80 Ma 以來海水Os 同位素組成曲線的精細特征: 中、西太平洋多金屬結殼的記錄

王 洋, 方念喬

(中國地質(zhì)大學 海洋學院, 北京 100083)

陸源物質(zhì)隨河流或風塵入海、火山和熱液等幔源物質(zhì)入海、宇宙源物質(zhì)溶解入海是海水中Os 的主要來源[1]。在Os 的7 種同位素中,187Os 多為放射性成因, 是由富集于陸源物質(zhì)中的187Re 通過β 衰變而成的(也包括187Re 的原位衰變), 而188Os 多為非放射性成因, 來自地幔分異過程中保留在地幔中(也包括外源物質(zhì))的部分。這造成了殼、幔源物質(zhì)中Os 同位素組成(187Os/188Os)的巨大差別, 其中大陸風化物約為1.54[2], 地幔和隕石約為0.12[3-5], 使得Os 同位素組成成為識別殼、幔來源物質(zhì)的良好示蹤劑。

海水的Os 同位素組成被記錄在多金屬結殼等水成礦物中, 80 Ma 以來的海水Os 同位素演化曲線(即標準曲線)是基于深海遠洋黏土、富金屬碳酸鹽和富有機質(zhì)沉積物中Os 同位素的數(shù)據(jù)進行整合框定的[6-9]。該曲線顯示的主要特征形態(tài)有3 種, 其中K/T(白堊紀/第三紀)界線和E/O(始新世/漸新世)界線的兩個極低值峰一般被認為與兩次隕擊事件[8]或超基性巖風化事件有關[10], 而中新世(15 Ma 附近)的撓曲(即曲線持續(xù)上升過程中的一次回調(diào))則可能與哥倫比亞河超基性巖風化事件有關[11]。

基于海水Os 同位素標準曲線的整體形態(tài)和以上3 種特征形態(tài), Klemm[9]等嘗試通過直接比對中太平洋結殼CD29-2 與大洋海水的Os 同位素組成曲線來為其定年, 初步確立了Os 同位素標準曲線對結殼的定年方法(下文稱Os 法或Co-Os 法定年)。此后, 符亞洲等分別參照此方法嘗試為結殼定年[12-16], 但是由于結殼構造層的多樣性與不規(guī)律性和生長間斷的廣泛存在, 定年結果往往存在較大不確定性。在與標準曲線比對的過程中, 依據(jù)僅此3 個特征形態(tài)來定位顯得比較粗糙, 而目前的標準曲線形態(tài)分辨率不高, 亟需更多更精確的特征形態(tài)的發(fā)現(xiàn)。

本研究將中、西太平洋6 塊多金屬結殼樣品的Os 同位素組成與海水Os 同位素曲線[9]對比, 在厘定結殼年代框架的同時, 擬進一步發(fā)掘記錄在結殼中更細微的Os 同位素組成變化, 從而為Os 法定年提供更多的依據(jù)。

1 材料和分析方法

本研究樣品分別采自中、西太平洋偏西部的麥哲倫海山區(qū)(MS1: 153.3°E, 12.1°N, 2 128 m, 直徑約10 cm)和馬紹爾海山區(qū)(MHD79: 163.2°E, 11.7°N,2 381 m, 厚度約10 cm), 偏北部的馬爾庫斯威克海山區(qū)(CLD34-2: 160.5°E, 21.67°N, 2 157 m, 厚度約1.5 cm; CLD50: 160.5°E, 21.67°N, 2 225 m, 殼層厚度約 4 cm), 以及偏東部的萊恩海山區(qū)(MP3D10:165.3°W, 13.2°N, 2 739 m, 厚度約7 cm; MP3D22:166.1°W, 14.3°N, 3 214 m, 厚度約8 cm), 取樣位置如圖1 所示。除呈結核狀的MS1 和單層結殼CLD34-2以外, 其余4 塊皆為由頂至底的較致密層-疏松層-致密層3 層結殼(以MP3D10 為例, 如圖2A 所示), 殼層以紋層狀和柱狀構造為主(鏡下構造照片見圖3)。

圖1 中、西太平洋多金屬結殼取樣位置圖Fig. 1 Sampling position of polymetallic crusts

圖2 MP3D10 樣剖面照片及取樣位置示意圖Fig. 2 Profile photo and sampling position of MP3D10

圖3 殼層典型構造的鏡下照片F(xiàn)ig. 3 Microscopic photos of typical structures

對結殼樣品依生長層逐層取樣, 由頂至底分別取樣7～22 層, 取樣厚度為mm 級(以MP3D10 為例,取樣點位如圖2B 所示)。首先沿垂直生長層方向?qū)悠非懈畛?～2 cm 厚的小片, 以方便后續(xù)的精細取樣。選用小型手鉆1.0 mm 的鉆頭, 逐層鉆取粉末樣品, 每層取樣總質(zhì)量約2 g, 磨制成200 目(<74 μm)粉末樣以待測試。在取樣過程中密閉無關層位, 及時清理碎末和鉆具, 盡量防止混樣。同時, 將取得的粉末樣品保存在紙袋中, 以盡可能地避免樣品由于靜電吸附造成的損失。

樣品的Os 同位素測定分先后3 批由國家地質(zhì)測試中心完成, 儀器分別采用了MAT262 帶有負離子轉(zhuǎn)換裝置的負離子熱表面電離質(zhì)譜儀(美國Finnigan公司, 鉑帶選用美國ESPI 公司產(chǎn)品, 規(guī)格0.001″ T ×0.03″ W, 純度w(Pt)=99.999%), Triton-plus 熱表面電離質(zhì)譜儀(Thermo FisherScientific 公司生產(chǎn), 鉑帶選用美國H.Cross 公司產(chǎn)品, 規(guī)格0.7 mm × 0.025 mm,純度 w(Pt)=99.999%), 詳細實驗方法如 Du[17]等所述。其中, Teflon 尖底瓶(5 mL)為美國Nalgane 公司生產(chǎn)產(chǎn)品, 稀釋劑185Re 金屬粉和190Os 金屬粉為美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)產(chǎn)品。采用Carius 管分解樣品(調(diào)節(jié)溫度到–50 ℃～–80℃, 烘箱溫度230℃,保溫10 h), 以OsO3–離子, 采用輸氧技術測定(真空1×10–5Pa, 氧氣氣壓5×10–5Pa)。所有數(shù)據(jù)的平均不確定度為0.003 7。Co 元素百分含量由中國地質(zhì)大學(北京)地學實驗中心, 國家地質(zhì)測試中心和核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究所測定, 所用儀器分別為Platform 電感耦合等離子質(zhì)譜儀, PE8300 等離子質(zhì)譜儀和JXA8100 電子探針儀, 采用LY/T1253—1999, GB/T 15074—2008 等測試標準。

多金屬結殼年代框架由Co-Os 法定年體系厘定:根據(jù)結殼分層Co 百分含量數(shù)據(jù), 采用區(qū)域性適用的Co 經(jīng)驗公式(如Manheim[18]等或McMurtry[19]等)估算生長速率, 結合取樣厚度, 計算結殼單層的生長年齡, 之后進行累加, 得到Co 法年齡。以Co 法年齡作為橫坐標, 測得的Os 同位素比值作為縱坐標, 得到的曲線與標準曲線進[9]行比對, 劃分出樣品的生長、間斷年代區(qū)間。將6 塊樣品的Co-Os 曲線進行對比, 總結其形態(tài)特征規(guī)律。

圖4 結殼Co 百分含量的取樣深度剖面Fig. 4 Sampling depth profile of Co wt% in crusts

2 結果

2.1 Co、Os 元素含量剖面變化

結殼樣品的分層Co 百分含量剖面如圖4 所示。Co%在剖面上整體的變化幅度不大, 大部分振幅在0.6%之內(nèi), 分布相對比較均一。樣品Co%整體上有著不甚明顯的自底至頂逐漸上升的變化趨勢, 如典型的3 層結殼MHD79 和MP3D10 以及非典型的3 層結殼CLD50, 另一3 層構造樣品MP3D22 則只在表層20 mm 出現(xiàn)Co%飆升的變化特征。Co%剖面變化的另一特征是其在表層的降低, 如樣品MS1 和CLD34-2,其Co%在結殼表層20 mm 逐漸下降。這個特征可能是普遍存在的, 如在樣品MHD79 和CLD50 的最表層也有所體現(xiàn), 而沒有體現(xiàn)出這一特征的樣品可能是因為其在表層的取樣精度有限。Co%在表層下降的趨勢所對應的殼層深度不同, 這可能是由于不同樣品表層的生長年代和生長速率不同而導致的。

圖5 顯示了結殼187Os/188Os 在取樣深度剖面上的變化特征, 結殼的Os 同位素組成在取樣深度上的變化規(guī)律較為明顯。對于殼層不完整的樣品和具典型 3 層構造的樣品的中部和上部層位, 結殼187Os/188Os 比值持續(xù)上升, 這說明這些樣品或?qū)游坏哪挲g相對較輕, 且由里至表, 逐層記錄了海水Os 同位素組成由古至今的變化特征。MP3D22 樣則顯得比較特殊, 其Os 同位素組成在表層的上升區(qū)間僅限于表層10 mm 以內(nèi), 說明這塊樣品可能年輕殼層出現(xiàn)了缺失。對于典型3 層結殼的中下部層位, Os 同位素組成相對較低, 這說明其生長時代較老, 也反映了海洋Os 同位素組成在早期的變化過程。MP3D22 樣在中老殼層的Os 同位素組成相對其他樣品較高, 可能預示著這個樣品的成礦機制有所不同。

圖5 結殼Os 同位素組成的取樣深度剖面Fig. 5 Sampling depth profile of Os isotope composition in crusts

2.2 樣品的Co-Os 年代框架

將中、西太平洋6 個結殼樣品的Co-Os 曲線, 分別與Os 同位素標準曲線比對, 同時參考基巖年齡、Co 法和Os 法文獻資料、超微化石年代學資料、磷酸鹽化事件期次和結構構造特征等相關證據(jù), 得到的中、西太平洋結殼的年代框架如表1 和圖6 所示。結果顯示, 中、西太平洋結殼主要在80 Ma～75 Ma、70 Ma～65 Ma、55 Ma～51 Ma、42 Ma～40 Ma、35 Ma～28 Ma、15 Ma～10 Ma、8 Ma～0 Ma年代區(qū)間內(nèi)生長, 在65 Ma～60 Ma、51 Ma～42 Ma、40 Ma～35 Ma 和28 Ma～18 Ma 年代區(qū)間內(nèi)發(fā)生間斷。

表1 中、西太平洋多金屬結殼年代框架Tab. 1 Age frames of crusts from Central-Western Pacific

3 討論

本研究通過對中、西太平洋6 個結殼樣品的定年工作, 總結了Os 同位素曲線的4 種新曲線特征形態(tài), 這些特征在曲線形態(tài)上普遍性存在。如圖6 所示,綠色框體為, 這4 個新特征為:

3.1 K/T 界線之前的“早期異常(波動)”特征

在晚白堊世, 海水的Os 同位素曲線并非如標準曲線那樣維持穩(wěn)定, 而是具有一種波動特征, 主要表現(xiàn)為連續(xù)下降過程中的撓曲。如馬紹爾海山區(qū)的結殼MHD79 和萊恩海山區(qū)的結殼MP3D22, 撓曲發(fā)生于80 Ma～70 Ma 左右。本研究中兩塊年齡達到80 Ma附近的結殼樣品都體現(xiàn)出了這種特征形態(tài), 說明了這種波動的普遍性。在Klemm[9]等的研究中, 由于少有年齡達到75 Ma 以老的數(shù)據(jù), 從而無法框出較早的標準曲線形態(tài), 但其對早期波動的存在持開放態(tài)度。

圖6 中、西太平洋多金屬結殼Os 同位素曲線與標準曲線比對示意圖(Co-Os 法年代框架示意圖)Fig. 6 Comparison of Os isotope curves of polymetallic crusts in the Central and Western Pacific and standard curve

3.2 E/O 界線之后上升過程中的“小停頓”

曲線在E/O 界線和中新世“撓曲”之間的持續(xù)上升區(qū)間內(nèi), 存在一次停頓現(xiàn)象。如麥哲倫海山區(qū)的結殼MS1, 馬紹爾海山區(qū)的結殼MHD79 和萊恩海山區(qū)的結殼MP3D22, 另一萊恩海山區(qū)樣品MP3D10則表現(xiàn)得不明顯。發(fā)生“停頓時”,187Os/188Os 值在0.5～0.7 左右, 年代在35 Ma～30 Ma 左右。本研究中,6 塊樣品中有3 塊展現(xiàn)出了這一特征形態(tài)。余下3 塊中, 馬爾庫斯威克海山區(qū)結殼CLD34-2 始生長年代較晚, 年代框架沒有覆蓋到這個范圍; 而馬爾庫斯威克海山區(qū)的另一樣品CLD50 和萊恩海山區(qū)的另一樣品MP3D10 則可能由于取樣精度的問題沒能在這個區(qū)間內(nèi)取到反映此特征形態(tài)的點位。Klemm[9]等報道的中太平洋結殼樣品CD29-2 的Os 同位素曲線中也表現(xiàn)出了“小停頓”特征。

3.3 E/O 界線之后上升過程末尾的“異常偏高點”特征

曲線在在E/O 界線和中新世“撓曲”之間的持續(xù)上升區(qū)間末尾, 存在1 個相對標準曲線小幅偏高點。如麥哲倫海山區(qū)的結殼MS1, 馬紹爾海山區(qū)的結殼MHD79, 萊恩海山區(qū)的結殼MP3D10, 偏高點的187Os/188Os 取值在0.8 以上, 略高于標準曲線的取值區(qū)間, 其年齡在30 Ma 左右。本研究中, 6 塊樣品中有3 塊展現(xiàn)出了這一特征形態(tài)。與上一特征相似,其余3 塊未展現(xiàn)出相關特征的原因是生長年齡較輕或未取到樣。Klemm[9]等報道的中太平洋結殼樣品CD29-2 的Os 同位素曲線中也表現(xiàn)出了“異常偏高點”的特征。

3.4 中新世“‘撓曲’錯后”至10 Ma 左右的特征

與標準曲線E/O 界線之后的兩次持續(xù)上升區(qū)間之間的“撓曲”位于15 Ma 附近不同, 本研究樣品Os 同位素曲線顯示的撓曲相對“錯后”。如麥哲倫海山區(qū)的結殼MS1 和萊恩海山區(qū)的結殼MP3D10, 撓曲位于13 Ma～10 Ma 附近, 發(fā)生撓曲時的187Os/188Os的取值在0.7～0.8。然而, 6 個樣品中, 僅MS1 的特征較為明顯, MP3D10 次之, 其余4 個樣品在此年代區(qū)間內(nèi)無點位(如馬紹爾海山區(qū)的結殼MHD79 和馬爾庫斯威克海山區(qū)的結殼CLD34-2)或取樣點甚少(如馬爾庫斯威克海山區(qū)的結殼CLD50 和萊恩海山區(qū)的結殼MP3D22), 這說明“撓曲”形態(tài)出現(xiàn)的時代實際上也是一個普遍存在的間斷期, 古海洋環(huán)境不利于結殼發(fā)育。值得一提的是, Klemm[9]等厘定的中太平洋結殼樣品CD29-2 的Os 同位素曲線中也表現(xiàn)出了明顯的“撓曲錯位”的特征。同時, Klemm[9]等的研究中較好的取樣精度使得結殼15 Ma 以來的Os 同位素曲線細微特征得以顯現(xiàn), 值得進一步的關注與研究。另外, 本文研究的馬爾庫斯威克海山區(qū)樣品CLD50 和萊恩海山區(qū)樣品MP3D22 在15 Ma～10 Ma的年代區(qū)間內(nèi)的Os 同位素組成取值相對標準曲線還有不同程度的偏低現(xiàn)象, 是否為另一曲線特征還有待進一步驗證。

3.5 對曲線精細特征識別的意義和原因初探

綜上所述, 6 個樣品中僅有馬紹爾海山區(qū)的MHD79 和萊恩海山區(qū)的MP3D22 年代比較古老, 始生長年代可追溯至80 Ma 左右, 所以只有這兩個樣品有可能記錄“早期異?！碧卣? 而這兩個樣品的曲線也確都表現(xiàn)出了這一特征, 說明這個特征可能是太平洋結殼Os 同位素曲線的共性特征?！靶⊥ｎD”特征的存在也非常普遍, 除了年代較輕(沒有達到E/O 界)的馬爾庫斯威克海山樣品CLD34-2 和曲線點位較少的CLD50 以外, 4 個樣品均有表現(xiàn), 表現(xiàn)形態(tài)也較為相似?！皳锨毙螒B(tài)出現(xiàn)的時代實際上也經(jīng)常伴隨著一個普遍存在的間斷期, 如 MHD79 和CLD50。本文的結果顯示, 在這個時期沒有發(fā)生間斷的樣品大多展現(xiàn)出了“撓曲錯后”的特征, 如麥哲倫海山區(qū)的MS1 和萊恩海山區(qū)的MP3D10。CLD34-2和另一個萊恩海山區(qū)的樣品MP3D22 則由于該區(qū)間內(nèi)點位較少而沒有體現(xiàn)出明顯特征。至此, 可以推斷,本研究發(fā)現(xiàn)的4 種記錄在結殼Os 同位素曲線中的形態(tài)特征可能是中、西太平洋海水的Os 同位素曲線演化的共性特征。

識別出新的曲線特征對于Co-Os 法定年體系具有的重要應用意義。在此之前, 研究者只能通過標準曲線的K/T 界線低值、E/O 界線低值和中新世“撓曲”3 個特征作為年代控制點進行比對。如今, K/T界線之前的“早期異常(波動)”、E/O 界線之后上升過程中的“小停頓”、E/O 界線之后上升過程末尾的“異常偏高點”和中新世“‘撓曲’錯后”至10Ma 左右的這4 個新特征的提出豐富了標準曲線的細微形態(tài), 可作為年代控制點, 使得年代框架的厘定可以更準確可靠。

對于新的曲線特征的解釋目前還缺乏證據(jù), 不過基于Os 同位素分餾理論, 比值的波動多與殼、幔源物質(zhì)的供應關系有關。殼源物質(zhì)供應的增加或幔源物質(zhì)供應的減少都可能導致曲線升高, 反之亦然。與Klemm 的標準曲線在75 Ma 以前的持平趨勢不同,本研究樣品曲線展現(xiàn)的“早期異常波動”實際上是在70 Ma 以前的波動形態(tài), 在80 Ma～70 Ma 之間持續(xù)下降, 在70 Ma 附近突然上升出現(xiàn)反復, 而后又進入K/T 界線之前的急速下降區(qū)間。這表明, 在晚白堊世殼源物質(zhì)供應量急劇下降或幔源供應量急劇上升,而在70 Ma 時出現(xiàn)了1 次殼源物質(zhì)輸入事件或者幔源物質(zhì)輸入減少或暫停期, 造成了這種波動。同理,出現(xiàn)在E/O 界線后上升區(qū)間內(nèi)的“小停頓”可能意味著在殼源物質(zhì)供給逐漸增加的過程中出現(xiàn)了一次幔源事件或相反。對于E/O 界線后的“異常高值點”和中新世“撓曲錯后”的形態(tài), 則是隨著數(shù)據(jù)的積累而對標準曲線的細化和校正。

4 結論

本研究綜合對比中、西太平洋六塊多金屬結殼的Os 同位素組成曲線, 總結出了4 種記錄在結殼中的海水Os 同位素曲線特征規(guī)律, 可作為年代控制點,使得結殼年代框架的厘定可以更準確可靠。

這4 種新特征形態(tài)包括: K/T 界線之前的“早期異常(波動)”; E/O 界線之后上升過程中的“小停頓”;E/O 界線之后上升過程末尾的“異常偏高點”; 中新世“‘撓曲’錯后”至10 Ma 左右。前兩個形態(tài)的出現(xiàn)多與地質(zhì)歷史時期海洋中殼、幔源物質(zhì)的供應關系變化有關, 后兩個形態(tài)則是隨著數(shù)據(jù)的積累而對標準曲線的細化和校正。

致謝: 中國大洋協(xié)會和廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局為本研究提供項目和樣品支持。同時對國家地質(zhì)測試中心杜安道、屈文俊、李超研究員和其他測試人員對本研究提供高水平測試數(shù)據(jù)表示感謝！感謝丁旋、李江山、張振國、高蓮鳳、吳長航、張艷、張志超、周濤和黃和浪對本研究和前期研究的貢獻。感謝審稿人的建設性意見和建議！