磷灰石4He／3He熱年代學(xué)
——一種低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究的新技術(shù)

楊 靜鄭德文陳 文張竹琪

1）中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2）中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，同位素?zé)崮甏鷮W(xué)實(shí)驗(yàn)室，大陸構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037

磷灰石4He／3He熱年代學(xué)
——一種低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究的新技術(shù)

楊 靜1，2）鄭德文1）陳 文2）張竹琪1）

1）中國(guó)地震局地質(zhì)研究所，地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029

2）中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所，同位素?zé)崮甏鷮W(xué)實(shí)驗(yàn)室，大陸構(gòu)造與動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100037

磷灰石He的封閉溫度（約70℃）是目前已知體系中最低的，4He在磷灰石中空間分布包含了樣品經(jīng)歷的低溫階段（30～90℃）的熱歷史信息。磷灰石4He／3He熱年代學(xué)是根據(jù)經(jīng)典的擴(kuò)散理論，并用質(zhì)子照射磷灰石使其內(nèi)部生成均勻分布的3He，然后應(yīng)用一種數(shù)學(xué)方法來(lái)確定磷灰石中4He的空間分布，由此可以限制樣品所經(jīng)歷的熱歷史。文中簡(jiǎn)單介紹了該方法的數(shù)學(xué)原理、模擬方法、應(yīng)用以及現(xiàn)存的主要問(wèn)題等，雖然這一方法還處于不斷探索中，但是其對(duì)低溫?zé)釟v史的靈敏性使得這種方法有廣闊的前景。

4He／3He熱年代學(xué) 磷灰石 熱歷史4He空間分布

0 引言

在過(guò)去的20多年中，磷灰石（U-Th）／He定年法在原理和應(yīng)用方面都已經(jīng)日趨成熟，為低溫?zé)崮甏鷮W(xué)在地質(zhì)體定年、構(gòu)造隆升歷史研究、地形地貌演化和盆地?zé)釟v史研究等方面開(kāi)辟了新的領(lǐng)域（Farley，1996，2002；Wolf et al.，1996，1997，1998；House et al.，1997，1998，1999；Reiners et al.，1999，2001，2002；周祖翼等，2003；Ehlers et al.，2003，2005；Clark et al.，2010；Zheng et al.，2010；Qiu et al.，2012）。（U-Th）／He方法在獲得熱歷史信息上的應(yīng)用通常是在采樣剖面內(nèi)沿高程連續(xù)采集一系列的樣品，利用采集于近似垂直剖面上的不同樣品的高程和年齡差異獲得隆升歷史和剝露速率。另外一種確定樣品經(jīng)歷的熱歷史的方法是：?jiǎn)晤w粒磷灰石中4He的空間分布包含了豐富的低溫?zé)釟v史信息，這樣通過(guò)確定單顆粒磷灰石中4He的空間分布就可以確定其經(jīng)歷的熱歷史。在此基礎(chǔ)上，Shuster等（2003）提出了4He／3He熱年代學(xué)（4He／3He thermochronometry）。但是，目前的技術(shù)手段，如微光束（microbeam）或者激光技術(shù)等，尚無(wú)足夠的分辨率和靈敏度來(lái)測(cè)量單個(gè)磷灰石顆粒中4He的空間分布（4He concentration distribution）。在這種情況下，Shuster等（2003）在（U-Th）／He的基礎(chǔ)上提出一種間接的方法來(lái)限制磷灰石中4He的空間分布，進(jìn)而限制其經(jīng)歷的熱歷史，即磷灰石4He／3He熱年代學(xué)（Shuster et al.，2003，2004，2005）：通過(guò)質(zhì)子照射磷灰石樣品，使樣品中形成均勻分布的3He，然后對(duì)樣品進(jìn)行階段加熱，得到4He／3He比值圖（4He／3He spectrum）。用一種數(shù)學(xué)方法通過(guò)4He／3He比值圖來(lái)反演出樣品中4He的空間分布特征。這樣的4He／3He比值圖不僅可以反演得到4He的空間分布，而且還可以與正演得到的給定熱歷史的4He／3He比值圖進(jìn)行對(duì)比，最終確定礦物所經(jīng)歷的冷卻歷史。4He／3He熱年代學(xué)對(duì)30～90℃的溫度范圍都非常靈敏。到目前為止，4He／3He熱年代學(xué)技術(shù)在國(guó)外的研究和應(yīng)用較多，已經(jīng)應(yīng)用于限制冰川侵蝕、河流下切剝蝕和正斷層活動(dòng)的時(shí)間和速率，國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)報(bào)道。因此，本文擬對(duì)磷灰石4He／3He熱年代學(xué)的數(shù)學(xué)原理、模擬方法及應(yīng)用等做簡(jiǎn)要介紹。

1 原理與技術(shù)

4He／3He熱年代學(xué)的基礎(chǔ)是：磷灰石內(nèi)賦存的放射成因的4He空間分布是其經(jīng)歷的冷卻歷史（t-T曲線(xiàn)）的一個(gè)演化方程，可由下式表示（Shuster et al.，2005）：

上式中：Production是依賴(lài)于時(shí)間t的4He的產(chǎn)生函數(shù)，Removal是依賴(lài)于時(shí)間t和溫度T的4He擴(kuò)散丟失函數(shù)；Distribution是現(xiàn)在樣品中4He空間分布函數(shù)，t0是4He開(kāi)始積累時(shí)的時(shí)間。如果能確定這3個(gè)函數(shù)，就可以通過(guò)上述關(guān)系式給出樣品的冷卻歷史。Production函數(shù)可以根據(jù)樣品中U和Th的含量確定（Wolf et al.，1998）。4He／3He熱年代學(xué)就是提供一種分析技術(shù)來(lái)確定Removal函數(shù)（即通過(guò)氦的擴(kuò)散機(jī)制）和Distribution函數(shù)。

1.1 引入均勻分布的3He

由階段加熱實(shí)驗(yàn)計(jì)算擴(kuò)散系數(shù)（即擴(kuò)散頻率因子D0／a2和活化能Ea）時(shí)，通常假設(shè)擴(kuò)散域中4He的分布是均勻的。但是，對(duì)于那些由于擴(kuò)散和（或）α粒子發(fā)射經(jīng)歷了4He丟失的樣品計(jì)算得到的擴(kuò)散參數(shù)有可能是錯(cuò)誤的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，類(lèi)似于40Ar／39Ar年代學(xué)方法中引入的39Ar一樣（Turner，1969），在實(shí)驗(yàn)中引入一個(gè)均勻分布的3He，這不僅可以得到氦的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)（helium diffusion kinetics），還可以用每個(gè)階段釋放的3He來(lái)標(biāo)化4He，這樣的階段加熱實(shí)驗(yàn)限制了樣品中4He的空間分布（Shuster et al.，2003，2004，2005），而4He的空間分布可以用來(lái)反演得到熱歷史。由于質(zhì)子誘發(fā)產(chǎn)生的3He并不是由放射成因4He的母核產(chǎn)生的，而是由被放射的礦物中存在的所有原子受轟擊產(chǎn)生的，因此4He／3He的階段加熱法并不能得出每個(gè)階段的年齡。

Shuster等（2004）使用的照射方法是：用同步回旋加速器產(chǎn)生的大約200MeV的質(zhì)子束（質(zhì)子通量約為1×1016p／cm2）轟擊樣品10h，使樣品內(nèi)部產(chǎn)生均勻分布的3He。質(zhì)子成因的3He是通過(guò)質(zhì)子束轟擊樣品產(chǎn)生，主要是由帶電粒子發(fā)射產(chǎn)生，其過(guò)程是最初的入射質(zhì)子和靶核相互作用使剩余的靶核處于激發(fā)態(tài)，其中大部分入射動(dòng)能是通過(guò)散射核子獲得的。剩余靶核產(chǎn)生3He，大部分入射質(zhì)子的前動(dòng)力是由級(jí)聯(lián)粒子獲得的。他們的研究結(jié)果顯示，質(zhì)子成因的3He分布與標(biāo)準(zhǔn)Durango磷灰石中放射成因的4He有相同的分布，因此是均勻的（Shuster et al.，2003，2005）。

1.2 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

經(jīng)典的擴(kuò)散理論（Carslaw et al.，1959；Crank，1975）提出了放射成因的惰性氣體在擴(kuò)散域中的空間分布和時(shí)間、溫度之間的關(guān)系，其中以球形模型應(yīng)用最為廣泛。假設(shè)球形擴(kuò)散域半徑為a，對(duì)于已知擴(kuò)散率D和最初的空間分布C0，則一段時(shí)間t之后，距離球心為r處（0≤r≤a）的分布是（Carslaw et al.，1959）：

假設(shè)擴(kuò)散為體擴(kuò)散（volume diffusion），并且對(duì)所有t，有C0（a）=0，式（1）中用的是無(wú)量綱的擴(kuò)散時(shí)間τ：

假設(shè)擴(kuò)散是熱激發(fā)，用式（2）可以計(jì)算出經(jīng)歷過(guò)任意冷卻歷史（t-T曲線(xiàn)）樣品中的4He空間分布，將τ分段線(xiàn)性化，為：Ti=T（Ti，ti），這樣，樣品在溫度Ti下經(jīng)歷了ti時(shí)間后4He空間分布是：

第i階段后，擴(kuò)散域中保留的4He的量為

第i階段的保留分?jǐn)?shù)f為

N0是擴(kuò)散域中最初4He的總量，用一個(gè)無(wú)量綱的空間坐標(biāo)x=r／a，上式就可以寫(xiě)成：

式（6）中（Albarède，1978）：

將式（6）中τ看成是分段連續(xù)的，所以fi=f（τi）。如果知道一系列的時(shí)間τi和保留分?jǐn)?shù)fi，通過(guò)此式就可以算出最初4He的分布C0（x）。

2 模擬與反演

2.1 正演

應(yīng)用上述擴(kuò)散理論模擬階段加熱實(shí)驗(yàn)（Shuster et al.，2003，2005），假設(shè)一個(gè)已知函數(shù)D（T）／a2和2個(gè)空間分布：一個(gè)均勻分布，相當(dāng)于3He；另一個(gè)任意圓形分布，相當(dāng)于4He（對(duì)給定的熱歷史由式（1）得出），根據(jù)式（1）和式（5）可以模擬一系列的加熱階段，計(jì)算每個(gè)階段的4He／3He比值，并用樣品總的4He／3He比值進(jìn)行標(biāo)化，然后用標(biāo)化的4He／3He比值對(duì)3He的累積釋放分?jǐn)?shù)作圖，這樣就模擬了階段加熱實(shí)驗(yàn)。在模擬計(jì)算中，用的是磷灰石的擴(kuò)散參數(shù)，并且假設(shè)在擴(kuò)散域中母體是均勻分布的，樣品顆粒的邊界上He為0。

為了說(shuō)明磷灰石中4He的空間分布對(duì)冷卻歷史的靈敏性，Shuster等（2003，2005）分別模擬了幾種類(lèi)型的冷卻歷史：一直處于等溫狀態(tài)、單一冷卻及含有低溫下的等溫積累的單一冷卻，還比較了相同的He年齡和不同熱歷史的情況。

2.1.1 等溫情況

自然界一些礦物形成之后一直處于等溫狀態(tài)，如風(fēng)化礦物、動(dòng)物化石及一些隕石樣品。Shuster等模擬了等溫狀態(tài)4He在不同丟失量下的空間分布（圖1 a），并得到對(duì)應(yīng)的階段4He／3He比值圖（圖1b）。從圖1b可以看出，不同4He丟失量的礦物中形成不同的4He空間分布及對(duì)應(yīng)的不同的4He／3He比值曲線(xiàn)。隨著4He丟失量的增大，其空間分布的形狀差異也變得越來(lái)越小，極限是4He的生成與丟失處于平衡狀態(tài)。

圖1 一直處于等溫狀態(tài)的4He不同丟失量下的模擬結(jié)果（Shuster，2003）Fig.1 Simulation results of spatial distribution of4He under different losses in an isothermal state（after Shuster，2003）.a經(jīng)歷了不同4He丟失量的樣品的內(nèi)部賦存4He的模擬空間分布圖；b對(duì)應(yīng)的模擬階段加熱的4He／3He比值圖；a中圖例是4He丟失的百分?jǐn)?shù)，其顏色與對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果一致

2.1.2 單一冷卻

Shuster等（2005）模擬了經(jīng)歷不同冷卻速率的熱歷史的樣品中4He的分布情況。第1個(gè)模擬（圖2a，b，c）是以幾種冷卻速率從50Ma開(kāi)始冷卻，到0Ma時(shí)降到25℃；而第2個(gè)模擬（圖2d，e，f）是與第1個(gè)模擬冷卻速率相同、但是到5Ma時(shí)降到25℃的冷卻歷史，然后又經(jīng)歷了5Ma的等溫積累。從圖2可以看出，在相同冷卻速率下，第2個(gè)模擬比第1個(gè)模擬多經(jīng)歷了5Ma的積累，4He的空間分布有明顯的不同，對(duì)應(yīng)的4He／3He比值曲線(xiàn)也明顯不同，尤其是3He的累積分?jǐn)?shù)在10%內(nèi)。慢速冷卻和高溫階段長(zhǎng)時(shí)間保留的礦物，在擴(kuò)散域邊緣4He的濃度較低，形成較“圓形”的分布，快速冷卻和低溫下長(zhǎng)時(shí)間保留的礦物，擴(kuò)散丟失較少，在擴(kuò)散域邊緣4He的濃度較高，形成更加“方形”的分布。

2.1.3 相同年齡下的不同熱歷史的情況

Shuster等（2005）模擬了經(jīng)歷幾種不同熱歷史的、表面年齡均為10Ma的4He空間分布。從圖3可以看出，雖然礦物的年齡是相同的，但是，由于經(jīng)歷的冷卻歷史不同其內(nèi)部賦存4He的空間分布有明顯的差別，對(duì)應(yīng)的4He／3He曲線(xiàn)也有明顯的不同。即使是圖中綠線(xiàn)和黑線(xiàn)表示的2種經(jīng)歷不同熱歷史的樣品中4He的空間分布相似，其對(duì)應(yīng)的4He／3He曲線(xiàn)在3He累積分?jǐn)?shù)約為10%時(shí)也有明顯的差別。

圖2 不同冷卻速率下的模擬結(jié)果（Shuster et al.，2005）Fig.2 The simulation results of spatial distribution of4He at different cooling rates（after Shuster et al.，2005）.a幾種不同冷卻速率的冷卻歷史；b，c礦物經(jīng)歷（a）中幾種冷卻歷史后其內(nèi)部賦存的4He空間分布圖及其對(duì)應(yīng)的模擬階段加熱的4He／3He比值圖；d幾種不同的冷卻速率的冷卻歷史，但冷卻到地表溫度后又經(jīng)歷了5Ma的低溫積累，e，f礦物經(jīng)歷（d）中幾種冷卻歷史后其內(nèi)部賦存的4He空間分布圖及其對(duì)應(yīng)的模擬階段加熱的4He／3He比值圖，熱歷史曲線(xiàn)的線(xiàn)條樣式與對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果相一致

圖3 相同年齡、不同熱歷史下的模擬結(jié)果（Shuster et al.，2005）Fig.3 The simulation results of spatial distribution of4He with same ages but different thermal history（after Shuster et al.，2005）.a熱歷史：紅線(xiàn)表示礦物在10Ma時(shí)快速冷卻到地表溫度（＜25℃）并保持至今；綠線(xiàn)表示15Ma中88℃冷卻到25℃；黑線(xiàn)代表礦物在15～5Ma一直等溫積累，在5Ma時(shí)快速冷卻到地表溫度，然后經(jīng)歷了5Ma的等溫積累；藍(lán)線(xiàn)對(duì)應(yīng)的是礦物從100Ma時(shí)到現(xiàn)在一直處于63℃的情況。b和c表示礦物經(jīng)歷a中幾種冷卻歷史后在其內(nèi)部賦存的4He的空間分布圖及其對(duì)應(yīng)的模擬階段加熱的4He／3He比值圖，熱歷史曲線(xiàn)的顏色與對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果相一致

由以上幾種模擬結(jié)果可以看出磷灰石中4He的空間分布對(duì)冷卻歷史的靈敏性。

2.2 反演

由模擬結(jié)果可以看出，經(jīng)歷不同熱歷史的樣品，其賦存的4He的空間分布也不相同，對(duì)應(yīng)的4He／3He比值圖也不相同。所以，這種方法的反演是（Shuster et al.，2003，2005）：根據(jù)式（6），用天然樣品的階段加熱結(jié)果4He／3He比值圖來(lái)反演得出其賦存的4He的空間分布。一旦樣品中4He的空間分布確定，結(jié)合其（U-Th）／He年齡就可以限定樣品所經(jīng)歷的熱歷史。模擬中并不包含分析誤差，而實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)中是包含誤差的，一旦包含誤差，反演結(jié)果會(huì)變得很不穩(wěn)定（圖4）。因此，Shuster等（2005）在反演的公式中加入一個(gè)正則化算法（嶺回歸）的過(guò)濾系數(shù)來(lái)消除誤差的影響。對(duì)圖1中4He的丟失分?jǐn)?shù)為10%進(jìn)行正向模擬時(shí)，加入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)分布的1%的隨機(jī)誤差到模擬的每一階段的4He和3He數(shù)據(jù)中，得到的4He／3He比值圖與不含誤差的數(shù)據(jù)得到的4He／3He比值圖幾乎沒(méi)有差別。根據(jù)圖4a中包含誤差的數(shù)據(jù)得出的4He／3He比值圖來(lái)反演得到4He的空間分布，從圖4b中可以看出，運(yùn)用正則化算法之后，這個(gè)反演得到的4He空間分布（黑虛線(xiàn)）與給定的4He空間分布（黑實(shí)線(xiàn)）大致一致，而沒(méi)有加入正則化算法的反演結(jié)果（灰實(shí)線(xiàn)）與給定的4He空間分布（黑實(shí)線(xiàn)）幾乎重合。從圖上可以清楚地說(shuō)明，加入的正則化算法對(duì)于反演實(shí)際數(shù)據(jù)的重要性。

通常對(duì)于部分丟失的樣品，由4He的空間分布得到的熱歷史并不是惟一的，需要通過(guò)正演得到的4He／3He比值圖與實(shí)驗(yàn)得到的4He／3He比值圖相對(duì)比，得出最有可能的冷卻歷史。另外，對(duì)于形成之后一直處于等溫情況下的礦物，如化學(xué)風(fēng)化礦物、動(dòng)物化石及一些隕石樣品等，根據(jù)反演得到的4He的空間分布圖也能給出樣品中4He的丟失百分比（圖1），這樣就可以校正測(cè)得的4He的含量：校正的4He含量=測(cè)量的4He含量／（1-4He的丟失百分比），從而可以校正（U-Th）／He年齡。

圖4 He數(shù)據(jù)中加入1%誤差對(duì)模擬結(jié)果的影響（Shuster et al.，2005）Fig.4 Effect on the simulation results from 1%increase of error to the He data（after Shuster et al.，2005）.a模擬中數(shù)據(jù)不含誤差和含有誤差的4He／3He比值圖；b給定的和反演得到的4He的空間分布圖，黑實(shí)線(xiàn)是給定的4He的空間分布，反演結(jié)果是根據(jù)a中包含誤差的數(shù)據(jù)得到的：灰實(shí)線(xiàn)是沒(méi)有經(jīng)過(guò)正則化的結(jié)果，黑虛線(xiàn)是經(jīng)過(guò)正則化的結(jié)果

3 存在的影響因素

4He／3He熱年代學(xué)方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，目前處于快速發(fā)展中，但這種方法還存在不少影響因素。

（1）輻射損傷對(duì)氦擴(kuò)散的影響。Farley（2007）在研究磷灰石的氦擴(kuò)散行為時(shí)發(fā)現(xiàn)，高溫下的He擴(kuò)散行為的轉(zhuǎn)變與輻射損傷具有緊密的聯(lián)系，他發(fā)現(xiàn)磷灰石中U、Th經(jīng)過(guò)α衰變產(chǎn)生的輻射損傷會(huì)捕獲He，因此提高了He的保存性。Shuster等（2006）提出了一個(gè)“捕獲”模型來(lái)說(shuō)明輻射損傷對(duì)He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的影響，并說(shuō)明了輻射損傷對(duì)磷灰石He封閉溫度和埋藏后重新加熱的影響。因此，在進(jìn)行年齡計(jì)算解釋、模擬熱歷史時(shí)必須考慮輻射損傷的影響。

（2）母體U和Th不均勻分布。這種方法的另一個(gè)假設(shè)是在礦物中U和Th均勻分布。但是，有些磷灰石中元素的環(huán)帶分布可能造成U和Th在晶體邊緣的相對(duì)富集或虧損，這會(huì)影響4He最后的空間分布（Farley et al.，2010），進(jìn)而影響得到的4He／3He比值圖，使得其不能用于反演熱歷史或者反演得到錯(cuò)誤的熱歷史（更加緩慢冷卻的熱歷史）。即使在有些情況下能得到看起來(lái)正常的4He／3He比值圖，但是這種圖反演得到的熱歷史卻是錯(cuò)誤的。Farley等（2011）認(rèn)為，這種現(xiàn)象可能是影響4He／3He熱年代學(xué)中非常重要的一個(gè)因素，因此在進(jìn)行4He／3He分析之后必須對(duì)磷灰石中U和Th的不均勻程度進(jìn)行評(píng)估。

（3）擴(kuò)散的各向異性。在4He／3He熱年代學(xué)方法中有一個(gè)假設(shè)是，4He在擴(kuò)散域中的擴(kuò)散都是各向同性的。但已發(fā)現(xiàn)鋯石中He擴(kuò)散的各向異性（Farley，2007），所以，F(xiàn)arley等（2010）模擬了磷灰石中He擴(kuò)散的各向異性對(duì)得到的4He／3He比值圖的影響，模型模擬了4He分別沿純徑向擴(kuò)散、純軸向擴(kuò)散以及軸向擴(kuò)散和徑向擴(kuò)散同時(shí)存在且擴(kuò)散速率不同時(shí)，4He／3He比值圖所受到的影響。結(jié)果顯示，4He沿純徑向各向異性擴(kuò)散產(chǎn)生的4He／3He比值曲線(xiàn)與各向同性擴(kuò)散產(chǎn)生的4He／3He比值曲線(xiàn)基本一致，而4He沿純軸向擴(kuò)散產(chǎn)生的4He／3He比值曲線(xiàn)則差異很大：相對(duì)于各向同性擴(kuò)散產(chǎn)生的4He／3He比值曲線(xiàn)，在各向異性擴(kuò)散之初4He／3He比值上升較快并快速趨于平緩；當(dāng)軸向擴(kuò)散和徑向擴(kuò)散同時(shí)存在且4He軸向擴(kuò)散速率是徑向擴(kuò)散速率的10倍和50倍時(shí)，4He／3He比值曲線(xiàn)與各向同性的4He／3He比值曲線(xiàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)4He軸向擴(kuò)散速率是徑向擴(kuò)散速率的10倍時(shí)形成的4He／3He比值曲線(xiàn)與各向同性擴(kuò)散產(chǎn)生的4He／3He比值曲線(xiàn)的差別很小，當(dāng)4He軸向擴(kuò)散速率是徑向擴(kuò)散速率的50倍時(shí)差別非常明顯。Farley等（2010）在擴(kuò)散參數(shù)計(jì)算時(shí)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)顯示軸向擴(kuò)散速率不可能超過(guò)徑向擴(kuò)散速率10倍，所以他認(rèn)為，He擴(kuò)散的各向異性對(duì)4He／3He比值圖的影響不是很大，但是在應(yīng)用于鋯石4He／3He熱年代學(xué)時(shí)必須考慮這個(gè)因素。

以上這些問(wèn)題也是Farley、Shuster等正著力研究和解決的問(wèn)題。

4 應(yīng)用實(shí)例

冰蝕作用和河流下切是塑造山麓地形的2個(gè)基本要素，二者貢獻(xiàn)大小是多年沒(méi)有解決的問(wèn)題。當(dāng)剝蝕作用致使巖石接近地表并冷卻時(shí)，由于磷灰石4He／3He熱年代學(xué)對(duì)樣品經(jīng)歷的低溫階段（30～90℃）的熱歷史的靈敏性，所以磷灰石中（U-Th）／He年齡和4He／3He熱年代學(xué)可以很好地示蹤這種過(guò)程（Shuster et al.，2005；Schildgen et al.，2010；Flowers et al.，2012）。例如，Shuster等（2005）利用4He／3He熱年代學(xué)方法研究了加拿大西海岸Klinaklini山谷的剝蝕速率，成功地揭示了第四紀(jì)快速剝蝕事件。他們?cè)谏焦鹊囊粋?cè)沿高程（2 074～43m）采集了4個(gè)樣品，沿山谷的另一側(cè)采集了1個(gè)樣品（高程200m）（圖5）。用4He／3He熱年代學(xué)方法對(duì)這5個(gè)樣品進(jìn)行了熱歷史模擬（圖6），每一個(gè)樣品都能提供一個(gè)獨(dú)特的但內(nèi)部相似的熱歷史信息，綜合這5個(gè)樣品各自的冷卻信息得出，距今1.8Ma以來(lái)，該地區(qū)冰川快速下切剝蝕，并且至少2km的上覆巖石被超過(guò)5mm／a的速率剝蝕掉。

圖5 Klinaklini山谷的地形剖面及對(duì)應(yīng)高程的采樣點(diǎn)（Shuster et al.，2005）Fig.5 Topographic profile and elevation-correspondent sampling sites of Klinak lini valley（after Shuster et al.，2005）.

圖6 利用磷灰石4He／3He比值圖模擬的5個(gè)樣品的冷卻歷史Fig.6 The cooling history of the 5 samp les simulated usingapatite4He／3He ratios（after Shuster et al.，2005）.圖例所示為樣品的年齡及對(duì)應(yīng)的高程（Shuster et al.，2005）

5 結(jié)論

通過(guò)質(zhì)子照射磷灰石使其形成均勻分布的3He，這不僅可以用來(lái)計(jì)算He的擴(kuò)散系數(shù)，還可以用每個(gè)階段釋放的3He來(lái)標(biāo)化4He，如此得到的4He／3He比值圖反映了最初4He的空間分布。正演和反演模型用來(lái)確定礦物中4He的空間分布，從而限制礦物所經(jīng)歷的熱歷史。盡管到目前為止4He／3He熱年代學(xué)方法還存在一些問(wèn)題，但是其對(duì)低溫?zé)釟v史（30～90℃）的靈敏性使得這種熱年代學(xué)方法在用來(lái)限制冰川侵蝕或者河流下切的時(shí)間和速率、反演低溫冷卻歷史等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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APATITE4He／3He THERMOCHRONOM ETRY—A NEW M ETHOD OF LOW TEM PERATURE THERMOCHRONOM ETRY

YANG Jing1，2）ZHENG De-wen1）CHEN Wen2）ZHANG Zhu-qi1）
1）State Key Laboratory of Earthquake Dynamics，Institute of Geology，China Earthquake Adm inistration，Beijing 100029，China
2）Institute of Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Laboratory of Isotope Thermochronology，National Key Laboratory of Continental Structure and Dynamic，Beijing 100037，China

The apatite has the lowest available He closure temperature（about 70℃）；the4He concentration profile is a very rich source of information on an apatite's low temperature（30～90℃）cooling history. According to classical diffusion theory，the4He／3He thermochronometry technique in which the natural spatial distribution of4He is constrained using amathematical technique in a samp le containing synthetic，proton-induced3He.The approach is useful for constraining the low temperature cooling histories of individual samp les.The review gives the fundamental theory，simulation method，the example app lication of this thermochronometry technique and the potential applications.Although this technique is in the exploration，but the sensitivity of the low-temperature cooling history makes this method have broad prospects.

4He／3He thermochronometry，apatite，cooling history，4He concentration profile

P597+.3

A

0253-4967（2014）04-1009-11

楊靜，女，1984年生，現(xiàn)為中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所博士后，主要從事40Ar／39Ar年代學(xué)和（U-Th）／He年代學(xué)研究，電話(huà)：010-68999819，E-mail：yangjing822822＠gmail.com。

10.3969／j.issn.0253-4967.2014.04.006

2013-01-22收稿，2014-05-31改回。

國(guó)家自然科學(xué)基金（41272215）和地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題（2009LED2009A05）共同資助。