汉中大佛洞宇宙成因核素26Al/10Be埋藏年龄

陈清敏，张 丽，王 喆，罗乾周，蔺新望，张俊良，任娟刚

1.陕西省地质调查院 陕西省地质调查中心，西安 710068 2.中国科学院地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，西安 710061 3.西安加速器质谱中心，陕西省加速器质谱技术及应用重点实验室，西安 710061

汉中天坑群是在我国32°N湿润热带-亚热带岩溶地貌区北界首次发现的岩溶地质景观，它填补了世界岩溶地质研究空白，不仅对洞穴对比研究有着重要科学意义，而且对研究中国南北方乃至全球古环境及气候变化具有重要科学价值。其中，南郑小南海天坑群位于汉中天坑群的最北界，且发育天坑和洞穴较为密集、规模较大。洞穴中保留有丰富的古地下河冲积物、次生化学沉积物及重力崩塌堆积，为研究岩溶地下河演化和秦岭南部古环境变迁提供了宝贵素材，为进一步研究区域乃至全球气候变化提供科学基础。

由于测年手段的限制，国内在岩溶洞穴演化精确年代学方面的研究一直进展不大。洞穴次生化学沉积物可在溶洞形成若干年后才开始生长，因此用化学沉积物的铀系年龄可能会极大地低估溶洞的形成年龄，而高估河流的下切速率（Stock et al，2005）。20世纪80年代迅速发展起来的宇宙成因核素测年法（Granger et al，1997，2011；Anthony and Granger，2004；Granger，2006；Dunai，2010；Wagner et al，2010；Kong et al，2011；Zhang et al，2016）为解决这一问题提供了契机。宇宙成因核素26Al/10Be的测年范围为0.3 —5.0 Ma，而21Ne/10Be核素可将测年范围扩展到15 Ma（孔屏，2012）。加速器质谱仪宇宙成因核素测年技术在国外已受到普遍应用，但国内对该方法的应用才刚起步。Kong et al（2009，2011）将26Al/10Be埋藏测年法应用到措格达组沉积物定年，并对四川大邑砾岩进行埋藏年龄测定。有学者将26Al/10Be埋藏测年法应用到周口店遗址第一地点定年和湖北白龙洞遗址定年（Shen et al，2009；Liu et al，2015）。此外，运用宇宙成因核素得到洞穴碎屑沉积物埋藏年龄的方法逐渐应用于反演山地区域构造、地貌演化研究（张珂和蔡剑波，2006；王亚军等，2008；孔屏，2012；吕延武等，2012；王建等，2012）。已取得的一些重要的认识和发现体现出极大的潜力与发展前景，特别是针对缺乏第四纪沉积记录、用传统测年方法难以研究的地区，宇宙成因核素埋藏年龄测年技术对研究晚新生代地貌演化历史更是具有重要意义。

宇宙成因核素测年法被认为是目前研究洞穴发育最可靠的方法（Stock et al，2005；Shen et al，2009），并应用到中国西南部岩溶洞穴年代学研究（刘彧等，2013；Liu et al，2013）。但是汉中岩溶区鲜有相关年代报道。本文拟将这一新方法应用到汉中南郑小南海岩溶洞穴大佛洞年代学研究，以期为汉中岩溶区地貌及岩溶演化提供新的认识。

1 研究区概况

大佛洞位于秦巴山区33°N附近汉中天坑群，大地构造属于扬子地块北缘与秦岭造山带结合部，区域分布有5000多平方公里的二叠系、三叠系碳酸盐岩。陕西省地质调查中心承担的《汉中天坑群地质遗迹调查》项目查明区内以发育天坑、溶洞为特征，另有地缝、峡谷、瀑布等重要地质遗迹。目前发现南郑小南海天坑群天坑20处，洞穴49处，其中大佛洞位于红军路，向南距离小南海镇政府约1.5 km处（图1）。小南海一带岩溶洞穴分布具有成层性，分布在海拔580 —1200 m，其中大佛洞位于中间层，洞口高程(726 ± 11) m。

大 佛 洞 洞 口 朝 向 45°， 坐 标 E107°01′41″，N32°50′18″。洞口宽约 19 m，高约 20.4 m。洞口处岩性为灰-深灰色厚层状灰岩夹黑色中厚层状硅质岩。洞顶上方岩层盖物厚度均大于30 m。洞深约2680 m，出露岩性为灰色中层状含燧石团块泥晶灰岩，属上二叠统吴家坪组（图1）。洞内最高高度可达80 m。洞内次生沉积物为砂质、泥质，偶见砾石。目前该洞正在进行旅游开发。

2 洞穴沉积物26Al / 10Be埋藏测年的基本原理和方法

2.1 26Al/10Be埋藏测年的基本原理

利用宇宙成因核素来测定沉积物埋藏年龄的原理最早是由Lal and Arnold（1985）提出的。26Al/10Be埋藏测年的原理可简单解释为：暴露在地表的岩石长期接受宇宙射线的照射形成宇宙成因核素（核素生成量与衰变和侵蚀量平衡），如果某次地质事件将地表岩石埋入地下或是通过流水带入洞穴，屏蔽了宇宙射线照射，那么宇宙成因核素将停止生成，并开始根据自身性质与时间呈指数衰变，测量现今岩石中的核素含量，可获悉岩石被埋藏的时间。Granger et al（1997）于1997年最早利用26Al/10Be比值变化得到沉积物埋藏年龄。

石英是目前用作26Al/10Be埋藏测年最理想的矿物。石英矿物成分由SiO2构成，物质成分和晶体结构简单，地表常见，并且使全球核素埋藏研究可对比，同时具有满足加速器质谱（AMS）测量的26Al/10Be的靶核。石英中27Al含量很低，有利于精确测量26Al。另外，石英稳定的物理化学性质使大气生成的10Be难以渗入，而原地生成的26Al和10Be又不易淋失。假设石英颗粒在一个稳定侵蚀（侵蚀速率为ε）的地表暴露了时间T，生成足够量的10Be和26Al可作加速器质谱测试，那么T时间内10Be和26Al生成的浓度N10（0）和N26（0）分别为（此处考虑了μ介子生成量）：

公式(1)和公式(2)中：Pn,10是10Be中子生成率（4.5 atom ∙ a ∙ g-1）（Dunai，2010），Pn,26是26Al 中子 生 成 率（31.1 atom ∙ a-1∙ g-1）（Stone，2000）；Pμ,10是10Be 的 μ 介 子 生 成 率（0.10 atom ∙ a-1∙ g-1）（Heisinger et al，2002），Pμ,26是26Al的 μ 介 子 生成 率（0.80 atom ∙ a ∙ g-1）（Heisinger et al，2002）；τ是核素的平均年龄（τ = T1/2/ln2，T1/226 = 0.71 Ma，T1/210 = 1.39 Ma）（Nishiizumi，2004；Chmeleff et al，2010；Korschinek et al，2010），ρ是岩石密度（假设为2.65 g ∙ cm-3），ε是地表平均侵蚀速率（cm ∙ a-1），Λn和Λμ分别是中子和介子在岩石中的穿透长度（Λn≈ 160 g ∙ cm-2，Λμ≈1300 g ∙ cm-2）（Brown et al，1995；Masarik and Reedy，1995）。

石英颗粒被河流带入洞穴之后，屏蔽了宇宙射线的照射，宇宙成因核素停止生成并开始衰变，埋藏t时间后，10Be和26Al的浓度变为：

由于26Al的衰变速度比10Be快近2倍，样品被埋藏前的初始浓度(N26/N10)0，将随时间呈指数减小，所以上述公式可写为：

N26和N10是通过AMS测得的26Al和10Be的核素浓度。通过数学迭代法，利用上述5个公式可计算得出样品埋藏年龄t以及埋藏前侵蚀速率ε。

应用26Al /10Be埋藏测年有以下要求：（1）洞内碎屑沉积物必须是从洞外带入的外源物质，不然无宇宙成因核素初始量；（2）所采样品的垂直埋深最好超过20 m，而水平埋深最好超过10 m（孔屏，2012）；（3）由于核素半衰期和仪器测试精度的限制，该方法的测年范围为0.1—5.0 Ma（Granger and Muzikar，2001）；（4）碎屑物被快速带入洞穴，进洞前无埋藏历史，否则计算得到的埋藏年龄是综合年龄，不能代表其在洞穴中的年龄。

2.2 样品采集与分析

大佛洞石英砾石样品采集点位于大佛洞主洞约2.3 km处阶地上，距离地下河水面垂直距离约4 m处。阶地上淤泥发育，钙华胶结灰岩碎屑，周边岩石表面钙化明显。可见溶坑、钟乳石、石笋等。砾石呈鸡窝状散布，石英砾石磨圆较好，分选较好，砾径大多1—3 cm（图2）。

砾石样品在中国科学院地球环境研究所加速器质谱中心完成前处理和加速器质谱26Al、10Be测试等工作。实验室处理步骤如下：进行初步清洗、烘干、粉碎，筛选0.25 — 0.50 mm粒径组分；使用磁选仪去除磁性矿物（杂质）；再通过5次HF/HNO3处理，去除长石等铝硅酸盐和大气成因10Be（Kohl and Nishiizumi，1992）以提取纯净的石英，ICP-AES 测量 Al含量低于 100 μg ∙ g-1；纯净石英样品中加入约0.3 mg9Be载体溶液，使用HF和HNO3消解，高氯酸去除氟化物；使用阴、阳离子交换树脂分离Be和Al，其中使用1 M HCl将Be2+从阳离子交换树脂洗脱，H2C2O4-HCl混合溶液将Al3+从阴离子交换树脂洗脱；之后，分别加入氨水获得Be(OH)2和Al(OH)3沉淀；转至坩埚并置于马弗炉于900ºC灼烧生成BeO和Al2O3，BeO与Nb粉混合，Al2O3与Cu粉混合（体积比1:1），压制靶样进行AMS测量。

图2 大佛洞样品采集处及砾石照片Fig.2 Sampling location in the Dafo Cave (a) and the photos of gravels (b)

中国科学院地球环境研究所3 MV加速器质谱仪测量对10Be的探测灵敏度可达1.56×10-16，10Be和26Al测量精度分别优于1.4%（10-12）和1.14%（10-11）（Zhou et al，2007）。26Al/27Al和10Be/9Be的仪器测量标准采用ICN AMS标样（26Al/27Al取 1.065×10-11，10Be/9Be取 2.851×10-12）（Nishiizumi et al，2007）。此外，与样品同步进行空白样的前处理和测量，以监测实验本底对样品中26Al/27Al和10Be/9Be的影响。测量得到空白样26Al/27Al ＜ 5.95×10-16，10Be/9Be 比值为 6.03×10-15，确保本底对样品的影响很小。

3 结果与讨论

通过实验室前处理之后，大佛洞砾石样品（编号DFD）获得14.2257 g纯石英样品进行制靶测量。加速器质谱仪（AMS）测量大佛洞宇宙成因核素26Al和10Be浓度及年龄、侵蚀速率计算结果见表1和图3。

表1 大佛洞石英砾石宇宙成因核素浓度和计算结果Tab.1 Cosmogenic nuclide concentrations, burial age and pre-burial erosion rate from Dafo Cave

图3稳定侵蚀曲线由公式(1)和(2)生成，石英埋藏前的26Al/10Be值应落在此线上，落点表示沉积物源区的侵蚀速率。稳定暴露曲线，由公式(3)和(4)生成，表示样品暴露于宇宙射线中的26Al/10Be值。与稳定暴露曲线平行的为等埋藏年龄线，一旦样品被埋藏，26Al/10Be值将沿着虚心直线呈指数衰减。宇宙成因核素26Al和10Be浓度和计算结果表明，大佛洞石英砾石埋藏年龄为(1.07 ± 0.71) Ma。因用于AMS测量的纯石英量较少，考虑本底及标准计算后，26Al、10Be浓度和埋藏年龄误差较大，但仍然很好地反应了大佛洞石英砾石样品的埋藏年龄。反应汉中南郑小南海一带岩溶区在早更新世已发育岩溶洞穴，地下河发育，水流量大，石英砾石进入溶洞，而后由于构造活动或者岩溶作用等影响导致流水减少，石英砾石在洞内沉积下来。

表1中列出的侵蚀速率表示石英埋藏前的侵蚀速率，可反映样品被带入洞穴埋藏前所在流域的平均侵蚀速率。计算表明：大佛洞石英砾石样品在埋藏前侵蚀速率为 (156.5 ± 73.4) m ∙ Ma-1。刘彧等（2013）获得的贵州荔波1.06 Ma前的侵蚀速率为55.1 m ∙ Ma-1。对比发现，早更新世晚期，汉中岩溶区的侵蚀速率显著高于贵州荔波岩溶区。这样的差异值得进一步研究和探讨。

图3 大佛洞（DFD）石英砾石26Al/10Be浓度关系Fig.3 Cosmogenic nuclides data from Dafo Cave, shown on a logarithmic graph of 26Al/10Be

4 结论与展望

本文通过采用加速器质谱仪宇宙成因核素26Al/10Be埋藏年龄测量技术和方法首次获得了汉中岩溶区大佛洞次生沉积石英砾石的宇宙成因核素26Al/10Be埋藏年龄为(1.07±0.71) Ma；同时获得大佛洞石英砾石样品在埋藏前该流域侵蚀速率为(156.5 ± 73.4) m ∙ Ma-1。

汉中岩溶区地貌及岩溶演化研究刚刚起步，尚没有相关年代学研究成果报道。本文对汉中南郑大佛洞石英砾石宇宙成因核素26Al/10Be埋藏年龄的研究是汉中岩溶区年代学研究的全新探索，对于研究汉中岩溶区地貌演化、岩溶发育、进一步研究区域乃至全球古气候古环境变化具有重要科学意义。同时也体现了岩溶洞穴石英砾石宇宙成因核素埋藏年龄测年技术和方法在该区域地貌演化和岩溶发育研究方面具有良好的应用前景。

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