常健，邱楠生，李晨星，張建勇，李文正,4，付小東

1 中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102249 2 中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院, 北京 102249 3 中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院, 杭州 310023 4 成都理工大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610059

0 引言

圖1 不同低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法適用溫度范圍及與油氣相態(tài)關(guān)系. AHe表示磷灰石(U-Th)/He技術(shù)；AFT表示磷灰石裂變徑跡技術(shù); ZHe表示鋯石(U-Th)/He技術(shù)Fig.1 Applicable temperature range of the low-temperature thermochronology and its correlation with the oil and gas phase. AHe means apatite (U-Th)/He dating; AFT means apatite fission track dating; ZHe means zircon (U-Th)/He dating

低溫?zé)崮甏鷮W(xué)技術(shù)主要包括裂變徑跡和(U-Th)/He熱定年技術(shù),分別是根據(jù)磷灰石、鋯石等礦物中含有的放射性同位素U、Th發(fā)生裂變和衰變發(fā)展而來(lái)的. 相對(duì)于磷灰石,鋯石低溫?zé)崮甏鷮W(xué)技術(shù)可揭示140～310 ℃的熱信息(Reiners et al., 2004; Yamada et al., 2007; Guenthner et al., 2013),在研究造山帶早期隆升剝露史和沉積盆地深層、超深層熱歷史領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì).由于鋯石裂變徑跡技術(shù)部分退火帶(190～310 ℃)較高(Yamada et al., 2007; Guedes et al., 2013), 碎屑巖鋯石顆粒(埋藏深度不超過(guò)12～15 km)沉積后通常僅發(fā)生部分退火,因此利用重分組法進(jìn)行鋯石裂變徑跡年齡分析即可研究沉積盆地的構(gòu)造冷卻事件(Fellin et al., 2006; Chang et al., 2014).對(duì)于鋯石(U-Th)/He(ZHe)熱定年技術(shù),熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)認(rèn)為當(dāng)α粒子劑量介于1016～1018α/g時(shí),其封閉溫度為140～220 ℃(Guenthner et al., 2013).這與沉積盆地深層、超深層地層溫度、油氣相態(tài)及成熟度具有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖1).基于鋯石裂變徑跡退火模型,Guenthner等(2013)建立了適用于鋯石(U-Th)/He熱定年技術(shù)的輻射損傷積累和退火模型(ZRDAAM),并被廣泛地應(yīng)用于古老克拉通盆地早期熱歷史恢復(fù)研究,如加拿大古老地盾(Canadian Shield)、美國(guó)西部懷俄明克拉通(Wyoming Craton)、南非卡普瓦克拉通(Kaapvaal Craton)等(Guenthner et al., 2015; Delucia et al., 2018; Baughman and Flowers, 2020).然而一些研究表明這個(gè)模型有時(shí)無(wú)法適用于高輻射損傷劑量的鋯石樣品(Powell et al., 2016; Johnson et al., 2017).最近,Ginster等(2019)結(jié)合高溫?zé)釘U(kuò)散實(shí)驗(yàn)和激光拉曼表征輻射損傷強(qiáng)度方法建立了扇形-線性模型,該模型考慮了鋯石顆粒內(nèi)部各種輻射損傷退火行為,與鋯石輻射損傷積累和退火模型相比可更好地解釋He擴(kuò)散和丟失行為. 鋯石(U-Th)/He熱定年技術(shù)近幾年在He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型建立和應(yīng)用方面得到了飛躍發(fā)展,而國(guó)內(nèi)針對(duì)這一方法的相關(guān)概述及應(yīng)用還很少.

近年,古老層系已成為我國(guó)油氣勘探最重要的接替領(lǐng)域,并相繼在西部沉積盆地獲得重大突破,如塔里木盆地中深1井和輪探1井寒武系原生油氣藏、順北奧陶系斷溶體油氣藏及四川盆地安岳震旦-寒武系特大氣田等(王招明等, 2014; 鄒才能等, 2014; 焦方正, 2018).然而,由于缺乏有效古溫標(biāo),古老層系熱史研究一直很薄弱,制約了古老烴源巖熱演化及生烴和成藏期次研究,進(jìn)而影響了深層油氣勘探和資源評(píng)價(jià).為了解決該科學(xué)問(wèn)題,本文在總結(jié)鋯石(U-Th)/He熱定年技術(shù)He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型和熱史模擬方法技術(shù)的基礎(chǔ)上,通過(guò)正、反演聯(lián)合模擬闡明了我國(guó)三大典型克拉通(含油氣)盆地——塔里木盆地、四川盆地及華北克拉通盆地古老層系自沉積以來(lái)的構(gòu)造-熱歷史,并系統(tǒng)討論了鋯石輻射損傷積累和退火模型與扇形-線性模型在模擬不同熱史路徑中的差異性和熱史有效性,有利于推動(dòng)鋯石(U-Th)/He熱定年方法在國(guó)內(nèi)沉積盆地?zé)崾费芯款I(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展.

1 鋯石He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型

實(shí)測(cè)鋯石(U-Th)/He年齡記錄的是鋯石顆粒開(kāi)始低于封閉溫度的某一時(shí)間點(diǎn).與裂變徑跡相似,為了揭示鋯石He年齡曾經(jīng)歷的完整時(shí)間-溫度演化史,必須構(gòu)建He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型.該模型的建立主要是基于對(duì)基巖鋯石礦物進(jìn)行分步式熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)明確活化能和頻率因子,在此基礎(chǔ)上,根據(jù)阿倫尼烏斯公式計(jì)算相應(yīng)的封閉溫度.鋯石(U-Th)/He熱定年技術(shù)的He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型主要有三種：

1.1 Reiners等(2004)簡(jiǎn)單模型

Reiners等(2004)通過(guò)對(duì)碎屑巖和巖漿巖鋯石樣品在300～550 ℃范圍內(nèi)系統(tǒng)開(kāi)展分步式熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)分析,計(jì)算得到平均活化能(Ea)為169.03 kJ/mol,頻率因子(D0)為0.46 cm2·s-1,再結(jié)合Dodson(1973)提出的公式計(jì)算得到鋯石(U-Th)/He封閉溫度(Tc)為171～196 ℃(顆粒半徑為60 μm，冷卻速率為10 ℃/Ma),平均為183 ℃.該模型認(rèn)為鋯石He封閉溫度是一個(gè)常數(shù),不受輻射損傷和U-Th分帶性影響.

1.2 Guenthner等(2013)鋯石輻射損傷積累和退火模型

研究表明,同一樣品單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡通常具有很強(qiáng)的分散性.這種分散性往往與輻射損傷強(qiáng)度(α劑量)具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性,因此無(wú)法利用簡(jiǎn)單模型對(duì)這些單顆粒(U-Th)/He年齡進(jìn)行合理的解釋與熱史模擬.為了解決這個(gè)問(wèn)題,基于Flowers等(2009)提出的磷灰石輻射損傷積累和退火模型,Guenthner等(2013)在對(duì)一系列樣品進(jìn)行熱擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,利用蝕刻的裂變徑跡代替輻射損傷強(qiáng)度建立了鋯石輻射損傷積累和退火模型.當(dāng)α粒子劑量介于1016～1018α/g時(shí),其封閉溫度為140～220 ℃,但α粒子劑量超過(guò)2×1018α/g時(shí),封閉溫度迅速減小(圖2a).單顆粒磷灰石(U-Th)/He年齡與有效U濃度(eU)往往只表現(xiàn)為正相關(guān)性,而單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與eU既有正相關(guān)性又有負(fù)相關(guān)性.Guenthner等(2013)認(rèn)為正相關(guān)性是由孤立的輻射損傷區(qū)域造成的,這些孤立輻射損傷區(qū)域通過(guò)增加擴(kuò)散路徑的彎曲度來(lái)阻礙He的擴(kuò)散行為.鋯石He擴(kuò)散行為具有各向異性,其中在C軸平行方向上最強(qiáng).鋯石He擴(kuò)散行為減弱主要是由輻射損傷對(duì)C軸方向通道的持續(xù)破壞作用(類(lèi)似于在高速路上設(shè)置路障)造成的.當(dāng)這些“路障”駐立于鋯石礦物內(nèi)部時(shí),He原子通道就會(huì)變得更彎曲,從而減弱顆粒的有效He擴(kuò)散行為.圖2b顯示了C軸平行通道彎曲度增強(qiáng)的證據(jù).He擴(kuò)散方向與C軸平行的鋯石樣品的D0值表現(xiàn)為逐漸減小,且覆蓋整個(gè)損傷范圍,而與C軸正交的鋯石樣品的D0值保持不變.需要注意的是,兩者在高輻射損傷區(qū)具有相似的D0值.也就是說(shuō),隨著輻射損傷增強(qiáng),兩個(gè)方向上的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)行為將趨近于一致.

單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與eU負(fù)相關(guān)性是由中-高α劑量(>2×1018α/g)損傷區(qū)的相互連通性造成的(Nasdala et al., 2004; Reiners, 2005; Guenthner et al., 2013).當(dāng)α劑量超過(guò)某一臨界值時(shí),相互連接的輻射損傷區(qū)在鋯石晶格內(nèi)部形成貫穿通道,為He快速擴(kuò)散提供便利.為了達(dá)到這一臨界值,鋯石必須長(zhǎng)期處于低溫環(huán)境,而不發(fā)生退火行為.對(duì)于輻射損傷嚴(yán)重的鋯石,顆粒內(nèi)部仍含有少量不易擴(kuò)散的物質(zhì),從而造成這種負(fù)相關(guān)性表現(xiàn)為漸進(jìn)性,而不具有突變型.

1.3 Ginster等(2019)扇形-線性模型

Guenthner等(2013)的ZRDAAM模型將可蝕刻的裂變徑跡退火行為表示鋯石內(nèi)部所有輻射損傷退火行為,而實(shí)際上與已蝕刻裂變徑跡退火相比,大部分輻射損傷退火需要更高溫度和更長(zhǎng)加熱時(shí)間.當(dāng)裂變徑跡完全退火時(shí),大部分輻射損傷僅退火了30%～50%(Ginster et al., 2019).為了更精確地解釋鋯石內(nèi)部的輻射損傷退火動(dòng)力學(xué)行為,Ginster等(2019)通過(guò)高溫退火實(shí)驗(yàn)闡明了具有不同輻射損傷程度的鋯石顆粒的退火動(dòng)力學(xué)行為,并根據(jù)激光拉曼光譜識(shí)別鋯石特征峰(～1008 cm-1)的半峰寬(Full Width at Half Maximum, FWHM)計(jì)算了相應(yīng)的等效損傷劑量(Ded).依據(jù)半峰寬和等效損傷劑量,將鋯石劃分為三種:

圖2 (a) 鋯石(U-Th)/He封閉溫度與α粒子劑量關(guān)系圖.(b) 鋯石顆粒頻率因子與α粒子劑量關(guān)系圖(黑色方形代表擴(kuò)散行為與C軸平行的顆粒; 灰色圓圈代表擴(kuò)散行為與C軸垂直的顆粒; 灰色三角形數(shù)據(jù)引自Reiners等(2002,2004); 黑色三角形引自Reiners等(2002)與 Wolfe和Stocki(2010); 三角形數(shù)據(jù)的樣品擴(kuò)散行為與顆粒C軸關(guān)系不明確; Guenthner et al., 2013)Fig.2 (a) Correlation between the closure temperature of the zircon (U-Th)/He dating and alpha dose.(b) Correlation between frequency factor and alpha dose for the zircon.The black squares represent the grains with the He diffusion parallel to C-axis; the grey circles represent the grains with the He diffusion orthogonal to C-axis.The data shown as the grey triangles refer to Reiners et al.(2002, 2004); The data shown as the black triangles refer to Reiners et al.(2002) and Wolfe and Stocki (2010).The correlation between the He diffusion and C-axis for the samples shown as the triangles are unclear (Guenthner et al., 2013)

低損傷鋯石: FWHM≤8 cm-1;Ded≤4.6×1017α/g

中損傷鋯石: 8 cm-1≤FWHM≤14.5 cm-1; 4.6×1017α/g≤Ded≤9.5×1017α/g

高損傷鋯石: 14.5 cm-1≤FWHM≤25 cm-1; 9.5×1017α/g≤Ded≤2.2×1018α/g

在此基礎(chǔ)上,通過(guò)將實(shí)測(cè)退火數(shù)據(jù)投點(diǎn)到阿倫尼烏斯圖上,根據(jù)擬合度建立了扇形-線性模型.并結(jié)合部分退火率(fractional annealing,φ)將該模型進(jìn)一步劃分為低φ、過(guò)渡帶和高φ三個(gè)亞區(qū)間模型.

φ=(FWHMt-FWHMt=0)/(FWHMa-FWHMt=0),

(1)

其中,φ表示分餾退火率; FWHMt=0表示退火前FWHM值,即樣品退火前的輻射損傷劑量; FWHMt表示樣品被持續(xù)加熱時(shí)間t之后的FWHM值,即退火實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)仍保留的輻射損傷劑量; FWHMa表示完全退火樣品的FWHM值.

低φ和高φ退火區(qū)模型分別適用于短期低溫加熱和長(zhǎng)期高溫加熱的樣品.低φ退火區(qū)是由可在低溫下退火的點(diǎn)缺陷控制的; 而高φ退火區(qū)是由在高活化能條件下才退火的孤立-穩(wěn)定點(diǎn)缺陷的外延生長(zhǎng)和退火行為主導(dǎo)的.過(guò)渡帶退火區(qū)模型中最小部分退火率邊界線等于低φ模型中最高部分退火率等值線,過(guò)渡帶退火區(qū)模型中最大部分退火率邊界線等于高φ模型中最低部分退火率等值線.

2 熱史模擬技術(shù)

由于低溫?zé)崮甏鷮W(xué)年齡僅能反映冷卻(隆升)事件的某個(gè)時(shí)間點(diǎn),人們根據(jù)裂變徑跡退火行為和He擴(kuò)散行為建立了相應(yīng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型開(kāi)展正演或反演熱史模擬,從而有效地揭示樣品在地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷的古溫度史.對(duì)于磷灰石裂變徑跡技術(shù),熱史模擬由裂變徑跡年齡和封閉徑跡長(zhǎng)度兩個(gè)參數(shù)作為約束條件,因此其熱史反演結(jié)果被認(rèn)為是最可靠的.而對(duì)于(U-Th)/He熱定年技術(shù),熱史反演模擬通常僅有(U-Th)/He年齡單個(gè)參數(shù)進(jìn)行約束,因此模擬結(jié)果精度不高.如前所述,古老層系樣品單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡往往具有很強(qiáng)的分散性.當(dāng)同一樣品單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡分散性較強(qiáng)時(shí),早期通常通過(guò)計(jì)算加權(quán)平均(U-Th)/He年齡或者選擇性地剔除掉較老或較年輕的年齡進(jìn)行分析和研究,而這種處理方法往往會(huì)造成某些重要熱信息的丟失(Powell et al., 2016).近年來(lái),隨著鋯石He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型的發(fā)展和正演模擬技術(shù)的進(jìn)步,利用單一樣品多個(gè)單顆粒(U-Th)/He年齡進(jìn)行熱史模擬得到可靠的熱信息變得可能(Guenthner et al., 2015; Powell et al., 2016).Guenthner等(2015)提出的繼承性包絡(luò)線(inhertance envelope)概念可很好地解釋同一樣品中分散的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡.而Powell等(2016)不僅進(jìn)一步完善了繼承性包絡(luò)線概念,而且系統(tǒng)地闡述了利用單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡開(kāi)展正演和反演熱史模擬的方法步驟.

利用單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡開(kāi)展正演模擬主要包括以下5個(gè)步驟: (1) 根據(jù)研究區(qū)地層發(fā)育特征、不整合面、構(gòu)造演化成果及熱體制,設(shè)定4～5種具有代表性的溫度路徑,并明確地表溫度(本研究采用20 ℃); (2) 結(jié)合鋯石U-Pb、K-Ar等定年方法明確樣品所在層位(主要針對(duì)沉積巖)存在幾個(gè)物源區(qū)峰值年齡,并將這些峰值年齡設(shè)定為若干個(gè)熱史模擬開(kāi)始時(shí)間.最小的峰值年齡既表示地層沉積時(shí)間,又代表無(wú)繼承性年齡,即該部分鋯石顆粒沉積時(shí)無(wú)輻射損傷和He; 其他峰值年齡都被認(rèn)為是繼承性年齡,代表的是該部分鋯石顆粒沉積時(shí)仍繼承有早期的輻射損傷和He.(3) 設(shè)定顆粒半徑和誤差范圍,其中,將所有實(shí)測(cè)樣品的顆粒半徑平均值作為正演模擬的半徑,誤差范圍為計(jì)算得到的標(biāo)準(zhǔn)誤差; (4) 選取鋯石He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型(本文采用鋯石輻射損傷積累和退火模型)進(jìn)行正演模擬,得到不同溫度路徑下的繼承性包絡(luò)線圖; (5) 將實(shí)測(cè)單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡投到繼承性包絡(luò)線圖中,其中可覆蓋最多單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡的繼承性包絡(luò)線對(duì)應(yīng)的溫度路徑認(rèn)為是最佳熱史路徑.本文是利用Guenthner(2021)開(kāi)發(fā)的DAAM程序(https:∥github.com/wrguenthner/DAAM)開(kāi)展正演熱史模擬的.

需要指出的是,繼承性年齡與無(wú)繼承性年齡(樣品開(kāi)始沉積時(shí)間)之間的溫度變化對(duì)正演模擬結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生影響,但考慮到無(wú)法獲取鋯石樣品沉積前的隆升-沉降史和本文熱史研究的重點(diǎn)是恢復(fù)沉積后的溫度史,因此采納國(guó)際通用方法進(jìn)行溫度設(shè)定,即沉積前的溫度統(tǒng)一設(shè)置為地表溫度(～20 ℃; Guenthner et al., 2015; Powell et al., 2016).盡管這種設(shè)置仍存在較多問(wèn)題,但目前的研究手段僅能做到這一點(diǎn).另外,在設(shè)置熱史模擬開(kāi)始時(shí)間時(shí),本文僅參考了研究區(qū)或臨近地區(qū)的同一層位鋯石U-Pb年齡的峰值范圍.盡管可能與實(shí)際仍存在差異,但考慮到本文的研究重點(diǎn)和文章篇幅有限性,未對(duì)樣品開(kāi)展特定的鋯石U-Pb年齡測(cè)試與分析.

通過(guò)正演模擬獲取到最佳熱史路徑后,再選取典型樣品進(jìn)行反演模擬.本文利用HeFTy熱史軟件開(kāi)展反演模擬(Ketcham, 2005).首先,設(shè)定溫度路徑開(kāi)始(樣品開(kāi)始沉積時(shí)間)和結(jié)束時(shí)間(現(xiàn)今); 然后,基于單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡、沉積-構(gòu)造特征及正演路徑設(shè)定其他約束條件.其中選擇的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡為正演過(guò)程中無(wú)繼承性溫度路徑可解釋的鋯石He年齡,這是由于繼承性溫度路徑早期的熱信息(即沉積前)被人為的簡(jiǎn)化,如果選取繼承性鋯石He年齡開(kāi)展反演模擬,會(huì)進(jìn)一步增大熱史誤差和降低可靠性; 最后,利用蒙特卡羅法自由搜索50000條溫度路徑,尋找最佳路徑.當(dāng)熱史反演結(jié)果也可解釋正演模擬得到的最佳熱史路徑時(shí),這條熱史路徑就被認(rèn)為是樣品曾經(jīng)歷過(guò)的最真實(shí)的古溫度史.

3 典型克拉通盆地古老層系熱史模擬

作為我國(guó)典型克拉通盆地,塔里木盆地、四川盆地和華北克拉通盆地的盆內(nèi)或盆緣都?xì)埩粲泄爬蠈酉?圖3),為我們開(kāi)展古老地層鋯石(U-Th)/He年齡分析和熱史模擬提供了機(jī)會(huì).

本次研究,在塔里木盆地巴楚隆起北部同1井4660～4720 m深度處采集了一塊新元古界火山碎屑巖樣品T1-04,該樣品的12個(gè)單顆粒鋯石He年齡介于117～549 Ma之間(表1,圖4),均小于地層年齡(707±8 Ma; 楊鑫等, 2017),表明該樣品沉積后曾經(jīng)歷過(guò)He擴(kuò)散,適于熱史模擬研究; 在華北克拉通盆地北緣凌源地區(qū)青白口系龍山組采集了一塊露頭樣品LX1,該樣品的8個(gè)單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡介于274～684 Ma之間(表1, 圖5),均小于地層年齡,且與eU呈負(fù)相關(guān)性; 在四川盆地東北角宜昌剖面蓮沱組下部采集了一塊露頭樣品YC-07,該樣品的9個(gè)單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡介于92.8～346.8 Ma之間(表1,圖6),具有較強(qiáng)的分散性,均小于地層年齡,表明它們沉積后經(jīng)歷過(guò)He擴(kuò)散,記錄了沉積區(qū)熱信息.三個(gè)樣品所有鋯石顆粒的eU介于25.1～655.4 μg·g-1之間,處于低輻射損傷狀態(tài).對(duì)于古老克拉通盆地的低輻射損傷顆粒,鋯石輻射損傷積累與擴(kuò)散模型和扇形-線性模型模擬的單顆粒鋯石He年齡與eU演化模式極為相似(見(jiàn)后面討論中圖7f,7g和7h).同時(shí),考慮到前人關(guān)于鋯石(U-Th)/He年齡的熱史研究普遍采用鋯石輻射損傷與積累模型,因此,本文也借助應(yīng)用更廣泛的鋯石輻射損傷積累和退火模型開(kāi)展熱史模擬.

圖3 中國(guó)三大克拉通盆地位置圖(五角星表示取樣位置)Fig.3 Locations of the three major Craton basins in China (The samples′ locations are shown by the stars)

表1 塔里木盆地、華北克拉通和四川盆地樣品實(shí)測(cè)鋯石(U-Th)/He年齡結(jié)果Table 1 Zircon (U-Th)/He ages of the samples from Tarim, North China Craton and Sichuan Basins

圖4 (a) 塔里木盆地巴楚隆起T1-04樣品的正演溫度路徑.右側(cè)為A、B、C、D等4條時(shí)間-溫度路徑生成的繼承性包絡(luò)線.其中，深色區(qū)域?qū)?yīng)的是2000 Ma(繼承性)產(chǎn)生的包絡(luò)線,淺色區(qū)域?qū)?yīng)的是710 Ma(無(wú)繼承性)產(chǎn)生的包絡(luò)線,虛線是由平均半徑為74 μm的鋯石顆粒產(chǎn)生的年齡-eU演化模式,深色區(qū)域和淺色區(qū)域邊緣分別對(duì)應(yīng)的是半徑為95 μm和53 μm的鋯石顆粒產(chǎn)生的年齡-eU演化模式.(b)樣品T1-04熱史反演結(jié)果.黑線框表示約束條件,黑色粗線代表最佳熱史路徑(擬合度為95%),紫線表示好路徑(擬合度>50%),綠線表示可接受路徑(擬合度介于5%～50%).ZHePRZ表示鋯石He部分保留區(qū)(130～200 ℃, Wolfe and Stockli, 2010)Fig.4 Forward (a) and inverse (b) temperature paths of the sample T1-04 in Bachu Uplift, Tarim Basin.The forward modeling provided four specific t-T paths A, B, C and D, generating the right corresponding inheritance envelopes.All the envelopes (Dark gray=2000 Ma for inheritance, light gray=710 Ma for non-inheritance) correspond to date-eU trends for zircon between 95 μm and 53 μm for the radius.The dashed line in each inheritance envelope represents the date-eU trend for the zircons with the mean radius of 74 μm.For the inverse model (b), black boxes indicate t-T constraints and the solid black line represents the best fitting thermal path (The goodness of fit (GOF) is 95%).Good paths are represented by the magenta lines (GOF>50%), whereas acceptable paths are represented by green lines (5%

圖5 (a)華北克拉通北緣露頭樣品LX1的正演溫度路徑.右側(cè)為A、B、C、D等4條時(shí)間-溫度路徑生成的繼承性包絡(luò)線.其中,深色區(qū)域?qū)?yīng)的是1800 Ma(繼承性)產(chǎn)生的包絡(luò)線,淺色區(qū)域?qū)?yīng)的是900 Ma(無(wú)繼承性)產(chǎn)生的包絡(luò)線,虛線是由平均半徑為35μm的鋯石顆粒產(chǎn)生的年齡-eU演化模式,深色區(qū)域和淺色區(qū)域邊緣分別對(duì)應(yīng)的是半徑為30 μm和40 μm的鋯石顆粒產(chǎn)生的年齡-eU演化模式.(b)樣品LX1熱史反演結(jié)果.黑線框表示約束條件, 黑色粗線代表最佳熱史路徑(擬合度為92%),紫線表示好路徑(擬合度>50%),綠線表示可接受的路徑(擬合度介于5%～50%)Fig.5 Forward (a) and inverse (b) temperature paths of the sample LX1 in northern margin of the North China Craton.The forward modeling provided four specific t-T paths A,B,C and D, generating the right inheritance envelopes A,B,C and D, respectively.All the envelopes (Dark gray=1800 Ma for inheritance, light gray=900 Ma for non-inheritance) correspond to date-eU trends for zircon between 30 μm and 40 μm for the radius.The dashed line in each inheritance envelope represents the date-eU trend for the zircons with the mean radius of 35 μm. For the inverse model (b), black boxes indicate t-T constraints and the solid black line represents the best fitting thermal path (GOF is 92%).Good paths are represented by the magenta lines (GOF>50%), whereas acceptable paths are represented by green lines (5%

圖6 (a) 四川盆地東北角露頭樣品YC-07的正演溫度路徑.右側(cè)為A、B、C、D等4條時(shí)間-溫度路徑生成的繼承性包絡(luò)線.其中,深灰色、中灰色及淺灰色區(qū)域分別對(duì)應(yīng)2500 Ma(繼承性)、2000 Ma(繼承性)及750 Ma(無(wú)繼承性)的包絡(luò)線,區(qū)域邊緣分別對(duì)應(yīng)的是半徑為50 μm和70 μm的鋯石顆粒產(chǎn)生的年齡-eU演化模式,虛線是由平均半徑為60 μm的鋯石顆粒產(chǎn)生的年齡-eU演化模式.(b)樣品YC-07熱史反演結(jié)果.黑線框表示約束條件,黑色粗線代表最佳熱史路徑(擬合度為98%),紫線表示好路徑(擬合度>50%),綠線表示可接受的路徑(擬合度介于5%～50%)Fig.6 Forward (a) and inverse (b) temperature paths of the sample YC-07 in the northeast corner of the Sichuan Basin.The forward modeling provided four specific t-T paths A,B,C and D, generating the right inheritance envelopes A,B,C and D,respectively.All the envelopes (Dark gray=2500 Ma for inheritance,middle gray=2000 Ma for inheritance,light gray=750 Ma for non-inheritance) correspond to date-eU trends for zircon between 50 μm and 70 μm for the radius.The dashed line in each inheritance envelope represents the date-eU trend for the zircons with the mean radius of 60 μm. For the inverse model (b),black boxes indicate t-T constraints and the solid black line represents the best fitting thermal path (GOF is 98%).Good paths are represented by the magenta lines (GOF>50%),whereas acceptable paths are represented by green lines (5%

3.1 塔里木盆地

塔里木盆地巴楚隆起同1井區(qū)分布有新元古界、寒武系、下奧陶統(tǒng)、中-下志留統(tǒng)、上新統(tǒng)、第四系等地層,表明該地區(qū)曾經(jīng)歷過(guò)多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng).結(jié)合不整合面發(fā)育狀況和構(gòu)造演化史成果,我們總共設(shè)置了4條溫度路徑開(kāi)展正演模擬評(píng)估實(shí)測(cè)單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與繼承性包絡(luò)線的關(guān)系(圖4a).根據(jù)火山碎屑巖的鋯石U-Pb年齡峰值分布特征及沉積年齡分析結(jié)果(楊鑫等,2017),將正演模擬開(kāi)始時(shí)間設(shè)置為2000 Ma(繼承性)和710 Ma(無(wú)繼承性).其中路徑A和D路徑在～210 Ma經(jīng)受的最大溫度為～180 ℃,產(chǎn)生的繼承性包絡(luò)線與實(shí)測(cè)鋯石He年齡具有很好的擬合性(除了一個(gè)最老的鋯石He年齡),這表明除了最大溫度,其他時(shí)間點(diǎn)溫度的微小變化對(duì)繼承性包絡(luò)線無(wú)太大影響.鄭曉麗(2016)根據(jù)地震資料認(rèn)為,巴楚隆起西北部在晚石炭世經(jīng)歷了構(gòu)造隆升剝蝕過(guò)程,造成上石炭統(tǒng)缺失.因此,相對(duì)于路徑D,路徑A與巴楚隆起實(shí)際構(gòu)造-熱演化過(guò)程更相近.同時(shí)熱史反演結(jié)果也與路徑A相似,這表明路徑A是樣品T-04曾經(jīng)歷過(guò)的古溫度史.路徑B與路徑A不同之處在于,路徑B在210～40 Ma時(shí)期經(jīng)歷了一期快速冷卻事件,而這與區(qū)域構(gòu)造演化不符.早期研究認(rèn)為中亞大部分地區(qū)(包括柯坪隆起)在晚侏羅世-古近紀(jì)時(shí)期處于構(gòu)造平靜期,形成了大量古夷平面(Jolivet, 2017; Morin et al., 2019; Chang et al., 2019).由于巴楚隆起與柯坪隆起在新生代之前為一個(gè)整體,巴楚隆起北部此時(shí)也應(yīng)處于構(gòu)造平靜期.所以路徑B與實(shí)際地質(zhì)情況不符.對(duì)于溫度路徑C(210～130 Ma期間溫度為160 ℃),有4個(gè)鋯石He年齡未落入繼承性包絡(luò)線內(nèi),因此該溫度路徑與實(shí)際不符.

3.2 華北克拉通盆地

根據(jù)華北克拉通盆地北緣地層分布特征、不整合面及構(gòu)造演化史(張?jiān)势降? 2010; Zhang et al., 2011; 曲永強(qiáng)等, 2012; Zhai et al., 2015; Li et al., 2018), 設(shè)置了4條時(shí)間-溫度正演路徑(圖5a),其中包括晚奧陶世和晚三疊世兩期快速冷卻事件.根據(jù)碎屑鋯石U-Pb年齡(可聯(lián)系作者獲取)和樣品沉積時(shí)間分析,正演模擬開(kāi)始時(shí)間設(shè)置為1800 Ma(繼承性)和900 Ma(無(wú)繼承性).當(dāng)樣品在晚三疊世埋藏溫度為160 ℃時(shí)(路徑A),除兩個(gè)顆粒外,其余顆粒鋯石(U-Th)/He年齡均落入繼承性包絡(luò)線內(nèi),而將晚三疊世埋藏溫度調(diào)整為150 ℃(路徑C)和170 ℃(路徑B)時(shí),會(huì)造成更多顆粒鋯石(U-Th)/He年齡落在繼承性包絡(luò)線之外.另外熱史反演模擬結(jié)果與路徑A也具有相似性(圖6b).因此,綜合正演和反演結(jié)果認(rèn)為路徑A是樣品LX1曾經(jīng)歷過(guò)的古溫度史.路徑D與路徑A不同之處在于假設(shè)樣品在晚奧陶世-早石炭世遭受了更多的剝蝕量,溫度降低更多,但正演模擬結(jié)果與路徑A相同.這表明,除最大溫度外,其余時(shí)間點(diǎn)的地層溫度微調(diào)對(duì)正演模擬結(jié)果無(wú)太大影響.

3.3 四川盆地

根據(jù)四川盆地東北緣區(qū)域性地層分布特征、不整合面及構(gòu)造演化成果,設(shè)置了4條時(shí)間-溫度正演路徑評(píng)估實(shí)測(cè)鋯石(U-Th)/He年齡與繼承性包絡(luò)線的關(guān)系(圖6a).根據(jù)碎屑鋯石U-Pb年齡和地層沉積時(shí)間(景先慶等, 2018; Qi et al., 2020),將正演熱史模擬開(kāi)始時(shí)間設(shè)置為2500 Ma(繼承性)、2000 Ma(繼承性)及750 Ma(無(wú)繼承性)三個(gè)年齡.由于前人對(duì)研究區(qū)前中生代的構(gòu)造演化認(rèn)識(shí)較統(tǒng)一,本次研究將中生代之前的溫度演化路徑設(shè)置為相同.同時(shí)樣品YC-07在早期埋藏淺,受熱溫度低,早期熱歷史不會(huì)對(duì)鋯石(U-Th)/He年齡產(chǎn)生影響.基于已發(fā)表鋯石(U-Th)/He、磷灰石裂變徑跡、磷灰石(U-Th)/He等低溫?zé)崮甏鷮W(xué)年齡和反演熱史結(jié)果(Hu et al., 2006; Richardson et al., 2010; Xu et al., 2010; Ji et al., 2014),筆者設(shè)置了A、B、C等3條時(shí)間-溫度路徑,包含有160～90 Ma和40 Ma以來(lái)兩期快速冷卻過(guò)程.另外,沈傳波等(2009)認(rèn)為研究區(qū)曾經(jīng)歷過(guò)200～160 Ma緩慢隆升和160～90 Ma快速隆升的演化過(guò)程,因此還設(shè)置了溫度路徑D.當(dāng)樣品在160 Ma時(shí)期經(jīng)歷的最高溫度為185 ℃(路徑A)時(shí),絕大部分鋯石(U-Th)/He年齡(1個(gè)除外)都落入繼承性包絡(luò)線內(nèi),而將160 Ma時(shí)的最高溫度設(shè)置為180 ℃(路徑B)和190 ℃(路徑C)時(shí),落入繼承性包絡(luò)線的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡減少很多.當(dāng)樣品在200～160 Ma時(shí)期長(zhǎng)期處于170 ℃的相對(duì)低溫(路徑D)時(shí),產(chǎn)生的繼承性包絡(luò)線趨勢(shì)與路徑A相同.可以看出,長(zhǎng)時(shí)期的低溫受熱對(duì)鋯石輻射損傷的影響與短期的高溫受熱可產(chǎn)生同樣的效果.勘探表明四川盆地東北緣古老層系分布有豐富的頁(yè)巖氣藏(羅勝元等, 2020).根據(jù)油氣相態(tài)與埋藏溫度的關(guān)系,認(rèn)為185 ℃高溫更利于古老層系生氣,所以路徑A被認(rèn)為是樣品YC-07曾經(jīng)歷過(guò)的古溫度史,其與熱史反演結(jié)果也相符(圖7b).

塔里木、華北克拉通、四川等三大盆地早期盡管經(jīng)歷過(guò)多期隆升剝蝕過(guò)程,但總體呈沉降狀態(tài),其樣品曾經(jīng)歷過(guò)的最高溫度都是由上覆地層增厚造成的.但受后期構(gòu)造演化差異的影響,三大盆地古老層系經(jīng)歷的最高溫度時(shí)間存在差異性.晚三疊世,受羌塘地體與歐亞板塊南緣碰撞作用影響,昆侖山向塔里木盆地西南部俯沖,不僅造成塔西南地區(qū)發(fā)育前陸盆地,而且使得巴楚隆起(樣品T1-04所處位置)演變?yōu)榍瓣懪璧氐那奥〔课?Sobel, 1999; Chang et al., 2019),進(jìn)入隆升剝蝕狀態(tài),樣品T1-04最高溫度隨著上覆沉積物減薄而逐漸降低(圖4).四川盆地北緣樣品的地層溫度降低是由晚侏羅世(～160 Ma)秦嶺造山帶向南遞進(jìn)變形造成的(圖6; Yang et al., 2013).受蒙古—鄂霍次克洋洋殼向南俯沖作用影響(Zhang et al., 2012),華北克拉通盆地北緣自晚三疊世以來(lái)整體處于隆升剝蝕狀態(tài),造成樣品溫度逐漸降低(圖5).華北克拉通破壞作用曾造成華北克拉通東部(渤海灣盆地)經(jīng)歷過(guò)兩期高熱流(84～88 mW·m-2)階段(Qiu et al., 2014; Chang et al., 2018),且現(xiàn)今熱流仍很高(～64.5 mW·m-2; Qiu et al., 2015).然而,華北克拉通北緣現(xiàn)今熱流僅為～50 mW·m-2(Jiang et al., 2019),明顯低于渤海灣盆地,這說(shuō)明華北克拉通破壞對(duì)其北緣熱效應(yīng)影響有限.因此,即使華北克拉通北緣在中-新生代受克拉通破壞作用影響古熱流有所增大,但在隆升剝蝕綜合影響下,樣品溫度仍處于逐漸降低狀態(tài)(圖5).

4 討論

4.1 基于不同熱史的鋯石He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型對(duì)比

如前文所述,根據(jù)鋯石He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型和溫度-時(shí)間路徑,可以預(yù)測(cè)單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與輻射損傷(eU)的演化關(guān)系.簡(jiǎn)單模型由于未考慮輻射損傷,其預(yù)測(cè)的鋯石(U-Th)/He年齡通常為一個(gè)常數(shù)(即受熱溫度小于封閉溫度183 ℃的時(shí)間點(diǎn)),而鋯石輻射損傷積累和退火模型與扇形-線性模型則表現(xiàn)出明顯的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡分散性特征(圖3).通過(guò)選取不同熱史路徑開(kāi)展正演模擬,進(jìn)一步闡明了鋯石輻射損傷和退火模型與扇形-線性模型預(yù)測(cè)的鋯石(U-Th)/He年齡與eU演化關(guān)系的差異性(圖7).對(duì)于基巖樣品(即原位巖體,路徑1和2),兩種模型預(yù)測(cè)的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡在低eU區(qū)演化模式差別不大,而在高eU區(qū)演化差異性逐漸增大.這種差異性還與冷卻速率和時(shí)間有關(guān).冷卻速率越快且冷卻時(shí)間越早,兩種模型預(yù)測(cè)的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡在eU區(qū)演化差異性越小(路徑2),而冷卻速率越慢且冷卻時(shí)間越晚,差異性越大(路徑1).對(duì)于高溫(200～300 ℃)沉積樣品(路徑3和4),扇形-線性模型預(yù)測(cè)的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡在低eU區(qū)(<～150 μg·g-1)表現(xiàn)為逐漸增大,而在高輻射損傷區(qū)(>150 μg·g-1)表現(xiàn)為快速減小(圖7d和7e); 而鋯石輻射損傷積累和退火模型預(yù)測(cè)的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與eU在低輻射損傷區(qū)(<～1500 μg·g-1)呈非線性正相關(guān)性,而在高輻射損傷區(qū)會(huì)隨著快速冷卻時(shí)間的變化(由晚變?cè)?由非線性正相關(guān)性向負(fù)相關(guān)性轉(zhuǎn)變(路徑3和4).對(duì)于低溫(<200 ℃)沉積巖樣品,本文設(shè)置了時(shí)間-溫度路徑5、6和7(這三條路徑考慮了古老克拉通盆地普遍經(jīng)歷過(guò)多期構(gòu)造沉降-隆升過(guò)程; 圖7a).路徑5與路徑6不同之處在于路徑5樣品現(xiàn)今為鉆孔樣品,而路徑6樣品現(xiàn)在為地表樣品.在這三種熱史路徑下,兩種模型預(yù)測(cè)的鋯石(U-Th)/He年齡與eU演化模式具有相似性.現(xiàn)今埋藏溫度對(duì)單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡演化具有一定的影響(圖7f和7g).現(xiàn)今樣品溫度越低,輻射損傷(eU)對(duì)單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡影響范圍越大.而路徑7代表的是早期經(jīng)歷過(guò)200 ℃高溫且現(xiàn)今埋藏溫度小于路徑5的鉆孔樣品，相對(duì)于路徑5,單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡明顯減小,但分布區(qū)間(0～90 μg·g-1)變寬.另外,鋯石顆粒半徑也會(huì)對(duì)單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與eU的演化模式產(chǎn)生影響,但總體表現(xiàn)為相同的輻射損傷強(qiáng)度,顆粒半徑越大,鋯石(U-Th)/He年齡越大,兩者呈正相關(guān)性.這一演化趨勢(shì)從圖4、圖5和圖6中可觀察到,這里不再贅述.

熱史模擬結(jié)果表明我國(guó)三大克拉通盆地古老層系的樣品都曾經(jīng)歷過(guò)160～185 ℃的高溫,同時(shí)鋯石顆粒的輻射損傷強(qiáng)度普遍偏低,因此利用輻射損傷積累和退火模型與扇形-線性模型模擬的鋯石(U-Th)/He年齡和eU演化模式除局部存在略微差異外,總體表現(xiàn)為一致性(圖8).另外,美國(guó)科羅拉多山脈古老層系是世界上為數(shù)不多經(jīng)歷過(guò)長(zhǎng)期低溫(<50 ℃)演化的地層,這一過(guò)程被高輻射損傷鋯石(U-Th)/He年齡(該年齡比同層位磷灰石(U-Th)/He年齡還小)有效地記錄下來(lái)(Johnson et al.,2017).Guenthner(2021)利用鋯石輻射損傷和退火模型與扇形-線性模型分別模擬了科羅拉多山脈古老層系鋯石(U-Th)/He年齡與eU演化關(guān)系,并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在低eU區(qū),扇形-線性模型可更好地?cái)M合實(shí)測(cè)值,而在高eU區(qū),鋯石輻射損傷和退火模型可更好地?cái)M合實(shí)測(cè)值.無(wú)論哪一種模型,在實(shí)際運(yùn)用中都會(huì)與實(shí)測(cè)值存在一定的差異,這是由He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型造成的,還是由樣品自身或者溫度路徑的不真實(shí)性造成的? 都有待于進(jìn)一步研究.盡管仍存在著諸多科學(xué)問(wèn)題,但鋯石He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型的逐漸完善和進(jìn)步,極大地推動(dòng)了鋯石(U-Th)/He熱定年技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展,尤其是針對(duì)古老層系的熱歷史重建.

4.2 鋯石(U-Th)/He年齡的正、反演熱史模擬有效性

因?yàn)橥粯悠返牟煌喪w粒往往具有不同的輻射損傷強(qiáng)度,所以這些顆粒的He封閉溫度不同.因此,不同鋯石顆粒的(U-Th)/He年齡通常記錄的是不同地質(zhì)時(shí)期的熱狀況.如果利用這些顆粒的鋯石(U-Th)/He開(kāi)展聯(lián)合熱史模擬,就可以有效地揭示整個(gè)地質(zhì)時(shí)期的熱信息(Guenthner,2021).本文在利用鋯石(U-Th)/He年齡進(jìn)行正演熱史模擬時(shí),除考慮研究區(qū)殘余地層厚度、不整合面發(fā)育狀況、構(gòu)造演化史等沉積構(gòu)造特征外,還參考了前人基于磷灰石裂變徑跡、磷灰石(U-Th)/He等低溫?zé)崮甏鷧?shù)模擬的熱史結(jié)果.因此,本文在熱史模擬過(guò)程中盡管僅體現(xiàn)了單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡的約束性,但仍脫離不開(kāi)多種年代學(xué)耦合模擬才能得到有效熱歷史的基本思想.為了進(jìn)一步闡明基于鋯石(U-Th)/He年齡正演熱史模擬的精度,我們利用塔里木盆地樣品T1-04又開(kāi)展了基于不同最高溫度和晚期沉積間斷期溫度變化的熱史模擬(圖9).當(dāng)樣品T1-04在210 Ma經(jīng)歷的最高溫度分別為175 ℃和185 ℃時(shí),落在繼承性包絡(luò)線外的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡明顯增多.同時(shí),四川盆地和華北克拉通盆地樣品的模擬結(jié)果也具有同樣的特點(diǎn),因此,我們認(rèn)為正演熱史模擬的溫度具有較高的準(zhǔn)確度.在約束最高溫度時(shí),如果參考鏡質(zhì)體反射率溫標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證,應(yīng)當(dāng)會(huì)進(jìn)一步提升精度.對(duì)于晚期沉積間斷期溫度變化,10～20 ℃的溫度誤差會(huì)對(duì)正演模擬結(jié)果產(chǎn)生很大的影響,這也從一定程度上表明了正演熱史模擬的科學(xué)性和正確性.

圖8 不同鋯石He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)的三大盆地鋯石(U-Th)/He年齡與eU演化模式.實(shí)線為鋯石輻射損傷積累和擴(kuò)散模型模擬結(jié)果,虛線為扇形-線性模型模擬結(jié)果.塔里木、華北克拉通、四川盆地的時(shí)間-溫度路徑均采用A模式時(shí)間-溫度路徑(即最佳溫度路徑，見(jiàn)圖4、圖5和圖6),顆粒半徑設(shè)置為60 μmFig.8 Evolution correlation of the eU with the single-grain zircon (U-Th)/He ages for the Tarim, North China Craton and Sichuan Basins in China according to the zircon radiation-damage accumulation and annealing model (solid lines) and the fanning linear model (dashed lines).The t-T paths for these three basins refer to the A pattern (the best temperature paths by shown in Figs.4,5 and 6), the grain radius is 60 μm

圖9 塔里木盆地T-04樣品的時(shí)間-溫度路徑(左側(cè))及對(duì)應(yīng)的繼承性包絡(luò)線(右側(cè))演化模式.(a)和(b)圖中的黑線為圖4a中的時(shí)間-溫度路徑A. (a)圖中長(zhǎng)虛線和短虛線分別對(duì)應(yīng)于210 Ma時(shí)期的最大溫度為185 ℃和175 ℃, (b)圖中長(zhǎng)虛線和短虛線表示130～40 Ma時(shí)期的溫度分別為140 ℃和120 ℃.右側(cè)I和Ⅱ框內(nèi),深色區(qū)域?qū)?yīng)的是2000 Ma(繼承性)產(chǎn)生的包絡(luò)線,淺色區(qū)域?qū)?yīng)的是710 Ma(無(wú)繼承性)產(chǎn)生的包絡(luò)線,虛線是由平均半徑為74 μm的鋯石顆粒產(chǎn)生的年齡-eU演化模式,深色區(qū)域和淺色區(qū)域邊緣分別對(duì)應(yīng)的是半徑為95 μm和53 μm的鋯石顆粒產(chǎn)生的年齡-eU演化模式.ZHePRZ表示鋯石He部分保留區(qū)(130～200 ℃, Wolfe and Stockli, 2010)Fig.9 t-T paths (left) and corresponding inheritance envelopes (right) for the sample T-04 in Tarim Basin.In (a) and (b), the solid black t-T paths correspond to the pattern A in Fig.4a.The long and short dashed T-t curves (I, II) in (a) correspond the maximum temperatures of 185 ℃ and 175 ℃ in 210 Ma, respectively. The long and short dashed T-t curves (I, II) in (b) correspond the temperatures of 140 ℃ and 120 ℃ during 130～40 Ma, respectively.To the right boxes (I, II), the date-eU inheritance envelopes are shown with the dark (2000 Ma for inheritance) and light (710 Ma for non-inheritance) gray areas, in which the dashed black lines corresponding to the mean radius of 74 μm were plotted.The lower and upper bonds of the date-eU inheritance envelopes were generated by the grain radii of 53 μm and 95 μm, respectively.ZHePRZ represents the zircon helium partial retention zone with a temperature range of 130～200 ℃ (Wolfe and Stockli, 2010)

對(duì)于塔里木盆地樣品T1-04,溫度路徑A和D產(chǎn)生的繼承性包絡(luò)線相似,這可能是因?yàn)閷?shí)測(cè)鋯石(U-Th)/He年齡無(wú)法有效地約束最高溫度之前的溫度史; 而對(duì)于四川盆地樣品YC-07的溫度路徑A和D產(chǎn)生的繼承性包絡(luò)線相同,這是因?yàn)槎唐诟邷睾烷L(zhǎng)期低溫可造成相同的輻射損傷造成的.因此,在熱史模擬過(guò)程中,除精確測(cè)定鋯石(U-Th)/He年齡外,還應(yīng)認(rèn)真參考區(qū)域性地層、沉積、構(gòu)造等基礎(chǔ)地質(zhì)資料.對(duì)于經(jīng)歷過(guò)多期構(gòu)造活動(dòng)的古老克拉通盆地,盡管低溫?zé)崮甏鷮W(xué)年齡通常并不能全面地記錄每期事件,但模擬過(guò)程中充分考慮所有的地質(zhì)事件,才能得到信服的熱史模擬結(jié)果.

5 結(jié)論及建議

鋯石(U-Th)/He熱定年技術(shù)主要包括簡(jiǎn)單模型、鋯石輻射損傷積累和退火模型及扇形-線性模型等三種He擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型.對(duì)于高溫(>200 ℃)熱史路徑,與鋯石輻射損傷積累和退火模型相比,扇形-線性模型在高輻射損傷區(qū)會(huì)產(chǎn)生更年輕的鋯石He年齡.這是由于高溫可使裂變損傷全部消失,而其他損傷行為仍存在(利于He擴(kuò)散)造成的.我國(guó)塔里木、四川、華北等三大克拉通盆地古老層系典型樣品的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡都小于地層年齡,eU含量偏低,表現(xiàn)為低輻射損傷特征.通過(guò)正、反演聯(lián)合熱史模擬揭示了三大克拉通盆地古老層系曾經(jīng)歷過(guò)160～185 ℃的高溫,從而有效地約束了缺乏有效古溫標(biāo)古老層系經(jīng)歷的古溫度史,為古老烴源巖成熟演化研究提供了重要的理論依據(jù).

對(duì)于古老碎屑巖,由于物源復(fù)雜,往往造成其鋯石(U-Th)/He年齡分布復(fù)雜.盡管本文在嘗試?yán)娩喪?U-Th)/He技術(shù)研究三大克拉通盆地?zé)釟v史中采用了多個(gè)物源區(qū)年齡,但是,每個(gè)物源區(qū)年齡產(chǎn)生的繼承性包絡(luò)線是否與該物源區(qū)的實(shí)測(cè)鋯石(U-Th)/He年齡一一對(duì)應(yīng)仍存在疑問(wèn)? 為了解決這個(gè)問(wèn)題,同時(shí)為了更大限度地挖掘不同碎屑鋯石蘊(yùn)含的地質(zhì)熱信息,筆者建議未來(lái)開(kāi)展古老碎屑巖鋯石(U-Th)/He熱定年研究時(shí),首先基于碎屑鋯石形態(tài)、顏色及大小挑選不同類(lèi)型的顆粒,然后通過(guò)激光拉曼光譜定量分析明確各個(gè)顆粒的輻射損傷強(qiáng)度,接著再采用高精度原位(U-Th)/He方法對(duì)所選顆粒進(jìn)行鋯石U-Pb和(U-Th)/He兩種年齡測(cè)試與分析,從而更好地建立繼承性包絡(luò)線與單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,最后就容易識(shí)別出哪些顆粒適合模擬,從而更好地開(kāi)展熱史模擬.

致謝感謝澳大利亞墨爾本大學(xué)Barry K.Kohn教授、美國(guó)亞利桑那大學(xué)Peter W.Reiners教授和佛羅里達(dá)大學(xué)Kyle Min副研究員及中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所吳林博士在鋯石(U-Th)/He年齡測(cè)試中給予的幫助; 感謝審稿專(zhuān)家提出的寶貴意見(jiàn).