地球物理学报  2010, Vol. 53 Issue (4): 912-919   PDF    
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
常远1 , 许长海1 , Peter W. Reiners2 , 周祖翼1     
1. 同济大学海洋地质国家重点实验室, 上海 200092;
2. Department of Geosciences, the University of Arizona, Tucson, AZ 85721, USA
摘要: 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.
关键词: 米仓山      磷灰石      (U-Th)/He      剥露      秦岭造山带     
The exhumation evolution of the Micang Shan-Hannan uplift since Cretaceous: Evidence from apatite (U-Th)/He dating
CHANG Yuan1, XU Chang-Hai1, Peter W. Reiners 2, ZHOU Zu-Yi1     
1. State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China;
2. Department of Geosciences, the University of Arizona, Tucson, AZ 85721, USA
Abstract: The apatite (U-Th)/He dating results of 13 granitic samples collected in Nanjiang-Nanzheng transect are used to systematically study Micang Shan′s exhumation and thermo-tectonic evolution. While taking into consideration of the influence of the sample′s cooling rates and crystal sizes on (U-Th)/He closure temperatures of respective apatites, this research also quantifies the effects of topography, heat conduction, advection and production on regional geothermal gradients. The inversion results reveal a period of rapid exhumation with an average rate of~70 m/Ma in the southern sedimentary area of Micang Shan since about 50 Ma B.P., which removed above 3 km-thick sub-surface rock in the region; the Guangwushan Complex in the middle part of Micang Shan-Hannan Uplift experienced a fast exhumation event at~90 Ma B.P. with an exhumation rate of > 75 m/Ma; the northern Hannan Uplift was exhumed to the surface with a fast rate above 40 m/Ma before~100 Ma B.P., and then slowly with an average exhumation rate of~10 m/Ma. The whole research region, Micang Shan-Hannan Uplift experienced a very slow exhumation with an average rate of 10~25 m/Ma during 90~50 Ma B.P..
Key words: Micang Shan      Apaptite      (U-Th)/He      Dating exhumation      Qinling orogen     
1 引言

低温热年代学技术,如裂变径迹和(U-Th)/He方法具有同时记录样品年龄和热史信息的特点,为定量研究造山带隆升-剥蚀,地表侵蚀与沉积过程以及区域岩浆、断裂活动等问题提供了科学依据[1, 2].目前,在利用磷灰石(U-Th)/He方法研究造山带问题中,研究者已经开始关注矿物自身性质和冷却速率对氦扩散和定年结果的影响[3~8],以及受地壳生热与导热特性作用的区域地温场对样品年龄解释及剥露史反演的影响以及区域断层、褶皱等构造活动对热年龄数据分布特征的作用等[9].本文通过对米仓山-汉南隆起的系统采样,以磷灰石(U-Th)/He测年数据为基础,综合考虑被测矿物性质、地形起伏、岩体二维热传导、剥露速率变化及构造活动等因素对于低温热年代数据解释的影响,利用(U-Th)/ He封闭温度计算、地形拟合、稳态地温场重建和年龄-高程关系等技术,定量反演了米仓山-汉南隆起各主要构造区不同时期的剥露速率和剥蚀量,讨论了区域构造活动历史对该区差异剥露的控制作用.

2 地质背景

米仓山-汉南隆起位于上扬子西北缘,处在四川盆地和秦岭造山带之间的构造耦合部位,其西邻龙门山,东抵大巴山弧形褶皱带,区内为两条近东-西走向的主干断裂--桃园-牟家坝断裂和上两-关坝断裂,划分为三个主要构造区,即南部中、古生界沉积褶皱区,中部晋宁期侵入杂岩区以及北部的汉南隆起基底区[10, 11]图 1).南部中、古生代地层发生强烈的褶皱变形,褶皱强度由北向南逐渐变弱,构造线走向为东-西向[12];中部晋宁期侵入杂岩以光雾山侵入岩为代表并包括其周边前寒武纪变质岩[13],野外露头可见岩体韧性变形现象;北部汉南隆起区主要由元古代花岗岩、少量基性侵入岩和太古代变质片麻岩组成[13],其北部为汉中盆地.

图 1 米仓山-汉南隆起区域地质略图与样品分布 Fig. 1 The geological map of the Micang Shan-Hannan Complex and the sampling sites

前人对米仓山地区的构造解析以及川东北地区的沉积-构造演化研究已有一定认识[14~18],认为米仓山为一大型复式背斜构造,自早中生代以来遭受南北向的强烈挤压作用,南部发生短轴穹隆状背斜,以晚太古代和元古代基底岩系为核部,最新卷入侏罗-白垩系地层;汉南隆起区由成分复杂的多期侵入岩和变质岩系组成,固结程度高、刚性强,印支期以后对四川盆地北缘山系的构造变形起着重要的阻梗作用.该区的构造演化与周边大型构造域的各时期活动显著相关.

3 采样与数据测试

本文样品均为花岗岩类岩石,其所在岩体的成岩年龄集中分布在800~900 Ma[13, 19],采样间隔为2~5km,样品由南向北跨越了米仓山的各个构造区,并具有一定的高程差异,较大程度上照顾了剖面内的地形起伏顶底点(图 12).

图 2 米仓山南江-南郑剖面地形、等温面与样品氦年龄值 Fig. 2 The topography and isotherms of the Nanjiang-Nanzheng sampling transect and the samples' apatite (U-Th)/He ages in MicangShan

新鲜的岩石样品经过粉碎、矿物分选等程序,筛选出足够量的磷灰石,然后从每一件样品中选择晶形较好和没有裂隙的磷灰石颗粒进行(U-Th)/He测年,同时尽量避免含矿物包体多的颗粒,以减少U、Th含量高的包裹体对矿物氦测年结果的影响[7].(U-Th)/He测年工作在美国亚利桑那大学地球科学系进行,测试环节主要包括激光加热释气、四级场质谱仪测定样品4He含量,以及利用ICP-MS测定样品的U、Th元素含量等环节,具体的实验流程和参数详见http://www.geo.arizona.edu/~reiners/arhdl/arhdlrep1.pdf,样品测试结果见表 1.

表 1 米仓山地区花岗岩类磷灰石(U-Th)/He测年结果 Table 1 The apatite (U-Th)/He dating results of the granitic samples from Micang Shan
4 地温场重建与剥露作用分析

利用低温热年代学技术进行精确的岩体剥蚀量和剥露速率计算,需要综合考虑两方面的内容,一是样品的冷却速率对其封闭温度的影响[20],二是地形起伏、地壳热传导、热对流及放射性同位素生热等因素对区域地温场的控制作用[21~23].

4.1 样品(U-Th)/He封闭温度计算

所有的热年代学年龄都有一个与其对应的有效封闭温度,即年龄值理论上代表了样品以某一匀速冷却速率经过某一温度后的时间[20],表达为公式(1).

(1)

其中Tc为样品理论上的封闭温度,它是被测元素在矿物中的活化能Ea(kcal/mol)、频率因子D0(cm2/s)、晶体大小aμm)以及样品冷却史dT-1/dt的函数,式中常数R=1.987cal/molK,A=55[20].

对于磷灰石(U-Th)/He定年来讲,符合特定条件的样品具有其独特的封闭温度,有时相同测年方法得到的各年龄数据所对应的封闭温度值可能会因样品所经历的冷却史(dT-1/dt)、矿物颗粒大小(a)、晶体结构(EaD0)等差异存在较大不同[3~8].本文利用公式(1)对样品逐一进行了(U-Th)/He封闭温度计算,考虑到较低的平均冷却速率以及本区磷灰石样品较高的晶体放射性损伤[6, 8],在误差允许的范围内将各样品的封闭温度归结为比较一致的结果以方便计算(表 2).

表 2 样品磷灰石(U-Th)/He封闭温度和剥露速率计算结果b) Table 2 The calculated result of the samples closure temperatures and rocks exhumationb)
4.2 采样剖面地形拟合

由于地形起伏对于地温场具有较大的影响[21~23],因此在利用热年代数据进行区域剥露速率计算中需要考虑样品分布的空间差异所导致的等封闭温度面埋深的不同,故而确立样品分布剖面的地形函数是进行剥露计算的前提.以往的研究多采用标准的正弦或余弦函数来模拟地形起伏变化[21~23],但是实际的地形剖面却往往不是标准周期性起伏变化的.本文采用的方法是将获得的离散地形数据数列进行傅里叶级数展开,然后再建立一个地形三角函数(式2),并通过选取合适的级数个数N来简化计算.

(2)

其中λ为地形波长,anbn分别为根据地形数据计算得到的傅里叶级数,n=0,1,2,…,Nx为剖面水平距离变量.该剖面原始地形数据来源于Google Earth,水平取样间距为0.6km,剖面全长约80km,最大地形波长λ选取70km.由于地温场的起伏主要受控于地形的长波组分[15~16],本文选取N=3的值,即可实现模拟结果的高准确度又能减少计算量(图 2).

4.3 区域热稳态地温场重建

由于米仓山-汉南隆起大规模出露古老的基底杂岩,在氦年龄所限定的时期该区处于相对稳定的构造平静期[12~15],可假定米仓山-汉南隆起在样品所限的时间范围内(表 1)基本处于热稳定状态,其地温场可以为方程(3)所描述[22],方程(3)综合考虑了岩石二维热传导、热对流、地形起伏、地壳放射性元素生热等因素的影响.

(3)

其中x(km)和z(km)分别为剖面在水平和垂向上的变量,κ(m2·s-1)为岩石的热扩散系数,u(km/Ma)为假定的初始剥露速率,ρ(kg·m-3)为岩石的密度,C(J·kg-1·℃-1)为岩体的比热容,Az)为岩石生热率函数,其形式为,其中AS(μW·m-3)为地表岩石的体积生热率,生热厚度h(km)为岩石生热率降低为其地表值的1/e的深度[22].方程(3)的解为(4)式(详细推导见文献[22]).

(4)

其中

式(4)的数值求解需要一定的边界条件和初始条件,本文选取的参数[21~25]为:平均地表温度TS=15℃,地壳厚度L=60km,底板温度TL=700℃,生热厚度h=10km,地表生热率AS=3μW/m3,岩石热扩散κ=10-6m2/s,岩石比热容C=800J/kgK,岩石密度ρ=2700kg/m3,大气温度梯度φ=4.5K/km,假定剥露速率u=0.03km/Ma,得到区内浅地壳地温梯度约为20℃/km,具体计算结果见表 2图 2.

4.4 区域差异剥露分析

本文对米仓山-汉南各构造区岩体差异剥露作用分别从样品氦年龄空间分布差异、平均剥露速率的空间差异和时间变化等方面进行了多层次的分析.

首先,样品的(U-Th)/He年龄有从米仓山南麓向北部腹地逐渐变老的规律(表 1图 2).以样品NQL024-2所处的位置(桃园-牟家坝断裂以北、汉南隆起南缘)为界,南部样品的氦年龄与其高程具有很高的相关性,而北部样品的氦年龄则不依地形的高低起伏而变化.这可能是由于北部样品年龄分布主要受控于早期构造活动引起的岩体抬升或构造剥蚀,晚期地表风化侵蚀改造不显著,而南部氦年龄数据分布主要受控于较晚期的地表侵蚀作用,且在较长时间段内处于整体均匀剥露造成的.

其次利用求得的样品(U-Th)/He封闭温度和区域稳定地温场计算得到的各个样品自其封闭年龄以来的剥蚀量和平均剥露速率(表 2),可以将所有样品划分为三个组别,且分别对应了米仓山-汉南隆起的三个构造区,即南部中、古生界沉积褶皱区,样品年龄较新(50~70Ma),平均剥露速率较高(~70m/Ma);中部变质侵入杂岩区,样品年龄相对集中在90~80 Ma,暗示出现过快速剥露事件;以及北部汉南隆起基底,样品年龄普遍较老(>100 Ma),自~100 Ma以来以平均10~20 m/Ma的剥露速率缓慢出露到地表.

最后,通过比较相邻的具有较大剥蚀量和年龄差异的多个样品进行不同构造区的剥露史反演可以发现,米仓山地区自晚中生代以来,其剥露作用存在空间和时间上的变化.由于在本研究中,样品之间的水平间距有时较大,计算中考虑了地形起伏对于其封闭温度面埋深的影响(图 2),以公式(5)代替传统的高程-年龄法来计算剥露速率更为准确[2, 21~23],计算结果见表 3图 3.

(5)

表 3 米仓山地区区域差异剥露速率反演结果 Table 3 The inversely calculated result of the spatial differential exhumation in Micang Shan
图 3 米仓山不同地区各时期剥露速率比较 Fig. 3 The exhumation rates of different tectonic regions of Micang shan in history

对米仓山南部样品NQL010、NQL012-1与NQL017的剥蚀量-年龄对(式(5))分析显示,该区70~50 Ma之间平均剥露速率为约20 m/Ma,远低于其50Ma以来的平均约70m/Ma的剥露速率,这说明该区的快速剥露起始于约50 Ma甚至更近的某一时间.米仓山中部光雾山岩体的样品对NQL019~NQL020揭示该区在约90 Ma存在一个高速剥露(>75 m/Ma)事件,而其他样品对则反映中部70~90 Ma的剥露速率仅为20~35m/Ma,如果将约90Ma的快速剥露因素排除,那么米仓山中部与南部沉积区在90~50 Ma期间可能都处于一个缓慢的剥露状态(约20m/Ma),这也支持了米仓山长期处于热稳定状态的假设.对于北部汉南隆起来讲,其高速剥露(>40 m/Ma)的历史应该结束于约100 Ma,此后该区域进入了一个非常缓慢的剥露状态(约10m/Ma).

5 讨论与结论

米仓山-汉南隆起各构造区剥蚀量分析表明,新生代以来米仓山南部(毗邻四川盆地)的剥蚀量超过3km,向北剥蚀量逐渐变小,到汉南隆起区剥蚀小于1km(图 4),剥露作用总体显示出南强北弱的特点.自约100 Ma以来,米仓山南部和中部的总剥蚀量都超过或达到3km,应该成为四川盆地晚白垩世以来的主要物源区之一;而北部汉南隆起区自约100 Ma以来的剥蚀量较小,说明该区自晚白垩世以来长期处于构造稳定状态.

图 4 米仓山不同地区各时期剥蚀量比较 Fig. 4 The exhumation magnitudes of different tectonic regions of Micang shan in history

米仓山-汉南隆起差异剥露作用历史与周缘构造域演化存在一致性.北部汉南隆起约100 Ma之前的快速剥露作用可能始于约160 Ma,推测与秦岭造山带碰撞后陆内挤压和南秦岭向南逆冲推覆有关[26~30],同时在四川盆地北缘米仓山前形成的巨厚侏罗纪陆相沉积[16~18]说明约100Ma以前的快速剥露作用遍及整个米仓山-汉南地区.汉南隆起于约100 Ma以后进入了一个缓慢剥露的构造阶段,预示着秦岭造山带强烈的陆内挤压作用趋于结束.关于中部光雾山杂岩在约90 Ma时的快速剥露作用(>75m/Ma),或者代表了陆内挤压逆冲在此结束的时间[26],或者与桃园-牟家坝断裂多期活动有关,也可能与川东北AFT热史结果显示的约90Ma快速冷却事件一致[18],说明了米仓山和四川盆地北部此时遭受同一构造作用控制而整体抬升.米仓山南部在90~50Ma时期表现出缓慢剥露的构造特点,约50 Ma以来又转为快速抬升剥露作用,这种构造转折在时间上与青藏高原快速隆升是一致的[31~33].

致谢

感谢亚利桑那大学的Dr. Stefan Nicolescu在磷灰石(U-Th)/He测试中给予的帮助,感谢同济大学王利博士和吴建勋硕士在野外工作中的协助.感谢匿名审稿人对于文章的建设性意见.

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