现 ４２０ ０ 引 代 地 质 ２ ０ １ １年 中国东北松辽盆地白垩系大陆科学钻探计划为开 言 展高分辨率多学科年代学研究和进行白垩纪陆相 工业革命以来人类活动引起的气候和环境变 化已经引起国际社会的广泛关注 人类文明的发 展迫切要求我们对过去地球表层系统的演变 尤 ｈ ｍ 研究提供了得天独厚的条

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1 现代地质 GEOSCIENCE 第 25 卷第 3 期 2011 年 6 月 Vol 25 No 3 Jun 2011 地时 (Earthtime) 研究计划 : 深时 (DeepTime) 记录的定年精度与时间分辨率 吴怀春 1,2, 王成善 1,3, 张世红 1,3, 杨天水 1,3 1,3, 万晓樵 (1 中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室, 北京 ;2 中国地质大学海洋学院, 北京 ; 3 中国地质大学地球科学与资源学院, 北京 ) 摘要 : 地质年代的精度 准确度和分辨率的水平决定了人们在多大程度上可以回答一些关于 深时 的生态 气候 生物演化和基础地质问题 目前用于定年和对比的技术主要包括放射性同位素年代学 生物地层学 磁性地层学和旋回地层学等, 但各有优缺点, 甚至有时不同定年系统所获得的结果存在一些矛盾 地时 (Earhtime) 研究计划就是要开展广泛的国际合作, 通过整合 校正和提高地质年代学和定量地层学方法, 发展出一套新的地质年代学技术, 使地质年代的误差达到 0 1% 的水平, 实现精确确定地球历史的时间及先后顺序 中国东北松辽盆地发育连续 完整的白垩系为开展高分辨率年代学研究提供了机遇, 将是对 地时 研究计划在中生代陆相地层中应用的良好补充和重要贡献 关键词 : 地时 (Earthtime); 深时 (DeepTime); 定年精度 ; 时间分辨率 ; 松辽盆地 ; 白垩纪中图分类号 :P533;P 文献标志码 :A 文章编号 : (2011) Earthtime Project:DatingPrecisionandTemporalResolutioninthe DeepTime Record WUHuai chun 1,2,WANGCheng shan 1,3,ZHANGShi hong 1,3,YANGTian shui 1,3,WANXiao qiao 1,3 (1 StateKeyLaboratoryofGeobiologyandEnvironmentalGeology,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing ,China; 2 SchoolofOceanSciences,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing ,China; 3 SchoolofEarthSciencesandResources,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing ,China) Abstract:Thelevelofachievablegeologicaltimeprecision,accuracyandresolutiondeterminesthenatureof thedeep timeecological,climatic,biologicalevolutionandbasicgeologicalquestionsforwhichareasonablean swermaybeexpected.themaindatingandcorelationtechniquesincluderadiometricisotopicgeochronology, biostratigraphy,magnetostratigraphyandcyclostratigraphy,andeachhasitsownadvantageanddisadvantage. Theremighthavesomeinconsistenciesbetweenthedatingresultsofdiferenttechniques.Earthtimeisanorgan ized,community based,extensiveinternationalcooperationproject.itsscientificobjectivesaretointegrate, calibrateandimprovehigh precisiongeochronologyandquantitativechronostratigraphy,todevelopthegeo chronologicaltechniquesnecesarytoproducegeologicaltimewithuncertaintiesapproachingto0 1%,andfi nalytopreciselydeterminetheagesandsequencesinthedeeptimeofearthhistory.thecontinuousterestrial CretaceousdevelopedintheSongliaoBasin,northesternChina,providesauniqueopportunitytocaryouthigh resolutionintegratedgeochronologicalresearch,anditsaccomplishmentwilbeanimportantcomplementand contributionoftheearthtimeprojectappliedinthemesozoiccontinentalrecords. Keywords:Earthtime;DeepTime;datingprecision;temporalresolution;SongliaoBasin;Cretaceous 收稿日期 : ; 改回日期 : ; 责任编辑 : 潘令枝 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( ); 国家重点基础研究发展计划项目 (2006CB701400); 中央高校基本科研业务费专项资金项目 作者简介 : 吴怀春, 男, 副教授,1977 年出生, 海洋地质学专业, 主要从事旋回地层学 海洋地质学和古地磁学的教学和科研工作 whcgeo@cugb edu cn

2 现 ４２０ ０ 引 代 地 质 ２ ０ １ １年 中国东北松辽盆地白垩系大陆科学钻探计划为开 言 展高分辨率多学科年代学研究和进行白垩纪陆相 工业革命以来人类活动引起的气候和环境变 化已经引起国际社会的广泛关注 人类文明的发 展迫切要求我们对过去地球表层系统的演变 尤 ｈ ｍ 研究提供了得天独厚的条件 地时 Ｅ １ 深时 记录时间研究的主要方法 １ 放射性同位素年代学 其是对重大地质历史转折期 重大地质事件和古 １ Ｕ Ｐｂ和 Ａ Ａ法是 深时 研究中最常用的 气候 古环境的快速突变有更深入的了解 对过 去全球变化深刻理解的重要前提是建立高精度和 两种高精度放射性同位素年代学方法 前者主要 高分辨率的年代框架 年代框架的精确水平决定 利用火山灰 火山碎屑或熔岩流中的锆石 少数 了我们在何 种 程 度 上 能 够 回 答 关 于 环 境 气 候 利用斜锆石 独居石和磷钇矿进行定年 后者主 生物演化和一些基础地质问题 是评价过去气候 要利用角闪石 黑云母和透长石等矿物 这两个 变化是否能够进行预测未来气候变化趋势的重要 定年系统的一个关键性区别是前者具有两个 Ｕ 依据 这也是 深时 Ｄ ｐｔ ｍ 研究计划的重要 Ｐｂ衰变系列 而后者只有一个 Ｋ Ａ衰变系列 研究内容 １ ３ 因此 Ｕ Ｐｂ定年方法可检验矿物形成以来是否 时间 年代框架 是地球科学研究中最基本的 发生了 Ｐｂ Ｕ的丢失或捕获 Ａ Ａ定年系统则 要素 深时 时期时间概念可归结为 ３个相对独 缺乏这种条件 ４ 但 Ａ Ａ年代学已发展出一套 立又相互重叠的问题 即 事件是什么时候发生 的 两个或多个事件是同时发生的吗 这些事件 发生的速率 即持续时间 如何 ４ 为了回答 深 时 记录的时间问题 人们首先依据一系列地层对 比方法建立起事件发生的先后顺序 确定两个 或 多个 事件发生的时间是否等时 更精细的对比则 依赖于一系列生物 化学和物理指标及在其基础 上发展起来的地层和年代对比技术 一些地质事 件如火山灰层或地磁场倒转可视为理想的时间对 比手段 人们利用放射性同位素定年方法获得绝 对年龄 并结合各种地层学方法建立起地质年代 表 后者在整合各种地质记录 确定绝对年龄和 变化速率等方面发挥着关键的作用 但许多地质 年代界线年龄随着定年技术的发展而不断变化 图 １ 关于事件演化速率的问题也极为重要 没有 对地质事件持续时间的良好估计 地质学家就难 以对地质过程有更可靠和深入的理解 ３ ４ 例如 人们在建立生物进化模式之前必须考虑的问题是 生物演化速率到底有多快 单一一种年代学方法难以完全回答所有的 深 时 时间问 题 需 要 通 过 整 合 放 射 性 同 位 素 年 代 学 生物地层学 磁性地层学和旋回地层学来建 立高精度和高分辨率的年代框架 但各有优缺点 目前 人们正努力通过对不同定年方法和 或 实 图 １ 古生代地质年代表年龄变化示意图 验室产生的年龄数据进行校正和整合 逐步提高 据 Ｇ ｄ 等 ６ 修改 各种定年技术的水平 本文将对主要定年方法进 Ｆ ｇ １ Ｅｖ ｖ ｇ ｆｐ ｚ ｇ ｇ ｍ ｕ 行简要回顾 着 重 介 绍 目 前 国 际 上 专 门 解 决 深 时 时间问题的 地时 Ｅ ｈ ｍ 研 究 计 划 ５ ｇ ｈ ｂ ｆｇ ｇ ｍ ｄ ｐ ｄｆ ｍｇ ｄ ６

3 第 3 期 吴怀春等 : 地时 (Earthtime) 研究计划 : 深时 (DeepTime) 记录的定年精度与时间分辨率 421 检验其是否为开放系统的技术 相比 Ar-Ar 法, 往要高于 0 1%( 图 2) 值得注意的是, 这两套定 U-Pb 锆石定年技术在年轻岩石中的适用性要低 年系统之间往往存在 0 7% ~1 5% 的误差,Ar- U-Pb 锆石定年系统主要采用高精度离子探针 Ar 年龄要年轻一些 [2,8], 目前地质年代学家正努 (sensitivehighresolutionionmicroprobe,shrimp) 力解决这一矛盾 [5,9-10] 尽管如此, 高精度放射性和同位素稀释热电离质谱 (isotopedilutionthermal 年代学方法仍然是 深时 研究的重要前提, 是解 ionizationmasspectrometer,idtims) 两种方法获得决地质事件发生年代和持续时间的重要途径 然高精度绝对年龄 [7] SHRIMP 法可以实现单个锆石而, 在 深时 沉积地层中找到合适的放射性定年颗粒的微区测试, 能够对那些具有复杂生长史的对象并非易事, 尤其是难以在一个剖面上获得多锆石颗粒进行分析, 但必须利用已知年龄的锆石个放射性年龄以回答持续时间问题 因此, 放射标样进行校正 IDTIMS 法则将整个锆石颗粒溶解性年代学方法往往为生物地层学 磁性地层学和后进行分析, 分析过程中可能存在多种误差源, 旋回地层学等提供绝对年龄的初始约束进而获得包括测量 校正和普通铅问题 锆石 SHRIMP 定高分辨率的 深时 年代框架 年方法的误差约为 2%, 而 IDTIMS 法的定年误差 1 2 生物地层学要小得多, 可达 0 1%( 图 2) 当前锆石 IDTIMS 生物地层学指的是化石在地层中侧向和纵向法是 深时 研究中高精度定年的首选 [7] 分布的追溯, 以化石内容为基础的地层分带和生理论上 IDTIMS 法和 Ar-Ar 法的定年精度都物地层对比 [11], 是传统地层学的基础 从时间属能够达到 0 1%( 图 2) 获得高精度的绝对年龄取性来说, 生物化石显示了随地质时间推移的进化决于测试材料 封闭系统的状态和实验室分析条演变, 这种演变在地层记录中是不重复的, 因而生件, 因此采用这两种方法确定的实际年龄误差往物地层单位就具有相对地质年龄的价值 生物带本身无法确定其持续时间, 需要有年代地层标准来进行标定, 从而获得绝对年龄和持续时间 需要注意的是, 生物演化过程中发生的迁移 绝灭和孑遗事件可能造成生物带并非绝对意义上的等时 1 3 磁性地层学地球磁场的形成一直在变化中, 发生着千年至百万年尺度的地磁场极性倒转变化, 并记录在相应时代的岩石单元中 地磁场倒转具有全球等时性, 从地层中获得的地磁极性倒转序列成为地层划分和对比极为有效的手段 自 20 世纪 60 年代 Cox 等建立 4 5Ma 的地磁极性年表以来 [12], 世界各地不同时代 不同岩相的地层中相继开展了磁性地层学研究, 现在较准确的地磁极性年表已延伸到晚侏罗世, 而且早侏罗世至石炭纪的磁性地层学研究也取得了很大进展 [6] 和生物地层学一样, 地层中的磁极倒转序列本身无法给出绝对年龄和持续时间, 但一旦该序列由放射性绝对年龄或其他地层学方法对比到标准地磁极性年代表上, 就能够获得连续的绝对年龄并很好地实现地层持续时间的估计, 其时间分辨率取决于研究层图 2 U-Pb 和 Ar-Ar 法理想定年误差示意图 ( 据 Erwin [4] 段沉积期间的地磁场倒转周期 1 4 旋回地层学 修改 ; 过三角水平黑线为代表性地层年龄的实际定年误差 ) Fig 2 PredictedidealerorsforU PbandAr Argeochronologi calanalysis(adaptedfromerwin [4] ;linesacroseachtriangle aretheselectedreportederorsforstudiesofstratigraphicrocks) 太阳系中地球与太阳 月亮和其他行星之间的万有引力作用导致地球围绕太阳的公转运动和地球的自转轴发生周期性的摄动, 表现为地球轨

4 422 现代地质 2011 年 道参数的地轴斜率 偏心率和岁差发生周期性变化, 引起地球表面日照量的周期性变化, 进而导致全球气候的周期性变化, 并记录在对气候变化响应敏感的沉积系统中 气候变化会影响到地球表层系统的温度 盐度 降雨量 风化强度 氧化 - 还原条件等, 并在地层中以岩性 岩相 地球物理和地球化学参数等古气候指标的旋回性表现出来 通过对古气候替代性指标的深入分析和数学方法的处理, 如插值 去噪 频谱分析 小波分析 滤波和调谐等, 人们有可能识别出可靠的米兰科维奇旋回, 并建立分辨率达 0 02Ma 的天文年代标尺 (Astronomicaltimescale,ATS) [13] 现在, 旋回地层学 ( 又称为天文年代学 ) 已被定义为对地层记录的 ( 准 ) 周期性旋回变化进行识别 描述 对比和成因解释, 并将其应用于地质年代学以提高年代地层框架的精度和分辨率, 实现地层高精度划分与对比的一门地层学分支学科 [14-15] 目前, 米兰科维奇旋回正不断地从不同地质历史时期的海 陆相地层中揭示出来 [16-17] 将沉积记录或古气候替代性指标的旋回变化调谐到天文目标曲线上, 所获得的天文年代标尺能够确定出各种地质事件和过程的年代和持续时间 即使没有绝对年代的控制, 所建立的 浮动 天文年代标尺也具有相对时间概念, 对于确定持续时间仍具有无可比拟的优势 因此, 旋回地层学研究对探讨气候 环境演化的天文驱动因素, 以及高分辨率天文年代标尺对深入理解地质过程 生物进化和生态环境演化等基础问题提供了极大帮助 [14-15] 但是, 并非所有的地层旋回都是由地球轨道参数变化所引起, 对新近纪之前的 深时 记录开展旋回地层学研究仍然极具挑战性, 最好有来自高精度放射性年龄 生物地层学或磁性地层学的初始年代约束 [13,15] 2 地时 (Earthtime) 与 地时 - 欧洲 (Earthtime-EU) 研究计划 2 1 地时 (Earthtime) 研究计划如前所述, 放射性同位素年代学方法对显生宙的定年精度已由过去的数百万年提高到 1 万年甚至更佳 [4,7], 旋回地层学研究则为连续沉积地层提供了分辨率高达 0 02Ma 的天文年代标尺 [15-16], 但也存在不少问题 首先是不同实验室所采用的实验流程 处理方法上可能存在一些差异, 导致它们对同一样品的定年结果存在差异 ; 其次, 目 前使用最多的两套放射性年代学定年系统 U-Pb 法和 Ar-Ar 法对同一样品的定年结果存在系统误差, 后者要比前者年轻 0 7% ~1 5% [8,18] 过去很少有科学家对不同定年方法和实验室之间的结果差异进行检验, 这种现状将阻碍人们站在同一时间水平上深入探讨地质事件的绝对年代 演化速率及海陆相地层对比 [3,8] 1995 年美国国家自然博物馆的古生物学家 DougErwin 教授和麻省理工学院地球年代学家 Sam Bowring 教授在中国华南完成二叠系 三叠系野外考察后, 返回美国途中的讨论让他们深深感到有必要对不同年代学实验室的定年结果和不同定年方法进行相互校正, 进而使得人们能够站在同一定年水平上探讨气候 - 环境的快速变化与生命演化的关系 随后, 他们组织了一个学术会议并邀请地层学家 古生物学家和地质年代学家参加, 也正是在这个会上产生了 地时 (Earthtime) 研究计划 [5] 地时 研究计划是一个有组织的 以学术团体为基础的国际合作项目, 通过高精度的地质年代学和定量地层学的整合, 发展出一套新的地质年代学技术, 使地质年代的定年误差达到 0 1% 的水平, 实现精确确定地球历史的时间及先后顺序 [5] 现在, 地时 (Earthtime) 与黑物质 (Dark MaterExperiment) 人造生命 (Artificial Life) 蓝脑(BlueBrain) 人工林(PlantedForests) 和深海生命调查 (TheCensusofMarineLife) 等项目并称为目前世界上最重要的 6 项实验 [19] 地时 研究计划的科学目标首先就是要对各种地质年代学方法进行标准化和同步化, 保证实验室之间定年结果的一致性, 进而建立地史时期超高精度年代框架 为此, 麻省理工学院年代学实验室和英格兰 Keyworth 年代学实验室配制了已知同位素组成的示踪剂 ( 包括 205 Pb- 235 U- 233 U, 202 Pb- 205 Pb U- 233 U) 并提供给其他年代学实验室进行测试 同时, 他们还收集了多个关键地史时期火山灰层的锆石和透长石样品, 无偿提供给各个实验室共同测试, 确定各实验室之间的结果是否一致, 最终帮助消除不同实验室之间的定年误差 一些火山灰层所在层位还能够开展天文年代学研究, 可以进一步在天文年龄和放射性年龄之间进行对比 现在,Bowring 教授及其合作者已经收集了美国丹佛盆地的白垩纪 / 古近纪界线 (~66Ma) 科罗拉多 Pueblo 湖的 Cenomanian/ Turonian 界线 (~93Ma) Manicouagan 陨石坑的锆

5 第 3 期 吴怀春等 : 地时 (Earthtime) 研究计划 : 深时 (DeepTime) 记录的定年精度与时间分辨率 423 石和透长石样品, 其中白垩纪 / 古近纪和 Cenoma 对国际 地时 研究计划的重要补充, 它们的口号 nian/turonian 界线样品获得的绝对年代持续时间就是欧洲对 地时 研究计划的贡献 (Eartime-EU, 可与天文调谐年代直接进行对比 theeuropeancontribution) [9] 从某种意义上来说, 地时 研究计划并不仅过去 20 余年欧洲科学家在天文年代学研究方仅是科学研究, 它所发展的定年标准和定年工具面一直处于领先地位 [26-28] 因此, 他们将充分利将使 深时 研究达到前所未有的时间精度和分辨用这一优势实现天文年代学与放射性年代学结果率 [5] 现在, 一些加入到 U-Pb 法校正的实验室之间的相互校正 目前, 地时 - 欧洲 研究计划之间的误差已经消除 如果将来各实验室都能够正在执行的一项研究是 GTSnext( 下一代地质年代达到 地时 研究计划中的高精度水平, 人们就可表 ), 主要科学目标就是要建立 100Ma 以来的新以解决一系列有关生命进化 气候变化 环境突一代标准地质年代表 [10] 通过整合和相互校正各变等重要科学问题 种数字定年技术所建立起来的新一代地质年代表对重大地史转折期的研究尤其需要高精度的将具有前所未有的准确度 精度和分辨率, 极大年代学框架 例如, 二叠纪 / 三叠纪之交 ( 约 252 地提高人们对地球系统演化的理解 为了实现这 Ma) 的生物大灭绝事件是显生宙以来 5 次大灭绝事个目标,GTSnext 项目将整合欧洲地质年代学各分件中规模最大的一次, 当时地球上 70% 的陆生脊支学科的科学家, 增加不同学术团体之间 ( 包括磁椎动物和高达 90% 的海洋生物灭绝 [20], 并导致后性地层 化学地层 生物地层 层序地层 放射来恐龙的繁盛 人们对二叠纪末期的大灭绝事件性年代学和 IODP 等 ) 的交流和合作, 聚焦在整合开展了详尽的研究, 但对于灭绝事件发生的成因和相互校正各种定年技术, 在提高定年技术的同仍存在多种解释 早期人们认为是 Pangea 超级大时深入认识各种技术的优缺点 同时, 培养出熟陆的形成使不同大陆的多种生物汇聚到一起, 一知各种定年技术方法的新一代地质年代学家, 使些生命力顽强的物种会导致其他物种的灭绝 但得人们在有效利用地质年代数据方面发生根本性是,Pangea 超级大陆的形成至少需要上千万年时的改变, 进而解决一些气候变化 生物演化和地间, 而新的高精度年代学证据表明灭绝发生的时球动力学等方面的问题 间只有几十万年 [21-22] 许多学者认为是西伯利亚通过 GTSnext 项目的执行, 有望获得的科学贡大火成岩省的爆发导致了生物灭绝 [23-24], 但还需献和突破包括 :(1) 有利于对关键地质过程包括气要进一步的年代学约束, 尤其是要求两者的定年候变化 灾难性的撞击事件和火山灾难等产生新误差至少在 ±50ka 内 现在, 二叠纪 三叠纪界认识和看法 ;(2) 对不同定年技术和地层学方法的线附近的绝对年龄已经取得了很好的结果 [21-22,25], 整合和相互校正将极大提高定年结果的一致性 ; 接下来就是要对西伯利亚大火成岩省开展进一步 (3) 形成一个完全由天文调谐年龄和放射性绝对年的高精度定年并进行年龄对比 [23], 这也是 地时 龄结合的 100Ma 以来的高分辨率国际地质年代研究计划的重要研究内容之一 相信通过 地时 表 [10] 针对不同地史时期,GTSnext 项目将利用 研究计划的执行, 关于二叠纪 三叠纪生物大灭整合和提高 Ar-Ar U-Pb 放射性同位素年代学和绝事件的触发机制会得到一定程度的解决 [5] 天文年代学调谐方法, 一共分解为 4 项任务 ( 图 3) 2 2 地时 - 欧洲 (Earthtime-EU) 研究计划 (1) 任务 Ⅰ: 确定新近纪年代表, 形成定年工 地时 研究计划自 2003 年正式执行以后, 一具 在最近 10 余年, 新近纪的深海地层已经成功些欧洲地球科学家已在不同程度上加入到该研究地进行了天文调谐, 产生了新近纪天文地质年代计划中 同时, 欧洲地学界也充分认识到该研究表 [28], 其准确性 分辨率和稳定性均非常高 其 [27] 计划对提高人类认识地球历史的重要作用, 并在中, 上新世 更新世的年代与 Lourens 等调谐 2007 年由欧洲科学基金委在荷兰阿姆斯特丹召开获得的年代仅有 1ka 的差别 这个微小的差别主了一次会议, 准备在欧洲范围内执行 地时 - 欧要是来自古气候记录的调谐目标曲线 - 天文解决洲 (Earthtime-EU) 研究计划 地时 - 欧洲 研方案 La93 和 La2004 的差别 [29-30] 但是, 人们还究计划的目的就是在欧洲形成一个发展和应用高必须深入认识新近纪, 甚至包括渐新世的天文驱分辨率地质年代表的研究平台, 建立 100Ma 以来动力 ( 日照量 ) 与气候响应之间的相位关系, 实现稳定的高分辨率地质年代表 地时 - 欧洲 将是对新近纪天文地质年代表更精细的调谐工作 同

6 现 ４２４ 代 地 质 ２ ０ １ １年 图 ３ ＧＴＳ ｘ 项目 ４个研究任务示意图 Ｆ ｇ ３ Ｓ ｋ ｈｍ ｐ ｆｆ ｕ ｍ ｈ ｋ ｆｇｔｓ ｘ ｐ ｊ 时 利用天文年代学方法对新近纪火山灰层的 Ａ Ａ和 Ｕ Ｐｂ放射性年龄进行对比和校正 提高 放射性年代学的定年精度和准确度 图 ３ ２ 任务Ⅱ 校正古近纪年代表 应用定年工 具 与新近纪地质年代表不同的是 古近纪年代 表只有少数年龄点是经过校正的 其分辨率相对 较低 由于天文解决方案的原因 绝对年龄的天 文地质年代表向前只能扩展到 ５０ ６ ０Ｍ 对更老 的地层则需要建立 ４ ０ ５ｋ 为周期的长偏心率 浮 动 天文年代标尺 １６ ３０ 因此 古近纪的年代表仍 处于不断修订和变化的状态中 这显然阻碍了人 们对丰富的古近纪地层记录进行深入研究和探索 对于古近纪 ＧＴＳ ｘ 项目将进行天文年龄 Ａ Ａ及 Ｕ Ｐｂ年龄的相互校正 同位素年龄提供绝 对年龄 锚点 给 浮动 天文年代标尺 但要求放 射性年龄的误差小于 ２０ ０ｋ 反过来 通过放射 性年龄约束建立的天文年代标尺又检验和校正了 Ａ Ａ和 Ｕ Ｐｂ定年技术 并获得稳定的高精度 古近纪地质年代表 图 ３ ３ 任务Ⅲ 探索白垩纪年代表 扩展定年工 具 白垩纪的深海沉积表现出非常显著的米兰科 维奇旋回 根据长偏心率旋回建立的 浮动 天文 图 ４ 白垩纪海 陆相天文年代标尺对比 Ｆ ｇ ４ Ｃ ｍｐ ｆｃ ｕ ｍ ｄ ｍ ｍ ＡＴＳ 该任务的研究目标包括两方面 首先 从不同时 年代标尺已经覆盖白垩纪 的 大 部 分 时 期 图 ４ 代连续沉积地层的旋回记录中寻找约束天文解决 但这种 浮动 年代标尺只能够提供地质事件的延 方案中的地球轨道参数证据 并确定出地球轨道 续时间 而不是绝对年龄 通过任务 Ｉ和 Ｉ Ｉ获得 演化过程中发生的基本运动参数变化信息 其次 定年精度和准确度更高的 Ａ Ａ和 Ｕ Ｐｂ定年技 减小 Ａ Ａ定年绝对误差 并进行实验室之间的 术将对晚白垩世火山灰层进行定年 同时对这两 校正 使实验室之间的定年误差达到 ０ １ 甚至更 种方法在白垩纪地层中的应用进行相互检验 并 优 从而为新近纪之前的天文调谐工作提供绝对 给天文年代学研究提供绝对年龄 锚点 结合新 年龄约束 提高高精度 Ｕ Ｐｂ测年的准确性 定 的天文解决方案 建立晚白垩世天文地质年代表 量确定２３８Ｕ ２３５Ｕ和４０Ｋ的衰变速率和误差 配制标 图 ３ 在这项任务中 欧洲的一些白垩纪剖面 准物质供世界范围内的地质年代学实验室使用 ３ 地时 研究计划的主要研究进展 能够用于天文调谐 而来自北美西部的火山灰层 ２ 则提供了必要的放射性同位素年龄约束 通过 地时 项目的执行 最近几年放射性同 ４ 任 务 Ｉ Ｖ 定 年 工 具 的 基 本 理 论 和 方 法 位素年代学定年技术有了重大发展 实验室之间

7 第 3 期 吴怀春等 : 地时 (Earthtime) 研究计划 : 深时 (DeepTime) 记录的定年精度与时间分辨率 425 的定年误差逐渐消除, 旋回地层学研究及应用更最长的白垩纪湖盆 ( 从晚侏罗世到古新世早期 ), 加广泛 [5,9-10] 在 U-Pb 法定年方面, 采用单颗也是世界上最大的陆相含油气盆地 经过 50 余年粒锆石 CA-TIMS 法进行样品预处理避免了微量勘探, 人们对松辽盆地的基础地质 石油地质 Pb 丢失造成定年结果偏新问题 [22,41] 在 40 Ar- 39 Ar 古地磁和层序地层等领域进行了大量研究, 取得法定年方面, 在少数情况下其定年精度可达到了丰硕的成果 [17,69-72] 然而, 由于松辽盆地上白 0 2% 甚至更佳, 但由于标样年龄和 K 放射性衰变垩统沉积地层缺少可用于精确放射性定年的对象, 速率的不确定, 定年误差可达 ~2 5% [18] Kuiper 海 陆相化石难以进行直接对比 下白垩统尽管 [42] 等在确定摩洛哥晚中新世 Mes dit 剖面精确天发育了可用于放射性定年的火山岩层, 但对应的文年代的基础上, 获得了该剖面数个火山灰层单定年结果质量并不是很高, 造成长期以来人们对颗粒透长石 40 Ar- 39 Ar 年龄, 通过年龄对比显示两松辽盆地陆相白垩系各组的时代存在较大争议, 者之间有一个约 0 8% 的系统误差, 天文年龄要略在不同时期建立了多个年代地层框架 [73-76] 显老一些, 由此得到 40 Ar/ 39 Ar 年龄的校正系数, 计然, 能否获取完整 连续的陆相地质记录及与之算出大多数 40 Ar- 39 Ar 实验室采用的 FishCanyon 对应的高分辨率年代框架是制约精细刻画白垩纪透长石标样的年龄为 (28 201±0 046)Ma, 而原温室条件下陆地气候 - 环境变化的 瓶颈 先广泛接受的年龄为 (28 02±0 56)Ma, 实现了开展大陆科学钻探是获取连续完整陆相地质将 40 Ar- 39 Ar 定年方法的绝对误差从约 2 5% 减小记录的最有效方法, 有利于建立高分辨率时间框到 0 25% 在旋回地层学研究方面, 新生代天文架并进行全球对比 ; 而且, 钻取的岩心新鲜, 能地质年代表已基本完成 [43-47], 中生代的天文地质最大程度地代表岩石形成时的古气候 古环境条年代表也正在逐步完善 [16,48-49] 同时, 地球轨道件, 为进行高精度 深时 古环境和古气候研究提长周期 (0 4Ma 1 0Ma 2 4Ma 的偏心率周期和供保障 [77] 在国家科技部 973 项目和大庆石油 1 2Ma 的斜率周期 ) 对环境 气候和生物演化之间公司联合资助下, 松辽盆地大陆科学钻探 松科 1 的影响和控制作用也得到进一步的认识 [50-52] 井 获得了泉头组 明水组 ( 晚白垩世 古近纪 ) 2486m 长的连续岩心 [68] 2009 年国际大陆科学 3 松辽盆地白垩系与 地时 研究计划钻探计划 (ICDP) 委员会正式批准了由我国科学家白垩纪是显生宙最典型 距离现今最近 地领衔的第 3 个 ICDP 项目 松辽盆地大陆科学钻探质记录保存最完整的温室气候时期 [53-55], 据估计 松科 2 井 [77], 并将于 2011 年下半年开钻, 晚白垩世 Turonian 期地球表面平均温度要比现今其目标是获得陆相上侏罗统 下白垩统 6500m 长高出约 10 [54-56] 白垩纪还发生了一系列重大的连续岩心 通过对 松科 1 井 的厘米级描述 地质事件, 如超静磁带 [57-58], 大规模火山活取样和测试, 人们获得了青山口组 1 段和嫩江组动 [59-60], 大洋缺氧事件和黑色页岩 [61-62], 大洋 1 2 段火山灰层的高精度 U-Pb 年龄和高分辨率富氧事件与大洋红层等 [63-64], 并伴随大规模生物磁性地层学年代框架 [72] 同时, 研究表明, 松灭绝与复苏, 以及大规模油气富集等 一直以来, 科 1 井 陆相白垩系记录了良好的米兰科维奇旋地球科学家努力解开白垩纪重大地质事件产生的回 [78-83], 并建立了青山口组的 浮动 天文年代标原因以及它们与温室气候之间的联系 尺 [17] 因此, 在松辽盆地建立完整的陆相晚侏罗白垩纪重大地质事件 古海洋和古气候变化世 古近纪高分辨率年代地层格架具有广阔前景 已经从全球海相地层中不断地揭示出来 [65-66] 作晚侏罗世 (170Ma) 至早白垩世 (83 3Ma) 期间为地球表层系统的另一重要组成单元, 白垩纪陆的地磁极性年代表主要基于洋底磁异常条带识别, 相地层也必然记录了重大地质事件和古气候 古而磁极倒转年代是在洋壳稳定扩张的假设下由少环境条件 [67-68] 但是, 由于国际上缺乏白垩纪大量绝对年龄的内插获得, 存在较大误差 就白垩型陆相湖盆的连续地层记录, 使得该时期陆相古纪超静磁期来说, 其持续时间约 38Ma, 但关于其环境 古气候的研究进展缓慢 晚中生代东亚地开始与结束的时间仍存在较大争议 [6] 一些重要区发育了以松辽盆地为代表的陆相湖泊群, 是研地质事件如白垩纪大洋缺氧事件和大洋红层均发究白垩纪陆地古环境 古气候绝无仅有的研究对生于超静磁期内, 增大了精确确定这些事件年代象 [68] 松辽盆地既是世界上规模最大 发育时间与持续时间的难度 松辽盆地科学钻探 松科 1

8 426 现代地质 2011 年 井 和 松科 2 井 覆盖了晚侏罗世 古近纪早期的连续记录, 因此, 以国际上 地时 研究计划的工作思路及科学目标为指导, 对其开展高精度 U- Pb Ar-Ar 定年 磁性地层学和旋回地层学研究具有重要意义 一方面, 可建立松辽盆地时间分辨率高达 0 4~0 1Ma 的年代地层框架, 对确定重要地质事件如白垩纪 / 古近纪灭绝事件 湖泊缺氧事件的年代和持续时间, 探索温室地球条件下陆相环境对气候快速变化的响应, 实现海 陆相的整合研究均具有重要意义 ; 另一方面, 松辽盆地科学钻探的连续取心和研究为开展白垩纪生物地层 放射性年代地层 旋回地层和磁性地层成果的相互校正提供了独一无二的条件, 为白垩纪地磁极性带的倒转时间和持续时间提供独立的年代学约束, 有望将国际上关于建立高精度地质年代表的时间由 100Ma 推进至约 150Ma [10], 这将是中国学者对完善国际地质年代表的重要贡献 ( 图 4) 4 结语 地质年代的精度 准确度和分辨率的水平决定了人们在多大程度上可以回答一些关于 深时 的生态 气候 生物演化和基础地质问题 因此, 获得高精度地质年龄和高分辨率地质年代表是地球科学家长期以来的奋斗目标 地时 (Earth time) 研究计划通过整合 校正和提高各种定年方法, 完全有可能在不久的将来使人们在 ~0 1% 的误差水平上建立高精度年代框架, 探讨地质事件的绝对年龄 持续时间和演化速率 中国东北松辽盆地发育连续 完整的白垩系为开展高分辨率年代学研究提供了机遇, 将是 地时 研究计划在中生代陆相地层中执行与开展的有效补充和重要贡献 致谢 : 感谢戎嘉余先生对本文提出的宝贵意见和建议 参考文献 : [1] SoreghanGS,BralowerTJ,ChandlerMA,etal.GeoSystems: probingearth sdeep timeclimate&linkedsystems[r].arling ton:reportofaworkshopsponsoredbythenationalscience (NSF),2004. [2] P likeh,hilgenf.rockclocksynchronization[j].nature Geoscience,2008,1:282. [3] 孙枢, 王成善. 深时 (DeepTime) 研究与沉积学 [J]. 沉积学报,2009,27(5): [4] ErwinD H.Datesandrates:Temporalresolutioninthedeep timestratigraphicrecord[j].annualreviewofearthandplane tarysciences,2006,34: [5] BowringSA.Calibratingearthhistorythroughteamworkandco operation[eb/ol].[ ].htp:// time.org. [6] GradsteinF,OggJ,SmithA.A GeologicTimeScale[M]. Cambridge:CambridgeUniversityPres,2004: [7] BowringSA,SchmitzMD.High precisionu Pbzircongeochro nologyand the stratigraphic record [M] //HancharJM, HoskinsPW O.Zircon:Experiments,IsotopesandTraceEle mentinvestigation Reviewsin Mineralogyand Geochemistry. Washington: MineralogicalSociety ofamerica, 2005: [8] RennePR,SwisherCC,DeinoAL.Intercalibrationofstand ards,absoluteagesanduncertaintiesin 40 Ar/ 39 Ardating[J]. ChemicalGeology,1998,145(1/2): [9] P likeh.earthtime theeuropeancontribution[eb/ol].[ ].htp: // eu.eu. [10] KuiperK.TowardsthenextgenerationGeologicalTimeScale forthelast100milionyears[eb/ol].[ ]. htp: //www gtsnext eu. [11] 张守信. 理论地层学与应用地层学 : 现代地层学概念 [M]. 北京 : 高等教育出版社,2006: [12] CoxA,DoelRR,DalrypleGB.Geomagneticpolarityepochs andpleistocenegeochronometry[j].nature,1963,198: [13] HinnovLA.Earth sorbitalparametersandcyclestratigraphy [M] //GradsteinFM,OggJG,SmithAG.AGeologicTime Scale.Cambridge:CambridgeUniversityPres,2004: [14] HilgenFJ,SchwarzacherW,StraserA.Conceptsanddefini tionsincyclostratigraphy(secondreportofthecyclostratigraphy workinggroup)[m] //D ArgenioB,FischerAG,PremoliSil vaⅠ,etal.cyclostratigraphy:approachesandcasehistories. Washington:SEPM SpecialPublication,2004: [15] 吴怀春, 张世红, 冯庆来, 等. 旋回地层学理论基础 研究 进展和展望 [J]. 地球科学,2011,36(3): [16] HinnovLA,OggJG.Cyclostratigraphyandtheastronomical timescale[j].stratigraphy,2007,4: [17] WuHC,ZhangSH,JiangGQ,etal.Thefloatingastronomi caltimescalefortheterestriallatecretaceousqingshankoufor mationfromthesongliaobasinofnortheastchinaanditsstrati graphicandpaleoclimateimplications[j].earthandplanetary ScienceLeters,2009,278: [18] MinK,MundilR,RenneP,etal.Atestforsystematicerorsin 40 Ar/ 39 ArgeochronologythroughcomparisonwithU/Pbanalysis ofa1 1 Garhyolite[J].GeochimicaetCosmochimicaActa, 2000,64: [19] KruglinskiS.The6mostimportantexperimentsintheworld [EB/OL].[ ].htp: //discovermagazine com/ 2007/dec/the 6 most important experiments in the world. [20] BentonM J.WhenLifeNearlyDied:theGreatestMasExtinc tionofaltime[m].london:thames& Hudson,2005: [21] BowringSA,ErwinDH,JinYG,etal.U/Pbzircongeochro

9 第 3 期 吴怀春等 : 地时 (Earthtime) 研究计划 : 深时 (DeepTime) 记录的定年精度与时间分辨率 427 nologyandtempooftheend Permianmasextinction[J].Sci D ArgenioB,FischerAG,PremoliSilvaI,etal.Cyclostratigra ence,1998,280: phy:approachesandcasehistories.washington:sepm Spe [22] MundilR,LudwigKR,MetcalfeI,etal.Ageandtimingofthe cialpublication,2004,81: PermianMasExtinctions:U/Pbdatingofclosed system zircons [37] FietN,GorinG.LithologicalexpresionofMilankovitchcyclicity [J].Science,2004,305: incarbonate dominated,pelagic,baremiandepositsincentral [23] SaundersA,ReichowM.TheSiberiantrapsandend Permian Italy[J].CretaceousResearch,2000,21(4): masextinction:acriticalreview[j].chinesesciencebuletin, [38] HuangZ,OggJG,GradsteinFM.AquantitativestudyofLow 2009,54(1): ercretaceouscyclicsequencesfrom theatlanticoceanandvo [24] WignalPB,SunYD,BondDPG,etal.Volcanism,mas contianbasin(sefrance)[j].paleoceanography,1993,8: extinction,andcarbonisotopefluctuationsinthemiddlepermian ofchina[j].science,2009,324: [39] GiraudF,BeaufortL,CotilonP.Periodicitiesofcarbonatecy [25] ShenSZ,HendersonCM,BowringSA,etal.High resolution clesinthevalanginianofthevocontiantrough:astrongobliqui Lopingian(LatePermian)timescaleofSouthChina[J].Geo tycontrol[m] //HouseM R,GaleAS.OrbitalFrcingTme logicaljournal,2010,45: scalesandcyclostratigraphy.london:geologicalsocietyoflon [26] HilgenFJ,KrijgsmanW,RafiI,etal.Integratedstratigraphy donspecialpublication,1995: andastronomicalcalibrationoftheseravalian/tortonianbounda [40] SwientekO.TheGreenlandNorwegianSeaway:climaticandcy rysectionatmontegiblisciemi,sicily[j].marinemicropaleon clicevolutionoflatejurasic EarlyCretaceoussediments[D]. tology,2000,38: K ln: Mathematisch Natur Wisen Schaftli Che Fakult t, [27] LourensLJ,HilgenFJ,ZachariaseW J,etal.Evaluationof Universit tzuk ln,2002: theplio Pleistoceneastronomicaltimescale[J].Paleoceanogra [41] MatinsonJM.ZirconU Pbchemicalabrasion( CA TIMS ) phy,1996,11: method:combinedannealingandmulti steppartialdisolution [28] LourensLJ,HilgenFJ,ShackleftonNJ,etal.TheNeogenePe analysisforimprovedprecisionandaccuracyofzirconages[j]. riod[m] //GradsteinF,OggJ,SmithA.A GeologicTime ChemicalGeology,2005,220(1/2): Scale.Cambridge:CambridgeUniversityPres,2004: [42] KuiperK F,DeinoA,HilgenFJ,etal.Synchronizingrock [29] LaskarJ,JoutelF,BoudinF.Orbital,precesional,andinsola clocksofearthhistory[j].science,2008,320: tionquantitiesfortheearthfrom -20Myrto +10Myr[J]. [43] P likeh,norisrd,herlejo,etal.theheartbeatofthe Astronomy&Astrophysics,1993,270: Oligoceneclimatesystem[J].Science,2006,314: [30] LaskarJ,RobutelP,JoutelF,etal.Alongtermnumericalso [44] R hlu,westerholdt,bralowertj,etal.onthedurationof lutionfortheinsolationquantitiesoftheearth[j].astronomy& thepaleocene Eocenethermalmaximum (PETM) [J].Geo Astrophysics,2004,428: chemical,geophysical,geosystem,2007,8:q [31] VoigtS,Sch nfeldj.cyclostratigraphyofthereferencesection [45] WesterholdT,R hlu,laskarj,etal.onthedurationofmag forthecretaceouswhitechalkofnortherngermany,l gerdorf netochronsc24randc25nandthetimingofearlyeoceneglobal Kronsmoor:A latecampanian earlymaastrichtianorbitaltime warmingevents:implicationsfrom theoceandrilingprogram scale[j].palaeogeography,palaeoclimatology,palaeoecology, Leg208WalvisRidgedepthtransect[J].Paleoceanography, 2010,287(1/4): ,22:PA2201. [32] LocklairRE,SagemanBB.CyclostratigraphyoftheUpperCre [46] WesterholdT,R hlu,rafii,etal.astronomicalcalibrationof taceousniobraraformation,westerninterior,u S A.:aConia thepaleocenetime[j]. Palaeogeography,Palaeoclimatology, ciansantonianorbitaltimescale[j].earthandplanetarysci Palaeoecology,2008,257(4): enceleters,2008,269: [47] WesterholdT,R hlu,mckarenhk,etal.latestontheab [33] MitchelRN,BiceDM,MontanariA,etal.Oceanicanoxic soluteageofthepaleocene EoceneThermalMaximum(PETM): cycles?orbitalpreludetothebonarelilevel(oae2)[j]. Newinsightsfrom exactstratigraphicpositionofkeyashlayers EarthandPlanetaryScienceLeters,2008,267: and-17[J].EarthandPlanetaryScienceLeters,2009, [34] MeyersS,SagemanB,HinnovLA.Integratedquantitativestra 287: tigraphyofthecenomanian TuronianBridgeCreekLimestonemem [48] HuangCJ,HinnovL,FischerAG,etal.Astronomicaltuning berusingevolutiveharmonicanalysisandstratigraphicmodeling oftheaptianstagefromitalianreferencesections[j].geology, [J].JournalofSedimentaryResearch,2001,71: ,38: [35] GaleAS,YoungJR,ShackletonNJ,etal.Orbitaltuningof [49] HuangCJ,HeselboSP,HinnovA.Astrochronologyofthelate Cenomanianmarlychalksuccesions:towardsaMilankovitchtime JurasicKimmeridgeClay(Dorset,England)andimplicationsfor scaleforthelatecretaceous[j].philosophicaltransactionsof Earthsystem proceses[j].earthandplanetarysciencelet theroyalsocietyoflondon:seriesa,1999,357: ters,2010,289: [36] GrippoA,FisherAG,HinnovLA,etal.Cyclostratigraphyand [50] LourensLJ,SluijsA,KroonD,etal.Astronomicalpacingof chronologyofthealbianstage(piobbicocore,italy)[m] // latepaleocenetoearlyeoceneglobalwarmingevents[j].na

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