东昆仑南部带上二叠统地层磷灰石裂变径迹特征

东昆仑南部带上二叠统地层磷灰石裂变径迹特征

东昆仑是青藏高原的北部一部分。北部是柴达木盆地，南部与巴彦卡拉盆地接壤。区内构造形迹以断裂为主,区域性构造方向近东西向,自北而南分别有昆北断裂带、昆中断裂带和昆南断裂带,它们向北倾斜,属于超壳深大断裂带,亦是板块缝合带。以昆中和昆南二条断裂带为界所分割的地域,自北向南本文分别称之为昆北地块,昆中地块和昆南地块(见图1)。本文研究区属于昆南地块的东段,区内主要为上二叠统砂板岩,在昆南断裂带南侧多被第四系覆盖。玛尼特次级断裂较为发育,它与昆南深大断裂近乎平行分布。华力西期昆中地块沿昆中断裂带发生一次完整的扩张→俯冲作用(C1-P1);与之相对应,昆南地块亦由扩张→俯冲(C2末-T3初),但时间略为滞后;印支期晚三叠世昆南地块和昆中地块分别沿昆南断裂带和昆中断裂带发生完整的陆内俯冲作用(T3)。但是,研究区进入陆内演化以来的地质热演化历史目前依然不明,而这却又是隆升剥蚀、地质地貌变化的关键时期。本文试图应用磷灰石裂变径迹分析技术探讨该区的地质热演化历史。1低铀白云母的裂变径迹检测研究样品采自昆南地块的玛尼特断裂南侧,已经获得磷灰石裂变径迹分析结果的样品计4件,样品均为上二叠统砂岩,自北向南分别为XT41、XT40、XT38和XT36。玛尼特断裂北侧由于第四系覆盖而没能采集裂变径迹样品。每个样经常规方法尽可能分离出足够测试需要的磷灰石单矿物。将若干磷灰石颗粒放在聚四氟乙烯板上,滴调配好的环氧树脂,然后烘干固化。在恒温25℃的6.6%HNO3溶液中蚀刻30s。采用外探测器法定年,将低铀白云母紧贴在光薄片上,与CN5标准铀玻璃一起构成定年组件。样品均置于反应堆内辐照,照射的中子注量为1×1016cm–2。反应堆照射后将云母外探测器置于25℃的HF酸中蚀刻35min,揭示诱发裂变径迹,应用澳洲进口的裂变径迹自动测量装置测量径迹密度和径迹长度,径迹长度是矿物内部完全的封闭径迹长度。年龄计算采用Zeta常数法,本文获得的Zeta常数为322.1±3.6(1σ)。2裂变径迹的年代学特征实验结果列于表1。自北向南,样品XT41、XT40、XT38和XT36的磷灰石裂变径迹年龄分别为(48±3)、(57±3)、(89±5)和(72±5)Ma,年龄雷达图见图2。XT40和XT36两个样的径迹长度为(10.7±2.3)µm和(10.8±2.2)µm,图3为径迹长度分布直方图。各样品所测年龄均远小于其地层时代,表明它们已经经历后期热事件的退火改造,使得年龄变小,实际上是燕山期以来陆内造山作用的体现。除样品XT38之外,其余3个样品χ2检验值P(χ2)均大于5%,属于同一年龄组。所以,各样品年龄具有确定的地质热事件意义,即记录了(48±3)、(57±3)和(72±5)Ma发生的构造热事件作用,具体与沿深大断裂带发生逆冲作用及其相关的岩浆活动有关。对于样品XT38,应属于混合年龄,是两次以上热事件叠加的结果。在单颗粒年龄雷达图(图2)上,样品XT41、XT40和XT36年龄点分布范围较为集中,而样品XT38显示有2个集中区,其峰值年龄分别为55Ma和107Ma。样品XT38峰值55Ma与其他3个样基本一致,反映相似的构造热事件作用。另一峰值107Ma应该代表较早次的构造热事件作用。拉萨地块和羌塘地块约120Ma的碰撞活动使得整个昆仑-祁连缝合带活化,在昆南断裂带和昆南地块表现为强烈的逆冲以及东-西大滩断裂带的左行走滑。样品XT38记录的为大约为107Ma热事件,应该是这次构造活动略为滞后的响应。裂变径迹的理想长度为20µm,但是,由于后期退火作用影响,实际地质体内标准径迹长度为16.3µm。与之相比,本文所获得2个样品的平均径迹长度为(10.7±2.3)µm和(10.8±2.2)µm,应属相对较短,长度标准差较大,即长度变化较大,在长度分布直方图上体现为分布范围较大(见图3)。这样的特点,可能是由于样品在后期受到构造热事件的影响,使得长时间处于退火带温度(通常为60—120℃)所致。同时,长度分布直方图总体呈现单峰特征,表明受隆升冷却作用控制明显。磷灰石裂变径迹年龄与样品高程具有正相关关系(见图4,图中直线为样点回归直线,反映样品裂变径迹年龄与高程具有一定相关性),高程大的样品其年龄亦大。这主要与样品脱离退火带的时间有关。磷灰石裂变径迹退火带温度通常为60—120℃,高于120℃(退火带下部)时裂变径迹将发生全退火,年龄归零;低于60℃(退火带上部)则没有退火作用发生,裂变径迹不断形成和累积,从而年龄逐渐变大;在退火带内既有径迹退火又有新径迹生成,年龄具有混合特性。随着隆升与冷却作用的进行,位于相对上部的样品较早地抬高到脱离退火带的部位,故较早地开始计时,以致年龄较大;而位于下部的样品则相对较晚地抬升到脱离退火带的地段,开始计时时间较晚,故年龄较小。图5(图中直线为样点回归直线,反映样品裂变径迹年龄与分布距离具有相关性)显示磷灰石裂变径迹年龄与样品相对昆南断裂地距离具有相关性,即靠近昆南断裂地的样品年龄大,而远离昆南断裂的样品年龄较小。靠近断裂带的样品年龄较小,应与断裂带附近热作用较为强烈有关,因为相对强的热源可延迟样品脱离退火带温度的时间,进而导致较小的年龄;远离断裂带的样品年龄较大,是因为离热源较远,样品较快地脱离退火带温度,故样品具有较大的年龄。因此,断裂带可能是热源地,断裂带发生地构造热事件应是热源形成的主要因素。然而,昆南断裂带在陆内演化时期,主体断裂面依然是向北倾,并以逆冲活动为主,所以,受昆南断裂活动控制的热源应主要分布在断裂带及其北侧(上盘)地区,并且从断裂带向北,热源强度渐弱,可能难以造成其对南侧广大地域较强的热影响。本文研究样品所在的区域,除受昆南断裂带的热影响外,我们认为还可能与昆南断裂南侧约6km的玛尼特断裂(图1)有关。作为区域次级断裂,玛尼特断裂向南倾,其构造活动所产生的热,主要是沿断裂面分布,从断裂面向上(盘),热强度减小。这样,就地表而言,从玛尼特断裂向南,热强度逐渐变小。这种特征与图5显示的变化趋势一致。3热演化的历史基于裂变径迹相关参数和基本地质特征,对于已获得径迹长度的2个样品,进行地质热历史模拟,采用Ketcham退火模型和蒙特卡罗法。模拟温度从高于裂变径迹退火带的～130℃到现今地表温度。考虑到径迹长度较短、长度标准差较大,样品在退火带滞留时间较长,同时结合单颗粒年龄特征,取模拟时间从100Ma到现今。模拟结果见图6,两个样均获得了最佳的热历史路径(见图中粗线),虚线区代表反演模拟的较好拟合区。每个图右上角标出样品代号、实测径迹长度和模拟径迹长度,实测Pooled年龄和模拟Pooled年龄,以及K-S检验和GOF年龄拟合参数。当K-S值和GOF值均大于0.5时,一般认为模拟结果较好。两个样品的模拟结果基本一致,总体上呈现4阶段热演化历史:(1)冷却期:从>100Ma至88—77Ma,温度从约90℃降为65℃,属于较为快速的冷却,冷却速率为1.3—2.1℃/Ma,其中南部地区快于北部。如果考虑50℃/km的地温梯度,则相当于26—42m/Ma的隆升速率。这一热事件与前所述约107Ma对应的区内大规模逆冲作用相符;(2)缓慢加热期:从88—77Ma至46—51Ma,温度由约65℃升为77至83℃,加热速率为0.3—0.6℃,加热速率非常缓慢。样品XT40的缓慢冷却期比样品XT36更为明显,可能由于XT40距玛尼特断裂较近,更易受到断裂活动的热影响所致;(3)稳定期:从46—51Ma至约6—12Ma,温度基本没有变化,大致恒定在74—78℃左右。值得注意的是,虽然属于稳定期,但温度比较高,表明实际上并非“稳定”,而是印度-亚洲碰撞(India-Asiacollision)事件的体现;(4)快速冷却期:6—12Ma至今,从74—78℃快速冷却至现今地表温度(约15℃),冷却速率为5.3—9.8℃/Ma。若取相同的地温梯度,则隆升速率为106—196m/Ma或者0.11—0.20mm/a,依然是南部地区比北部快。径迹长度分布直方图呈现单峰特征,正是这次冷却事件的体现。由于缓慢加热期加热辐度小,总体上是在退火带内变化,所以,可以将缓慢冷却期和稳定期视为同一平静期。这样,认为本区在两个冷却期之间存在一个时间较长的平静期。4区域构造背景及构造演化史东昆仑昆南区上二叠统南北剖面中4个砂岩样品的磷灰石裂变径迹年龄为(48±3)—(89±8)Ma,径迹长度为(10.7±2.3)—(10.8±2.2)µm,较好地记录了本区陆内演化特别是新生代以来地构造热演化史。裂变