裂变径迹法原理及其在盆地分析中的应用

郭 真

(西北大学 地质学系，陕西 西安710069)

无论对于任何一种盆地，在其形成和发展过程之中，古地温(场)不但是影响其形成结果的重要因素，更是反映它形成环境的必要参数。古地温(场)不仅是温度的函数，而且还是时间的函数，即在不同构造单元和不同地质历史时期古温度场是不同的。因此，将古地温定义为某一区域在地质历史某一时期曾经出现过的温度状况，它的强度可用古地温梯度和古热流来衡量。

当油气资源稀缺的今天，人们只好向着盆地深部进发。此时，盆地热力学和热史研究被提高到了前所未有的高度。盆地的动态演化研究、油气成藏动力学研究都离不开古地温的研究。目前，我们在研究沉积盆地古热动力演化时，主要用到:地球动力学模型法、古温标法和地球动力学及地球化学结合法这三种方法。其中，古温标法是指利用古温标恢复地质作用过程中沉积地层经历过的温度，包括镜质体反射率法、包裹体法、裂变径迹法和粘土矿物转变法。［1］其中，裂变径迹的研究是沉积盆地古热演化研究的重要方面。

1 裂变径迹法的发展历史

裂变径迹(AFT)分析在国外已经被广泛应用30多年了。它主要被用在低温的造山带、裂谷边缘、断层、沉积盆地、克拉通和沉积矿床中的各种岩石类型内，主要用来计算构造事件的时间和频率、沉积盆地的演化历史、油气生成或矿石形成时间、火山沉积的绝对时间、主要气候变化对于近地表地温梯度的影响、甚至还可以研究长期地形的演化。最早是由Naeser(1976)和Wagner(1968，1969)建立了基本的解决地质问题的裂变径迹数据分析方式。Fleischer等(1975)总结了早期研究对于不同固体矿物核径迹测量的广泛原则。直到1986年澳大利亚墨尔本大学的研究人员在大量退火实验的基础上，首次提出了磷灰石退火的动力学模型:平行线模型和扇形模型，磷灰石裂变径迹才逐渐开始应用于研究沉积盆地热演化史。这两个模型是利用数值方法恢复热演化史的基础。［2］

在国内，沉积盆地古地温的研究则开展的较晚，但已逐渐引起油气勘探部门的重视，许多油田纷纷开展这方面的工作，尤其是油气田区古地温的研究曾被列为国家“八五”、“九五”科技攻关项目的内容。在国家“973”重大基础研究项目中，沉积盆地的热体制和热历史研究也被列为重要的研究内容。通过广大科技工作者的不懈努力，已经取得了大量的成果。［1］

2 裂变径迹法基本原理

2.1 径迹形成机制

放射性元素发生自发裂变时，裂变核分裂成运动方向相反、质量相近的两个裂片。这样的带电粒子射入绝缘固体内，与邻近原子的电子相互作用而使原子发生电离，沿入射粒子轨道形成一个正电荷区。由于同性电荷互相排斥，因此这些带正电的原子离开原来的位置并达到新的平衡。这样在粒子轨迹附近形成一个被扰动的区域，对于晶体来说，就是晶格破坏。这种由带电粒子造成的物质结构的破坏称为辐射损伤。这样，带电粒子的轨迹就被记录在该固体中(如图1)。沿粒子轨迹的辐射损伤区即称为潜径迹，它只能用电子显微镜才能观察到。如果用适当的化学试剂腐蚀该物质，则辐射损伤区的物质比未受损伤的物质更快地被蚀刻，从而把潜径迹揭示出来和扩大成用光学显微镜可见的径迹(如图2)。

图1 裂变径迹形成机制

自然界中能发生裂变的元素主要有铀和钍。其中238U自发裂变的几率最大，且其丰度在99%以上。所以在漫长的地质时期中，在自然界矿物中形成的潜径迹几乎都是238U自发裂变径迹。同时，磷灰石、榍石和锆石是铀含量较大的绝缘矿物，因此，它们适于裂变径迹年龄测定和热史分析。而磷灰石中裂变径迹所敏感的温度是现今许多放射性地质方法中最低的，这一特点使磷灰石裂变径迹分析技术在揭示低温热历史方面具有独到的作用。［1－3］

图2 裂变径迹

2.2 退火特性

磷灰石之所以可以得出热事件的多种特征，它所能具有的退火特性是主要原因。早在1964年，Fleischer等对矿物和玻璃中的裂变径迹的稳定性做了研究，表明温度是影响潜径迹稳定性最重要的因素。所有矿物的裂变径迹都具有随温度增加而径迹密度减小和径迹长度缩短的特性，这一特性称为退火。当温度达到一定的数值时，径迹甚至会完全消失，这一温度即裂变径迹的封闭温度。根据康铁笙等搜索的资料显示，磷灰石矿物的封闭温度在120℃左右。退火行为作为裂变径迹最重要的特性产生了两方面的影响。其一，它必然导致裂变径迹测年准确性的下降。由于现代所见的径迹比原始产出的少，使得该方法的测得结果一般比其它测年方法年轻;这也是裂变径迹法的固有缺陷。其二，这种退火行也为恢复、模拟时间一温度冷却史提供了依据。由此可以反演区域构造史(造山带演化、盆地的沉积物源分析等)、岩石的热改造历史、古地温等，使径迹技术在地学上的应用范围得以扩大。［4、5］

磷灰石裂变径迹的退火特性是反演盆地热演化史的基础。样品可以分为三种退火情形:(1)完全退火带，当沉积岩样品经历的最高古地温大于完全退火温度时，裂变径迹不再保存，年龄为零;(2)部分退火带，该样品地层已受到埋深加大、古地温升高的影响，裂变径迹变疏减短，所以年龄也小于真实的地层沉积年龄，也可以称之为表观年龄;(3)未退火带，样品或所在地层没有受到退火作用，该年龄反映的是物源的年龄，也许就是矿物年龄。

磷灰石裂变径迹的热史模拟是依据磷灰石退火行为来进行的，而磷灰石的退火行为则是在现代实验室中进行的，需要在实验室建立适当的退火模型，即退火的时间－温度关系，然后外推到地质尺度。这样的研究裂变径迹数据与时间和温度变化的定量关系的学科叫做裂变径迹退火动力学。通过大量的实验室等温退火实验研究，不同的研究者提出了不同的退火模型，引用最多的是扇形模型。但该模型的缺点是基于单一组分的磷灰石退火实验结果提出的。室内退火实验表明，退火行为除了受温度、受热事件影响外，还与磷灰石的化学成分、晶体特征、裂变径迹蚀象的最大直径等因素密切相关。考虑以上退火影响因素，Ketcham等在Carlson等的实验基础上建立了多组分退火模型，即先将同一样品各个磷灰石颗粒的径迹分成不同的组分，对每个组分采用扇形退火模型计算各自的平均径迹长度及其标准方差，再据此综合得出所有组分的径迹长度分布函数。这一方法扩展了扇形退火模型，使之适用于具有复杂化学动力学成分的磷灰石。［4－7］

2.3 磷灰石裂变径迹年龄

与其它放射性同位素系统相比，裂变径迹年龄测定方法的原理在本质上是与它们一样的。即在一个封闭体系内，根据母体同位素和子体同位素的含量，以及母体同位素的衰变速度来确定衰变时间的长短。裂变径迹法根据矿物中238U自发裂变产生的径迹数和自发裂变的速度则可以计算出发生裂变的时间(即裂变径迹年龄)。与其他同位素测年法不同的是，裂变径迹技术的测定对象不是母体和子体同位素含量，而是核裂变的一种辐射损伤效应。

单个磷灰石颗粒的裂变径迹年龄可以通过下式求出:

式中:t为裂变径迹年龄，a;ρs/ρi分别为238U自发径迹和238U诱发裂变径迹密度，条/cm2;λD/λf分别为238U的总衰变常数(1.551×10－10a－1)和238U 自发裂变衰变常数(6.99×10－17a－1);σ 为 U235的热效中心裂变的有效截面积(5.8×10－22cm2);φ为中子通量，中子数/cm2;I为U235/U238丰度比(7.252 7 ×10－12)。

目前，国际上公认的裂变径迹标准化是Zeta常数校准法，该方法是利用多个年龄标准样品对某种标准铀玻璃进行校准，得出一个校准因子－Zeta常数，再利用Zeta常数值计算待定年样品的年龄。

用标准铀玻璃测定中子注入量时，中子注量可表示为:

式中:B为常数，ρd为标准玻璃中诱发径迹密度。

将公式(2)代入(1)中，并令:ξ= σIB/λf

可以利用已知年龄的标准样品，由公式(3)推导得出:

ξ即为Zate常数。

裂变径迹年龄不仅可以记录矿物形成的时间，还能记录重大热事件(如火山喷发或岩浆侵入)发生的时间。因为，当重大热事件发生时，裂变径迹因受热而完全消退，待冷却到其封闭温度时(在地质历史中认为是短暂的)，矿物开始记录径迹，显然此时计算出来的径迹年龄为热事件发生的时间。若矿物是在这次热事件中形成的，则又为此矿物的年龄，这是径迹的真实年龄。若热事件活动后形成并冷却的矿物很快又搬运到盆地中，并被沉积埋藏，而且至今尚未进入退火带，则其径迹年龄代表沉积年龄。如果矿物后期经历过部分退火(未完全消失)，则计算出的径迹年龄小于真实年龄，称为表观年龄。表观年龄随退火程度的增加而减小。

3 裂变径迹法在沉积盆地热史研究中的应用

磷灰石裂变径迹热年代学理论发展到现在已基本系统化，主要表现在3个方面:(1)在实验室观测裂变径迹年龄和长度等参数的基础上，研究裂变径迹退火的动力学;(2)从裂变径迹参数获取温度随时间变化的关系并建立地质热史模拟方法;(3)探索裂变径迹技术在地质研究中的应用。近10年来，在成矿作用和断层作用研究中，磷灰石裂变径迹分析也得到了广泛的应用，已成为地学界一门前沿及热门课题。［4、6］

3.1 热史模拟及隆升、剥蚀研究

首先，磷灰石退火温度普遍被认为是60℃ ～120℃，而这个温度大约和油气生成温度吻合，所以磷灰石裂变径迹分析在盆地分析和油气勘探中有重要地位。但是，一般测得的磷灰石裂变径迹退火温度在50℃ ～150℃，因为温度和磷灰石成分有关。

裂变径迹的长度数据含有沉积盆地热史很重要的信息。径迹长度的分布和裂变径迹年龄结合起来，可以判断热史演化的不同时期。图3列出的7中可能的热演化情况。这些地层根据都是单一物源和径迹长度来模拟的，所以略显简单。路径1－3展示最大埋深在部分退火带之下的情况。其中，较浅的路径1显示径迹较长，而且分布窄，说明样品被退火的少。随着深度的加深，温度也增加，径迹长度逐渐变短，分布变宽，说明有了部分退火现象。路径4、5显示地层从部分退火带冷却和抬升，这样，平均长度变长，但不对称，而且分布变窄。根据4和5比较，降温越快，图像越窄。路径6为先热后冷。由于在退火区变短的径迹和在冷却期形成的长径迹混合，导致双峰的分布。路径7为突然加热的情况，平均径迹长度相对短。而且分布也不如长时间在部分退火区的路径 2、3 宽。

图3 简要的埋深/温度史和径迹长度分布关系据Gleadow等修正，1983

过去的15年间，学者们编写了许多基于单组份磷灰石颗粒退火模型的电脑软件，用磷灰石和径迹长度数据计算热史。正如前面所说，Ketcham等人(2000)基于多组分模型进行探讨。

由于沉积盆地中的磷灰石颗粒可能是组分不同的多物源产物，也可能是单一物源复杂冷却史产物，所以，特别是对部分退火带上部或之上的样品我们要总结年龄的不均匀分布。年龄放射图(Galbraith 1990)对于观察一组颗粒不同年龄分布很有效。图4就展示了一个北苏格兰表层样品的年龄放射图(据Carter 1999)。据科学家研究，部分退火带中的样品扇形会打的很开，象张口的钳子。而部分退火带上面或下面的样品则分布狭窄。图4表明平均中间值年龄为320 Ma的扇形散点图。横坐标为相对误差，弧形表示年龄。如果一个颗粒的年龄距离中心线很远，特别是超出2σ的范围，则这个年龄属于其他年龄模型。Carter(1999)添加了两组附加年龄206 Ma和557 Ma，用来指示快速降温通过退火带和慢速的降温通过部分退火带。这个例子就说明沉积盆地磷灰石裂变径迹数据不但可以提供热演化的支持，还可以揭示源区剥蚀速率和时间。这样就可以揭示盆地的形成。

图4 扇形图显示磷灰石年龄数据分布据Carter(1999)修正

近十年来，地温热年代学的主要发展还包括磷灰石(UTh)/He数据的应用。氦由于散出晶体而部分损失，而铀和钍又会产生氦。这样，该方法就可应用于热年代学。通过系统的研究，氦在大于75℃时会全部散失，而在小于40℃时会全部保留下来。这样，氦的年龄间接地提供了比磷灰石裂变径迹年龄更低温度的热数据。House等1999年对于澳大利亚Otway盆地研究表明，井中的氦年龄从表面的75 Ma到80℃对应的深度年龄变为0。但是氦年龄有时和磷灰石年龄还有镜质体反射率数据不相符。House等(2002)综合Otway盆地新旧磷灰石年龄数据来分析和重建热史。图5显示，氦和磷灰石年龄随着温度升高而衰减，并且磷灰石年龄始终大于氦年龄。虽然数据有分散，但颗粒大小和氦年龄的明显相关性说明，氦年龄的这种分散是由颗粒大小影响的，磷灰石年龄的分散是由不同磷灰石颗粒成分决定的。在盆地西部，氦年龄模型比相同温度下测量年龄早40 Ma。House等解释说，模型和氦数据的不匹配是由于新生界较高的地温梯度，而这个高的地温梯度可能是由于热流作用。在这个例子里，氦年龄的数据比单纯从磷灰石裂变径迹数据更好的限定了Otway盆地的热史。同时，还有一些研究也指出，研究沉积盆地还需要结合多种低温热史研究方法数据。这些方法包括镜质体反射率法，流体包裹体法和40Ar/39Ar法等。［9］

李玮等(2010)采取了准嗝尓两侧造山带后碰撞花岗岩样品做磷灰石、锆石裂变径迹分析，希望可以研究准嗝尓盆地两侧不同构造单元的构造热事件和隆升程度过程的异同。研究人员先将样品分离出磷灰石和锆石单矿物，再蚀刻、研磨和抛光。采用Zeta常数法计算年龄。尽量选取径迹长度数据大于100条的样品，运用Gallagher等(1998)提出的算法来确定符合观测年龄和径迹长度分布的时间－温度史曲线。

图5 澳大利亚北部Otway盆地西部磷灰石裂变径迹和(U－Th)/He年龄对比现今温度

图6 准噶尔西北缘磷灰石裂变径迹长度分布和单颗粒年龄放射图之一

结果表明，年龄数据主要集中在3个年龄段:60～70 Ma、100 ～110 Ma、121 ～135 Ma;这三个年龄正好处在燕山运动晚期，即燕山晚期构造运动在准嗝尓地区有一定的影响。磷灰石裂变径迹年龄结果都小于岩石形成年龄(由SHRIMP U－Pb测得)，表明这些岩体形成后经历了复杂的热事件使得裂变径迹退火而年龄变小，年龄分布相对分散。而样品裂变径迹长度(图6)显示，平均长度在11～13.6 μm，标准偏差在1.3～2.8 μm之间，短的径迹长度和高的径迹长度标准偏差表明岩体经历复杂的热历史。磷灰石裂变径迹年龄与采样高程之间没有很好的线性关系，说明准嗝尓盆地周缘岩体具有复杂的热历史。随即，研究人员用磷灰石和锆石各自封闭温度的高程差除以所测得的磷灰石与锆石之间的年龄差，就得到视隆升速率。再利用磷灰石裂变径迹年龄和长度分布能够进行热史模拟。本次研究使用AFT Solve program，基于Ketcham等的退火模型，并应用蒙特卡罗逼近法进行磷灰石时间－温度的历史模拟。模拟结果见图7，每个样品均获得了最佳的热历史路径。

通过模拟结果可以直观的看出达尔布特断裂带已被早白垩世晚期快速隆升，而以南早白垩世早期开始隆升，即南侧隆升早于北侧。这样克－百断裂带在白垩世早期先行发生活动，而后达尔布特断裂带在白垩世晚期发生活动，显示为自盆地向造山带的后展式逆冲扩展。准嗝尓盆地东缘样品模拟结构反映了晚白垩世以来的冷却隆升事件，晚于准嗝尓西北缘隆升，有别于准嗝尓西北缘不同构造单元先后依次冷却隆升历史。准嗝尓盆地周缘磷灰石裂变径迹数据总体反映了燕山运动晚期的构造事件，表明燕山运动在中国西部亦有响应，为一区域性的构造运动事件，并非局限在中国东部燕山地区。［10］

图7 部分样品经磷灰石裂变径迹反演模拟得到的时间温度变化历史图之一PAZ－磷灰石部分退火带区间(110～60℃)。当K－S值和GOF值大于0.5时，一般认为模拟结果较好

3.2 成矿作用研究

裂变径迹技术应用于成矿作用研究是一个新的尝试，以热液成矿为例，热液流体对成矿地质过程起主导作用，而热演化控制着流体的含量与运移，对矿石及有关岩石中封闭温度不同的矿物综合进行裂变径迹研究，不仅可得到热液活动的时间、温度以及时间与温度间的关系等信息，而且可以区分不同成矿阶段或者不同成矿期次的热液活动，再现热活动历史，反映热液成矿作用的发生与发展过程。虽然磷灰石和锆石等矿物可能不属于热液成矿作用的典型矿物，甚至其成因可能与成矿作用无关，但是只要它们遭受热液成矿作用的热改造，即裂变径迹发生退火作用，即可反映成矿作用的热历史特征。

国内外许多研究者已经通过磷灰石裂变径迹分析来研究不同地区矿床的成矿时代、成矿温度和成矿期次，其中，袁万明等通过对不同矿区选取的6个锆石样品和17个磷灰石样品的裂变径迹研究，印证了新疆阿尔泰克朗盆地的热液成矿时代，结果表明，锆石年龄为134～312 Ma，分属312、247和158～134 Ma三个年龄组，是3个成矿期的体现;磷灰石年龄为30～130 Ma，是区内成矿作用结束后的热事件时代［8］。因此，成矿作用不仅发生于海西期和印支期，而且发生于燕山期甚至喜山期，这一结果与流体包裹体均一温度法获得的成矿时代基本吻合，证明用裂变径迹技术来研究成矿作用是行之有效的。

3.3 断裂作用研究

磷灰石裂变径迹分析应用于断裂作用研究是近些年才兴起的新项目，这将是磷灰石裂变径迹分析一个新的闪光点，许多研究者已经投入到此项研究。断层的形成年龄与裂变径迹有着密切的关系，当地层发生断裂时，温度较高，超过了磷灰石的径迹退火温度，相对来说，断裂发生在较短的时间里，因此当断裂停止，温度快速下降后，磷灰石裂变径迹就记录了断裂的冷却年龄，可以近似的看作是断裂的形成年龄。

蒋荣宝等通过磷灰石裂变径迹分析对柴达木盆地东部中新生代的两期逆冲断层作用进行了研究，由柴达木盆地东部都兰一带采集的11个磷灰石样品的裂变径迹分析结果可知，该地区有2个活动时期:第1期为108～61 Ma;第2期为26.6～17.8 Ma。第1期反映的断裂活动具有明显的规律性:从柴达木盆地南缘的东昆仑开始，向柴北缘方向，逆冲推覆的断层作用时间逐渐变年轻，从东昆仑的108.0±9.6 Ma(柴达木南缘断裂)变为63.7±4.4 Ma(柴北缘断裂)，之后可能有小的跳动;第2期，在原有的一些逆冲断层上形成了新的活动，或形成了一些新的逆冲断层，总体上具有无序或跳跃式变动的特点。［4］

4 磷灰石裂变径迹研究现状及发展方向

4.1 磷灰石裂变径迹法的优点有以下3点

(1)确定最大古地温，古地温在70℃ ～120℃范围内，都可以确定。

(2)确定从最大古地温状况下冷却的时间。具体可分为三种情况讨论:a.地层完全退火后，又很快抬升到小于50℃的地温状况下，记录的裂变径迹年龄代表了冷却的时间;b.如果冷却时间延长或现今仍在大于50℃的状况下，估计得冷却年龄偏小;c.如果地层沉积后未完全退火经受的温度小于110℃，则可通过对长短径迹的相对比例估算确定冷却时间。

(3)确定地层达到最大古地温时的古地温梯度，在垂直深度图上，由裂变径迹法结合Ro法可确定最大古地温曲线的斜率，即地温梯度。

4.2 磷灰石裂变径迹存在以下3方面的问题

(1)裂变径迹退火模型的准确性和可靠性还有待进一步提高。

(2)裂变径迹数据的测试结果和应用间仍存在较大的差异，不具备好的可对比性。

(3)裂变径迹热年代学虽然在许多方面的应用中已表现出蓬勃的生机，但也存在着许多的局限性。

4.3 对应上述的问题，我们可以展望磷灰石裂变径迹热年代学将朝以下四个方向发展

(1)加强裂变径迹形成及其退火动力学机制的研究，建立更合乎实际的退火模型。

(2)建立裂变径迹数据解释及应用的标准，增强研究成果的可对比性。

(3)与其它同位素定年技术如U－Pb法、Rb－Sr法、K－Ar法、Ar－Ar法、(U－Th)－He法等相结合，根据不同的封闭温度，重建浅－中地壳在40℃ ～700℃间的热演化历史，从而建立起地壳最表层与构造(抬升、剥蚀)有关的热演化的完整模式，并进一步扩大应用领域。

(4)开发相关软件和自动化技术，使裂变径迹分析测试具有可操作性。［6］

5 结语

对盆地、造山带构造抬升和变动的判定方法很多，实践表明，任何一种研究方法，只要其理论基础正确，测试或鉴定方法无误，均有其不可取代的优越性和难以避免的局限性，在地质学反演中尤为如此。裂变径迹方法由于其准确性对于揭示地热和构造变动有着广泛的应用，同时它还在不断趋于详细和完善。因此，在进行研究的过程中，对于方法的判别，无论其新还是老，都应从研究区具体实际与研究方法本身出发，扬长补短。这样，才能取得深入、有重要意义的研究成果，得出更为准确的结论。

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