裂變徑跡技術(shù)在上地殼巖石冷卻剝露研究中的應(yīng)用

裂變徑跡技術(shù)在上地殼巖石冷卻剝露研究中的應(yīng)用

破裂直徑固定的年份方法是20世紀(jì)60年代以來發(fā)展起來的一種新的同步年代學(xué)方法。磷灰石裂變徑跡和鋯石裂變徑跡可以分別記錄巖石經(jīng)歷的小于120℃和小于350℃的低溫?zé)釟v史的詳細(xì)信息,為研究上地殼巖石冷卻剝露過程提供了有效工具。自Naeser(1989)提出將裂變徑跡用于研究盆地地?zé)崾芬詠?這種方法得到廣泛的應(yīng)用,應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)展到熱史、構(gòu)造史、沉積物來源、地層年代等方面。近年來,隨著對(duì)裂變徑跡長(zhǎng)度研究的深入,使裂變徑跡方法在構(gòu)造熱演化的研究中展示出越來越強(qiáng)的活力。裂變徑跡長(zhǎng)度分布是裂變徑跡熱歷史分析中最敏感和最有效的方法,因?yàn)榈V物的裂變徑跡是以恒定的速率產(chǎn)生的,礦物中的每一條裂變徑跡實(shí)際上是在不同時(shí)期不同溫度條件下形成的,其形成后又經(jīng)歷了不同的熱歷史,每條徑跡所經(jīng)歷的總熱歷史對(duì)其長(zhǎng)度都有影響,所以溫度-時(shí)間對(duì)裂變徑跡的作用除直接在表觀年齡上有體現(xiàn)外,更多更詳細(xì)的信息是被累積徑跡的長(zhǎng)度所記錄(Greenetal.,1985;Wangeretal.,1991)。利用不同礦物封閉溫度的差異、裂變徑跡的長(zhǎng)度特征,結(jié)合其它同位素和數(shù)字模擬技術(shù),可精細(xì)地反演構(gòu)造域的熱構(gòu)造歷史,即探討構(gòu)造演化過程與相應(yīng)溫度間的變化關(guān)系,建立時(shí)代-溫度演化軌跡(Ketchametal.,1999,2000)。裂變徑跡定年方法的不斷完善,使得其在構(gòu)造演化研究中的應(yīng)用更加廣泛,主要包括以下幾方面:(1)造山帶隆升時(shí)代及隆升速率的研究(Zeitleretal.,1982;丁林等,1995;楊樹鋒等,2003;朱文斌等,2005);(2)造山帶熱演化歷史的研究(陳文寄等,1996;Jolivetetal.,2001);(3)快速蝕頂或冷卻事件的年代確定(Hendrixetal.,1994;Sobeletal.,1997);(4)盆地反轉(zhuǎn)時(shí)代的確認(rèn)(Mitchelletal.,1994;Zhuetal.,2005);(5)盆地基底巖系構(gòu)造熱歷史的研究(Cederbometal.,2000;Cederbom,2001;Murrelletal.,2004;Huigenetal.,2004);(6)盆山耦合過程的研究(Brandonetal.,1998;Bullenetal.,2001)。1通過其他方法來計(jì)算巖體升降速率應(yīng)用磷灰石的裂變徑跡年齡及有效封閉溫度計(jì)算造山帶的抬升和剝蝕速率有以下幾種方法。(1)高度差法:通過磷灰石裂變徑跡年齡結(jié)合樣品的海撥高度給出相應(yīng)年齡段的視抬升速率;(2)外推法:把一定海撥高度磷灰石裂變徑跡年齡外推到其年齡為零的位置,選定或通過其他方法給出一個(gè)地溫梯度,用采樣點(diǎn)的海撥高度和年齡為零時(shí)的深度之差除以裂變徑跡年齡就可以得到巖體的抬升速率;(3)礦物對(duì)法:用同一同位素體系(如裂變徑跡)不同封閉溫度的礦物(磷灰石、鋯石或榍石)或不同同位素體系礦物封閉溫度的不同來計(jì)算冷卻速率,除以地?zé)崽荻染涂梢缘贸鎏俾?。上述三種方法在對(duì)所研究時(shí)間段內(nèi)地質(zhì)體的地溫梯度是連續(xù)穩(wěn)定的,并且無(wú)復(fù)雜多期熱事件影響的研究對(duì)象將更加適用。這些方法已單一或相互結(jié)合地廣泛應(yīng)用于世界各地造山帶及其他領(lǐng)域的研究中,對(duì)一些關(guān)鍵問題的解決提供了有力的證據(jù),為眾多的構(gòu)造地質(zhì)學(xué)家所關(guān)注(Zeitleretal.,1982,1985;丁林等,1995;Fitzgeraldetal.,1999;萬(wàn)景林等,2000;王瑜等,2002;郭召杰等,2002;Schlupetal.,2003)。2熱歷史與熱模擬造山帶巖體的冷卻過程可以直觀地反映造山帶熱演化歷史,可以通過不同的熱測(cè)年計(jì)以及它們有效的封閉溫度確定巖體冷卻到不同溫度的時(shí)間,這樣可以得到一條溫度-時(shí)間曲線,從而描繪造山帶演化熱歷史。磷灰石裂變徑跡具有較低的封閉溫度,為說明造山帶低溫?zé)嵫莼^程拓展了空間。陳文寄等(1996)在用MDD模式計(jì)算研究西藏高原南部?jī)纱慰焖倮鋮s事件的研究中結(jié)合磷灰石裂變徑跡測(cè)年,成功地延續(xù)了巖體150℃以后的熱歷史,從而獲得巖體更加完整的熱歷史信息(圖1)。另外裂變徑跡年齡及其長(zhǎng)度分布通常記錄樣品經(jīng)歷的復(fù)雜的熱歷史,將兩者結(jié)合采用各種模擬方法可以揭示可能的熱過程。例如磷灰石的裂變徑跡,當(dāng)溫度大于110±10℃時(shí)迅速退火,而當(dāng)溫度小于60℃則退火緩慢,從而導(dǎo)致徑跡長(zhǎng)度的變化,這一特點(diǎn)可以通過徑跡長(zhǎng)度的模擬而得到樣品的t-t演化曲線。為此,Gallagher(1995)提出了MonteTrax方法用于反演樣品的熱歷史。Jolivetetal.(2001)采用此方法對(duì)藏北磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)進(jìn)行熱模擬,得到了兩期構(gòu)造事件年齡。一期為40±10Ma,代表印度與亞洲的碰撞,導(dǎo)致阿爾金—昆侖斷裂的重新活動(dòng);另一期為9～5Ma,表現(xiàn)為陸內(nèi)擠壓背景下的盆地向昆侖山,阿爾金山和祁連山下俯沖。以磷灰石徑跡年齡和長(zhǎng)度數(shù)據(jù)為參數(shù),Ketchametal.(1999,2000)設(shè)計(jì)出AFTSolve應(yīng)用軟件模擬巖石經(jīng)歷的時(shí)間-溫度歷史。最近,Zhou等(2003)采用此方法研究了大別山天堂寨地區(qū)晚白堊以來剝露歷史,并得到了29～25Ma期間的突然冷卻事件。朱文斌等(2005)運(yùn)用該軟件模擬得到東天山中新生代多期隆升剝露事件。3蝕頂作用研究裂變徑跡的退火特性是研究快速蝕頂或冷卻事件的基礎(chǔ)。當(dāng)沉積巖樣品經(jīng)歷的最高古地溫大于完全退火溫度時(shí),裂變徑跡不再保存,年齡為零。如果后期發(fā)生一次快速冷卻事件,使樣品所處的溫度小于退火溫度,裂變徑跡開始保存,礦物的裂變徑跡體系的時(shí)鐘也從新啟動(dòng)。曾經(jīng)完全退火的沉積地層樣品記錄了幾乎相同的年青的裂變徑跡年齡,且遠(yuǎn)小于其沉積年齡,這就是快速蝕頂或冷卻事件發(fā)生的時(shí)間(Dumitruetal.,1994;Hendrixetal.,1994;Sobeletal.,1997)。Sobel和Dumitru(1997)利用此原理研究了西天山蝕頂作用,得到兩次構(gòu)造冷卻事件年齡,一次約為20Ma,另一次約為13Ma。在此項(xiàng)研究中,Sobeletal.(1997)還總結(jié)了沉積物從剝蝕到沉積、埋藏、加熱,再剝露的可能的6種情況(圖2)。路徑A:樣品埋藏淺,最大埋藏溫度tmax=30℃。在這樣的低埋藏溫度下,退火幾乎不發(fā)生,樣品徑跡長(zhǎng)度保持原長(zhǎng),樣品徑跡年齡代表沉積源區(qū)冷卻事件年齡。如果所有磷灰石顆粒都來源于單一源區(qū)且具有一致的年齡值,那么在年齡放射圖上,單顆粒年齡串集中在±2σ的長(zhǎng)條范圍內(nèi)并且記錄了源區(qū)年齡;如果磷灰石顆粒是多源區(qū)的且有不同的年齡值,則放射圖上年齡是分散的,但所有年齡都不小于沉積物的沉積年齡。路徑B—C:tmax=60～85℃,徑跡長(zhǎng)度變短,樣品年齡變輕。路徑D:tmax=100℃,徑跡長(zhǎng)度變寬且具雙峰。雙峰原因是由于既包含了長(zhǎng)度強(qiáng)烈縮短的早期徑跡,又包含了經(jīng)歷過最大古地溫后形成的長(zhǎng)徑跡。單顆粒年齡很分散顯示了明顯的混合年齡特點(diǎn)。最年青組分年齡代表了冷卻事件年齡,因?yàn)檫@些顆粒在冷卻前均已完全退火(一般而言,它們是富F的顆粒),而最老的年齡組分(富C1的顆粒)代表了原始源區(qū)年齡。路徑E:tmax=115℃。長(zhǎng)度分布以長(zhǎng)徑跡為主,它們大都是在最大古地溫以后形成的,老的短徑跡都已完全消失了。單顆粒年齡仍然較寬,但以年青組分為主。路徑F:tmax=125℃,老徑跡完全退火,新徑跡都在冷卻事件中產(chǎn)生。徑跡長(zhǎng)度較長(zhǎng),因?yàn)槎虖桔E已完全退火消失。如果冷卻是快速的,則所有單顆粒年齡將集中在±2σ的長(zhǎng)條中并代表冷卻事件年齡。上述總結(jié),為我們準(zhǔn)確了解沉積物樣品經(jīng)歷時(shí)間-溫度歷史提供了幫助。Hendrixetal.(1994)利用同樣原理測(cè)定了西天山約24Ma發(fā)生的快速蝕頂作用。同樣的方法也被用于測(cè)定六盤山斷裂發(fā)生快速蝕頂作用(鄭德文等,2005)。4裂變徑跡記錄盆地沉降接受沉積,由于后期構(gòu)造作用,往往會(huì)引起地殼隆升造成地層剝蝕或缺失,這種現(xiàn)象在世界上許多盆地都存在。我國(guó)西部及東部的諸多油氣盆地都經(jīng)歷過一次甚至多次構(gòu)造反轉(zhuǎn)。地層的缺失使確認(rèn)反轉(zhuǎn)時(shí)代及反轉(zhuǎn)持續(xù)時(shí)間成為難點(diǎn),而裂變徑跡技術(shù)則可較好地解決此問題(Greenetal.,1995;Hilletal.,1995)。沉積埋藏過程是一個(gè)增溫過程,埋藏到一定深度即可導(dǎo)致礦物裂變徑跡退火或部分退火,而地殼隆升的冷卻事件則可重新啟動(dòng)已退火的裂變徑跡時(shí)鐘,從而較準(zhǔn)確地記錄構(gòu)造反轉(zhuǎn)發(fā)生的時(shí)間。Mitchell等(1994)利用裂變徑跡方法確認(rèn)了澳大利亞西Otway盆地的兩次反轉(zhuǎn)隆升。早白堊世時(shí),盆地接受沉積,從中白堊世(約95Ma)始,盆地開始反轉(zhuǎn)隆升,但隆升幅度及剝蝕量均小,盆地處于初始構(gòu)造活動(dòng)期,晚白堊世盆地進(jìn)入隆升高峰期,并以盆地邊緣隆升為主,隆升結(jié)束于古近紀(jì)。構(gòu)造分析(Zhuetal.,2003)和鏡質(zhì)體反射率(Liuetal.,1998,2001)研究表明,吐哈盆地在晚侏羅—早白堊發(fā)生過構(gòu)造反轉(zhuǎn),Zhu等(2005)根據(jù)磷灰石裂變徑跡分析將盆地反轉(zhuǎn)時(shí)代定于120～100Ma之間(圖3)。5n地盾前寒武紀(jì)基底巖石的進(jìn)展近年來,一些地質(zhì)學(xué)家將裂變徑跡研究應(yīng)用到歐洲Fennoscandian地盾的前寒武紀(jì)基底巖系,取得了新的進(jìn)展(Cederbometal.,2000;Cederbom,2001;Huigenetal.,2004;Murrelletal.,2004)。Fennoscandian地盾上存在一個(gè)寒武紀(jì)準(zhǔn)平原,廣泛出露前寒武紀(jì)基底巖石,寒武系以后的蓋層不發(fā)育,因此盆地的構(gòu)造熱演化信息、埋藏史信息主要通過對(duì)基底巖石的研究來獲得,裂變徑跡熱年代學(xué)方法為上述研究提供了可能性。運(yùn)用裂變徑跡方法研究Fennoscandian地盾前寒武紀(jì)基底巖石取得的新進(jìn)展包括如下幾個(gè)方面:(1)以往的裂變徑跡研究大多是針對(duì)造山帶或盆地中新生代以來的構(gòu)造熱事件展開的,但是針對(duì)Fennoscandian地盾的裂變徑跡研究時(shí)代跨度很長(zhǎng),獲得的最老的裂變徑跡表觀年齡為847.7±59.9Ma,樣品熱模擬得到的快速冷卻年齡為960Ma,記錄了中元古代的構(gòu)造熱事件(Murrelletal.,2004),這對(duì)裂變徑跡方法及其熱模擬本身都是一種嶄新的挑戰(zhàn);(2)在缺乏沉積物的地區(qū),通過對(duì)基底巖石的研究,了解盆地的沉降史和埋藏史;(3)通過對(duì)克拉通內(nèi)部基底巖石的研究,了解克拉通邊緣多期構(gòu)造作用對(duì)克拉通內(nèi)部的影響,從而說明構(gòu)造上的遠(yuǎn)距離效應(yīng);(4)運(yùn)用裂變徑跡熱模擬技術(shù),討論多期構(gòu)造熱事件對(duì)盆地基底的疊加影響,推導(dǎo)盆地的構(gòu)造演化過程。塔里木盆地北緣庫(kù)魯克塔格地區(qū)和柯坪地區(qū)是新疆前寒武系出露最好的地區(qū)。近10余年來,中外科學(xué)家對(duì)該地區(qū)基底巖系展開了深入研究,獲得了許多新的同位素年齡資料,使得塔里木克拉通北緣前寒武紀(jì)基底研究得以深化(Nakajimaetal.,1994;-郭召杰等,2003)。但是上述年齡測(cè)定大多偏重于確定塔里木克拉通基底形成時(shí)代,基底形成以后的構(gòu)造演化方面的研究尚顯不足。塔里木克拉通基底自形成以來,經(jīng)歷了多期構(gòu)造事件,這些構(gòu)造事件,必然會(huì)對(duì)塔里木北緣基底演化產(chǎn)生深刻影響。目前有如下科學(xué)問題還需進(jìn)一步研究和論證:(1)Rodinia超大陸裂解是否在塔里木基底巖石中留有低溫?zé)嵫莼圹E;(2)塔里木基底巖石最初于何時(shí)剝露于地表;(3)塔里木基底巖石剝露以后是否經(jīng)歷過再次埋藏和剝露,再次埋藏的深度和剝露的時(shí)間;(4)基底巖石構(gòu)造熱演化過程對(duì)大陸邊緣不同構(gòu)造事件的響應(yīng);(5)基底巖石的埋藏增溫與盆地蓋層沉積的相關(guān)性。運(yùn)用裂變徑跡方法研究塔里木基底巖系有助于解決上述問題。6未出現(xiàn)碎屑顆粒的年齡研究在造山作用過程中,山體的抬升和盆地的沉積密不可分,是一耦合過程。在盆地的沉積物中,包含豐富的源區(qū)基巖抬升剝露的信息,山體抬升、冷卻研究與盆地沉積研究的結(jié)合,將為研究區(qū)域地質(zhì)作用過程提供豐富的信息,使人們對(duì)造山作用過程有一個(gè)更全面的理解。低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法正是連接山體抬升、剝露與盆地沉積研究的有效手段(鄭德文等,2000)。圖4展示了山體隆升與盆地沉積間的耦合關(guān)系(Ruizetal.,2004),根據(jù)封閉溫度的概念,在基巖區(qū)由于地表巖石先抬升到封閉溫度之上,年齡比較老(tc1),從地表向下,巖石順序通過封閉溫度區(qū),年齡逐漸減小(tc2),直到位于封閉溫度區(qū)以下時(shí),同位素體系處于開放狀態(tài),年齡為零。然而在剝蝕沉積過程中,近表層的巖石先剝蝕、沉積,然后下層的巖石被順序剝露到地表并被剝蝕、搬運(yùn)到盆地中沉積。所以盆地底部沉積物是首先被剝蝕、沉積的基巖區(qū)表層物質(zhì),沉積物中未重置(unreseted)的碎屑顆粒記錄了較老的年齡(td1);沉積地層上部的沉積物是后剝蝕、沉積的基巖區(qū)下部物質(zhì),碎屑顆粒記錄較年輕的年齡(td2)。也就是說,從年齡上講,山體與沉積盆地成鏡像關(guān)系。傳統(tǒng)的熱年代學(xué)的研究主要集中于基巖樣品的研究,而對(duì)于沉積地層中未重置(unreseted)碎屑顆粒的研究則相對(duì)較少。在這里,未重置指沉積地層中某種碎屑顆粒被埋藏的最大古地溫小于該種顆粒的特定同位素體系的封閉溫度,從而未影響它所記錄的年齡。對(duì)于裂變徑跡(FT),未重置通常稱為未退火。碎屑顆粒熱年代學(xué)(detritalthermochronology)是根據(jù)熱年代學(xué)原理,以沉積地層中未重置碎屑顆粒為研究對(duì)象,從而研究其沉積源區(qū)特征及熱演化歷史的一種年代學(xué)方法。盆地中的沉積物碎屑為多源區(qū)混合物,碎屑顆粒年齡也為混合年齡。對(duì)于單一年齡源區(qū)樣品(如火山巖),其顆粒年齡分布服從放射性衰變的泊松(Poisson)變化分布。假設(shè)混合年齡是來自幾個(gè)不同源區(qū)的顆粒年齡的混合物,即樣品顆粒年齡分布是由幾個(gè)泊松分布組成,因此,必須通過一定的數(shù)學(xué)方法找出組成混合年齡的年齡組或最年輕年齡組,才能得到有意義的年齡數(shù)據(jù)。最年輕的一組年齡用于研究基巖區(qū)的抬升、剝露