鋯石He擴散模型與中國典型克拉通盆地古老層系熱史重建

常健，邱楠生，李晨星，張建勇，李文正,4，付小東

1 中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室, 北京 102249 2 中國石油大學(北京)地球科學學院, 北京 102249 3 中國石油杭州地質研究院, 杭州 310023 4 成都理工大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室, 成都 610059

0 引言

圖1 不同低溫熱年代學方法適用溫度范圍及與油氣相態(tài)關系. AHe表示磷灰石(U-Th)/He技術；AFT表示磷灰石裂變徑跡技術; ZHe表示鋯石(U-Th)/He技術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

低溫熱年代學技術主要包括裂變徑跡和(U-Th)/He熱定年技術,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)展而來的. 相對于磷灰石,鋯石低溫熱年代學技術可揭示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、超深層熱歷史領域具有優(yōu)勢.由于鋯石裂變徑跡技術部分退火帶(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行鋯石裂變徑跡年齡分析即可研究沉積盆地的構造冷卻事件(Fellin et al., 2006; Chang et al., 2014).對于鋯石(U-Th)/He(ZHe)熱定年技術,熱擴散實驗認為當α粒子劑量介于1016～1018α/g時,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應關系(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熱定年技術的輻射損傷積累和退火模型(ZRDAAM),并被廣泛地應用于古老克拉通盆地早期熱歷史恢復研究,如加拿大古老地盾(Canadian Shield)、美國西部懷俄明克拉通(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模型有時無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)結合高溫熱擴散實驗和激光拉曼表征輻射損傷強度方法建立了扇形-線性模型,該模型考慮了鋯石顆粒內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擴散和丟失行為. 鋯石(U-Th)/He熱定年技術近幾年在He擴散動力學模型建立和應用方面得到了飛躍發(fā)展,而國內針對這一方法的相關概述及應用還很少.

近年,古老層系已成為我國油氣勘探最重要的接替領域,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,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,進而影響了深層油氣勘探和資源評價.為了解決該科學問題,本文在總結鋯石(U-Th)/He熱定年技術He擴散動力學模型和熱史模擬方法技術的基礎上,通過正、反演聯(lián)合模擬闡明了我國三大典型克拉通(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的構造-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,有利于推動鋯石(U-Th)/He熱定年方法在國內沉積盆地熱史研究領域的應用與發(fā)展.

1 鋯石He擴散動力學模型

實測鋯石(U-Th)/He年齡記錄的是鋯石顆粒開始低于封閉溫度的某一時間點.與裂變徑跡相似,為了揭示鋯石He年齡曾經(jīng)歷的完整時間-溫度演化史,必須構建He擴散動力學模型.該模型的建立主要是基于對基巖鋯石礦物進行分步式熱擴散實驗明確活化能和頻率因子,在此基礎上,根據(jù)阿倫尼烏斯公式計算相應的封閉溫度.鋯石(U-Th)/He熱定年技術的He擴散動力學模型主要有三種：

1.1 Reiners等(2004)簡單模型

Reiners等(2004)通過對碎屑巖和巖漿巖鋯石樣品在300～550 ℃范圍內系統(tǒng)開展分步式熱擴散實驗分析,計算得到平均活化能(Ea)為169.03 kJ/mol,頻率因子(D0)為0.46 cm2·s-1,再結合Dodson(1973)提出的公式計算得到鋯石(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 ℃.該模型認為鋯石He封閉溫度是一個常數(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年齡通常具有很強的分散性.這種分散性往往與輻射損傷強度(α劑量)具有很強的關聯(lián)性,因此無法利用簡單模型對這些單顆粒(U-Th)/He年齡進行合理的解釋與熱史模擬.為了解決這個問題,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)在對一系列樣品進行熱擴散實驗基礎上,利用蝕刻的裂變徑跡代替輻射損傷強度建立了鋯石輻射損傷積累和退火模型.當α粒子劑量介于1016～1018α/g時,其封閉溫度為140～220 ℃,但α粒子劑量超過2×1018α/g時,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)為正相關性,而單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與eU既有正相關性又有負相關性.Guenthner等(2013)認為正相關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)域通過增加擴散路徑的彎曲度來阻礙He的擴散行為.鋯石He擴散行為具有各向異性,其中在C軸平行方向上最強.鋯石He擴散行為減弱主要是由輻射損傷對C軸方向通道的持續(xù)破壞作用(類似于在高速路上設置路障)造成的.當這些“路障”駐立于鋯石礦物內部時,He原子通道就會變得更彎曲,從而減弱顆粒的有效He擴散行為.圖2b顯示了C軸平行通道彎曲度增強的證據(jù).He擴散方向與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,隨著輻射損傷增強,兩個方向上的擴散動力學行為將趨近于一致.

單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與eU負相關性是由中-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α劑量超過某一臨界值時,相互連接的輻射損傷區(qū)在鋯石晶格內部形成貫穿通道,為He快速擴散提供便利.為了達到這一臨界值,鋯石必須長期處于低溫環(huán)境,而不發(fā)生退火行為.對于輻射損傷嚴重的鋯石,顆粒內部仍含有少量不易擴散的物質,從而造成這種負相關性表現(xiàn)為漸進性,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部所有輻射損傷退火行為,而實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加熱時間.當裂變徑跡完全退火時,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部的輻射損傷退火動力學行為,Ginster等(2019)通過高溫退火實驗闡明了具有不同輻射損傷程度的鋯石顆粒的退火動力學行為,并根據(jù)激光拉曼光譜識別鋯石特征峰(～1008 cm-1)的半峰寬(Full Width at Half Maximum, FWHM)計算了相應的等效損傷劑量(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粒子劑量關系圖.(b) 鋯石顆粒頻率因子與α粒子劑量關系圖(黑色方形代表擴散行為與C軸平行的顆粒; 灰色圓圈代表擴散行為與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)的樣品擴散行為與顆粒C軸關系不明確; 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

在此基礎上,通過將實測退火數(shù)據(jù)投點到阿倫尼烏斯圖上,根據(jù)擬合度建立了扇形-線性模型.并結合部分退火率(fractional annealing,φ)將該模型進一步劃分為低φ、過渡帶和高φ三個亞區(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)加熱時間t之后的FWHM值,即退火實驗結束時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)定點缺陷的外延生長和退火行為主導的.過渡帶退火區(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

由于低溫熱年代學年齡僅能反映冷卻(隆升)事件的某個時間點,人們根據(jù)裂變徑跡退火行為和He擴散行為建立了相應的化學動力學模型開展正演或反演熱史模擬,從而有效地揭示樣品在地質歷史時期經(jīng)歷的古溫度史.對于磷灰石裂變徑跡技術,熱史模擬由裂變徑跡年齡和封閉徑跡長度兩個參數(shù)作為約束條件,因此其熱史反演結果被認為是最可靠的.而對于(U-Th)/He熱定年技術,熱史反演模擬通常僅有(U-Th)/He年齡單個參數(shù)進行約束,因此模擬結果精度不高.如前所述,古老層系樣品單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡往往具有很強的分散性.當同一樣品單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡分散性較強時,早期通常通過計算加權平均(U-Th)/He年齡或者選擇性地剔除掉較老或較年輕的年齡進行分析和研究,而這種處理方法往往會造成某些重要熱信息的丟失(Powell et al., 2016).近年來,隨著鋯石He擴散動力學模型的發(fā)展和正演模擬技術的進步,利用單一樣品多個單顆粒(U-Th)/He年齡進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)不僅進一步完善了繼承性包絡線概念,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年齡開展正演模擬主要包括以下5個步驟: (1) 根據(jù)研究區(qū)地層發(fā)育特征、不整合面、構造演化成果及熱體制,設定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) 結合鋯石U-Pb、K-Ar等定年方法明確樣品所在層位(主要針對沉積巖)存在幾個物源區(qū)峰值年齡,并將這些峰值年齡設定為若干個熱史模擬開始時間.最小的峰值年齡既表示地層沉積時間,又代表無繼承性年齡,即該部分鋯石顆粒沉積時無輻射損傷和He; 其他峰值年齡都被認為是繼承性年齡,代表的是該部分鋯石顆粒沉積時仍繼承有早期的輻射損傷和He.(3) 設定顆粒半徑和誤差范圍,其中,將所有實測樣品的顆粒半徑平均值作為正演模擬的半徑,誤差范圍為計算得到的標準誤差; (4) 選取鋯石He擴散動力學模型(本文采用鋯石輻射損傷積累和退火模型)進行正演模擬,得到不同溫度路徑下的繼承性包絡線圖; (5) 將實測單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡投到繼承性包絡線圖中,其中可覆蓋最多單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡的繼承性包絡線對應的溫度路徑認為是最佳熱史路徑.本文是利用Guenthner(2021)開發(fā)的DAAM程序(https:∥github.com/wrguenthner/DAAM)開展正演熱史模擬的.

需要指出的是,繼承性年齡與無繼承性年齡(樣品開始沉積時間)之間的溫度變化對正演模擬結果也會產(chǎn)生影響,但考慮到無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是恢復沉積后的溫度史,因此采納國際通用方法進行溫度設定,即沉積前的溫度統(tǒng)一設置為地表溫度(～20 ℃; Guenthner et al., 2015; Powell et al., 2016).盡管這種設置仍存在較多問題,但目前的研究手段僅能做到這一點.另外,在設置熱史模擬開始時間時,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.盡管可能與實際仍存在差異,但考慮到本文的研究重點和文章篇幅有限性,未對樣品開展特定的鋯石U-Pb年齡測試與分析.

通過正演模擬獲取到最佳熱史路徑后,再選取典型樣品進行反演模擬.本文利用HeFTy熱史軟件開展反演模擬(Ketcham, 2005).首先,設定溫度路徑開始(樣品開始沉積時間)和結束時間(現(xiàn)今); 然后,基于單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡、沉積-構造特征及正演路徑設定其他約束條件.其中選擇的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡為正演過程中無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)被人為的簡化,如果選取繼承性鋯石He年齡開展反演模擬,會進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.當熱史反演結果也可解釋正演模擬得到的最佳熱史路徑時,這條熱史路徑就被認為是樣品曾經(jīng)歷過的最真實的古溫度史.

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或盆緣都殘留有古老層系(圖3),為我們開展古老地層鋯石(U-Th)/He年齡分析和熱史模擬提供了機會.

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He擴散,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呈負相關性; 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),具有較強的分散性,均小于地層年齡,表明它們沉積后經(jīng)歷過He擴散,記錄了沉積區(qū)熱信息.三個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(見后面討論中圖7f,7g和7h).同時,考慮到前人關于鋯石(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,本文也借助應用更廣泛的鋯石輻射損傷積累和退火模型開展熱史模擬.

圖3 中國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測鋯石(U-Th)/He年齡結果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.右側為A、B、C、D等4條時間-溫度路徑生成的繼承性包絡線.其中，深色區(qū)域對應的是2000 Ma(繼承性)產(chǎn)生的包絡線,淺色區(qū)域對應的是710 Ma(無繼承性)產(chǎn)生的包絡線,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)域邊緣分別對應的是半徑為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.右側為A、B、C、D等4條時間-溫度路徑生成的繼承性包絡線.其中,深色區(qū)域對應的是1800 Ma(繼承性)產(chǎn)生的包絡線,淺色區(qū)域對應的是900 Ma(無繼承性)產(chǎn)生的包絡線,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)域邊緣分別對應的是半徑為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.右側為A、B、C、D等4條時間-溫度路徑生成的繼承性包絡線.其中,深灰色、中灰色及淺灰色區(qū)域分別對應2500 Ma(繼承性)、2000 Ma(繼承性)及750 Ma(無繼承性)的包絡線,區(qū)域邊緣分別對應的是半徑為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)歷過多期構造運動.結合不整合面發(fā)育狀況和構造演化史成果,我們總共設置了4條溫度路徑開展正演模擬評估實測單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與繼承性包絡線的關系(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果(楊鑫等,2017),將正演模擬開始時間設置為2000 Ma(繼承性)和710 Ma(無繼承性).其中路徑A和D路徑在～210 Ma經(jīng)受的最大溫度為～180 ℃,產(chǎn)生的繼承性包絡線與實測鋯石He年齡具有很好的擬合性(除了一個最老的鋯石He年齡),這表明除了最大溫度,其他時間點溫度的微小變化對繼承性包絡線無太大影響.鄭曉麗(2016)根據(jù)地震資料認為,巴楚隆起西北部在晚石炭世經(jīng)歷了構造隆升剝蝕過程,造成上石炭統(tǒng)缺失.因此,相對于路徑D,路徑A與巴楚隆起實際構造-熱演化過程更相近.同時熱史反演結果也與路徑A相似,這表明路徑A是樣品T-04曾經(jīng)歷過的古溫度史.路徑B與路徑A不同之處在于,路徑B在210～40 Ma時期經(jīng)歷了一期快速冷卻事件,而這與區(qū)域構造演化不符.早期研究認為中亞大部分地區(qū)(包括柯坪隆起)在晚侏羅世-古近紀時期處于構造平靜期,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整體,巴楚隆起北部此時也應處于構造平靜期.所以路徑B與實際地質情況不符.對于溫度路徑C(210～130 Ma期間溫度為160 ℃),有4個鋯石He年齡未落入繼承性包絡線內,因此該溫度路徑與實際不符.

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、不整合面及構造演化史(張允平等, 2010; Zhang et al., 2011; 曲永強等, 2012; Zhai et al., 2015; Li et al., 2018), 設置了4條時間-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)和樣品沉積時間分析,正演模擬開始時間設置為1800 Ma(繼承性)和900 Ma(無繼承性).當樣品在晚三疊世埋藏溫度為160 ℃時(路徑A),除兩個顆粒外,其余顆粒鋯石(U-Th)/He年齡均落入繼承性包絡線內,而將晚三疊世埋藏溫度調整為150 ℃(路徑C)和170 ℃(路徑B)時,會造成更多顆粒鋯石(U-Th)/He年齡落在繼承性包絡線之外.另外熱史反演模擬結果與路徑A也具有相似性(圖6b).因此,綜合正演和反演結果認為路徑A是樣品LX1曾經(jīng)歷過的古溫度史.路徑D與路徑A不同之處在于假設樣品在晚奧陶世-早石炭世遭受了更多的剝蝕量,溫度降低更多,但正演模擬結果與路徑A相同.這表明,除最大溫度外,其余時間點的地層溫度微調對正演模擬結果無太大影響.

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、不整合面及構造演化成果,設置了4條時間-溫度正演路徑評估實測鋯石(U-Th)/He年齡與繼承性包絡線的關系(圖6a).根據(jù)碎屑鋯石U-Pb年齡和地層沉積時間(景先慶等, 2018; Qi et al., 2020),將正演熱史模擬開始時間設置為2500 Ma(繼承性)、2000 Ma(繼承性)及750 Ma(無繼承性)三個年齡.由于前人對研究區(qū)前中生代的構造演化認識較統(tǒng)一,本次研究將中生代之前的溫度演化路徑設置為相同.同時樣品YC-07在早期埋藏淺,受熱溫度低,早期熱歷史不會對鋯石(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等低溫熱年代學年齡和反演熱史結果(Hu et al., 2006; Richardson et al., 2010; Xu et al., 2010; Ji et al., 2014),筆者設置了A、B、C等3條時間-溫度路徑,包含有160～90 Ma和40 Ma以來兩期快速冷卻過程.另外,沈傳波等(2009)認為研究區(qū)曾經(jīng)歷過200～160 Ma緩慢隆升和160～90 Ma快速隆升的演化過程,因此還設置了溫度路徑D.當樣品在160 Ma時期經(jīng)歷的最高溫度為185 ℃(路徑A)時,絕大部分鋯石(U-Th)/He年齡(1個除外)都落入繼承性包絡線內,而將160 Ma時的最高溫度設置為180 ℃(路徑B)和190 ℃(路徑C)時,落入繼承性包絡線的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡減少很多.當樣品在200～160 Ma時期長期處于170 ℃的相對低溫(路徑D)時,產(chǎn)生的繼承性包絡線趨勢與路徑A相同.可以看出,長時期的低溫受熱對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巖氣藏(羅勝元等, 2020).根據(jù)油氣相態(tài)與埋藏溫度的關系,認為185 ℃高溫更利于古老層系生氣,所以路徑A被認為是樣品YC-07曾經(jīng)歷過的古溫度史,其與熱史反演結果也相符(圖7b).

塔里木、華北克拉通、四川等三大盆地早期盡管經(jīng)歷過多期隆升剝蝕過程,但總體呈沉降狀態(tài),其樣品曾經(jīng)歷過的最高溫度都是由上覆地層增厚造成的.但受后期構造演化差異的影響,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,這說明華北克拉通破壞對其北緣熱效應影響有限.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擴散動力學模型對比

如前文所述,根據(jù)鋯石He擴散動力學模型和溫度-時間路徑,可以預測單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與輻射損傷(eU)的演化關系.簡單模型由于未考慮輻射損傷,其預測的鋯石(U-Th)/He年齡通常為一個常數(shù)(即受熱溫度小于封閉溫度183 ℃的時間點),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).通過選取不同熱史路徑開展正演模擬,進一步闡明了鋯石輻射損傷和退火模型與扇形-線性模型預測的鋯石(U-Th)/He年齡與eU演化關系的差異性(圖7).對于基巖樣品(即原位巖體,路徑1和2),兩種模型預測的單顆粒鋯石(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間有關.冷卻速率越快且冷卻時間越早,兩種模型預測的單顆粒鋯石(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間越晚,差異性越大(路徑1).對于高溫(200～300 ℃)沉積樣品(路徑3和4),扇形-線性模型預測的單顆粒鋯石(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測的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與eU在低輻射損傷區(qū)(<～1500 μg·g-1)呈非線性正相關性,而在高輻射損傷區(qū)會隨著快速冷卻時間的變化(由晚變早)由非線性正相關性向負相關性轉變(路徑3和4).對于低溫(<200 ℃)沉積巖樣品,本文設置了時間-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)歷過多期構造沉降-隆升過程; 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,兩種模型預測的鋯石(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200 ℃高溫且現(xiàn)今埋藏溫度小于路徑5的鉆孔樣品，相對于路徑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,鋯石顆粒半徑也會對單顆粒鋯石(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度,顆粒半徑越大,鋯石(U-Th)/He年齡越大,兩者呈正相關性.這一演化趨勢從圖4、圖5和圖6中可觀察到,這里不再贅述.

熱史模擬結果表明我國三大克拉通盆地古老層系的樣品都曾經(jīng)歷過160～185 ℃的高溫,同時鋯石顆粒的輻射損傷強度普遍偏低,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,美國科羅拉多山脈古老層系是世界上為數(shù)不多經(jīng)歷過長期低溫(<50 ℃)演化的地層,這一過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(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演化關系,并與實測數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),在低eU區(qū),扇形-線性模型可更好地擬合實測值,而在高eU區(qū),鋯石輻射損傷和退火模型可更好地擬合實測值.無論哪一種模型,在實際運用中都會與實測值存在一定的差異,這是由He擴散動力學模型造成的,還是由樣品自身或者溫度路徑的不真實性造成的? 都有待于進一步研究.盡管仍存在著諸多科學問題,但鋯石He擴散動力學模型的逐漸完善和進步,極大地推動了鋯石(U-Th)/He熱定年技術的應用發(fā)展,尤其是針對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

因為同一樣品的不同鋯石顆粒往往具有不同的輻射損傷強度,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時期的熱狀況.如果利用這些顆粒的鋯石(U-Th)/He開展聯(lián)合熱史模擬,就可以有效地揭示整個地質時期的熱信息(Guenthner,2021).本文在利用鋯石(U-Th)/He年齡進行正演熱史模擬時,除考慮研究區(qū)殘余地層厚度、不整合面發(fā)育狀況、構造演化史等沉積構造特征外,還參考了前人基于磷灰石裂變徑跡、磷灰石(U-Th)/He等低溫熱年代參數(shù)模擬的熱史結果.因此,本文在熱史模擬過程中盡管僅體現(xiàn)了單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡的約束性,但仍脫離不開多種年代學耦合模擬才能得到有效熱歷史的基本思想.為了進一步闡明基于鋯石(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).當樣品T1-04在210 Ma經(jīng)歷的最高溫度分別為175 ℃和185 ℃時,落在繼承性包絡線外的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡明顯增多.同時,四川盆地和華北克拉通盆地樣品的模擬結果也具有同樣的特點,因此,我們認為正演熱史模擬的溫度具有較高的準確度.在約束最高溫度時,如果參考鏡質體反射率溫標進行驗證,應當會進一步提升精度.對于晚期沉積間斷期溫度變化,10～20 ℃的溫度誤差會對正演模擬結果產(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性和正確性.

圖8 不同鋯石He擴散動力學模型預測的三大盆地鋯石(U-Th)/He年齡與eU演化模式.實線為鋯石輻射損傷積累和擴散模型模擬結果,虛線為扇形-線性模型模擬結果.塔里木、華北克拉通、四川盆地的時間-溫度路徑均采用A模式時間-溫度路徑(即最佳溫度路徑，見圖4、圖5和圖6),顆粒半徑設置為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樣品的時間-溫度路徑(左側)及對應的繼承性包絡線(右側)演化模式.(a)和(b)圖中的黑線為圖4a中的時間-溫度路徑A. (a)圖中長虛線和短虛線分別對應于210 Ma時期的最大溫度為185 ℃和175 ℃, (b)圖中長虛線和短虛線表示130～40 Ma時期的溫度分別為140 ℃和120 ℃.右側I和Ⅱ框內,深色區(qū)域對應的是2000 Ma(繼承性)產(chǎn)生的包絡線,淺色區(qū)域對應的是710 Ma(無繼承性)產(chǎn)生的包絡線,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)域邊緣分別對應的是半徑為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)生的繼承性包絡線相似,這可能是因為實測鋯石(U-Th)/He年齡無法有效地約束最高溫度之前的溫度史; 而對于四川盆地樣品YC-07的溫度路徑A和D產(chǎn)生的繼承性包絡線相同,這是因為短期高溫和長期低溫可造成相同的輻射損傷造成的.因此,在熱史模擬過程中,除精確測定鋯石(U-Th)/He年齡外,還應認真參考區(qū)域性地層、沉積、構造等基礎地質資料.對于經(jīng)歷過多期構造活動的古老克拉通盆地,盡管低溫熱年代學年齡通常并不能全面地記錄每期事件,但模擬過程中充分考慮所有的地質事件,才能得到信服的熱史模擬結果.

5 結論及建議

鋯石(U-Th)/He熱定年技術主要包括簡單模型、鋯石輻射損傷積累和退火模型及扇形-線性模型等三種He擴散動力學模型.對于高溫(>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擴散)造成的.我國塔里木、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160～185 ℃的高溫,從而有效地約束了缺乏有效古溫標古老層系經(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).

對于古老碎屑巖,由于物源復雜,往往造成其鋯石(U-Th)/He年齡分布復雜.盡管本文在嘗試利用鋯石(U-Th)/He技術研究三大克拉通盆地熱歷史中采用了多個物源區(qū)年齡,但是,每個物源區(qū)年齡產(chǎn)生的繼承性包絡線是否與該物源區(qū)的實測鋯石(U-Th)/He年齡一一對應仍存在疑問? 為了解決這個問題,同時為了更大限度地挖掘不同碎屑鋯石蘊含的地質熱信息,筆者建議未來開展古老碎屑巖鋯石(U-Th)/He熱定年研究時,首先基于碎屑鋯石形態(tài)、顏色及大小挑選不同類型的顆粒,然后通過激光拉曼光譜定量分析明確各個顆粒的輻射損傷強度,接著再采用高精度原位(U-Th)/He方法對所選顆粒進行鋯石U-Pb和(U-Th)/He兩種年齡測試與分析,從而更好地建立繼承性包絡線與單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡之間的對應關系,最后就容易識別出哪些顆粒適合模擬,從而更好地開展熱史模擬.

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