古土壤中火山成因锆石年代学：揭示北美大平原晚中新世陆相地层沉积时代的新方法

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Volcanogenic zircon geochronology from paleosols in Cenozoic terrestrial strata

本研究针对陆相地层缺乏高精度年代标尺的难题，创新性地利用古土壤中捕获的火山成因锆石开展U-Pb定年分析。研究人员在奥加拉拉组（Ogallala Formation）10个古土壤层中获得6个最大沉积年龄（MDA），年龄范围11.4±0.4至6.3±0.3 Ma且符合地层层序律。该方法为陆相盆地年代地层学研究提供了新范式，对古生物学、生物地层学及高平原含水层研究具有重要意义。

　　

在陆相地层研究中，精确的年代标尺一直是地质学家面临的重大挑战。火山灰层虽能提供高精度绝对年龄，但在广大区域往往难以保存。北美大平原的奥加拉拉组（Ogallala Formation）作为晚中新世重要陆相沉积单元，其年代框架主要依赖哺乳动物化石组合和零星火山灰层，在缺乏化石和火山灰层的区域，年代控制显得尤为困难。更棘手的是，传统碎屑锆石研究主要针对河流相砂体，其中同期火山成因锆石极易被盆地外来源的锆石稀释，难以反映真实的沉积时代。

这项发表于《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》的创新研究提出了一个巧妙解决方案：利用古土壤作为火山成因锆石的"储藏库"。古土壤代表地表暴露和景观稳定的延长时期，即使火山活动微弱或源区遥远，也能通过根孔、干裂缝和生物扰动作用捕获空降锆石。研究团队选择北美大平原的奥加拉拉组作为理想试验区，因为该区域既存在持续的蛇河平原火山活动，又具有高频率出现的古土壤层。

研究人员在堪萨斯州Ladder Creek Canyon地区测量、描述并采集了奥加拉拉组的4条地层剖面，共获取15个层位的约2 kg块状样品。关键技术方法包括：①采用标准重矿物分离技术从古土壤样品中分离锆石；②使用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）进行锆石U-Pb定年；③采用20 μm激光斑点，以GJ-1锆石标准物质进行校正；④使用Isoplot计算加权平均年龄和 Concordia 年龄；⑤应用DZstats进行概率密度图交叉相关系数分析。所有样品处理和分析均在堪萨斯大学同位素地球化学实验室完成。

4.1. 年代学结果

9个样品获得足够数量的锆石颗粒（n>300），锆石U-Pb年龄范围从太古代（~2957 Ma）到晚中新世（~6.3 Ma）。核密度图显示锆石年龄峰值与北美大陆至少8个主要锆石生成事件吻合，包括H种群（16.1-6.0 Ma）的蛇河平原来源锆石。

4.2. 最大沉积年龄

6个样品产生了晚中新世锆石的最年轻年龄种群（H种群）。采用最年轻单颗粒（YSG）和最年轻簇加权平均年龄（YGC1σ(2+)）方法计算最大沉积年龄（MDA），获得的6个MDA值在11.4±0.4至6.3±0.3 Ma之间，且符合地层层序律。

4.3. Ladder Creek Canyon年代地层

地层底部样品LDA1获得最年轻单颗粒年龄11.4±0.4 Ma，可能来源于Bruneau-Jarbidge火山场（12.7-10.5 Ma）。中部层位样品SC15-06和SC15-01获得10.1±0.4 Ma和9.8±0.5 Ma的MDA，与Twin Falls火山场活动期（10.5-8.5 Ma）吻合。上部层位样品SC15-08和SC15-14分别获得6.7±0.2 Ma和6.3±0.3 Ma的MDA，可能来源于Picabo火山场（8.5-6.7 Ma）或Heise火山场（6.6-4.3 Ma）。

4.4. 沉积物源

锆石年龄数据集交叉相关系数分析表明，样品间年龄峰值形状和相对幅度差异不大（平均R2=0.80），表明物源区没有显著差异。但下部9米和上部9米地层在G种群锆石（44-23.5 Ma）比例上存在明显差异，下部地层G种群锆石含量高出约62%，表明 drainage system可能发生了从北部物源区的向源迁移。

研究结论表明，古土壤年代学方法能够有效获取陆相地层的最大沉积年龄，且获得的年龄数据符合地层层序律。古土壤是研究区唯一能产生与沉积年龄密切吻合的中新世MDA的相类型。这种方法明显有潜力大大减少古生物学和生物地层学研究中的不确定性，并可在区域或盆地范围内进行更高级别的对比。

讨论部分强调，古土壤年代学的成功应用需要满足几个关键条件：火山活动必须产生足够大（>20 μm）和数量的锆石；普林尼式喷发需要产生足够高的烟柱以穿透对流层顶；火山活动频率需要高于分析不确定性。尽管存在这些限制，古土壤年代学仍为陆相地层年代学研究提供了新的途径，特别是在缺乏传统标志层（如火山灰层）的区域。

该研究的重要意义在于：①为奥加拉拉组提供了新的高精度年代约束；②建立了古土壤中火山成因锆石捕获与保存的理论模型；③为北美大平原晚中新世沉积历史提供了新的年代框架；④对高平原含水层（High Plains aquifer）的管理和保护具有实际应用价值，因为含水层的可持续性管理需要更精确的地层架构认识。未来利用古土壤作为地质年代计的研究可能解开大平原新生代序列复杂的沉积历史，解决先前有问题的内部异质性。