魯西隆起蒙山晚白堊世-新生代抬升的裂變徑跡證據(jù)*

唐智博，李 理，時秀朋，胡秋媛，宮紅波，王清華

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球資源與信息學(xué)院，山東 東營257061；2.勝利油田分公司物探研究院，山東 東營257022；3.勝利油田分公司河口采油廠，山東 東營257000)

自20世紀60年代裂變徑跡測年方法已開始應(yīng)用到地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域， 20世紀80年代中期以來，測試技術(shù)以及在構(gòu)造地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域的研究應(yīng)用日趨完善[1-9]。

近年來，利用裂變徑跡測年方法對伸展山體的隆升進行研究的工作也逐漸在華北克拉通東部展開，并且取得了一些研究成果[10-13]。已有的研究表明，魯西隆起北部泰山62 Ma開始整體抬升，而南部蒙山的抬升僅限于3個樣品，導(dǎo)致魯西隆一系列半地塹的構(gòu)造演化序列有待于進一步的研究。本文運用裂變徑跡測年方法，對系統(tǒng)采自蒙山的6個不同高程的巖石樣品進行分析，并對裂變徑跡數(shù)據(jù)進行時間-溫度熱史的模擬，試圖提取系統(tǒng)的蒙山隆升演化信息，對比蒙山抬升與北部泰山抬升的關(guān)系，為進一步揭示魯西隆起不同伸展斷塊的演化關(guān)系提供時間框架，對濟陽坳陷的伸展構(gòu)造研究也有一定的意義。

1 地質(zhì)背景及樣品采集

魯西隆起位于華北克拉通東部，東以郯廬斷裂帶山東段沂沭斷裂濰坊-臨沂一線為界，西以蘭考-聊城斷層(蘭聊斷層)為界，北抵齊河-廣饒斷層(齊廣斷層)，南達豐縣-沛縣斷層(豐沛斷層)(圖1)。魯西隆起主要出露早前寒武紀侵入巖和變質(zhì)雜巖，包括太古宇泰山巖群、TTG巖系和古元古代造山花崗巖。古生代，魯西隆起整體表現(xiàn)為升降運動。印支運動以后，魯西隆起在NW-SE向擠壓作用下，形成一系列NW或EW向張性斷裂，如齊廣斷層、泰山-銅冶店斷層、新泰-垛莊斷層和蒙山斷層等一些南傾斷層。晚侏羅世-早白堊世，古太平洋板塊向NNW方向的俯沖消減，魯西隆起受到SN方向的拉伸作用，沿著早期形成的斷裂，地層掀斜形成弧形斷陷盆地，如泰萊凹陷，蒙陰凹陷和平邑凹陷等。到新生代古新世，受印歐板塊的碰撞、太平洋板塊的俯沖和郯廬斷裂左旋走滑運動的影響，魯西隆起開始快速抬升，在NWW向拉伸應(yīng)力作用下，斷陷盆地繼續(xù)發(fā)育。總體來說，中、新生代，構(gòu)造運動強烈，隆起區(qū)的山脈表現(xiàn)為大幅度的隆升，山脈間的弧形凹陷則表現(xiàn)為差異沉降。

圖1 魯西隆起構(gòu)造簡圖和蒙山地區(qū)地質(zhì)簡圖及樣品位置

蒙山位于山東省中部，位于東經(jīng)117°35′-118°20′和北緯35°10′-38°之間，跨平邑、蒙陰、費縣和沂南4縣，北西走向，綿亙75 km，總面積1 125 km2，蒙山最高峰海拔達1 150 m。剖面上呈單斜山，平面上呈向北凸出的弧形，蒙山山脈南界為斷層面SW傾的蒙山斷層，傾角50°～60°，斷層沿NW300° 方向沿伸，與其南側(cè)的平邑凹陷呈斷面接觸，北界為較緩的斜坡，與北側(cè)的凹陷呈超覆接觸。斷層上盤發(fā)育古生界寒武系、奧陶系，及中生界和新生界古近系，其中中生界包括下-中侏羅統(tǒng)坊子組、中-上侏羅統(tǒng)三臺組、下白堊統(tǒng)蒙陰組和西洼組和上白堊統(tǒng)固城組和卞橋組底部，古近系包括卞橋組、常路組和朱家溝組，下盤為太古宇。研究區(qū)發(fā)育多期巖漿侵入，侵入巖呈NW向展布，晚太古代泰山期侵入巖主要有片麻狀英云閃長巖和片麻狀花崗閃長巖，早元古代傲徠山期侵入巖主要有中粗粒二長花崗巖，中生代燕山期侵入巖主要有花崗斑巖和正長斑巖。蒙山山體結(jié)構(gòu)為泰山群變質(zhì)巖系，核心部分為混合花崗巖。使用GPS儀器進行位置及高程定位，從980～590 m自上而下，由南西向北東，共采集6個高程不同、重約1～2 kg的樣品，巖性為中粗粒二長花崗巖，取樣點如圖1。

2 裂變徑跡測試結(jié)果分析

測試礦物為磷灰石和鋯石，采用外探測器法[2]。本文獲得磷灰石和鋯石的Zeta常數(shù)分別為389.4± 19.2和85.4± 4。裂變徑跡測試結(jié)果見表1。裂變徑跡分析中單顆粒年齡的χ2檢驗值P(χ2)大于5%，表明樣品單顆粒徑跡年齡的差別屬于統(tǒng)計誤差，具有單一的年齡平均值，樣品顆粒徑跡年齡可以視為同組年齡，即裂變徑跡計年體系啟動是單一成因的，表示樣品經(jīng)過了單一的冷卻過程，除MS-3樣品外都通過了檢驗;P(χ2)小于5%，表明所測單顆粒年齡屬于不同年齡組[3]。

表1 蒙山磷灰石、鋯石裂變徑跡數(shù)據(jù)1)

1)：檢驗概率P>5%時，年齡值采用池年齡; 檢驗概率P<5%時，采用中值年齡；表中括號內(nèi)數(shù)字均為徑跡條數(shù)。

磷灰石裂變徑跡年齡分布范圍在(5.8±0.8) ～(64±5)Ma之間(除特別說明外，其標準偏差均為1σ)年齡分布不連續(xù)，大致分為64 ～47 Ma，5.8 Ma兩組。樣品MS-4、MS-5、MS-7和MS-8平均圍限裂變徑跡長度(MTL)為13.4～14.0 μm，標準偏差(SD)為1.8～2.1 μm，裂變徑跡長度均小于原始徑跡長度(16.3±0.9 μm)，但仍然較長，而且所有樣品的視年齡都遠遠小于其原巖-摩天嶺中粗粒二長花崗巖生成年齡(約2 219 Ma)[14]，由此判斷山體的隆升導(dǎo)致巖石樣品經(jīng)歷過退火。徑跡長度分布直方圖(圖1)顯示所選樣品屬于單峰型[1]，表明樣品并沒有經(jīng)歷過復(fù)雜的熱歷史，可能一直處于單調(diào)冷卻的過程中。

磷灰石的裂變徑跡年齡和平均徑跡長度關(guān)系可以判斷樣品是否經(jīng)歷了不同程度的冷卻歷史[4,6-7]。本文裂變徑跡數(shù)據(jù)長度-年齡圖呈凹面向上的boomerang圖形[4]或香蕉圖[8](圖2)，64～5.8 Ma間隨年齡的下降徑跡長度在約47 Ma左右出現(xiàn)了一次波動，由于47 Ma的樣品平均長度14.0±1.8 μm與64 Ma的樣品平均長度13.6±1.9 μm相差不大，因此認為64～47 Ma期間屬于同一抬升期，5.8 Ma屬于另一期抬升。

3 熱史模擬

運用隨機模擬方法可以限定裂變徑跡的熱史特征。模擬方法選用Laslett等[5]的裂變徑跡封閉扇形模型。在一定的時間和溫度范圍內(nèi)，采用隨機的方法預(yù)測熱史過程中裂變徑跡的年齡和長度分布。長度分布擬合采用的是Kolmogorov-Smirnov (K-S)檢驗[15-17]，K-S表示徑跡長度模擬值與實測值的吻合程度，年齡采用95%±的置信度限制，模擬過程重復(fù)10 000次，用以尋找與所測裂變徑跡參數(shù)擬合得較好的熱史。選取年齡和長度的統(tǒng)計最小值來評價模擬的結(jié)果[17]，當(dāng)最小值大于0.05時，且所有的置信檢測統(tǒng)計超過95%，模擬被稱為可接受，當(dāng)在統(tǒng)計范圍內(nèi)最小值大于0.5時，該模擬被稱為高質(zhì)量的。

圖2 蒙山磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)的徑跡長度(±1σ)-年齡(±1σ)和標準差-年齡(±1σ)圖解

考慮區(qū)域構(gòu)造發(fā)展史，根據(jù)已有的數(shù)據(jù)，蒙山裂變徑跡的封閉年齡小于65 Ma。因此，熱史開始的參數(shù)選為接近該年齡，溫度為高溫(65±20 Ma，110±20 ℃)。待定的路徑由時間-溫度框的隨機點所限制，再將這些點用直線連接起來。這些線段可以是直線，也可以斷成折線，以滿足路徑中的最大變化或“干擾”。這樣做并非給裂變徑跡資料額外增加一些細節(jié)，而是充分考慮到熱史的復(fù)雜性[18]。隨后又對時間20±10 Ma和溫度60±20 ℃范圍進行了約束，用其中隨機選取的點來重建熱史。每個樣品模擬時，模擬結(jié)果的長度擬合度(K-S檢驗)和年齡擬合度都遠大于0.5，表明模擬結(jié)果是可靠和可信的。圖3a顯示蒙山巖體樣品的模擬結(jié)果整體呈階梯狀，并且樣品首次進入磷灰石部分退火帶底部(110±10 ℃)的時間約70～58 Ma，冷卻轉(zhuǎn)折的節(jié)點分別出現(xiàn)在70～45和32～23 Ma。

模擬結(jié)果分析如下：① MS-4模擬表明蒙山約70 Ma開始進入退火帶，蒙山開始快速抬升，至58 Ma抬升穩(wěn)定，約32 Ma又有一次快速抬升(圖3a1)；② MS-5模擬表明約59 Ma開始進入退火帶，大約59～45 Ma為快速抬升階段，約27 Ma又有一次快速抬升(圖3a2)；③MS-7模擬表明蒙山大約67 Ma進入退火帶，開始快速抬升，67～49 Ma為快速抬升階段，大約29Ma又有一次快速抬升(圖3a3)；④MS-8模擬表明蒙山有兩期快速抬升，一次是43 Ma左右，另一次是24 Ma左右(圖3a4)?？傮w上，從模擬分析可以看出，蒙山自晚白堊世開始抬升，有兩期快速抬升：一期是在70～43 Ma，第二期在32～20 Ma。

磷灰石中的徑跡分布通常表現(xiàn)出不同的長、短徑跡組合。較長的徑跡對應(yīng)較年輕的年齡組分，較短的徑跡則可能與較早期的冷卻事件相關(guān)聯(lián)[1]。利用TASC程序編制的徑跡長度年齡譜圖[19]，其優(yōu)勢在于其保留了所有來自長度直方圖的原始熱歷史信息，且經(jīng)過長度校正后年齡分布譜線能夠更容易地揭示出冷卻事件的時限，長度年齡譜曲線的轉(zhuǎn)折點就反映冷卻變動的事件。長度年齡譜(圖3b)指示出早期冷卻啟動的年齡約在80～57 Ma，隨后，70～40 Ma樣品記錄了冷卻事件的發(fā)生時間，同時，MS-4樣品揭示了最近一期冷卻事件約發(fā)生在22 Ma左右(圖3b1)。

圖3 蒙山磷灰石裂變徑跡t-T熱史反演模擬(圖a據(jù)文獻[5]和徑跡長度年齡譜圖[圖b據(jù)文獻[9])

魯西隆起區(qū)的地溫梯度采用36 ℃/km[20]，依據(jù)熱史模擬的結(jié)果，晚白堊世-中始新世，蒙山巖體由于山體抬升冷卻了35～45 ℃，抬升大約1 000～1 200 m，快速抬升對應(yīng)的時間范圍大約15～20 Ma，平均抬升速率大約0.05～0.08 mm/a。漸新世—早中新世，巖體冷卻25～40 ℃，蒙山抬升大約700～1 100 m，快速抬升對應(yīng)的時間范圍大約5 Ma左右，平均抬升速率大約0.14～0.2 mm/a。表2是利用外推法計算的蒙山抬升速率[21]，磷灰石的封閉溫度為110 ℃[22]，地表年平均溫度為14 ℃[20]，可以看出，抬升速率分為2個階段。64～47 Ma為相對慢速階段，5.8 Ma抬升速率升至最大。鋯石的封閉溫度為230± 25 ℃[22]，地溫梯度和地表年平均地溫同前文，計算得出蒙山294 Ma時的抬升速率為0.02 mm/a。外推法計算的抬升速率與依據(jù)模擬結(jié)果計算的抬升速率數(shù)值上比較相近，因此，模擬結(jié)果是比較可靠的。

表2 蒙山抬升速率表

綜上所述，蒙山經(jīng)歷了前新生代的緩慢抬升和晚白堊世以來的快速抬升過程。晚白堊世以來蒙山經(jīng)歷了兩期快速抬升，并且蒙山山體的抬升是一個逐漸加速的過程。

4 討論和結(jié)論

本文應(yīng)用裂變徑跡測年方法和熱史模擬方法，揭示出蒙山晚白堊世以來的兩期快速抬升：70～43 Ma和32～20 Ma，其平均抬升速率分別為0.05～0.08 mm/a和0.14～0.2 mm/a，由此可見，晚白堊世以來蒙山表現(xiàn)出加速抬升的特征。

從時間框架上，新生代蒙山的快速抬升與其毗鄰的泰山有著較好的對應(yīng)關(guān)系。泰山的抬升時期分別為62～53、44～37和23～20 Ma[11]，而蒙山的分別為70～43 Ma和32～20 Ma。由此可見，晚白堊世以來，蒙山的整體抬升略早于泰山。從沉積上，蒙山斷層控制的平邑凹陷沉積了晚白堊世固城組磚紅色泥巖，而其北部汶泗斷層控制的蒙陰凹陷以及泰山-銅冶店斷層控制的萊蕪凹陷缺乏晚白堊世沉積，沉積的是古近紀巨厚的常路組砂礫巖[23-25]?？梢酝茢?，蒙山斷層在晚白堊世開始活動，其北部的汶泗斷層和泰山-銅冶店斷層于古新世中期開始活動。也就是說，晚白堊世以來魯西隆起具有由南向北的抬升序列，這為構(gòu)造物理模擬方法得出的控凹斷裂的演化規(guī)律提供了時間依據(jù)[26]。

毗鄰魯西隆起的濟陽坳陷在孔店組-沙四段沉積期間(65～43 Ma)為快速的構(gòu)造沉降階段，構(gòu)造沉降量最大可達2 000 m[27-28]，這個時期的快速沉降大致對應(yīng)魯西隆起晚白堊世—中始新世(70～43 Ma)的快速抬升。濟陽坳陷的沉降特征分析結(jié)果表明，新生代以來，斷陷期東營凹陷拉張量最大，惠民凹陷次之，車鎮(zhèn)凹陷最小，最大沉降中心由南西向北東逐漸遷移[29]。70～43 Ma期間魯西隆起的整體快速隆升與濟陽坳陷大幅度沉降有著成因上的聯(lián)系，并且濟陽坳陷的沉降中心由西南向東北的遷移和油氣分布由南向北的遷移與魯西隆起由南向北的抬升序列具有一致性。蒙山發(fā)生在32～20 Ma的快速抬升事件和泰山發(fā)生在23～20Ma的抬升事件，很好地對應(yīng)了濟陽坳陷東營凹陷在30～20 Ma比較明顯的冷卻過程，如東營組末期凹陷遭受抬升剝蝕，剝蝕厚度約200 m[30]，說明新生代蒙山的抬升具有區(qū)域性。綜上所述，蒙山和泰山的抬升有著較好的對應(yīng)關(guān)系，并且與鄰區(qū)坳陷的沉降有著較好的耦合關(guān)系，

魯西隆起和濟陽坳陷是中國華北克拉通東部兩個重要的次級構(gòu)造單元，上述隆-坳關(guān)系在深部應(yīng)該受控于巖石圈動力學(xué)機制，而西太平洋板塊相對于歐亞板塊的聚斂作用可能是一種重要的因素。西太平洋板塊晚白堊世以來的聚斂速率有幾個變化時期：①晚白堊世最高，為120-140 mm/a；到新生代迅速下降，至始新世(55.8～33.9 Ma)降至最小，聚斂速率為30～40 mm/a；②漸新世到中新世初期(33.9～20.4 Ma)板塊聚斂速率開始回升至70-95 mm/a；中新世早-中期(20.4～11.6Ma)板塊聚斂速率再次下降為65-70 mm/a，③晚中新世以來又升至100-110 mm/a[31]?？梢钥闯觯窖蟀鍓K相對于歐亞板塊聚斂速率減小的兩個時期大致對應(yīng)蒙山乃至魯西隆起的快速抬升和濟陽坳陷的快速沉降，因此，兩大板塊晚白堊世以來的聚斂速率變化是蒙山抬升和隆-坳耦合關(guān)系存在的深部背景。

致謝：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)袁萬明先生完成樣品的裂變徑跡測試，并且對裂變徑跡年代學(xué)的分析提出了建設(shè)性的意見，在此一并表示感謝。

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