碳酸盐(U-Th)/He同位素定年研究进展与展望

近年来,碳酸盐(U-Th)/He同位素定年技术在地质学领域中引起了广泛关注。该技术以激光原位(U-Th)/He同位素定年为代表,具有高精度、非破坏性等优点,在测量年龄方面取得了重大突破。由于样品中He含量低、U、Th含量少,导致实验需要相对较大的样品,同时需要使用真空炉、质谱仪等先进设备。针对这些要求,新的(U-Th)/He测年仪也在不断开发。同时,该技术在古地磁学、沉积学、构造地质学等领域中的应用也得到了广泛的探索。碳酸盐(U-Th)/He同位素定年技术具有广阔的应用前景和研究价值,其在解决地球科学问题中将发挥重要作用。文中综述了最近20年以来碳酸盐(U-Th)/He方法和技术的进展,对影响He定年的不确定性因素进行了分析,并对未来的发展方向进行了展望。

(U-Th)/He热年代学方法研究进展及其应用

(U-Th)/He热年代学方法基于矿物中U、Th、Sm发生衰变产生和累积的4He进行定年。由于低的封闭温度和对近地表地质过程的敏感性,因此在定量揭示地壳浅部所经历冷却及剥露事件的时间-空间-温度特征方面具有不可替代的优势。本文简要回顾了(U-Th)/He定年原理并对不同测试方法的优缺点进行评述,在此基础上总结探讨了(U-Th)/He热年代学在辐射损伤影响机制、退火动力学以及4He扩散模型方面取得的进展以及存在的不足,并对如何完善这些不足进行未来展望。此外本文还综述了(U-Th)/He热年代学方法在约束成矿时代、造山带剥露历史研究、矿床保存性评价方面的应用实例以及部分局限性。

Fish Canyon Tuff榍石He扩散及(U-Th)/He年代学研究

榍石富含U和Th,是(U-Th)/He定年的理想矿物之一。本文以Fish Canyon Tuff榍石为例,开展了榍石He扩散行为和榍石(U-Th)/He定年实验方法研究。榍石分步加热扩散实验结果表明He扩散系数ln(D/a2)与温度倒数呈负相关,与期望的热活化扩散过程一致。测试Fish Canyon Tuff榍石(U-Th)/He年龄分布在28.3~24.6 Ma之间,平均值为26.7±1.2 Ma(1σ),Th/U分布在4.6~5.5之间,平均值为5.2±0.2,在误差范围内与国际上已出版数据一致,表明建立的榍石(U-Th)/He定年实验方法可靠。本次测试15粒榍石碎片外表层(~20μm)存在不同程度的磨蚀(即不完整晶体),且榍石表层磨蚀厚度随着等效半径的增加而增大。榍石碎片(U-Th)/He年龄介于完整晶体(U-Th)/He年龄和真实(U-Th)/He年龄之间,且随着榍石等效半径及表层磨蚀厚度(<20μm)的增大,(U-Th)/He年龄更接近真实年龄,这表明榍石(U-Th)/He年龄不确定度与等效半径大小和表层磨蚀厚度有关。

川东北地区构造-热演化探讨--来自(U-Th)／He年龄和Ro的约束

利用镜质组反射率和磷灰石与锆石的(U-Th)/He年龄一起模拟了川东北地区三叠纪以来的构造-热演化特征。结果表明早三叠世的热流值在51～66mW/m2,自晚三叠世至白垩纪随盆地性质由前陆盆地演化为陆内坳陷盆地,热流缓慢降低直至现今的44.5mW/m2。但在晚白垩世—古新世时期受燕山晚期构造运动的影响,热流有一个微弱增高的现象。同时,磷灰石和锆石的He年龄揭示了川东北地区大致在晚白垩世期间开始隆升且抬升剥蚀量较大。因此,磷灰石和锆石的(U-Th)/He年龄可以揭示后期详细的冷却历史。

川东北元坝地区中生代构造与动态热演化史——磷灰石、锆石(U-Th)/He定年分析

通过对川东北元坝地区须家河组(T3x)—嘉定组(K1j)钻井岩屑样品镜质体反射率和锆石、磷灰石(U-Th)/He定年分析,建立了该区He年龄—深度/温度动态演化模式,推断出元坝地区磷灰石He封闭温度为95℃左右。元坝地区T3x-K1j中生代地层基本都经历了磷灰石He封闭温度(95℃);所有样品未经历锆石He封闭温度,T3x2-J1z地层部分样品可能经历了约170℃的最高古地温。元坝地区中生代地层在古近纪—新近纪(0.2～36.4 Ma)发生重大冷却抬升剥蚀,剥蚀速率约为109.9 m/Ma,K1j及以上地层最大抬升剥蚀厚度约为4 000 m。系统揭示了该区动态热演化历史,中生代地层最高古地温接近于170～190℃,随后地层发生抬升,古地温下降;在36～176 Ma之间时,古地温在95～170℃之间;在0～36 Ma时,现今地温小于95℃。

(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.

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

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～100Ma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.

锆石(U-Th)/He定年技术研究

锆石(U-Th)/He定年是同位素热年代学体系中重要的定年手段,是记录地质体完整热历史重要的实验方法之一,在火山岩定年、造山带演化、地貌演化、沉积盆地热演化及限定矿床热液活动时代等应用方面发挥着重要的作用。中国地质科学院地质研究所同位素热年代学实验室成功建立了锆石(U-Th)/He定年的实验方法,实验主要包括三个独立的过程:样品前处理、He含量分析和U、Th含量分析。氦同位素质谱仪对锆石样品的氦同位素比值分析精度约为0.1%左右;ICP-MS对锆石的U、Th同位素比值分析精度通常情况下优于1%。对国际上普遍使用的FCT锆石和斯里兰卡锆石标样进行(U-Th)/He年龄测定。测试结果显示27粒FCT锆石(U-Th)/He年龄分布在25.81~30.72Ma之间,加权平均年龄为28.18±0.51Ma(1σ)(参考值为28.3±2.6Ma);20粒斯里兰卡锆石碎片(U-Th)/He年龄分布在445.5~489.5Ma之间,排除异常值后加权平均值为479.0±8.0Ma(1σ)(参考值为470±11Ma)。所测两个标准物质的年龄均与参考值一致,表明本实验室的实验流程准确可靠。本实验方法的建立填补了我国锆石(U-Th)/He定年实验方法的空白,为我国热年代学的发展提供了新的技术支撑。

磷灰石(U-Th)/He定年技术及应用简介

本文阐述了磷灰石 (U_Th) /He定年技术的基本原理和方法、影响因素以及该技术在地质研究中的应用。磷灰石 (U_Th) /He定年是近年来发展起来的一种新型低温热年代学技术 ,能够给出地质体在 4 0～ 85℃低温范围内的独特信息。同裂变径迹定年技术一样 ,磷灰石 (U_Th) /He技术可用于年轻地质体的定年 ,也可确定时代较老的地质体最后一次热事件发生的时间。由于磷灰石 (U_Th) /He年龄数据与样品的海拔或埋藏深度密切相关 ,所以能够很好地约束古地形。结合其他同位素技术如裂变径迹定年技术等还可进行系统的热演化分析 ,如盆地的热史演化。与其他同位素定年技术相比 ,磷灰石 (U_Th) /He定年技术具有测量方便、精度高、所需样品数量少等优点。虽然这种技术目前尚处于不断完善之中 。

(U-Th)/He技术约束下库车盆地北缘构造热演化——以吐孜2井为例

库车前陆盆地蕴藏着丰富的油气资源,然而盆地中新生代的构造热演化史一直缺乏有效的研究,制约了油气的勘探.本文测试了吐孜2井磷灰石、锆石(U-Th)/He年龄数据,建立了He年龄随现今温度/深度变化的关系,确定该区磷灰石(U-Th)/He体系封闭温度为89℃.综合利用(U-Th)/He及镜质体反射率(Ro)数据模拟恢复了库车盆地吐孜2井中新生代热演化史,结果表明库车盆地吐孜洛克背斜形成起始时间约为5Ma,新生代抬升剥蚀量平均约为670m,平均抬升剥蚀速率为0.133mm/a.根据新生代吐孜洛克背斜的构造演化分析确定了气源断裂活动及圈闭形成的时期,揭示了吐孜洛克背斜天然气成藏时间为5Ma以后,且烃源岩生排烃、断裂活动及圈闭形成的时间具有良好的匹配关系,这是吐孜洛克油气田形成的关键因素之一.本文应用(U-Th)/He技术研究沉积盆地构造热演化史,对库车盆地油气勘探具有重要的意义.

新疆东天山红云滩地区构造-热演化探讨：来自Ar-Ar和(U-Th)/He热年代学的约束

红云滩岩体位于东天山觉罗塔格西部,对其进行热演化历史研究对于揭示觉罗塔格地区乃至整个东天山地区的构造-热演化历史具有重要意义。本文对红云滩岩体进行黑云母Ar-Ar、锆石（U-Th）/He和磷灰石（U-Th）/He测年,并结合前人的锆石U-Pb测年结果,精细刻画出该岩体自形成以后经历的热演化过程,并据此识别出东天山红云滩地区发生过多期快速抬升冷却事件。黑云母阶段升温Ar-Ar法同位素定年得到的坪年龄为316.9±1.8Ma,单颗粒锆石和磷灰石（U-Th）/He同位素定年得到的平均年龄分别为213.7±9.6Ma和65.5±1.3Ma。热年代学数据及模拟结果表明东天山红云滩地区自晚古生代以来经历了3个快速冷却阶段,分别为：晚石炭世至早二叠世（ca.330~296Ma）、晚三叠世（222~220Ma）、晚白垩世（91~77Ma）。其中,晚石炭世至早二叠世的快速冷却作用是岩体侵位后与围岩热传导冷却及伴随天山造山隆升冷却综合作用的结果,晚三叠世和晚白垩世的两期快速冷却事件分别与羌塘-欧亚板块、Kohistan-Dras岛弧-拉萨地块碰撞的远程效应造成的东天山地区隆升作用有关。新生代以来,红云滩岩体所在的阿奇山-雅满苏地区构造活动相对较弱,未发生较为明显的隆升作用,与天山西段新生代的构造活动有着明显的差异。

湘中龙山大型金锑矿床成矿时代研究--黄铁矿Re-Os和锆石U-Th／He定年

龙山金锑矿床是湘中锑-金矿集区最重要的矿床之一，因缺少适合传统放射性同位素定年的矿物，其成矿时代以往未得到很好的限定，制约了对矿床成因的认识。由于分析测试技术的进步，Re-Os同位素定年技术得到了发展，可对热液矿床中形成的低Re、Os含量的硫化物进行较准确可靠的年龄测定，从而可为低温热液矿床的形成时代提供有效制约。锆石u．Th／He同位素定年，也是近年发展和成熟起来的定年技术，对低温热事件极其敏感，同样是约束低温成矿年龄的重要手段之一。本文采用矿床中黄铁矿Re-Os同位素和蚀变围岩中受成矿热事件影响的锆石U—Th／He同位素定年技术，对龙山金锑矿床的成矿时代进行了研究。定年结果显示：热液成因黄铁矿的Re-Os等时线年龄为195±36Ma，对应于印支晚期；锆石U-Th／He年龄为51．2～133．3Ma，经Ft校正后，U—Th／He年龄分布于93．78—258．29Ma之间，平均值为160．7±7．3Ma，对应于燕山早期。该矿床可能发生了200Ma和160Ma的两次成矿作用；或者矿床形成于200Ma左右，但是受到了160Ma左右岩浆热事件的改造，黄铁矿Re-Os年龄代表成矿年龄，而锆石U—Th／He年龄则代表第二期热事件发生的时间。无论是200Ma左右一次成矿，还是另有160Ma左右的成矿作用叠加，这两个年龄分别与区内两期岩浆活动的时间相当，这表明岩浆事件对驱动矿床的形成发挥了重要的作用。

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

塔里木柯坪塔格地区构造抬升的新证据——来自(U-Th)/He年龄的约束

柯坪塔格地区位于西南天山与塔里木盆地之间,是塔里木地台的一部分,其构造隆升与天山和塔里木盆地的演化密切相关.本文首次将(U-Th)/He热定年技术应用于该地区构造抬升的研究,对该区震旦系露头样品的磷灰石和锆石的(U-Th)/He进行了年龄测定和热史模拟,结果表明柯坪塔格地区主要经历了4期构造抬升事件,导致震旦系抬升至地表,其中磷灰石(U-Th)/He年龄揭示了晚白垩世和中新世两期的构造抬升事件.在早石炭世,震旦系温度达到最大,介于133～150℃之间,结合沉积埋藏史得到当时的最大埋深是3400～3900 m.在渐新世一中新世,受印度一欧亚板块碰撞远程效应的影响,柯坪塔格地区沿柯坪塔格沙井子断裂向巴楚隆起上逆冲,地层快速抬升遭受剥蚀.在15～10 Ma时,柯坪塔格地区震旦系已抬升至地表.自早石炭世至今,柯坪塔格地区总剥蚀量达6170 m.柯坪塔格地区自中生代以来的构造-热演化史与塔里木盆地北缘是一致的,但与天山及处于塔里木盆地内部的巴楚隆起的构造抬升过程存在差异.中新世以后,受喜山运动远程效应影响,柯坪塔格和天山才同处于抬升状态;而巴楚隆起在古近纪早期仍处于抬升剥蚀状态,与柯坪塔格地区接受沉积相反.本文利用(U-Th)/He热定年技术成功地揭示了柯坪塔格地区自震旦纪以来的构造-热演化史,这些结果有利于人们对这一地区构造抬升的正确认识.同时,本研究对塔里木盆地的油气勘探及天山地区的构造研究具有指导意义.

反演南方海相层系热史动态演化的新温标——磷灰石、锆石(U-Th)/He年龄和封闭温度

对川东北普光一毛坝地区和通江地区的11个岩心和露头样品进行锆石、磷灰石（u—Th）／He定年分析，初步建立了He年龄一深度／温度动态演化模式，该地区磷灰石He封闭温度为85℃。川东北钻井岩心和剖面样品经历相同的热演化历程。该地区第三纪至第四纪为冷却抬升剥蚀主要时期，剥蚀速率约为74．8～172．5m／Ma，剥蚀厚度大约为2800～3000m，地温逐渐降低到磷灰石He封闭温度，直至达到现今温度，与青藏高原隆升引发的新构造运动在四川盆地的响应有关。普光5井等3200m以上中生界样品未经历过锆石He封闭温度，可能只有3200m以下的样品经历锆石He封闭温度，但所有样品都经历了磷灰石He封闭温度。根据锆石（U—Th）／He年龄大致推算出，川东北地区可能在晚侏罗世开始抬升，在晚侏罗世一早白垩世期间普光一毛坝地区和通江地区都处于缓慢抬升剥蚀阶段，只是普光一毛坝地区抬升剥蚀开始时间要早于通江地区。磷灰石和锆石He封闭温度和年龄揭示了该区动态热演化历史。该区在178．0Ma之前古地温大于170～1900C，随后地层继续抬升，古地温下降；在40．5～178．0Ma时，古地温为85—170℃；在0～40．5Ma时，现今地温小于85℃。

塔里木盆地与南天山的耦合关系:来自(U-Th)/He年龄的新证据

塔里木盆地与南天山构造-沉积耦合关系是目前国内地质研究的热点之一。文中首次利用盆地内钻井样品的磷灰石和锆石(U-Th)/He年龄探讨了塔里木盆地与南天山构造-沉积耦合关系。塔北隆起He年龄为15～3Ma的磷灰石和锆石来自于南天山,热史模拟结果揭示了南天山在晚中新世开始快速抬升的时间约为15Ma,一直持续到5Ma左右。在此基础上,建立了南天山与塔里木盆地北缘新近纪的构造-沉积耦合关系演化模式。晚中新世,南天山开始快速隆升遭受剥蚀,而塔里木盆地北缘剧烈沉降接受来自南天山的沉积物。盆地内的磷灰石和锆石He年龄有效地记录了这些地质信息,为盆-山耦合关系研究提供了新证据。

国际标样Durango磷灰石(U-Th)/He年龄测定

人们认识到可以用放射性成因4He对矿物进行定年已经有一百年的历史,但是利用富含U、Th的矿物进行（U-Th）/He定年是近三十年来快速发展的一种低温（热）年代学方法。由于U-Th-He同位素体系的封闭温度低（磷灰石4He的封闭温度为-75℃）,该方法极大的拓展了中低温热年代学研究（如40Ar/39Ar,裂变径迹等）的温度范围下限,已经被广泛应用于浅表地质过程的研究中。Durango磷灰石是国际上广泛使用的磷灰石（U-Th）/He定年的标准样品,准确测定其年龄可以对实验方法及流程的可靠性进行验证。中国科学院地质与地球物理研究所（U-Th）/He定年实验室建立于2013年,经过一年多的实验与摸索,我们建立了完整、可行的化学分析流程和仪器测试流程,并采用Durango国际标样进行了流程验证。重复测定了4批共40个Durango磷灰石颗粒,40个年龄结果分布在28.95-34.11Ma之间,全部年龄的概率分布峰值为31.61±2.7Ma,与国际标定值在误差范围内一致;Th/U比范围为16.43-23.72,与国际报道值一致,表明我们所建立的实验流程准确可行,实验室已经可以稳定运行。

松潘甘孜长沙贡玛盆地古近纪地层碎屑锆石U-Pb年龄与Hf同位素组成及碎屑磷灰石(U-Th)/He年龄的地质意义

青藏高原隆升和剥蚀是从大陆岩石圈变形到全球变冷等新生代众多地质事件诱发的关键因素。目前针对这一问题的研究主要集中在高原中部的拉萨和羌塘地区,高原东部的松潘甘孜地体关注甚少。本文报道了在松潘甘孜地体中西部的长沙贡玛盆地获得的碎屑锆石U-Pb年龄、Hf同位素组成以及磷灰石(U-Th)/He年龄的结果。长沙贡玛盆地古近纪沉积物以分选极差的砾岩、岩屑砂岩和块状泥岩为主,表明其为近源快速堆积环境下形成的。砂岩碎屑锆石年龄谱图出现四组峰值,分别为200～500Ma,760～1040Ma,1800～2000Ma,2300～2600Ma,与松潘甘孜三叠系地层的U-Pb年龄峰值极为相似,表明长沙贡玛盆地古近纪沉积物主要来自其周围的三叠纪地层。考虑到盆地沉积与源区地表隆升与剥蚀存在一定的时滞,由这些古近纪的沉积物可以推断其源区的松潘甘孜地体在晚白垩世-古近纪发生一次强烈的隆升。该期隆升与高原中部发生的早期隆升在时间上相吻合,暗示了原西藏高原可能包括了部分松潘甘孜地体。磷灰石(U-Th)/He年龄表明长沙贡玛盆地可能在渐新世晚期-中新世早期发生了新一期的隆升和剥蚀。松潘甘孜大部分地区可能同样经历了该期隆升,从而奠定了其现今地貌格局。碎屑锆石Hf模式年龄主要分布在0.77～2.5Ga范围内,推断其初始源区最强烈的地壳增生发生在元古代。

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。

磷灰石单颗粒(U-Th)/He测年实验流程的建立及验证

(U-Th)/He同位素定年是近几十年快速发展起来的1种能够对岩石低温冷却历史进行有效研究的新型放射性同位素定年方法。由于磷灰石的He封闭温度较低,所以它能反映低温阶段(40~80℃)的热历史信息,在低温热年代学领域具有很好的应用前景。但是,由于磷灰石(UTh)/He测年的影响因素多且测试流程复杂,目前国内对于(U-Th)/He同位素定年方法和流程的研究还处于起步阶段。依托中国地震局地质研究所新建立的(U-Th)/He同位素年代学实验室,利用配备的Alphachron He同位素质谱仪对4批共75个国际标样Durango磷灰石单颗粒进行激光熔融和4He的含量测量,随后应用自动进样安捷伦7900 ICP-MS和同位素稀释剂法测定母体同位素U、Th的含量,最后计算得到Durango磷灰石的Th/U同位素比值在17.23~23.60之间,全部年龄分布在28.61~34.51Ma,平均年龄为(31.71±1.55)Ma(1σ),与国际标定年龄在误差范围内一致。