相山鈾礦田成礦后隆升剝露的磷灰石裂變徑跡分析

張萬(wàn)良

（核工業(yè)270研究所，江西 南昌縣 330200）

0 引言

相山鈾礦田是地質(zhì)作用的歷史產(chǎn)物，礦床形成后經(jīng)歷了新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造［1］和各種后生變化，包括礦床的空間位置和所在環(huán)境的變化、埋深的變化、礦體形態(tài)產(chǎn)狀的變化等，就象翟裕生［2］指出的，一些礦床可能經(jīng)強(qiáng)烈剝蝕而消失，一些礦床則有幸被保存下來(lái)。礦床形成后的隆升和剝露狀態(tài)，是礦床預(yù)測(cè)和深部資源潛力評(píng)價(jià)必須考慮的重要因素。

美國(guó)學(xué)者C.W.Naeser最早用裂變徑跡方法研究構(gòu)造抬升并重建沉積盆地?zé)釟v史［3］。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)的應(yīng)用研究實(shí)例不斷增多［4－10］，紀(jì)友良等利用磷灰石裂變徑跡法，結(jié)合地震速度法、鏡質(zhì)組反射法、聲法時(shí)差法、地質(zhì)外推法，推算了渤海灣地區(qū)中生界三疊系、侏羅系、白堊系的剝蝕量，恢復(fù)了其原始地層厚度［11］；劉武生等通過(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地磷灰石裂變徑跡資料深入分析與反演模擬得出，晚侏羅世—晚白堊世早期（160～90 Ma）盆地具東升西降的特點(diǎn)，東部以約25 m/Ma的速率隆升，造成1 500～ 2 000 m的剝蝕量；晚白堊世末至始新世早期（90～23 Ma），盆地具整體隆升特點(diǎn)，盆地南部和西部隆升幅度達(dá)1 500～2 000 m，盆地東部表現(xiàn)為彈性回返，隆升緩慢，幅度小于500 m；中新世早期以來(lái)（23 Ma至今），全盆快速隆升，周邊隆升速率達(dá)45～108 m/Ma，造成1 000～2 500 m的剝蝕量［12］。

利用磷灰石裂變徑跡恢復(fù)目標(biāo)地層體經(jīng)受的古溫度狀況和構(gòu)造抬升引起的地層剝蝕量是建立在磷灰石所含的238U自發(fā)裂變產(chǎn)生的徑變?cè)诘刭|(zhì)歷史時(shí)間內(nèi)受溫度作用而發(fā)生退火行為這一化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理基礎(chǔ)之上的，依據(jù)裂變徑跡年齡、裂變徑跡平均長(zhǎng)度及裂變徑跡長(zhǎng)度分布特征等參量就可以確定樣品所在層位所經(jīng)歷的熱史演化過(guò)程和溫度變化規(guī)律，從而求出最大埋深與最小埋深的古地溫，最終推算剝蝕厚度。

相山礦田碎斑熔巖為火山侵出相巖石，面積212 km2，占相山火山－侵入雜巖面積的70％，是相山礦田的主要含礦圍巖，單顆粒鋯石U-Pb年齡140.3 Ma［13］，，熔巖中磷灰石常見(jiàn)，其粒徑為0.0n～0.nmm。

相山碎斑熔巖巖石相對(duì)堅(jiān)硬、致密，與其圍巖如變質(zhì)巖相比，抗蝕能力較強(qiáng)，因而形成了中央高、四周漸低的正地形地貌，相山主峰海拔1 219 m，四周海拔200～400 m。相山礦田現(xiàn)今地貌以典型的低山侵蝕區(qū)為特征，侵蝕區(qū)的分布規(guī)律清楚地表明相山礦田目前仍處于地表侵蝕階段（圖1）。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，區(qū)內(nèi)地貌面和侵蝕區(qū)大體有：山頂面800～1 200 m，殘余侵蝕面（階狀臺(tái)地）500～600 m，主侵蝕區(qū)500～200 m，現(xiàn)代堆積面100～200 m。相山東西、南北兩側(cè)存在明顯的地貌差異，東側(cè)和南側(cè)坡度大，殘余侵蝕面雖然存在但不甚清晰，高度較北側(cè)和西側(cè)相對(duì)較低；北側(cè)和西側(cè)則明顯地存在500～600 m的殘余侵蝕面。

圖1 相山地形剖面圖Fig.1 Xiangshan geomorphic section（上圖NW-SE向，下圖SW-NE向）

圖2 相山火山－侵入雜巖略圖Fig.2 Geological sketch of Xiangshan volcanic intrusive complex

1 取樣及試驗(yàn)

在野外調(diào)查地形地貌特征、河流階梯、第四系分布特征的基礎(chǔ)上，考慮到礦田不同部位隆升的差異性，分別在相山礦田的東、西、南、北、中進(jìn)行碎斑熔巖中的磷灰石采樣（圖2）。采樣時(shí)以地質(zhì)觀察研究為基礎(chǔ)，確保樣品空間分布的代表性和質(zhì)量，碎斑熔巖樣品的風(fēng)化程度盡可能一致。

樣品送中國(guó)地震局地質(zhì)研究所地震動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，測(cè)定磷灰石的輻射后標(biāo)準(zhǔn)玻璃外探測(cè)器的徑跡密度、礦物中238U的自發(fā)裂變徑跡密度、礦物中235U誘發(fā)裂變徑跡密度等參數(shù)。

2 分析結(jié)果

磷灰石裂變徑跡分析樣品采自相山碎斑熔巖不同部位和標(biāo)高，海拔最高的樣品（XS-07-13）位于相山峰頂附近，海拔高程1 217 m；最低的樣品（XS-07-12）位于相山西部，與紅層蓋層毗鄰，海拔高程114 m；XS-07-11樣品位于鄒家山礦床范圍內(nèi)，U含量較高。7個(gè)樣品的磷灰石裂變徑跡平均長(zhǎng)度（12.04±0.18）～（11.45±0.13）μm，標(biāo)準(zhǔn)差為1.81～1.23μm，中心年齡最大值為（78.7± 7.1）Ma，最小為（34.5±4.1）Ma（表1），用高程加權(quán)的平均年齡為61.1 Ma。

裂變徑跡年齡為表觀年齡，不是該礦物形成的地質(zhì)年齡。所有樣品表觀年齡遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于樣品所處的地層（巖體）的實(shí)際年齡（140.3 Ma），說(shuō)明這些樣品均經(jīng)歷一次退火作用，反映了碎斑熔巖在61.1 Ma以來(lái)遭受了不同程度的剝蝕作用。裂變徑跡年齡與樣品高程之間具有一定的正相關(guān)趨勢(shì)（圖3a），顯示研究區(qū)經(jīng)歷了比較有規(guī)律的構(gòu)造歷史或冷卻歷史，即61.1 Ma之前高程變化不大，現(xiàn)代高程差異是61.1 Ma后形成的。

表1 相山碎斑熔巖裂變徑跡數(shù)據(jù)表Table 1 Fission track analytic results of apatite from Xiangshan porphyroclastic lava

圖3 磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)系圖Fig.3 Plot showing fission track data of apatite and their correlation

從磷灰石裂變徑跡長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差與平均長(zhǎng)度關(guān)系圖（圖3b）可見(jiàn)，總體上平均徑跡長(zhǎng)度越大，其標(biāo)準(zhǔn)差有增大的趨勢(shì)，表明這些樣品的構(gòu)造熱歷史是大致相似的。但位于相山北部（XS-07-3）和相山南部（XS-07-6）樣品徑跡長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差略大，推測(cè)這些樣品可能具有相對(duì)復(fù)雜的構(gòu)造熱歷史，樣品附近花崗斑巖穿插頻繁是影響因素之一。

磷灰石裂變徑跡年齡與平均徑跡長(zhǎng)度的相關(guān)關(guān)系不很明顯（圖3c），反映了78.7～34.5 Ma期間未受到明顯的退火作用或加熱事件。

圖4 磷灰石封閉徑跡長(zhǎng)度分布直方圖Fig.4 Distribution histograms of the closed fission track length of apatite橫坐標(biāo)為長(zhǎng)度（μm），縱坐標(biāo)為頻數(shù)（條）

樣品高程與徑跡長(zhǎng)度有一定相關(guān)關(guān)系（圖3d）：高程較高者，平均徑跡長(zhǎng)度較大，且變化不大；高程較低者，平均徑跡長(zhǎng)度較小且變化較大，反映了其較為復(fù)雜的構(gòu)造演化及熱歷史。

不同樣品的徑跡平均長(zhǎng)度變化較小，為11.45～12.04μm，長(zhǎng)度分布直方圖具有單峰特征（圖4）。除XS-07-3和XS-07-6樣品直方圖略顯寬外，其余均較窄，長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)差介于1.23～1.81μm之間。具有類似長(zhǎng)度分布特征的樣品，如樣品XS-07-9，XS-07-11，XS-07-12，XS-07-13，XS-07-14，它們所經(jīng)歷的地質(zhì)熱歷史或冷卻史相類似。

3 碎斑熔巖的熱歷史和隆升過(guò)程

根據(jù)不同礦物的封閉年齡、封閉溫度與地溫梯度，通過(guò)熱年代學(xué)方法，能較好地定量分析相山火山侵入雜巖的熱歷史和隆升過(guò)程。已有充分的實(shí)驗(yàn)資料表明，不同礦物的不同記年系統(tǒng)具有不同的封閉溫度。如鋯石U-Pb法年齡的封閉溫度為（700± 50）℃［14］，黑云母的K-Ar法年齡封閉溫度為（300± 50）℃［15］，鉀長(zhǎng)石的K-Ar法年齡封閉溫度為（160± 30）℃，磷灰石裂變徑跡法記年系統(tǒng)的封閉溫度為（100±25）℃［16］。

碎斑熔巖在140.3 Ma時(shí)（鋯石U-Pb年齡），其溫度約700℃，在61.1 Ma時(shí)（磷灰石裂變徑跡年齡），變?yōu)?00℃左右，即在140.3～61.1 Ma之間，碎斑熔巖的溫度下降了600℃，冷卻速率達(dá)7.6℃/Ma。這是一段快速冷卻的時(shí)代。

從61.1 Ma至現(xiàn)代，溫度下降了約75℃，冷卻速率為1.2℃/Ma。這是一段較緩慢的冷卻時(shí)代。

假設(shè)古地溫梯度與現(xiàn)今地殼平均地溫梯度相近，約為30℃/km。在利用磷灰石FT年齡計(jì)算隆升速率時(shí)，采用傳統(tǒng)徑跡年齡——高程法，即認(rèn)為不同時(shí)期地表高程不變或隆升量與剝蝕量相等［17］，現(xiàn)代地表露出的碎斑熔巖在61.1 Ma時(shí)尚處于地下深部約3.3 km處。該深度應(yīng)包括覆蓋于碎斑熔巖之上的上白堊統(tǒng)紅層厚度和碎斑熔巖頂部厚度之和。自61.1 Ma以來(lái)，紅層不再沉積，地殼開(kāi)始快速隆升，隆升速率為54 m/Ma，即61.1 Ma以來(lái)相山礦田剝蝕了的平均厚度約3.3 km。

4 結(jié)束語(yǔ)

新生代以來(lái)是全球地殼形變與造山運(yùn)動(dòng)發(fā)展演化的重要地質(zhì)階段［19］。中國(guó)是世界上新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)最活躍地區(qū)之一，這些新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)中國(guó)自然地理、環(huán)境、自然災(zāi)害有深刻影響，也是許多礦床形成與保存的重要因素［20－21］。

從檢索到的相關(guān)文獻(xiàn)或勘查報(bào)告可知，相山鈾成礦年齡多在140～90 Ma之間［18］，個(gè)別為65 Ma，即相山鈾礦主要形成于早白堊世，晚白堊世也有成礦的蹤跡。相山鈾礦形成后，經(jīng)歷了古近紀(jì)、新近紀(jì)及第四紀(jì)的漫長(zhǎng)演變過(guò)程。

一個(gè)地區(qū)的地貌發(fā)育過(guò)程是構(gòu)造、營(yíng)力和時(shí)間的函數(shù)。在構(gòu)造抬升的基礎(chǔ)上，外動(dòng)力侵蝕剝蝕作用下，該地區(qū)的地貌發(fā)育過(guò)程（時(shí)間）可以分為幼年期、壯年期與老年期等幾個(gè)地貌發(fā)育階段［22］。

根據(jù)基于DEM的面積－高程曲線的計(jì)算方法［23］，筆者曾繪制了相山地區(qū)面積高程曲線，計(jì)算出面積高程曲線積分值約14.66％，＜35％，地表侵蝕嚴(yán)重，屬老年期的殘丘地形［24］。

在華南地區(qū)，新生代以來(lái)以剝蝕夷平和沉降堆積為主要特征［25］，由于處亞熱帶氣候區(qū)，高溫多雨，風(fēng)化作用較強(qiáng)烈，相山火山侵入雜巖遭受較強(qiáng)烈的侵蝕剝蝕作用，水系由中央向四周呈放射狀分布，地形切割較強(qiáng)烈。相山鈾礦田受到不同程度的侵蝕和剝露，鄒家山、橫澗、沙洲等礦床均已露出地表，是隆升剝露的重要佐證。磷灰石裂變徑跡分析表明：61.1 Ma以來(lái)，相山礦田被剝蝕了的平均厚度大約為3.3 km。

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