壓力對(duì)磷灰石裂變徑跡退火的影響初步探討

卓魚周，趙紅格，李蒙，高少華

西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069

壓力對(duì)磷灰石裂變徑跡退火的影響初步探討

卓魚周，趙紅格，李蒙，高少華

西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/地質(zhì)學(xué)系，陜西西安710069

磷灰石裂變徑跡分析技術(shù)是確定巖石低溫?zé)釟v史的一種有效方法，其退火后徑跡長(zhǎng)度受多種因素影響，如溫度、壓力、磷灰石的化學(xué)成分、徑跡與結(jié)晶C軸的夾角、蝕象直徑（Dpar）以及年齡等，但壓力的影響很少有文章論述.在調(diào)研大量國(guó)內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上，通過將統(tǒng)計(jì)后的數(shù)據(jù)作圖來闡明壓力對(duì)徑跡退火的影響.研究結(jié)果表明壓力對(duì)徑跡的退火具有重要影響，壓力越大，退火后得到的徑跡長(zhǎng)度越短，且隨著壓力的增大，徑跡變短的程度也在增大.當(dāng)壓力小于150 MPa時(shí)，壓力的影響可以忽略，這時(shí)徑跡退火主要受溫度影響.壓力和溫度在磷灰石裂變徑跡退火時(shí)起到相互彌補(bǔ)的作用，即高壓、低溫與低壓、高溫都能達(dá)到相同的退火程度.

磷灰石；裂變徑跡；壓力；熱史模擬；退火率

0 引言

磷灰石裂變徑跡分析是確定巖石低溫（＜300℃±）熱歷史的一項(xiàng)技術(shù)，是建立在238U自發(fā)裂變輻射損傷效應(yīng)基礎(chǔ)上的一種同位素定年方法.Fleischer等［1］最早對(duì)裂變徑跡的研究奠定了裂變徑跡的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并發(fā)現(xiàn)了裂變徑跡的退火現(xiàn)象，而且將其直接用于礦物年齡的測(cè)定上.近年來隨著裂變徑跡測(cè)年方法研究的日益深入，特別是20世紀(jì)80年代以來隨著Zeta常數(shù)定年法和Durango等標(biāo)準(zhǔn)年齡樣品的使用［2］、單顆粒沉積碎屑物的測(cè)年［3］、磷灰石退火動(dòng)力學(xué)模型［4］等方面的研究使得裂變徑跡熱年代學(xué)得到迅猛發(fā)展［5］.

磷灰石裂變徑跡的退火行為是模擬熱歷史的基礎(chǔ)，磷灰石退火除了受溫度、時(shí)間、壓力等外界條件影響外，還受磷灰石自身?xiàng)l件的影響，如磷灰石的化學(xué)成分（Cl、F、OH、Mn、REE）［6］、晶體結(jié)構(gòu)［7］、徑跡與結(jié)晶C軸的夾角［8-9］、蝕象直徑（Dpar）以及年齡［10］等.長(zhǎng)期以來認(rèn)為壓力在磷灰石裂變徑跡退火中不起作用，但最近的研究表明，除了溫度、時(shí)間外，壓力也是控制磷灰石裂變徑跡退火的一個(gè)重要影響因素.本文在大量統(tǒng)計(jì)研究前人實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，探討了壓力對(duì)裂變徑跡長(zhǎng)度及退火率的影響.指出在高壓環(huán)境下壓力對(duì)裂變徑跡退火有重要影響，150 MPa以下時(shí)壓力的影響可以忽略.并且壓力和溫度在影響磷灰石裂變徑跡退火時(shí)起到相互彌補(bǔ)的作用.

1 磷灰石裂變徑跡退火的影響因素

裂變徑跡具有一定的初始長(zhǎng)度，大約為16 μm，且其對(duì)溫度具有極好的敏感性.當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，徑跡發(fā)生愈合，導(dǎo)致徑跡密度減小、徑跡長(zhǎng)度縮短，這一特性稱為退火［11］.其退火過程受磷灰石化學(xué)成分的影響，磷灰石的主要成分為Ca5（PO4）3（F，Cl，OH），當(dāng)Ca被Ba、Sr所替換時(shí),退火速率會(huì)降低［11］.富氯的磷灰石的退火溫度高于富氟的磷灰石，即富氯原子的磷灰石裂變徑跡相對(duì)于富氟磷灰石的裂變徑跡具有更強(qiáng)的抗退火能力［12-13］.Ravenhurst等［14］指出富Mn的氟磷灰石的退火速率與氯磷灰石相似；Donelick［15］指出富稀土元素的氟磷灰石也具有與氯磷灰石類似的退火速率.磷灰石晶體各項(xiàng)異性的結(jié)構(gòu)特征使磷灰石在不同的結(jié)晶方向上具有不同的徑跡退火效應(yīng)，平行于C軸的裂變徑跡比垂直于C軸的裂變徑跡表現(xiàn)為更強(qiáng)的抵抗退火的特征［8］.當(dāng)磷灰石在被化學(xué)試劑腐蝕時(shí)，其平行于C軸的腐蝕速率和垂直于C軸的腐蝕速率也存在各向異性，為3∶1左右，因而在統(tǒng)計(jì)時(shí)，平行于C軸的裂變徑跡非常細(xì)小，不易被發(fā)現(xiàn)，而垂直于C軸的裂變徑跡非常明顯.用來定量表征磷灰石溶解度的一個(gè)重要指標(biāo)就是我們?cè)诜治鲋兴鶞y(cè)量的Dpar指與結(jié)晶C軸平行的、與拋光面相交的裂變徑跡蝕刻象長(zhǎng)度. Dpar可在顯微鏡下直接測(cè)定.通常，Dpar越小，徑跡退火速率越快［12］.

壓力對(duì)磷灰石裂變徑跡退火過程的研究由來已久，最早Ahrens［16］、Fleischer［1］、Lakatos［17］等都對(duì)壓力的影響做過研究，但他們都認(rèn)為壓力的影響相比于溫度微不足道.Wendt［18-19］認(rèn)為前人的研究都是定性的，其結(jié)果并不可靠.他通過大量的實(shí)驗(yàn)定量分析并認(rèn)為，壓力對(duì)徑跡的退火過程具有重要影響，將目前的模型應(yīng)用到地質(zhì)問題中將對(duì)研究剝蝕率，剝蝕量產(chǎn)生很大的誤差.Vidal［20］、Kohn［21］等對(duì)Wendt的實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)論進(jìn)一步修改后認(rèn)為在解決地質(zhì)問題時(shí)，壓力對(duì)裂變徑跡退火過程所起的作用不能忽視，否則在計(jì)算退火率，剝蝕量時(shí)將產(chǎn)生很大的誤差.

2 壓力對(duì)徑跡退火的影響

為了探討壓力對(duì)磷灰石裂變徑跡的影響，Wendt等［18-19］在不同的溫壓下對(duì)不同的磷灰石樣品進(jìn)行退火行為的研究.所有的樣品用5mol/LHNO3在室溫20℃的條件下刻蝕20 s，然后用蒸餾水和酒精清洗干凈后捕獲徑跡.所得到的徑跡顯微照片如圖1.

圖1 不同壓力條件下磷灰石退火后徑跡的顯微照片（據(jù)文獻(xiàn)［19］）Fig.1 Micrographs for fission track annealing of apatite under different pressures（From Reference［19］）

從圖1中可以清楚的看到，在相同的退火條件下，隨著壓力的增大，徑跡逐漸變短.Schmidt［22］等在Wendt實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上又測(cè)試了大量的樣品，對(duì)壓力的影響作進(jìn)一步的研究，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1.

表1 不同溫壓下磷灰石樣品的裂變徑跡退火數(shù)據(jù)Table 1 Fission track annealing data for Durango apatite at different temperatures and pressures

將表1中的數(shù)據(jù)投在圖2中，圖2中壓力為2 GPa和4 GPa時(shí)的裂變徑跡退火數(shù)據(jù)來源于表1，壓力為0.1 MPa和150 MPa時(shí)的裂變徑跡退火數(shù)據(jù)來源于Barbarand［23］和Galbraith［24］的文獻(xiàn)中.通過這些信息可以分析壓力對(duì)徑跡及退火程度的影響.

從圖2及表1可以看到：1）相同溫度下，壓力越大，經(jīng)過相同的退火時(shí)間后，所得到的徑跡長(zhǎng)度越短. 2）壓力為150 MPa時(shí)，經(jīng)過退火后得到的徑跡長(zhǎng)度與在正常大氣壓下經(jīng)過相同的溫度退火后得到的徑跡長(zhǎng)度相差無幾.3）當(dāng)壓力相差很大時(shí)，經(jīng)過相同條件退火后所得到的徑跡長(zhǎng)度有很大差別.在相同的條件下，溫度越高，則不同壓力下徑跡的長(zhǎng)度差別也越大.例如在表1中，當(dāng)溫度為20℃，退火10 h后，壓力為2 GPa時(shí)退火后平均徑跡長(zhǎng)度為15.31 μm，壓力為4 GPa時(shí)退火后平均徑跡長(zhǎng)度為15.08 μm.而溫度為150℃時(shí)，在相同的條件下的徑跡長(zhǎng)度則分別為13.04 μm，11.58 μm.說明在150℃時(shí)由壓力所引起的裂變徑跡長(zhǎng)度及退火程度（l/l0為退火程度）差異已經(jīng)很大.換言之，壓力和溫度在徑跡長(zhǎng)度變短時(shí)起到相互彌補(bǔ)的作用，即高壓、低溫與低壓、高溫都能達(dá)到相同的退火程度.如圖2a徑跡長(zhǎng)度為14 μm的輔助線所示.若退火后徑跡相同，在退火1 h后，則壓力為150 MPa、2 GPa、4 GPa時(shí)的溫度差大概溫50℃左右，即由于壓力的不同，徑跡達(dá)到相同的退火程度后可產(chǎn)生50℃的溫度差異.所以這時(shí)若不考慮壓力的影響則可能在觀察到同一徑跡長(zhǎng)度時(shí)產(chǎn)生50℃的退火溫度差異.

圖2 不同壓力下的裂變徑跡退火曲線（據(jù)文獻(xiàn)［22］）Fig.2 Curves for fission track annealing under different pressures（After Reference［22］）

目前已有大量的經(jīng)驗(yàn)公式將退火結(jié)果外推到地質(zhì)尺度上［25］，但是幾乎沒有人能弄清楚退火的物理學(xué)機(jī)制并且能定量的預(yù)測(cè)退火結(jié)果［22］.解釋磷灰石退火過程及其與溫度時(shí)間關(guān)系的動(dòng)力學(xué)模型有扇形模型、平行線性模型、多元模型等，其中平行線性模型最為簡(jiǎn)單明了，但這些模型都有一個(gè)致命的弱點(diǎn)，就是沒有考慮壓力對(duì)退火過程的影響.不同的磷灰石有各自獨(dú)立的活化容積（依賴于磷灰石的化學(xué)組成和原始徑跡長(zhǎng)度），所以沒有一個(gè)典型而適用于所有樣品的退火模型.

為了更進(jìn)一步闡明壓力對(duì)退火過程的影響，在線性模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Wendt［18］的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重新建立模型，以確定壓力對(duì)其影響.磷灰石退火的線性模型的形式如下：

其中：t為時(shí)間，l0為原始徑跡長(zhǎng)度，l為退火后徑跡長(zhǎng)度，T為溫度，A、B、C為系數(shù).壓力的影響與磷灰石退火反映的活化能有關(guān)，用B·C表示此活化能大小.

Vidal［21］通過大量的磷灰石退火實(shí)驗(yàn)將以上線性公式確定為：

其中：t為時(shí)間，l0為原始徑跡長(zhǎng)度，l為退火后徑跡長(zhǎng)度，P為壓力，T為溫度.

實(shí)驗(yàn)的誤差為±5℃，±0.01 GPa.運(yùn)用上述公式，可以計(jì)算在不同的壓力及時(shí)間尺度下的磷灰石裂變徑跡退火后的長(zhǎng)度.

3 討論及注意問題

在地質(zhì)時(shí)間內(nèi)，磷灰石的裂變徑跡隨時(shí)間不斷產(chǎn)生.在經(jīng)歷過熱事件后，地層溫度迅速下降，這時(shí)溫度對(duì)徑跡長(zhǎng)度的影響是主導(dǎo)因素.隨著時(shí)間的推移，地層溫度逐漸穩(wěn)定，壓力卻沒有經(jīng)歷太大的變化，這時(shí)壓力的影響則不容忽視.圖2揭示的不同溫壓條件下的徑跡長(zhǎng)度及退火過程清楚的說明了這一問題.

由圖2可知，當(dāng)壓力為150 MPa時(shí)，在相同條件下退火后得到的徑跡長(zhǎng)度與在正常大氣壓下退火后得到的徑跡長(zhǎng)度相差無幾.這說明在地下5 km（壓力梯度為3 MPa/100 m）以內(nèi)徑跡長(zhǎng)度變化的影響主要來自溫度，壓力的影響可以忽略.但當(dāng)?shù)貙由疃瘸^5 km，壓力大于150 MPa時(shí)，若不考慮構(gòu)造活動(dòng)及應(yīng)力釋放的影響，且原始地層沒有發(fā)生抬升冷卻，則地表剝露的巖石可能記錄了地下的高壓環(huán)境，這時(shí)壓力對(duì)徑跡長(zhǎng)度的影響便不能忽略.另外，地層中的流體壓力、靜巖壓力、超壓等都可以使地層壓力大于正常壓力，這些將使壓力的影響更加顯著［26-27］.所以在采樣時(shí)應(yīng)考慮采樣深度，特別是在老地層采樣時(shí)，應(yīng)采集不同類型的樣品，且樣品應(yīng)分布于多個(gè)時(shí)代.并且在根據(jù)徑跡長(zhǎng)度模擬熱史時(shí)應(yīng)多組數(shù)據(jù)相互印證，選取最合理的值作為最終結(jié)果，這樣才能盡可能的減小誤差.特別是采集超深鉆原位樣品時(shí)一定要考慮壓力的影響，因?yàn)檫@種情況下的樣品很可能記錄原始地層的高壓環(huán)境.

雖然壓力對(duì)裂變徑跡退火的影響已有了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐，但圖2所反映的壓力均為高壓環(huán)境，如2 GPa和4 GPa，這相當(dāng)于地下100 km的深度，此時(shí)的地溫亦較高，這不符合實(shí)驗(yàn)中0～400℃的溫度，即便用板塊俯沖時(shí)的低溫高壓環(huán)境去解釋都極其勉強(qiáng)，所以壓力對(duì)裂變徑跡退火過程的影響在實(shí)際應(yīng)用中還需進(jìn)一步探討.

4 結(jié)論

磷灰石裂變徑跡分析技術(shù)是計(jì)算地層剝蝕量、抬升速率及模擬熱史的一種有效方法，但壓力對(duì)其影響不容忽視.隨著壓力的增大，其退火后的徑跡長(zhǎng)度變得越短，且壓力越大，這種趨勢(shì)越明顯.壓力和溫度在磷灰石裂變徑跡退火時(shí)起到相互彌補(bǔ)的作用，即高壓、低溫與低壓、高溫都能達(dá)到相同的退火程度.在相同條件下，高壓比低壓時(shí)的退火程度要大.但當(dāng)壓力在150 MPa以下時(shí)，壓力的影響便不明顯.壓力對(duì)磷灰石裂變徑跡退火過程的影響還只是初步探討，在實(shí)際應(yīng)用中還存在許多問題，還需作進(jìn)一步的研究.

本文是在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上初步探討壓力對(duì)裂變徑跡退火過程的影響，希望引起國(guó)內(nèi)有關(guān)專家對(duì)該方面研究的重視.限于作者水平，文中難免存在不妥甚至錯(cuò)誤之處，望有關(guān)同行專家不吝指正.

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PRELIMINARY DISCUSSION ON THE IMPACT OF PRESSURE ON FISSION TRACK ANNEALING OF APATITE

ZHUO Yu-zhou,ZHAO Hong-ge,LI Meng,GAO Shao-hua

State Key Laboratory of Continental Dynamics/Department of Geology,Northwest University,Xi′an 710069,China

Fission track analysis of apatite is an effective method to determine low temperature thermal history of rocks.The track length after annealing is affected by many factors such as temperature,pressure,chemical composition of apatite,the included angle between track and crystallographic C axis,etched diameter（Dpar）and age,but there are few articles about the effect of pressure.Based on a large number of domestic and oversea literatures,the authors illustrate the effect of pressure on track annealing by plotting the statistical data.The results show that pressure has significant effects on track annealing:The greater the pressure is,the shorter the track length after annealing is.With the pressure increasing,the degree of shortened track also increases.When the pressure is less than 150 MPa,the influence of pressure may be negligible,and the track annealing is mainly affected by temperature.Pressure and temperature complement each other in the fission track annealing of apatite,namely,high pressure with low temperature,or low pressure with high temperature, can all achieve the same degree of annealing.

apatite;fission track;pressure;thermal history simulation;annealing rate

1671-1947（2015）02-0141-05

P589.1

A

2014－05－05；

2014-06-25.編輯：李蘭英．

國(guó)家自然科學(xué)基金（41330315，40902032）；西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科技部專項(xiàng)（BJ08133-14，BJ081334-2）.

卓魚周（1988—），男，碩士研究生，西北大學(xué)礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，主要從事盆地構(gòu)造分析方面的研究工作，E-mail//zhuoyuzhou163@163.com