利用4He/U-Th方法首次测定阿尔卑斯山前陆早期千阪期（中更新世）冰川深谷的年代

学术背景

冰川深谷（glacial overdeepenings）是冰川侵蚀形成的深谷，通常被冰川沉积物填充。这些沉积物记录了冰川活动的历史，对于理解更新世冰川的扩展和消退具有重要意义。然而，由于缺乏可靠的年代测定方法，这些沉积物的年代一直难以准确确定。传统的放射性碳测年法（14C）仅适用于较年轻的沉积物（通常不超过5万年），而其他方法如铀系测年法（U-Th）在冰川沉积物中的应用也受到限制。

为了解决这一问题，研究人员开发了4He/U-Th测年法。该方法通过测量沉积物孔隙水中放射性氦（4He）的积累量来推断沉积物的年代。4He是由沉积物中的铀（U）和钍（Th）衰变产生的，其积累时间可以反映沉积物的沉积时间。这种方法特别适用于低渗透性沉积物，因为这类沉积物能够有效保存孔隙水中的4He。

论文来源

这篇论文由Yama Tomonaga、Marius W. Buechi、Gaudenz Deplazes和Rolf Kipfer共同撰写，分别来自瑞士联邦水科学与技术研究所（Eawag）、巴塞尔大学、伯尔尼大学以及瑞士国家放射性废物处理合作组织（Nagra）。论文于2024年10月4日被接受，并发表在《Geology》期刊上，DOI为10.1130/G52544.1。

研究流程

1. 研究地点与样品采集

研究地点位于瑞士苏黎世北部的Hochfelden-Strassberg钻孔点（8.507°E, 47.529°N）。该地区在更新世期间多次被冰川覆盖，形成了多个冰川深谷。研究人员从278米长的钻孔中采集了28个沉积物样品和1个地下水样品。

2. 4He/U-Th测年法的应用

4He/U-Th测年法的核心是通过测量孔隙水中的4He浓度来推断沉积物的年代。具体步骤如下： - 4He浓度测量：使用静态质谱仪（static mass spectrometry）和便携式质谱仪（portable mass spectrometry）测量孔隙水中的4He浓度。 - 铀和钍浓度测量：通过γ能谱法（γ-spectrometry）测定沉积物中的铀和钍浓度。 - 4He年龄计算：根据4He浓度、铀和钍浓度以及沉积物的孔隙度和密度，计算4He的积累时间，即沉积物的年代。

3. 数据处理与分析

研究人员对采集的样品进行了详细的数据分析，包括： - 孔隙水中的4He浓度：通过静态质谱仪和便携式质谱仪测量，结果显示在40米至140米之间的沉积物中，4He浓度较高，表明这些沉积物的年代较老。 - 铀和钍浓度：沉积物中的铀和钍浓度较为均匀，平均值分别为2 ppm和5 ppm。 - 4He年龄计算：根据4He浓度和铀、钍浓度，计算出40米至140米之间的沉积物年代为606 ± 122 ka（千年前）。

主要结果

1. 4He浓度分布

研究结果显示，40米至140米之间的沉积物中4He浓度较高，表明这些沉积物的年代较老。而140米以下的沉积物中4He浓度较低，表明这些沉积物的年代较新。

2. 沉积物年代

通过4He/U-Th测年法，研究人员计算出40米至140米之间的沉积物年代为606 ± 122 ka。这一结果表明，这些沉积物形成于千阪期（中更新世）早期，远早于最后一次冰川最大期（Last Glacial Maximum, LGM）。

3. 冰川活动的历史

研究结果表明，阿尔卑斯山前陆在千阪期早期经历了大规模的冰川扩展和侵蚀，形成了多个冰川深谷。这些深谷在冰川消退后被迅速填充，形成了现今的沉积物。

结论与意义

1. 科学价值

这项研究首次利用4He/U-Th测年法成功测定了阿尔卑斯山前陆冰川深谷的年代，为理解更新世冰川活动的历史提供了新的工具。该方法特别适用于低渗透性沉积物，能够覆盖数百万年的时间范围，填补了传统测年方法的空白。

2. 应用价值

4He/U-Th测年法不仅可以用于冰川沉积物的年代测定，还可以应用于其他低渗透性沉积物的年代测定，如湖泊沉积物和深海沉积物。这为地质学家提供了一个强大的工具，用于研究地球历史上的重大事件。

3. 研究亮点

• 创新性方法：4He/U-Th测年法是一种全新的测年方法，特别适用于低渗透性沉积物。
• 重要发现：研究结果表明，阿尔卑斯山前陆在千阪期早期经历了大规模的冰川扩展和侵蚀，这一发现对理解更新世冰川活动的历史具有重要意义。
• 广泛的应用前景：该方法可以应用于其他低渗透性沉积物的年代测定，具有广泛的应用前景。

其他有价值的信息

研究还发现，冰川深谷中的沉积物在后续的冰川活动中得到了较好的保存，这为研究更新世冰川活动的历史提供了丰富的沉积物记录。此外，研究还揭示了阿尔卑斯山前陆在千阪期早期的地貌变化，为理解该地区的地质演化提供了新的线索。

这项研究不仅为冰川沉积物的年代测定提供了新的方法，还为理解更新世冰川活动的历史提供了重要的科学依据。