磷灰石U-Th/He法-&mdash|一种低温热年代计

回顾了U Th/He测年方法的发展过程 ,简要介绍了该方法测年的原理、分析流程和长α -粒子停止距离校正。然后介绍了近年来在磷灰石He扩散性研究及数值模拟方面取得的一些成果和磷灰石U Th/He热年代计在研究古地貌、岩体构造抬升、盆地热历史演化方面的应用。最后分析了U Th/He测年方法的优、缺点 ,说明这一方法既存在广阔的应用前景 ,又有待于进一步完善、提高     

磷灰石单颗粒(U-Th)/He测年实验流程的建立及验证

(U-Th)/He同位素定年是近几十年快速发展起来的1种能够对岩石低温冷却历史进行有效研究的新型放射性同位素定年方法。由于磷灰石的He封闭温度较低,所以它能反映低温阶段(40~80℃)的热历史信息,在低温热年代学领域具有很好的应用前景。但是,由于磷灰石(UTh)/He测年的影响因素多且测试流程复杂,目前国内对于(U-Th)/He同位素定年方法和流程的研究还处于起步阶段。依托中国地震局地质研究所新建立的(U-Th)/He同位素年代学实验室,利用配备的Alphachron He同位素质谱仪对4批共75个国际标样Durango磷灰石单颗粒进行激光熔融和4He的含量测量,随后应用自动进样安捷伦7900 ICP-MS和同位素稀释剂法测定母体同位素U、Th的含量,最后计算得到Durango磷灰石的Th/U同位素比值在17.23~23.60之间,全部年龄分布在28.61~34.51Ma,平均年龄为(31.71±1.55)Ma(1σ),与国际标定年龄在误差范围内一致。     

国际标样FiSh Canyon Tuff锆石的 (U-Th)/He年龄测定

锆石是(U-Th)/He测年体系中最常用的富含U、Th的副矿物之一。相对于磷灰石而言,锆石的He封闭温度较高(约190℃),在解决沉积盆地物源和热史恢复方面更具优势。但锆石晶体内的U、Th分带普遍发育,浓度差异明显,即使是国际普遍使用的(U-Th)/He测年标样FCT(Fish Canyon Tuff)的年龄值分散度也可约达10%。文中依托中国地震局地质研究所新建立的(U-Th)/He年代学实验室,利用配备的Alphachron He同位素质谱仪对一批FCT锆石单颗粒采用激光加热萃取后进行4He含量测定,并应用自动进样的安捷伦7900 ICP-MS和同位素稀释剂法测定母体同位素U、Th的含量,得到FCT锆石的年龄范围为26. 61～31. 91Ma,加权平均年龄为(28. 8±3. 1) Ma(2SD,n=10),该年龄值与国际上多个实验室所获得的平均年龄((28. 3±3. 1) Ma,2σ,n=127;(28. 29±2. 6)Ma,2σ外部误差,9. 3%,n=114)在误差范围内一致; Th/U比值范围是0. 52～0. 67,与国际报道值一致,说明本实验室所建立的锆石单颗粒(U-Th)/He测年实验流程可靠。     

磷灰石~4He/~3He热年代学——一种低温热年代学研究的新技术

磷灰石He的封闭温度(约70℃)是目前已知体系中最低的,4He在磷灰石中空间分布包含了样品经历的低温阶段(30~90℃)的热历史信息。磷灰石4He/3He热年代学是根据经典的扩散理论,并用质子照射磷灰石使其内部生成均匀分布的3He,然后应用一种数学方法来确定磷灰石中4He的空间分布,由此可以限制样品所经历的热历史。文中简单介绍了该方法的数学原理、模拟方法、应用以及现存的主要问题等,虽然这一方法还处于不断探索中,但是其对低温热历史的灵敏性使得这种方法有广阔的前景。     

(U-Th)/He年龄在沉积盆地构造—热演化研究中的应用——以塔里木盆地KQ1井为例

(U-Th)/He热定年技术是近年来用于沉积盆地热史研究的新技术,目前主要是利用磷灰石和锆石的He年龄来揭示地层的构造抬升和热历史.本文依据塔里木盆地钻井样品的实测磷灰石和锆石(U-Th)/He年龄数据,初步得出了该地区磷灰石(U-Th)/He年龄的封闭温度为85℃,并建立了深度/温度－年龄演化模式;锆石则未达到其较高的封闭温度.综合利用本次实测的He年龄数据结合磷灰石裂变径迹和等效镜质组反射率等古温标,模拟计算了塔里木盆地孔雀1井（KQ1）自奥陶纪末期以来的热历史.模拟结果表明,孔雀1井区奥陶纪末期的地温梯度可达35.5℃/km,志留纪—泥盆纪时期的地温梯度为33.3～34.5℃/km,白垩纪末期地温梯度27.6℃/km左右.因此,(U-Th)/He年龄结合其他古温标综合模拟的方法可以很好地揭示沉积盆地的热历史.特别是该技术为缺乏常规古温标的塔里木盆地下古生界碳酸盐岩层系所经受热史的恢复提供了新的方法.     

(U-Th)/He技术约束下库车盆地北缘构造热演化——以吐孜2井为例

库车前陆盆地蕴藏着丰富的油气资源,然而盆地中新生代的构造热演化史一直缺乏有效的研究,制约了油气的勘探.本文测试了吐孜2井磷灰石、锆石（U-Th）/He年龄数据,建立了He年龄随现今温度/深度变化的关系,确定该区磷灰石（U-Th）/He体系封闭温度为89℃.综合利用（U-Th）/He及镜质体反射率（R_o）数据模拟恢复了库车盆地吐孜2井中新生代热演化史,结果表明库车盆地吐孜洛克背斜形成起始时间约为5 Ma,新生代抬升剥蚀量平均约为670 m,平均抬升剥蚀速率为0.133 mm/a.根据新生代吐孜洛克背斜的构造演化分析确定了气源断裂活动及圈闭形成的时期,揭示了吐孜洛克背斜天然气成藏时间为5 Ma以后,且烃源岩生排烃、断裂活动及圈闭形成的时间具有良好的匹配关系,这是吐孜洛克油气田形成的关键因素之一.本文应用（U-Th）/He技术研究沉积盆地构造热演化史,对库车盆地油气勘探具有重要的意义.     

天山中新世早期快速剥露：磷灰石裂变径迹与（U-Th）／He低温热年代学证据

天山造山带新生代剥露过程与构造演化历史一直是国内外地学界关注的热点．本文联合运用磷灰石裂变径迹（AFT）和（u—Th）／He（AHe）低温热年代学技术,重建了新疆天山巴仑台剖面基岩山体的热演化历史,分析了剥露速率的变化特征,结合前人研究成果进一步探讨了新生代天山地区剥露作用过程的基本特点．结果表明,巴仑台剖面磷灰石样品的裂变径迹年龄集中在40～60Ma,（U—Th）／He年龄为10～40Ma;裂变径迹时间一温度史模拟结果表明巴仑台地区中新世早期以来剥露作用明显增速,剥露速率由之前的〈30mMa-1增大为〉1001TIMa-1;基于AFT与AHe年龄,利用年龄～封闭温度法以及矿物对法计算得到的剥露速率也表明该地区新生代剥露作用自中新世早期开始加速,并且在晚中新世剥露作用进一步增强．本文所揭示的快速剥露过程也存在于天山造山带其他地区．从整个天山造山带来看,开始于中新世早期的快速剥露是新生代天山地区一次重要的剥露作用过程．     

磷灰石(U-Th)/He年龄准确度的影响因素

磷灰石(U-Th)/He体系因具有已知最低的放射性同位素体系封闭温度(70℃,约3km深度),而被广泛应用于浅地表构造变形及地貌演化研究,是近20a来发展较为迅速的1种热年代学方法。但由于定年原理、测试方法和~4He扩散特点等诸多因素的限制,该同位素年龄体系的准确度受到了一定程度的制约。文中归纳了现有文献中常见的10类磷灰石(U-Th)/He定年准确度的影响因素,即粒径、包裹体、α粒子射出效应、α粒子植入效应、U-Th成分环带、辐射损伤、磷灰石化学成分、钐含量、多期热事件和铀系不平衡等,并初步探讨了造成偏差的原因和解决方法,用以抛砖引玉,引起相关研究者的考虑和重视。     

(U-Th)/He技术约束下库车盆地北缘构造热演化——以吐孜2井为例

库车前陆盆地蕴藏着丰富的油气资源,然而盆地中新生代的构造热演化史一直缺乏有效的研究,制约了油气的勘探.本文测试了吐孜2井磷灰石、锆石(U-Th)/He年龄数据,建立了He年龄随现今温度/深度变化的关系,确定该区磷灰石(U-Th)/He体系封闭温度为89℃.综合利用(U-Th)/He及镜质体反射率(Ro)数据模拟恢复了库车盆地吐孜2井中新生代热演化史,结果表明库车盆地吐孜洛克背斜形成起始时间约为5Ma,新生代抬升剥蚀量平均约为670m,平均抬升剥蚀速率为0.133mm/a.根据新生代吐孜洛克背斜的构造演化分析确定了气源断裂活动及圈闭形成的时期,揭示了吐孜洛克背斜天然气成藏时间为5Ma以后,且烃源岩生排烃、断裂活动及圈闭形成的时间具有良好的匹配关系,这是吐孜洛克油气田形成的关键因素之一.本文应用(U-Th)/He技术研究沉积盆地构造热演化史,对库车盆地油气勘探具有重要的意义.     

(U-Th)/He年龄约束下的塔里木盆地早古生代构造-热演化

塔里木盆地早古生代碳酸盐岩沉积时期的热历史由于缺乏有效的古温标进行热史恢复,一直是困扰该区下古生界烃源岩演化研究的难题.磷灰石和锆石的(U-Th)/He热定年技术是近年来用于沉积盆地热史研究的新技术,可以用来揭示地层的构造抬升和热历史.本文利用塔里木盆地典型井中古生界层系的古温标来恢复古生代的热史.这些井在海西期长期隆升、遭受强烈的剥蚀、后期埋藏深度较小,因而古生界层系中的古温标可以保留原始热信息,从而反映古生代的温度状况.本文通过对这些钻井样品进行磷灰石和锆石(U-Th)/He年龄测试,并结合磷灰石裂变径迹和等效镜质体反射率等古温标,综合模拟计算了塔里木盆地不同构造单元的KQ1和T1井早古生代的构造-热演化历史.模拟结果表明,塔里木盆地塔东北和巴楚隆起区古生代热演化存在差异.巴楚隆起区T1井在寒武纪末期的古地温梯度仅为28～30℃/km,奥陶纪的地温梯度增高至30～33℃/km之间,志留-泥盆纪地温梯度为31～34℃/km;塔东北的KQ1井区奥陶纪的地温梯度可达35℃/km,志留-泥盆纪地温梯度为32～35℃/km.因此,(U-Th)/He年龄结合其他古温标综合模拟的方法可以很好地揭示沉积盆地的热历史,特别是该方法为塔里木盆地早古生代的热史恢复提供了新的途径.     

中天山科克苏河地区隆升剥蚀历史——来自(U-Th)/He年龄的制约

天山是中亚造山带重要组成部分,其中-新生代构造热演化及隆升剥露史研究是认识中亚造山带构造变形过程与机制的关键.本文应用磷灰石(U-Th)/He技术重建中天山南缘科克苏河地区中-新生代构造热演化及隆升剥蚀过程.磷灰石(U-Th)/He数据综合解释及热演化史模拟表明该地区至少存在晚白垩世、早中新世、晚中新世3期快速隆升剥蚀事件,起始时间分别为~90Ma、~13Ma及~5Ma,且这3期隆升剥蚀事件在整个天山地区具有广泛的可对比性.相对于磷灰石裂变径迹,磷灰石(U-Th)/He年龄记录了中天山南缘地质演化史中更新和更近的热信息,即中天山在晚中新世(~5 Ma)快速隆升剥蚀,其剥蚀速率为~0.47mm·a~(-1),剥蚀厚度为~2300m.总体上,中天山科克苏地区隆升剥蚀起始时间从天山造山带向昭苏盆地(由南向北)逐渐变老,表明了中天山南缘隆升剥蚀存在不均一性,并发生了多期揭顶剥蚀事件.     

A helium stratified and ingassed lower mantle: resolving the helium paradoxes

It is generally believed a variation of 3He/4He isotopic ratios in the mantle is due to only the decay of U and Th,which produces4 He as well as heat.Here we show that not only3He/4He isotopic ratios but also helium contents can be fractionated by thermal diffusion in the lower mantle.The driving force for that fractionation is the adiabatic or convective temperature gradient,which always produces elemental and isotopic fractionation along temperature gradient by thermal diffusion with higher light/heavy isotopic ratio in the hot end.Our theoretical model and calculations indicate that the lower mantle is helium stratified,caused by thermal diffusion due to*400℃temperature contrast across the lower mantle.The highest3He/4He isotopic ratios and lowest He contents are in the lowermost mantle,which is a consequence of thermaldiffusion fractionation rather than the lower mantle is a primordial and undegassed reservoir.Therefore,oceanicisland basalts derived from the deepest lower mantle with high3He/4He isotopic ratios and less He contents—the long-standing helium paradox,is solved by our model.Because vigorous convection in the upper mantle had resulted in disordered or disorganized thermal-diffusion effects in He,Mid-ocean ridge basalts unaffected by mantle plume have a relatively homogenous and lower!3He/4He isotopic compositions.Our model also predicts that 3He/4He isotopic ratios in the deepest lower mantle of early Earth could be even higher than that of Jupiter,the initial He isotopic ratio in our solar system,because the temperature contrast across the lower mantle in the early Earth is the largest and less4 He had been produced by the decay of U and Th.Moreover,the early helium-stratified lower mantle owned the lowest He contents due to over-degassing caused by the largest temperature contrast.Consequently,succeeding evolution of the lower mantle is a He ingassed process due to secular cooling of the deepest mantle.This explains why significant amount of He produced by the decay of U and Th in the lower mantle were not released,another long-standing heat–helium paradox.     

米仓山-汉南隆起白垩纪以来的剥露作用：磷灰石(U-Th)/He年龄记录

对米仓山南江-南郑剖面上的13个花岗岩类样品进行了磷灰石(U-Th)/He测年和剥露速率计算,分析过程综合考虑了样品冷却速率、晶体大小等因素对磷灰石(U-Th)/He封闭温度的影响和地形起伏、岩体热传导、热对流及放射性元素生热等因素对地温场的影响.研究表明,米仓山南部沉积变形区自~50 Ma以来发生快速剥露 (剥露速率为~70 m/Ma),新生代以来的剥蚀量超过了3 km;中部光雾山杂岩体记录了~90 Ma时一次快速剥露事件(剥露速率>75 m/Ma);北部汉南隆起区~100 Ma以前以快速剥露为特点,平均剥露速率>40 m/Ma,此后转为缓慢剥露.整个米仓山-汉南隆起区在90~50 Ma基本处于缓慢剥露状态,平均剥露速率仅有10~25 m/Ma.     

鄂西渝东方斗山-石柱褶皱带中新生代隆升剥蚀过程及构造意义

利用磷灰石与锆石(U-Th)/He年龄与磷灰石裂变径迹(AFT)、镜质组反射率(Ro)一起模拟了鄂西渝东方斗山-石柱褶皱带侏罗纪以来的构造-热演化特征.结果表明:在约130 Ma(晚侏罗世-早白垩世)研究区达到最高古地温,此后为持续抬升冷却过程.磷灰石裂变径迹与Ro表明自晚侏罗世以来不整合面剥蚀厚度可达3500m.结合...     

日喀则弧前盆地的埋藏和剥蚀历史——来自低温热年代学的约束

日喀则弧前盆地紧邻印度板块与欧亚大陆碰撞带,研究其剥蚀历史对理解印度板块与欧亚大陆碰撞对造山带剥蚀的影响具有重要意义。文中利用磷灰石裂变径迹(AFT)及锆石和磷灰石的(U-Th)/He(ZHe和AHe)年龄数据,结合已发表的低温热年代数据探讨日喀则弧前盆地的热演化和剥露历史。日喀则弧前盆地磷灰石裂变径迹年龄存在明显的南北差异,南部磷灰石裂变径迹年龄为74～44Ma,对应的剥蚀速率为0. 03～0. 1km/Ma,剥蚀量≤2km;北部磷灰石裂变径迹年龄为27～15Ma,剥蚀速率为0. 09～0. 29km/Ma,但缺失早新生代的热演化历史。而磷灰石的(U-Th)/He年龄表明15Ma BP之后日喀则弧前盆地整体呈现一致的剥露历史。低温热年代数据表明日喀则弧前盆地南部自新生代以来尽管受到印度板块与欧亚大陆碰撞及后期断层活动的影响,海拔由海平面抬升至4. 2km,但一直保持缓慢的剥蚀,表明高原隆升并未直接促使该地区的岩石剥蚀速率加快,这与快速剥蚀即代表造山带开始隆升的假设不相符。此外,日喀则弧前盆地北部的低温热年代学研究表明晚渐新世—早中新世Kailas盆地仅发育于日喀则弧前盆地与冈底斯造山带之间的狭长地带,并在短期内经历了快速的埋藏和剥露。     

大别山区域低温剥露作用: 基于(U-Th)/He和裂变径迹年代学数据的模拟

大别山高温剥露作用研究已相当成熟, 而白垩纪特别是晚白垩世以来的区域低温剥露研究还比较薄弱, 低温年代学即是解决这一问题的重要途径之一. 本文依据大别山现有岩浆岩与变质岩的磷灰石、锆石裂变径迹和(U-Th)/He数据, 综合考虑热传导、热对流、地形及放射性热产生等因素对地温场造成的影响, 应用Mancktelow法和Braun法, 系统地对整个区域的低温年代学测年结果进行剥露速率计算, 获得了大别山白垩纪以来尤其是晚白垩世以来的剥露速率等值线图以及区域差异剥露趋势. 大别山白垩纪以来天堂寨地区及郯庐断裂带南部剥露速率(0.08~ 0.10 km/Ma)大于大别山其他地区(0.04~0.07 km/Ma). 这种区域差异剥露可能与NNE向断裂系区域差异走滑引发的构造推隆作用有关.     

四川盆地南部地区新生代隆升剥露研究——低温热年代学证据

本文通过背斜褶皱变形与低温热年代学年龄(磷灰石和锆石(U-Th)/He、磷灰石裂变径迹)端元模型研究,约束低起伏度、低斜率地貌特征的四川盆地南部地区新生代隆升剥露过程.四川盆地南部沐川和桑木场背斜地区新生代渐新世-中新世发生了相似的快速隆升剥露过程(速率为~0.1 mm/a、现今地表剥蚀厚度1.0~2.0 km),反映出盆地克拉通基底对区域均一性快速抬升冷却过程的控制作用.川南沐川地区磷灰石(U-Th)/He年龄值为~10-28.6 Ma, 样品年龄与古深度具有明显的线性关系,揭示新生代~10-30 Ma以速率为0.12±0.02 mm/a的稳态隆升剥露过程.桑木场背斜地区磷灰石裂变径迹年龄为~36-52 Ma,古深度空间上样品AFT年龄变化不明显(~50 Ma)、且具有相似的径迹长度(~12.0 μm).磷灰石裂变径迹热演化史模拟表明桑木场地区经历三个阶段热演化过程:埋深增温阶段(~80 Ma以前)、缓慢抬升冷却阶段(80-20 Ma)和快速隆升剥露阶段(~20 Ma-现今),新生代隆升剥露速率大致分别为~0.025 mm/a和~0.1 mm/a.新生代青藏高原大规模地壳物质东向运动与四川盆地克拉通基底挤压,受板缘边界主断裂带差异性构造特征控制造就了青藏高原东缘不同的边界地貌特征.     

氦在矿物中的扩散及其在地震研究中的应用前景

研究氦(He)在地表和地球深部矿物中的扩散特征与封闭温度,对了解地震前兆信息和构造活动有重要意义,对了解成矿过程及规律也有重要价值。本文综述了He在石英等典型矿物中的扩散特征研究成果,主要包括：(1) He在锆石中的扩散;(2) He在磷灰石中的扩散;(3) He在石英和柯石英中的扩散;(4) He在碳酸盐中的扩散;(5) He在角闪石等含水矿物中的扩散,分析了He从矿物中扩散逃逸行为与地震活动过程中He浓度异常的关系,对未来的研究方向提出了展望。     

低温热年代学方法及其应用进展

低温热年代学方法已被广泛地应用于地学领域,尤其是磷灰石/锆石(U-Th)/He、磷灰石/锆石裂变径迹(AFT/ZFT)方法,由于该方法封闭温度较低,对晚新生代构造演化、地形地貌变化等地表过程非常敏感,具有其他地质年代学方法无法比拟的优势。随着这种方法的发展,目前可准确测定年轻火山岩年龄低至千年左右。该方法还推动了近十年来造山带演化和地貌演化研究的热潮,它不仅限定了剥露抬升阶段和速率,还为新的模拟手段提供了基础数据。     

鄂尔多斯盆地东缘紫金山侵入岩热演化史与隆升过程分析

运用LA-ICP MS锆石U-Pb定年、角闪石和黑云母⁴⁰Ar-³⁹Ar定年、锆石和磷灰石裂变径迹(FT)分析等构造热年代学研究方法,探讨分析了鄂尔多斯盆地东缘紫金山侵入岩的热演化历史及其抬升冷却过程.紫金山侵入岩主要由次透辉二长岩和正长岩组成,锆石U-Pb测年给出的岩浆侵位-结晶年龄为136.7 Ma,角闪石和黑云母⁴⁰Ar-³⁹Ar测年获得的岩浆结晶-固结年龄集中在133.1~130.4 Ma,表明紫金山侵入岩主要形成于早白垩世的136.7~130.4 Ma.侵入岩T-t轨迹与磷灰石FT模拟热史路径综合揭示了鄂尔多斯盆地东缘紫金山侵入岩抬升冷却的三个构造热演化阶段:1) 136~120 Ma侵位岩浆结晶-固结阶段,岩体平均冷却速率高达52 ℃/Ma;2) 120~30 Ma岩体相对缓慢抬升冷却阶段,平均抬升冷却速率为2.5 ℃/Ma;3) 30 Ma以来岩体快速抬升冷却阶段,平均抬升冷却速率3.6 ℃/Ma,尤以近10 Ma以来的快速抬升冷却最为显著,抬升冷却速率接近7 ℃/Ma.结合区域构造动力学环境分析认为,鄂尔多斯盆地东缘的紫金山岩浆活动与华北克拉通早白垩世构造体制转换过程的大规模岩浆活动属于相同时期、统一构造作用的产物,早白垩世末期以来由慢到快的差异抬升过程主要受控于华北克拉通东部(古)太平洋体系与其西南部特提斯体系之间相互联合、彼此消长的构造作用.