徐芹芹
, 季建清
Qinqin XU
中图分类号:
P542
通讯作者:
Corresponding authors:
收稿日期:
2015-07-9
修回日期:
2016-04-15
网络出版日期:
2016-11-17
版权声明:
2017 北京大学
基金资助:
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摘要 对大青山东段 4 件基岩样品进行磷灰石裂变径迹研究, 获得该区晚中生代以来的隆升-剥露历史, 并探讨大青山现代地貌的形成。样品的磷灰石裂变径迹年龄为 57.7±3.8~50.4±3.3 Ma, 封闭径迹长度分布在10.7±0.4~9.9±0.1 μm之间。热历史模拟结果表明, 大青山地区存在晚白垩世(约 100~90 Ma)和中-晚中新世(13.5~7 Ma)以来两个快速抬升冷却阶段, 13.5~7 Ma 以来是本区剥露最快的时期, 这一阶段的隆升造就现今大青山的地貌格局。
关键词：
Abstract Four bedrock samples, collected from the eastern segment of Daqing Mountain, were analyzed using apatite fission-track (AFT) method. This elucidates the uplift-exhumation history of this area since the Late Cretaceous — in particular, when the present geomorphology of Daqing Mountain was shaped. The AFT ages range from 57.7±3.8 Ma to 50.4±3.3 Ma and the track length is between 10.7±0.4 μm and 9.9±0.1 μm. Modeling of the fission track data suggests two stages of rapid uplift and cooling, 100-90 Ma and since 13.5-7 Ma. The second cooling stage (since 13.5-7 Ma) was characterized by the fast uplift-exhumation in this area, resulting in the present geomorphology of Daqing Mountain.
Keywords：
大青山位于华北板块北缘、天山‒阴山纬向构造带中段[1-2], 南与新生代河套断陷盆地相邻, 北与古生代天山‒兴蒙造山带相接, 东西绵延近 200 km, 是阴山‒燕山板内造山带的重要组成部分[3-5]。因处于板块内部, 且构造变形强烈、复杂, 所以大青山地区是研究板内造山过程的理想区域[6], 一直备受国内外地质学家的关注[5-20]。许多学者对区内中生代板内构造变形进行了系统研究[4,6,9-12,15-18,20], 取得许多新的认识。但是, 前人对大青山地区的研究工作多偏重于构造运动及相关地质事件, 而对大青山的隆升过程研究不多, 尤其是对区内现代地貌的形成过程研究更少。
本文利用采于大青山东段的 4 个基岩样品, 采 取磷灰石裂变径迹方法, 对该区热历史演化进行初步研究, 探讨大青山的隆升历史及现代地貌的形成。
研究区内出露的地层以新太古代深变质岩系、元古代变质岩系和中新生代沉积岩系为主, 另有少量古生界零星出露(图 1)。其中, 前寒武纪变质岩与中生代沉积地层组成大青山的主体(图 1)。
图1 大青山及邻区地质图(据参考文献[21]修改) Fig. 1 Geological map of Daqing Mountain and adjacent area (after Ref. [21])
新太古代深变质岩系主要由变粒岩、片麻岩、片岩和大理岩组成, 整体上呈近东西向展布, 由于遭受较强烈的变质变形作用, 构造样式复杂。在石拐中生代沉积盆地南侧, 推覆构造作用将太古代变质岩推覆到古生代和中生代地层之上[10,22-23]。元古界为浅变质岩类, 主要由片岩、大理岩、板岩、石英岩和变质石英砂岩等组成。
古生界零星出露于研究区中部, 包括寒武系‒奥陶系、上石炭统和二叠系。寒武系‒奥陶系为厚层结晶灰岩和白云岩夹中薄层石英砂岩。上石炭统拴马桩组为一套煤系地层, 主要岩性为石英砂岩、细砾岩和粉砂质页岩, 夹煤层、煤线和粉砂岩[22]。二叠系主要由下二叠统大红山组、杂怀沟组、中二叠统石叶湾组和上二叠统脑包沟组组成, 岩性为砾岩、砂岩、泥岩和页岩, 主要分布在大青山中部。
中生代地层主要由三叠系、侏罗系和白垩系组成。三叠系只发育下三叠统老窝铺组, 由一套紫色含钙质结核的碎屑岩组成。侏罗系由下‒中侏罗统石拐群和上侏罗统大青山组组成。石拐群下部岩组为砾岩、砂岩、页岩夹煤层, 上部为一套基性、中性至中酸性火山岩[24], 主要分布在大青山西段。大青山组为杂色碎屑岩夹煤线, 分布在大青山中东部。白垩系主要出露下白垩统李三沟组、固阳组和白女羊盘组, 李三沟组与固阳组为杂色碎屑岩夹煤层[25], 白女羊盘组为陆相火山喷发‒沉积地层[26]。
区内新生界以新近系碎屑岩、玄武岩以及第四系松散堆积物为主。中新统为汉诺坝组玄武岩夹砖红色泥岩, 上新统为杂色碎屑岩, 含钙质结核和石膏层。第四系以冲洪积物、坡积物、黄土和砂质黏土为主。
区内岩浆活动频繁, 从太古代到燕山期均有岩浆活动(图 1)。从基性岩体到酸性岩体均有出露, 以酸性为主。太古代以花岗岩为主; 元古代以花岗岩、闪长岩为主, 其次为斜长花岗岩; 加里东期以闪长岩为主; 华力西期以闪长岩和花岗闪长岩为主; 印支期至燕山期以花岗岩为主。
磷灰石裂变径迹分析技术比较成熟, 已经广泛应用于造山带隆升‒剥露、地表剥蚀、地质体热历史等相关地质问题的研究中[27-46]。磷灰石矿物中自发径迹(spontaneous track)的形成是一个不可逆的连续过程, 矿物的每一条裂变径迹记录了样品经历的低于封闭温度的整个热历史的某一阶段信息[28]。根据磷灰石裂变径迹的年龄以及长度特征, 应用各种程序进行模拟, 可反演地质体的热历史, 探讨造山带的隆升与剥露过程。
本研究从呼和浩特市北部大青山东段采集4件基岩样品, 采样位置见图 2。采样过程中利用 GPS定位系统记录采样点的位置和高程, 样品详细信息见表1。其中, DQS-3与DQS-4为平行样, 用于监测年龄测试精度。
图2 大青山数字地貌图及采样位置 Fig. 2 Digital geomorphological map of Daqing Mountain showing the sampling localities
表1 大青山样品磷灰石裂变径迹分析结果
Table 1 AFT analysis of samples from Daqing Mauntain
样品经粉碎、研磨后, 应用常规重液分离法和磁选法分选出磷灰石单矿物。将磷灰石颗粒置于玻璃片上, 用环氧树脂黏合制片, 然后进行打磨、抛光, 磨制出观察面。在室温下(约 25ºC)用 5 mol/L 的 HNO3 蚀刻 20 秒, 揭示磷灰石自发径迹。将低铀白云母外探测片与样品打包置于 235U 中子活化反应堆辐照, 之后取下云母片在室温下 40% (体积比)的 HF 溶液中蚀刻 20 分钟, 揭示诱发径迹[47]。裂变径迹年龄采用国际地质科学联合会(IUGS)推荐的Zeta常数法[48-49]进行计算:
T = λd-1ln[1+λd ξgρd(ρs/ρi)] ,
式中, λd = 1.55125×10-10 a-1, 为 238U 的衰变常数; ξ = 393.5±27.5, 是采用Durango和Fish Canyon磷灰石标样标定的个人Zeta常数; g为几何参数; ρd为中子注量监测器标准玻璃组件的诱发裂变径迹密度; ρs为矿物中238U自发裂变径迹密度; ρi为云母片外探测器记录的矿物中诱发径迹密度。
裂变径迹年代学实验分析在北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室所属的裂变径迹实验室完成, 径迹的测量在裂变径迹实验室 AUTOSCAN 测量定位装置中完成, 选取平行磷灰石结晶 c 轴最大抛光面的颗粒, 并在 ZEISS 偏光显微镜下统计。
图3 大青山样品单颗粒磷灰石年龄直方图(左)与放射图(右) Fig. 3 Single grain AFT age distributions of the samples presented in age spectra (left) and radial plots (right)
测试结果显示, 所有样品单颗粒磷灰石裂变径迹年龄均通过 Pχ2检验[50]。Pχ2值用来检验样品中的磷灰石颗粒是否属于同一年龄组分。如果通过Pχ2 检验(Pχ2>5％), 认为测试的磷灰石颗粒来源于同一年龄组分; 如果没有通过 Pχ2 检验(Pχ2≤5％), 则认为测试的磷灰石颗粒不是来源于同一年龄组分, 而是来自不同的物源区[51]。本文全部样品的Pχ2都大于5％, 即每个样品的全部颗粒都源于同一年龄组分。
测试得到的磷灰石裂变径迹中值年龄分布在57.7±3.8~50.4±3.3 Ma 之间, 总体上变化幅度不大。封闭径迹长度分布在 9.9~10.7 μm 之间, 标准偏差分布在 1.1~2.1 μm之间(表1)。
另外, 由于样品 DQS-4 磷灰石颗粒质量差, 颗粒小, 表面污浊, 导致这一样品可供选择的磷灰石颗粒很少, 测试结果可能不准确, 因此没有起到平行样的效果, 但其年龄值可供参考, 故列入文中。
由于磷灰石裂变径迹的产生和退火缩短是时间和温度的函数, 样品的封闭径迹长度记录了其经历的温度。利用 Ketcham 等[52]给出的裂变径迹退火模型在地质时间尺度外推的方法, 可以预测样品在低温(低于 110±10ºC)条件下的温度‒时间演化曲线。本文利用 AFTsolve 程序[53]反演该地区的低温热历史演化过程。
根据获得的裂变径迹参数和样品所处的地质背景, 确定反演模拟的初始条件, 包括: 1) 地表温度, 本文取 10ºC 左右作为现今地表温度; 2) 研究区及邻区获得的 40Ar/39Ar 年龄[4,6,9,11,17]、锆石裂变径迹年龄峰值[14]反映该地区所经历低温热历史演化的时间为 138~119 Ma 以来, 本文简化处理, 设定 130 Ma 为样品进行模拟的起始年龄; 3) 在所研究的时间内, 假定样品处于由剥蚀引起的单边冷却的热历史演化过程中。
除样品 DQS-4 外, 对获得较多封闭径迹长度的其他 3 个样品(DQS-1, DQS-2, DQS-3)进行热历史模拟。每个样品均计算 10000 次随机产生的温 度‒时间条件下的裂变径迹年龄和长度, 模拟结果如图4所示, 每个样品都获得最佳的热历史路径。
图4 样品DQS-1, DQS-2和DQS-3的热历史模拟温度(T )-时间(t )曲线 Fig. 4 Modeling sketches of time-temperature paths for DQS-1, DQS-2 and DQS-3
热历史模拟结果(图 4)表明, 大青山地区总体上经历了三阶段的热演化模式。1) 约 100~90 Ma, 快速冷却阶段, 温度从110ºC降至85ºC左右, 冷却速率约为 2.5ºC/Ma。若以平均地温梯度 28ºC/km计算, 其隆升速率约为 89 m/Ma。2) 90~13.5 Ma, 该区基本上处于较稳定阶段。3) 13.5~7 Ma 至今, 又有一次快速的冷却过程, 温度从 90ºC 降至现今的地表温度 10ºC 左右, 冷却速率为 5.9~11.4ºC/Ma, 隆升速率为211.8~408.2 m/Ma。
大青山是阴山‒燕山板内造山带西段的重要组成部分, 其隆升历史对研究阴山‒燕山造山带的造山过程具有重要意义。前人围绕大青山及燕山山脉的隆升进行了一系列研究[14,54-61]。
程绍平等[58]根据大青山新生代等高峰顶面和晚第四纪河流阶地拱曲变形的证据, 并依据呼和浩特盆地中的地震探测获得的沉积厚度, 计算出大青山的剥蚀和地壳均衡隆起量, 提出地壳均衡隆起是大青山晚第三纪以来主要的区域变形机制。吴中海等[14]获得大青山地区磷灰石裂变径迹年龄为50 Ma 和 90 Ma, 认为该区发生了两期重要的隆升事件。首先是约 100~90 Ma间的快速隆升, 这次隆升范围较大, 涉及大青山和河套盆地区; 随后的快速隆升事件发生在50 Ma以来, 表明大青山山前正断层开始活动, 与河套盆地始新世以来的快速裂陷过程相一致; 始新世以来, 由大青山之山前正断层控制的山、盆差异升降运动形成大青山地区现今的盆‒山构造地貌格局。
Wu 等[54]以及吴珍汉等[55-57]根据磷灰石与锆石裂变径迹研究, 认为燕山山脉的快速隆升主要发生在96~35 Ma、20~13 Ma以及6 Ma以来, 3次不同的隆升分别形成燕山中段的盘山与雾灵山、西段的云蒙山以及西南缘的八达岭山脉。马寅生等[59]根据裂变径迹年代学方法, 并结合 K-Ar 同位素年代学资料, 认为辽宁医巫闾山的隆升历史经历了118~ 81 Ma 和 14 Ma 两个快速隆升阶段。吴中海等[60]根据燕山及邻区的低温热年代学数据, 认为燕山及邻区晚白垩世以来经历了 6 次快速隆升事件, 发生时代分别是 120~105 Ma、95~85 Ma、60~50 Ma、38 Ma左右、25~20 Ma 和 10~5 Ma 以来, 燕山与邻区盆地之间晚中新世以来的快速差异升降运动导致燕山及邻区现今盆‒山构造地貌格局。李越等[61]根据磷灰石裂变径迹研究, 认为燕山东段响山岩体的隆升时间为白垩世末至古新世, 响山岩体的隆起是北北东向断裂系活动所致。
前人对大青山以及燕山地区山脉隆升与热历史的研究结果显示, 阴山‒燕山东西向造山带可能经历了晚白垩世的整体隆升[14], 并且燕山地区还经历了中‒晚中新世以来的快速隆升[54-57,59-60]。
本文得到的大青山东段磷灰石裂变径迹年龄为58~50 Ma, 与吴中海等[14]得到的年龄基本上一致。3 件样品的热历史模拟结果具有相似的特征(图 4), 显示大青山地区存在约100~90 Ma和13.5~7 Ma以来两期主要的快速抬升和冷却过程。其中, 约100~ 90 Ma 的快速抬升对应于前人揭示的阴山‒燕山造山带晚白垩世的隆升事件[54-57,59-60]。13.5~7 Ma 以来是本区剥露最快时期, 并且这一阶段的快速隆升造就了现今大青山的地貌格局。另外, 最近的研究结果表明, 太行山是晚中新世以来快速隆升剥露的产物[62], 贺兰山也存在晚新生代(12~10 Ma)的快速隆升剥露作用[63]。
1) 大青山地区 4 件样品的磷灰石裂变径迹年龄在 57.7±3.8~50.4±3.3 Ma 之间, 总体上变化不大; 封闭径迹长度分布在 10.7±0.4~9.9±0.1 μm 之间。
2) 热历史模拟显示, 大青山地区存在晚白垩世(约 100~90 Ma)与中‒晚中新世(13.5~7 Ma)以来两个快速抬升冷却阶段。
3) 13.5~7 Ma 以来是本区剥露最快的时期, 且这一阶段的快速抬升最终造就了现今大青山的地貌格局。
致谢 成文过程中得到孙东霞博士的帮助, 样品测试过程中得到北京大学造山带与地壳演化教育部重点实验室张志诚老师的帮助, 在此表示感谢。
The authors have declared that no competing interests exist.
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, Jianqing JI
1 区域地质概况
2 实验方法与样品采集
样品号 岩性 采样位置 高程/m Nc Ns ρs/105cm2 Ni ρi/105cm2 DQS-1 片麻岩 40°56′30″N, 111°31′23″E 1511 32 710 4.685 2356 15.545 DQS-2 花岗岩 41°05′07″N, 111°48′02″E 1796 32 451 3.838 1398 11.898 DQS-3 片岩 41°02′46″N, 111°48′19″E 1638 30 438 5.267 1522 18.302 DQS-4 片岩 41°02′46″N, 111°48′19″E 1638 12 191 3.727 574 11.200 样品号 Nd ρd/105cm2 Pχ2/% 中值年龄/Ma (±1σ) 池年龄/Ma (±1σ) L/μm (±1σ) Nj 标准偏差/μm DQS-1 8875 9.7534 88.60 55.0±3.1 55.0±3.1 10.7±0.4 106 2.1 DQS-2 4798 9.5498 99.84 57.7±3.8 57.7±3.8 9.9±0.3 82 1.1 DQS-3 8875 9.3462 98.86 50.4±3.3 50.4±3.3 10.3±0.1 59 1.3 DQS-4 8875 8.9389 59.50 56.7±5.6 55.7±5.1 -
3 磷灰石裂变径迹(AFT)分析结果与热历史模拟
3.1 AFT分析结果
直方图中黑色粗线为频率曲线
3.2 热历史模拟
采用Ketcham等[
4 讨论
5 结论
参考文献
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