张亮亮、卫端等：碳酸盐激光U-Pb定年方法及在断裂活动中的应用

发布时间：2023-06-02     作者：    阅读：498次

 碳酸盐矿物作为原生或次生矿物广泛分布于各种地质环境中，记录了各种地质作用的信息，包括成岩作用，断层活动，成矿过程和岩浆作用等。因此，对碳酸盐矿物的直接定年对理解地表和地球动力学过程就显得十分重要。碳酸盐矿物含有少量的U元素，使得U-Pb定年成为可能。早期的碳酸盐矿物U-Pb定年主要采用热电离质谱（TIMS）或多接收电感耦合等离子体质谱（MC-ICPMS）溶液方法进行测定。但是，溶液方法耗时长、成本高，在进行碳酸盐定年时成功率极低，再加上溶液方法是对整个矿物进行溶解，空间分辨率较差，这些因素都使得溶液碳酸盐U-Pb定年技术并没有被广泛应用。

 激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICPMS）技术相比溶液方法具有快速，经济，分辨率高等优势，近年来在原位单矿物U-Pb定年领域取得了极快的发展。2014年，该项技术被首次应用于化石中的方解石胶结物U-Pb定年，进而使得该技术在解决一系列地质问题中得到了广泛应用。但是碳酸盐矿物中的U含量普通低，且具有高或变化的普通Pb，对采用质谱仪器直接测试带来了巨大挑战。

 针对这一科学问题，中国地质大学（北京）科学研究院张亮亮副研究员和朱弟成教授及合作者，通过利用科学研究院矿物激光微区分析实验室（Milma Lab）的高能量准分子激光剥蚀系统与多接收等离子体质谱仪联用（LA-MCICPMS）。采用网格法预先筛样的方式（图1），建立了LA-MC-ICPMS碳酸盐矿物原位U-Pb定年方法，显著提高了方法的成功率和分析效率。对WC-1，DuffBrown，PKC-1，JT和ASH-15等国际参考标样进行方法验证，都得到了很好的结果（图2）。通过改善仪器灵敏度和分析及数据处理流程，使得空间分辨率最低可达51 μm，可分析的U含量低至10 ug/g。

图1 采用网格法对碳酸盐矿物进行筛选

图2 国际参考标样LA-MC-ICPMS U-Pb定年结果

 中国地质大学（北京）能源学院卫端博士、高志前教授与中国地质大学（北京）科学研究院张亮亮副研究员及其他合作者利用该技术，对塔里木盆地塔北地区奥陶系钻井取芯中的块状方解石脉开展了岩石学、U-Pb年代学和地球化学测试分析。

 充填于岩层裂缝中的方解石脉不仅记录了成岩流体的理化性质和来源，还一定程度地蕴含了断裂活动的信息。近年来，激光原位碳酸盐岩U-Pb同位素定年技术的进步为绝对年龄框架内流体演化史和断裂的活动史的恢复开辟了新的途径。方解石沉淀与断裂活动之间的“同步性”是碳酸盐岩U-Pb年代学有效约束断裂活动的前提，然而，擦痕等同构造标志在深部钻井取芯中并不常见，制约了（超）深层碳酸盐岩地层中断裂活动时间的直接测定。目前，激光原位碳酸盐岩U-Pb测年的误差通常小于5%，如果断裂活动与方解石充填之间的时间间隔小于测年误差，即可认为两者具有“同步性”。为了拓展方解石U-Pb年代学的应用范围，有必要重新审视深部钻井取芯中常见的块状方解石脉能否有效应用于脆性变形时间的约束？

 该研究证实了块状方解石脉具有约束断裂活动的潜能：塔里木盆地塔北地区裂缝的开启伴随着流体的流入、饱和与胶结，块状方解石脉形成所需时间远小于目前碳酸盐岩定年的不确定性（<5%），且U-Pb年龄与塔里木盆缘主要构造运动时间点一致，表明块状方解石脉可用于脆性变形时间的确定，且具有指示远场构造运动的潜能。方解石U-Pb定年结果及微量元素Mapping特征（图3和图4）对重建塔里木盆地塔北地区的“构造-断裂-流体”演化历史发挥了重要作用：中-晚奥陶世，西昆仑和阿尔金地体向塔里木板块的俯冲导致了塔北地区“X”形共轭走滑断裂雏形始现，海水和（短暂暴露时期的）的大气淡水沿断裂下渗并逐步沉淀出年龄为466±5/13 Ma至454±11/16 Ma的方解石脉；中-晚泥盆世，塔里木地块与东昆仑-阿尔金地体之间的碰撞导致研究区发生强烈的抬升暴露，循环的大气淡水和沿断裂长距离运移的海水最终沉淀形成年龄依次为383±14/17Ma和366±7/12Ma的块状方解石脉；早二叠世至晚三叠世，南天山洋板块与塔里木地块的碰撞导致了中-下奥陶统碳酸盐岩中断裂的形成，并且同时触发地层流体沉淀形成方解石脉（287±2/7Ma至232±2/6Ma）。

图3塔里木盆地塔河地区块状方解石脉激光原位U-Pb年龄

 图4塔里木盆地塔河地区块状方解石脉LA-ICP-MS微量元素Mapping图像

 上述研究成果发表于《Atomic Spectroscopy》和《Sedimentary Geology》，受到国家自然科学基金（41973052，41602059，41772152，42202168 和 41972130）联合资助。

1. Zhang, L.L.,*  Zhu, D.C.,* Yang, Y.H., Wang, Q., Xie, J.C., and Zhao, Z.D., 2021. U-Pb geochronology of carbonate by laser ablation multiple collector inductively coupled plasma mass spectrometry: method improvements and geological applications. Atonic Spectroscopy, 42: 335-348. DOI: 10.46770/AS.2021.803

2. Wei, D., Gao, Z.Q., Zhang, L.L.,*  Fan, T.L., Wang, J.B., Zhang, C., Zhu, D.Y., Ju, J.H., Luo, W.J.,* 2023. Application of blocky calcite veins LA-MC-ICP-MS U-Pb dating and geochemical analysis to the study of tectonic-fault-fluid evolutionary history of the Tabei Uplift, Tarim Basin. Sedimentary Geology, DOI: 10.1016/j.sedgeo.2023.106425

文章链接：http://www.at-spectrosc.com/as/article/abstract/2021803?st=article_issue

 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0037073823000970