在大陆内部伸展构造变形背景下，大规模的高角度正断层伸展作用使处于地表以下几公里的下盘岩石遭受剥露冷却，并隆起成山，断层上盘下降，接受沉积，形成盆地；这些隆升剥露的岩石为我们研究伸展正断层下盘山体的热冷却历史、主要伸展作用的起始时间及幅度提供了可能.磷灰石裂变径迹热年代计封闭温度低（约110~120℃），样品的磷灰石裂变径迹长度分布记录了其所经历的低温热历史，提供了其通过磷灰石裂变径迹部分退火带的冷却信息^[1~8]；快速冷却作用通常被解释为是处于一定深度的正断层下盘岩石遭受伸展隆升剥露作用的结果，是测定下盘山体隆升冷却历史、主要伸展作用的起始时间及幅度最有效的方法之一，并且得到了广泛和成功的应用^[9~14].

秦岭太白山位于秦岭山脉的北缘，新生代以来，该区经历了平行于山脉的强烈伸展构造变形，以秦岭北缘断裂为界，南部下盘山体遭受了强烈的伸展隆升剥露作用，北部上盘断陷形成现今沉积厚度达7000 m的渭河盆地.尽管前人利用裂变径迹热年代学方法对太白山的隆升作用已有研究^{[15, 16]}，但是，对比不同作者给出的结果，我们不难发现它们之间尚存在不同程度的差异或数据解释的不确定性.其原因可能有：一是样品采集位置及路线不同；二是不同样品之间磷灰石裂变径迹退火性质的差异；三是当时的测试技术对于单颗粒年龄的测试误差较大.因此，本次研究中不采用前人的数据；此外，在对裂变径迹年龄进行地质解释或利用高差法对山体快速隆升的起始时间及速率进行测定时均需相应样品裂变径迹长度的约束^{[6, 17]}；然而，Chen等^[15]在利用裂变径迹年龄-高差法对山体快速隆升起始时间及速率进行测定时，缺少样品裂变径迹长度数据的约束，使其所获得的结果存在不确定性.同时，目前仍缺少山体底部盆山接合部位的裂变径迹年代学数据，已有的年代学数据仍无法测定太白山快速隆升冷却的时间.综上所述，显然有必要加强对太白山新生代伸展隆升冷却历史的磷灰石裂变径迹分析.

本文报道了大量新的磷灰石裂变径迹数据，目的是通过对太白山北坡系统的磷灰石裂变径迹样品采集，通过对样品磷灰石裂变径迹年龄及水平封闭径迹长度和分布形态的精细测试分析，结合样品年龄-高程和样品径迹长度的热历史反演等，对太白山的新生代伸展隆升冷却历史开展研究.研究结果为正确认识该区新生代主要伸展变形的起始时间、期次、强度以及秦岭北缘山脉新生代伸展隆升机制提供了可靠的依据.

秦岭造山带最初由华北板块与扬子板块及它们之间的秦岭板块等板块之间的俯冲碰撞作用，形成于三叠纪（约220 Ma）^[18~22]，之后，又经历了中生代以强烈的花岗岩侵入及伸展构造变形为标志的陆内造山^[23].紧邻青藏高原东北缘，与西部的祁连、昆仑造山带，东部的大别造山带构成横贯中国中部的中央造山带.新生代构造活动强烈，主要以受平行于山脉的伸展走滑正断层所控制的伸展构造变形为主，以秦岭北缘断裂为界，以北是新生代沉积厚度达7000 m的新生代断陷盆地-渭河盆地，以南，秦岭北缘山脉发生急剧的向南掀斜隆升（图 1a）^[24~27].第四纪断层崖及地质填图表明，秦岭北缘断裂是一条活动的左旋滑动正断裂（图 1），断层面北倾，倾角60°~80°，第四纪以来的垂直滑动速率为0.23~1.14 mm/a；秦岭北缘断裂向东延入秦岭内部，分为洛南断裂和商丹断裂，均表现出明显的左旋水平位移特征^{[25, 28]}.秦岭北缘山脉地形北陡南缓，水系结构具有明显的不对称性，北侧河流短小急湍北下，南侧河流长而曲折南下，新生代夷平面及阶地发育，夷平面掀斜角度达8°~18°^[29~31].以上构造活动特征及地形地貌表明，秦岭北缘山脉发生与秦岭北缘断裂活动有关的强烈伸展隆升作用，使山体北侧作为正断层的下盘在伸展过程中遭受隆升剥蚀冷却，并向南掀斜.

图 1

Fig. 1

图 1 研究区地质构造简图及样品采集位置 Fig. 1 Simplified geological and tectonic map of the researched region and sampling locations

太白山位于秦岭北缘山脉的西端，最高峰海拔3767 m，是秦岭山脉的最高峰，地势陡峻，以秦岭北缘断裂为界，北部为渭河盆地，南部太白山新生代以来经历了强烈的伸展隆升作用.剥露的岩体主要为花岗质片麻岩、前寒武变质地层及太古代基底岩石（图 1）.根据新生代伸展构造变形特点，本次研究从靠近断层的太白山山体底部远离断层向山顶共采集了17个磷灰石裂变径迹样品（图 1b），高差约2600 m的垂直剖面，其最低海拔802 m，最高海拔3480 m，除了样品TB07-17采自断层上盘外，其他均采自断层下盘山体.样品的相关信息见表 1.

表 1(Table 1)

表 1 秦岭太白山磷灰石裂变径迹分析数据表 Table 1 Apatite fission-track data of the Taibai Mountain

表 1 秦岭太白山磷灰石裂变径迹分析数据表 Table 1 Apatite fission-track data of the Taibai Mountain

本次测试的太白山磷灰石裂变径迹样品共17个，所有测试工作在中国地震局地质研究所地震动力学国家重点实验室裂变径迹年代学测年实验室完成，测试步骤和数据处理与Liu等^[14]相同.除样品TB07~TB17测试颗粒数仅为8个外，所有样品测试颗粒数均达到年龄统计要求（通常20~40个）^{[5, 6]}.17个样品的年龄范围在7~48.3 Ma之间，所有样品P（χ²）＞5%通过检验，水平封闭径迹长度在10.73~14.29 μm之间，长度标准偏差在0.99~2.36 μm之间.样品的水平封闭径迹长度分布形态见图 2，样品的相关信息及详细分析结果见表 1.

图 2

Fig. 2

图 2 太白山样品水平封闭径迹平均长度及分布形态柱状图 Number:径迹数, ML:平均径迹长度, 单位μm, SD:径迹长度标准偏差, 单位μm, n:水平封闭径迹长度测量条数, Age:年龄, 单位Ma, Length:长度 Fig. 2 Confined track length histograms of apatite fission-track of the samples from the Taibai Mountain Number is confined fission-track number; ML is mean confined fission-track length; SD is standard deviation of track length; n is the counted confined fission-track number.

样品的水平封闭径迹平均长度及其分布形态、长度标准偏差等径迹数据提供了样品通过磷灰石裂变径迹部分退火带的冷却信息，快速冷却作用通常被解释为是岩石剥蚀去顶或抬升作用的结果，具有大的水平封闭径迹平均长度，小的标准偏差；反之，则具有较小的水平封闭径迹平均长度，大的标准偏差，宽的水平封闭径迹长度分布范围^{[2, 32]}.样品TB0715和TB0716的水平封闭径迹平均长度大，分别为14.21 μm和14.29，长度标准偏差小，分别为0.99 μm和1.02 μm（表 1和图 3），指示了其快速通过磷灰石裂变径迹部分退火带的快速冷却作用，其年龄分别为9.6 Ma和7 Ma，代表样品快速冷却的时间.样品TB0701同样具有相对较大的封闭径迹平均长度及较小的长度标准偏差，分别为13.58 μm和1.59 μm，表明其在部分退火带经历了较小的退火作用.样品TB0702~TB0714及样品TB0717的水平封闭径迹较短，长度标准偏差大（表 1和图 3），径迹长度分布具有短径迹拖尾（图 2），说明样品经历了较为缓慢通过磷灰石裂变径迹部分退火带的冷却作用，在这期间产生的裂变径迹经历了有意义的退火缩短作用，其年龄并不代表样品快速冷却的时间^{[2, 32]}.太白山17个样品的磷灰石裂变径迹年龄，水平封闭径迹平均长度及其长度分布形态、长度标准偏差等数据表明，太白山经历了始于约9.6~7 Ma的快速冷却作用，以及之前相对较为缓慢的冷却作用.

图 3

Fig. 3

图 3 样品磷灰石裂变径迹年龄-水平封闭径迹平均长度 (a)及标准偏差(b) ML:样品水平封闭径迹平均长度; SD:样品长度标准偏差. Fig. 3 Plots of apparent age versus confined fission-track length (a) and standard deviation (b) of confined fission-track length ML is mean confined fission-track length; SD is standard deviation of confined fission-track length.

样品年龄随高程的变化趋势，即“样品年龄-高程”图常被用于估计山体隆升的阶段、起始时间及速率等，样品年龄-高程拟合曲线发生折曲的位置通常被解释为剥露的古部分退火带的底部，其下年龄-高程曲线的斜率代表山体抬升或剥露的速率，其所对应的年龄为快速隆升剥露作用的起始时间，但其前提是样品快速通过部分退火带，没有经历有意义的退火作用，否则根据样品年龄-高程获得的山体抬升或剥露速率是不同高程样品在部分退火带差异退火作用与山体真实抬升速率的叠加^{[6, 17]}.太白山17个样品的年龄及水平封闭径迹平均长度-高程表明，除了处于剖面底部、采自断层上盘的样品TB0717，年龄（17.7 Ma）大于其上的样品TB0716（7 Ma）和TB0715（9.6 Ma）外，所有样品随着高程的增加而年龄增大.位于山体底部的样品TB0716和TB0715，其水平封闭径迹平均长度大，其长度标准偏差小，指示了始于约9.6~7 Ma的快速冷却历史；往上，样品TB0714至TB0701，其封闭径迹平均长度小，表明它们经历了部分退火带的缓慢冷却历史，指示了一个剥露的古部分退火带，其底部位于样品TB0715（海拔约1080 m）附近（图 4）.以上太白山剖面样品的磷灰石裂变径迹数据分析表明，太白山在新生代早期并没有经历大幅度的抬升冷却作用，而是小幅度的抬升冷却作用为主，在新生代晚期（始于约9.6），才发生大幅度的抬升冷却作用.

图 4

Fig. 4

图 4 样品年龄(a)及水平封闭径迹平均长度(b)样品高程图 Fig. 4 Plots of apparent age (a) and confined fission-track length (b) versus elevation

磷灰石裂变径迹长度模拟，能够产生一系列与观测数据一致的时间-温度路径范围.根据样品的水平封闭径迹长度，单颗粒年龄，利用AFTSolve热历史模拟软件^[33]，采用Laslett等^[3]磷灰石裂变径迹退火模型，选取样品TB0702和样品TB0709（测量水平封闭径迹数分别为239条和129条）对太白山热冷却史进行反演.样品TB0702的水平封闭径迹平均长度测量值为13.03±0.13 μm，年龄测量值为47.9±2.1 Ma，模拟径迹长度及年龄分别为13.0±0.9 μm和47.0 Ma，长度和年龄拟合（G.O.F）分别为0.66和0.59；样品TB0709的水平封闭径迹平均长度测量值为12.35±0.4 μm，年龄测量值为28.1±1.6 Ma，模拟径迹长度及年龄分别为12.1±0.2 μm和28.1 Ma，长度和年龄拟合（G.O.F）分别为0.96和0.97（图 5）.根据热冷却史反演所得结果，太白山从约48 Ma开始加速抬升冷却，这与样品TB0701经历了相对较小的部分退火作用，年龄为48.3 Ma相吻合，但是由于其抬升的幅度较小，使样品TB0701~TB0714及样品TB0717停留在陪分退火带的不同位置经历了不同程度的退火缩短作用.假设当时的地表平均温度为10℃，样品磷灰石裂变径迹的封闭温度约为110℃，则太白山山体上部（样品TB0715以上）48 Ma以来的平均冷却速率约为2.1℃/ Ma，而太白山山体底部（样品TB0715以下）9.6 Ma以来的平均冷却速率约为10.4℃/ Ma，从而揭示了秦岭太白山早新生代始于约48 Ma的小幅度加速抬升冷却，晚新生代始于约9.6 Ma的大幅度快速抬升冷却历史.

图 5

Fig. 5

图 5 太白山代表性样品长度模拟结果 (a1, a2)样品TB0702;(b1, b2)样品TB0709;(a1, b1)径迹长度分布; (a2, b2)冷却路径. Fig. 5 The result of representative track length models for the Taibai Mountain (a1, a2) The sample TB0702;(b1, b2) The sample TB0709;(a1, b1) The track-length distribution; (a2, b2) The cooling paths.

秦岭造山带新生代以来的构造变形作用最显著的特点是，沿平行于秦岭北缘山脉的边界断层发生强烈的伸展构造变形^{[25, 28]}.平行于秦岭山脉的北部边界断裂带发生强烈的伸展拉张作用，拉张一方面导致断层下盘的向上旋转，使得断层下盘快速抬升冷却；另一方面，断层上盘的去顶作用，使得下盘剥蚀作用增强，由于岩石圈重力均衡作用，增强了断层下盘的反弹和上升，进一步加速了下盘山体的冷却和向南的掀斜隆升.现今秦岭北缘山脉的构造地貌特征很好地指示了与平行于山脉的伸展变形有关的向南掀斜隆升作用^{[26, 27, 30, 31]}.秦岭太白山是秦岭北缘山脉中最具代表性的山体之一，以秦岭北缘断裂为界，北部是新生代伸展断陷形成的渭河盆地，因此，秦岭太白山新生代的抬升冷却显然是伸展变形作用的结果，太白山山体新生代隆升冷却历史对伸展变形过程具有很好的指示意义.

太白山上部样品TB0701~TB0714的磷灰石裂变径迹数据及样品TB0702和TB0709的热历史模拟揭示了秦岭太白山新生代早期（约始于48 Ma）主要以小幅度的加速抬升冷却为主，并没有发生大幅度的抬升冷却作用；山体底部样品TB0715和TB0716的磷灰石裂变径迹数据揭示了始于约9.6 Ma的大幅度快速抬升冷却作用.Hu等^[34]根据裂变径迹及（U-Th）/He热年代学对秦岭大别地区的热历史研究表明，秦岭新生代区域冷却作用起始于约45 Ma；常远等^[35]利用（U-Th）/He方法揭示了米仓山-汉南隆起始于~50 Ma的快速剥露作用；Enkelmann等^[36]根据裂变径迹热年代学研究结果，报道了西南秦岭始于9~4 Ma的快速剥露冷却作用；田云涛等^[37]利用磷灰石裂变径迹揭示了米仓山-汉南隆起始于~15 Ma快速剥露作用.渭河盆地的沉积作用表明，新生代断陷沉积始于约始新世，在始新世-中中新世时期，渭河盆地沉积的范围还非常有限，主要集中在渭河盆地的南缘，沿秦岭北缘断裂分布，晚中新世以来渭河盆地沉降速率明显加快，沉积范围扩大，沉积速率显著增加^{[24, 25, 38]}，指示渭河盆地始新世-中中新世相对较为缓慢的伸展断陷作用和晚中新世以来快速的伸展断陷作用.这种平行于山脉的伸展变形使秦岭北缘山脉在新生代早期以小幅度的隆升作用为主，而秦岭北缘山脉新生代快速隆起应是9.6 Ma以来伸展变形作用的结果.这种发生于亚洲大陆内部，起始于约48 Ma的伸展变形作用，可能是印度板块与欧亚板块在约50 Ma的碰撞作用在大陆内部的远场响应^{[39, 40]}；在大约8 Ma左右（或10 Ma以来），青藏高原发生了强烈的隆升和对外扩展^[41~43]，在青藏高原东北缘及其周边发生了准同期、影响深远的构造变形，导致了沉积盆地的消亡和山脉的构造隆升^[44]，秦岭造山带紧邻青藏高原东北缘，其始于约9.6 Ma的快速伸展变形作用可能是对青藏高原在该时期快速隆升和对外扩展的响应.

作者对在野外地质考察及样品采集期间提供帮助的陕西地震局冯希杰研究员，在样品测试及数据输出处理过程中提供帮助的地震动力学国家重点实验室裂变径迹实验室谷元珠实验师，刘春茹博士，在地形分析方面提供帮助的张会平博士致以诚挚的感谢.