李亞男， 彭治超， 戴銀月

(1．西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，西安 710069；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,陜西 咸陽(yáng) 712100)

1 裂變徑跡與裂變徑跡分析

當(dāng)帶電的核粒子通過(guò)絕緣固體時(shí)，它們會(huì)留下破壞原子的直線軌跡，這反映了原子尺度上的強(qiáng)烈破壞.裂變徑跡是損傷特征，裂變徑跡分析是對(duì)礦物中這些特征的研究和表征.自然或自發(fā)的軌跡幾乎完全由地質(zhì)樣品中的同位素238U自發(fā)裂變產(chǎn)生的，由于235U和232Th等自然發(fā)生的重同位素的裂變半衰期太長(zhǎng)，無(wú)法產(chǎn)生大量的軌道.

裂變徑跡形成的目前最理想的模型是離子.這可能是最廣為接受的軌道編隊(duì)模型，Chadderton(1988)考慮了目前運(yùn)行的物理過(guò)程，從經(jīng)典和量子力學(xué)的角度來(lái)看軌道的形成[1].他強(qiáng)調(diào)了在軌道上碎片原子碰撞中可能發(fā)生的所有的可能性所涉及到的困難.此外，為了預(yù)測(cè)一個(gè)潛在的軌跡，精確的晶體模型的固體是很有必要的.由于這些原因，離子尖峰模型應(yīng)被視為軌道形成過(guò)程的第一近似值，軌道形成綜合理論的發(fā)展仍需做大量工作.裂變徑跡分析在許多領(lǐng)域中的應(yīng)用包括地質(zhì)，是率先在上世紀(jì)60年代早期由Fleischer，Price和Walker在通用電器公司在紐約州的研究實(shí)驗(yàn)室中提出來(lái)的.他們的開(kāi)創(chuàng)性的發(fā)現(xiàn)，在1975年出版的原理和應(yīng)用中總結(jié)了這一主題的研究.這項(xiàng)研究的動(dòng)機(jī)是一次透射電鏡觀察的潛在的裂變徑跡，發(fā)現(xiàn)了自發(fā)裂變徑跡天然云母可以觀察到在氫氟酸蝕刻后光的存在，化學(xué)蝕刻的過(guò)程開(kāi)辟了軌道，使他們可以觀察到光.一個(gè)裂變徑跡蝕刻的寬度和長(zhǎng)度取決于實(shí)際礦物化學(xué)蝕刻劑的性質(zhì).建立一個(gè)一致的校準(zhǔn)和樣品制備技術(shù)非常重要，所有公布的數(shù)據(jù)應(yīng)伴隨的蝕刻過(guò)程的充分描述(Hurford 2000a，b)[2].蝕刻過(guò)程的細(xì)節(jié)超出了我們的審查范圍，但有用的摘要是在Fleischer第3章(2008)[3].

2 裂變徑跡分析在地質(zhì)問(wèn)題中的應(yīng)用

裂變徑跡分析的各種應(yīng)用無(wú)處不在，包括在巖石中的應(yīng)用.裂變徑跡分析作為一種傳統(tǒng)的斷代方法，最普遍的應(yīng)用是新生代的火山玻璃和玻璃碎片.玻璃的裂變徑跡分析已成為一個(gè)熱門(mén)，因?yàn)橥ǔＨ狈线m的時(shí)間來(lái)進(jìn)行常規(guī)同位素年齡的測(cè)定.在本文中，我們并沒(méi)有進(jìn)一步考慮這一應(yīng)用.我們更專(zhuān)注于一些傳統(tǒng)上應(yīng)用裂變徑跡法來(lái)測(cè)年有所障礙的方面，比如軌道的相對(duì)低溫穩(wěn)定性和單一封閉溫度在解釋裂變徑跡年齡時(shí)通常不合適的事實(shí).我們考慮4個(gè)基本的應(yīng)用研究，在沉積盆地?zé)崾贩治觥⒃焐綆Щ蛟焐綆У难莼?，非造山環(huán)境中的應(yīng)用.Dumitru(2010)提供了一個(gè)最近的裂變徑跡資料在第四紀(jì)地質(zhì)年代學(xué)中的應(yīng)用[4].

2.1 在物源研究的應(yīng)用

許多沉積物來(lái)源于已經(jīng)存在的巖石的侵蝕，因此碎屑磷灰石和鋯石顆?？梢园紵N源巖中積累的裂變徑跡.物理風(fēng)化和侵蝕不影響固位、穩(wěn)定裂變徑跡，但保存物源相關(guān)的軌跡取決于侵蝕源區(qū)經(jīng)歷的溫度歷史，以及沉積物隨盆地演變而變化的歷史.磷灰石的相對(duì)低溫穩(wěn)定性意味著這種礦物的應(yīng)用有限，盡管它已經(jīng)在某些情況下使用.(Corrigan,Crowley 2002，Rohrmann2005，Lonergan，2008).盆地的溫度為60 ℃～70 ℃之間(通常埋深大于2 km)[5-7].鋯石的高溫穩(wěn)定性和對(duì)物理輸運(yùn)的一般抗性，表明鋯石在物源相關(guān)研究中得到了廣泛的應(yīng)用.

外部探測(cè)器方法特別適合于物源研究，因?yàn)榭梢詮膯蝹€(gè)礦物中獲得裂變徑跡年齡(Hurford，2011).如果分析了足夠的單顆粒，就可以利用裂變徑跡分析來(lái)確定沉積物中不同年齡組分，并將它們直接與源區(qū)聯(lián)系起來(lái).對(duì)不同來(lái)源的識(shí)別，可以對(duì)剝蝕速率和方向的推斷作出一定的推論.為了獲得統(tǒng)計(jì)上有用的結(jié)果，對(duì)于給定的樣品，應(yīng)獲得足夠數(shù)量的單顆粒齡.例如，Hurford等人使用50～100粒，雖然kowallis等人(2006)認(rèn)為，如果物源是簡(jiǎn)單的，只要有5～10粒足矣.最佳粒數(shù)不是固定的，取決于模態(tài)年齡之間的分離程度，每種模式固有的不同精度，以及每個(gè)種群中的相對(duì)比例[8-9].

2.2 在沉積盆地?zé)釟v史分析中的應(yīng)用

裂變徑跡數(shù)據(jù)是溫度、時(shí)間的敏感指標(biāo)，這種認(rèn)識(shí)也使得這種技術(shù)在沉積盆地?zé)釟v史分析中得以應(yīng)用.很多研究都集中在磷灰石，因?yàn)樵谶@個(gè)礦物裂變徑跡系統(tǒng)的溫度范圍(±50 ℃～±130 ℃)與油氣生成的范圍相吻合.因此，磷灰石裂變徑跡分析已成為油氣勘探和成熟建模的常規(guī)方法.阿恩總結(jié)了應(yīng)用裂變徑跡分析礦床特別是密西西比河谷型礦床，盡管應(yīng)用較為有限，因?yàn)橐话愠Ｒ?jiàn)的碳酸鹽巖往往不包含足夠的磷灰石和鋯石.在盆地分析背景中，最早討論裂變徑跡分析的是Naeser(1979)，他描述了磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)中所預(yù)測(cè)的趨勢(shì)[10].淺層低溫樣品應(yīng)反映沉積物物源，而更深、更熱的樣品則反映了盆地的熱歷史.通過(guò)格萊多和后來(lái)的研究者在澳大利亞?wèn)|南部的奧特韋盆地沉積物提供了一個(gè)有力的論證，這已成為長(zhǎng)期退火磷灰石的經(jīng)典參考研究.

2.2.1 簡(jiǎn)單埋藏與磷灰石部分退火帶(Paz)

奧特韋盆地的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是沉積巖是從同期火山巖中派生出來(lái)的.因此，裂變徑跡中的“時(shí)間零點(diǎn)”是有效地層年齡.此外，埋藏歷史比較簡(jiǎn)單，因此可以合理地重建沉積物的溫度歷史.裂變徑跡年齡數(shù)據(jù)的趨勢(shì)反映了徑跡長(zhǎng)度分布的變化.因此，狹窄長(zhǎng)度分布和長(zhǎng)期平均軌道長(zhǎng)度的淺層樣品的年齡差不多，相當(dāng)于地層時(shí)代，同時(shí)逐步深入的樣本顯示了較短的平均軌道的長(zhǎng)度和寬的長(zhǎng)度分布.如上面所述，軌道長(zhǎng)度和裂變徑跡年齡減少的區(qū)域被稱(chēng)為部分退火帶(Paz).這個(gè)區(qū)域是一個(gè)近似值，因?yàn)樵谒械刭|(zhì)時(shí)間尺度上，退火都是一個(gè)與加熱速率有關(guān)的過(guò)程.此外，通過(guò)化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)引入的復(fù)雜性進(jìn)一步使PAZ的一個(gè)溫度范圍的定義變得模糊.Naeser等人報(bào)道了位于加利福尼亞盆地地塊第三紀(jì)沉積物中的非零裂變徑跡年齡，目前的溫度為140 ℃，與奧特韋盆地?cái)?shù)據(jù)相比，總退火的溫度范圍(從第一個(gè)零裂變徑跡年齡到所有的零年齡)都相對(duì)有限.Naeser等人得出結(jié)論，這種抑制退火并不是一種合成效應(yīng).在圣華金流域的極快地被掩埋(例如:中新世沉積后的超逾3 000 m)提供了一種物理機(jī)制，降低地溫梯度，目前是大約22 ℃/km.然而，它是不明確的，可能和一些其他的機(jī)制有關(guān).

2.2.2 沉積盆地中鋯石裂變徑跡分析

鋯石裂變徑跡分析在盆地分析和熱史研究的背景下應(yīng)用相對(duì)較少，主要原因是它的高溫穩(wěn)定性.根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)室和自然退火實(shí)驗(yàn)，鋯石裂變徑跡退火預(yù)測(cè)模型的最新進(jìn)展表明，鋯石裂變徑跡分析將在今后的熱史和定量盆地研究中發(fā)揮更大的作用.尤其是在那些潛在的烴源巖溫度超過(guò)磷灰石穩(wěn)定區(qū)的地區(qū)，例如南部北海盆地.

2.3 在造山帶的應(yīng)用

圖1 磷灰石裂變徑跡冷卻曲線

在造山帶中，大陸輻合是由地殼增厚、側(cè)向堆積和剝蝕作用而形成的.英國(guó)Molnar認(rèn)為，地殼長(zhǎng)度尺度上的地表隆起是造山過(guò)程中所測(cè)量的基本位移.這類(lèi)的隆起對(duì)重力的工作要求很大，與在主要推力斷層中克服剪切應(yīng)力的工作相比，這是一個(gè)相當(dāng)大的工程.在大陸碰撞區(qū)的水平縮短是地殼增厚的主要原因，平均地表隆起率反映了板塊的收斂速度.一種替代機(jī)制包括在造山帶下面地幔巖石圈的密度分布的變化，導(dǎo)致地表隆起.在這種情況下，地表隆起的速率不受板塊收斂速度的直接控制，而且比與簡(jiǎn)單地殼縮短相兼容的地表抬升速率要高得多.然而，測(cè)量地表隆起速率，以及在地質(zhì)時(shí)間尺度上的變化率，是一個(gè)特別困難的問(wèn)題.如果在侵蝕造山帶和沿造山帶腹地的高角和低角斷層的側(cè)向和徑向排出，獲得時(shí)間和速率信息，就可以對(duì)這些變量施加有用的約束.

造山帶形成了一個(gè)大的區(qū)域，變形是不均勻分布的，因此它的運(yùn)動(dòng)學(xué)與邊界巖石圈板塊的運(yùn)動(dòng)并沒(méi)有任何的聯(lián)系.因此，在時(shí)間和從造山帶變形運(yùn)動(dòng)學(xué)本身獲得的信息，結(jié)合其侵蝕的歷史信息，可以揭示造山過(guò)程的動(dòng)力學(xué)特征.裂變徑跡分析為冷卻提供了定量的信息，也有可能提供剝蝕和構(gòu)造剝蝕的估計(jì).為了提取這些信息，我們需要考慮裂變徑跡數(shù)據(jù)的解釋是如何得到的.在碰撞造山帶的情況下，適當(dāng)考慮三種可能的參考框架：熱、高程，它們被用來(lái)解釋裂變徑跡數(shù)據(jù).我們依次考慮這些問(wèn)題，并結(jié)合各種相關(guān)的研究進(jìn)行討論.

2.3.1 熱的參考框架

使用不同輻射技術(shù)對(duì)同源樣品中的礦物通常包括鋯石和磷灰石，其冷卻歷史溫度下限為幾百度的溫度區(qū)間.盡管封閉溫度概念一般不應(yīng)用于同位素年齡，采用封閉溫度方式解釋裂變徑跡有具體的問(wèn)題.將裂變徑跡年齡與封閉溫度相關(guān)聯(lián)的結(jié)果是，當(dāng)在閉合后沒(méi)有明顯的退火時(shí)，這是很可能的.這需要快速冷卻，這應(yīng)該反映在軌道長(zhǎng)度的分布上.圖1中給出的例子有一個(gè)由磷灰石分析所定義的冷卻曲線的下半部分，它的平均軌道長(zhǎng)度有很大的降低，并證明了雙峰性的分布.因此，計(jì)算出的年齡并不反映時(shí)間.一個(gè)±110 ℃～±120 ℃封閉溫度，但它表明一個(gè)更復(fù)雜的低溫冷卻的歷史.根據(jù)最近的數(shù)據(jù)，從上述冷卻歷史推斷出的鋯石閉合溫度似乎是合理的.然而很清楚，軌道長(zhǎng)度信息對(duì)于全面了解裂變徑跡數(shù)據(jù)中包含的低溫冷卻歷史信息是至關(guān)重要的.即使在沒(méi)有可靠的定量退火模型(如鋯石)的情況下，軌道長(zhǎng)度數(shù)據(jù)也能對(duì)推斷出的冷卻速率的有效性進(jìn)行定性評(píng)估.這并沒(méi)有揭示去頂樣品的過(guò)程，但是它提供了關(guān)于冷卻開(kāi)始的時(shí)間和冷卻的速度的寶貴信息.雖然我們可以用定量熱模型來(lái)模擬裂變徑跡數(shù)據(jù).歷史上，由于經(jīng)驗(yàn)退火模型的變幻莫測(cè)，最佳擬合溫度歷史轉(zhuǎn)換到等效深度需要另一層解釋.

圖2 裂變徑跡年齡-高程圖

2.3.2 高程基準(zhǔn)框架

一段時(shí)間以來(lái)，在山區(qū)采集的樣品往往產(chǎn)生磷灰石裂變徑跡年齡與樣品的高度呈正相關(guān).這個(gè)空間(垂直)的參照系被用來(lái)估計(jì)隆起的速度(圖2).更準(zhǔn)確的被稱(chēng)為剝蝕的估計(jì).盡管存在一些嚴(yán)重的缺點(diǎn)，但通常使用年齡高程圖來(lái)推斷剝蝕和抬升速率.這些簡(jiǎn)化解釋的一些典型問(wèn)題包括：(1)假設(shè)冷卻僅僅是侵蝕的結(jié)果；(2)對(duì)退火帶的忽視；(3)巖石樣品垂直等溫線的隱式假設(shè)；(4)使高程不再反映地殼原始樣品深度的空間關(guān)系的變化.

2.4 對(duì)非造山的應(yīng)用

2.4.1 被動(dòng)大陸邊緣與大陸內(nèi)部

與造山帶地形相反，地形是地殼增厚的結(jié)果，被動(dòng)大陸邊緣形成于以地殼變薄和沉降為主的區(qū)域伸展環(huán)境中.然而，一個(gè)完整的被動(dòng)大陸邊緣演化模型必須考慮邊緣陸上地形的演變，以及海上邊際盆地的沉降.不像近海盆地，記錄保留在地層垂直運(yùn)動(dòng)中，一個(gè)被動(dòng)大陸邊緣的陸上部分通常沒(méi)有保留直接記錄其地形的歷史.由于侵蝕，改變古高度的證據(jù)(如高架海相沉積或不同年齡的古海岸線)可能是在邊緣的初始發(fā)展階段了.高分辨率地震反射資料的豐富，為海洋沉積的計(jì)算提供了一種新的方法.這一類(lèi)型的數(shù)據(jù)被用來(lái)重建鄰近的陸地地區(qū)的廣義剝蝕歷史.這種方法的一個(gè)主要限制是沉積物的源區(qū)是未知的.磷灰石裂變徑跡分析法可以有效地解決這一問(wèn)題，因?yàn)樗梢灾苯庸烙?jì)陸地剝蝕的空間分布.結(jié)合這些互補(bǔ)的數(shù)據(jù)集，為量化大陸邊緣和內(nèi)陸的剝蝕歷史的數(shù)量、模式和年表提供了一種極其有力的方法.

2.4.2 裂谷相關(guān)加熱與剝蝕冷卻

非造山環(huán)境中的熱狀態(tài)是垂直分量的.傳熱在地殼上部(<10 km)中占主導(dǎo)地位.此外，與大陸裂谷作用有關(guān)的伸展作用和相關(guān)巖漿作用的地下熱效應(yīng)在很大程度上局限于伸展、地殼變薄和下沉的區(qū)域.在陸地上，裂變徑跡樣本被收集，地殼淺部的熱梯度在很大程度上不受裂谷過(guò)程的影響.這些環(huán)境中巖石的低溫?zé)釟v史主要受近穩(wěn)態(tài)地?zé)岬拇怪蔽灰瓶刂?因此，剝蝕是這一背景下的主要控制過(guò)程，所以冷卻速率是由剝蝕速率決定的.

2.4.3 被動(dòng)邊緣地形與地形發(fā)展模式

陸上的被動(dòng)邊緣顯示地形形態(tài)變化大，反映了剝蝕、排水、巖性和構(gòu)造控制之間的復(fù)雜相互作用.這一復(fù)雜性表明，一個(gè)單一的被動(dòng)邊緣形成模型不太可能為所有的邊緣提供一個(gè)令人滿(mǎn)意的解釋.有許多地球物理模型可以解釋被動(dòng)邊緣的長(zhǎng)期地形的起源，但很少有人試圖解釋地形隨時(shí)間變化的原因.同樣地，許多地貌模型也提供了關(guān)于地形可能在地質(zhì)時(shí)間尺度上發(fā)生變化的解釋?zhuān)茨転槟Ｐ偷墓ぷ魈峁┝己玫奈锢砘A(chǔ).磷灰石裂變徑跡分析的優(yōu)勢(shì)是它測(cè)量邊緣地形的模式和剝蝕年代的潛力.從而通過(guò)他們預(yù)測(cè)的分析特征剝蝕的歷史來(lái)分析模型.

3 結(jié)語(yǔ)

裂變徑跡分析自20世紀(jì)60年代初就出現(xiàn)了，當(dāng)時(shí)Fleischer，Price和Walker第一次考慮了這一技術(shù)與地質(zhì)問(wèn)題的相關(guān)性.過(guò)去幾十年左右的地質(zhì)應(yīng)用已經(jīng)有了很大的發(fā)展，主要是由于對(duì)數(shù)據(jù)中所包含的信息的理解有所提高.軌道長(zhǎng)度數(shù)據(jù)的認(rèn)知對(duì)于理解裂變徑跡年齡和定量退火模型的后續(xù)發(fā)展是至關(guān)重要的.閉式溫度概念不普遍有效的事實(shí)證明是一個(gè)積極的結(jié)果.在實(shí)踐中，這意味著，從單一裂變徑跡分析，可以構(gòu)造一個(gè)比年齡基本解釋更詳細(xì)的熱史.在這篇綜述中，我們簡(jiǎn)要地討論了尚未解決的問(wèn)題.這包括一個(gè)對(duì)軌道形成和退火的機(jī)制的真實(shí)理解，以及對(duì)影響退火的因素的完整的描述.如化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)等.將實(shí)驗(yàn)室退火實(shí)驗(yàn)外推到地質(zhì)時(shí)間尺度上，總是會(huì)有一定程度的信心，認(rèn)為主導(dǎo)機(jī)制不會(huì)改變.對(duì)不同礦物(如磷灰石)的中間到長(zhǎng)時(shí)間刻度(如103～108年)的案例研究是必要的.最后一個(gè)問(wèn)題是，分析過(guò)程相對(duì)勞動(dòng)密集型，原則上，通過(guò)自動(dòng)化和圖像分析可以改進(jìn)這個(gè)過(guò)程.一些正在進(jìn)行的工作集中在這一領(lǐng)域，但迄今為止還沒(méi)有實(shí)際的系統(tǒng).這種技術(shù)有很多可供選擇的條件，只要它在適當(dāng)?shù)臈l件中使用.裂變徑跡作為石油行業(yè)勘探的工具證明了這一點(diǎn).在區(qū)域構(gòu)造背景下，詳細(xì)的取樣戰(zhàn)略與結(jié)構(gòu)的映射可以提供關(guān)鍵信息，為理解構(gòu)造斷裂系統(tǒng)的演化，以及解決剝蝕和侵蝕的貢獻(xiàn)降溫.隨著更多的區(qū)域裂變徑跡數(shù)據(jù)的產(chǎn)生，對(duì)長(zhǎng)期地形演化的了解有更大的余地.也許，微觀尺度的裂變徑跡可以為了解地質(zhì)年代尺度上的宏觀到大陸尺度過(guò)程提供獨(dú)特的依據(jù).

[參 考 文 獻(xiàn)]

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