裂變徑跡分析及其在地質(zhì)問題中的應(yīng)用

李亞男， 彭治超， 戴銀月

(1．西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，西安 710069；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,陜西 咸陽 712100)

1 裂變徑跡與裂變徑跡分析

當帶電的核粒子通過絕緣固體時，它們會留下破壞原子的直線軌跡，這反映了原子尺度上的強烈破壞.裂變徑跡是損傷特征，裂變徑跡分析是對礦物中這些特征的研究和表征.自然或自發(fā)的軌跡幾乎完全由地質(zhì)樣品中的同位素238U自發(fā)裂變產(chǎn)生的，由于235U和232Th等自然發(fā)生的重同位素的裂變半衰期太長，無法產(chǎn)生大量的軌道.

裂變徑跡形成的目前最理想的模型是離子.這可能是最廣為接受的軌道編隊模型，Chadderton(1988)考慮了目前運行的物理過程，從經(jīng)典和量子力學(xué)的角度來看軌道的形成[1].他強調(diào)了在軌道上碎片原子碰撞中可能發(fā)生的所有的可能性所涉及到的困難.此外，為了預(yù)測一個潛在的軌跡，精確的晶體模型的固體是很有必要的.由于這些原因，離子尖峰模型應(yīng)被視為軌道形成過程的第一近似值，軌道形成綜合理論的發(fā)展仍需做大量工作.裂變徑跡分析在許多領(lǐng)域中的應(yīng)用包括地質(zhì)，是率先在上世紀60年代早期由Fleischer，Price和Walker在通用電器公司在紐約州的研究實驗室中提出來的.他們的開創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)，在1975年出版的原理和應(yīng)用中總結(jié)了這一主題的研究.這項研究的動機是一次透射電鏡觀察的潛在的裂變徑跡，發(fā)現(xiàn)了自發(fā)裂變徑跡天然云母可以觀察到在氫氟酸蝕刻后光的存在，化學(xué)蝕刻的過程開辟了軌道，使他們可以觀察到光.一個裂變徑跡蝕刻的寬度和長度取決于實際礦物化學(xué)蝕刻劑的性質(zhì).建立一個一致的校準和樣品制備技術(shù)非常重要，所有公布的數(shù)據(jù)應(yīng)伴隨的蝕刻過程的充分描述(Hurford 2000a，b)[2].蝕刻過程的細節(jié)超出了我們的審查范圍，但有用的摘要是在Fleischer第3章(2008)[3].

2 裂變徑跡分析在地質(zhì)問題中的應(yīng)用

裂變徑跡分析的各種應(yīng)用無處不在，包括在巖石中的應(yīng)用.裂變徑跡分析作為一種傳統(tǒng)的斷代方法，最普遍的應(yīng)用是新生代的火山玻璃和玻璃碎片.玻璃的裂變徑跡分析已成為一個熱門，因為通常缺乏合適的時間來進行常規(guī)同位素年齡的測定.在本文中，我們并沒有進一步考慮這一應(yīng)用.我們更專注于一些傳統(tǒng)上應(yīng)用裂變徑跡法來測年有所障礙的方面，比如軌道的相對低溫穩(wěn)定性和單一封閉溫度在解釋裂變徑跡年齡時通常不合適的事實.我們考慮4個基本的應(yīng)用研究，在沉積盆地熱史分析、造山帶或造山帶的演化，非造山環(huán)境中的應(yīng)用.Dumitru(2010)提供了一個最近的裂變徑跡資料在第四紀地質(zhì)年代學(xué)中的應(yīng)用[4].

2.1 在物源研究的應(yīng)用

許多沉積物來源于已經(jīng)存在的巖石的侵蝕，因此碎屑磷灰石和鋯石顆?？梢园紵N源巖中積累的裂變徑跡.物理風(fēng)化和侵蝕不影響固位、穩(wěn)定裂變徑跡，但保存物源相關(guān)的軌跡取決于侵蝕源區(qū)經(jīng)歷的溫度歷史，以及沉積物隨盆地演變而變化的歷史.磷灰石的相對低溫穩(wěn)定性意味著這種礦物的應(yīng)用有限，盡管它已經(jīng)在某些情況下使用.(Corrigan,Crowley 2002，Rohrmann2005，Lonergan，2008).盆地的溫度為60 ℃～70 ℃之間(通常埋深大于2 km)[5-7].鋯石的高溫穩(wěn)定性和對物理輸運的一般抗性，表明鋯石在物源相關(guān)研究中得到了廣泛的應(yīng)用.

外部探測器方法特別適合于物源研究，因為可以從單個礦物中獲得裂變徑跡年齡(Hurford，2011).如果分析了足夠的單顆粒，就可以利用裂變徑跡分析來確定沉積物中不同年齡組分，并將它們直接與源區(qū)聯(lián)系起來.對不同來源的識別，可以對剝蝕速率和方向的推斷作出一定的推論.為了獲得統(tǒng)計上有用的結(jié)果，對于給定的樣品，應(yīng)獲得足夠數(shù)量的單顆粒齡.例如，Hurford等人使用50～100粒，雖然kowallis等人(2006)認為，如果物源是簡單的，只要有5～10粒足矣.最佳粒數(shù)不是固定的，取決于模態(tài)年齡之間的分離程度，每種模式固有的不同精度，以及每個種群中的相對比例[8-9].

2.2 在沉積盆地熱歷史分析中的應(yīng)用

裂變徑跡數(shù)據(jù)是溫度、時間的敏感指標，這種認識也使得這種技術(shù)在沉積盆地熱歷史分析中得以應(yīng)用.很多研究都集中在磷灰石，因為在這個礦物裂變徑跡系統(tǒng)的溫度范圍(±50 ℃～±130 ℃)與油氣生成的范圍相吻合.因此，磷灰石裂變徑跡分析已成為油氣勘探和成熟建模的常規(guī)方法.阿恩總結(jié)了應(yīng)用裂變徑跡分析礦床特別是密西西比河谷型礦床，盡管應(yīng)用較為有限，因為一般常見的碳酸鹽巖往往不包含足夠的磷灰石和鋯石.在盆地分析背景中，最早討論裂變徑跡分析的是Naeser(1979)，他描述了磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)中所預(yù)測的趨勢[10].淺層低溫樣品應(yīng)反映沉積物物源，而更深、更熱的樣品則反映了盆地的熱歷史.通過格萊多和后來的研究者在澳大利亞東南部的奧特韋盆地沉積物提供了一個有力的論證，這已成為長期退火磷灰石的經(jīng)典參考研究.

2.2.1 簡單埋藏與磷灰石部分退火帶(Paz)

奧特韋盆地的一個主要優(yōu)勢是沉積巖是從同期火山巖中派生出來的.因此，裂變徑跡中的“時間零點”是有效地層年齡.此外，埋藏歷史比較簡單，因此可以合理地重建沉積物的溫度歷史.裂變徑跡年齡數(shù)據(jù)的趨勢反映了徑跡長度分布的變化.因此，狹窄長度分布和長期平均軌道長度的淺層樣品的年齡差不多，相當于地層時代，同時逐步深入的樣本顯示了較短的平均軌道的長度和寬的長度分布.如上面所述，軌道長度和裂變徑跡年齡減少的區(qū)域被稱為部分退火帶(Paz).這個區(qū)域是一個近似值，因為在所有地質(zhì)時間尺度上，退火都是一個與加熱速率有關(guān)的過程.此外，通過化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)引入的復(fù)雜性進一步使PAZ的一個溫度范圍的定義變得模糊.Naeser等人報道了位于加利福尼亞盆地地塊第三紀沉積物中的非零裂變徑跡年齡，目前的溫度為140 ℃，與奧特韋盆地數(shù)據(jù)相比，總退火的溫度范圍(從第一個零裂變徑跡年齡到所有的零年齡)都相對有限.Naeser等人得出結(jié)論，這種抑制退火并不是一種合成效應(yīng).在圣華金流域的極快地被掩埋(例如:中新世沉積后的超逾3 000 m)提供了一種物理機制，降低地溫梯度，目前是大約22 ℃/km.然而，它是不明確的，可能和一些其他的機制有關(guān).

2.2.2 沉積盆地中鋯石裂變徑跡分析

鋯石裂變徑跡分析在盆地分析和熱史研究的背景下應(yīng)用相對較少，主要原因是它的高溫穩(wěn)定性.根據(jù)上述的實驗室和自然退火實驗，鋯石裂變徑跡退火預(yù)測模型的最新進展表明，鋯石裂變徑跡分析將在今后的熱史和定量盆地研究中發(fā)揮更大的作用.尤其是在那些潛在的烴源巖溫度超過磷灰石穩(wěn)定區(qū)的地區(qū)，例如南部北海盆地.

2.3 在造山帶的應(yīng)用

圖1 磷灰石裂變徑跡冷卻曲線

在造山帶中，大陸輻合是由地殼增厚、側(cè)向堆積和剝蝕作用而形成的.英國Molnar認為，地殼長度尺度上的地表隆起是造山過程中所測量的基本位移.這類的隆起對重力的工作要求很大，與在主要推力斷層中克服剪切應(yīng)力的工作相比，這是一個相當大的工程.在大陸碰撞區(qū)的水平縮短是地殼增厚的主要原因，平均地表隆起率反映了板塊的收斂速度.一種替代機制包括在造山帶下面地幔巖石圈的密度分布的變化，導(dǎo)致地表隆起.在這種情況下，地表隆起的速率不受板塊收斂速度的直接控制，而且比與簡單地殼縮短相兼容的地表抬升速率要高得多.然而，測量地表隆起速率，以及在地質(zhì)時間尺度上的變化率，是一個特別困難的問題.如果在侵蝕造山帶和沿造山帶腹地的高角和低角斷層的側(cè)向和徑向排出，獲得時間和速率信息，就可以對這些變量施加有用的約束.

造山帶形成了一個大的區(qū)域，變形是不均勻分布的，因此它的運動學(xué)與邊界巖石圈板塊的運動并沒有任何的聯(lián)系.因此，在時間和從造山帶變形運動學(xué)本身獲得的信息，結(jié)合其侵蝕的歷史信息，可以揭示造山過程的動力學(xué)特征.裂變徑跡分析為冷卻提供了定量的信息，也有可能提供剝蝕和構(gòu)造剝蝕的估計.為了提取這些信息，我們需要考慮裂變徑跡數(shù)據(jù)的解釋是如何得到的.在碰撞造山帶的情況下，適當考慮三種可能的參考框架：熱、高程，它們被用來解釋裂變徑跡數(shù)據(jù).我們依次考慮這些問題，并結(jié)合各種相關(guān)的研究進行討論.

2.3.1 熱的參考框架

使用不同輻射技術(shù)對同源樣品中的礦物通常包括鋯石和磷灰石，其冷卻歷史溫度下限為幾百度的溫度區(qū)間.盡管封閉溫度概念一般不應(yīng)用于同位素年齡，采用封閉溫度方式解釋裂變徑跡有具體的問題.將裂變徑跡年齡與封閉溫度相關(guān)聯(lián)的結(jié)果是，當在閉合后沒有明顯的退火時，這是很可能的.這需要快速冷卻，這應(yīng)該反映在軌道長度的分布上.圖1中給出的例子有一個由磷灰石分析所定義的冷卻曲線的下半部分，它的平均軌道長度有很大的降低，并證明了雙峰性的分布.因此，計算出的年齡并不反映時間.一個±110 ℃～±120 ℃封閉溫度，但它表明一個更復(fù)雜的低溫冷卻的歷史.根據(jù)最近的數(shù)據(jù)，從上述冷卻歷史推斷出的鋯石閉合溫度似乎是合理的.然而很清楚，軌道長度信息對于全面了解裂變徑跡數(shù)據(jù)中包含的低溫冷卻歷史信息是至關(guān)重要的.即使在沒有可靠的定量退火模型(如鋯石)的情況下，軌道長度數(shù)據(jù)也能對推斷出的冷卻速率的有效性進行定性評估.這并沒有揭示去頂樣品的過程，但是它提供了關(guān)于冷卻開始的時間和冷卻的速度的寶貴信息.雖然我們可以用定量熱模型來模擬裂變徑跡數(shù)據(jù).歷史上，由于經(jīng)驗退火模型的變幻莫測，最佳擬合溫度歷史轉(zhuǎn)換到等效深度需要另一層解釋.

圖2 裂變徑跡年齡-高程圖

2.3.2 高程基準框架

一段時間以來，在山區(qū)采集的樣品往往產(chǎn)生磷灰石裂變徑跡年齡與樣品的高度呈正相關(guān).這個空間(垂直)的參照系被用來估計隆起的速度(圖2).更準確的被稱為剝蝕的估計.盡管存在一些嚴重的缺點，但通常使用年齡高程圖來推斷剝蝕和抬升速率.這些簡化解釋的一些典型問題包括：(1)假設(shè)冷卻僅僅是侵蝕的結(jié)果；(2)對退火帶的忽視；(3)巖石樣品垂直等溫線的隱式假設(shè)；(4)使高程不再反映地殼原始樣品深度的空間關(guān)系的變化.

2.4 對非造山的應(yīng)用

2.4.1 被動大陸邊緣與大陸內(nèi)部

與造山帶地形相反，地形是地殼增厚的結(jié)果，被動大陸邊緣形成于以地殼變薄和沉降為主的區(qū)域伸展環(huán)境中.然而，一個完整的被動大陸邊緣演化模型必須考慮邊緣陸上地形的演變，以及海上邊際盆地的沉降.不像近海盆地，記錄保留在地層垂直運動中，一個被動大陸邊緣的陸上部分通常沒有保留直接記錄其地形的歷史.由于侵蝕，改變古高度的證據(jù)(如高架海相沉積或不同年齡的古海岸線)可能是在邊緣的初始發(fā)展階段了.高分辨率地震反射資料的豐富，為海洋沉積的計算提供了一種新的方法.這一類型的數(shù)據(jù)被用來重建鄰近的陸地地區(qū)的廣義剝蝕歷史.這種方法的一個主要限制是沉積物的源區(qū)是未知的.磷灰石裂變徑跡分析法可以有效地解決這一問題，因為它可以直接估計陸地剝蝕的空間分布.結(jié)合這些互補的數(shù)據(jù)集，為量化大陸邊緣和內(nèi)陸的剝蝕歷史的數(shù)量、模式和年表提供了一種極其有力的方法.

2.4.2 裂谷相關(guān)加熱與剝蝕冷卻

非造山環(huán)境中的熱狀態(tài)是垂直分量的.傳熱在地殼上部(<10 km)中占主導(dǎo)地位.此外，與大陸裂谷作用有關(guān)的伸展作用和相關(guān)巖漿作用的地下熱效應(yīng)在很大程度上局限于伸展、地殼變薄和下沉的區(qū)域.在陸地上，裂變徑跡樣本被收集，地殼淺部的熱梯度在很大程度上不受裂谷過程的影響.這些環(huán)境中巖石的低溫熱歷史主要受近穩(wěn)態(tài)地熱的垂直位移控制.因此，剝蝕是這一背景下的主要控制過程，所以冷卻速率是由剝蝕速率決定的.

2.4.3 被動邊緣地形與地形發(fā)展模式

陸上的被動邊緣顯示地形形態(tài)變化大，反映了剝蝕、排水、巖性和構(gòu)造控制之間的復(fù)雜相互作用.這一復(fù)雜性表明，一個單一的被動邊緣形成模型不太可能為所有的邊緣提供一個令人滿意的解釋.有許多地球物理模型可以解釋被動邊緣的長期地形的起源，但很少有人試圖解釋地形隨時間變化的原因.同樣地，許多地貌模型也提供了關(guān)于地形可能在地質(zhì)時間尺度上發(fā)生變化的解釋，但未能為模型的工作提供良好的物理基礎(chǔ).磷灰石裂變徑跡分析的優(yōu)勢是它測量邊緣地形的模式和剝蝕年代的潛力.從而通過他們預(yù)測的分析特征剝蝕的歷史來分析模型.

3 結(jié)語

裂變徑跡分析自20世紀60年代初就出現(xiàn)了，當時Fleischer，Price和Walker第一次考慮了這一技術(shù)與地質(zhì)問題的相關(guān)性.過去幾十年左右的地質(zhì)應(yīng)用已經(jīng)有了很大的發(fā)展，主要是由于對數(shù)據(jù)中所包含的信息的理解有所提高.軌道長度數(shù)據(jù)的認知對于理解裂變徑跡年齡和定量退火模型的后續(xù)發(fā)展是至關(guān)重要的.閉式溫度概念不普遍有效的事實證明是一個積極的結(jié)果.在實踐中，這意味著，從單一裂變徑跡分析，可以構(gòu)造一個比年齡基本解釋更詳細的熱史.在這篇綜述中，我們簡要地討論了尚未解決的問題.這包括一個對軌道形成和退火的機制的真實理解，以及對影響退火的因素的完整的描述.如化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)等.將實驗室退火實驗外推到地質(zhì)時間尺度上，總是會有一定程度的信心，認為主導(dǎo)機制不會改變.對不同礦物(如磷灰石)的中間到長時間刻度(如103～108年)的案例研究是必要的.最后一個問題是，分析過程相對勞動密集型，原則上，通過自動化和圖像分析可以改進這個過程.一些正在進行的工作集中在這一領(lǐng)域，但迄今為止還沒有實際的系統(tǒng).這種技術(shù)有很多可供選擇的條件，只要它在適當?shù)臈l件中使用.裂變徑跡作為石油行業(yè)勘探的工具證明了這一點.在區(qū)域構(gòu)造背景下，詳細的取樣戰(zhàn)略與結(jié)構(gòu)的映射可以提供關(guān)鍵信息，為理解構(gòu)造斷裂系統(tǒng)的演化，以及解決剝蝕和侵蝕的貢獻降溫.隨著更多的區(qū)域裂變徑跡數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，對長期地形演化的了解有更大的余地.也許，微觀尺度的裂變徑跡可以為了解地質(zhì)年代尺度上的宏觀到大陸尺度過程提供獨特的依據(jù).

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