(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U-Th/He法——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     

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.     

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.     

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。     

月球表面月壤中~3He含量分布的定量估算

太阳风注入月球表面月壤层的3He是一种可供人类使用的潜在月球资源.月壤中3He含量主要与太阳风通量、月壤成熟度以及月壤中TiO2含量等主要因素有关.根据受地球磁尾影响的太阳风通量模型,给出了月球表面太阳风通量随经纬度的分布.根据Clementine(克莱门汀)的紫外-可见光光学数据,计算了整个月球表面月壤光学成熟度(OMAT,Optical Maturity)以及月壤中TiO2含量的分布.在此基础之上,根据Apollo(阿波罗)月壤样品的测量结果,给出月壤表层3He含量与月表归一化太阳风通量、月壤光学成熟度以及TiO2含量之间的关系,并由此计算了整个月球表面月壤表层3He含量的分布.根据Apollo测量数据,以月球表面数字高程经验性构造的月壤厚度为例,给出了月球表面整个月壤层单位面积内3He含量分布,并估算了整个月球表面月壤层所蕴含的3He的总量.     

(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.     

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。     

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。     

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.     

采样地形对年龄-高程法应用的限制

年龄-高程法是地质热年代学中利用垂向分布的样品高程和年龄关系计算山体剥露速率的技术,其主要优势在于避免了未知古地温梯度的约束,被广泛应用于造山带研究中.但在实际应用中,由于样品采集剖面无法完全满足垂直的要求,会引入封闭温度面受地形起伏影响所带来的计算误差.本文利用稳态地温场数值模拟,在理论三角函数地形条件下,对不同采样剖面和地温梯度条件下,年龄-高程法的计算准确性进行了定量评估,并据此指出地温梯度不大于30 ℃/km时,在高差为2 km的采样剖面内,应用磷灰石(U-Th)/He年龄-高程法,样品水平分布2.5 km以内时,计算结果高出实际剥露速率不超过11%,可以近似认为采样剖面垂直、计算结果准确;应用磷灰石裂变径迹年龄-高程法,样品水平分布5 km以内时,计算剥露速率高出实际剥露速率在15%以内,可以直接利用.     

(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.     

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．     

南天山欧西达坂岩体热演化历史与隆升过程分析——来自Ar-Ar和(U-Th)/He热年代学的证据

天山造山带晚古生代以来的隆升剥露过程与带内矿床形成后的保存潜力密切相关.本文报道了新的角闪石/斜长石Ar-Ar年龄和锆石/磷灰石(U-Th)/He年龄,为重建南天山中段地区欧西达坂岩体完整的构造-热演化历史提供年代学基础,结合前人研究成果分析了冷却速率及剥蚀速率变化特征,对南天山中段晚古生代以来的热演化历史及隆升剥蚀历史进行了探讨.同位素定年结果显示,角闪石Ar-Ar坪年龄为(382.6±3.6)Ma,斜长石Ar-Ar加权平均年龄为(265.8±4.9)Ma,锆石与磷灰石(U-Th)/He年龄分别为(185.8±4.3)和(31.1±2.9)Ma.热演化历史及模拟结果表明,南天山中段地区晚古生代至今的构造-热演化历史可以大致分为5个阶段:(1)志留纪末至晚泥盆世岩体平均冷却速率约7.84℃/Myr;(2)晚泥盆世至中二叠世末期,岩体的平均冷却速率约2.07℃/Myr;(3)中二叠世末到始新世中期岩体平均冷却速率降至0.68℃/Myr,此期间总体地质运动较为平缓;(4)新生代始新世期间(约46~35Ma)南天山中段地区发生了一期快速隆升剥蚀事件,岩体冷却速率突升至5.00℃/Myr,剥蚀量达到1.83km,平均剥蚀速率0.17mm/a;(5)始新世中期(约35Ma)至今,平均冷却速率约为1.14℃/Myr,隆升速度仍然较快,剥蚀量约为1.33km,平均剥蚀速率约0.04mm/a.新生代以来天山的剧烈隆起抬升受控于印亚碰撞的远程效应,远程作用在天山的响应具有一定的滞后效应.     

自然演化碎屑锆石(U-Th)/He封闭温度的研究

锆石(U-Th)/He热定年技术为沉积盆地深层较高温度热历史的重建提供一种有效的古温标,其中锆石He年龄和封闭温度是重要参数.文章通过渤海湾和塔里木盆地超深钻井的自然演化样品,建立了不同热背景下锆石He年龄与埋深的演化模式并据此探讨碎屑锆石He封闭温度.研究表明自然演化碎屑锆石He封闭温度为200℃,高于国际上广泛使用火成岩锆石样品进行热扩散实验得到的He封闭温度(183℃);获得锆石He部分保留带为140～200℃.正确理解锆石He封闭温度,从而为正确解释锆石He年龄包含的地质信息提供理论依据,对盆地深层烃源岩演化及其成烃成藏研究具有指导意义.     

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。     

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。