山旺盆地新生代火山岩年代学研究.docx
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山旺盆地新生代火山岩年代学研究
山旺盆地新生代火山岩年代学研究
地质学系98级赵睿璿
摘要
山旺盆地富含中新世化石,准确厘定其地层年龄及火山活动的起止时限有着重要的地质意义。
我们采用了K-Ar及Ar-Ar同位素定年法,对山旺盆地三组火山岩地层中的玄武岩进行了年龄测定,得到的结果为:
最年轻的尧山组玄武岩,年龄为11.65—14.41Ma;富含化石的山旺组玄武岩,年龄约为15.23Ma;最老的牛山组玄武岩,年龄为13.28—14.09Ma。
一．地质概况
山旺盆地位于我国山东省临朐县东约22km处（图1）。
山旺盆地的硅藻土页岩中，含有近百余种动植物化石，其中不少是中新世标准化石。
化石种属之多，保存之完好，是中外生物化石埋藏史上所罕见的，因此山旺盆地有“化石宝库”的美誉。
这里既是中国新生代中新世地层的典型剖面所在地，又是国家重点古生物保护区，还是山东省境内新生代大陆玄武岩的主要分布区。
（据孙博,1999）
山旺盆地的地层自下而上依次划分为牛山组，山旺组和尧山组。
除富含动植物化石的沉积地层之外，其余均为火山岩。
牛山组直接不整合覆盖在前寒武纪变质岩上，橄榄玄武岩位于该组上部。
其上为山旺组，是山旺盆地盛产动植物化石的主要层位，其中的两层玄武岩位于该组偏上层位。
在山旺组之上的尧山组由玄武岩夹砂岩组成。
因此，将山旺盆地新生代玄武岩分为下，中，上三个部分，它们分别对应于牛山组，山旺组和尧山组的玄武岩（剖面图见图2）。
（据孙博,1999）
二．研究历史和存在问题
对山旺地区的地质研究已历半个世纪有余。
自1936年杨锺健首先著文介绍山旺化石后，研究山旺地区的论文和专著颇多。
而对山旺盆地的玄武岩进行的K-Ar年代学研究始于1978年王慧芬等人的研究。
后来，又陆续进行过一些火山岩年代学方面的研究,如1985年金隆裕和1986年王方正等人的研究。
由于山旺组富含中新世标准化石，因此山旺组的中玄武岩年龄应限定在中新世，而中新世一般认为在5.2-23.3Ma之间。
但是，由于中新世时限较长，需要进一步限定，且不同年代或不同研究者得到的结果存在较大差异，缺乏可对比性，以至于到90年代末，不同研究者对山旺盆地火山岩的时代仍然存在不同的认识。
例如，在1999年出版的《山旺植物化石》一书中，作者可能利用了王慧芬等人1978年的数据，提出“分布在不同层位的玄武岩，年代顺序比较清楚，相对年代值变化较大。
……，上玄武岩的年代测定值在7.88-14.3Ma,中玄武岩年代值在20.2-24.0Ma,下玄武岩年代值为44.0-44.1Ma。
”时间跨度达到30Ma。
而早在1980年代中期，就已经有学者提出，山旺盆地火山岩的时限在17-4Ma之间或18-4Ma之间。
此外，还有学者提出，下玄武岩的时代为16-18Ma，中玄武岩在10-16Ma之间，上玄武岩在9-10Ma之间，但没有给出具体可用数据。
显然，目前对山旺盆地火山岩的时代还存在着不同的认识，而且差异较大。
而火山岩时代对于限定山旺盆地古生物化石生存时限，研究山旺盆地的形成和演化，探讨古地理环境变迁，火山活动与生物演化关系等都是非常重要的。
因此，对山旺盆地火山岩重新进行K-Ar和Ar-Ar年代学研究是具有重要科学意义的。
造成目前对山旺盆地新生代火山岩的时代存在不同认识的原因，有以下几种可能：
1，早期的K-Ar同位素年龄数据是用体积法获得的，数据精度较差，误差较大；2，在进行K-Ar 年龄计算过程中，采用较早的衰变常数，导致与后来获得的结果无法直接对比，且差别较大；3，用于定年的样品存在一定数量的捕虏晶或早期结晶的细小矿物颗粒，无法排除，致使样品存在过剩的Ar，使年龄数据偏老。
在目前的K-Ar或Ar-Ar定年过程中，前两个因素的影响已经不存在，而采用Ar-Ar法定年能够获得更准确可靠的结果。
所以，我们在前人的研究基础上，对山旺盆地火山岩重新进行了系统的K-Ar和Ar-Ar的同位素年代学研究，以期能够准确厘定火山活动的起止时限，为进一步深入研究奠定可靠的基础。
三．K-Ar法的测定方法与结果讨论
鉴于以上原因，我们赴山旺盆地进行野外考察，重点研究了各火山岩层的分布及其相互关系，并且系统采集了火山岩样品。
对山旺盆地上，中，下的尧山组，山旺组和牛山组分别选取玄武岩样品进行K-Ar及Ar-Ar 同位素分析。
我们将样品标为尧山顶1，2，尧山底1，2，3，中玄武岩及牛山1，2。
（一）K-Ar法的测定方法
首先，对将要进行K-Ar法测年的样品进行处理，将样品切成薄岩片，结合镜下鉴定和肉眼观察，挑选新鲜样品做测试，以避免蚀变的影响。
大气氩污染是K-Ar法测年的主要影响因素。
主要有三个方面影响去气效果：
1.样品过细（<100目）；2.样品粉碎后放置时间太长（超过数月）；3.烘烤温度不足（<120ºC）或时间不够。
因此在破碎分选时严格注意不使样品受污染，并对同一样品反复测定。
为了避免上述三种影响因素，将样品磨碎到40至60目，然后用稀盐酸清洗，清除表面的过剩氩，粉碎后在15天内全部测完，并且选用200ºC的烘烤温度，烘烤时间超过18小时。
同时由于在尧山底和牛山顶采集到的新鲜玄武岩样品中含有大量的橄榄岩地幔包体和橄榄石捕虏晶，也会影响测年结果，因此我们在测样之前也将明显的橄榄石包体和捕虏晶剔除。
然后，为了保证样品的一致性，测钾和测氩采用同一样品，用缩分法取样。
钾是在有锂内标和钠缓冲剂的溶液中，用火焰光度计测量，相对误差一般<1%。
放射性成因氩的测定用同位素稀释法。
样品和去气的钼坩埚置入萃取Ar系统，在200ºC条件下恒温过夜烘烤，扩散泵抽真空。
熔样前整个系统烘烤至450ºC去气。
用高频感应加热系统熔样，并用钛炉和铜炉纯化。
氩同位素组成用RGA-10型质谱测量，配有分子泵抽真空，真空条件：
（4～5）×10־7Pa,本底水平：
40Ar=（1.7～3.5）×10־13mol,38Ar=（5.4～10.7）×10־14mol。
（二）结果讨论
按上述操作过程，测得玄武岩样品的年龄结果列于表1。
从表1可以看出所测年龄分为三组：
尧山组9.83—13.87百万年；中玄武岩15.23百万年；牛山组12.96—14.09百万年。
此年龄值表明玄武岩有三期活动，自老到新分别为牛山组，中玄武岩和尧山组。
测得结果与前人相比，三期玄武岩年龄值范围已经缩小，为更准确地厘定山旺盆地火山活动的起止时限奠定了基础。
但是所得年龄结果仍有一定的误差，例如山旺组中玄武岩年龄较大,比在其下的牛山组年龄还要大,这与地层层序不太符合。
同时,尧山组顶部岩石的年龄要大于底部岩石，这也有所偏差。
表1K-Ar法测定山旺地区玄武岩年龄结果
衰变常数λ=5.543×10-10/年
野外编号
实验号（KA）
样品名称
K含量
（%）
样品重量
（g）
放射成因40Ar
表现年龄
（Ma）
Mol/g
%
尧山顶1
22
玄武岩
0.91
0.1347
1.845×10־¹¹
24.2
11.65±0.36
尧山顶2
14
玄武岩
1.13
0.1040
2.696×10־¹¹
36.5
13.70±0.31
尧山底1
24
玄武岩
1.24
0.1801
2.120×10־¹¹
38.9
9.83±0.22
尧山底2
23
玄武岩
0.99
0.1505
2.250×10־¹¹
36.5
13.06±0.18
尧山底3
13
玄武岩
0.98
0.1021
2.366×10־¹¹
36.9
13.87±1.10
中玄武岩
21
玄武岩
0.65
0.1424
1.724×10־¹¹
30.0
15.23±0.17
牛山1
16
玄武岩
0.45
0.1726
1.016×10־¹¹
25.5
12.96±0.61
牛山2
15
玄武岩
0.40
0.1571
9.815×10־¹²
21.1
14.09±0.86
究其原因，可能是K-Ar定年法的精确性影响了测定结果。
K-Ar法较难排除玄武岩样品中的橄榄石晶粒对定年结果的影响。
穆治国等人认为广泛分布在中国东北，华北，东南沿海和昆仑山区的晚新生代碱性橄榄玄武岩在进行K-Ar定年时，不能简单地使用未挑出橄榄石细小斑晶和捕虏晶的全岩样品，否则将导致错误的定年结果。
橄榄石斑晶和捕虏晶与其寄主的玄武岩不是同时代的，由于橄榄石斑晶中含有过剩氩，将会导致测得年龄偏大。
如果需要测定玄武岩的时代，必须仔细地挑纯相应的样品。
我们在测样之前，虽然已将明显的橄榄石包体和捕虏晶剔除，但仍留有一些微晶，会对定年进行干扰，导致年龄偏老。
四。
Ar-Ar法的测定方法与结果讨论
（一）Ar-Ar法的测定方法
而由于采用先进可靠的Ar-Ar阶段加温技术能够克服上述困难，避免无法去除的捕虏晶使样品的年龄数据偏老,因此我们决定对部分样品进行Ar-Ar法重新定年。
分阶段升温加热的办法，通常是使每个温度阶段加热时间是1小时，对每次加热所释放的氩进行纯化和质谱测定。
这样，每一次实验结果就可计算出一个表面年龄；对任何一个样品来说，能得到一系列的表面年龄。
若以递增加热分阶段提取氩所得的表面年龄为纵坐标，释出39Ar的累积百分数为横坐标，则得到样品的年龄谱图。
在年龄谱上出现一段年龄不随温度而改变的坪区，取这一坪区的平均年龄，称之为坪年龄，它很接近于样品的真实年龄。
因此，Ar-Ar法的优点在于只需一份样品，避免了常规K-Ar法中因不同份数样品的不均匀性所引起的计时误差。
同时采用分阶段升温技术，获得的坪年龄接近样品的真实年龄，年龄谱记录了样品受热历史的信息。
（二）结果讨论
对于K-Ar法测得年龄结果有误差的样品，我们重新选取了尧山底1，尧山顶2，牛山1三个样品，送到中国科学院地质与地球物理研究进行测定。
得到的结果如下（见表2-4及图3-17）
从所得数据来看，结果较令人满意。
样品尧山底-1的第一个坪年龄大约为14.41±0.07Ma,比用K-Ar法测得的要大尧山顶-2的第一个坪年龄为13.37±0.11Ma,比用K-Ar法测得的要小。
而牛山顶的第一个坪年龄为13.28±0.14Ma,也比用K-Ar法测得的结果有所增大。
表2Ar-Ar法测定样品尧山底1年龄结果
实验编号:
R01097样品编号YSDi-1样品重量:
W=0.2143克
样品名称:
玄武岩照射参数:
J=0.010643
加热阶段
加热
温度ºC
（40Ar/39Ar）m
（36Ar/39Ar）m
（37Ar/39Ar）m
（38Ar/39Ar）m
39Ark
10-12mol
（40Ar*/39Ark）±1σ
39Ark％
视年龄t±1σ
Ma
1
380
5.8751
0.0174
0.7387
0.0403
2.527
0.772±0.10
3.47
14.78±1.53
2
460
5.1470
0.0151
0.8252
0.0957
5.518
0.737±0.07
7.58
14.10±1.13
3
540
5.1776
0.0152
0.9282
0.1035
4.567
0.746±0.08
6.27
14.28±1.16
4
620
2.6556
0.0065
0.5168
0.0351
12.66
0.754±0.02
17.4
14.43±0.35
5
700
4.6464
0.0117
0.7981
0.0616
6.886
1.215±0.06
9.46
23.19±1.52
6
800
2.9137
0.0048
0.6422
0.0268
13.45
1.514±0.02
18.4
28.86±0.81
7
900
4.1145
0.0088
0.7094
0.0484
4.452
1.537±0.05
6.12
29.29±1.52
8
1000
2.9882
0.0050
0.6805
0.0304
11.87
1.518±0.02
16.3
28.93±0.84
9
1100
4.9494
0.0121
2.3374
0.0565
4.586
1.540±0.07
6.30
29.34±2.17
10
1250
4.9112
0.0118
1.9147
0.0508
3.915
1.553±0.07
5.38
29.58±2.15
11
1400
8.7878
0.0232
2.3564
0.0676
2.293
2.113±0.23
3.15
40.13±9.22
表3Ar-Ar法测定样品尧山顶2年龄结果
实验编号:
R01098样品编号YSDing-2样品重量:
W=0.2115克
加热阶段
加热温度ºC
（40Ar/39Ar）m
（36Ar/39Ar）m
（37Ar/39Ar）m
（38Ar/39Ar）m
39Ark
10-12mol
（40Ar*/39Ark）±1σ
39Ark％
视年龄t±1σ
Ma
1
360
7.9787
0.0250
1.5097
0.0287
2.178
0.712±0.25
2.00
13.54±3.44
2
450
11.231
0.0362
2.1513
0.0717
3.196
0.714±0.50
2.94
13.58±6.83
3
550
4.8809
0.0142
1.2146
0.0410
3.894
0.745±0.09
3.59
14.15±1.35
4
650
2.2236
0.0052
0.7015
0.0148
17.62
0.700±0.01
16.2
13.30±0.31
5
740
4.9367
0.0145
1.4371
0.0398
3.661
0.738±0.09
3.37
14.02±1.37
6
820
2.1515
0.0022
0.9221
0.0172
22.95
1.540±0.01
21.1
29.13±0.64
7
900
2.1995
0.0024
0.9312
0.0177
19.29
1.535±0.01
17.7
29.04±0.66
8
980
2.7740
0.0043
1.1498
0.0221
10.36
1.551±0.03
9.55
29.34±0.96
9
1060
2.8720
0.0047
1.0548
0.0220
7.789
1.524±0.03
7.18
28.83±1.00
10
1140
3.1904
0.0064
3.6164
0.0216
9.719
1.554±0.04
8.96
29.40±1.24
11
1250
4.3303
0.0098
1.8150
0.0428
5.190
1.555±0.07
4.78
29.42±2.22
12
1400
7.9203
0.0207
2.5457
0.0424
2.617
1.975±0.25
2.41
37.27±9.28
样品名称:
玄武岩照射参数:
J=0.010567
表4Ar-Ar法测定样品牛山顶年龄结果
实验编号:
R01099样品编号NSDing样品重量:
W=0.2138克
样品名称:
玄武岩照射参数:
J=0.010248
加热阶段
加热温度ºC
（40Ar/39Ar）m
（36Ar/39Ar）m
（37Ar/39Ar）m
（38Ar/39Ar）m
39Ark
10-12mol
（40Ar*/39Ark）±1σ
39Ark％
视年龄t±1σ
Ma
1
380
6.4864
0.0202
3.0158
0.0506
3.426
0.731±0.12
5.69
13.48±1.70
2
460
5.8447
0.0178
2.1811
0.0671
5.073
0.750±0.10
8.43
13.82±1.42
3
540
3.4815
0.0096
1.4306
0.0442
4.820
0.716±0.03
8.01
13.20±0.50
4
620
3.6772
0.0089
1.2844
0.0439
4.380
1.103±0.04
7.28
20.30±0.86
5
700
5.1449
0.0123
1.1632
0.0565
6.398
1.585±0.07
10.6
29.08±2.32
6
780
3.5869
0.0068
1.0213
0.0456
6.398
1.614±0.03
10.6
29.60±1.19
7
880
3.7455
0.0074
0.9407
0.0328
6.561
1.607±0.04
10.9
29.49±1.28
8
1000
3.3444
0.0063
2.1475
0.0254
6.926
1.615±0.03
11.5
29.62±1.05
9
1100
3.8679
0.0084
2.9180
0.0344
4.908
1.571±0.04
8.15
28.82±1.33
10
1200
4.2682
0.0095
2.0045
0.0292
5.699
1.587±0.05
9.47
29.10±1.62
11
1300
8.4137
0.0241
4.1583
0.0441
3.354
1.612±0.21
5.57
29.57±6.25
12
1400
9.4791
0.0260
3.0180
0.0489
2.222
2.029±0.26
3.69
37.13±9.93
图3尧山组底-1玄武岩年龄谱
图4尧山组顶-2玄武岩年龄谱
图5牛山组顶玄武岩年龄谱
图6尧山底-1玄武岩等时线
图7尧山底-1玄武岩反等时线
图8尧山底-1玄武岩等时线
图9尧山底-1玄武岩反等时线
图10尧山顶-2玄武岩等时线
图11尧山顶-2玄武岩反等时线
图12尧山顶-2玄武岩等时线
图13尧山顶-2玄武岩反等时线
图14牛山顶玄武岩等时线
图15牛山顶玄武岩反等时线
图16牛山顶玄武岩等时线
图17牛山顶玄武岩反等时线
由于Ar-Ar法要比K-Ar法更精确地反映了岩石的年龄,我们用Ar-Ar法得出的数据对K-Ar法得出的年龄结果做一定的修正,得出以下结论:
1.尧山组为最年轻的玄武岩,年龄为11.65—14.41百万年。
2.富含化石的山旺组玄武岩,年龄约为15.23百万年。
3.最老的一组玄武岩,牛山组,年龄为13.28—14.09百万年。
但是,结果中仍有一些问题存在。
Ar-Ar测得数据中,分阶段升温在高温部分留有一个高温坪,其年龄远大于低温坪的年龄（如图3-5）。
这个高温坪年龄在三个样品中都测得了。
因此,如何解释这个坪年龄所表示的地质意义,十分关键。
A.R.Gillespie等人的观点认为,这个高温部分的坪年龄,代表了矿物的初始封闭年龄,即矿物在地下形成时的年龄。
一般认为低温部分出现的坪年龄t1代表了矿物所受到的热扰动事件发生的时代,这里即指玄武岩喷发的时间。
而高温部分出现的坪年龄t0则代表了矿物在地下结晶时的时代。
当在t1受到热扰动事件时,由于岩石中活化能较低的矿物所需的能量较小,所以全部释放t0至t1两个时间内积累起来的放射性成因Ar,只保留了t1时间之后的放射性Ar,从而只记录了t1的年龄。
而高活化能的矿物在受热扰动事件时较难释放放射性Ar,因此记录了原始的结晶年龄。
在进行Ar-Ar实验时,由于低活化能的矿物在去气时所需的能量较小,它们在低温加热时就能被去气。
而它们所积聚的放射性Ar是在热扰动事件之后积累的,因此在低温所反映的这个年龄是指热扰动事件所发生的时代。
而高活化能的矿物在高温时才能被去气,所反映的年龄则为矿物的结晶年龄。
但以上只是对高温坪所代表的地质意义的一种解释。
究竟这个高温坪有什么地质意义,反映什么地质事件,我们还在继续对其进行研究,以期得出更好的结论。
本项目已经初步完成,但其中所存在的问题,仍是我们继续努力的目标,预计将在不久就能最后得出结果,并在专业期刊上发表论文。
五。
结论
根据上述测定，分析，我们可以初步得出以下结论：
1.根据对该盆地玄武岩年龄测定结果，本区存在三期玄武岩，自老到新分别为牛山组13.28—14.09Ma；山旺组15.23Ma；尧山组11.65—14.41Ma。
2。
山旺组年龄偏大,与实际地层层序不符,该K-Ar定年数据仅作参考．
3。
尧山组底部年龄也偏大，比其下牛山组岩石还要老．对于其原因，我们还正在进行研究，期望得出满意解释．
4。
进行Ar-Ar定年的三个样品的数据中都存在一个高温坪，我们还在继续研究这个坪年龄所反映的地质意义．
致谢:
本文写作过程中,一直得到韩宝福教授的悉心指导,他对我耐心的教导以及淳淳的教诲,使我在科学道路上得以稳步前进。
他对我的一些启发,使我对所要解决的问题有了更深刻,更独到的看法。
同时,我还要感谢我的班主任郭召杰老师,有了他的大力支持,我才有了强大的信心和动力去完成这个项目。
对于刘玉琳和刘建波老师的帮助,在此也表示感谢。
参考文献
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