劉婷，楊蓉

（浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，浙江杭州 310027）

近年來，隨著對(duì)地表過程、構(gòu)造和氣候三者之間相互作用關(guān)系研究的深入，精細(xì)厘定三者之間的關(guān)系需要建立更高精度和更短時(shí)間尺度巖石的剝露歷史。鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)正是可約束千年尺度巖石剝露歷史的新方法［1-6］。

熱釋光作為一種定年方法，最早出現(xiàn)于20 世紀(jì)60 年代。至70 年代，熱釋光技術(shù)在陶器定年上的應(yīng)用已趨成熟，并逐漸被應(yīng)用于地學(xué)領(lǐng)域［7-10］，但當(dāng)時(shí)熱釋光定年存在的關(guān)鍵問題是在沉積物測(cè)年中熱釋光信號(hào)較難完全歸零，難以確定沉積物樣品中熱釋光何時(shí)開始計(jì)時(shí)。這一問題的存在，使得熱釋光定年在地質(zhì)學(xué)中的應(yīng)用被光釋光（optically stimulated luminescence）定年方法所替代［11］。但由于熱釋光信號(hào)與溫度相關(guān)，研究者們開始探索基于熱釋光的熱年代學(xué)方法的可行性［1-6，12-14］。JOHNSON［12］在1966 年基于熱傳導(dǎo)理論，計(jì)算了灰?guī)r接觸變質(zhì)帶殘余熱釋光的強(qiáng)度，并提出了一種確定巖漿溫度的方法；TANG 等［13-14］研究了石英和鉀長(zhǎng)石熱釋光與溫度的關(guān)系，討論了熱釋光作為一種熱年代學(xué)方法的可行性；BROWN 等［4］測(cè)定了基巖中的鉀長(zhǎng)石電子陷阱深度，即活化能，并提出了鉀長(zhǎng)石熱釋光信號(hào)可用于研究巖石的快速冷卻過程。而最新的研究［1-3］推動(dòng)了鉀長(zhǎng)石熱釋光作為一種多信號(hào)熱年代學(xué)方法的發(fā)展與應(yīng)用，其封閉溫度為40～80 ℃，是現(xiàn)有的封閉溫度最低的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法之一，可用于約束巖石在淺地表的剝露歷史［1，3］。本文將介紹鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)這一新方法及其在約束東喜馬拉雅構(gòu)造結(jié)剝露歷史中的應(yīng)用。

1 鉀長(zhǎng)石熱釋光

1.1 釋光原理

未出露或經(jīng)歷埋藏后的巖石或礦物不斷接受來自周圍環(huán)境中的U、Th、K 等放射性元素衰變產(chǎn)生的α 粒子和β、γ 射線的輻射，導(dǎo)致晶體的電子發(fā)生電離而脫離晶體形成自由電子，自由電子最先進(jìn)入導(dǎo)帶，然后被晶格中的電子陷阱（晶體中的晶格缺陷或化學(xué)雜質(zhì)）所俘獲，成為俘獲電子，并在原價(jià)帶中留下空穴。俘獲電子吸收輻射能后處于高能介穩(wěn)定狀態(tài)，因此電子的俘獲過程就是礦物積累輻射能的過程。在天然條件或人工條件下受熱或光照，礦物顆粒的俘獲電子將重新與空穴結(jié)合，從而將積累的輻射能以光的形式激發(fā)出來，即釋光信號(hào)（見圖1）。按照激發(fā)方式的不同，可將釋光分為熱釋光（thermoluminescence，TL）和光釋光（optically stimulated luminescence）［3，15-17］2 種。由于晶體中電子陷阱數(shù)是有限的，當(dāng)俘獲電子數(shù)與電子陷阱數(shù)一致時(shí)，釋光信號(hào)達(dá)到飽和。值得說明的是，實(shí)際晶格排列包括電子陷阱和空穴陷阱，電子陷阱由晶體缺陷和化學(xué)雜質(zhì)形成，其中，晶體缺陷包括晶體空位和晶體間隙離子，化學(xué)雜質(zhì)則是其他占位離子，當(dāng)化學(xué)雜質(zhì)中陽離子的化合價(jià)高于原陽離子的化合價(jià)時(shí)便形成電子陷阱。

圖1 俘獲電子形成與釋光信號(hào)的釋放（改自文獻(xiàn)［2，18］）Fig.1 Formation of“trapped-charge”and thermoluminescence signal（modified after paper［2，18］）

1.2 鉀長(zhǎng)石熱釋光電子陷阱活化能連續(xù)分布

被輻照（在自然條件或?qū)嶒?yàn)室條件下）的鉀長(zhǎng)石樣品在加熱過程中，其俘獲電子逐漸由能量較低的電子陷阱升至能量較高的電子陷阱并逃逸，由此得到鉀長(zhǎng)石熱釋光發(fā)光曲線，該曲線為連續(xù)曲線，見圖2（a）［3，11］。BISWAS 等［3］通過Tm-Tstop方法計(jì)算了鉀長(zhǎng)石熱釋光電子陷阱活化能E的分布。Tm-Tstop方法是先將被輻照的樣品加熱至一定溫度（5～450 ℃，每隔5 ℃取一個(gè)值），以激發(fā)對(duì)應(yīng)的熱釋光信號(hào)，然后將樣品冷卻至室溫，再將樣品加熱至450 ℃，測(cè)量剩余熱釋光信號(hào)，得到剩余部分發(fā)光曲線（從Tstop至450 ℃所對(duì)應(yīng)的熱釋光信號(hào)），Tm為剩余部分發(fā)光曲線的峰值對(duì)應(yīng)的溫度，見圖2（b）。由于鉀長(zhǎng)石熱釋光信號(hào)在增長(zhǎng)的初始階段（熱釋光信號(hào)小于峰值的10%）遵循方程TL∝e-E/kT（E是活化能，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度），利用初始增加法［19］和阿倫尼烏斯圖解（Arrhenius plot）從剩余部分發(fā)光曲線中獲得電子陷阱活化能E，E可達(dá)0.7～2.0 eV，且E連續(xù)分布［3，20-22］，見圖2（c）。鉀長(zhǎng)石熱釋光陷阱能量的連續(xù)分布奠定了其熱釋光作為一種多信號(hào)熱年代學(xué)方法的理論基礎(chǔ)［3］。

圖2 發(fā)光曲線和電子陷阱活化能E 的分布（改自文獻(xiàn)［3］）Fig.2 Glow curves and activation energy E of electron trap（modified after paper［3］）

1.3 鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)的“封閉溫度”

封閉溫度（closure temperature）是熱年代學(xué)中的重要概念，指同位素體系開始封閉時(shí)的溫度，即定年體系開始計(jì)時(shí)的溫度［23］。不同于其他熱年代學(xué)方法，鉀長(zhǎng)石熱釋光年代學(xué)的封閉溫度指自然熱釋光信號(hào)上升至其峰值的10%時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，用T0.1表示，英文表達(dá)為 lock temperature［3，24］。BISWAS 等［3］計(jì)算了7 個(gè)熱釋光溫度（250～320 ℃，間隔為10 ℃）的鉀長(zhǎng)石熱釋光的封閉溫度，見圖3。由圖3 可知，鉀長(zhǎng)石熱釋光的封閉溫度與巖石冷卻速率和電子陷阱活化能有關(guān)。在相同溫度下（具有相同的電子陷阱活化能），鉀長(zhǎng)石熱釋光的封閉溫度隨冷卻速率的增大而升高，而在相同冷卻速率下，鉀長(zhǎng)石熱釋光的溫度越高（電子陷阱活化能越高），其封閉溫度也越高［3］。當(dāng)冷卻速率為100～2 000 ℃·Ma-1時(shí)，鉀長(zhǎng)石熱釋光的封閉溫度為40～80 ℃。這也表明，由于鉀長(zhǎng)石樣品中晶體電子陷阱活化能的連續(xù)分布，導(dǎo)致不同溫度下熱釋光對(duì)應(yīng)的封閉溫度不同，從而可從單一鉀長(zhǎng)石熱釋光樣品中得到連續(xù)的熱歷史［3］。

圖3 不同冷卻速率下7 個(gè)熱釋光信號(hào)（250～320 ℃，間隔為10 ℃）的封閉溫度T0.1（改自文獻(xiàn)［3］）Fig.3 Lock temperature T0.1 for seven thermoluminescence signals（250～320 ℃，10 ℃interval）with different linear cooling rates（modified after paper［3］）

2 鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)反演剝露歷史

2.1 鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)的動(dòng)力學(xué)模型與參數(shù)

2.1.1 一般動(dòng)力學(xué)模型

其中，左邊是熱釋光隨時(shí)間t的變化；右邊第1項(xiàng)表示由環(huán)境輻射引起的熱釋光信號(hào)生長(zhǎng)，為環(huán)境劑量率（單位為Gray·s-1或Gray·ka-1），D0為特征飽和劑量（-n 達(dá)到63%時(shí)需要的劑量），a為與電子俘獲相關(guān)的動(dòng)力學(xué)級(jí)數(shù)（1＜a＜2）；右邊第2項(xiàng)表示熱釋光的熱衰退，s為與溫度有關(guān)的頻率因子（單位時(shí)間內(nèi)俘獲電子試圖逃離電子陷阱的次數(shù)），E為電子陷阱活化能或深度，b為與電子脫離俘獲狀態(tài)相關(guān)的動(dòng)力學(xué)級(jí)數(shù)；右邊第3項(xiàng)表示熱釋光的異常衰退，為與異常衰退相關(guān)的頻率因子（單位時(shí)間內(nèi)俘獲電子試圖逃離電子陷阱的次數(shù),=1015）［25］，ρ′為與異常衰退相關(guān)的復(fù)合中心的密度，為無量綱參數(shù)，r′為電子陷阱到最近的異常衰退復(fù)合中心的距離，也為無量綱參數(shù)（0＜r′＜2）［25-26］。

在時(shí)間t 時(shí)俘獲電子的總量通過對(duì)半徑為r′的球體空間（0＜r′＜2）積分得到［26］，即

其中，p(r′)為異常衰退中某一電子陷阱與其最近的異常衰退復(fù)合中心的距離在r′ 和r′+dr′之間的概率，表示為p(r′)dr′=3r′2er′3dr′［25］。

如前所述，由于礦物中電子陷阱活化能E 的連續(xù)緊密分布，由相鄰陷阱的俘獲電子激發(fā)的熱釋光信號(hào)峰無法分離，且溫度越低的熱釋光其電子陷阱保存電子的壽命越短、穩(wěn)定性越低，越易受地表溫度的影響［13，15］，通常需根據(jù)電子陷阱的能量分布和俘獲電子保存在電子陷阱中的壽命和穩(wěn)定性，選擇溫度區(qū)間合適（250～320 ℃）的熱釋光信號(hào)，以提取巖石熱歷史的相關(guān)信息［3，17］。

為約束與熱釋光信號(hào)生長(zhǎng)相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，實(shí)驗(yàn)中通過給予樣品一定的輻照劑量，重現(xiàn)環(huán)境輻射引起的熱釋光信號(hào)生長(zhǎng)。采用強(qiáng)β 射線（0.2 Gy·s-1）照射下的單片等分再生劑量（SAR）方法［3，27］，對(duì)不同劑量下的俘獲電子飽和度進(jìn)行擬合，建立熱釋光劑量響應(yīng)曲線（dose response curve，DRC），DRC 的擬合方程為［3］

同時(shí)，通過比較自然發(fā)光強(qiáng)度與擬合得到的DRC，獲得樣品中的天然熱釋光等效劑量和俘獲電子的飽和度［3］。

2.1.3 熱衰退參數(shù)（E，s，b）的約束

由于電子陷阱活化能是連續(xù)、緊密分布的，每個(gè)陷阱的熱釋光信號(hào)峰也是緊密排列、無法分離的，因此，鉀長(zhǎng)石熱釋光發(fā)光曲線不能直接用于分析，但PAGONIS 等［28］認(rèn)為，可將鉀長(zhǎng)石熱釋光的發(fā)光曲線分解為多個(gè)不同釋光信號(hào)的線性組合，每個(gè)熱釋光信號(hào)峰對(duì)應(yīng)不同且緊密相鄰的電子陷阱活化能E，其俘獲電子的熱逃逸，即熱釋光熱衰退，表達(dá)式為［29］

若以線性加熱速率β 加熱樣品，單個(gè)電子陷阱中俘獲電子釋放的熱釋光強(qiáng)度I 可表示為［30］

其中，IM和TM分別為熱釋光信號(hào)峰值和與峰值對(duì)應(yīng)的溫度。為得到特定溫度下的熱釋光信號(hào)峰值，同樣采用上述Tm-Tstop方法，第n個(gè)Tstop對(duì)應(yīng)的熱釋光信號(hào)峰（稱為子峰）為第n個(gè)Tstop對(duì)應(yīng)的剩余發(fā)光曲線與第n+1 個(gè)Tstop對(duì)應(yīng)的剩余發(fā)光曲線的差（TLn-TLn+1）（見圖4）。由于相鄰2 個(gè)Tstop的溫度范圍較窄，每個(gè)子峰可被認(rèn)為是一個(gè)單峰［3］，對(duì)子峰采用非線性最小二乘法并利用式（5）進(jìn)行擬合，得到動(dòng)力學(xué)參數(shù)E和b，再由式（6）計(jì)算得到每個(gè)TM對(duì)應(yīng)的與溫度相關(guān)的頻率因子s［3］。

圖4 溫度與子峰強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 The relationship between temperature and sun-peak intensity

2.1.4 異常衰退參數(shù)（ρ′）的約束

鉀長(zhǎng)石熱釋光信號(hào)的異常衰退與俘獲電子的隧道效應(yīng)有關(guān)［31］。HUNTLEY［25］認(rèn)為，鉀長(zhǎng)石熱釋光信號(hào)的異常衰退可表示為

該方程的解為

其中，t*為延遲時(shí)間，為樣品自實(shí)驗(yàn)室停止輻照后的時(shí)間與實(shí)驗(yàn)室輻照時(shí)間之和的一半［32］。ρ′為異常衰退參數(shù)，可通過測(cè)量不同延遲時(shí)間t*下的釋光信號(hào)，建立與延遲時(shí)間t*的關(guān)系進(jìn)行求解。

2.2 通過鉀長(zhǎng)石熱釋光模擬巖石的剝露歷史

2.2.1 確認(rèn)樣品中是否存在熱衰退

在建立了上述與熱釋光相關(guān)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)后，理論上可對(duì)鉀長(zhǎng)石熱釋光進(jìn)行模擬以獲得樣品的剝露歷史。然而，并非所有鉀長(zhǎng)石熱釋光都可以用于約束巖石的剝露歷史，首先必須確認(rèn)樣品中是否存在熱釋光信號(hào)的熱衰退，只有存在熱衰退的樣品，才能用于巖石剝露歷史的模擬［3，33-34］。對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間（如數(shù)百萬年）暴露于輻射環(huán)境中的樣品，假設(shè)樣品中僅有異常衰退，則熱釋光強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)態(tài)，俘獲電子飽和度（俘獲電子數(shù)/可用總電子陷阱數(shù)）也達(dá)到最大穩(wěn)態(tài)值，即［3］。穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱釋光生長(zhǎng)與異常衰退相等（式（1）右邊第1 項(xiàng)與第3 項(xiàng)），可表示為［26］

2.2.2 利用鉀長(zhǎng)石熱釋光模擬巖石剝露歷史

在獲得鉀長(zhǎng)石熱釋光的7 個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并確認(rèn)樣品中存在熱衰退后，對(duì)鉀長(zhǎng)石熱釋光信號(hào)進(jìn)行反演模擬［3，34-36］。在模擬過程中，首先使用蒙特卡羅方法生成大量單調(diào)遞減的時(shí)間-深度（t-Z）路徑。對(duì)每條t-Z路徑求解一維熱傳導(dǎo)方程：

其中，l是熱釋光信號(hào)的數(shù)量，σi是觀測(cè)值的誤差。

為獲得最佳路徑，選取Likelihood＞0.5 的t-Z路徑，將時(shí)間和深度軸劃分為無數(shù)個(gè)網(wǎng)格，將通過每個(gè)網(wǎng)格單元的t-Z路徑數(shù)累加，通過每個(gè)網(wǎng)格單元的可接受t-Z路徑的總數(shù)越多，樣品的剝露路徑經(jīng)過此處的概率越高，并由此構(gòu)建網(wǎng)格單元化的t-Z概率分布圖［3］。通過對(duì)該概率分布的中值、68%（1σ）和95%（2σ）置信區(qū)間分割線求導(dǎo)，可得到樣品剝露速率的中值和其對(duì)應(yīng)的68%（1σ）和95%（2σ）置信區(qū)間［3］。

3 鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)實(shí)驗(yàn)流程

3.1 樣品前處理

首先，在只有紅光照射的條件下，將巖石樣品表面不少于1 cm 厚的部分去掉，以確保分析樣品處于未曝光狀態(tài)。為避免切割過程中受摩擦的干擾，在恒定的水流條件下用金剛石鋸碎樣品，人工用杵和臼輕輕地將樣品粉碎。然后，依次進(jìn)行顆粒粒度篩分（150～250 μm），去雜質(zhì)（分別用HCl 和H2O2去除碳酸鹽和其他有機(jī)物），干燥，用磁鐵手動(dòng)去除磁性物質(zhì)。最后，進(jìn)行密度篩選（使用多鎢酸鈉分離密度＜2.58 g·cm-3的鉀長(zhǎng)石），得到純凈的鉀長(zhǎng)石顆粒。用Silko-spray 將鉀長(zhǎng)石顆粒粘在直徑為9.8 mm 的小鋼盤上，每個(gè)小鋼盤上粘100～300 顆［34，37］。

3.2 測(cè)量環(huán)境劑量率

取每個(gè)巖石樣品外部的一部分，用電感耦合質(zhì)譜儀（ICP-MS）測(cè)量U，Th 和K 元素的濃度。由于鉀長(zhǎng)石中含放射性元素K，需同時(shí)對(duì)樣品進(jìn)行鉀長(zhǎng)石熱釋光分析和化學(xué)分析，以得到其K 元素含量［37］。此外，由于樣品在接受環(huán)境輻照后，環(huán)境中的α、β粒子在樣品中不斷衰減，該衰減速率與樣品的粒度有關(guān)，因此需對(duì)樣品進(jìn)行薄片分析，以得到其粒度分布［37-39］。使用劑量率和年齡計(jì)算器（dose rate and age calculator，DRAC）程序得到環(huán)境劑量率［34，40］，劑量轉(zhuǎn)換因子參見文獻(xiàn)［41］，有效因子a為0.15±0.05［37］，并假設(shè)水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%±2%［2，37］。

3.3 熱釋光信號(hào)測(cè)量

用Ris? TL/OSL reader（TL/OSL-DA-20）設(shè)備測(cè)量所有熱釋光信號(hào)。該設(shè)備配備0.2 Gy·s-1的90Sr/90Y 輻射源，可在惰性氣體保護(hù)下以1 ℃·s-1的速率對(duì)樣品加熱，并用EMI9235QA 光電倍增管測(cè)量熱釋光強(qiáng)度。

3.3.1 測(cè)量熱釋光信號(hào)生長(zhǎng)及自然熱釋光水平，約束熱釋光生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

用單片再生劑量法（SAR）測(cè)量熱釋光信號(hào)生長(zhǎng)及自然熱釋光水平［27］。測(cè)試中使用強(qiáng)β射線（0.2 Gy·s-1）輻照，再生劑量為25，50，125，250，500，1 000，2 000 和4 000 Gy，輻照時(shí)間分別為125，250，625，1 250，2 500，5 000，10 000，20 000 s。除0 Gy 劑量外，再給予25 Gy 的再生劑量以測(cè)試熱釋光信號(hào)的恢復(fù)程度［3］。所有信號(hào)的自然和再生劑量熱釋光均經(jīng)靈敏度校正［3］，由此建立劑量響應(yīng)曲線（DRC），并用式（3）進(jìn)行擬合，獲得熱釋光生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)D0和a。通過比較自然發(fā)光強(qiáng)度與擬合得到的DRC，獲得樣品中的天然熱釋光的等效劑量和俘獲電子的飽和度（obs）［3］。

3.3.2 測(cè)量熱釋光熱衰退

為獲得不同熱釋光信號(hào)的熱衰退參數(shù)，即活化能E、頻率因子s和動(dòng)力學(xué)級(jí)數(shù)b，首先建立3 個(gè)參數(shù)在0～450 ℃上的分布，再?gòu)姆植记€中提取不同熱釋光溫度區(qū)間對(duì)應(yīng)的平均值［3］。具體方法是以1 ℃·s-1的速率對(duì)樣品進(jìn)行加熱，通過Tm-Tstop方法獲得不同溫度區(qū)間熱釋光信號(hào)的子峰，對(duì)子峰用式（5）和式（6）進(jìn)行擬合，從而約束熱衰退參數(shù)E，s，b在0～450 ℃上的分布，最后提取3 個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的不同熱釋光溫度區(qū)間的平均值。為減小測(cè)量誤差，實(shí)驗(yàn)用固定劑量為15 Gy 的輻照對(duì)樣品釋光信號(hào)的敏感度進(jìn)行校正［3］。

3.3.3 測(cè)量熱釋光異常衰退

用三片法測(cè)量不同延遲時(shí)間下的信號(hào)衰退。測(cè)試時(shí)先用75 Gy 循環(huán)再生劑量輻照樣品，再加熱樣品至200 ℃，然后測(cè)量熱釋光信號(hào)在不同延遲時(shí)間下的異常衰退，通過式（8）建立俘獲電子飽和度與延遲時(shí)間t*的關(guān)系，t*的范圍是瞬時(shí)到3 d，從而獲得異常衰退參數(shù)ρ′［3］。

3.4 剝露歷史反演

通過上述實(shí)驗(yàn)得到與鉀長(zhǎng)石熱釋光信號(hào)相關(guān)的7 個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，再用BISWAS 等［3］的程序進(jìn)行熱釋光信號(hào)的反演模擬，將熱釋光信號(hào)轉(zhuǎn)化為樣品的剝露歷史。在反演模擬中，一般將模擬路徑條數(shù)設(shè)置為30 000 條，同時(shí)需設(shè)定地溫梯度、地表溫度、研究區(qū)剝露起始時(shí)間以及初始剝露速率［37］。

4 應(yīng)用實(shí)例

以BISWAS 等［3］采用鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)方法約束東喜馬拉雅構(gòu)造結(jié)剝露速率的研究為例，介紹鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)在約束千年尺度上剝露歷史中的應(yīng)用。

東喜馬拉雅構(gòu)造結(jié)（南迦巴瓦）位于青藏高原東南部，是新生代印度板塊與歐亞板塊碰撞的產(chǎn)物。該構(gòu)造結(jié)在形態(tài)上為北東向傾斜的背斜，并以走滑斷裂與周圍塊體分隔［37，42-43］。研究區(qū)內(nèi)發(fā)育有眾多河流，包括雅魯藏布江及其主要支流易貢藏布江、帕隆藏布江和寶藏布江。其中，雅魯藏布江在構(gòu)造結(jié)核心區(qū)發(fā)生了急轉(zhuǎn)彎，形成了向北突出的馬蹄形巨大河谷，其北側(cè)支流易貢藏布江和帕隆藏布江通過寶藏布江在該拐彎處匯入雅魯藏布江（見圖5）。

圖5 東喜馬拉雅構(gòu)造結(jié)地質(zhì)簡(jiǎn)圖及已發(fā)表的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)數(shù)據(jù)分布（改自文獻(xiàn)［28-32，42-43］，年齡數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)［44-45，48-53］）Fig.5 Simplified geological map of the east Himalayan syntaxis and published data of low-temperature thermochronometric ages（modified after papers［29-32，42-43］，age date comes from papers［44-45，48-53］）

長(zhǎng)期以來，關(guān)于東喜馬拉雅構(gòu)造結(jié)形成與快速剝露的機(jī)制存在很多爭(zhēng)議。低溫?zé)崮甏鷮W(xué)作為一種約束地質(zhì)體冷卻剝露過程的重要手段，在東構(gòu)造結(jié)地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，現(xiàn)已在東構(gòu)造結(jié)地區(qū)積累了大量低溫?zé)崮甏鷮W(xué)歷史數(shù)據(jù)（見圖5），主要有磷灰石（U-Th-Sm）/He（AHe）、磷灰石裂變徑跡（AFT）、鋯石（U-Th）/He（ZHe）、鋯石裂變徑跡（ZFT）、黑云母40Ar/39Ar（BAr）5 種。這5 種數(shù)據(jù)在空間中的年齡分布特征較顯著：年齡較小的主要分布在構(gòu)造結(jié)的核心地區(qū)，特別是大峽谷地區(qū)；年齡較大的主要分布在構(gòu)造結(jié)的外緣地區(qū)，也可稱為靶心（bull′s-eye）模式。低溫?zé)崮甏鷮W(xué)年齡的計(jì)算結(jié)果也顯示，構(gòu)造結(jié)核心地區(qū)的侵蝕速率較大，構(gòu)造結(jié)外部的侵蝕速率較小。前人根據(jù)南迦巴瓦地區(qū)低溫?zé)崮甏鷮W(xué)年齡的分布、剝露速率的分布以及區(qū)域地貌、變質(zhì)作用的特征，認(rèn)為該區(qū)的形成演化及快速剝露機(jī)制主要有背斜擴(kuò)張模型［37，43-46］和構(gòu)造瘤模型［47-48］2 種。

背斜擴(kuò)張模型強(qiáng)調(diào)構(gòu)造作用對(duì)區(qū)域剝露的主控作用，認(rèn)為早期南迦巴瓦構(gòu)造結(jié)的演化受邊界斷裂帶的約束，構(gòu)造變形只發(fā)生在構(gòu)造結(jié)內(nèi)部，后期變形突破邊界斷裂帶的控制，向北遷移［37，43-46］。這與該區(qū)域低溫?zé)崮甏鷮W(xué)數(shù)據(jù)分布（見圖5）較一致，即具有較高封閉溫度的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)在構(gòu)造結(jié)內(nèi)部年齡較小，在構(gòu)造結(jié)外部年齡較大；而具有較低封閉溫度的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)不僅分布于構(gòu)造結(jié)內(nèi)部，還擴(kuò)展至構(gòu)造結(jié)北部的拉薩地塊。構(gòu)造瘤模型強(qiáng)調(diào)地表過程和構(gòu)造抬升的耦合作用，認(rèn)為快速侵蝕和構(gòu)造抬升集中在構(gòu)造結(jié)核心部位，即雅魯藏布江大峽谷地區(qū)，河流對(duì)地表的長(zhǎng)期快速侵蝕導(dǎo)致地殼變薄變?nèi)?，使得地幔上涌，地殼抬升，加劇了河流?duì)地表的侵蝕，使地溫梯度變大，最終導(dǎo)致部分熔融和高溫、低壓變質(zhì)作用的產(chǎn)生，并重置了低溫?zé)崮甏鷮W(xué)年齡。

這2 種模型的區(qū)別在于區(qū)域快速剝露中心是否發(fā)生變化。在背斜擴(kuò)張模型中，快速剝露中心隨背斜擴(kuò)張向北遷移。在構(gòu)造瘤模型中，快速剝露中心始終集中在雅魯藏布江大峽谷地區(qū)。因此，建立構(gòu)造結(jié)及鄰近地區(qū)剝露速率的分布格局是區(qū)分這2 種模型的關(guān)鍵。BISWAS 等［3］對(duì)來自構(gòu)造結(jié)北部寶藏布江和帕隆藏布江的4 個(gè)基巖樣品（見圖6）進(jìn)行了鉀長(zhǎng)石熱釋光分析和剝露歷史反演，結(jié)果表明，4 個(gè)基巖樣品反映的剝露速率基本一致，均說明東構(gòu)造結(jié)北部10 萬年以來存在快速剝露，最大剝露速率＞10 mm·a-1，說明東構(gòu)造結(jié)的快速剝露中心并未集中在構(gòu)造結(jié)的核心部位，在構(gòu)造結(jié)的北部也存在快速剝露，這可能是構(gòu)造結(jié)向北擴(kuò)張的結(jié)果［37］。

圖6 鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)的反演結(jié)果（改自文獻(xiàn)［3］）Fig.6 Results of inverse modeling of thermoluminescence thermochronometry of K-feldspar（modified after paper［3］）

5 鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)方法的優(yōu)勢(shì)與問題

鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)作為一種新的熱年代學(xué)方法，對(duì)造山帶的構(gòu)造活動(dòng)及剝露過程的研究有諸多優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)為：（1）具有更低的封閉溫度（40～80 ℃），能約束淺地表（1～2 km）巖石的剝露，因此能記錄淺地表的剝露事件；（2）鉀長(zhǎng)石熱釋光不同能量的電子陷阱具有不同的封閉溫度，因此可從單個(gè)樣品獲得連續(xù)的具有較高精度的剝露歷史，而其他熱年代定年方法往往只能從單個(gè)樣品中得到自封閉溫度冷卻至地表的平均剝露速率；（3）由于單個(gè)樣品即可提供剝露歷史，因此與其他熱年代學(xué)方法不同，鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)方法在采樣過程中，無須采集來自垂直剖面的多個(gè)樣品，這對(duì)采樣較困難的區(qū)域尤為重要。

更重要的是，由于鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)能以較高精度約束較短時(shí)間尺度（100 ka）以來巖石的剝露歷史，這為研究構(gòu)造-剝露-氣候三者之間的關(guān)系提供了重要途徑。以往關(guān)于構(gòu)造-剝露-氣候三者關(guān)系的研究大多將百萬年尺度的平均剝露速率和氣候指標(biāo)相對(duì)比，而實(shí)際上剝露歷史很可能是隨時(shí)間變化的。鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)對(duì)剝露歷史有較高精度的約束，可更好地將隨時(shí)間變化的剝露歷史與隨氣候變化的剝露歷史相對(duì)比，尤其是討論第四紀(jì)以來構(gòu)造-剝露-氣候之間的關(guān)系。值得注意的是，由于鉀長(zhǎng)石晶體中電子陷阱對(duì)溫度較敏感，該方法目前僅適用于約束冷卻速率較快、具有快速剝露區(qū)域的剝露歷史研究。對(duì)于剝露速率較低的地區(qū)，釋光信號(hào)往往已飽和，無法提供剝露歷史信息。

6 展 望

本文簡(jiǎn)要敘述了鉀長(zhǎng)石熱釋光熱年代學(xué)的基本原理及其在青藏高原東南緣快速剝露地區(qū)的應(yīng)用。目前熱釋光熱年代學(xué)方法主要依賴于對(duì)釋光現(xiàn)象的理論研究，而俘獲電子定年技術(shù)的日趨完備將使對(duì)不同陷阱的“靶向分析”成為可能，這也將為巖石或礦物的剝露過程提供更精確可靠的約束［1］，并為破譯構(gòu)造、侵蝕、氣候之間的相互影響關(guān)系提供更可靠信息。

感謝浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院石許華老師、安凱旋老師和吳鴻翔博士對(duì)本文提出寶貴的修改意見！