压力对磷灰石裂变径迹退火的影响初步探讨

卓鱼周，赵红格，李蒙，高少华

西北大学大陆动力学国家重点实验室/地质学系，陕西西安710069

压力对磷灰石裂变径迹退火的影响初步探讨

卓鱼周，赵红格，李蒙，高少华

西北大学大陆动力学国家重点实验室/地质学系，陕西西安710069

磷灰石裂变径迹分析技术是确定岩石低温热历史的一种有效方法，其退火后径迹长度受多种因素影响，如温度、压力、磷灰石的化学成分、径迹与结晶C轴的夹角、蚀象直径（Dpar）以及年龄等，但压力的影响很少有文章论述.在调研大量国内外资料的基础上，通过将统计后的数据作图来阐明压力对径迹退火的影响.研究结果表明压力对径迹的退火具有重要影响，压力越大，退火后得到的径迹长度越短，且随着压力的增大，径迹变短的程度也在增大.当压力小于150 MPa时，压力的影响可以忽略，这时径迹退火主要受温度影响.压力和温度在磷灰石裂变径迹退火时起到相互弥补的作用，即高压、低温与低压、高温都能达到相同的退火程度.

磷灰石；裂变径迹；压力；热史模拟；退火率

0 引言

磷灰石裂变径迹分析是确定岩石低温（＜300℃±）热历史的一项技术，是建立在238U自发裂变辐射损伤效应基础上的一种同位素定年方法.Fleischer等［1］最早对裂变径迹的研究奠定了裂变径迹的理论和实验基础，并发现了裂变径迹的退火现象，而且将其直接用于矿物年龄的测定上.近年来随着裂变径迹测年方法研究的日益深入，特别是20世纪80年代以来随着Zeta常数定年法和Durango等标准年龄样品的使用［2］、单颗粒沉积碎屑物的测年［3］、磷灰石退火动力学模型［4］等方面的研究使得裂变径迹热年代学得到迅猛发展［5］.

磷灰石裂变径迹的退火行为是模拟热历史的基础，磷灰石退火除了受温度、时间、压力等外界条件影响外，还受磷灰石自身条件的影响，如磷灰石的化学成分（Cl、F、OH、Mn、REE）［6］、晶体结构［7］、径迹与结晶C轴的夹角［8-9］、蚀象直径（Dpar）以及年龄［10］等.长期以来认为压力在磷灰石裂变径迹退火中不起作用，但最近的研究表明，除了温度、时间外，压力也是控制磷灰石裂变径迹退火的一个重要影响因素.本文在大量统计研究前人实测资料的基础上，探讨了压力对裂变径迹长度及退火率的影响.指出在高压环境下压力对裂变径迹退火有重要影响，150 MPa以下时压力的影响可以忽略.并且压力和温度在影响磷灰石裂变径迹退火时起到相互弥补的作用.

1 磷灰石裂变径迹退火的影响因素

裂变径迹具有一定的初始长度，大约为16 μm，且其对温度具有极好的敏感性.当温度升高到一定程度时，径迹发生愈合，导致径迹密度减小、径迹长度缩短，这一特性称为退火［11］.其退火过程受磷灰石化学成分的影响，磷灰石的主要成分为Ca5（PO4）3（F，Cl，OH），当Ca被Ba、Sr所替换时,退火速率会降低［11］.富氯的磷灰石的退火温度高于富氟的磷灰石，即富氯原子的磷灰石裂变径迹相对于富氟磷灰石的裂变径迹具有更强的抗退火能力［12-13］.Ravenhurst等［14］指出富Mn的氟磷灰石的退火速率与氯磷灰石相似；Donelick［15］指出富稀土元素的氟磷灰石也具有与氯磷灰石类似的退火速率.磷灰石晶体各项异性的结构特征使磷灰石在不同的结晶方向上具有不同的径迹退火效应，平行于C轴的裂变径迹比垂直于C轴的裂变径迹表现为更强的抵抗退火的特征［8］.当磷灰石在被化学试剂腐蚀时，其平行于C轴的腐蚀速率和垂直于C轴的腐蚀速率也存在各向异性，为3∶1左右，因而在统计时，平行于C轴的裂变径迹非常细小，不易被发现，而垂直于C轴的裂变径迹非常明显.用来定量表征磷灰石溶解度的一个重要指标就是我们在分析中所测量的Dpar指与结晶C轴平行的、与抛光面相交的裂变径迹蚀刻象长度. Dpar可在显微镜下直接测定.通常，Dpar越小，径迹退火速率越快［12］.

压力对磷灰石裂变径迹退火过程的研究由来已久，最早Ahrens［16］、Fleischer［1］、Lakatos［17］等都对压力的影响做过研究，但他们都认为压力的影响相比于温度微不足道.Wendt［18-19］认为前人的研究都是定性的，其结果并不可靠.他通过大量的实验定量分析并认为，压力对径迹的退火过程具有重要影响，将目前的模型应用到地质问题中将对研究剥蚀率，剥蚀量产生很大的误差.Vidal［20］、Kohn［21］等对Wendt的实验过程及实验结论进一步修改后认为在解决地质问题时，压力对裂变径迹退火过程所起的作用不能忽视，否则在计算退火率，剥蚀量时将产生很大的误差.

2 压力对径迹退火的影响

为了探讨压力对磷灰石裂变径迹的影响，Wendt等［18-19］在不同的温压下对不同的磷灰石样品进行退火行为的研究.所有的样品用5mol/LHNO3在室温20℃的条件下刻蚀20 s，然后用蒸馏水和酒精清洗干净后捕获径迹.所得到的径迹显微照片如图1.

图1 不同压力条件下磷灰石退火后径迹的显微照片（据文献［19］）Fig.1 Micrographs for fission track annealing of apatite under different pressures（From Reference［19］）

从图1中可以清楚的看到，在相同的退火条件下，随着压力的增大，径迹逐渐变短.Schmidt［22］等在Wendt实验研究的基础上又测试了大量的样品，对压力的影响作进一步的研究，得到的实验数据如表1.

表1 不同温压下磷灰石样品的裂变径迹退火数据Table 1 Fission track annealing data for Durango apatite at different temperatures and pressures

将表1中的数据投在图2中，图2中压力为2 GPa和4 GPa时的裂变径迹退火数据来源于表1，压力为0.1 MPa和150 MPa时的裂变径迹退火数据来源于Barbarand［23］和Galbraith［24］的文献中.通过这些信息可以分析压力对径迹及退火程度的影响.

从图2及表1可以看到：1）相同温度下，压力越大，经过相同的退火时间后，所得到的径迹长度越短. 2）压力为150 MPa时，经过退火后得到的径迹长度与在正常大气压下经过相同的温度退火后得到的径迹长度相差无几.3）当压力相差很大时，经过相同条件退火后所得到的径迹长度有很大差别.在相同的条件下，温度越高，则不同压力下径迹的长度差别也越大.例如在表1中，当温度为20℃，退火10 h后，压力为2 GPa时退火后平均径迹长度为15.31 μm，压力为4 GPa时退火后平均径迹长度为15.08 μm.而温度为150℃时，在相同的条件下的径迹长度则分别为13.04 μm，11.58 μm.说明在150℃时由压力所引起的裂变径迹长度及退火程度（l/l0为退火程度）差异已经很大.换言之，压力和温度在径迹长度变短时起到相互弥补的作用，即高压、低温与低压、高温都能达到相同的退火程度.如图2a径迹长度为14 μm的辅助线所示.若退火后径迹相同，在退火1 h后，则压力为150 MPa、2 GPa、4 GPa时的温度差大概温50℃左右，即由于压力的不同，径迹达到相同的退火程度后可产生50℃的温度差异.所以这时若不考虑压力的影响则可能在观察到同一径迹长度时产生50℃的退火温度差异.

图2 不同压力下的裂变径迹退火曲线（据文献［22］）Fig.2 Curves for fission track annealing under different pressures（After Reference［22］）

目前已有大量的经验公式将退火结果外推到地质尺度上［25］，但是几乎没有人能弄清楚退火的物理学机制并且能定量的预测退火结果［22］.解释磷灰石退火过程及其与温度时间关系的动力学模型有扇形模型、平行线性模型、多元模型等，其中平行线性模型最为简单明了，但这些模型都有一个致命的弱点，就是没有考虑压力对退火过程的影响.不同的磷灰石有各自独立的活化容积（依赖于磷灰石的化学组成和原始径迹长度），所以没有一个典型而适用于所有样品的退火模型.

为了更进一步阐明压力对退火过程的影响，在线性模型的基础上，运用Wendt［18］的实验数据重新建立模型，以确定压力对其影响.磷灰石退火的线性模型的形式如下：

其中：t为时间，l0为原始径迹长度，l为退火后径迹长度，T为温度，A、B、C为系数.压力的影响与磷灰石退火反映的活化能有关，用B·C表示此活化能大小.

Vidal［21］通过大量的磷灰石退火实验将以上线性公式确定为：

其中：t为时间，l0为原始径迹长度，l为退火后径迹长度，P为压力，T为温度.

实验的误差为±5℃，±0.01 GPa.运用上述公式，可以计算在不同的压力及时间尺度下的磷灰石裂变径迹退火后的长度.

3 讨论及注意问题

在地质时间内，磷灰石的裂变径迹随时间不断产生.在经历过热事件后，地层温度迅速下降，这时温度对径迹长度的影响是主导因素.随着时间的推移，地层温度逐渐稳定，压力却没有经历太大的变化，这时压力的影响则不容忽视.图2揭示的不同温压条件下的径迹长度及退火过程清楚的说明了这一问题.

由图2可知，当压力为150 MPa时，在相同条件下退火后得到的径迹长度与在正常大气压下退火后得到的径迹长度相差无几.这说明在地下5 km（压力梯度为3 MPa/100 m）以内径迹长度变化的影响主要来自温度，压力的影响可以忽略.但当地层深度超过5 km，压力大于150 MPa时，若不考虑构造活动及应力释放的影响，且原始地层没有发生抬升冷却，则地表剥露的岩石可能记录了地下的高压环境，这时压力对径迹长度的影响便不能忽略.另外，地层中的流体压力、静岩压力、超压等都可以使地层压力大于正常压力，这些将使压力的影响更加显著［26-27］.所以在采样时应考虑采样深度，特别是在老地层采样时，应采集不同类型的样品，且样品应分布于多个时代.并且在根据径迹长度模拟热史时应多组数据相互印证，选取最合理的值作为最终结果，这样才能尽可能的减小误差.特别是采集超深钻原位样品时一定要考虑压力的影响，因为这种情况下的样品很可能记录原始地层的高压环境.

虽然压力对裂变径迹退火的影响已有了实验数据的支撑，但图2所反映的压力均为高压环境，如2 GPa和4 GPa，这相当于地下100 km的深度，此时的地温亦较高，这不符合实验中0～400℃的温度，即便用板块俯冲时的低温高压环境去解释都极其勉强，所以压力对裂变径迹退火过程的影响在实际应用中还需进一步探讨.

4 结论

磷灰石裂变径迹分析技术是计算地层剥蚀量、抬升速率及模拟热史的一种有效方法，但压力对其影响不容忽视.随着压力的增大，其退火后的径迹长度变得越短，且压力越大，这种趋势越明显.压力和温度在磷灰石裂变径迹退火时起到相互弥补的作用，即高压、低温与低压、高温都能达到相同的退火程度.在相同条件下，高压比低压时的退火程度要大.但当压力在150 MPa以下时，压力的影响便不明显.压力对磷灰石裂变径迹退火过程的影响还只是初步探讨，在实际应用中还存在许多问题，还需作进一步的研究.

本文是在国外研究的基础上初步探讨压力对裂变径迹退火过程的影响，希望引起国内有关专家对该方面研究的重视.限于作者水平，文中难免存在不妥甚至错误之处，望有关同行专家不吝指正.

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PRELIMINARY DISCUSSION ON THE IMPACT OF PRESSURE ON FISSION TRACK ANNEALING OF APATITE

ZHUO Yu-zhou,ZHAO Hong-ge,LI Meng,GAO Shao-hua

State Key Laboratory of Continental Dynamics/Department of Geology,Northwest University,Xi′an 710069,China

Fission track analysis of apatite is an effective method to determine low temperature thermal history of rocks.The track length after annealing is affected by many factors such as temperature,pressure,chemical composition of apatite,the included angle between track and crystallographic C axis,etched diameter（Dpar）and age,but there are few articles about the effect of pressure.Based on a large number of domestic and oversea literatures,the authors illustrate the effect of pressure on track annealing by plotting the statistical data.The results show that pressure has significant effects on track annealing:The greater the pressure is,the shorter the track length after annealing is.With the pressure increasing,the degree of shortened track also increases.When the pressure is less than 150 MPa,the influence of pressure may be negligible,and the track annealing is mainly affected by temperature.Pressure and temperature complement each other in the fission track annealing of apatite,namely,high pressure with low temperature,or low pressure with high temperature, can all achieve the same degree of annealing.

apatite;fission track;pressure;thermal history simulation;annealing rate

1671-1947（2015）02-0141-05

P589.1

A

2014－05－05；

2014-06-25.编辑：李兰英．

国家自然科学基金（41330315，40902032）；西北大学大陆动力学国家重点实验室科技部专项（BJ08133-14，BJ081334-2）.

卓鱼周（1988—），男，硕士研究生，西北大学矿产普查与勘探专业，主要从事盆地构造分析方面的研究工作，E-mail//zhuoyuzhou163@163.com