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东天山地区风化矿物黄钾铁矾的K-Ar年代学研究及其环境意义探讨

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【摘要】: 新疆东部(东天山)的吐鲁番地区和哈密地区为极端干旱少雨的荒漠地带,地处内陆,距海遥远,地形封闭,为中国戈壁的主要分布区;其气候特点为大陆性干旱气候,降雨量稀少,年平均降水量约25mm,而蒸发量可高达3000mm,水分缺乏,几乎无地表径流。黄钾铁矾是干燥地区金属硫化物矿床氧化带中广泛分布的次生矿物,主要由黄铁矿因氧化分解而成。黄钾铁矾一般形成于干旱-半干旱的气候条件,极干旱气候条件下黄钾铁矾很少形成,但是极端干旱的气候是黄钾铁矾能够保存下来的必要条件。因此黄钾铁矾的形成时代能够反映干旱-半干旱气候的出现及向极干旱气候条件的转变。同时,黄钾铁矾晶体中含有相当量的K,可用于K-Ar(40Ar/39Ar)测年(Vasconcelos et al., 1994a; 1999)。因此,对东天山地区金属硫化矿床氧化带表生风化矿物黄钾铁矾进行K-Ar年代学研究,对于讨论亚洲季风-干旱环境演化与青藏高原生长的耦合关系有着重要的意义。 本论文利用X射线衍射法(XRD)分析了东天山地区十二个金属硫化矿床氧化带风化矿物的组成和含量。对其中的明矾石族矿物黄钾铁矾进行镜下鉴定,并挑选出相对富集的黄钾铁矾样品。对其进行K-Ar测年,证实了利用K-Ar测年研究黄钾铁矾的形成时间的可行性。结合黄钾铁矾的形成条件和环境,分析该地区古气候和古环境,为建立青藏高原隆升与亚洲季风-干旱环境演化的联系提供年代学证据。主要取得了以下几点认识: 1.研究了风化矿物K-Ar测年结果和样品成分的相关性,认为影响风化矿物测年结果可靠性的主要因素是风化残留矿物碎屑成分(微斜长石、斜长石和石英等)和次生演化矿物(伊利石等)的干扰,因而选取不含这些成分的样品是至关重要的。探索和验证了利用风化矿物(黄钾铁矾)的K-Ar测年进行风化时间研究的可行性,建立了检验样品适用性和K-Ar测年实验的流程。 2.通过XRD分析确定了东天山区域氧化带有29种矿物,其中硫酸盐矿物11种,分别为石膏、烧石膏、钙芒硝、铁矾、草黄铁矾、黄钾铁矾、褐铁矾、斜钠明矾、钠明矾石、砷菱铅矾、白钠镁矾,具有干旱气候下风化作用的矿物组合特征。分析发现沙泉子铜矿、红石铜金矿、红山铜金矿、梅岭铜金矿的矿床氧化带矿物中含有黄钾铁矾。经过镜下鉴定和两次挑选并再次做XRD分析,在红山铜金矿氧化带样品08XJ-20中成功分离出相对富集的黄钾铁矾。 3.对挑选后的样品进行K-Ar测年得到,红山铜金矿样品08XJ-20的K-Ar年龄为11Ma,延东铜矿(08XJ-05b)、沙泉子铜矿(08XJ-09a,b)、梅岭铜金矿(08XJ-24a)及马头滩金矿(08XJ-28b)样品的K-Ar年龄都在57-67Ma之间,个别样品如梅岭铜金矿样品08XJ-24b和图拉尔根铜镍矿样品08XJ-25的K-Ar年龄分别为114Ma和194Ma。其中红山铜金矿样品08XJ-20没有其他的含钾且年龄老的风化残留矿物成分(主要是伊利石、微斜长石、斜长石和石英)的影响,其年龄值11Ma代表了东天山氧化带表生矿物黄钾铁矾的形成年龄。其他年龄有老的风化残留矿物成分的混染,没有明确的地质意义。 4. 10~7Ma,黄土高原风成红粘土堆积广泛发育,内陆干旱化加剧,东天山地区的极端干旱环境的出现使得黄钾铁矾很少形成,并在这种极干旱的条件下保存至今。这与青藏高原周边的环境在约8Ma前后发生的其它重要变化(阿拉伯海沿岸上涌流指示的印度洋季风增强,高原以南印度次大陆植被从C3(森林)到C4(草原)的变化,北太平洋粉尘堆积量峰值的出现,南海沉积速率的增加等)是一致的,都反映了季风与内陆干旱化程度在这一时段的同步增强。 5.东天山地区在11Ma之后出现的极端干旱条件可能是青藏高原东北缘晚新生代(10~7Ma)的拓展和隆升的结果,祁连山的进一步隆升阻挡了夏季风带来的暖湿气流使得东天山地区的气候更加干旱。正是因为东天山地区的干旱化加剧,为这一时期黄土高原风成堆积物的广泛发育提供了必要的物源。而8Ma左右亚洲冬季风的增强提供了强劲的风力,将风尘吹扬起来,从西北内陆干旱区搬运到黄土高原。 6.本文获得的东天山地区在11Ma之后出现的极端干旱条件,与青藏高原向北扩展以及我国西北部地区大面积的黄土沉积出现的时间基本一致,支持晚中新世青藏高原垂向上强烈隆升和横向上向北方向扩展,并引起亚洲大陆西北季风加强的理论假说。 7.需要进一步解决的问题有:继续进行系统的野外采样,主要针对表层风化壳未被破坏的风化矿床,以获得比较完整的年龄数据库。采样过程中应尽量选择矿脉和孔穴中的样品,这些样品通常是粗晶质的,易与污染物质分离。样品挑选的前后都要进行XRD分析和扫描电镜(SEM)分析,以确保定年对象的可靠性和测试数据的准确性。对分离出来的纯净的黄钾铁矾进行~(40)Ar/~(39)Ar测年或~(40)Ar/~(39)Ar激光阶段加热分析,可以识别大气氩和过剩氩的干扰,解决风化残留矿物成分的混染和多世代黄钾铁矾矿物共存的问题,以获得地质意义更加明确的年龄数据。同时,通过阶段加热分析黄钾铁矾,研究Ar在其中的赋存特征和扩散性质,以及该矿物的封闭温度和析出特征,进一步拓展黄钾铁矾这种风化矿物K-Ar和~(40)Ar/~(39)Ar定年的应用研究。


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