裂变径迹分析及其在地质问题中的应用

李亚男， 彭治超， 戴银月

(1．西北大学 地质学系，西安 710069；2.西北农林科技大学 农学院,陕西 咸阳 712100)

1 裂变径迹与裂变径迹分析

当带电的核粒子通过绝缘固体时，它们会留下破坏原子的直线轨迹，这反映了原子尺度上的强烈破坏.裂变径迹是损伤特征，裂变径迹分析是对矿物中这些特征的研究和表征.自然或自发的轨迹几乎完全由地质样品中的同位素238U自发裂变产生的，由于235U和232Th等自然发生的重同位素的裂变半衰期太长，无法产生大量的轨道.

裂变径迹形成的目前最理想的模型是离子.这可能是最广为接受的轨道编队模型，Chadderton(1988)考虑了目前运行的物理过程，从经典和量子力学的角度来看轨道的形成[1].他强调了在轨道上碎片原子碰撞中可能发生的所有的可能性所涉及到的困难.此外，为了预测一个潜在的轨迹，精确的晶体模型的固体是很有必要的.由于这些原因，离子尖峰模型应被视为轨道形成过程的第一近似值，轨道形成综合理论的发展仍需做大量工作.裂变径迹分析在许多领域中的应用包括地质，是率先在上世纪60年代早期由Fleischer，Price和Walker在通用电器公司在纽约州的研究实验室中提出来的.他们的开创性的发现，在1975年出版的原理和应用中总结了这一主题的研究.这项研究的动机是一次透射电镜观察的潜在的裂变径迹，发现了自发裂变径迹天然云母可以观察到在氢氟酸蚀刻后光的存在，化学蚀刻的过程开辟了轨道，使他们可以观察到光.一个裂变径迹蚀刻的宽度和长度取决于实际矿物化学蚀刻剂的性质.建立一个一致的校准和样品制备技术非常重要，所有公布的数据应伴随的蚀刻过程的充分描述(Hurford 2000a，b)[2].蚀刻过程的细节超出了我们的审查范围，但有用的摘要是在Fleischer第3章(2008)[3].

2 裂变径迹分析在地质问题中的应用

裂变径迹分析的各种应用无处不在，包括在岩石中的应用.裂变径迹分析作为一种传统的断代方法，最普遍的应用是新生代的火山玻璃和玻璃碎片.玻璃的裂变径迹分析已成为一个热门，因为通常缺乏合适的时间来进行常规同位素年龄的测定.在本文中，我们并没有进一步考虑这一应用.我们更专注于一些传统上应用裂变径迹法来测年有所障碍的方面，比如轨道的相对低温稳定性和单一封闭温度在解释裂变径迹年龄时通常不合适的事实.我们考虑4个基本的应用研究，在沉积盆地热史分析、造山带或造山带的演化，非造山环境中的应用.Dumitru(2010)提供了一个最近的裂变径迹资料在第四纪地质年代学中的应用[4].

2.1 在物源研究的应用

许多沉积物来源于已经存在的岩石的侵蚀，因此碎屑磷灰石和锆石颗粒可以包含原始烃源岩中积累的裂变径迹.物理风化和侵蚀不影响固位、稳定裂变径迹，但保存物源相关的轨迹取决于侵蚀源区经历的温度历史，以及沉积物随盆地演变而变化的历史.磷灰石的相对低温稳定性意味着这种矿物的应用有限，尽管它已经在某些情况下使用.(Corrigan,Crowley 2002，Rohrmann2005，Lonergan，2008).盆地的温度为60 ℃～70 ℃之间(通常埋深大于2 km)[5-7].锆石的高温稳定性和对物理输运的一般抗性，表明锆石在物源相关研究中得到了广泛的应用.

外部探测器方法特别适合于物源研究，因为可以从单个矿物中获得裂变径迹年龄(Hurford，2011).如果分析了足够的单颗粒，就可以利用裂变径迹分析来确定沉积物中不同年龄组分，并将它们直接与源区联系起来.对不同来源的识别，可以对剥蚀速率和方向的推断作出一定的推论.为了获得统计上有用的结果，对于给定的样品，应获得足够数量的单颗粒龄.例如，Hurford等人使用50～100粒，虽然kowallis等人(2006)认为，如果物源是简单的，只要有5～10粒足矣.最佳粒数不是固定的，取决于模态年龄之间的分离程度，每种模式固有的不同精度，以及每个种群中的相对比例[8-9].

2.2 在沉积盆地热历史分析中的应用

裂变径迹数据是温度、时间的敏感指标，这种认识也使得这种技术在沉积盆地热历史分析中得以应用.很多研究都集中在磷灰石，因为在这个矿物裂变径迹系统的温度范围(±50 ℃～±130 ℃)与油气生成的范围相吻合.因此，磷灰石裂变径迹分析已成为油气勘探和成熟建模的常规方法.阿恩总结了应用裂变径迹分析矿床特别是密西西比河谷型矿床，尽管应用较为有限，因为一般常见的碳酸盐岩往往不包含足够的磷灰石和锆石.在盆地分析背景中，最早讨论裂变径迹分析的是Naeser(1979)，他描述了磷灰石裂变径迹数据中所预测的趋势[10].浅层低温样品应反映沉积物物源，而更深、更热的样品则反映了盆地的热历史.通过格莱多和后来的研究者在澳大利亚东南部的奥特韦盆地沉积物提供了一个有力的论证，这已成为长期退火磷灰石的经典参考研究.

2.2.1 简单埋藏与磷灰石部分退火带(Paz)

奥特韦盆地的一个主要优势是沉积岩是从同期火山岩中派生出来的.因此，裂变径迹中的“时间零点”是有效地层年龄.此外，埋藏历史比较简单，因此可以合理地重建沉积物的温度历史.裂变径迹年龄数据的趋势反映了径迹长度分布的变化.因此，狭窄长度分布和长期平均轨道长度的浅层样品的年龄差不多，相当于地层时代，同时逐步深入的样本显示了较短的平均轨道的长度和宽的长度分布.如上面所述，轨道长度和裂变径迹年龄减少的区域被称为部分退火带(Paz).这个区域是一个近似值，因为在所有地质时间尺度上，退火都是一个与加热速率有关的过程.此外，通过化学成分和晶体结构引入的复杂性进一步使PAZ的一个温度范围的定义变得模糊.Naeser等人报道了位于加利福尼亚盆地地块第三纪沉积物中的非零裂变径迹年龄，目前的温度为140 ℃，与奥特韦盆地数据相比，总退火的温度范围(从第一个零裂变径迹年龄到所有的零年龄)都相对有限.Naeser等人得出结论，这种抑制退火并不是一种合成效应.在圣华金流域的极快地被掩埋(例如:中新世沉积后的超逾3 000 m)提供了一种物理机制，降低地温梯度，目前是大约22 ℃/km.然而，它是不明确的，可能和一些其他的机制有关.

2.2.2 沉积盆地中锆石裂变径迹分析

锆石裂变径迹分析在盆地分析和热史研究的背景下应用相对较少，主要原因是它的高温稳定性.根据上述的实验室和自然退火实验，锆石裂变径迹退火预测模型的最新进展表明，锆石裂变径迹分析将在今后的热史和定量盆地研究中发挥更大的作用.尤其是在那些潜在的烃源岩温度超过磷灰石稳定区的地区，例如南部北海盆地.

2.3 在造山带的应用

图1 磷灰石裂变径迹冷却曲线

在造山带中，大陆辐合是由地壳增厚、侧向堆积和剥蚀作用而形成的.英国Molnar认为，地壳长度尺度上的地表隆起是造山过程中所测量的基本位移.这类的隆起对重力的工作要求很大，与在主要推力断层中克服剪切应力的工作相比，这是一个相当大的工程.在大陆碰撞区的水平缩短是地壳增厚的主要原因，平均地表隆起率反映了板块的收敛速度.一种替代机制包括在造山带下面地幔岩石圈的密度分布的变化，导致地表隆起.在这种情况下，地表隆起的速率不受板块收敛速度的直接控制，而且比与简单地壳缩短相兼容的地表抬升速率要高得多.然而，测量地表隆起速率，以及在地质时间尺度上的变化率，是一个特别困难的问题.如果在侵蚀造山带和沿造山带腹地的高角和低角断层的侧向和径向排出，获得时间和速率信息，就可以对这些变量施加有用的约束.

造山带形成了一个大的区域，变形是不均匀分布的，因此它的运动学与边界岩石圈板块的运动并没有任何的联系.因此，在时间和从造山带变形运动学本身获得的信息，结合其侵蚀的历史信息，可以揭示造山过程的动力学特征.裂变径迹分析为冷却提供了定量的信息，也有可能提供剥蚀和构造剥蚀的估计.为了提取这些信息，我们需要考虑裂变径迹数据的解释是如何得到的.在碰撞造山带的情况下，适当考虑三种可能的参考框架：热、高程，它们被用来解释裂变径迹数据.我们依次考虑这些问题，并结合各种相关的研究进行讨论.

2.3.1 热的参考框架

使用不同辐射技术对同源样品中的矿物通常包括锆石和磷灰石，其冷却历史温度下限为几百度的温度区间.尽管封闭温度概念一般不应用于同位素年龄，采用封闭温度方式解释裂变径迹有具体的问题.将裂变径迹年龄与封闭温度相关联的结果是，当在闭合后没有明显的退火时，这是很可能的.这需要快速冷却，这应该反映在轨道长度的分布上.图1中给出的例子有一个由磷灰石分析所定义的冷却曲线的下半部分，它的平均轨道长度有很大的降低，并证明了双峰性的分布.因此，计算出的年龄并不反映时间.一个±110 ℃～±120 ℃封闭温度，但它表明一个更复杂的低温冷却的历史.根据最近的数据，从上述冷却历史推断出的锆石闭合温度似乎是合理的.然而很清楚，轨道长度信息对于全面了解裂变径迹数据中包含的低温冷却历史信息是至关重要的.即使在没有可靠的定量退火模型(如锆石)的情况下，轨道长度数据也能对推断出的冷却速率的有效性进行定性评估.这并没有揭示去顶样品的过程，但是它提供了关于冷却开始的时间和冷却的速度的宝贵信息.虽然我们可以用定量热模型来模拟裂变径迹数据.历史上，由于经验退火模型的变幻莫测，最佳拟合温度历史转换到等效深度需要另一层解释.

图2 裂变径迹年龄-高程图

2.3.2 高程基准框架

一段时间以来，在山区采集的样品往往产生磷灰石裂变径迹年龄与样品的高度呈正相关.这个空间(垂直)的参照系被用来估计隆起的速度(图2).更准确的被称为剥蚀的估计.尽管存在一些严重的缺点，但通常使用年龄高程图来推断剥蚀和抬升速率.这些简化解释的一些典型问题包括：(1)假设冷却仅仅是侵蚀的结果；(2)对退火带的忽视；(3)岩石样品垂直等温线的隐式假设；(4)使高程不再反映地壳原始样品深度的空间关系的变化.

2.4 对非造山的应用

2.4.1 被动大陆边缘与大陆内部

与造山带地形相反，地形是地壳增厚的结果，被动大陆边缘形成于以地壳变薄和沉降为主的区域伸展环境中.然而，一个完整的被动大陆边缘演化模型必须考虑边缘陆上地形的演变，以及海上边际盆地的沉降.不像近海盆地，记录保留在地层垂直运动中，一个被动大陆边缘的陆上部分通常没有保留直接记录其地形的历史.由于侵蚀，改变古高度的证据(如高架海相沉积或不同年龄的古海岸线)可能是在边缘的初始发展阶段了.高分辨率地震反射资料的丰富，为海洋沉积的计算提供了一种新的方法.这一类型的数据被用来重建邻近的陆地地区的广义剥蚀历史.这种方法的一个主要限制是沉积物的源区是未知的.磷灰石裂变径迹分析法可以有效地解决这一问题，因为它可以直接估计陆地剥蚀的空间分布.结合这些互补的数据集，为量化大陆边缘和内陆的剥蚀历史的数量、模式和年表提供了一种极其有力的方法.

2.4.2 裂谷相关加热与剥蚀冷却

非造山环境中的热状态是垂直分量的.传热在地壳上部(<10 km)中占主导地位.此外，与大陆裂谷作用有关的伸展作用和相关岩浆作用的地下热效应在很大程度上局限于伸展、地壳变薄和下沉的区域.在陆地上，裂变径迹样本被收集，地壳浅部的热梯度在很大程度上不受裂谷过程的影响.这些环境中岩石的低温热历史主要受近稳态地热的垂直位移控制.因此，剥蚀是这一背景下的主要控制过程，所以冷却速率是由剥蚀速率决定的.

2.4.3 被动边缘地形与地形发展模式

陆上的被动边缘显示地形形态变化大，反映了剥蚀、排水、岩性和构造控制之间的复杂相互作用.这一复杂性表明，一个单一的被动边缘形成模型不太可能为所有的边缘提供一个令人满意的解释.有许多地球物理模型可以解释被动边缘的长期地形的起源，但很少有人试图解释地形随时间变化的原因.同样地，许多地貌模型也提供了关于地形可能在地质时间尺度上发生变化的解释，但未能为模型的工作提供良好的物理基础.磷灰石裂变径迹分析的优势是它测量边缘地形的模式和剥蚀年代的潜力.从而通过他们预测的分析特征剥蚀的历史来分析模型.

3 结语

裂变径迹分析自20世纪60年代初就出现了，当时Fleischer，Price和Walker第一次考虑了这一技术与地质问题的相关性.过去几十年左右的地质应用已经有了很大的发展，主要是由于对数据中所包含的信息的理解有所提高.轨道长度数据的认知对于理解裂变径迹年龄和定量退火模型的后续发展是至关重要的.闭式温度概念不普遍有效的事实证明是一个积极的结果.在实践中，这意味着，从单一裂变径迹分析，可以构造一个比年龄基本解释更详细的热史.在这篇综述中，我们简要地讨论了尚未解决的问题.这包括一个对轨道形成和退火的机制的真实理解，以及对影响退火的因素的完整的描述.如化学成分和晶体结构等.将实验室退火实验外推到地质时间尺度上，总是会有一定程度的信心，认为主导机制不会改变.对不同矿物(如磷灰石)的中间到长时间刻度(如103～108年)的案例研究是必要的.最后一个问题是，分析过程相对劳动密集型，原则上，通过自动化和图像分析可以改进这个过程.一些正在进行的工作集中在这一领域，但迄今为止还没有实际的系统.这种技术有很多可供选择的条件，只要它在适当的条件中使用.裂变径迹作为石油行业勘探的工具证明了这一点.在区域构造背景下，详细的取样战略与结构的映射可以提供关键信息，为理解构造断裂系统的演化，以及解决剥蚀和侵蚀的贡献降温.随着更多的区域裂变径迹数据的产生，对长期地形演化的了解有更大的余地.也许，微观尺度的裂变径迹可以为了解地质年代尺度上的宏观到大陆尺度过程提供独特的依据.

[参 考 文 献]

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