(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.     

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。     

(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.     

磷灰石裂变径迹及(U-Th)/He分析技术在石油勘探中的应用

磷灰石裂变径迹及(U-Th)/He定年体系是近年来用于基础地质研究的一项新技术.该定年体系能有效恢复沉积盆地热历史,计算地层剥蚀量,推测盆地内热液活动的时间、温度以及时间与温度间的关系等信息,为油气勘探工作提供重要的科学依据.     

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.     

(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.     

塔里木柯坪塔格地区构造抬升的新证据——来自(U-Th)/He年龄的约束

柯坪塔格地区位于西南天山与塔里木盆地之间, 是塔里木地台的一部分, 其构造隆升与天山和塔里木盆地的演化密切相关. 本文首次将(U-Th)/He热定年技术应用于该地区构造抬升的研究, 对该区震旦系露头样品的磷灰石和锆石的(U-Th)/He进行了年龄测定和热史模拟, 结果表明柯坪塔格地区主要经历了4期构造抬升事件, 导致震旦系抬升至地表, 其中磷灰石(U-Th)/He年龄揭示了晚白垩世和中新世两期的构造抬升事件. 在早石炭世, 震旦系温度达到最大, 介于133~150°C之间, 结合沉积埋藏史得到当时的最大埋深是3400~3900 m. 在渐新世-中新世, 受印度-欧亚板块碰撞远程效应的影响, 柯坪塔格地区沿柯坪塔格-沙井子断裂向巴楚隆起上逆冲, 地层快速抬升遭受剥蚀. 在15~10 Ma时, 柯坪塔格地区震旦系已抬升至地表. 自早石炭世至今, 柯坪塔格地区总剥蚀量达6170 m. 柯坪塔格地区自中生代以来的构造-热演化史与塔里木盆地北缘是一致的, 但与天山及处于塔里木盆地内部的巴楚隆起的构造抬升过程存在差异. 中新世以后, 受喜山运动远程效应影响, 柯坪塔格和天山才同处于抬升状态; 而巴楚隆起在古近纪早期仍处于抬升剥蚀状态, 与柯坪塔格地区接受沉积相反. 本文利用(U-Th)/He热定年技术成功地揭示了柯坪塔格地区自震旦纪以来的构造-热演化史, 这些结果有利于人们对这一地区构造抬升的正确认识. 同时, 本研究对塔里木盆地的油气勘探及天山地区的构造研究具有指导意义.     

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。     

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...     

(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.     

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.     

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。     

锆石He扩散行为:FCT锆石扩散实验的制约

为了更好地理解锆石(U-Th)/He定年技术及应用潜力,文章基于热活化扩散过程原理,通过高精度分步加热实验研究锆石He的扩散特征,分析锆石He扩散动力学参数、封闭温度(Tc)、部分保留区(PRZ)及(U-Th)/He年龄等. FCT锆石标样循环分步加热扩散实验获取扩散系数ln(D/a2)与温度倒数呈负相关,遵从期望的热活化扩散过程(Arrhenius方程).锆石He扩散活化能(Ea)分布在144～184kJ mol^-1,平均值为(169±12)kJ mol^-1,(U-Th)/He封闭温度介于144～216℃(冷却速率为10℃Ma-1,半径为38～60μm),平均值为(176±18)℃.锆石He封闭温度随着冷却速率的增大而增加,缓慢冷却时(冷却速率为0.1℃Ma-1),平均值为～136℃;快速冷却时(冷却速率为100℃Ma-1),平均值为～199℃.当冷却速率不变时, He封闭温度随锆石半径增大而增加,对于快速冷却的FCT锆石,年龄受半径大小影响不明显. He保存或者重置与温度和时间条件密切相关,部分保留区温度窗口随持续时间的增加逐渐减小.测试26粒FCT锆石(U-Th)/He年龄的几何平均值为(28.38±0.34)Ma(S.E.),与国内外实验室测试年龄(28.4±1.9Ma)一致. FCT锆石(U-Th)/He年龄较年轻,具有较好的重现性,锆石形成后快速冷却,具有低剂量的辐射损伤,且FCT锆石He年龄与eU没有明显的相关性,表明辐射损伤对He年龄及扩散动力学的影响不明显.     

青藏高原东缘峨眉山新生代加速抬升剥蚀作用

本文通过峨眉山基底卷入构造带低温热年代学(磷灰石和锆石裂变径迹、锆石(U-Th)/He)研究,结合典型构造-热结构特征诠释峨眉山晚中-新生代冲断扩展变形与热年代学耦合性.峨眉山磷灰石裂变径迹(AFT)和锆石(U-Th)/He(ZHe)年龄值分别为4~30Ma和16~118Ma.ZHe年龄与海拔高程关系揭示出ZHe系统抬升剥蚀残存的部分滞留带(PRZ).低温热年代学年龄与峨眉山构造分带性具有明显相关性特征:万年寺逆断层上盘基底卷入构造带AFT年龄普遍小于10Ma,万年寺逆断层下盘扩展变形带AFT年龄普遍大于10 Ma;且空间上AFT年龄与断裂带具有明显相关性,它揭示出峨眉山扩展变形带中新世晚期以来断层冲断缩短构造活动.低温热年代学热史模拟揭示峨眉山构造带晚白垩世以来的多阶段性加速抬升剥蚀过程,基底卷入构造带岩石隆升幅度大约达到7~8km,渐新世以来抬升剥蚀速率达0.2~0.4mm·a-1,其新生代多阶段性构造隆升动力学与青藏高原多板块间碰撞过程及其始新世大规模物质东向扩展过程密切相关.     

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.     

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。     

磷灰石裂变径迹分析新进展

综述了近十几年来磷灰石裂变径迹(AFT)分析在基础理论上的进展:AFT退火动力学的影响因素;AFT多元退火模型的建立;LA-ICP-MS裂变径迹定年及AFT分析自动化.总结了一些尚存分歧的研究问题:围压对AFT退火过程的影响,AFT年龄与磷灰石(U-Th)/He年龄的异常;特殊地质环境下AFT退火资料对退火模型的制约.最后展望了AFT分析的发展方向.     

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。     

南海北缘东沙隆起中生代以来的埋藏史和热史重建——来自LF35-1-1井(U-Th)/He和Ro的证据

沉积盆地埋藏史和热历史重建是了解盆地成因和油气形成条件的重要依据,而目前利用古温标手段研究珠江口盆地内东沙隆起热史和埋藏史的成果寥寥无几.本研究中,我们基于磷灰石与锆石(U-Th)/He年龄的反演结果给出了更多合理的约束条件,在此基础上对同一套镜质体反射率Ro数据进行了古热流法模拟计算,获得了钻井自中生代以来的地层温度史.反演结果显示LF35-1-1井区在早始新世-早渐新世发生了一期强烈的抬升剥蚀,地层剥蚀量为2000 m左右.拟合获得的埋藏史和热流史显示该井区在早始新世(~55Ma)经历了最高井底古热流(100 mW·m~(-2)),之后热流减小,持续至现今64.3 mW·m~(-2).最高古地温与隆升剥蚀在时间上的耦合体现了抬升事件对地温冷却的影响,但不足以排除基底热流下降因素.本次研究首次将(U-Th)/He技术用于南海北缘深水区盆地的热史研究,获得的热史结果更加符合现有的构造沉积大地构造方面的认识,展示了利用多种古温标手段进行盆地精细热史研究的良好效用.     

锆石He扩散模型与中国典型克拉通盆地古老层系热史重建

沉积盆地古老层系已成为我国油气勘探的重要领域,但由于缺乏有效古温标,其热史研究一直很薄弱.本文在系统综述锆石He扩散动力学模型及差异性基础上,探讨了锆石(U-Th)/He热定年技术在我国克拉通盆地古老层系热史恢复中的适用性.目前常用的锆石He扩散动力学模型包括简单模型、锆石辐射损伤积累和退火模型及扇形线性模型.基于不同...