磷灰石裂变径迹热年代学研究的进展与展望

磷灰石裂变径迹热年代学研究的进展与展望①

沈传波a,梅廉夫b,凡元芳a,汤济广a

(中国地质大学a.研究生院;b.资源学院,武汉430074)

摘　要:综述了磷灰石裂变径迹热年代学研究在退火模型及模拟方法、造山带及造山后剥露历史、构造热成像及地形演变和成矿作用等方面的一些理论和应用成果,分析了目前在磷灰石裂变径迹退火机理、数据解释和应用等方面研究中存在的主要问题,指出了磷灰石裂变径迹热年代学研究今后会朝着深层次退火机理、新的应用领域、自动化技术和可操作性等方向发展。

关键词:裂变径迹;造山带;热年代学;磷灰石

中图分类号:P54 文献标识码:A 文章编号:100027849(2005)022*******

磷灰石裂变径迹热年代学是建立在238U自发裂变辐射损伤效应基础上的一种同位素定年方法,它能重塑地壳上部约3～5km内数百万年以来的历史[1]。Fleischer等[2]最早对裂变径迹的研究奠定了裂变径迹的理论和实验基础,发现了裂变径迹的退火现象,并将其直接用于矿物年龄的测定[3]。之后人们对其研究日益深入,特别是20世纪80年代以后随着Zeta 常数定年法和Durango等标准年龄样品的使用[4]、单颗粒沉积碎屑物的测年[5]、磷灰石退火行为[6]等方面的研究使得裂变径迹热年代学得到迅猛发展,并被广泛应用于盆地热史[7,8]、沉积物源[9]、大地构造演化[10,11]、造山带[12,13]、断裂[14,15]、地形和气候演变[16,17]及成矿作用[18～20]等方面的研究,目前已成为地学界一个前沿和热门研究课题。

磷灰石裂变径迹热年代学理论发展到现在已基本系统化,主要表现在3个方面:①在实验室观测裂变径迹年龄和长度等参数的基础上,研究裂变径迹退火的动力学;②从裂变径迹参数获取温度随时间变化的关系并建立地质热史模拟方法;③探索裂变径迹技术在地质研究中的应用。近年来在这些方面取得了一些新的成果,特别是2002年Tectono2 p hysics杂志出版的专集《Low Temperat ure Ther2 mochronology:From Tectonics to Landscape Evo2 lutio n》以及2004年8月在荷兰阿姆斯特丹举行的“第十届国际裂变径迹定年暨热年代学会议”内容集中反映了各国学者在裂变径迹研究中的最新成果。虽然裂变径迹热年代学研究取得了大量的理论和应用成果,但在退火机理、数据解释等方面还存在一些不足,如何拓展其应用领域仍有待进一步探索。

1　多组分退火模型及模拟方法

裂变径迹退火动力学研究的实质是研究裂变径迹参数随温度和时间变化的规律,建立符合这些规律的退火模型,即裂变径迹参数随温度和时间变化的数学表达式。早期的研究者认为裂变径迹退火主要与温度和时间有关,并基于不同的等温退火实验建立了不同的磷灰石退火模型,主要有平行直线模型、扇形直线模型、平行曲线模型、扇形曲线模型、统计模型等[21～23],其中扇形模型引用最多,许多地质模拟方法都是基于扇形模型而提出的。然而这些模型都有一个致命的缺陷,即它们都是基于单一组分的磷灰石退火实验结果提出的,如Durango磷灰石或富氟的磷灰石,均假定同一地区的磷灰石具有相似的退火行为。如果将实验结果外推到地质时间尺度,则可能会产生很大的差异[24]。

实际上,磷灰石裂变径迹的退火是一个复杂的过程,除受温度和时间影响外,还受化学成分、晶体特性、D par(D par是指与结晶c轴平行的、与抛光面相交的裂变径迹蚀刻象长度[22,23])等多种参数的控制。Carlson等[21]对15种磷灰石进行了408次退火实验,研究表明Cl的含量和参数D par的大小是影响磷灰石裂变径迹退火的主要因素,且它们具有相同的效果。一般,D par越小或Cl的质量分数越小,则径迹退火速率越快。基于Carlson等的实验,

第24卷　第2期2005年 6月

地质科技情报

Geological Science and Technology Information

Vol124　No12

J un1　2005

①收稿日期:2004210229 编辑:黄秉艳

基金项目:国家自然科学基金资助项目(40072051);湖北省油气勘探开发理论与技术重点实验室基金资助项目。

作者简介:沈传波(1979—　),男,现正攻读能源地质工程专业博士学位,主要从事石油勘探构造分析方面的科研工作。

Ketcham等[23]建立了多组分退火模型,即先将同一样品各个磷灰石颗粒的径迹分成不同的组分,对每个组分采用扇形退火模型计算各自的平均径迹长度及其标准方差,再据此综合得出所有组分的径迹长度分布函数。这一方法扩展了扇形退火模型,使之适用于具有复杂化学动力学成分的磷灰石。其数学表达式为:

r lr=(r mr-r mr0

1-r mr0

)k(1)

式中:r lr、r mr分别为抵抗退火能力较弱与较强的磷灰石径迹退火后在c轴方向的投影长度;r mr0和k为待定常数,r mr0是当抗退火能力较弱的磷灰石径迹完全退火时,抗退火能力较强的磷灰石径迹在c轴方向的投影长度;r mr0和k有如下关系:

r mr0+k=1(2)

Ketcham等[25]根据15种磷灰石的实验数据,认为r mr0与w(Cl)、D par有如下拟合关系:

r mr0=1-exp[0.647(D par-1.75)-1.834](3) r mr0=1-exp2.107{1-abs[w(Cl)-1]} -1.834(4)

多组分退火模型代表了现今裂变径迹退火动力学研究的主流,目前主要用2种方法对磷灰石进行分类:①以Green等[26]为代表的、依据化学成分(主要是Cl的质量分数)对磷灰石进行的分类,采用正演模拟和利用蒙特卡罗随机取样的反演模拟方法模拟样品的时间—温度历史;②以Ketcham等[23]为代表的、用“动力学(kinetic)”来代替“化学成分(compo sitio n)”,并用参数D par对磷灰石颗粒进行动力学分类,采用多元动力学模拟方法,即按照D par的不同,将径迹分成几个具有不同动力学性质的成分,然后在地质条件的约束下通过A F TSolve模拟软件模拟样品的时间—温度历史[25]。这两种方法目前都被广泛使用,如Glasmacher等[27]利用基于参数D par的多组分退火模型,采用多元动力学模拟方法及A F TSolve模拟软件对捷克Barrandian地区上元古界到石炭系的20个样品中磷灰石的裂变径迹进行了热史模拟,得出了与前人(2期)不同的构造热演化信息(4期);Foster等[28]根据Green等的模型,研究了科迪勒拉造山带北缘变质核杂岩体中磷灰石裂变径迹记录的低温热年代剥露历史

。

在实际计算中,基于裂变径迹数据的时间—温度历史模拟可分为3步(图1)[29]:①给定若干时间—温度历史的约束条件,设置大量(如10000个)时间—温度曲线;②根据实验退火模型,通过正演求出径迹长度、年龄的模拟值;③将模拟结果与实测的

图1　根据裂变径迹数据模拟热史的示意图[29] Fig.1　Modelling of thermal history according to apatite

fission track data[29]

图中粗实线代表最佳的时间—温度演化曲线

径迹长度、年龄值进行对比,将对比结果分为可以接受的、好的2种情形,同时找出最佳的正演模型(时间—温度曲线)。我们在研究新疆博格达山的隆升时,基于锆石和磷灰石的裂变径迹数据对博格达山自中—新生代以来隆升的热演化史进行了模拟(图2),结果表明博格达山自150Ma以来,一直处于一个持续隆升的过程。以最佳热演化路线计算,若取平均地温梯度为30°C/km,则博格达山的隆升剥露历史大致可以分为5个时期:150Ma以来的初始隆升,冷却速率为0.19°C/Ma;106Ma以来的第2期隆升,冷却速率为0.40°C/Ma;74Ma以来的第3期隆升,冷却速率为0.59°C/Ma;42Ma以来的第4期隆升,冷却速率为0.037°C/Ma;10Ma以来的快速隆升剥露埋藏,冷却速率为5.94°C/Ma。

这2种模拟方法都有其合理的一面,但也有缺陷。Ravenhurst等[19]指出富Mn的氟磷灰石的退火

图2　新疆博格达山某样品的时间—温度历史模拟结果

Fig.2　Time2temperature history modeled for one sample

from Bogeda Mountain,Xinjiang

1.最佳热历史曲线;

2.较好的热历史范围;

3.可以接受的热历史范围

85 地质科技情报 2005年

速率与氯磷灰石相似。Donelick等[22]指出富稀土元素的氟磷灰石也具有与氯磷灰石类似的退火速率,这意味着仅根据Cl的质量分数并不能准确地预测退火速率。当磷灰石组分中含有大量羟基时, D par与退火速率的相关性会变得不确定,且基于D par 的多元动力学成分模拟方法还会给裂变径迹年龄的直接解释带来困难[9]。因此这2种方法都只利用了磷灰石退火行为某一方面的特征,而对磷灰石裂变径迹退火的物理过程及其机理还不清楚。因此,不管采用何种模型,应用时都应与研究区的具体地质情况相结合。

2　新的应用领域

2.1造山带及其剥露历史分析

造山带是当代固体地球科学研究的前沿领域,其研究的关键问题是造山带隆升剥露过程及其机制[30]。2004年8月在意大利召开的第32届国际地质大会的一个重要主题就是“Exhumation of Oro2 genic Belt s(造山带剥露)”。裂变径迹技术是解决这一问题最有效的低温热年代学手段。杨巍然等[30]、王国灿[31]、王军[32]、吴堑虹[10]先后对其应用的基本原理、方法及一些相关的问题作了有益的探讨。目前造山带磷灰石裂变径迹热年代学研究的热点地区,国外主要集中在阿尔卑斯、阿尔泰、科迪勒拉、安第斯、比利牛斯等造山带[12～14,30];国内主要集中在青藏高原及其邻近的天山、秦岭-大别、昆仑山、龙门山等造山带[34～37]。笔者利用磷灰石裂变径迹技术对博格达造山带的隆升过程进行了研究,并取得了较好的效果,裂变径迹年龄记录了博格达山44Ma以来的隆升过程,支持了王宗秀①的研究结果。所测的磷灰石裂变径迹年龄与高程具有正相关性(图3),隆升速率为38.5m/Ma,与利用锆石-磷灰石矿物对法计算的平均隆升速率(38.4m/Ma)一致。区域整体隆升过程中裂变径迹年龄通常与高程呈正相关关系,即当区域等温面保持水平时,热年代越老就越先通过等封闭温度面而出露在地形高处。这种正相关性反映了博格达山自44Ma以来,一直处于一个持续隆升的过程,这与前述的时间-温度历史的模拟结果一致。所不同的是磷灰石裂变径迹年龄只能反映低温隆升剥露过程(新生代),前述的时间—温度历史模拟是基于锆石和磷灰石裂变径迹数据建立的,所获得的隆升剥露过程更加完整(中—新生代)。

需要指出的是,这些研究都有一个共同的特点,即都是基于造山带自身的岩石记录而展开的,

不可

图3　新疆博格达山磷灰石裂变径迹年龄—高程图Fig.3　Apatite fission track age2elevation plot of Bogeda Mountain,Xinjiang

能完全精确地恢复造山带,特别是造山后的剥露历史。在造山作用过程中,山体的抬升与盆地的沉积密不可分,是一个耦合过程。造山过程中的剥露作用使得最浅部(表层)的岩石被剥蚀搬运到与造山带相邻的盆地中沉积,这一部分沉积物记录了丰富的源区(造山带)后期抬升剥露的信息。山体抬升、冷却研究与盆地沉积研究相结合,将为区域构造作用过程的研究提供丰富的信息,使人们对造山作用过程有一个更全面的理解。热年代学方法正是连接山体抬升、剥露与盆地沉积研究的有效手段,因此利用沉积盆地的碎屑岩裂变径迹热年代学的方法来研究物源区大规模的造山后剥露历史是当前裂变径迹分析领域的一个重要研究方向。第32届国际地质大会有一个重要的议题就是“Detrital Thermochronol2 ogy:The Sedimentary Record of Orogenesis(碎屑颗粒热年代学:造山带的沉积记录)”。国外的研究集中在阿尔卑斯造山带周围的一些前陆盆地(磨拉石盆地)[38,39]。国内关于这方面的研究才刚开始,王国灿[40]对其基本原理、应用方法及相关问题进行了论述,郑德文等[41]通过临夏盆地碎屑颗粒裂变径迹记录探讨了青藏高原北缘新生代晚期的构造变形时序。

2.2热构造剥蚀成像与地形演变分析

地表各种裂变径迹模式主要由数百万年来地表剥蚀的差异性所决定,因此根据地表大量的裂变径迹数据可以进行地形演变历史的分析。由澳大利亚

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第2期 沈传波等:磷灰石裂变径迹热年代学研究的进展与展望

①王宗秀.博格达山链造山活动与山体形成演化[D].中国地震局

地质研究所,2003.

墨尔本大学地球科学学院院长Gleadow 率领的裂变径迹研究集体[16,17]在对澳大利亚有关造山带进行多年裂变径迹研究的基础上,于1994年开始对澳大利亚进行了裂变径迹热构造剥蚀成像与地形演变的研究。该项研究的主要目的是将大量分散的、反映低温(<120°C )热历史的裂变径迹数据(约2750个,高质量的1700个)变成直观的、各个时间面的古温度和古高度二维图件(图4),以便于人们理解其地质意义。该项目具体包括以下几个方面的研究内容:①建立整个澳大利亚大陆的裂变径迹数据库;②根据裂变径迹数据进行热史模拟,由此得出各地质时期的古温度;③根据地温梯度和古温度资料,相应地求出各时期的地层剥蚀量;④根据现代地形高程数据和地层剥蚀量,在考虑均衡作用、气候、构造影响等因素的基础上,模拟研究区所经历的地形演变历史,这一模拟结果还可以通过地表剥蚀演化过程的正演模拟加以验证。相关的研究成果近年已相继发表[16,17],例如图4就揭示了50,80,120Ma 3个时间面整个澳大利亚大陆的地层剥蚀量及其地形演变过程[17]。这些研究为人们认识各种时间尺度(包括几亿年)的地壳作用和地形演变提供了全新的途径

。

图4　澳大利亚大陆的构造剥蚀热成像及其地形演变过程[17]

Fig.4　Thermotectonic 2denudation imaging and landscape evolution of Australian continent

2.3成矿作用研究

磷灰石裂变径迹热年代学方法应用于成矿作用研究是一个新的尝试,目前主要用于热液成矿。热液矿床的最大特点就是热液流体对成矿地质过程起主导作用,流体的含量与运移主要受热演化的控制。裂变径迹研究可以再现热活动历史,反映热液成矿作用的发生与发展,因此可以借助裂变径迹法予以研究。Arne [18]、Ravenhurst 等[19]、张峰等[42]、袁万明等[43]、汤云晖等[44]、Chakurian 等[20]先后用这一方法对不同地区矿床的成矿时代、成矿温度和成矿期次进行了研究。如张峰等[42]通过3个样品的裂变径迹年龄和10个颗粒的磷灰石自发裂变径迹长度及诱发的裂变径迹长度的测定(它们的长度为14.7～16.1μm ,年龄值为400～350Ma ),认为白云鄂博主矿的成矿年龄数据属于海西中晚期岩浆活动的产物,是改造后形成的。汤云晖等[44]通过峪耳崖金矿床含矿岩体中的锆石、磷灰石裂变径迹的分析,揭示了自中生代燕山期以来峪耳崖地区经历了频繁、多期次的热液活动,且与峪耳崖金矿床的形成密切相关。裂变径迹年龄数据显示金矿床的成矿时代主要为200～115Ma ,成矿下限为82Ma ,其中,190

～115Ma 是主要的成矿时期,并认为峪耳崖金矿床的形成与当时整个中国东部的动力学背景有关。这些研究结果均表明利用裂变径迹热年代学方法研究成矿作用是有效的。

笔者认为磷灰石裂变径迹热年代学方法用于成矿作用的研究,除了用于确定成矿时代、成矿温度和成矿期次外,还可以在成矿蚀变作用序次、矿床抬升与剥蚀、成矿热液演化史及矿床成因等方面发挥作用。但采集什么样的样品,其磷灰石裂变径迹记录才能真正反映成矿作用还有待进一步探索。

3　存在的问题

(1)裂变径迹退火模型的准确性和可靠性还有

待进一步提高。不同的化学成分可用来推断磷灰石退火动力学行为,但这种关系并不是直接的,磷灰石裂变径迹的退火速率与其化学成分呈复杂的函数关系,目前尚无公开发表的模型能可靠地将特定的化学成分变化与其动力学响应相联系,且目前各种退火模型都建立在对实验结果数理统计的基础上,模型中一些拟合参数尚无明确的物理意义,缺乏坚实

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地质科技情报

2005年

的物理基础[45]。另外仅依据模型预测结果与实验结果的拟合程度来评价磷灰石的退火过程是不够的,还要看它能否外推到地质时间尺度。

(2)裂变径迹数据的测试结果和应用间仍存在较大的差异,不具备好的可对比性。对比大别山现有的磷灰石裂变径迹年龄不难发现,国外不同实验室与测试者获得的结果相当一致,年龄数据介于100～40Ma间,这与国内实验室给出的数据(50～1,130～110Ma)相差甚远[46]。裂变径迹测试方法有总体法和外探测器法两种,测试数据包括裂变径迹年龄、单颗粒年龄及径迹长度等参数,能提供单颗粒年龄直方图、封闭径迹直方图、样品雷达图和自发径迹密度2诱发径迹密度关系图等。其中裂变径迹年龄的表示有3种:中值年龄(cent ral age)、总体年龄(pooled age)和平均年龄(mean age)。目前国际上通常用中值年龄,但当单颗粒年龄中出现0.0时,一般用总体年龄;当实测径迹不服从泊松分布(即样品的年龄未能通过χ2检验)时,往往用平均年龄。具体应用时,国内大多数研究者往往仅局限于径迹年龄这一参数。应用的年龄数据有表观年龄统计值①、单颗粒年龄统计值[42]、校正径迹年龄[43]、较老径迹年龄加权平均值[34]等,且未明示应用的是中值年龄还是总体年龄或是平均年龄,从而造成径迹年龄应用上的差异。径迹长度是矿物受热史的最根本反映,蕴含着受热史的细节,是径迹年龄分析的前提条件,因为在很多情况下,如果没有分析径迹长度,则裂变径迹年龄本身不具有实际意义[47]。国外研究者非常重视径迹长度的分析,而国内大多数研究者往往没有进行径迹长度的分析。一般裂变径迹分析提供的相关图件也是裂变径迹数据解释及应用的基础,也应受到重视和加强。

(3)裂变径迹热年代学虽然在许多方面的应用中已表现出蓬勃的生机,但也存在着许多的局限性。如对于单一的热史环境,裂变径迹分析及其热史反演很有效,但对于具有复杂热史的叠合盆地,后期高温信息往往会掩盖前期较低温的信息,此时必须结合实际地质情况和其它方法才能可靠地进行热史的恢复。又如,在计算造山带的隆升速率时也存在一些局限性[30],磷灰石裂变径迹只能指示低温或中低温,因此很难建立起热演化的完整模式。

4　展　望

磷灰石裂变径迹热年代学研究将会朝着以下4个方面发展。

(1)加强裂变径迹形成及其退火动力学机制的研究,建立更合乎实际的退火模型。特别应加强不同成分、不同结构的磷灰石裂变径迹退火实验研究,探讨其退火机理,建立退火影响因素与其响应的动力学关系,扩大实验结果的适用范围,尤其是外推到地质时间尺度。

(2)建立裂变径迹数据解释及应用的标准,增强研究成果的可对比性。就测年规范性而言[46],外探测器法适合于沉积岩、变质岩与火成岩,正式数据应包括裂变径迹年龄、泊松(χ2)检验值、单颗粒年龄及径迹长度;总体法多适用于火成岩,且要求统计的颗粒数≥100,统计的径迹数≥1000,还应给出中子通量标定结果。因此,今后各实验室(尤其是国内实验室)在进行磷灰石裂变径迹分析时应更具规范性、可比性与一致性,以提高数据的可信度。

(3)与其它同位素定年技术如U2Pb法、Rb2Sr 法、K2Ar法、Ar2Ar法、(U2Th)2He法等相结合,根据不同的封闭温度,重建浅-中地壳在40～700°C 间的热演化历史[48](图5),从而建立起地壳最表层与构造(抬升、剥蚀)有关的热演化的完整模式,并进一步扩大应用领域。有可能和包裹体测温技术一样,由最开始用于成矿作用研究逐渐发展成为油气成藏作用研究的有效方法,包括油气成藏时间、期次、保存条件及成藏改造等方面的研究。无论应用于哪一领域,其关键的问题是如何采集合适的样品,如何结合地质条件进行合理的分析,这些都需要今后深入的探索

。

图5　同位素定年体系封闭温度图

(据文献[48]修改)

Fig.5　Closure temperature in cooling geochronological

and petrological system

(4)开发相关软件和自动化技术,使裂变径迹分析测试具有可操作性。近年来,各个国家的裂变径迹实验室都开展了专门用于裂变径迹分析的相应软件的开发,如径迹长度和密度自动统计系统F T2 STAge[27]、多元动力学模拟系统A F TSolve[26]等。

总之,裂变径迹热年代学的研究会朝着深层次

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第2期 沈传波等:磷灰石裂变径迹热年代学研究的进展与展望

退火机理、新的应用领域、自动化技术和可操作性方向发展。

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Advances and Prospects of Apatite Fission T rack Thermochronology

SH EN Chuan 2bo a ,M EI Lian 2f u b ,FAN Yuan 2fang a ,TAN G Ji 2guang a

(a.Grad uate S chool ;b.Facult y of Eart h Resources ,

Chi na U ni versit y of Geosciences ,W uhan 430074,Chi na )

Abstract :In recent years a lot of apatite fission t rack t hermochronology researches have been made in dif 2ferent areas.The paper int roduces some new advances of apatite fission t rack t hermochronology ,including t he mechanism of apatite fission t rack annealing ,annealing model and modeling met hods ,and it s latest ap 2plications to exhumation of orogenic belt s ,t hermotectonic 2denudation imaging ,landscape evolution and mineralization.And t he existence main problems of annealing kinetics ,data interpreting and application of apatite fission t rack t hermochronology were analyzed.At last ,t he aut hors indicate t hat deep 2seated annea 2ling mechanisms ,new application field ,automatic technology and maneuverability are some new orienta 2tions of apatite fission t rack t hermochronology researches.

K ey w ords :fission t rack ;orogenic belt ;t hermochronology ;apatite

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6第2期 沈传波等:磷灰石裂变径迹热年代学研究的进展与展望