相山鈾礦田成礦后隆升剝露的磷灰石裂變徑跡分析

張萬良

（核工業(yè)270研究所，江西 南昌縣 330200）

0 引言

相山鈾礦田是地質(zhì)作用的歷史產(chǎn)物，礦床形成后經(jīng)歷了新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造［1］和各種后生變化，包括礦床的空間位置和所在環(huán)境的變化、埋深的變化、礦體形態(tài)產(chǎn)狀的變化等，就象翟裕生［2］指出的，一些礦床可能經(jīng)強(qiáng)烈剝蝕而消失，一些礦床則有幸被保存下來。礦床形成后的隆升和剝露狀態(tài)，是礦床預(yù)測和深部資源潛力評價(jià)必須考慮的重要因素。

美國學(xué)者C.W.Naeser最早用裂變徑跡方法研究構(gòu)造抬升并重建沉積盆地?zé)釟v史［3］。近年來，國內(nèi)的應(yīng)用研究實(shí)例不斷增多［4－10］，紀(jì)友良等利用磷灰石裂變徑跡法，結(jié)合地震速度法、鏡質(zhì)組反射法、聲法時(shí)差法、地質(zhì)外推法，推算了渤海灣地區(qū)中生界三疊系、侏羅系、白堊系的剝蝕量，恢復(fù)了其原始地層厚度［11］；劉武生等通過對鄂爾多斯盆地磷灰石裂變徑跡資料深入分析與反演模擬得出，晚侏羅世—晚白堊世早期（160～90 Ma）盆地具東升西降的特點(diǎn)，東部以約25 m/Ma的速率隆升，造成1 500～ 2 000 m的剝蝕量；晚白堊世末至始新世早期（90～23 Ma），盆地具整體隆升特點(diǎn)，盆地南部和西部隆升幅度達(dá)1 500～2 000 m，盆地東部表現(xiàn)為彈性回返，隆升緩慢，幅度小于500 m；中新世早期以來（23 Ma至今），全盆快速隆升，周邊隆升速率達(dá)45～108 m/Ma，造成1 000～2 500 m的剝蝕量［12］。

利用磷灰石裂變徑跡恢復(fù)目標(biāo)地層體經(jīng)受的古溫度狀況和構(gòu)造抬升引起的地層剝蝕量是建立在磷灰石所含的238U自發(fā)裂變產(chǎn)生的徑變在地質(zhì)歷史時(shí)間內(nèi)受溫度作用而發(fā)生退火行為這一化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理基礎(chǔ)之上的，依據(jù)裂變徑跡年齡、裂變徑跡平均長度及裂變徑跡長度分布特征等參量就可以確定樣品所在層位所經(jīng)歷的熱史演化過程和溫度變化規(guī)律，從而求出最大埋深與最小埋深的古地溫，最終推算剝蝕厚度。

相山礦田碎斑熔巖為火山侵出相巖石，面積212 km2，占相山火山－侵入雜巖面積的70％，是相山礦田的主要含礦圍巖，單顆粒鋯石U-Pb年齡140.3 Ma［13］，，熔巖中磷灰石常見，其粒徑為0.0n～0.nmm。

相山碎斑熔巖巖石相對堅(jiān)硬、致密，與其圍巖如變質(zhì)巖相比，抗蝕能力較強(qiáng)，因而形成了中央高、四周漸低的正地形地貌，相山主峰海拔1 219 m，四周海拔200～400 m。相山礦田現(xiàn)今地貌以典型的低山侵蝕區(qū)為特征，侵蝕區(qū)的分布規(guī)律清楚地表明相山礦田目前仍處于地表侵蝕階段（圖1）。通過統(tǒng)計(jì)分析，區(qū)內(nèi)地貌面和侵蝕區(qū)大體有：山頂面800～1 200 m，殘余侵蝕面（階狀臺(tái)地）500～600 m，主侵蝕區(qū)500～200 m，現(xiàn)代堆積面100～200 m。相山東西、南北兩側(cè)存在明顯的地貌差異，東側(cè)和南側(cè)坡度大，殘余侵蝕面雖然存在但不甚清晰，高度較北側(cè)和西側(cè)相對較低；北側(cè)和西側(cè)則明顯地存在500～600 m的殘余侵蝕面。

圖1 相山地形剖面圖Fig.1 Xiangshan geomorphic section（上圖NW-SE向，下圖SW-NE向）

圖2 相山火山－侵入雜巖略圖Fig.2 Geological sketch of Xiangshan volcanic intrusive complex

1 取樣及試驗(yàn)

在野外調(diào)查地形地貌特征、河流階梯、第四系分布特征的基礎(chǔ)上，考慮到礦田不同部位隆升的差異性，分別在相山礦田的東、西、南、北、中進(jìn)行碎斑熔巖中的磷灰石采樣（圖2）。采樣時(shí)以地質(zhì)觀察研究為基礎(chǔ)，確保樣品空間分布的代表性和質(zhì)量，碎斑熔巖樣品的風(fēng)化程度盡可能一致。

樣品送中國地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，測定磷灰石的輻射后標(biāo)準(zhǔn)玻璃外探測器的徑跡密度、礦物中238U的自發(fā)裂變徑跡密度、礦物中235U誘發(fā)裂變徑跡密度等參數(shù)。

2 分析結(jié)果

磷灰石裂變徑跡分析樣品采自相山碎斑熔巖不同部位和標(biāo)高，海拔最高的樣品（XS-07-13）位于相山峰頂附近，海拔高程1 217 m；最低的樣品（XS-07-12）位于相山西部，與紅層蓋層毗鄰，海拔高程114 m；XS-07-11樣品位于鄒家山礦床范圍內(nèi)，U含量較高。7個(gè)樣品的磷灰石裂變徑跡平均長度（12.04±0.18）～（11.45±0.13）μm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.81～1.23μm，中心年齡最大值為（78.7± 7.1）Ma，最小為（34.5±4.1）Ma（表1），用高程加權(quán)的平均年齡為61.1 Ma。

裂變徑跡年齡為表觀年齡，不是該礦物形成的地質(zhì)年齡。所有樣品表觀年齡遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樣品所處的地層（巖體）的實(shí)際年齡（140.3 Ma），說明這些樣品均經(jīng)歷一次退火作用，反映了碎斑熔巖在61.1 Ma以來遭受了不同程度的剝蝕作用。裂變徑跡年齡與樣品高程之間具有一定的正相關(guān)趨勢（圖3a），顯示研究區(qū)經(jīng)歷了比較有規(guī)律的構(gòu)造歷史或冷卻歷史，即61.1 Ma之前高程變化不大，現(xiàn)代高程差異是61.1 Ma后形成的。

表1 相山碎斑熔巖裂變徑跡數(shù)據(jù)表Table 1 Fission track analytic results of apatite from Xiangshan porphyroclastic lava

圖3 磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系圖Fig.3 Plot showing fission track data of apatite and their correlation

從磷灰石裂變徑跡長度標(biāo)準(zhǔn)差與平均長度關(guān)系圖（圖3b）可見，總體上平均徑跡長度越大，其標(biāo)準(zhǔn)差有增大的趨勢，表明這些樣品的構(gòu)造熱歷史是大致相似的。但位于相山北部（XS-07-3）和相山南部（XS-07-6）樣品徑跡長度標(biāo)準(zhǔn)差略大，推測這些樣品可能具有相對復(fù)雜的構(gòu)造熱歷史，樣品附近花崗斑巖穿插頻繁是影響因素之一。

磷灰石裂變徑跡年齡與平均徑跡長度的相關(guān)關(guān)系不很明顯（圖3c），反映了78.7～34.5 Ma期間未受到明顯的退火作用或加熱事件。

圖4 磷灰石封閉徑跡長度分布直方圖Fig.4 Distribution histograms of the closed fission track length of apatite橫坐標(biāo)為長度（μm），縱坐標(biāo)為頻數(shù)（條）

樣品高程與徑跡長度有一定相關(guān)關(guān)系（圖3d）：高程較高者，平均徑跡長度較大，且變化不大；高程較低者，平均徑跡長度較小且變化較大，反映了其較為復(fù)雜的構(gòu)造演化及熱歷史。

不同樣品的徑跡平均長度變化較小，為11.45～12.04μm，長度分布直方圖具有單峰特征（圖4）。除XS-07-3和XS-07-6樣品直方圖略顯寬外，其余均較窄，長度標(biāo)準(zhǔn)差介于1.23～1.81μm之間。具有類似長度分布特征的樣品，如樣品XS-07-9，XS-07-11，XS-07-12，XS-07-13，XS-07-14，它們所經(jīng)歷的地質(zhì)熱歷史或冷卻史相類似。

3 碎斑熔巖的熱歷史和隆升過程

根據(jù)不同礦物的封閉年齡、封閉溫度與地溫梯度，通過熱年代學(xué)方法，能較好地定量分析相山火山侵入雜巖的熱歷史和隆升過程。已有充分的實(shí)驗(yàn)資料表明，不同礦物的不同記年系統(tǒng)具有不同的封閉溫度。如鋯石U-Pb法年齡的封閉溫度為（700± 50）℃［14］，黑云母的K-Ar法年齡封閉溫度為（300± 50）℃［15］，鉀長石的K-Ar法年齡封閉溫度為（160± 30）℃，磷灰石裂變徑跡法記年系統(tǒng)的封閉溫度為（100±25）℃［16］。

碎斑熔巖在140.3 Ma時(shí)（鋯石U-Pb年齡），其溫度約700℃，在61.1 Ma時(shí)（磷灰石裂變徑跡年齡），變?yōu)?00℃左右，即在140.3～61.1 Ma之間，碎斑熔巖的溫度下降了600℃，冷卻速率達(dá)7.6℃/Ma。這是一段快速冷卻的時(shí)代。

從61.1 Ma至現(xiàn)代，溫度下降了約75℃，冷卻速率為1.2℃/Ma。這是一段較緩慢的冷卻時(shí)代。

假設(shè)古地溫梯度與現(xiàn)今地殼平均地溫梯度相近，約為30℃/km。在利用磷灰石FT年齡計(jì)算隆升速率時(shí)，采用傳統(tǒng)徑跡年齡——高程法，即認(rèn)為不同時(shí)期地表高程不變或隆升量與剝蝕量相等［17］，現(xiàn)代地表露出的碎斑熔巖在61.1 Ma時(shí)尚處于地下深部約3.3 km處。該深度應(yīng)包括覆蓋于碎斑熔巖之上的上白堊統(tǒng)紅層厚度和碎斑熔巖頂部厚度之和。自61.1 Ma以來，紅層不再沉積，地殼開始快速隆升，隆升速率為54 m/Ma，即61.1 Ma以來相山礦田剝蝕了的平均厚度約3.3 km。

4 結(jié)束語

新生代以來是全球地殼形變與造山運(yùn)動(dòng)發(fā)展演化的重要地質(zhì)階段［19］。中國是世界上新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最活躍地區(qū)之一，這些新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對中國自然地理、環(huán)境、自然災(zāi)害有深刻影響，也是許多礦床形成與保存的重要因素［20－21］。

從檢索到的相關(guān)文獻(xiàn)或勘查報(bào)告可知，相山鈾成礦年齡多在140～90 Ma之間［18］，個(gè)別為65 Ma，即相山鈾礦主要形成于早白堊世，晚白堊世也有成礦的蹤跡。相山鈾礦形成后，經(jīng)歷了古近紀(jì)、新近紀(jì)及第四紀(jì)的漫長演變過程。

一個(gè)地區(qū)的地貌發(fā)育過程是構(gòu)造、營力和時(shí)間的函數(shù)。在構(gòu)造抬升的基礎(chǔ)上，外動(dòng)力侵蝕剝蝕作用下，該地區(qū)的地貌發(fā)育過程（時(shí)間）可以分為幼年期、壯年期與老年期等幾個(gè)地貌發(fā)育階段［22］。

根據(jù)基于DEM的面積－高程曲線的計(jì)算方法［23］，筆者曾繪制了相山地區(qū)面積高程曲線，計(jì)算出面積高程曲線積分值約14.66％，＜35％，地表侵蝕嚴(yán)重，屬老年期的殘丘地形［24］。

在華南地區(qū)，新生代以來以剝蝕夷平和沉降堆積為主要特征［25］，由于處亞熱帶氣候區(qū)，高溫多雨，風(fēng)化作用較強(qiáng)烈，相山火山侵入雜巖遭受較強(qiáng)烈的侵蝕剝蝕作用，水系由中央向四周呈放射狀分布，地形切割較強(qiáng)烈。相山鈾礦田受到不同程度的侵蝕和剝露，鄒家山、橫澗、沙洲等礦床均已露出地表，是隆升剝露的重要佐證。磷灰石裂變徑跡分析表明：61.1 Ma以來，相山礦田被剝蝕了的平均厚度大約為3.3 km。

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