来判断砾石层年代带有很大的偶然性； 磁性地层学方法是通过将地层剖面整个沉积过程内所记录的地磁场反转序列即磁性地层与标准地磁极性年表做对比来获得地层剖面的年代框架^{[28, 29, 30, 31, 32]}。由于磁性地层学测年的对象主要为细粒沉积物,在对砾石剖面进行测年时只能对砾石层中夹杂的细粉砂做采样分析,或采用地层追踪的方法在周边区域寻找与砾石地层相当的细粒地层开展磁性地层研究,因此在缺乏细粒沉积夹层的剖面中年代学工作难以展开。同时,对于可能存在沉积间断或缺失的砾石地层,磁性地层学年代结果可能难以令人信服。另有一些沉积物测年方法如电子自旋共振法(Electron Spin Resonance,简称ESR)主要是针对经过日光暴晒的风成或水成砂质沉积物进行测年^{[33, 34]},但样品测年信号是否归零难以准确评估^[35]。因此,直接对西域砾岩中快速堆积的砾石样品开展年代学研究就需要寻找一种更可靠的测年手段。而宇宙成因核素埋藏测年方法能够直接对砾石样品进行年代测定,是一种颇具潜力的地质同位素测年方法。本文即是对宇宙成因核素 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年应用于西域砾岩堆积年代学研究的一次探索与尝试。

宇宙成因核素 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年方法是近年来发展和完善起来的一种同位素测年方法^{[36, 37, 38, 39, 40, 41, 42]}。地表矿物在暴露期间形成的 ²⁶ Al和 ¹⁰ Be在地表岩石被后期沉积物埋藏后开始衰变,由于 ²⁶ Al的半衰期约为 ¹⁰ Be 的一半^{[43, 44]},所以二者核素含量比值会随埋藏时间增加呈指数规律下降。由于样品中 ²⁶ Al和 ¹⁰ Be初始核素含量比与地表产率之比(约为6.75)基本一致^{[45, 46, 47, 48]},所以通过测定被埋藏石英矿物中 ²⁶ Al和 ¹⁰ Be的含量比就可以计算出样品的埋藏时间^{[39, 49]}。根据目前加速器质谱(AMS)的测量极限,²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年方法最老可测到大约5Ma^[45],由于 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年的理想材料是地层中广泛分布的石英矿物,这就为研究上新世以来沉积物埋藏事件的年代提供了可能。目前将 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年方法应用于地貌演化和早期人类遗址年代研究已多有成果报道^{[38, 50, 51, 52, 53, 54]}。Kong等^[51] 用该方法测定金沙江流域昔格达组湖相沉积地层的沉积时间为1.34Ma； Shen等^[53] 对周口店第1地点下部地层的 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏研究将“北京人”的生存时代提早了30万年； Erlanger等^[55] 利用埋藏测年得到南非德班Greenwood公园附近海成阶地上采集的砾石样品的等时线年龄约为4.26Ma。以上这些国内外的研究表明 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年方法可以应用于第四纪早期及上新世沉积物样品的定年。

研究区位于我国塔里木盆地西缘帕米尔高原-西昆仑山北麓的前陆盆地边缘,区内发育有巨厚的晚新生代磨拉石建造,其构造变形记录了青藏高原隆升和陆内造山运动形成与演化的全过程^{[56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66]}。本研究的埋藏测年样品分别采自流经该区的盖孜河右岸山前的亚勒马剖面(39°03′N,75°35′E) 与奥依塔克河右岸的西域砾岩剖面(38°58′N,75°26′E) ( 图1,图2)。其中,亚马勒剖面采集的两个样品YML-1-CB和YML-4-CB位于西域组砾岩上部,两采样点之间相距约2km,地层倾角＜10°。剖面沿盖孜河整体大致呈南北走向。采样位置均位于剖面被切割出的深谷底部,实测埋深分别为48m和106m。奥依塔克河畔的1个西域砾岩混合砾石样品(OYTK-1-CB)采集自帕米尔主断裂(MPT)附近的生长地层底部。每个样品均采集了5-6kg含石英矿物的小砾石,其中在亚马勒剖面采集样品YML-1-CB的同一层位还分别采集了4块石英含量较高的单个石英大砾石样品(YML1-C,YML1-D,YML-F和YML1-G)。

图1(Fig.1)

图1 研究区(a)与西域砾岩采样点(b)地理位置 Fig.1 Location of studied area (a) and sampling sites (b) of Xiyu conglomerate

图2(Fig.2)

图2 亚马勒剖面西域砾岩剖面采样点照片(a,b)和奥依塔克西域砾岩采样点照片(c,d) Fig.2 Photos of Xiyu conglomerate sections from Yamale site (a,b) and Oytake site (c,d)

样品的初步石英提纯工作在中国地震局地质研究所新构造年代学实验室进行。砾石样品首先进行粉碎并筛选出砾径为0.25-0.50mm的颗粒。首先用盐酸去除其中的碳酸盐类矿物,再用5 ％ 的硝酸和氢氟酸混合酸去除石英矿物表面的大气成因 ¹⁰ Be和大部分长石矿物。最后采用偏钨酸锂重液分离出石英中混杂的重矿物和轻矿物以及暗色石英矿物(²⁷ Al含量较高)。提纯后石英矿物的Al含量在美国普度大学进行了ICP-OES测试,对Al含量达到150 ppm以下的样品进行了Be-Al化学分离: 首先用5 ︰ 1的浓氢氟酸和硝酸混合酸溶解加入 ¹⁰ Be载体后的石英样品,取2ml溶解后的样品溶液用于ICP-OES Al含量精确测量； 溶解后的样品溶液先后加入浓硫酸和浓盐酸并蒸干使Be和Al转化为可溶性盐类,加入浓NaOH溶液调节pH=14使样品溶液中的Fe和Ti沉淀,再调节溶液pH=8沉淀Be和Al的氢氧化物,用草酸溶解沉淀并过阴阳离子柱以分离Be和Al,过柱后的溶液再分别调pH=9和pH=8沉淀Be和Al的氢氧化物,高温灼烧使其转化为Be和Al的氧化物。在氧化物粉末中分别混入铌(Ni)粉和银(Ag)粉制备成靶样用于加速器质谱(AMS)测量。AMS测量在美国普度大学物理系PRIME Lab实验室完成。具体测试结果见 表1。

表1(Table 1)

表1 亚马勒和奥依塔克西域砾岩样品 26Al/10Be测试分析数据和年龄结果*Table 1 The 10 Be and 26 Al concentration and simple burial ages of Xiyu conglomerate samples from Yamale and Oytake sites 样品编号Sample 纬度Latitude/°N 经度Longitude/°E 海拔高程Elevation/m 埋深Burial depth/m 10 Be 浓度Concentration/×103 atoms ·g-1 26 Al 浓度Concentration/×103 atoms ·g-1 26Al/10Be 埋藏年龄Burial age/Ma YML-4-CB 39.04 75.59 1694 106 9.94±0.62 5.00±7.21 0.50±0.73 5.40＋∞/-1.86 OYTK-1-CB 38.97 75.43 1891 65 7.32±1.00 20.09±19.24 2.74±2.66 1.87＋7.12/-1.41 YML-1-CB 39.05 75.59 1591 48 12.74±1.93 38.49±30.25 3.02±2.42 YML1-C 39.05 75.59 1591 48 6.17±0.80 13.58±5.56 2.20±0.95 2.11＋0.60/-0.46 YML1-D 39.05 75.59 1591 48 7.29±1.01 18.58±14.61 2.55±2.03 (加权平均) YML1-F 39.05 75.59 1591 48 5.18±0.74 22.65±17.79 4.37±3.49 (weighted YML1-G 39.05 75.59 1591 48 22.31±1.19 44.09±18.04 1.98±0.82 *样品上覆堆积物密度为约2.5g/cm3； AMS测量 10 Be和 26 Al采用的标样分别参见文献[43, 46]； 加权平均年龄由YML-1-CB、 YML1-C、 YML1-D、 YML1-F和YML1-G共5个样品 26Al/10Be比值加权平均后计算求出

表1 亚马勒和奥依塔克西域砾岩样品 26Al/10Be测试分析数据和年龄结果* Table 1 The 10 Be and 26 Al concentration and simple burial ages of Xiyu conglomerate samples from Yamale and Oytake sites

根据Granger和Muzikar^[39]提出的 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年简单埋藏模型,样品在埋藏时间t过程中积累的 ²⁶ Al和 ¹⁰ Be核素浓度N_Al(t)和N_Be(t)可以分别表示为:

公式(1)和(2)中,N_Al(0)和N_Be(0)表示样品在埋藏前的初始核素浓度,λ_Al和λ_Be分别为 ²⁶ Al和 ¹⁰ Be的衰变常数,如果将样品在埋藏时间t的 ²⁶ Al和 ¹⁰ Be的核素浓度比N_Al(t)/N_Be(t)与初始核素浓度比N_Al(0)/N_Be(0)分别用R_t和R₀表示,则通过联立公式(1)和(2)得到样品的埋藏年龄(t)可以表示为:

如果样品在埋藏过程中由于埋深不足以屏蔽宇宙射线的作用而继续有核素生成,那么公式(3)给出的只是样品的最小埋藏年龄。样品在埋藏后期生成的核素可能由两种情况产生: 一种是由于样品上覆堆积物沉积速率较慢所致,另一种是由于剥蚀作用所导致的样品埋深变浅。本研究中所分析样品的埋深均大于30m( 表1),在这样的埋深条件下即便是穿透能力很强的μ介子的作用也几近停止,故可以忽略后期剥蚀作用对测年结果的影响。另一方面,前人研究显示,喀什盆地一带的上新世-早更新世西域砾岩的堆积速率大约在400-1000m/Ma 之间^{[14, 67, 68, 69]}。如果我们以这一地区的最高沉积速率1000m/Ma 进行计算,埋深达到30m仅需大约30ka,而如果采用最低400m/Ma 的沉积速率,则需要约75ka达到30m埋深,此时埋藏后期生成核素对年龄计算的影响也小于5 ％ ,所以对于沉积速率较高的本研究区,采用公式(3)计算出的最小埋藏年龄接近样品的实际年龄。

需要指出的是,尽管本研究中单个样品的测量数据误差较大,尤其是 ²⁶ Al测量误差均大于40 ％ ,给出的埋藏年龄误差较大,但对于年龄较老的样品,在一定的置信程度上,可以获得年龄可能分布的范围。其中,亚马勒剖面西域砾岩下部样品YML-4-CB的 ²⁶Al/¹⁰Be比值误差>100 ％ ,其年龄>3.5Ma,置信程度可达84 ％ ； 另一处奥依塔克剖面西域砾岩样品(OYTK-1-CB)的埋藏年龄在0.46-7.12Ma(置信区间68 ％ )。对于来自同一地层层位的样品,由于单个样品年龄误差较大,进行等时线年龄计算是不可靠的,但通过多个样品方差加权平均理论上可以提高测年精度。亚马勒剖面西域砾岩上部5个同层样品的加权平均年龄为2.11＋0.60/-0.46Ma。

目前西域砾岩形成时代的磁性地层学研究主要集中在西南天山与天山北麓一带^{[5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]},对西昆仑山北麓分布的晚新生代西域砾岩堆积尚缺少详细的磁性地层学研究。但根据多数学者对天山地区的研究,西域砾岩堆积的形成时代大致在上新世至早更新世,确定这一时段内砾石堆积形成的绝对年代,目前除 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年方法外几乎没有其他的同位素测年方法,但针对某些特定地区,可以采用K-Ar或Ar-Ar方法对西域砾石层上部和下部的火山岩层定年(赵志军,个人交流)； 如果同一地层沉积中含有碳酸盐矿物还可以利用U-Pb方法进行定年。 另外,对于一些灰岩含量较高的西域砾岩分布地区,在开展石英 ²⁶Al/¹⁰Be测年的同时还可以对灰岩中的另一种宇宙成因核素 ³⁶ Cl进行分析,通过 ¹⁰ Be-³⁶ Cl核素对对灰岩定年^[70]。这些方法在今后的研究中可以用来检验西域砾岩中石英矿物 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年结果的可靠性。

通过对新疆喀什地区周边分布的西域砾岩的采样和分析,我们发现将 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年方法应用于该套砾石堆积地层的年代学研究中存在一些难点和问题:

(1)由于研究区的西域砾岩属于快速剥蚀堆积的产物,所以样品在最后一次埋藏前累积的 ¹⁰ Be和 ²⁶ Al的核素含量相对较低,加之目前 ²⁶ Al的加速器质谱(AMS)测量精度与 ¹⁰ Be相比较低,导致本文样品的测量误差较大(约50 ％ ->100 ％ ),并严重影响测年结果的精度。

(2)由于西域砾岩堆积具有穿时性,在一些地区西域砾岩底界砾石样品的埋藏时间可能已接近或超出 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年的测年时限(约5Ma)(例如本研究中的样品YML-4-CB),所以在一定程度上限制了 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年方法对不同地区西域砾岩堆积年代学研究的适用性。Balco和Shuster^[71]提出可以通过引入第三种核素 ²¹ Ne来扩展 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年的测年范围,其中 ²¹ Ne与 ¹⁰ Be核素对的埋藏测年时限可扩展至15Ma。

(3)砾石样品中含较高的稳定同位素²⁷ Al含量,降低了 ²⁶ Al/²⁷ Al的测量精度。同时由于一些地区西域砾岩的母岩成分比较复杂,样品中Ti、 Mg、 Ca、 Mn等元素的含量较高,对Al和Be的化学分离及AMS测量产生干扰,进而影响了测年精度。

(4)本研究中我们在计算样品年代时采用了简单埋藏模式,即假设样品剥露于地表后被快速深度埋藏。但实际情况中样品可能会经历多次暴露和埋藏,Balco 和 Rovey^[47]提出的等时线方法是在同一层位采集分析多个样品,通过将它们的核素浓度拟合成等时线,从其斜率解得样品的埋藏年龄。虽然等时线法可以剔出暴露埋藏史不同的砾石样品,并规避埋藏后生成核素的影响,从而获得比采用简单埋藏模式更为可信的年龄,但在同层采集的多块砾石的核素浓度测量误差需较小且要有一定差异才能保证等时线的拟合精度,由于本研究中亚马勒剖面样品 ²⁶ Al的测量误差较大,加之部分样品的核素浓度比较接近,故无法采用等时线方法。

目前对于西域砾岩的 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年在很大程度上受到AMS测量精度的制约。随着AMS测试技术的发展及制样技术的改进,例如通过引入充气磁铁可以在消除同重核素²⁶ Mg对 ²⁶ Al测量干扰的同时获得更佳的离子束流强度,这将会极大地改善 ²⁶ Al的测年精度^[72]。另外,通过对第三种核素的分析,也可以使我们对西域砾岩这类砾石样品的搬运和堆积历史有更清楚地认识。

本文尝试通过 ²⁶Al/¹⁰Be埋藏测年方法获得了帕米尔高原-西昆仑山北麓前陆盆地边缘两处西域砾岩剖面的时代,其中亚马勒剖面西域砾岩上部砾石样品的加权平均年龄为2.11＋0.60/-0.46Ma,下部埋藏年龄>3.5Ma； 奥依塔克剖面生长地层底部西域砾岩的埋藏年龄约为0.46-7.12Ma,表明西域砾岩堆积具有穿时性。本文工作是对西域砾岩年代学研究的一次尝试和探索。样品宇宙成因核素浓度低、 测量误差大,可能是源区剥蚀较快、 砾岩样品在埋藏前积累的核素浓度较低造成。但对于同一层位的多个样品,采用加权平均的方式可以减小误差,获得具有地质意义的年龄。尽管本文工作尚不能为西域砾岩提供精确的年代学框架,但随着宇宙成因核素测试技术的发展和其他核素的引入,宇宙成因核素埋藏测年对确定我国西北地区普遍分布的山前砾石堆积年代仍具有广泛的前景。

致谢 顾兆炎研究员对本文工作进行了指导并给予较大的帮助,Darryl Granger教授协助测量了本文的样品并讨论了数据结果,沈冠军教授和其他审稿专家对本文工作提出了宝贵意见和修改建议,李涛和刘浪涛在野外和室内工作上给予了帮助,在此一并感谢。