吉林省大黑山南段新生代隆升的裂變徑跡證據

曲少東，劉池洋，李健，陳思謙

(1. 中煤科工集團 西安研究院有限公司，陜西 西安，710054；2. 西北大學 地質學系，大陸動力學國家重點實驗室，陜西 西安，710069)

吉林省大黑山是一個Au，Ag，Cu，Pb 和Zn 多金屬成礦帶，大地構造位置屬天山—興安褶皺帶，區域構造線為NE—NNE 向[1]。對于大黑山的隆升史，不同學者持不同觀點[1-4]，但大多都是基于沉積學角度，結合地層疊置關系來推斷大黑山隆升時限。本文作者對大黑山南段及東緣佳—伊地塹進行野外地質觀測和系統采樣，以磷灰石裂變徑跡定年手段，對大黑山南段及相鄰的佳—伊地塹構造特征及隆升時限進行探討。由于大黑山特殊的地理位置，研究其隆升史能夠對其周邊的松遼盆地和佳—伊地塹的演化提供證據，對于油氣勘探具有一定的參考價值。

1 地質背景

研究區位于大黑山南段，北起長春，南到四平附近，全長130 余km，面積大約4 000 km2，西側為松遼盆地，東側為佳—伊地塹(圖1)。為了論述方便，文中出現的大黑山均為大黑山南段。

晚侏羅世—早白堊世是中國東部巖漿活動和熱力作用最強烈的時期，該時期地球動力環境是在區域塊體匯聚為主的總背景下發生的[5]。中國大陸東部中新生代構造應力場和地球動力學環境的轉換時期在距今((100±10)Ma)，即早白堊世末—晚白堊世初，轉換過程可延續到新生代初。導致中國東部地球動力學環境轉變的原因是中國諸地塊與周鄰(古)太平洋和西伯利亞板塊匯聚、特提斯洋閉合之間相互作用的綜合結果，主要與各板塊相互作用引起的大陸深部地球動力學環境的改變或調整密切相關[6]。松遼盆地東南隆起區的梨樹斷陷與大黑山相接，梨樹斷陷為東南隆起區的一個重要富生烴凹陷[7]，研究與其相鄰的大黑山的隆升對梨樹斷陷的油氣勘探思路有重要啟示意義。

2 樣品采集與實驗方法

本文所采集的樣品來自吉林大黑山和東側的佳—伊地塹，從南到北分段采樣，在南段采集到1 塊花崗巖(編號為S-1)，中段采集到3 塊塊花崗巖(編號為S-2，S-3 和S-5)和1 塊砂巖(編號為S-4)，北段采集到2 塊花崗巖(編號為S-6 和S-7)，具體采樣位置如圖1 所示。野外采用手持GPS 逐樣定位、標高，單機高度精度誤差小于10 m。采集樣品時，嚴格遵循采集新鮮露頭樣品、仔細挑選的原則。

圖1 吉林大黑山構造略圖及采樣點位置Fig.1 Sampling location and sketch geological map of studied area

將采集的巖石樣品粉碎，粉碎后的粒徑應與巖石中礦物粒徑相適應，經傳統方法粗選后，利用電磁選、重液選等手段，對磷灰石單礦物提純。將磷灰石顆粒置于玻璃片上，用環氧樹脂滴固，然后進行研磨和拋光，使得礦物內表面露出。在20 ℃時用質量分數為5%的HNO3蝕刻30 s 揭示自發徑跡，將低鈾白云母外探測器與礦物共同并入反應堆輻照，之后在25 ℃時用質量分數為40%的HF 蝕刻20 min 揭示誘發徑跡。中子注量利用CN5 鈾玻璃標定。礦物的裂變徑跡是用高精度光學顯微鏡在高倍鏡下測量。裂變徑跡的正確識別至關重要。選擇平行c 軸的柱面測出自發徑跡和誘發徑跡密度，水平封徑跡長度[8]依據Green[9]建議的程序測定。根據IUGS 推薦的ξ常數法和標準裂變徑跡年齡方程[10]計算年齡。依據Green[11]的方法計算誤差，檢驗值χ2用于評價所測單顆粒屬于同一年齡組的概率[12]。χ2＜5%是單顆粒年齡不均勻分布的證據。若發現年齡分散，則基于泊松變異的常規分析無效，而代之以“中心年齡”。中心年齡實質上是權重平均年齡[13]。

3 實驗結果

所有測試樣品的年齡大都小于巖體或地層的形成年齡，且裂變徑跡長度都小于初始裂變徑跡平均長度(16.3±0.9)μm，說明磷灰石裂變徑跡在形成之后均遭受構造熱事件的影響而發生部分退火，甚至是完全退火[14-16]。其中S-4 的P(χ2)為0 或小于5%(其中，P 為概率，P(χ2)為χ2的檢驗值)，表明這些樣品的中值年齡為混合年齡。利用高斯擬合對樣品的混合年齡進行解析，得出相應的抬升冷卻年齡，見圖2 和表1。樣品S-1，S-2，S-3，S-5 和S-6 的P(χ2)檢驗值均大于臨界值5%，說明各單顆粒年齡的差別屬于統計誤差，具有單一的年齡平均值，且2 個樣品的徑跡長度直方圖呈現為較典型的單峰式分布，見圖3，表示經過了單一的冷卻過程[17-19]。

圖2 吉林大黑山地區樣品S-4 的AFT 年齡解析Fig.2 Age analysis of AFT in Daheishan for Sample S-4

表1 磷灰石裂變徑跡分析結果Table 1 Results of fission track analysis of apatite in Dahei Mountain

圖3 磷灰石樣品裂變徑跡單顆粒年齡直方圖及其頻率曲線Fig.3 Length distribution of AFT and frequency curves

對解析出來的抬升冷卻年齡和P(χ2)均大于5%的樣品中值年齡進行總體統計分析，樣品年齡介于30～88 Ma 之間, 總體變化幅度較大。若以年齡直方圖形式表示(見圖4)，則年齡分組不是很明顯，但大體上可以看出2 組年齡峰值，即80～90 Ma 和40～50 Ma。其中，80～90 Ma 的峰值中主要包含樣品S-2 和S-3，年齡分別為88 Ma 和87 Ma，其采樣位置處于大黑山東側的佳—伊地塹內，年齡與位于大黑山內的同一緯度的其他幾個樣品的相比較大。這可能是因為佳—伊斷裂的阻隔作用，使得斷裂兩側的隆起時間不盡相同，因此，大黑山地區的年齡峰值為30～50 Ma。從采樣位置上看(圖1)，大黑山東北部的樣品的年齡較西南部的稍大，反映出研究區可能存在著差異隆升作用。

圖4 磷灰石裂變徑跡年齡分布直方圖Fig.4 Age histogram of AFT

4 地質熱演化歷史

本次所有測試中所有樣品年齡都小于巖體或地層的形成年齡，且裂變徑跡長度都小于初始裂變徑跡平均長度(16.3±0.9)μm，說明樣品都處于磷灰石裂變徑跡部分退火帶，并發生嚴重退火。因此，需要通過模擬其熱演化歷史，以獲得快速冷卻時間[14]。本次模擬基于Crowley 等[20]的退火模型，借助AFTsolve 軟件并應用蒙特卡羅逼近法模擬，根據獲得的裂變徑跡參數和樣品所處的地質背景確定反演模擬的初始條件。對本次試驗中部分磷灰石樣品進行時間-溫度熱歷史反演模擬，各個樣品的熱歷史模擬參數見表2，模擬結果見圖5。

從表2 和圖5 可以看出：樣品S-1，S-2 和S-4(K-S檢驗值分別為0.80，0.62 和0.62，年齡模擬值與實測值的吻合程度(GOF)分別為0.96，0.93 和0.96)的模擬結果較精準，樣品S-6(K-S 檢驗為0.51，年齡GOF 為0.85)的模擬結果較好。根據模擬結果，從東北部到西南部分別對幾個樣品的熱演化史進行闡述，具體如下。

1) 樣品S-6 位于大黑山北部，32～65 Ma 時快速隆升，溫度從磷灰石退火帶底部溫度110 ℃降至60℃，冷卻速率為1.5 ℃/Ma；10～32 Ma 時幾乎沒有隆升；自10 Ma 以來加速隆升，溫度從60 ℃降至近地表溫度15 ℃，冷卻速率為4.5 ℃/Ma。

表2 磷灰石熱史模擬的K-S 檢驗值和年齡GOF 值Table 2 Modeling parameters of apatite fission results of samples from Dahei Mountain

圖5 基于裂變徑跡分析結果所作的熱歷史模擬圖Fig.5 Time-temperature thermal history modeled based on fission track analyses

2) 樣品S-4 位于大黑山中部，巖性為砂巖，層位取自上白堊統青山口組。樣品熱史曲線呈不對稱V 字型，經歷了65～80 Ma 時的快速增溫過程，溫度從30 ℃升到120 ℃左右，增溫速率為6.0 ℃/Ma。30～65 Ma時開始隆升，溫度從120 ℃降至60 ℃左右，冷卻速率為2.4 ℃/Ma；10～30 Ma 時幾乎沒有隆升；自10 Ma以來加速隆升，溫度從60 ℃降至近地表溫度15 ℃，冷卻速率為4.5 ℃/Ma。

3) 樣品S-2 位于大黑山東側的伊通地塹，緊鄰大黑山。55～85 Ma 時經歷了較快速隆升，溫度從110 ℃降至50 ℃左右，冷卻速率為2.0 ℃/Ma；10～55 Ma 時幾乎沒有隆升；自10 Ma 以來，隆升速率加快，冷卻速率為3.5 ℃/Ma。

4) 樣品S-1 位于大黑山南部，經歷了33～43 Ma的快速隆升過程，溫度從110 ℃降至80 ℃，冷卻速率為3.0 ℃/Ma；10～33 Ma 的緩慢隆升過程，溫度從80 ℃降至66 ℃，冷卻速率為0.6 ℃/Ma；自10 Ma 以來又加速隆升，溫度從66 ℃降至近地表溫度15 ℃，冷卻速率為5.1 ℃/Ma。

綜上所述，大黑山總體隆升規律為從北—南部，隆升時間逐漸變晚，大黑山的隆升時間晚于其東側的伊通地塹的隆升時間。

5 討論

5.1 大黑山的隆升規律

對大黑山及東側的佳—伊地塹的構造解析，前人已作過許多工作[1-4]。孫瑩等[3]根據地層展布及相互疊置關系認為，佳—伊地塹隆升時代介于早白堊登婁庫組沉積期和古新世之間。本文中位于佳—伊地塹內的樣品S-2 和S-3 的裂變年齡和熱史模擬表明佳—伊地塹隆升的起始時間為85 Ma，結束于古新世末期。孫曉猛等[4]通過沉積學的研究認為，晚白堊世嫩江組沉積以后，東北地區發生了白堊紀以來最為強烈的1 次構造反轉作用，它不僅導致松遼盆地大幅度抬升和大面積萎縮，形成廣泛的逆沖斷裂和褶皺，而且使吉黑東部廣大地區發生區域隆升，造成該區普遍缺失晚白堊世晚期沉積，并形成分布廣泛的區域不整合界面。本文裂變徑跡年齡和熱史模擬結果顯示，大黑山北段—中段在晚白堊世末期—古新世初開始隆起，隆起時間為64 Ma(對樣品S-6)，南段自43 Ma 開始隆起，到30 Ma 左右，隆升作用基本停止；隨后從10 Ma 開始，整體經歷了快速隆升階段，總體隆升趨勢是北部早于南部。與文獻[3-4]的研究結果相比，在時間段上更加精確。從隆起時間上看，東側佳—伊地塹早于西側的大黑山，這可能是由于在85～100 Ma 時，伊澤奈崎板塊以北北西向23.5 cm/a 的速度向東亞大陸俯沖消減[21-22]，波及佳—伊地塹，但由于佳—伊地塹與大黑山之間的佳—伊斷裂的阻隔作用，此次隆升作用并未影響到西側的大黑山。

5.2 大黑山西側梨樹斷陷晚白堊世沉積邊界探討

梨樹斷陷位于松遼盆地東南隆起區東南部，大黑山西側，與大黑山緊緊相鄰，且走向近一致，總體呈北北東向展布，面積為2 300 km2，完整沉積了早白堊世地層及部分晚白堊世地層，是松遼盆地東南隆起區內的一個重要含油氣凹陷。梨樹斷陷的主要含油氣層全部分布在下白堊統[23]，通過對梨樹斷陷及鄰區地質圖中的早白堊世地層追蹤，發現早白堊世晚期泉頭組的分布范圍遠比現今的分布范圍大，雙陽地區以東也有分布。裂變徑跡及熱史模擬結果也表明：在早白堊世，大黑山和佳—伊地塹還未發生隆起，因此，梨樹斷陷早白堊世東側的沉積邊界應該遠比現今的沉積邊界大，可達佳—伊地塹以東，極大地擴展了梨樹斷陷早白堊世沉積范圍，這對該地區的油氣勘探有一定啟示意義。

6 結論

1) 大黑山隆升表現為北—中段早于南段，北—中段64 Ma 為開始隆升時間，南段自43 Ma 開始隆升。大黑山的隆升時間晚于東側的佳—伊地塹的隆升時間(85 Ma)，這可能與兩者之間的佳—伊斷裂的阻隔作用有關。

2) 大黑山隆升時間較晚，因此，其西側的梨樹斷陷晚白堊世東側沉積范圍遠比現今的沉積范圍大，達到佳—伊地塹以東，這對梨樹斷陷的油氣勘探有一定啟示意義。

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