灰岩地层对L群球粒陨石母体裂解绝对年龄的限定

原创廖世勇行星科学

摘要：

中科院比较行星学卓越创新中心骨干成员徐伟彪研究员团队廖世勇副研究员及其合作者，通过对记录了L群母体裂解事件的奥陶系灰岩地层的研究，将裂解年龄精确限定在465.76±0.30 Ma。本工作同时还支持了GTS2012全球地质年代格架对中奥陶弗洛阶和大坪阶界线年龄的推断。

普通球粒陨石是最常见的陨石类型，它们可能来自三类不同小行星母体的裂解。L型普通球粒陨石母体的裂解被认为发生在奥陶纪，并可能与拥有超过2500个成员的Gefion小行星家族的形成有关。这是近30亿年来太阳系内有记录的最大规模小行星裂解事件，该事件对小行星带演化，以及地球深时空间碎片/尘埃环境产生了巨大影响。精确限定裂解事件的发生时间，对于评估内太阳系天体动力学演化历史、地球古生物环境和气候效应，以及进行全球地层对比具有重要意义。然而用天文观测的手段难以准确确定小行星母体裂解的时间，这个重任就落到了行星化学研究工作者的肩上。

要确定小行星母体裂解时间，最直接的方法是对受到强烈冲击作用的L型普通球粒陨石样品进行同位素定年。然而撞击过程虽然能量巨大，要将放射性同位素“时钟”归零仍然非常困难。强冲击样品中同位素体系不完全重置的现象广泛存在，使得陨石直接定年的方法受到了限制。

图1. 奥陶系灰岩地层中地外来源铬铁矿

图2.灰岩中火山灰来源锆石

值得庆幸的是，地质学家在中奥陶统灰岩的特定层位发现了超量的L群球粒陨石物质，并证实与母体小行星裂解事件有关（Schmitz et al., 2001, 2003）。这个发现为测定L群母体裂解事件的精确定年提供了重要机遇。

研究发现，该特殊层位位于中奥陶世Lenodus variabilis牙形石带下部，其L群球粒陨石来源铬铁矿颗粒（>32 μm，图1）从背景通量突增了2-3个数量级，并伴有L型化石陨石的出现（直径1-20 cm）。然而，由于小行星母体破碎形成的粗粒碎片从小行星带迁移到地球需要较长时间，因而还需要能够示踪细粒尘埃的宇宙成因核素³He和其他地球化学手段来确定裂解事件发生的最低层位。此外，前人虽尝试通过牙形石和火山灰来源锆石（图2）进行研究，但由于单层位锆石定年和生物地层定年方法的局限性，L群母体裂解精确年龄仍未得到可靠限定。

图3. 瑞典Hällekis-Thorsberg奥陶系碳酸盐岩剖面及含火山灰来源锆石灰岩层位位置（修改自Schmitz et al., 2019）。笔石分带据（Lindskog et al. 2017）；剖面全岩³He, ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os和平衡球粒陨石来源铬铁矿（EC）数据来自(Schmitz et al., 2019). 球粒陨石铬铁矿中L群来源者经过10%的TiO₂重叠校正，故当L群来源者占绝对主导时，会导致百分比超过100%。Arkeologen bed为化石陨石（n>130）出现的最低层位。灰色粗虚线（-1 m处）对应小行星带中L群母体裂解事件层位。

瑞典南部Hällekis-Thorsberg奥陶系灰岩是研究L群母体裂解过程的经典剖面。最近研究者利用该剖面全岩³He, ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os确定了裂解事件对应的最低层位(Schmitz et al., 2019)。此外，该剖面邻近区域奥陶时期火山活动发育，虽未发现斑脱岩（风化火山灰）层位，但灰岩中火山灰来源物质较为丰富。这些有利条件为本研究的展开提供了基础。为此我们对L群球粒陨石来源物质突增界面附近进行了长达8米的连续采样，并对总量约1320 kg的样品进行了酸溶和重矿物挑选，最终在三个灰岩层位中成功提取到了火山灰来源锆石（图3）。

为了精确获得火山灰喷发，也即灰岩沉积年龄，本研究采用高精度的TIMS和MC-ICP-MS结合的分析技术（CA-ID-IRMS），同时合理增加分析的锆石数量，为成功捕捉到接近火山灰喷发时期形成的锆石颗粒，较为精确的限定灰岩地层沉积年龄奠定了基础（图4）。

此外，由于火山灰来源锆石可能受岩浆房长期生长、早期循环晶，以及Pb丢失等因素影响，其同位素年龄可能与真实喷发年龄存在差异，这也是单层位火山灰来源锆石定年确定地层沉积年龄的薄弱环节。本研究对邻近的三个含火山灰灰岩层进行了同位素定年，进而可以从地层学角度验证所获得的沉积年龄。通过分析获得的不同灰岩层位沉积年龄，发现其与综合层序关系及沉积速率非常吻合，从而验证了上述沉积年龄的可靠性。

图4. HKIS 2a (绿), HKIS 4c (紫)和Likhall (红) 层位火山灰来源锆石的²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄及协和图。灰色和黑色粗实线分别为加权平均和贝叶斯喷发年龄，相应虚线框代表误差（2σ）。协和图中虚线表示不协和数据，不参与年龄计算。HKIS 2a和HKIS 4c中绿色和紫色未充填长条为受Pb丢失影响数据，亦不参与年龄计算。最右侧数据（粉）为Lindskog et al.（2017）在Likhall层位中获得的单颗粒锆石年龄。

结合前人利用剖面全岩³He, ¹⁸⁷Os/¹⁸⁸Os确定的裂解事件对应的最低层位，以及通过化石陨石宇宙成因²¹Ne暴露年龄获得的地层沉积速率，同时考虑采样误差，最终限定L群母体裂解事件发生于 465.76±0.30 Ma。本研究对L群母体裂解发生的绝对年龄，提供了目前为止最精确的制约。这同时表明，小行星带事件发生的精确年代，可以通过地球沉积地层限定。

此外，由于上述层位接近中奥陶弗洛阶和大坪阶界线，且沉积速率稳定，为解决前人关于上述界线年龄的争议提供了机遇。基于恒定沉积速率外推，本研究获得弗洛阶和大坪阶界线年龄为469.6±0.3 Ma，与GTS2012提出的470.0±1.4 Ma的年龄一致，不支持最近部分学者提出的修改界线年龄的观点。

上述成果发表于国际学术期刊Earth and Planetary Science Letters，论文的第一和通讯作者是中科院比较行星学卓越创新中心及类地行星先导专项骨干成员，中国科学院紫金山天文台廖世勇副研究员，加州大学戴维斯分校M.H.Huyskens博士为并列通讯作者。本研究获得了中科院行星科学先导B项目（XDB41000000），和国家自然科学基金（41973060, 41773059, 41973065, 41803051和 41873076）等的经费支持。

参考文献

Liao, S., Huyskens, M. H., Yin, Q. Z., & Schmitz, B. (2020). Absolute dating of the L-chondrite parent body breakup with high-precision U–Pb zircon geochronology from Ordovician limestone. Earth Planet. Sci. Lett, 547, 116442.

Lindskog, A., Costa, M. M., Rasmussen, C. Ø., Connelly, J. N., & Eriksson, M. E. (2017). Refined Ordovician timescale reveals no link between asteroid breakup and biodiversification. Nat. Commun, 8(1), 1-8.

Schmitz, B., Tassinari, M., & Peucker-Ehrenbrink, B. (2001). A rain of ordinary chondritic meteorites in the early Ordovician. Earth Planet. Sci. Lett, 194(1-2), 1-15.

Schmitz, B., Häggström, T., & Tassinari, M. (2003). Sediment-dispersed extraterrestrial chromite traces a major asteroid disruption event. Science, 300(5621), 961-964.

Schmitz, B., Farley, K. A., Goderis, S., et al. (2019). An extraterrestrial trigger for the mid-Ordovician ice age: Dust from the breakup of the L-chondrite parent body. Science advances, 5(9), eaax4184.

作者简介

廖世勇，中国科学院紫金山天文台副研究员，行星化学专业，比较行星学卓越创新中心/类地行星先导专项成员。

全文链接：

https://doi.org/10.1016/j.epsl.2020.116442（点击下方阅读原文）

作者：廖世勇

编辑：李婧

审核：李阳

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