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.     

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.     

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.     

低温热年代学数据库建设现状与前景展望

低温热年代学是新构造和地貌演化研究的重要技术手段,与常规的地质年代学方法在数据表达、分析和解释方面都存在明显差异,需要建设专门的数据库应对其数据日益增长,并满足大数据创新研究的需求。文中选取4个具有代表性的典型传统数据库和2个新一代数据库进行对比分析,发现传统数据库(如NGDB)的数据来源单一,样品数据以结构化的表格呈现,并以关系型数据库的形式进行数据管理;而新一代低温热年代学数据库(如AusGeochem)的数据来源广泛,包含结构化和非结构化数据,且数据库的扩展性强,能够适应新方法和大数据分析的需求,并采用灵活的数据库类型与应用程序接口(API)联合管理数据,兼具数据查询、分析与可视化功能。文中针对现有数据库存在的问题,在数据持续增长、数据库的可扩展性和数据编号管理等方面对下一步数据库的建设进行了展望,以期为新构造和地貌演化的大数据研究提供基础保障。     

(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.     

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...     

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。     

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.     

Rapid exhumation of the Tianshan Mountains since the early Miocene: Evidence from combined apatite fission track and (U-Th)/He thermochronology

Combined apatite fission track(AFT)and(U-Th)/He(AHe)thermochronometries can be of great value for investigating the history of exhumation of orogenic belts.We evaluate the results of such a combined approach through the study on rock samples collected from the Baluntai section in the Tianshan Mountains,northwestern China.Our results show that AFT ages range from~60 to 40 Ma and AHe ages span~40–10 Ma.Based on the strict thermochronological constraints imposed by AHe ages,forward modeling of data derived from AFT analyses provides a well-constrained Cenozoic thermal history.The modeled results reveal a history of relatively slow exhumation during the early Cenozoic times followed by a significantly accelerated exhumation process since the early Miocene with the rate increasing from<30 m/Myr to>100 m/Myr,which is consistent with the inference from the exhumation rates calculated based on both AFT and AHe age data by age-closure temperature and mineral pair methods.Further accelerated exhumation since the late Miocene is recorded by an AHe age(~11 Ma)from the bottom of the Baluntai section.Together with the previous low-temperature thermochronological data from the other parts of the Tianshan Mountains,the rapid exhumation since the early Miocene is regarded as an important exhumation process likely prevailing within the whole range.     

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     

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.     

土壤年代学方法及其应用

本文较详细地介绍和论述了土壤年代学方法及其测年原理，以及该方法的国内外研究现状和发展应用前景．作者将该方法的基本思路引入榆木山和阿尔金山山前地区的活动构造测年工作，并初步建立了土壤ＣａＯ、ＣａＣＯ３和ＣａＣＯ３累积指数值与发育年代之间的定量计算关系式，统计得到了土壤中砾石钙膜的平均累积速率．通过回检和应用对比分析，认为土壤年代学方法适用于中国西北地区，并具有广阔的应用前景．     

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～90 Ma、～13 Ma及～5 Ma,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～0.47 mm·a-1,剥蚀厚度为～2300 m.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.     

江南隆起带幕阜山岩体新生代剥蚀冷却的低温热年代学证据

江南隆起位于扬子与华夏地块的碰撞汇聚带,是研究华南大地构造演化的关键地质单元.本文采用磷灰石裂变径迹及(U-Th-Sm)/He年龄分布特征定性分析与径迹长度分布数据定量模拟相结合,主要研究了幕阜山岩体新生代的隆升与剥蚀过程,并在此基础上结合区域构造背景, 对其构造-热演化之间的关系进行了探讨.自晚白垩世持续隆升以来,幕阜山岩体经历的平均剥蚀厚度约4800 m.在不同岩体间,隆升过程及幅度存在差异,空间上具有非均匀性.热史结果显示幕阜山岩体经历了3期剥蚀, 其中两期快速剥蚀分别发生在晚白垩世-古近纪(80~50 Ma)和10 Ma以来,而这之间为一期缓慢剥蚀过程.研究区古近纪的快速剥蚀反映了中-下扬子喜山期大规模伸展断陷作用造成的肩部块体快速剥蚀事件; 约10 Ma以来的快速剥蚀是对太平洋板块向西运动的响应.幕阜山岩体自燕山晚期以来的隆升剥蚀作用具有良好的盆地沉积响应, 三期隆升剥蚀事件与研究区构造演化的动力学背景相吻合.     

米仓山楔入冲断构造模型低温热年代学证据及其意义

基于低温热年代学特征的构造重建（或解译）与浅部地表过程模型在诠释盆-山结构与演化过程中受到越来越广泛的重视与应用.青藏高原东缘米仓山—川北前陆盆山系统楔入冲断构造模型与浅部地貌建造（非）耦合的检验校正为米仓山造山带构造变形及其动力学模型研究提供了契机.基于稳态楔入冲断构造低温热年代学模型研究表明,米仓山—川北前陆盆-山结构带盆山地貌的建造和低温热年代学（磷灰石裂变径迹和（U-Th）/He）特征具有明显的耦合性,二者统一于（盆地向）具~4°古地貌斜坡的楔入冲断构造模型.现今米仓山地区低温热年代学不具有明显的海拔高程和年龄线性关系,但当古地貌具有~4°坡度时低温热年代学与古地貌具有明显的线性相关性,揭示晚白垩世米仓山东西段具有一致（或相似）的稳态抬升剥露特征,东西段剥露速率分别为0.05 mm/a 和0.03 mm/a.古地貌坡度与古地温梯度具有较好的相关性（R2=95%~98%）,相关古地温梯度（25~35 ℃/km）符合米仓山稳态剥露地质结构特征.米仓山造山带楔入冲断构造模型的发育可能受控于多套滑脱层系（尤其是深部和浅部滑脱层系）和扬子板块能干性基底对造山带盆地向扩展变形过程的阻挡作用.     

Spatio-temporal variation in rock exhumation linked to large-scale shear zones in the southeastern Tibetan Plateau

Crustal-scale shear zones are believed to have played an important role in the tectonic and landscape evolution of orogens. However, the variation of long-term rock exhumation between the interior of shear zones and adjacent regions has not been documented in detail. In this study, we obtained new zircon U-Pb, biotite ⁴⁰Ar/³⁹Ar, zircon and apatite(U-Th)/He data, and conducted inverse thermal history modeling from two age-elevation profiles(the Pianma and Tu'er profiles) in the southeastern Tibetan Plateau. Our goal is to constrain the exhumation history of the Gaoligong and Chongshan shear zones and adjacent regions, so as to explore the effect of the shear zones on exhumation and their thermal effect on cooling that should not be ignored. Our results suggest that during the interval of 18–11 Ma the exhumation rates of rocks within the Gaoligong shear zone are anomalously high compared with those outside of. The rapid cooling during 18–11 Ma appears to be restricted to the shear zone, likely due to localized thermal effects of shearing and exhumation. After 11 Ma, both the areas within and outside of the shear zones experienced a similar two-stage exhumation history: slower cooling until the early Pliocene, and then a rapid increase in cooling rate since the early Pliocene. Our results indicate a synchronized exhumation but with spatially varied exhumation rates. Our study also highlights the important role of large-scale shear zones in exposing rocks, and thus the importance of the structural context when interpreting thermochronological data in the southeastern margin of the Tibetan Plateau.     

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．     

晚白垩世以来川东北地区的剥蚀历史——多类低温热年代学数据综合剖面的制约

低温热年代学数据是一个与热历史过程紧密相关的资料类型,与高温年代学不同,低温热年代学表观年龄本身在很多情况下没有直接的地质意义.当且仅当样品线性持续冷却的情况下,表观年龄才可以被直接解释为样品经过其封闭温度的大致时间.因此,只有结合地质约束通过对低温热年代学数据进行热历史模拟才能更好地揭示其所蕴含的地质信息.对川东北地区现有裂变径迹数据的统计显示,露头样品的表观年龄主要集中在60~80 Ma,其为冷却年龄并无直接的地质意义.前人利用这些数据对川东北地区热历史进行了模拟,然而不同研究者的研究结果却不甚一致,争议主要集中在四川盆地最后一期剥蚀开始的时间上.这体现了单一低温热年代学指标应用范围局限的缺陷.为解决这一问题,本文介绍了一种多类低温热年代学数据剖面联合解释的方法:首先根据低温热年代学动力学模型对诸多种可能的热历史进行正演模拟,然后将正演模拟的结果与观测结果相比较,因此,通过对比正演模拟结果与实测结果的拟合程度便可从诸多种可能的热历史中选择出最可能的一种.本文利用此方法对四川盆地东北部已发表的诸多可能的冷却/剥蚀历史进行了正演模拟,并将这些正演模拟与实测磷灰石裂变径迹和(U-Th)/He综合深度剖面数据进行比较,更好地制约了四川盆地的热历史:~100 Ma和~30 Ma之间冷却速度为0.57 ℃/Ma,~30 Ma以来冷却速度加快(~1.67 ℃/Ma).在假设川东北地区100 Ma内地温梯度大致与现今20 ℃/km的地温梯度相近的前提下,其剥蚀历史可计算为:在~100 Ma和~30 Ma之间剥蚀速度为29 m/Ma,~30 Ma以来剥蚀速度加快(~83 m/Ma),川东北地区自晚白垩世以来总剥蚀量约为5 km.     

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.