碎屑磷灰石裂變徑跡分析

摘" "要：古生代以來，西秦嶺地區(qū)經(jīng)歷了復(fù)雜地質(zhì)演化過程，本文對5件古生—中生代碎屑巖樣品進(jìn)行磷灰石裂變徑跡年代學(xué)分析，以反演西秦嶺地區(qū)經(jīng)歷的構(gòu)造熱事件。磷灰石的裂變徑跡年齡分199～155 Ma、94～64 Ma兩組，西秦嶺地區(qū)經(jīng)歷的4個(gè)階段熱演化：第一階段（200～120 Ma）反映了侏羅紀(jì)華南、華北板塊的俯沖-碰撞事件；第二階段（120～65 Ma）反映了白堊紀(jì)一次較快的冷卻事件；第三階段（65～20 Ma）反映了古近紀(jì)青藏高原東北部隆升活動；第四階段（20 Ma至今）反映了中新世青藏高原向NE向的增生作用。

關(guān)鍵詞：青藏高原東北緣；西秦嶺；裂變徑跡；磷灰石；熱演化史

西秦嶺位于昆侖-祁連-秦嶺中央造山帶中段，北部為華北板塊，南部為松潘-甘孜濁積巖地體，中—晚三疊世阿尼瑪卿-勉略古特提斯洋碰撞閉合后，西秦嶺進(jìn)入陸內(nèi)演化階段，直至新生代印度板塊與歐亞板塊碰撞匯聚，使西秦嶺卷入青藏高原構(gòu)造系統(tǒng)[1-8]。磷灰石等礦物裂變徑跡低溫?zé)崮甏鷮W(xué)分析技術(shù)日趨成熟，巖石時(shí)間-溫度熱演化歷史可提供地表至下地殼演化的關(guān)鍵信息，在地質(zhì)熱事件及地質(zhì)熱演化歷史反演的研究中取得了很多新進(jìn)展[9-11]。本文對西秦嶺地區(qū)陽坡-大草灘一線的古生—中生代中-細(xì)碎屑巖典型樣品開展磷灰石裂變徑跡分析，探討西秦嶺地區(qū)經(jīng)歷的地質(zhì)熱事件、隆升剝蝕過程及熱演化歷史。

1" 地質(zhì)背景與采樣

秦嶺造山帶是中二疊—中侏羅世華北、華南板塊碰撞形成的，徽成盆地、佛坪穹隆將其分為東秦嶺和西秦嶺造山帶[12-15]。西秦嶺造山帶西面以共和盆地與東昆侖及柴達(dá)木毗連，北面與祁連-北秦嶺造山帶相鄰，南面以阿尼瑪卿-勉略縫合帶為界，東面以寶成鐵路為界與東秦嶺相連[1，6-7]。西秦嶺造山帶自北向南包括中秦嶺隆起、洮河坳陷和白龍江隆起3個(gè)次級構(gòu)造單元（圖1）[3，16-18]。中秦嶺隆起下伏元古界變質(zhì)基底，與上古生界海相地層覆蓋的揚(yáng)子板塊基底相似；洮河坳陷主要由濁積巖組成，其時(shí)代存在爭議，范圍從早三疊世至晚三疊世；白龍江隆起下伏元古界綠片巖相變質(zhì)基底，上覆古生界沉積蓋層[16-17]。太古宙—古元古代（3.0～2.6 Ga）西秦嶺基底形成以來，歷經(jīng)商丹原特提斯洋、阿尼瑪卿-勉略古特提斯洋的演化，三疊紀(jì)阿尼瑪卿-勉略古特提斯洋盆關(guān)閉，歷經(jīng)南側(cè)古、中、新特提斯洋盆演化的影響，直至新生代印度板塊持續(xù)向北俯沖造成西秦嶺地區(qū)的陸內(nèi)變形和青藏高原東北部的隆升[2-3，19-20]。

研究區(qū)處于青海、四川、甘肅三省交界處，位于西秦嶺中部，主要沿陽坡郭家山組-大草灘組一線剖面開展野外調(diào)查。郭家山組主要由粉砂質(zhì)板巖和粉砂巖組成，另有砂巖和灰?guī)r構(gòu)成的復(fù)理石沉積建造，沉積特征表明其屬陸棚內(nèi)緣斜坡相和陸棚邊緣盆地相[21]。大草灘組為一套紫紅色陸相碎屑巖建造，其鋯石206Pb/238U年齡為405～375 Ma [22]。本文采集5件古生—中生代碎屑巖樣品，每件樣品重量均大于2 kg，以保證樣品分析時(shí)能分選出足夠數(shù)量的磷灰石顆粒（表1，圖2）。

2" 磷灰石裂變徑跡分析方法

對所有樣品磨制探針薄片，在徠卡顯微鏡下進(jìn)行巖礦鑒定（圖2）。將樣品粉碎研磨至60目，運(yùn)用常規(guī)方法對粉碎研磨后的樣品進(jìn)行粗選及自然晾干，然后運(yùn)用磁選法、常規(guī)重液分離法及介電選等手段，結(jié)合雙目鏡分選提純，每件樣品精選出磷灰石單礦物超100粒。

將磷灰石顆粒鑲嵌在環(huán)氧樹脂上，研磨和拋光，露出顆粒內(nèi)表面。在21 ℃下將磷灰石顆粒用5.5 M HNO3溶液刻蝕20 s，以揭示礦物自發(fā)徑跡，達(dá)到利用專業(yè)光學(xué)顯微鏡可觀測的程度，用CN-5標(biāo)準(zhǔn)鈾玻璃測定磷灰石顆粒的中子注量。將低鈾白云母作為外探測器與礦物一同放入核反應(yīng)堆進(jìn)行輻照，后將外探測器拆下，在25 ℃下用40%HF溶液蝕刻20 min，以揭示出礦物誘發(fā)徑跡。在徑跡分析中，選擇平行c軸的柱面，用AUTOSCAN系統(tǒng)測量自發(fā)徑跡和誘發(fā)徑跡密度，以及水平圍限徑跡長度[23-24]，年齡通過IUGS推薦的標(biāo)準(zhǔn)裂變徑跡方程和Zeta常數(shù)標(biāo)定法計(jì)算[25]。

本文磷灰石裂變徑跡分析測試在中國科學(xué)院高能物理研究所完成，實(shí)驗(yàn)獲得磷灰石Zeta常數(shù)為353±18 a/cm2。據(jù)Galbraith檢測法數(shù)理統(tǒng)計(jì)參數(shù)χ2值進(jìn)行判別所測單顆粒是否屬同一年齡組[26]，利用礦物單顆粒自發(fā)和誘發(fā)裂變徑跡數(shù)計(jì)算P（χ2），若P（χ2）≥5%，表示礦物顆粒屬同一年齡組，其表觀年齡用池年齡表示，指示某一特定地質(zhì)熱事件[27-28]；若P（χ2）lt;5%，表示礦物顆粒屬混合年齡組，其表觀年齡用中心年齡表示 [29]。

3" 磷灰石裂變徑跡熱年代學(xué)

3.1" 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

磷灰石裂變徑跡年齡為（199±16）～（64±5）Ma（表2）。利用Radial Plotter軟件對磷灰石裂變徑跡年齡進(jìn)行分析（圖3），樣品X-11-2、X-11-3、X-11-6的P（χ2）≥5%，屬同一年齡組，具單個(gè)年齡峰值；樣品X-11-4、X-11-7的P（χ2）＜5%，屬混合年齡組，可反映物源區(qū)信息。

磷灰石裂變徑跡平均長度為（12.0±1.8）～（12.7±1.6） μm，變化范圍相對較窄，長度值偏小，表明樣品在磷灰石裂變徑跡部分退火帶溫度區(qū)間內(nèi)停留時(shí)間較長，部分樣品裂變徑跡長度分布呈雙峰型，具兩個(gè)相對集中區(qū)間，代表發(fā)生過熱重疊。此外只有樣品X-11-4測試的磷灰石顆粒數(shù)目小于20粒，其余樣品均大于20粒。所有樣品圍限徑跡測試條數(shù)均超過50條，表明樣品數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。

3.2" 西秦嶺地區(qū)隆升與剝蝕恢復(fù)結(jié)果

新近紀(jì)西秦嶺研究區(qū)海拔高度約2 500 m，由于樣品磷灰石裂變徑跡年齡較大（≥39 Ma），因此取古地表高程為1 500 m[1，30-31]。隆升量U計(jì)算公式如下[32]：

[U＝ΔH+D+Δs.l．]" " " " " " " " " " （1）

式（1）中：ΔH代表現(xiàn)今地表與古地表高程差，D代表剝蝕量，Δs.l.代表海平面變化幅度，磷灰石裂變徑跡封閉溫度對應(yīng)的埋藏深度等于D+Δs.l.。本文磷灰石裂變徑跡封閉溫度取100 ℃，造山帶平均地溫梯度取35 ℃/km[33]，則D＋Δs.l.＝2 860 m。從而有：

[U=ΔH+2 860]" " " " " " " " " " " （2）

式（2）中：2 860 m代表剝蝕的部分，U代表樣品從磷灰石裂變徑跡封閉溫度冷卻至現(xiàn)今地表溫度的隆升量。隆升速率VU的計(jì)算公式如下：

[VU=U/Δt]" " " " " " " " " " " " " （3）

式（3）中：Δt為樣品實(shí)測年齡以來發(fā)生隆升的時(shí)間間隔，即樣品磷灰石裂變徑跡年齡。

取現(xiàn)今地表平均溫度15 ℃，磷灰石封閉溫度（TA）至現(xiàn)今地表溫度（Tsurf）階段冷卻速率Cr（℃/Ma）計(jì)算公式如下[34-35]：

[Cr =（TA-Tsurf）/tm]" " " " " " （4）

式（4）中：tm為現(xiàn)今出露地表樣品的年齡，即磷灰石裂變徑跡年齡。剝蝕速率為冷卻速率與地溫梯度比值。

所得樣品平均隆升量為3 927.8 m，平均隆升速率為0.038 mm/a，平均冷卻速率為0.83 ℃/Ma，平均剝蝕速率為0.024 mm/a（表3）。

3.3" 熱反演模擬結(jié)果

本文基于多維Markov Chain Monte-Carlo（MCMC）迭代方法，據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的磷灰石退火參數(shù)，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)背景（樣品地層沉積初始年齡與地表溫度），使用動態(tài)溫度差值（Temp.offset）或定量最大（最?。囟炔钪邓惴ㄟM(jìn)行有效限定，結(jié)合隨機(jī)選擇和迭代算法（約100 000次）得到與觀測數(shù)據(jù)限定的樣品熱史相似的可能模型熱史[36]。一般模擬最終時(shí)間與溫度差值評價(jià)參數(shù)為0.2～0.5，裂變徑跡退火為0.8～0.95，表明所得模型熱史結(jié)果較佳[37]。

運(yùn)用QTQt軟件對研究區(qū)P（χ2）≥5%的3件樣品X-11-2、X-11-3、X-11-6進(jìn)行的熱演化歷史反演，起始溫度定在高于磷灰石裂變徑跡退火帶底部溫度的120 ℃，終止溫度定為西秦嶺現(xiàn)今地表溫度10 ℃。模擬結(jié)果顯示：洮河凹陷兩件樣品X-11-2、X-11-3熱史模擬結(jié)果類似，在120～65 Ma保持較快冷卻速率（平均冷卻速率約為1.47 ℃/Ma），而在65～20 Ma之后冷卻速率變緩慢（平均冷卻速率為0.22 ℃/Ma）（圖4-a，b）；中秦嶺隆起樣品X-11-6在200～105 Ma保持較快冷卻速率（平均冷卻速率約為0.74 ℃/Ma），而在105～20 Ma表現(xiàn)為一次比較平緩的冷卻甚至再加熱過程（平均冷卻速率為-0.08 ℃/Ma）（圖4-c）。3件樣品在約20 Ma后發(fā)生一次快速冷卻過程（平均冷卻速率為2.75 ℃/Ma）。

4" 討論

樣品磷灰石裂變徑跡年齡小于所處地層年代，說明樣品經(jīng)歷了完全退火作用。磷灰石裂變徑跡年齡可分為199～155、94～64 Ma兩組，指示研究區(qū)所經(jīng)歷的地質(zhì)熱事件。其中199～155 Ma年齡段指示侏羅紀(jì)期間金沙江、雙湖古特提斯洋的關(guān)閉及班公湖-怒江中特提斯洋底高原的俯沖增生事件；94～64 Ma時(shí)間段指示了晚白堊世—古新世發(fā)生的一次較快隆升冷卻事件，與班公湖-怒江中特提斯洋盆的關(guān)閉有關(guān)[16-18，38]。

磷灰石裂變徑跡年齡表現(xiàn)出自北而南、自東而西變小趨勢（圖5-a，b），說明研究區(qū)東北部大草灘區(qū)域先于西南部陽坡區(qū)域發(fā)生隆升，這種區(qū)域差異性隆升可能是由于白堊紀(jì)構(gòu)造活動的活躍造成[39-40]。研究區(qū)磷灰石裂變徑跡年齡與高程呈正相關(guān)關(guān)系（圖5-c），說明研究區(qū)所經(jīng)歷的長期復(fù)雜隆升剝蝕運(yùn)動是連續(xù)且整體的，未遭受其他地質(zhì)熱事件影響。其中3件大草灘碎屑巖樣品（X-11-4、X-11-6、X-11-7）的裂變徑跡年齡之間存在差異，可能是源區(qū)不斷隆升剝蝕過程所致；也可能是該區(qū)域整體發(fā)生不均勻受力形變，不同部位受力不同，因此導(dǎo)致某些部位活動發(fā)生了停滯。

據(jù)磷灰石裂變徑跡劃分4個(gè)熱演化階段：第一階段（200～120 Ma），侏羅—白堊紀(jì)華北、華南板塊發(fā)生俯沖、碰撞，古特提斯洋盆閉合，海水退出，最終形成西秦嶺造山帶[3，13，15，41]。其中，中侏羅—早白堊世（約170～135 Ma）可能主要由拉薩地體沿班公-怒江縫合帶與歐亞大陸的碰撞所記錄[37]；第二階段（120～65 Ma），早白堊世（120～100 Ma）發(fā)生了一次較快的區(qū)域性隆升冷卻事件，該事件也被眾多近期研究的AFT數(shù)據(jù)記錄[4，19，39，42-45]，可能與西秦嶺北緣的隆升有關(guān)[19，39，42]。此外，該事件在北祁連山、阿爾金山、南祁連山、酒西盆地北緣、天山、西秦嶺乃至整個(gè)中國西部地區(qū)均有記錄[46-50]，因此也可能是由于華北板塊自北而南，揚(yáng)子板塊自南而北相向朝秦嶺造山帶之下發(fā)生陸內(nèi)俯沖，造成白堊紀(jì)秦嶺造山帶區(qū)域性陸內(nèi)造山隆升作用[45-46， 51]。早白堊世該次構(gòu)造事件可能是新生代構(gòu)造事件的觸發(fā)因素，導(dǎo)致青藏高原東北緣長期處于繼承性巖石圈薄弱帶[46，50]。之后從白堊紀(jì)開始一直持續(xù)至古近紀(jì)（100～65 Ma），鄂爾多斯地體、揚(yáng)子地塊發(fā)生反向旋轉(zhuǎn)，加之拉薩地體、羌塘地體向NE向推擠，最終形成了現(xiàn)今西秦嶺地質(zhì)-地貌景觀[6，15，41，52]；第三階段（65～20 Ma），顯示出的冷卻降溫過程與阿爾金主斷裂在65～28 Ma的隆升剝露冷卻過程[53]，以及祁連山地體在約60～45 Ma的構(gòu)造剝露事件相對應(yīng)[46]，可能由于新特提斯洋發(fā)生閉合，印度板塊向北繼續(xù)俯沖，始新世早—中期青藏高原東北部發(fā)生了變形及地表隆起[4，39]；第四階段（20 Ma至今），中新世時(shí)期，青藏高原向NE向的增生作用擴(kuò)展至西秦嶺北緣地區(qū)。東昆侖造山帶擴(kuò)張及西寧盆地、臨夏盆地和循化盆地的沉陷表明了NE向的擠壓應(yīng)力，而西秦嶺東段的張性斷陷盆地則代表了NW向拉張應(yīng)力。這些現(xiàn)象共同證明了在高原整體的擠壓環(huán)境下，松潘-甘孜地塊向東擠出的現(xiàn)象。在中新世晚期（～10 Ma），祁連山地區(qū)廣泛存在隆升剝露冷卻過程，與北祁連山逆沖斷層構(gòu)造活動有關(guān)[46]。同時(shí)，拉脊山地區(qū)經(jīng)歷了明顯的隆升過程，整體地勢上差異不明顯[54-55]。

5" 結(jié)論與認(rèn)識

（1） 磷灰石裂變徑跡年齡分為199～155 Ma、94～64 Ma兩組，反映了三疊紀(jì)末以來西秦嶺地區(qū)經(jīng)歷的構(gòu)造熱事件。

（2） 研究區(qū)5件樣品的隆升量分別為3 769 m、" " " 4 154 m、4 132 m、3 942 m、3 642 m，平均隆升量為" " " 3 927.8 m，平均隆升速率為0.038 mm/a。

（3） 據(jù)磷灰石裂變徑跡進(jìn)行熱反演模擬，結(jié)果可劃分為200～120 Ma、120～65 Ma、65～20 Ma、20 Ma至今四個(gè)階段，分別反映了西秦嶺地區(qū)所經(jīng)歷的四期熱演化歷史。

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Fission Track Analyses of Detrital Apatite： A Case Study of Jurassic-Cenozoic

Thermal Evolution in the Northeastern Margin of the Qinghai-Tibet Plateau

Wu Jinxu1， Xu Qinqi2， Pan Quanyong2， Yang Peilin3， Jin Xin4

（1.College of Earth and Planetary Sciences，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing，100049，China;

2.Chin Sinopec Northwest China Petroleum Bureau，Urumqi，Xinjiang，830011，China;

3.College of Petroleum and Natural Gas Engineering，Chongqing University of Science and Technology，Chongqing，401331，China;4.Institute of Intelligent Earth Systems，Department of Ocean Exploration and Technology，

Zhejiang Ocean University，Zhoushan，Zhejiang，316022，China）

Abstract： The West Qinling has experienced a complex geological evolution process since the Paleozoic. In this study， apatite from five clastic rock samples were analyzed to resolve the tectonic thermal events of the West Qinling. The fission track ages of apatite are divided into two groups： 199～155 Ma， 94～64 Ma. The thermal evolution of the West Qinling can be divided into four stages： the first stage （200～120 Ma） reflects the subduction collision events of South China plate and North China plate during the Jurassic; the second stage （120～65 Ma） reflects a rapid cooling event during the Cretaceous; the third stage （65～20 Ma） reflects the uplift activities of the northeastern Tibetan Plateau since Paleogene; the fourth stage （20 Ma to present） reflects the north-eastward thrusting of the Tibetan Plateau during the Oligocene.

Key words： the Qinghai-Tibet Plateau; the West Qinling; Fission track; Detrital apatite; Thermal evolution