原创∶蒋璟鑫 沉积之声 

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图1∶美国大峡谷国家公园的纳瓦霍砂岩

来源∶www.discovermoab.com

美国科罗拉多高原西南部的中生代纳瓦霍砂岩（Navajo Sandstone），以其层状交错的红色和褐色砂岩而闻名世界，成就了高原之上一道道亮丽的风景∶高耸的拱门、巍峨的峭壁、蜿蜒的山脉和深邃的峡谷，让人忍不住赞叹大自然的鬼斧神工（图1、2）。

图2∶纳瓦霍砂岩中的大型交错层理

（马安林 摄）

纳瓦霍砂岩代表了地质历史上最大的沙漠，根据现今保存露头，其分布面积至少达10万平方千米，相当于我国江苏省的面积（图3），堪称老版的美洲"撒哈拉"。岩层中保存了众多动植物化石，表明这片黄沙漫漫之地也曾生机盎然，恐龙足迹的出现仿佛让我们看到这些庞然大物是如何疾风千里，称霸大漠（图4）。

图3∶纳瓦霍砂岩的地理分布（浅黄色区域）

黄色虚线为等厚线，黄色三角为碳酸盐岩样品位置

（修改自Parrish et al，2019）

每一个去美国西部参观纳瓦霍沙漠的人一定希望了解∶这个沙漠是什么时候出现的？持续了多久？科学上，对于古代沙漠的沉积时代一直没有找到好的办法。地质学家确定沉积岩的年龄最常用的方法有两种∶一种是通过演化快、只出现在特定时期的生物化石（即标准化石）进行定年;另一种是运用火山灰放射性同位素测年。沙漠中的生物相对海洋里的生物来说数量稀少，且陆相生物演化缓慢，很难用来限定地层的时代;另外，火山灰层的存在依赖于当时的火山活动频率与强度，需要很幸运才能找到。一些学者利用砂岩中出现的最年轻的碎屑皓石年龄峰来限定沙漠沉积的年龄，但这个年龄仅仅是限定了地层的最大可能年龄。磁性地层年代学也被用来限定沙漠的年龄，然而由于缺乏确定的"锚点"而作罢。正是由于这些因素的限制，使得解决地球历史上这一重要沙漠化的时间、规模和持续时间长期成为科学界的一大挑战。

图4∶纳瓦霍砂岩中的恐龙足迹化石

来源∶bing.com/images

近日，由美国爱达荷大学Juddy Parrish 教授领衔的研究团队在国际著名地学期刊Geology撰文，为解决上述问题提供了新的思路。他们发现，在纳瓦霍沙漠地层中，除了大规模的风成砂岩之外，砂岩之间偶尔夹杂了少量的碳酸盐岩。这些碳酸盐岩或直接覆盖在纳瓦霍砂岩之上，或与之呈指状交错。古生物化石组合和沉积构造指示这些碳酸盐岩为沙丘间的泉华和湖泊沉积物。因此，确定这些碳酸盐岩的沉积年龄就能够精确限定沙漠形成的时间。

近年来，随着实验科学的发展，样品预处理、微区取样技术和高精度同位素分析测试技术得到快速发展，使得碳酸盐岩U-Pb 测年成为广泛接受的地质学定年方法。定年选用的碳酸盐岩样品要求既不存在明显的后期成岩作用的影响，且样品中U元素要求具有较高的可测含量并在封闭体系中U-Pb 含量随时间发生变化。

研究人员为了找到合适的测年样品，首先选取了成岩作用较小的一批碳酸盐样品，并在激光剥蚀等离子质谱仪（LA-ICPMS）下进行直线扫描同位素U-Pb 含量以确定U-Pb含量较高的区域，然后对这些较高含量的微区钻取粉末样。然后，他们利用同位素稀释法获取样品的同位素组成，从而精确限定了取自不同古地理位置的碳酸盐岩的绝对年龄。科学家运用这一方法首次在纳瓦霍沙漠地层中获得了准确的放射性同位素年龄，两个样品的年龄分别为200.5±1.5 百万年（Ma）和195.0±7.7 百万年（Ma），其中前者是纳瓦霍砂岩报道的最古老的时代（侏罗纪Hettangian期）。这些年龄数据表明，在犹他州北部，纳瓦霍沙漠的部分地区相对要更加古老，结合来自亚利桑那州的年龄数据表明（图5），纳瓦霍沙漠的发育过程具有明显的穿时性。北部犹他州沙漠出现得早，南部亚利桑那州沙漠出现得晚。对于纳瓦霍沙漠的持续时间，碳酸盐同位素年龄表明该沙漠至少持续了5.5个百万年，有可能持续时间超过20个百万年。

图5∶纳瓦霍砂岩地层剖面及年代学数据图

（修改自Parish et al，2019）

此外，沙丘间泉华和湖泊沉积物的出现说明，在这片广袤的沙漠中并没有想象中那么干旱，局部地区的气候相对湿润，水文循环比之前所认为的更为活跃，因而出现了这些湖泊和泉眼。而这些含水的地方就成为了动物栖息的宝地，各种恐龙和小型兽孔类动物（爬行动物，哺乳动物的近亲）在这里尽情嬉戏。

主要参考资料

[1] Parrish et al., 2019. Earliest Jurassic U-Pb ages from carbonate deposits in the Navajo Sandstone, southeastern Utah, USA.Geology.

https://doi.org/10.1130/G46338.1

[2] Parish et al.,2017.Carbonate deposits in the Lower Jurassic Navajo Sandstone,southern Utah and northern Arizona, U.S.A. Journal of Sedimentary Research.

https://doi .org/10.2110/jsr.2017.42

[3] Geological Society of America. "Ages of the Navajo Sandstone." ScienceDail. 9 September 2019.

www.sciencedaily.com/releases/2019/09/190909131113.htm