1、曹 熔，张 姝 婧，兰 中 伍，2023.火 山 灰 锆石U-P b 定 年 在 沉 积 岩 定 年 上 的 应 用 J.沉 积 与 特 提 斯 地 质，43(2)：464474.doi:10.19826/ki.1009-3850.2023.04001Cao R，Zhang S J，Lan Z W，2023.Application of zircon U-Pb dating of volcanic ash to dating of sedimentaryrockJ.Sedimentary Geology and Tethyan Geology，43(2)：464474.doi:10.19826
2、/ki.1009-3850.2023.04001火山灰锆石U-Pb定年在沉积岩定年上的应用曹熔1,2，张姝婧3，兰中伍1*（1.中 国 科 学 院 地 质 与 地 球 物 理 研 究 所，岩 石 圈 演 化 国 家 重 点 实 验 室，北 京 100029；2.中 国 科 学 院 大 学，地 球 与行星科学学院，101408；3.Department of Geology，Trinity College，Dublin 999015，Ireland）摘 要：本 文 系 统 总 结 了 沉 积 岩 定 年 的 意 义 和 常 用 的 定 年 手 段，详 细 介 绍 了 火 山 灰 锆石U-Pb定
3、年 在 沉 积 岩 定 年 上 的 应 用。从火 山 事 件 层 的 分 布、火 山 灰 夹 层 的 识 别、火 山 灰 锆 石 的 区 分、应 用 实 例 等 方 面 对 前 人 的 研 究 进 行 概 述，旨 在 为 科 研 工 作 者运 用 火 山 灰 锆石U-Pb定 年 提 供 借 鉴 经 验。与 传 统 的 成 岩 矿物K-Ar/Ar-Ar和Rb-Sr定 年 技 术 相 比，火 山 灰 锆石U-Pb定 年 在沉 积 岩 定 年 上 具 有 显 著 的 优 势。火 山 灰 夹 层 具 有 广 泛 性 和 等 时 性，且 锆石U-Pb同 位 素 体 系 不 容 易 受 到 扰 动，因 此
4、 火 山 灰 锆石U-Pb定 年 是 高 精 度 沉 积 岩 定 年 的 首 选 方 案。沉 积 岩 定 年 涉 及 到 野 外 观 察、样 品 采 集、室 内 岩 相 学 观 察 及 地 质 年 代 学 分 析和 年 龄 解 释 等 多 个 环 节。在 这 些 环 节 中，识 别 火 山 灰 夹 层 是 最 关 键 的 一 点，也 是 一 大 难 点。这 需 要 明 确 火 山 灰 夹 层 的 岩 石类 型 并 了 解 火 山 事 件 沉 积 层 的 分 布，在 此 基 础 上 通 过 野 外 观 察 和 室 内 研 究 进 一 步 判 别，这 样 可 以 更 加 准 确 地 识 别 出 火
5、 山 灰夹 层。此 外，火 山 灰 锆 石 定 年 需 要 区 分 火 山 灰 锆 石、碎 屑 锆 石、继 承/捕 获 锆 石，可 以 通 过 矿 物 形 态 学 和 矿 物 化 学 特 征 来 加以区分。关键词：火山灰；锆石；U-Pb年龄；沉积岩定年中图分类号：P533 文献标识码：AApplication of zircon U-Pb dating of volcanic ash to dating of sedimentary rockCao Rong1,2，Zhang Shujing3，Lan Zhongwu1*（1.State Key Laboratory of Lithospher
6、ic Evolution,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100029,China；2.College of Earth and Planetary Sciences,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 101408,China；3.Department of Geology,Trinity College,Dublin 999015,Ireland）Abstract：This paper has summarized t
7、he significance of dating of sedimentary rock,and introduced the application of volcanic ashzircon U-Pb dating method to dating of sedimentary rocks.Specifically,it has summarized previous studies on the distribution ofvolcanic event layers,identification of volcanic interlayers,differentiation of v
8、olcanic tuff zircons and application examples so as toprovide experience for geoscientists in the application of volcanic zircon U-Pb dating.Compared to traditional K-Ar/Ar-Ar and Rb-Srdating techniques for diagenetic minerals,volcanic ash zircon U-Pb dating has a significant advantage in dating of
9、sedimentary rocks.Volcanic ash interlayer is widespread and isochronous,and zircon U-Pb isotopic system is robust and not easily disturbed.Therefore,volcanic ash zircon U-Pb dating is the first choice for high precision dating of sedimentary rocks.Dating of sedimentary rocksinvolves field observatio
10、n,sample collection,indoor petrographic observation,geochronological analysis and age interpretation.Of 收稿日期：2023-01-29；改回日期：2023-03-29；责任编辑：曹华文；科学编辑：崔晓庄作者简介：曹 熔（1999），女，硕 士 研 究 生，专 业 为 地 球 化 学，研 究 方 向 为 沉 积 岩 定 年。E-mail：通讯作者：兰 中 伍（1981），男，博 士，副 研 究 员，主 要 从 事 前 寒 武 纪 年 代 地 层 学 研 究。E-mail：资助项目：中国科学院地
11、质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室开放课题（SKL-Z202001）第 43 卷 第 2 期 Vol.43 No.22023 年 6 月沉 积 与 特 提 斯 地 质 Sedimentary Geology and Tethyan GeologyJun.2023these,identification of volcanic ash interlayer is the most important despite difficulty.It is necessary to clarify different types ofvolcanic interlayer and underst
12、and the distribution of sedimentary layers of volcanic events.Based on this,field observations andindoor study can be used to further distinguish volcanic interlayers and identify them accurately.In addition,dating of volcanic tuffzircons requires the distinction between volcanic ash zircons,detrita
13、l zircons,inherited zircons and xenocrystal zircons,which can bedistinguished by mineral morphology and mineral chemistry.Key words：volcanic tuff；zircon；U-Pb age；dating of sedimentary rocks 0引言沉积岩广泛出露在地球表面，由松散的碎屑物如 砾 石、砂、粘 土、灰 泥 和 有 机 质 等 沉 积、固 结 而成，内 部 蕴 含 了 丰 富 的 地 质 信 息，生 物 信 息 和 环 境信息，精准的年龄限定有助于
14、反演地质历史时期地球 各 个 圈 层 的 变 化 和 因 果 关 系。同 位 素 年 代 学 在沉积岩定年上的应用可分为两大类，一类是直接测年，即用沉积岩全岩或者某些单矿物中的放射性同位 素 体 系 进 行 定 年，如 碎 屑 锆石U-Pb定 年（Tuckeret al.,2013;李 怀 坤 等,2007）、自 生 磷 钇 矿/独 居 石U-Pb定 年（Mcnaughton et al.,1999;Lan et al.,2013;Lan et al.,2014a）、碳 酸 盐 岩U-Pb或Pb-Pb定 年（Rasbury and Cole,2009;Montano et al.,2021;J
15、ahnand Cuvellier,1994），自 生 伊 利石K-Ar定 年（张 彦等,2007;吴 劲 薇 等,2001），自 生 海 绿石Ar-Ar定 年（Taylor and Curtis,1995;Godet et al.,2011），磷 酸 岩Lu-Hf（Barfod et al.,2003）和Pb-Pb定 年（Chen etal.,2004）、黑 色 页岩Re-Os定 年（Yang et al.,2021）等。另 一 类 是 间 接 定 年，即 采 用 火 成 岩、变 质 岩 或火 山 灰 夹 层 中 放 射 性 同 位 素 体 系 所 测 得 的 年 龄 来限 定 沉 积 岩 的
16、 年 龄（Rasmussen,2005）。在 直 接 测年 中，碎 屑 锆 石 只 能 限 定 沉 积 岩 的 最 大 沉 积 年 龄，在 没 有 放 射 性 成因Pb丢 失 的 前 提 下，其 中 最 年 轻一 组 碎 屑 锆 石 的 年 龄 大 于 地 层 的 理 论 沉 积 年 龄（Rasmussen,2005）。自生磷钇矿/独居石个体小（通常 小 于 15 m），在 光 学 显 微 镜 下 很 难 观 察 定 位，必须借助扫描电子显微镜（SEM）在背散射光（BSE）模 式 下 辅 助 能 谱 分 析（EDS）寻 找 定 位（Lan et al.,2014a;Zhang et al.,2
17、022）。碳酸盐岩U-Pb、自生伊利石K/Ar-Ar、自 生 海 绿石K/Ar-Ar、黑 色 页岩Re-Os、碳 酸 盐岩U-Pb同 位 素 体 系 封 闭 温 度 低，容 易受 到 后 期 成 岩 作 用、热 液 作 用 和 变 质 作 用 的 影 响而 造 成 年 龄 上 的 不 确 定（杨 競 红 等,2005;Rasmussen,2005;Chen et al.,2004；Lan et al.,2022,2023）。另 外，沉 积 岩 中 经 常 混 入 碎 屑 成 因 的 独 居石和伊利石，对自生独居石和伊利石定年会产生干扰。在 间 接 测 年 中，火 成 岩、变 质 岩 只 能 限
18、 定 沉 积岩的最大或者最小沉积年龄。相比之下，地层中夹层火山灰和上下地层近乎同时沉积，因为大规模火山喷发产生的火山灰能够在 短 时 间 内 迅 速 沉 降，进 入 沉 积 层 序，形 成 一 系 列同 时 沉 积 的 火 山 灰 夹 层，具 有 等 时 性 和 广 泛 性（陈宣 谕 等,2014;Rasmussen,2005;刘 嘉 麒,2018）。因此，火山灰的沉积时间可用来限定地层的沉积时间，采 用 火 山 灰 夹 层 定 年 能 够 准 确 测 出 沉 积 地 层 的 绝对 年 龄。火 山 灰 定 年 原 理 与 火 山 灰 年 代 学 原 理 大同小异，不同的是火山灰定年的研究对象是
19、深时火山 灰，即 第 四 纪 以 前 的 火 山 灰，常 以 火 山 凝 灰 岩 或凝灰质沉积岩的形式出现。40Ar/39Ar同 位 素 体 系 定 年 是 火 山 灰 夹 层 定 年常 用 的 方 法 之 一，用 于 定 年 的 矿 物 一 定 要 富 含 钾，如 钾 长 石、黑 云 母、角 闪 石 等（Hess and Lippolt,1986;Sarna-Wojcicki et al.,2000;Aziz et al.,2008），分 析 方 法 主 要 有 阶 段 加 热 法 和 真 空 击 碎 法。然 而，由 于 定 年 的 矿 物 对 变 质 作 用 较 为 敏 感，经 常 出现A
20、r丢 失 而 导 致 年 龄 偏 年 轻，或 者 因 过剩Ar的 引 入而导致年龄偏老，无法得到准确年龄。锆 石 的 物 理、化 学 性 质 稳 定，U含 量 高，普 通Pb含 量 低，U,Th,Pb扩 散 速 率 慢，封 闭 温 度 高 达900（Lee et al.,1997）。与 钾 长 石、黑 云 母、角 闪石 等 热 稳 定 性 差 的 矿 物 相 比，锆石U-Pb同 位 素 体系 不 容 易 受 到 后 期 扰 动，能 够 提 供 精 准的U-Pb同位 素 年 龄，这 使 得 火 山 灰 锆石U-Pb定 年 成 为 高 精度 沉 积 岩 定 年 的 首 选 方 案（Schmitz
21、and Bowring,2001;Rasmussen,2005）。然 而，火 山 灰 的 识 别 和 火山灰锆石的区分是火山灰锆石U-Pb定年的难点也是 关 键 点。本 文 重 点 介 绍 火 山 灰 的 野 外 产 出 特 征、岩 相 学 和 地 球 化 学 特 征，以 及 不 同 类 型 的 锆 石（火山 灰 锆 石、继 承 锆 石 和 碎 屑 锆 石）在 形 态 学、地 球化学和年龄上的区别。同时，我们选取了两个研究实例来详细阐述火山灰锆石U-Pb定年在沉积岩定 2023 年（2）火山灰锆石U-P b 定年在沉积岩定年上的应用 465 年上的应用，旨在为科研工作者运用火山灰锆石U-Pb定
22、年时提供借鉴经验。1火山灰的识别在 地 质 历 史 时 期，火 山 活 动 频 繁 发 生，其 喷 发产 物 火 山 灰 广 泛 分 布（Courtillot and Renne,2003;杨经绥等,2009;Ernst,2014）。因此，火山灰在沉积岩定年方面得到了广泛应用。然而，火山灰在野外不 易 识 别。这 是 因 为 火 山 灰 经 过 成 岩 作 用 形 成 火山 凝 灰 岩 和 凝 灰 质 沉 积 岩，容 易 和 泥 岩、页 岩 等 细粒 碎 屑 沉 积 岩 混 淆。另 外，火 山 灰 不 稳 定、沉 降 后容 易 发 生 蚀 变，形 成 高 岭 石、伊 利 石、蒙 脱 石 等 粘
23、土 矿 物（冯 宝 华,1992）。在 酸 性 或 弱 酸 性 环 境 中 倾向于形成以高岭石为主的粘土岩，在弱碱性介质中倾 向 于 形 成 以 伊 利 石 或 蒙 脱 石 为 主 的 粘 土 岩（Spears,2012;桑 树 勋,1999;冯 宝 华,2005）。为 此，本 文 详 细 统 计 了 典 型 火 山 凝 灰 岩 和 凝 灰 质 沉 积 岩夹 层，它 们 具 有 独 特 的 野 外 产 出 特 征、岩 相 学 和 地球化学特征，可用于对比和判别其他地区可能存在的 火 山 凝 灰 岩 或 者 凝 灰 质 沉 积 岩 夹 层。（附表1-5*）。火 山 凝 灰 岩 或 凝 灰 质 沉
24、 积 岩 野 外 产 出 表 现 为岩 性 均 一，厚 度 薄，单 层 或 多 层 出 现，没 有 韵 律 性，一 般 不 发 育 层 理，与 上 下 地 层 呈 突 变 接 触，颜 色 与上 下 地 层 有 明 显 差 异，代 表 颜 色 有 白 色、黄 色、灰色 和 绿 色（Lan et al.,2015;Perez Loinaze et al.,2013）。据 笔 者 野 外 观 察，火 山 凝 灰 岩 比 粘 土 岩 更加 细 腻 光 滑，颜 色 更 加 鲜 艳，可 以 通 过 上 下 地 层 的颜 色、光 滑 程 度 和 致 密 程 度 对 比 加 以 区 分。凝 灰质粉砂岩比上下地
25、层的粉砂岩硬度更低，结构更松散。室 内 显 微 镜 观 察 可 发 现 火 山 凝 灰 岩 中 含 有 岩屑、晶 屑 和 玻 屑，棱 角 分 明，没 有 明 显 的 磨 蚀 边 缘，具 有 火 山 成 因 独 特 的 结 构（常 丽 华 等,2009;Liu etal.,2015）（图1）。岩 屑 多 为 刚 性，有 些 是 塑 性-半 塑性 的。晶 屑 主 要 有 长 石、石 英 和 云 母，呈 不 规 则 棱角 状，部 分 有 熔 蚀 现 象 和 淬 火 裂 纹（Pigage et al.,V0.5mm 0.5mm0.2mm 0.2mm0.5mm0.05mmCC(f)(e)(d)(c)(b
26、)(a)a：玻屑形态；b：流纹质岩屑晶屑火山凝灰岩，Det为岩屑，Hya为玻屑；c：安山质晶屑岩屑火山凝灰岩；d：流纹质晶屑熔结火山凝灰岩；e-f：未知源区火山凝灰岩，C为晶屑，V为玻屑。图1典型火山凝灰岩显微图像（a-d引自常丽华等，2009；e-f引自Liu et al.,2015）Fig.1Microscopic images of typical tuffs showing its mineral composition(a-d from Chang et al.,2009;e-f from Liu et al.,2015).*数据资料联系编辑部或者登录本刊网站获取。466 沉积与特提斯地质（2）
