李曉妮,田勤虎,李高陽,李 苗,李 娟
(陜西省地震局,陜西 西安 710068)
臨潼-長(zhǎng)安斷裂上斷層崩積楔光釋光測(cè)年的探討
李曉妮,田勤虎,李高陽,李 苗,李 娟
(陜西省地震局,陜西 西安 710068)
選擇西安臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶上韓峪鄉(xiāng)范家村剖面的一個(gè)典型崩積楔樣品進(jìn)行測(cè)試,用3種不同的釋光測(cè)試方法測(cè)出了9個(gè)不同的年齡數(shù)據(jù)。根據(jù)地層信息和礦物的釋光生長(zhǎng)曲線確定只有采用混合礦物簡(jiǎn)單多片再生法、純石英礦物簡(jiǎn)單多片再生法以及純石英礦物單片再生法的光釋光測(cè)年法所得結(jié)果更接近于崩積楔的真實(shí)年齡。這些斷層崩積楔年齡接近于圍巖的形成年齡,并不能代表真正意義上的斷層活動(dòng)時(shí)代。因此,斷層崩積楔年齡光釋光測(cè)年結(jié)果無法給出該斷層最真實(shí)的活動(dòng)時(shí)代。
光釋光;斷層;崩積楔;臨潼-長(zhǎng)安斷裂
上世紀(jì)70年代末80年代初,釋光測(cè)年技術(shù)開始引入中國(guó)黃土年代學(xué)研究[1~3]。Singhvi[4]、Lu[5]和Spooner[6]均通過沉積物中混合礦物和石英的陽光曬退實(shí)驗(yàn)指出,自然曝光可使礦物釋光信號(hào)“回零”。Huntley[7]用Ar+激光器產(chǎn)生的514.5 nm綠光束激發(fā)石英獲得釋光信號(hào),稱之為OSL,并用石英OSL測(cè)定沉積物的沉積年代。Hütt[8]用紅外光 (波長(zhǎng)為860 nm、930 nm)激發(fā)鉀長(zhǎng)石礦物獲得了釋光信號(hào),稱之為IRSL,并用于沉積物測(cè)年。盧演儔[9]將OSL和IRSL分別譯為光釋光和紅外釋光,并將這兩種沉積物測(cè)年技術(shù)介紹給中國(guó)第四紀(jì)工作者。上世紀(jì)九十年代初,Duller[10]在Huntley[11]工作的基礎(chǔ)上進(jìn)行了鉀長(zhǎng)石IRSL單片再生測(cè)年技術(shù)的探索。Prescott[12]在以往多片再生釋光測(cè)年技術(shù)的基礎(chǔ)上提出了多片釋光測(cè)年的澳大利亞滑移法技術(shù)。Mejdahl[13]在附加劑量的基礎(chǔ)上提出了單片再生法測(cè)定等效劑量(SARA)技術(shù)。王旭龍等[14~16]從黃土細(xì)顆粒混合礦物中提煉出純石英樣品,進(jìn)行了簡(jiǎn)單多片再生法釋光測(cè)年技術(shù)的探索;同時(shí)提出了回授釋光測(cè)年技術(shù),將釋光測(cè)年的范圍延長(zhǎng)至80萬年。
本文是在前人研究的基礎(chǔ)上,將多種方法同時(shí)應(yīng)用于西安臨潼-長(zhǎng)安斷裂的一個(gè)斷層崩積楔樣品測(cè)試,試圖查明哪種方法更適合于細(xì)顆粒斷層崩積楔物質(zhì)的光釋光測(cè)量。這種比較測(cè)試的方法應(yīng)用于斷層碎屑物的光釋光測(cè)年在國(guó)內(nèi)的研究資料相對(duì)較少。
經(jīng)過長(zhǎng)期的野外考察,選擇臨潼-長(zhǎng)安斷裂帶上典型的斷層崩積楔樣品進(jìn)行測(cè)試,樣品取自韓峪鄉(xiāng)范家村剖面(圖1),地理位置為34°19.697′N,109°10.124′E,樣品(圖1中符號(hào)為7)為棕黃色,土質(zhì)疏松,顆粒較細(xì),實(shí)驗(yàn)室編號(hào)是IEE1313。取樣剖面巖性從上向下分別為:
圖1 韓峪溝范家村斷裂剖面圖Fig.1 Fracture section in Fanjia village,Hanyu ditch.
①耕作層,含大量植物根系,厚約1.4 m。
②L1,灰黃色,質(zhì)地均一,厚約0.9 m。
③S1-1,棕褐色,含鐵質(zhì)膠膜,底部鈣質(zhì)菌絲體分布較多,厚約0.6 m;3 a為過渡層,顏色呈淺棕褐色,厚約0.2 m。
④S1-2,黃褐色,有零星白色鈣質(zhì)菌絲體分布,厚約0.3 m。
⑤灰白色鈣質(zhì)結(jié)核層,鈣核直徑從0.1~2 cm不等,鈣質(zhì)結(jié)核整體呈向下淋濾狀,厚約0.2 m。
⑥L2,灰黃色,垂直節(jié)理發(fā)育,質(zhì)地均一。
⑦棕黃色斷層崩積楔,排列有序,疏松。
韓峪鄉(xiāng)范家村剖面全新世古土壤層缺失,末次冰期黃土沒有明顯的三層之分,末次間冰期古土壤在上下盤的分布略有不同,上盤不同層位之間的界限較為清楚,而下盤似乎過渡層發(fā)育較厚。斷裂活動(dòng)錯(cuò)斷了韓峪鄉(xiāng)范家村剖面S1頂部0.4 m,并形成了斷層面及斷層崩積楔。斷層面有垂直察痕和磨光鏡面。斷層崩積楔呈灰黃色,淺于兩側(cè)地層,質(zhì)地疏松,顆粒較細(xì);形狀呈梯狀,上窄下寬,下部寬約13 cm,上部較細(xì),連通至L1中部。在斷層頂部,有一條較細(xì)的裂縫,向上通往耕作層。實(shí)驗(yàn)樣品采集的部位見圖1中IEE1313,是典型的斷層崩積楔樣品。
樣品的前處理方法參考Aitken[17]和Lu et al.[5,18]等的程序,在實(shí)驗(yàn)室紅外光照條件下打開樣品,削去鋼管表層可能已曝光或污染部分,取大約20 g樣品備測(cè)U、Th、K及含水量,取管子中間樣品150 g左右放在1 000 ml燒杯中,加入足量濃度30%的雙氧水和15%的鹽酸去除有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽,待有有機(jī)質(zhì)和碳酸鹽完全去除后用蒸餾水清洗2~3次使溶液接近中性,再加入適量的氫氧化鈉使溶液PH值在7~8之間,待無絮凝出現(xiàn)時(shí)利用靜水沉降法分選出4~11μm顆粒。
上述分離出的細(xì)顆粒是石英和長(zhǎng)石以及極少量粘土礦物混合物,將分離出的4~11 m粒組取一少半移到聚氯乙烯燒杯中,加入適量濃度為30%的氟硅酸。30 h后 (其間充分?jǐn)嚢瓒啻?加入蒸餾水反復(fù)沖洗,至懸濁液PH=7,根據(jù)stoken[17]定律放置一定時(shí)間再倒掉懸濁液,留下沉淀物,烘干后得到純凈的石英顆粒。
測(cè)片制備:取已處理好的細(xì)顆粒樣品約50 mg,置于50 ml的小三角瓶中,加入20 ml丙酮,放在超聲波中充分震蕩2 min后加丙酮至50 ml,用微量移液管取約1 ml注入事先放入圓鋼片的小試管中,滴完后將小試管放在40℃烘箱中烘干,則得到了需要的測(cè)片,每個(gè)測(cè)片上約有1 mg樣品。
本實(shí)驗(yàn)樣品在Daybreak TL/OSL 2200型測(cè)量系統(tǒng)上進(jìn)行,輻照源為90Sr-90Y,輻照效率為0.140 Gy/s。釋光信號(hào)的激發(fā)方式為:紅外激發(fā)波長(zhǎng)為880±80 nm,藍(lán)光的激發(fā)波長(zhǎng)為470±5 nm;激發(fā)光強(qiáng)度為45 mw/cm2,釋光信號(hào)通過兩塊U-340濾光片進(jìn)行檢測(cè)。
Huntley等[11]和Hutt等[8]研究表明,石英不能被紅外線 (880±80 nm)激發(fā)產(chǎn)生紅外釋光(IRSL)信號(hào),但石英可被綠光束激發(fā)產(chǎn)生綠光釋光(GLSL)信號(hào),而長(zhǎng)石可被紅外線激發(fā),產(chǎn)生IRSL信號(hào)。如果對(duì)混合樣品先用880±80 nm波長(zhǎng)的紅外光激發(fā),并通過適當(dāng)?shù)臑V光片組合檢測(cè)IRSL信號(hào),再對(duì)該測(cè)樣使用綠光進(jìn)行GLSL測(cè)量,則可從同一樣品的細(xì)顆粒測(cè)樣獲得IRSL和GLSL的兩種測(cè)量結(jié)果。這兩種結(jié)果從不同礦物中獲得,互相獨(dú)立,可以相互校核。
本實(shí)驗(yàn)中,將混合礦物和石英礦物分別進(jìn)行測(cè)試,混合礦物先用紅外光激發(fā),獲得長(zhǎng)石的紅外釋光信號(hào),再用藍(lán)光進(jìn)行激發(fā),獲得石英的藍(lán)光釋光信號(hào)。石英礦物先用短時(shí)間紅外激發(fā),看是否有紅外釋光信號(hào),若無,再用藍(lán)光進(jìn)行測(cè)量?;旌系V物和石英礦物測(cè)試的方法均為多測(cè)片滑移法,簡(jiǎn)單多片再生法和單片再生法,共可獲得九個(gè)相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)。
為了避免感量變化的影響,Prescott[19]提出了澳大利亞滑移法。該法是把再生劑量點(diǎn)沿劑量軸移動(dòng)直到與附加劑量數(shù)據(jù)點(diǎn)重合,即把N+SL+β點(diǎn)和N+β點(diǎn)擬合成一條曲線,曲線沿劑量軸滑移的距離即為等效劑量值。進(jìn)行擬合試驗(yàn)可以檢驗(yàn)礦物釋光信號(hào)是否有大的感量變化。對(duì)感量明顯變化的樣品,滑移法無法擬合出曲線。附加法的具體測(cè)試步驟如下:①根據(jù)樣品的老或年輕相應(yīng)的附加五組不同的劑量N(天然信號(hào))、N+β1、N+β2、N+β3,和N+β4;②先用紅外光激發(fā)5組樣品,測(cè)試每組樣品的紅外釋光信號(hào);③再用藍(lán)光激發(fā),測(cè)試其藍(lán)光釋光信號(hào);④將所有測(cè)片輻照相同的小劑量;⑤測(cè)量小劑量光釋光和紅外釋光信號(hào);⑥用同一測(cè)片③的信號(hào)除以⑤的信號(hào)得到校正后不同的釋光信號(hào)強(qiáng)度;⑦根據(jù)五組測(cè)片的紅外釋光信號(hào)強(qiáng)度和藍(lán)光釋光信號(hào)強(qiáng)度與附加劑量的響應(yīng)關(guān)系做圖,建立長(zhǎng)石的紅外釋光生長(zhǎng)曲線和石英的藍(lán)光釋光生長(zhǎng)曲線。該方法簡(jiǎn)單、快速,在測(cè)試過程中不會(huì)發(fā)生樣品釋光感量的變化。但是附加劑量法適合于生長(zhǎng)曲線是線性或者接近線性的數(shù)據(jù)[20]。再生法的測(cè)試步驟參考3.2描述,將再生法生長(zhǎng)曲線滑移至與附加法生長(zhǎng)曲線重合即得到了滑移法生長(zhǎng)曲線(圖2abc),滑移的距離即為滑移法得到的等效劑量值。
簡(jiǎn)單多片再生法參考王旭龍等[15]的描述,是通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)將礦物的釋光信號(hào)完全置零后再人工附加不同的輻照劑量以建立礦物沉積時(shí)的釋光量。再生法等效劑量值在生長(zhǎng)曲線上通過內(nèi)插的方式獲得,克服了附加劑量法ED值是在N+β生長(zhǎng)曲線的外延部分上測(cè)定的這一不足。
簡(jiǎn)單多片再生法是通過多個(gè)測(cè)片的統(tǒng)一測(cè)量來完成,需要完成如下測(cè)量步驟:①六組測(cè)片在白熾燈下完全曬退信號(hào);②根據(jù)樣品的老或年輕相應(yīng)的附加六個(gè)不同的再生劑量;③測(cè)出六組不同的釋光信號(hào);④將所有測(cè)片輻照相同的小劑量;⑤測(cè)量小劑量的信號(hào);⑥用同一測(cè)片③的信號(hào)除以⑤的信號(hào)得到校正后不同的光釋光信號(hào)強(qiáng)度;⑦根據(jù)不同釋光信號(hào)強(qiáng)度建立生長(zhǎng)曲線圖,再依據(jù)校正后的天然釋光信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算樣品的等效劑量值(圖2d、e、f)。
單片再生法與簡(jiǎn)單多片再生法的測(cè)量方法相似,不同的是單片再生法是通過對(duì)一個(gè)測(cè)片的測(cè)量來完成,需要如下步驟:①測(cè)量樣品的天然釋光信號(hào);②輻照小劑量,測(cè)量小劑量樣品的釋光信號(hào);③根據(jù)樣品的老或年輕相應(yīng)的附加再生劑量,測(cè)量再生劑量樣品的釋光信號(hào);④再輻照小劑量,測(cè)量小劑量樣品的釋光信號(hào);⑤重復(fù)③和④步驟4次,即輻照四個(gè)不同的再生劑量(包括零劑量);⑥根據(jù)不同的釋光信號(hào)強(qiáng)度建立生長(zhǎng)曲線圖;⑦依據(jù)校正后的天然釋光信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算樣品的等效劑量值(圖2 g、h、I)。
圖2 等效劑量值測(cè)試結(jié)果圖Fig.2 Testing results of equivalent dose value
通過以上3種測(cè)試方法對(duì)混合礦物和純石英礦物進(jìn)行紅外釋光及光釋光等效劑量值的測(cè)定,共獲得9個(gè)相互獨(dú)立的測(cè)量結(jié)果,將其按照等效劑量值的大小排序列于表1中。
本實(shí)驗(yàn)采集樣品的深度為3.9 m,U、Th和K的含量分別是2.86±0.14 ppm、13.72±0.3 ppm和1.81%,含水量為20%,根據(jù)Aitken[21]提出的環(huán)境中鈾、釷、鉀含量與石英、長(zhǎng)石等礦物接收的劑量率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,得出各樣品所接收的劑量率,石英礦物的年劑量率為3.58±0.16 Gy/ka,長(zhǎng)石礦物為3.994±0.22 Gy/ka,根據(jù)年齡=等效劑量值/年劑量率計(jì)算得到9種不同的年齡值見表1。
表1 3種測(cè)試法9種測(cè)試結(jié)果相應(yīng)的等效劑量值及年齡Table 1 The corresponding equivalent dose values and ages with three kinds of test methods and nine test results
滑移法是附加法和再生法共同建立的生長(zhǎng)曲線,應(yīng)該同時(shí)滿足附加法和再生法各自的條件。附加法只適用于生長(zhǎng)曲線是線性或者接近線性的數(shù)據(jù)。從圖2可看出,圖a和圖b的生長(zhǎng)曲線均為指數(shù)增長(zhǎng),所以本實(shí)驗(yàn)中滑移法的混合礦物和純石英礦物的光釋光測(cè)量數(shù)據(jù)均不可靠。從表1可看出,c、f和I的等效劑量值明顯偏小,這是由于長(zhǎng)石的異常衰減所致,到目前為止,通過多種方法的嘗試,長(zhǎng)石釋光信號(hào)的異常衰減仍然無法去除,因此混合礦物的紅外釋光年齡值均不可靠。本實(shí)驗(yàn)g中單片再生法的混合礦物光釋光測(cè)量等效劑量值偏小,可能是因?yàn)閱螠y(cè)片的測(cè)量是反復(fù)在同一個(gè)測(cè)片上來完成,發(fā)生了感量變化或者受少量粘土礦物信號(hào)的影響所致,結(jié)果亦不可靠。
根據(jù)圖1所反映的地質(zhì)環(huán)境信息及野外觀察,斷層崩積楔物質(zhì)均為垂向排列,說明其來自于上覆L1地層,年齡應(yīng)該比IEE1311樣品的年齡稍小,因?yàn)閿鄬颖婪e楔物質(zhì)在形成過程中,顆粒無可避免的要重新組合、再堆積以及短時(shí)間暴曬于陽光下,致使部分儲(chǔ)藏信號(hào)丟失。根據(jù)測(cè)量誤差推算,本實(shí)驗(yàn)中9個(gè)不同的數(shù)據(jù)中只有36.3 ka,35.8 ka和34.6 ka更接近于IEE1311樣品的年齡38.3 ka,并與地層反映信息相吻合,從測(cè)量方法及生長(zhǎng)曲線上也找不出破綻,因此認(rèn)為混合礦物簡(jiǎn)單多片再生法的光釋光測(cè)量、純石英礦物簡(jiǎn)單多片再生法的光釋光測(cè)量以及純石英礦物單片再生法的光釋光測(cè)量適合本實(shí)驗(yàn)中斷層崩積楔物質(zhì)的測(cè)試。
斷層崩積楔物質(zhì)的年齡雖然比上覆地層的年齡小,但是大多情況下并不能代表真正的斷層活動(dòng)時(shí)代,而是比斷層活動(dòng)時(shí)代要老。偏老的程度根據(jù)斷層崩積楔物質(zhì)曝曬的時(shí)間長(zhǎng)短確定,如果暴曬的時(shí)間足夠長(zhǎng),崩積楔形成時(shí)將原先儲(chǔ)藏的釋光信號(hào)全部曬退掉,所測(cè)定的是斷層崩積楔形成的年齡,這是我們所期望的斷層活動(dòng)時(shí)代,但是這種情況較少,因?yàn)閿鄬颖婪e楔通常是在崩塌的一瞬間形成的,曝光的時(shí)間太短,所以只有部分釋光信號(hào)被曬退掉,那么用釋光信號(hào)所測(cè)定的是斷層崩積楔形成以后的年齡和形成以前地層的部分年齡之和,這種情況下測(cè)定的年齡比真實(shí)的斷層活動(dòng)時(shí)代偏老。
雖然從光釋光測(cè)試方法上看,本文給出的年齡不存在問題,但是從崩積楔形成的角度考慮,這些斷層崩積楔年齡接近于圍巖的形成年齡,并不能代表真正意義上的斷層活動(dòng)時(shí)代。因此,斷層崩積楔年齡光釋光測(cè)年結(jié)果無法用于推斷該斷層的活動(dòng)時(shí)代。
只能說正確的測(cè)量方法代表了斷層崩積楔的年齡,比圍巖年齡更接近于斷層的活動(dòng)時(shí)代,因?yàn)楸婪e楔一般是由當(dāng)時(shí)的地表或接近地表的物質(zhì)埋藏堆積形成的,所以崩積楔在形成前的年齡一般比較小,又經(jīng)歷了部分曝光。通常真正的斷層活動(dòng)時(shí)代難以直接獲得,一般根據(jù)斷層崩積楔和上覆地層的年齡給出較接近斷層活動(dòng)時(shí)間的年齡值。
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Discussions of Optical Stimulated Luminescence Dating about Colluvial Deposits in Lintong-chang'an Fault
LI Xiaoni, TIAN Qinhu, LI Gaoyang,LI Miao,LI Juan
(Earthquake Administration of Shanxi Province,Xi'an 710068,China)
This article choosed Fanjiacun profile in Lintong-chang′an fault as a typical fault gouge samples testing and used three different methods to obtain nine different age data.According to stratum information and minerals luminescence growth curve,the paper determined only three dating method.They are mixed minerals multiple aliquot regenerative dose protocol,fine grained quartz multiple aliquot regenerative dose protocol and fine grained quartz single aliquot regenerative dose protocol.These fault wedge ages are close to collapse product of surrounding rock formation age but can′t represent real fault activity era.So we conclude that optical stimulated luminescence age results of colluvial deposit can′t give real activity age about fault.
Optical stimulated luminescence dating;Fault;Colluvial deposit;Lintong-chang′an fault
P313.1
A
1001-8662(2011)03-0019-08
2011-01-19
國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)發(fā)改投資“城市活斷層試驗(yàn)探測(cè)”項(xiàng)目(20041138);陜西省地震局青年基金(2010-12)
李曉妮,女,1979年生,碩士,工程師.主要從事西安市活斷層探測(cè)與第四紀(jì)地質(zhì)年代學(xué)研究工作.E-mail:bestnini2001@yahoo.com.cn