山西呂梁山地區(qū)中—新生代隆升剝露過程：磷灰石裂變徑跡證據(jù)

任星民朱文斌朱曉青王璽羅夢(mèng)

摘要：運(yùn)用磷灰石裂變徑跡熱年代學(xué)方法研究了華北克拉通呂梁山地區(qū)前寒武系雜巖體及其周邊盆地的構(gòu)造熱演化過程，這對(duì)于進(jìn)一步探討和認(rèn)識(shí)華北克拉通演化和破壞等科學(xué)問題有重要意義。結(jié)果表明：山西呂梁山地區(qū)磷灰石裂變徑跡年齡分布于40～138 Ma，記錄了呂梁山地區(qū)早白堊世以來的冷卻事件；裂變徑跡年齡與海拔高程呈正相關(guān)關(guān)系，線性相關(guān)系數(shù)為0.789；磷灰石顆粒的圍限徑跡長(zhǎng)度范圍為10.62～12.99 μm，遠(yuǎn)小于其初始長(zhǎng)度（16.3 μm），表明樣品經(jīng)歷了長(zhǎng)期的退火過程。磷灰石裂變徑跡時(shí)間溫度模擬結(jié)果表明呂梁山地區(qū)經(jīng)歷了兩期快速隆升：第1期冷卻事件對(duì)應(yīng)晚侏羅世—早白堊世呂梁山山體發(fā)生的劇烈冷卻抬升，該事件使得樣品進(jìn)入部分退火帶，隨后長(zhǎng)期處于部分退火帶；第2期則表現(xiàn)為漸新世以來呂梁山地區(qū)出現(xiàn)伸展造山運(yùn)動(dòng)，與山西地塹系形成盆山耦合，山體快速隆升剝蝕。此外，中新世末（約9 Ma）以來，青藏高原快速隆升向東擴(kuò)展的遠(yuǎn)程效應(yīng)對(duì)呂梁山地區(qū)構(gòu)造的影響不明顯。

關(guān)鍵詞：低溫?zé)崮甏鷮W(xué)；隆升剝露；裂變徑跡；中—新生代；構(gòu)造熱事件；盆山耦合；山西

中圖分類號(hào)：P314.2；P578.92+2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

華北克拉通以其獨(dú)特的演化歷史受到地學(xué)界的廣泛關(guān)注和研究[14]。呂梁山地區(qū)地處山西省西部，位于華北克拉通中部構(gòu)造帶，其東為山西地塹系，其西通過離石大斷裂與鄂爾多斯盆地相分割[5]。由于其構(gòu)造位置的特殊性，呂梁山地區(qū)成為研究華北克拉通地質(zhì)演化的重要窗口之一[69]。呂梁山脈的主體是元古代呂梁雜巖體[1012]，上覆古生代以來的沉積巖系，因此，對(duì)呂梁雜巖體及其上覆的后期沉積地層的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)研究有助于了解華北克拉通基底中—新生代以來的冷卻、剝蝕、演化歷史，進(jìn)而對(duì)鄂爾多斯盆地及山西地塹系中—新生代以來的構(gòu)造演化提供制約[13]?；诖耍疚囊詤瘟荷诫s巖體為研究對(duì)象，通過系統(tǒng)采樣，借助磷灰石裂變徑跡的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)手段，探討山西呂梁山地區(qū)中—新生代以來的隆升剝露過程。

1地質(zhì)背景與采樣

呂梁山山體呈近SN向分布，西部為離石大斷裂，東部為山西地塹系，北部為寧武向斜，南部為產(chǎn)狀舒緩的石炭紀(jì)—二疊紀(jì)地層；呂梁山核部為前寒武系雜巖體[8，14]，主要由太古代變質(zhì)巖及深成侵入巖組成（圖1）[15]。本次研究的樣品取自呂梁山山體的前寒武系及其周邊盆地內(nèi)古生代地層，總計(jì)15個(gè)。樣品F70、F71位于呂梁山山體東部，為二疊系上石盒子組砂巖；樣品F73、F74位于山體西部鄂爾多斯盆地內(nèi)；樣品F73為二疊系上石盒子組砂巖；樣品F74為二疊系山西組砂巖；其余11個(gè)均為前寒武系樣品。采樣過程利用便攜式GPS記錄采樣點(diǎn)的高度及經(jīng)緯度，樣品海拔在749～1 965 m范圍內(nèi)，樣品采集點(diǎn)分布見圖2。

2試驗(yàn)方法

裂變徑跡測(cè)年試驗(yàn)樣品的前期處理工作在中國地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，后期測(cè)試工作在南京大學(xué)裂變徑跡實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。樣品經(jīng)破碎、篩選、磁選及重液挑選出純凈的磷灰石顆粒，將磷灰石顆粒用環(huán)氧樹脂固定后拋光，然后用低鈾多硅白云母作為外探測(cè)器進(jìn)行裂變徑跡分析。相關(guān)試驗(yàn)條件為：磷灰石自發(fā)裂變徑跡蝕刻條件為5.5 mol·L-1 HNO3、20 ℃、20 s；白云母誘發(fā)裂變徑跡蝕刻條件為40%HF、室溫、20 min[16]，Zeta標(biāo)定選用國際標(biāo)準(zhǔn)樣品Fish Canyon Tuff 磷灰石（年齡為（27.8±0.7）Ma）及美國國際標(biāo)準(zhǔn)管理局CN5標(biāo)準(zhǔn)鈾玻璃，個(gè)人Zeta值為320.3±5.2。樣品熱中子輻照在中國原子能科學(xué)研究院401#反應(yīng)堆進(jìn)行。徑跡統(tǒng)計(jì)采用Autoscan裂變徑跡測(cè)試系統(tǒng)，在Zeiss Axioplan2 偏光顯微鏡放大1 000倍條件下完成。本文磷灰石裂變徑跡的封閉溫度采用（110±10）℃，部分退火帶溫度為60 ℃～110 ℃[1718]，裂變徑跡年齡誤差為±1σ。

如果樣品的表觀年齡值小于地層年齡，說明埋藏的最大古地溫大于封閉溫度，樣品完全退火，記錄的是通過最后封閉溫度時(shí)的事件。應(yīng)用[KG10x]χ2統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)顆粒年齡是否服從泊松分布，即所有顆粒是否屬于同一組分[19]。一般情況下，當(dāng)χ2檢驗(yàn)值大于5%時(shí)，樣品通過χ2檢測(cè)，說明該樣品的年齡分布服從泊松分布，屬于同一年齡組分，可以使用池年齡（Pool Age）；如果未能通過χ2檢驗(yàn)，即χ2檢驗(yàn)值小于5%，表明年齡為非單一組分，說明被測(cè)礦物顆粒來自不同的物源區(qū)，或者樣品在部分退火帶里時(shí)間過長(zhǎng)[1920]，這時(shí)必須使用中值年齡（Central Age）。

圖件引自文獻(xiàn)[15]，有所修改

圖1山西呂梁山地區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)圖

Fig.1Simplified Structural Map of Luliangshan Area of Shanxi

圖件引自文獻(xiàn)[5]，有所修改

圖2磷灰石裂變徑跡樣品位置分布

Fig.2Location of Apatite Fission Track Samples

3試驗(yàn)結(jié)果

11個(gè)前寒武系樣品的裂變徑跡年齡分布范圍為（48.9±2.1）～（1387±6.6）Ma，都遠(yuǎn)小于成巖年齡。前人研究表明，鄂爾多斯盆地古生界地層最大古地溫一般在150 ℃～240 ℃之間，最大古地溫的時(shí)間則限制在晚侏羅世—早白堊世（120～160 Ma）[15，2122]，因此，樣品經(jīng)歷了完全退火，其裂變徑跡年齡反映了晚侏羅世—早白堊世以來的熱事件。4個(gè)沉積巖樣品中，樣品F74為山西組，樣品F70、F71、F73為上石盒子組，成巖年齡大于250 Ma。然而4個(gè)樣品的年齡為（39.9±1.9）～（104.6±6.6）Ma，遠(yuǎn)小于其地層年齡，亦表明樣品經(jīng)歷了后期事件的影響，年齡被重置（表1、圖3）。

所有樣品年齡分布在（39.9±6.6）～（138.7±1.9）Ma之間，跨度近100 Ma。樣品F68為呂梁山核部花崗巖，海拔最高，裂變徑跡年齡最大。樣品F73為盆地內(nèi)沉積巖樣品，海拔最低，裂變徑跡年齡最小。從圖4可以看出，山西呂梁山地區(qū)磷灰石樣品符合裂變徑跡年齡海拔高程模型，即高程高的樣品早通過部分退火帶，年齡大且高程低的樣品反之[23]。利用高差法可以計(jì)算出相應(yīng)年齡段的隆升速率[24]。對(duì)所有樣品年齡進(jìn)行線性擬合，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.789，隆升速率為9.6 m·Ma-1。該結(jié)果說明在40～140 Ma期間，呂梁山地區(qū)可能經(jīng)歷了穩(wěn)定的緩慢隆升。

所有樣品的平均圍限徑跡長(zhǎng)度范圍為1062～12.99 μm，遠(yuǎn)小于其初始長(zhǎng)度（16.3 μm）[2526]，表明樣品經(jīng)歷了長(zhǎng)期的退火過程。此外，15個(gè)樣品中，有2個(gè)樣品（F57和F70）未能通過χ2檢驗(yàn)。樣品F57為石英巖，樣品F70為砂巖，可能因?yàn)闃悠分械牧谆沂瘉碓床灰恢?，具有不同的退火?dòng)力學(xué)，在長(zhǎng)期的退火過程中導(dǎo)致磷灰石顆粒間差異擴(kuò)大，從而導(dǎo)致χ2檢驗(yàn)值小于5%。

4熱演化史模擬

為了進(jìn)一步了解山西呂梁山地區(qū)巖體所經(jīng)歷的冷卻歷史，利用HeFTy軟件（1.6.7版本）對(duì)樣品所經(jīng)歷的構(gòu)造熱演化進(jìn)行熱演化史模擬[2728]，選用Monte Carlo反演模型和Ketcham退火模型[16，2931]，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)事件，以期恢復(fù)樣品的時(shí)間溫度演化歷史。根據(jù)測(cè)得的單顆粒年齡和徑跡長(zhǎng)度（經(jīng)過C軸校正）數(shù)據(jù)，綜合已知的地質(zhì)事件，利用計(jì)算機(jī)模擬重現(xiàn)樣品的時(shí)間溫度軌跡[26，32]。初始徑跡長(zhǎng)度（Lo）根據(jù)裂變徑跡蝕刻凹坑直徑（Dpar）并按照公式Lo=0.238+15.63Dpar確定的[3334]，計(jì)算機(jī)模擬100 000次得到擬合曲線。一般而言，單個(gè)樣品徑跡長(zhǎng)度測(cè)量條數(shù)大于50條才能達(dá)到模擬要求，徑跡長(zhǎng)度測(cè)量條數(shù)大于100條的則熱模擬可信度更高[35]。本次研究所有樣品徑跡長(zhǎng)度測(cè)量條數(shù)均大于50條，其中有5個(gè)樣品超過了100條。樣品F64通過C軸投影后未能給出可接受的模擬結(jié)果，因此，其徑跡長(zhǎng)度分布沒有經(jīng)過C軸投影，模擬結(jié)果僅供參考（圖5）。

模擬結(jié)果表明：除樣品F73、F74外，其余樣品的模擬結(jié)果均顯示呂梁山山體于晚侏羅世—早白堊世經(jīng)歷了快速冷卻事件。該事件使得這些樣品進(jìn)入部分退火帶；晚白堊世至始新世末，呂梁山山體緩慢抬升冷卻；從漸新世開始，該地區(qū)又進(jìn)入快速冷卻階段。與之相對(duì)應(yīng)的是，在盆地內(nèi)部的樣品F73、F74均顯示從古近紀(jì)以來的持續(xù)抬升冷卻。

5討論

燕山運(yùn)動(dòng)對(duì)山西呂梁山地區(qū)的構(gòu)造演化意義重大，其基本構(gòu)造形態(tài)就是在這一時(shí)期形成的。晚侏羅世—早白堊世，亞洲大陸處于多向匯聚擠壓動(dòng)力

表1磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)

Tab.1Apatite Fission Track Data

樣品編號(hào)高程/m采樣位置經(jīng)緯度Ncρd/106 cm-2Ndρs/105 cm-2Nsρi/105 cm-2NiU含量/10-6χ2檢驗(yàn)值/%裂變徑跡年齡/Ma平均徑跡長(zhǎng)度/μmNjDpar/μm

F541 584（38.092°[KG-5x]N，111.489°[KG-5x]E）257.861 9662.131 6632.441 90544.250.14108.9±4.711.30±0.201121.83

F571 487（37.999°[KG-5x]N，111.263°[KG-5x]E）271.062 6568.551 19512.071 68713.70.06120.6±7.411.52±0.161001.96

F611 446（38.150°[KG-5x]N，111.308°[KG-5x]E）2710.212 5521.912 3733.274 05737.415.4894.9±3.511.77±0.151161.79

F621 542（37.764°[KG-5x]N，111.503°[KG-5x]E）2510.102 5255.559238.671 44111.728.97102.7±5.11.71

F631 545（37.765°[KG-5x]N，111.503°[KG-5x]E）289.992 4991.216091.6984820.020.71113.9±6.71.59

F641 198（37.692°[KG-5x]N，111.756°[KG-5x]E）279.892 4735.561 14917.953 70820.898.1448.9±2.111.26 ±1.53641.41

F651 153（37.653°[KG-5x]N，111.736°[KG-5x]E）259.792 4475.741 26712.602 79915.384.9670.5±3.011.42±1.60711.43

F671 660（37.80°[KG-5x]N，1 111.488°[KG-5x]E）199.582 3952.864465.318268.199.9082.1±5.31.58

F681 965（37.787°[KG-5x]N，111.422°[KG-5x]E）259.482 3691.611 2351.801 33522.493.63138.7±6.610.62±1.601281.74

F691 259（37.722°[KG-5x]N，111.347°[KG-5x]E）259.372 3435.8181111.601 62014.898.9874.6±3.811.75±1.91611.54

F70881（37.426°[KG-5x]N，111.881°[KG-5x]E）269.272 3171.327753.792 2878.90.7650.5±3.111.72±1.841181.91

F711 339（37.711°[KG-5x]N，111.907°[KG-5x]E）289.162 2912.925284.0573460.45.69104.6±6.610.66±1.61522.03

F73749（37.408°[KG-5x]N，110.793°[KG-5x]E）258.962 2387.268062.602 88537.120.4239.9±1.911.97±1.74581.93

F74790（37.550°[KG-5x]N，111.976°[KG-5x]E）268.852 2141.961 0096.543 36422.734.9542.3±1.913.08±1.48672.10

F801 250（37.898°[KG-5x]N，111.233°[KG-5x]E）258.222 0562.021 8874.304 01971.893.2961.5±2.411.84±1.711121.85

注：樣品F54和F80為花崗片麻巖，樣品F57為石英巖，樣品F61為石英云母片巖，樣品F62為灰白色花崗巖；樣品F63和F64為花崗巖，樣品F65為輝綠巖，樣品F67為花崗閃長(zhǎng)巖，樣品F68為粗粒花崗巖，樣品F69為片麻狀花崗巖，樣品F70、F71、F73和F74為砂巖；樣品F54、F61～F64、F67～69和F80層位為太古宙，樣品F57和F65層位為元古宙，樣品F70、F71和F73層位為上石盒子組，樣品F74層位為山西組；Nc為樣品顆粒數(shù)；ρd為鈾標(biāo)準(zhǔn)玻璃對(duì)應(yīng)外探測(cè)器的誘發(fā)徑跡密度；Nd為鈾標(biāo)準(zhǔn)玻璃的誘發(fā)徑跡數(shù)；ρs[KG-20x]為自發(fā)徑跡密度；Ns為自發(fā)徑跡數(shù)；ρi為誘發(fā)徑跡密度；Ni為誘發(fā)徑跡數(shù)；χ2檢驗(yàn)值表示自由度為（Nc-1）時(shí)[KG10x]χ2概率；Nj為所測(cè)量的圍限徑跡長(zhǎng)度的數(shù)目。

學(xué)格局中[36]。太平洋板塊向亞洲大陸俯沖，使中國東部處于左行剪切狀態(tài)，并由此派生出的NW向擠壓導(dǎo)致華北板塊內(nèi)部廣泛的構(gòu)造變形和陸內(nèi)造山，山西地塊西部呂梁隆起帶形成。在研究區(qū)東部發(fā)育一系列燕山期擠壓形成的寬緩短軸褶皺，走向?yàn)镹E向和NNE向[37]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)周圍有中生代侵入巖出露，其年齡在110～130 Ma之間[5，38]。根據(jù)巖漿活動(dòng)、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及磷灰石裂變徑跡等分析結(jié)果，呂梁山地區(qū)中生代構(gòu)造熱事件發(fā)生在晚侏羅世—早白堊世。

樣品F68海拔最高，裂變徑跡年齡也最大，其模擬結(jié)果卻未能體現(xiàn)晚中生代的構(gòu)造熱事件。模擬結(jié)果表明在180 Ma前后該樣品進(jìn)入部分退火帶，隨后緩慢冷卻。這可能是因?yàn)樵摌悠吩谕碇猩呀?jīng)進(jìn)入部分退火帶的上部（APAZ），構(gòu)造熱事件并沒有影響到樣品所在的部位。同時(shí)，可以推測(cè)海拔高于樣品F68的巖石樣品均未受到中生代構(gòu)造熱事件的影響。可以利用呂梁山地區(qū)河沙中的磷灰石顆粒做進(jìn)一步確認(rèn)，并揭示該區(qū)域更早的熱事件。

在一系列劇烈的構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變后，呂梁山地區(qū)進(jìn)入穩(wěn)定緩慢的隆升期（21～120 Ma）。模擬結(jié)果與樣品裂變徑跡年齡海拔高程模型得出的結(jié)論基本一致。利用樣品裂變徑跡年齡海拔高程模型可以直觀得到該時(shí)期呂梁山隆升速率為9.6 m·Ma-1，同時(shí)說明呂梁山地區(qū)在緩慢隆升階段沒有發(fā)生熱擾動(dòng)，山體隆升是一致的。

圖3磷灰石裂變徑跡單顆粒年齡雷達(dá)圖

Fig.3Radar Diagrams of Single Grain Age of Apatite Fission Track

4個(gè)沉積巖樣品中，樣品F70、F71在呂梁山山體邊緣，其模擬結(jié)果與呂梁山山體前寒武系樣品一致，表明在呂梁山山體周邊的上覆地層與前寒武系基底熱演化具有一致性。而在盆地內(nèi)的樣品F73和F74裂變徑跡年齡較小，分別為（39.9±1.9）、（42.3±1.9）Ma。模擬結(jié)果顯示出的持續(xù)隆升與李建星等的研究結(jié)果類似[3941]。樣品F73、F74所在地層發(fā)生傾斜導(dǎo)致山西組海拔高于上石盒子組，使得樣品F74也早于樣品F73進(jìn)入部分退火帶。這表明在呂梁山山體穩(wěn)定隆升階段，周邊的盆地卻在經(jīng)歷著諸如翹傾、斷層、褶皺的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)不斷改變著地層所經(jīng)受的熱歷史。

圖4磷灰石裂變徑跡年齡與海拔高程的關(guān)系

Fig.4Relationship Between Apatite Fission Track Ages and Altitudes

漸新世以來的呂梁山山體隆升使樣品經(jīng)歷了持續(xù)冷卻抬升。靜樂—保德地區(qū)新近系蘆子溝組底部為砂礫石層（圖6），該組古地磁年齡、沉積物電子自旋共振（ESR）同位素年齡介于12～23 Ma[42]。此時(shí)，呂梁山山體的快速隆升提供了充足的物源，同時(shí)山西地塹快速下陷沉積[43]，兩者為盆山耦合；這樣的伸展作用形成了呂梁山山體與盆地的高差，隆升速率為51.5 m·Ma-1，地溫梯度為每百米3.3 ℃[21，44]。

樣品F64、F71熱演化史模擬結(jié)果顯示，距今9 Ma呂梁山巖體發(fā)生一次快速冷卻事件，與鄂爾多斯西緣的六盤山9 Ma以來的快速隆升相互響應(yīng)[4547]，但是由于樣品F64通過C軸投影后未能給出可接受的模擬結(jié)果，所以其徑跡長(zhǎng)度分布沒有經(jīng)過C軸投影；樣品F71圍限徑跡少，而且單顆粒裂變徑跡年齡（40～225 Ma）較為分散，χ2檢驗(yàn)值也較小，因此，該樣品模擬結(jié)果可信度不高。綜上所述，晚中新世以來，青藏高原快速隆升向東擴(kuò)展的遠(yuǎn)程效應(yīng)[48]對(duì)呂梁山地區(qū)構(gòu)造的影響不明顯。

6結(jié)語

（1）山西呂梁山地區(qū)經(jīng)歷了兩次主要的構(gòu)造隆升期（晚侏羅世—早白堊世、漸新世至今）及其中間的緩慢隆升期。

（2）呂梁山地區(qū)的造山隆升始于晚侏羅世（150 Ma），該事件使該地區(qū)劇烈冷卻抬升，樣品進(jìn)入部分退火帶。呂梁山地區(qū)磷灰石裂變徑跡年齡分布于40～138 Ma，圍限徑跡長(zhǎng)度10.62～12.99 μm，樣品裂變徑跡年齡與海拔高程具有正相關(guān)關(guān)系；呂梁山地區(qū)經(jīng)歷了穩(wěn)定的整體性緩慢隆升，隆升速率為96 m·Ma-1。漸新世以來，呂梁山出現(xiàn)伸展造山運(yùn)動(dòng)，與山西地塹系形成盆山耦合，山體快速隆升剝蝕，隆升速率為51.5 m·Ma-1。

（3）中新世末（約9 Ma）以來，青藏高原快速隆升向東擴(kuò)展的遠(yuǎn)程效應(yīng)對(duì)呂梁山地區(qū)構(gòu)造的影響不明顯。

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)室萬景林副研究員、龐建章碩士研究生在樣品制作和測(cè)試期間給予了指導(dǎo)和幫助，在此一并致謝！

參考文獻(xiàn)：

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