高远，陈积权，吴奕洁，戴紧根，王成善
三氧同位素（triple oxygen isotope）古高程定量重建技术是近年来新发展的定量重建古高程的技术手段。该技术以含有大气降水氧同位素成分的岩浆矿物或沉积矿物为研究材料，通过三氧同位素（△17O）分析，剥离矿物形成时大气降水的氧同位素（δ18O）信号，进而定量重建古高程或古气候。本文对三氧同位素基本概念、三氧同位素定量古高程技术的原理及其在青藏高原地区的应用进行介绍，并展望三氧同位素技术在深时研究领域的应用前景。
一、三氧同位素基本概念
氧（O）有三种稳定同位素：16O、17O和18O，这三种同位素在自然界的丰度分别约为 99.76%、0.04%和0.20%。通常我们进行氧同位素测试，分析的是18O与16O的比值（即δ18O）：
近年来随着研究程度的深入，学界对17O有更深入的认识，δʹxO更多地被使用。δʹxO与δxO的关系为
其中，x为17或者18。
统计发现，自然界含氧物质氧同位素组成变化在δʹ17O-δʹ18O坐标系里近乎为一条直线，我们称这条直线为类地线（Terrestrial fractionation line，图1），其斜率接近0.5。随着测试精度的提高，人们发现，单个样本与总体所拟合的直线之间存在微小偏差，这个微小偏差被称为氧17盈余或微小氧17异常，通常表示为Δ17O或17O-excess，其计算公式为：
其中，λRL为理论参考斜率，γRL为参考截距。目前大部分情况下使用参考斜率λRL=0.528，参考截距λRL=0。
图1 三氧同位素（Δʹ17O）在δʹ17O-δʹ18O坐标系下的表示方式（修改自Sharp et al., 2016）
受地球不同的地质过程的影响，不同地质体的Δʹ17O值有所不同（图2，Sharp et al., 2018）。大气降水δʹ18O值在-55‰至-15‰之间时，其Δʹ17O值大多在0.041±0.006 ‰ （或41±6 per meg）；δʹ18O值更正或更负时，Δʹ17O值会更小。与大气降水相比，岩石的Δʹ17O值偏负，而δʹ18O值偏正，如地幔Δʹ17O值约为-0.05‰，花岗岩Δʹ17O值与地幔接近而δʹ18O略偏正。当矿物在形成过程中受大气降水蚀变影响时，其同位素组成将偏向于大气降水端元（图2）。
图2 不同类型地质样品的Δʹ17O-δʹ18O变化范围（修改自Sharp et al., 2018）
二、定量重建古高程原理与三氧同位素古高程定量重建技术
深时古地貌重建一直是地学的难题。目前，古高程定量重建主要依赖于与海拔相关的因素，包括空气温度、降水氧同位素和植物生态特征等（图3）。例如，空气温度随着高度增加递减，通过团簇同位素获得古温度，将其与同期低海拔地区温度对比，即可根据垂直温度梯度计算古高程；木本双子叶植物的叶相特征与气候因素（热焓值等）密切相关，对比高、低海拔植物群落热焓值可得到古高程。
大气降水氧同位素具有随高程变化的梯度，可用于定量重建古高程（Poage and Chamberlain, 2006）。降水过程中，18O优先进入降水，残留水蒸气18O则相对亏损，因此随着海拔升高，降水δ18O越来越负（图3）。部分热液矿物或沉积岩矿物在形成时可记录大气降水的同位素信号，通过恢复矿物形成时大气降水δ18O值，可定量重建古高程。传统重建古高程方法往往依赖沉积地层或古生物化石，而三氧同位素古高程重建技术可用于研究热液蚀变岩石，突破了传统测高方法对测试材料的约束和局限。
图3 古高程定量重建原理（修改自Poage and Chamberlain, 2006）
三氧同位素古高程重建技术于2020年首次运用于北美始新世爱达荷岩浆岩岩体古高程研究（Chamberlain et al., 2020）。在早期研究中，爱达荷岩体长石、石英矿物δ18O负偏信号被认为是受到了大气降水蚀变作用影响。三氧同位素古高程重建技术基本原理如下（图4）：
（1）三氧同位素大气降水线（Meteoric Water Line, 简称MWL），前人已通过北美地区地表水的三氧同位素研究获得（Passey and Ji, 2019）；
（2）蚀变矿物三氧同位素混合线，通过测定长石和石英中Δ17O和δ18O组成，拟合得到大气降水端元与岩浆端元的混合线（图4，粗黑线）；
（3）假设热液蚀变温度为400℃，取水岩混合线中“水无限多，岩石无限少”的左上角端元，利用分馏系数αSiO2-H2O与温度T的关系计算出大气降水δ18O为 −11.99 ± 1.11‰；
（4）基于Rowley et al.（2001）使用的同位素递减梯度和低海拔地区δ18O值，重建始新世爱达荷岩体高程为3.1±0.3 km。
此方法的核心优势在于根据三氧同位素大气降水线与蚀变矿物混合线相交（两线相交）的原理可更精确限定大气降水的δ18O值。
图4 三氧同位素古高程技术在北美爱达荷岩体的应用（修改自Chamberlain et al., 2020）
三、应用三氧同位素重建早古新世青藏高原南部古高程
重建青藏高原地表隆升历史对于理解欧亚-印度大陆碰撞、新生代全球气候变冷等重大地质事件至关重要，一直是地学界的研究热点（Wang et al., 2008）。早期研究认为~59-45 Ma期间印度大陆和欧亚大陆碰撞是高原隆升的主要原因，然而，近年来的一些研究通过间接地表隆起的约束和定量古高程计的推断，认为在陆陆碰撞早期青藏高原已经具有相对较高的海拔（例如Ding et al., 2014）。然而，对于印度-欧亚陆-陆碰撞前的高原隆升认识仍然不足，主要原因在于：
（1）古近纪林子宗群与晚白垩世设兴组之间存在角度不整合，导致了白垩纪末期-古近纪早期陆相沉积的缺失；
（2）林子宗群底部的典中组主要为火山岩，缺乏沉积岩，因此无法通过基于沉积物的稳定同位素古高度计计算高程；
（3）青藏高原其它地区存在陆相地层，但是地层年代难以精确约束。
在这种情况下，三氧同位素古高程重建技术可以发挥巨大作用（Ibarra et al., 2023）。
图5 青藏高原南部地质图
为了确定现代大气降水三氧同位素线，采集24个高原河水样品，覆盖了西藏南部和东南部大部分区域（29.58 ~ 31.97 ° N , 88.63 ~ 97.27 ° E），海拔范围为2730 - 4779 m（图5）。河流水的Δʹ17O为0.032 ± 0.005‰，δ18O范围为-23.9‰~-14.3‰，据此拟合三氧同位素大气降水线（图6a；Ibarra et al., 2023）。
为了确定蚀变矿物三氧同位素混合线，选择拉萨南部冈底斯弧斯弄多浅成低温热液型Ag-Pb-Zn矿床（88.5ºE，29.9ºN）石英脉样品，赋存于典中组火山岩中。斯弄多矿床早期绢云母40Ar-39Ar测年结果显示，矿床中富Ag-Pb-Zn的石英-绢云母-伊利石-硫化物脉体形成于60.9±0.7Ma至63.1±0.7 Ma之间（Li et al., 2019）。通过测定斯弄多矿床中14个石英脉样品及其3个火山岩母岩样品的三氧同位素组成，约束了Δ′17O-δ′18O混合线（图6a）。假设古新世MWL相比现代没有显著变化，结合240ºC（矿脉形成温度，Li et al., 2019）下石英-水分馏系数，获得极限水/岩比状态下大气降水δ18O值为-14.2 +1.5/-2.3‰（图6a；Ibarra et al., 2023）。
将古新世藏南冈底斯大气降水δ18O值相对现代进行校正，并与低海拔台站数据进行差值，得到Δδ18O净值为-7.1‰。根据Rowley和Garzione的模型（Rowley and Garzione, 2007）计算可得该Δδ18O值对应的古高程约为3.5 km（+0.6/-0.7，1σ；+1.4/-1.1，1σ传播误差）（Ibarra et al., 2023）。这一结果表明，在古近纪早期、印度-欧亚陆-陆初始碰撞之前，藏南冈底斯已达到现今高度的百分之六十。
图6 藏南斯弄多矿床石英脉三氧同位素分析与古高程计算
基于三氧同位素重建的冈底斯古新世古高程为印度-亚洲陆陆碰撞前青藏高原南部早期隆升提供了新证据。设兴组海陆过渡相沉积记录了冈底斯弧大部分区域在约90 Ma开始隆升，而沉积的碳酸盐岩稳定同位素表明冈底斯弧在~54-50 Ma时达到了接近现在约4.5 km的海拔高度（图7；Ding et al., 2014）。三氧同位素记录显示~63-61 Ma冈底斯古高程约3.5 km，表明印度-亚洲陆陆碰撞（~59-45 Ma）导致了约1km隆升。因此，冈底斯弧大部分地表隆升很可能是由陆陆碰撞之前新特提斯洋俯冲控制。基于上述结果重建的冈底斯弧早期的隆升历史与印度-亚洲板块汇聚速率加快、冈底斯弧岩浆的向北迁移等事件在时间上吻合（图7）。汇聚速率增加导致了板块接触处摩擦力增加，而岩浆向陆方向迁移则说明了俯冲角度变浅，两者共同加剧了冈底斯弧地区上地壳的变形，造成了强烈的地壳缩短，最终导致地表发生了快速隆升（Ibarra et al., 2023）。
图7 青藏高原南部地表隆升历史
四、研究展望
三氧同位素古高程定量重建技术为深时古地貌与古气候研究开辟了崭新的窗口。这种技术可以岩浆矿物为研究材料，突破了以往定量古高程技术对沉积物和化石材料的依赖，在构造变形复杂的造山带地区更容易取材；同时，由于这种技术采用“两线相交”方法，也能获得更精确的大气降水δ18O值。当然，这种技术也存在不足，如深时大气降水线难以直接获得、热液蚀变体系复杂等，仍需要今后研究中不断发展完善。即便如此，三氧同位素古高程定量重建技术有望广泛应用于不同时代不同造山带的古地貌与古气候演化研究中。
致谢 本文作者高远、戴紧根、王成善为中国地质大学（北京）教授，陈积权、吴奕洁为中国地质大学（北京）博士研究生。应用三氧同位素重建早古新世青藏高原南部古高程主要基于Ibarra, Dai, Gao, et al., 2023, Nature Geoscience论文https://doi.org/10.1038/s41561-023-01243-x，感谢论文所有作者的贡献，感谢南京大学曹晓斌教授和成都理工大学苏涛教授对本文的建议。本文属作者认识，相关问题交流可通过邮箱yuangao@cugb.edu.cn与第一作者高远联系。欲知更多详情，请进一步阅读下列参考文献。
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