東昆侖西段巴音郭勒地區(qū)構(gòu)造事件的磷灰石裂變徑跡分析

陳小寧 袁萬(wàn)明 張愛奎 郝娜娜 段宏偉 馮云磊

1（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)科學(xué)研究院 北京 100083）

2（青海省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 西寧 810008）

東昆侖西段巴音郭勒地區(qū)構(gòu)造事件的磷灰石裂變徑跡分析

陳小寧1袁萬(wàn)明1張愛奎2郝娜娜1段宏偉1馮云磊1

1（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)科學(xué)研究院 北京 100083）

2（青海省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院 西寧 810008）

東昆侖西段巴音郭勒地區(qū)花崗巖類樣品的磷灰石裂變徑跡年齡變化于120-47 Ma，具體可分為120-100 Ma、67 Ma和54-47 Ma三組。這些年齡很好地揭示了區(qū)內(nèi)所經(jīng)歷的相關(guān)構(gòu)造活動(dòng)，其中年齡120-100 Ma和67 Ma是岡底斯地體和喜馬拉雅地體先后于早白堊世和晚白堊世時(shí)期，分別向北俯沖并與其北側(cè)地塊相互碰撞-匯聚-拼合的體現(xiàn)；而年齡54-47 Ma與始新世區(qū)內(nèi)造山后伸展事件有關(guān)。磷灰石裂變徑跡模擬結(jié)果顯示，研究區(qū)具有180-140 Ma、140-13 Ma和13-0 Ma三階段構(gòu)造熱演化歷史，分別隆升約1.0 km、0.6 km和1.4 km，其中第三階段是快速隆升期，冷卻溫度為50 °C，三階段累計(jì)隆升幅度為3.0 km。同時(shí)，根據(jù)公式計(jì)算獲得3個(gè)樣品的巖石隆升量分別為3620 m、3320 m和3770 m，平均值為3570 m，與三階段算法所得結(jié)果相符。

裂變徑跡，構(gòu)造活動(dòng)，隆升，地質(zhì)熱歷史，青藏高原

東昆侖造山帶西隔阿爾金斷裂帶與西昆侖造山帶為鄰，東隔秦祁昆岔口與秦嶺相接，是青藏高原內(nèi)部可與岡底斯帶相媲美的一條巨型構(gòu)造巖漿帶[1]，對(duì)討論大陸地質(zhì)演化有重要意義，從而引起國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注?，F(xiàn)已完成大量基礎(chǔ)地質(zhì)和找礦勘探研究，特別是在區(qū)域構(gòu)造背景、主要事件序列以及各種巖石構(gòu)造組合等方面取得成果頗豐[2-5]。然而，由于自然地質(zhì)環(huán)境惡劣，東昆侖西段祁漫塔格地區(qū)總體研究程度較低，前人關(guān)于年代學(xué)資料報(bào)道甚少，并且主要限于印支期之前。巴音郭勒地區(qū)位于祁漫塔格東南部，成礦條件優(yōu)越，大中型礦床密布。本區(qū)西側(cè)庫(kù)木庫(kù)里新生代盆地發(fā)育漸新統(tǒng)、上新統(tǒng)、中更新統(tǒng)—全新統(tǒng)三套山間磨拉石建造，盆地沉積總厚度超過7 km，是青藏高原北緣快速隆升過程中山盆耦合的產(chǎn)物[6]。不過，有關(guān)熱演化史和隆升的研究，特別是定量而精細(xì)研究構(gòu)造事件與隆升作用，幾乎未曾涉及。本文以巴音郭勒地區(qū)相關(guān)巖體為研究對(duì)象，利用磷灰石裂變徑跡核分析技術(shù)，探討區(qū)內(nèi)不同期次構(gòu)造活動(dòng)的年代學(xué)制約，對(duì)地質(zhì)熱演化歷史和隆升特點(diǎn)作出定量化評(píng)價(jià)。

1 地質(zhì)背景

巴音郭勒河地區(qū)位于柴達(dá)木盆地南緣東昆侖祁漫塔格構(gòu)造帶中，昆北斷裂帶以北(圖1)。圖1根據(jù)青海省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院編制的《青海省格爾木市野馬泉地區(qū)區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)圖》修改。自然景觀屬柴達(dá)木盆地西南緣半干旱荒漠化草原區(qū)，山脈屬東昆侖山脈西段。由于高寒干旱，水系不發(fā)育，巴音郭勒河成為祁漫塔格地區(qū)的主要河流之一，河兩岸分布多個(gè)金屬礦床。

區(qū)內(nèi)出露的主要地層包括下元古界金水口巖群中—深變質(zhì)巖；薊縣系狼牙山組套淺變質(zhì)碳酸鹽巖夾碎屑巖；寒武—奧陶系灘間山群蝕變玄武巖、枕狀熔巖、灰質(zhì)白云巖及淺變質(zhì)碎屑巖；上泥盆統(tǒng)牦牛山組砂礫巖和火山巖；石炭統(tǒng)碳酸鹽巖和細(xì)碎屑巖[7]；上三疊統(tǒng)鄂拉山組陸相噴發(fā)的中酸性火山巖系以及新近系陸相碎屑巖和松散堆積。

巖體多以巖基和巖株形式分布，華力西期、印支期均有產(chǎn)出，中酸性侵入巖以含黑云母閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖出露最多。巴音郭勒河以北烏蘭烏珠爾似斑狀二長(zhǎng)花崗巖40Ar/39Ar同位素地質(zhì)年齡為(271.1±2.2) Ma[4]，屬華力西期；景忍?hào)|部二長(zhǎng)花崗巖SHRIMP年齡為(204±2.6) Ma[8]、(219.2±1.4) Ma[9]，屬印支期。

圖1 巴音郭勒地區(qū)地質(zhì)圖與樣品位置Fig.1 Geological map with the sample locations in Bayinguole area of Eastern Kunlun Mountains.

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

在采集的多個(gè)樣品中，獲得3個(gè)樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中樣品K34-4和K34-7分別采自鉆孔ⅥZK3903的5 m和301 m深處巖芯柱；樣品K36采自巴音郭勒河周圍出露的巖體(圖1)。K34-4為蝕變花崗巖，K34-7為細(xì)粒鉀長(zhǎng)花崗巖，K36為花崗閃長(zhǎng)巖。三個(gè)樣品均適合應(yīng)用裂變徑跡法分析。

礦物內(nèi)的裂變徑跡是指238U自發(fā)裂變碎片形成的輻射損傷。裂變徑跡對(duì)熱事件特別靈敏，只有在熱的作用下發(fā)生退火，即加熱為受到輻射損傷的晶格提供了能量，促使被移位了的原子返回到原來的位置，導(dǎo)致輻射損傷不同程度地愈合，表現(xiàn)為徑跡縮短直至完全消失。而其他因素，包括外部化學(xué)環(huán)境等，不會(huì)對(duì)裂變徑跡的穩(wěn)定性造成影響。所以，裂變徑跡年齡反映的是熱事件時(shí)代，不同來源、不同成因的同種礦物經(jīng)同一熱過程全退火后，具有相一致的裂變徑跡年齡。區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)和熱液成礦作用必然伴隨著熱異常過程，所以，裂變徑跡技術(shù)理當(dāng)用于構(gòu)造年代學(xué)和成礦作用研究領(lǐng)域。

裂變徑跡測(cè)年過程采用外探測(cè)器法。實(shí)驗(yàn)的基本原理是將外探測(cè)器和礦物緊貼在一起輻照，然后觀測(cè)外探測(cè)器和礦物表面的誘發(fā)徑跡和自發(fā)徑跡。實(shí)驗(yàn)過程如下：將樣品粉碎，利用電磁選、重液選、介電選、靜電選等手段挑選合格的磷灰石礦物顆粒，用環(huán)氧樹脂滴于礦物顆粒上，用玻璃片蓋好，在60°C恒溫下烘26 h，使其固化于玻璃片上，經(jīng)研磨和拋光，制成測(cè)試樣片；然后在6.6% HNO3中將樣片蝕刻30 s揭示出自發(fā)裂變徑跡；對(duì)其密度進(jìn)行估計(jì)來確定熱中子注量，磷灰石選用CN5鈾玻璃標(biāo)定；之后將光薄片與外探測(cè)器（云母片）緊貼制成的組件放入反應(yīng)堆照射。完成后拆開組件，利用40% HF進(jìn)行蝕刻，揭示誘發(fā)徑跡；最后需要在高精度光學(xué)顯微鏡高倍鏡下觀測(cè)徑跡情況，通常選用100倍物鏡與15倍目鏡，這對(duì)于裂變徑跡測(cè)年方法十分關(guān)鍵[10]。通常使用Zeta常數(shù)校正法計(jì)算年齡值，本次實(shí)驗(yàn)室Zeta常數(shù) ξ=353±18(1σ）。

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)獲得的3個(gè)磷灰石樣品的裂變徑跡測(cè)試結(jié)果列于表1。參數(shù)χ2值是用來評(píng)價(jià)所測(cè)單顆粒年齡是否屬于同一組年齡的概率[11]。χ2小于5%是單顆粒年齡不均勻分布的界限，如果年齡分散，則基于泊松變異的常規(guī)分析[12]無效，裂變徑跡年齡實(shí)質(zhì)上是權(quán)重平均年齡，應(yīng)根據(jù)具體情況討論其地質(zhì)意義。磷灰石樣品K36的χ2檢驗(yàn)值大于5%，單顆粒年齡直方圖呈現(xiàn)較典型的單峰式分布(圖2)，符合受單一熱事件控制的特點(diǎn)，具有確切地質(zhì)熱事件意義。另外樣品K34-4和K34-7的χ2檢驗(yàn)值小于5%，單顆粒年齡直方圖(圖2)屬于混合型，反映樣品受多次熱事件影響，具有較復(fù)雜的熱演化歷史。

一般同一花崗巖巖芯淺層樣品的裂變徑跡年齡應(yīng)比深層樣品的年齡大，然而，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果中采自同一鉆孔5 m深處巖芯柱樣品K34-4的年齡比301 m深處巖芯柱樣品的年齡K34-7小，這恰恰反映了研究區(qū)復(fù)雜的熱歷史。樣品K34-4、K34-7的χ2檢驗(yàn)值均小于5%，說明由非單一組分年齡組成，而是由多次熱事件疊加所致，其年齡分布較離散，應(yīng)將其年齡分解，使用分解后的年齡進(jìn)行相關(guān)地質(zhì)意義分析。

表1 磷灰石裂變徑跡分析結(jié)果Table1 Apatite fission track analysis results for Bayinguole area of Eastern Kunlun Mountains.

圖2 磷灰石樣品單顆粒年齡直方圖及其頻率曲線 (a)、(d) K34-4，(b)、(e) K34-7，(c)、(f) K36Fig.2 Apatite single grain age histograms and frequency curves. (a), (d) K34-4, (b), (e) K34-7, (c), (f) K36

對(duì)于P(χ2)小于5%的磷灰石樣品K34-4和K34-7，使用Binomfit軟件[13]對(duì)磷灰石裂變徑跡年齡進(jìn)行分解(圖3)，樣品K34-4可分解為47 Ma、67Ma和105 Ma三組年齡，樣品K34-7分解為54 Ma和100 Ma兩組年齡。從表1可得，樣品的裂變徑跡平均長(zhǎng)度在K34-7的(11.7±1.9) μm到K36的(12.2±1.7) μm，長(zhǎng)度值相對(duì)較小，可能反映了樣品在退火帶滯留時(shí)間較長(zhǎng)。

圖3 χ2檢驗(yàn)值小于5%樣品年齡分組頻率圖(a、c)和雷達(dá)圖(b、d)Fig. 3 Histogram (a, c) and radial plot (b, d) of the single grain ages for samples K34-4 and K34-7.

對(duì)上述磷灰石裂變徑跡年齡進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，巴音郭勒地區(qū)的磷灰石裂變徑跡年齡可分為如下三組：早白堊世晚期120-100 Ma、中生代與新生代之交的67 Ma和始新世早期50-47 Ma，他們都較好地體現(xiàn)區(qū)內(nèi)所經(jīng)歷的地質(zhì)熱事件。

祁漫塔格巴音郭勒地區(qū)磷灰石年齡120-100Ma是早白堊世岡底斯地體向北俯沖碰撞匯聚的響應(yīng)，記錄研究區(qū)及其柴達(dá)木盆地周緣山地在燕山晚期經(jīng)歷過抬升/冷卻事件[14-15]，亦是早白堊世青藏高原北部的快速抬升或阿爾金斷裂的走滑隆升[16]作用的體現(xiàn)。磷灰石67 Ma年齡代表晚白堊世喜馬拉雅地體向北俯沖碰撞，屬于雅魯藏布洋閉合、印度板塊與歐亞板塊碰撞對(duì)研究區(qū)的遠(yuǎn)程效應(yīng)[17]。此時(shí)東昆侖造山帶不僅發(fā)生擠壓隆升，而且伴隨昆北斷裂帶左行走滑作用，但柴西南盆地南緣基本缺失上侏羅統(tǒng)和白堊系沉積，盆地內(nèi)沉積較薄，顯示了其與東昆侖造山帶一起整體抬升的特點(diǎn)[10,18-19]。

磷灰石年齡54-47 Ma與區(qū)內(nèi)造山后伸展事件有關(guān)，所測(cè)樣品K34-7巖性為鉀長(zhǎng)花崗巖亦可體現(xiàn)這一點(diǎn)。古新世-始新世時(shí)期東昆侖造山帶處于伸展構(gòu)造環(huán)境，這不僅有古地磁和構(gòu)造地質(zhì)的證據(jù)[20-22]，而且也有氣候條件應(yīng)證。古新世-始新世早期，柴西南盆地逐漸結(jié)束了晚侏羅世-白堊紀(jì)時(shí)期干燥炎熱氣候及紅色巖層沉積，轉(zhuǎn)而以暖溫帶-中亞熱帶半干旱氣候?yàn)橹?，小型湖泊開始發(fā)育；始新世中晚期為總體干旱的新生代最溫暖潮濕的時(shí)期，湖泊沉積范圍不斷擴(kuò)大，沉積大量暗色泥巖[19]。始新世后受擠壓事件的影響，氣候逐漸向溫暖干旱型轉(zhuǎn)變。

4 地質(zhì)熱歷史與隆升

基于Ketcham等[23]的退火模型，并應(yīng)用蒙特卡羅逼近法模擬。根據(jù)獲得的裂變徑跡參數(shù)和樣品所處的地質(zhì)背景與條件，確定反演模擬的初始條件。模擬溫度從高于裂變徑跡退火帶的130 °C到現(xiàn)今地表溫度，模擬時(shí)間分別從白堊紀(jì)140 Ma到現(xiàn)今以及從侏羅紀(jì)180 Ma到現(xiàn)今。模擬結(jié)果(圖4)中實(shí)線為最佳熱歷史路徑，顏色較深范圍為較好擬合區(qū)，較淺范圍為可接受擬合區(qū)。圖4標(biāo)出樣品代號(hào)、實(shí)測(cè)徑跡長(zhǎng)度和模擬徑跡長(zhǎng)度，實(shí)測(cè)Pooled年齡和模擬Pooled年齡以及K-S檢驗(yàn)和GOF年齡擬合參數(shù)。當(dāng)K-S值和GOF值均大于0.5時(shí)，一般認(rèn)為模擬結(jié)果較好[24]。

圖4 地質(zhì)熱歷史模擬圖 (a) K34-4，(b) K36Fig.4 Modeling geological thermal evolution histories in Bayinguole area. (a) K34-4, (b) K36

結(jié)合兩個(gè)樣品的熱歷史模擬圖(圖4)，可看出整個(gè)隆升過程分為三個(gè)階段：(1) 從180-140 Ma，溫度較高，處于磷灰石裂變徑跡退火帶底部溫度，主體高于100 °C；(2) 從140-13 Ma，緩慢冷卻，溫度由85 °C降至近地表溫度65 °C，溫差為20 °C；(3) 從13 Ma到現(xiàn)今，快速冷卻，溫度由65 °C降至現(xiàn)在地表溫度(平均15 °C)，溫差為50 °C。第3階段屬于快速冷卻，第2階段為緩慢降溫。

第1階段熱事件總體上與前述晚侏羅世-早白堊世岡底斯地體向北俯沖、班公湖-怒江洋閉合、拉薩地塊與羌塘地塊碰撞有關(guān)。

第2階段時(shí)間跨度較大，溫差變化較小，表明白堊紀(jì)至中新世中期區(qū)內(nèi)冷卻隆升幅度較小。對(duì)格爾木南側(cè)東昆侖地區(qū)花崗質(zhì)巖石的40Ar/39Ar熱年代學(xué)研究，揭示中生代深成巖體在120-140 Ma經(jīng)歷了一個(gè)重要的擠壓事件，同時(shí)伴隨著西大灘斷裂的韌性變形[25]。

第3階段屬于鐘大賚劃分的青藏高原及周緣新生代構(gòu)造熱事件(45-38 Ma、25-17 Ma、13-8 Ma、3 Ma到現(xiàn)在)中的第3、4個(gè)階段[26]。張克信等[27]亦指出13 Ma以來屬于包括西昆侖和阿爾金在內(nèi)青藏高原的重大隆升期。

利用冷卻曲線模擬法計(jì)算隆升幅度和隆升速率，以造山帶平均地溫梯度35 °C/km[28]計(jì)算。

由于三個(gè)階段具有溫差和時(shí)間差分別為35 °C和40 Ma、20 °C和127 Ma以及50 °C和13 Ma，則三個(gè)階段的隆升速率和隆升幅度分別為：第1階段0.025 mm/a和1.0 km，第2階段0.005 mm/a和0.6km，第3階段0.11 mm/a和1.4 km。上述3個(gè)階段累計(jì)隆升量為1.0+0.6+1.4= 3.0 km。

巖石隆升量(U)是指相對(duì)于海平面變化的巖石隆升程度，具有關(guān)系式[29]：

式中，D為剝蝕量；ΔH為現(xiàn)今地表高程與古地表海拔之差；Δs.l.為海平面變化幅度[30]。

東昆侖南部中新世早中期海拔高度取3500m[31]。對(duì)于磷灰石裂變徑跡分析而言，ΔD+Δs.l.等同于樣品磷灰石裂變徑跡封閉溫度對(duì)應(yīng)的埋深，若取磷灰石裂變徑跡封閉溫度為100 °C，地溫梯度為35 °C/km，其埋深為2860 m，故式(1)轉(zhuǎn)化為：

每個(gè)樣品的地表高程不同，所對(duì)應(yīng)的高程差值(ΔH)不同。樣品K34-4、K34-7、K36所測(cè)高程分別為4 263 m、3 957 m、4 409 m，則其高程差分別為763 m、457 m、909 m。這樣，樣品K34-4、K34-7、K36的巖石隆升量分別為3623m、3317m、3769m，平均值為3570 m，與前述利用冷卻曲線模擬法計(jì)算所得累計(jì)隆升幅度相符，說明對(duì)巴音郭勒地區(qū)隆升程度的計(jì)算結(jié)果可信。

5 結(jié)語(yǔ)

采用“裂變徑跡分析”技術(shù)對(duì)東昆侖西段巴音郭勒地區(qū)花崗巖類樣品的磷灰石進(jìn)行地質(zhì)年代測(cè)定和構(gòu)造事件反演分析等研究，成果總結(jié)如下：

(1) 獲得花崗巖樣品磷灰石裂變徑跡年齡為120-47 Ma，可分為120-100 Ma、67 Ma和54-47 Ma三組，這些年齡值屬于燕山期和早喜山期。

(2) 巴音郭勒地區(qū)具有3階段構(gòu)造熱演化歷史，即180-140 Ma、140-13 Ma和13-0 Ma。各階段分別隆升約1.0 km、0.6 km和1.4km，其中第3階段系快速隆升期，累計(jì)隆升幅度約3.0 km。據(jù)公式計(jì)算各樣品巖石隆升量分別為3620 m、3320 m和3770 m，平均值為3570 m。兩種方法所得結(jié)果相符。

(3) 磷灰石年齡120-100 Ma和67 Ma分別揭示岡底斯地體和喜馬拉雅地體于晚侏羅世-早白堊世和晚白堊世時(shí)期向北的俯沖碰撞，這是區(qū)內(nèi)所經(jīng)歷的主要擠壓抬升事件。磷灰石年齡54-47 Ma代表區(qū)內(nèi)所經(jīng)歷的始新世構(gòu)造伸展事件。

致謝 工作中得到導(dǎo)師袁萬(wàn)明教授的耐心指導(dǎo)，青海省第三地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院張愛奎副院長(zhǎng)的幫助支持，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）研究生郝娜娜、段宏偉、馮云磊、曹建輝的協(xié)助配合，特質(zhì)謝忱。

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CLCTL99

Apatite fission track analysis for revealing tectonic events of the Bayinguole area in the west section of Eastern Kunlun Mountains, northern Qinghai-Tibet Plateau

CHEN Xiaoning1YUAN Wanming1ZHANG Aikui2HAO Nana1DUAN Hongwei1FENG Yunlei1
1(Science Research Institute, China University of Geosciences, Beijing 100083, China)
2(Third Institute of Qinghai Geological Mineral Prospecting, Xining 810008, China)

Background: Qimantage is an important tectonic metallogenic belt in western part of East Kunlun Mountain. It has experienced complex geological evolution, and significant mineralization. However, because of the plateau climate and inaccessibility, fewer research works have been done on this area, especially after Indo-sinian epoch. Purpose: Our work is to research tectonic activity, thermal history and uplifting around Bayinguole river in Qimantage belt. Methods: The apatite fission-track method was applied to research the tectonic setting, simulate the thermal history and calculate the uplift size and uplift speed. Results: A series of apatite fission track ages from granitoid samples in Bayinguole area of Eastern Kunlun Mountain were obtained, ranging from 120 Ma to 47 Ma that might be divided into three groups: 120-100 Ma, 67 Ma and 54-47 Ma. These ages reflected tectonic events in this area very well. Conclusions: The 120-100 Ma and 67 Ma ages present collision-convergences of Gangdese terrane and Himalayan terrane with their north-side terranes in Early Cretaceous and Late Cretaceous respectively. The ages of 54-47 Ma reflect post-orogenic stretching events in Eocene. Three stages of thermal evolution history are revealed by apatite fission track modeling in this area. Stage one 180-140 Ma is in the bottom temperature of apatite fission track anneal zone. Stage two 140-13 Ma records slow cooling. The last stage after 13 Ma records rapid cooling with temperature dropped 50 °C. The uplifting ranges for these three stages are 1.0 km, 0.6 km and 1.4 km, respectively. The cumulative amount of uplift is about 3.0 km. The formular calculations for the 3 samples have their rock uplifts of 3 623 m, 3 317 m and 3 769 m, respectively, averaging 3 570 m, in accordance with the results based on the 3 stage thermal history.

Fission track dating, Tectonic activities, Uplifting, Geological thermal history, Tibet Plateau

TL99

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.010503

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查工作項(xiàng)目(基2011-03-04-06)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41172088、40872141)和青海省地勘基金(2013-1006)資助

陳小寧，女，1987年出生，2011年畢業(yè)于華北科技學(xué)院，現(xiàn)為在讀碩士研究生，地質(zhì)工程專業(yè)

袁萬(wàn)明，E-mail: yuanwm@cugb.edu.com

2013-10-23，

2013-12-07