吉林省大黑山南段新生代隆升的裂变径迹证据

曲少东¹，刘池洋²，李健²，陈思谦²

(1. 中煤科工集团 西安研究院有限公司，陕西 西安，710054；

2. 西北大学 地质学系，大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安，710069)

摘要：运用裂变径迹年代学方法对吉林大黑山南段及东侧佳—伊地堑的岩石样品中的磷灰石进行分析，获得测试样品的表观年龄，并运用模拟退火法对部分样品热历史进行模拟，获得样品的热演化史，从而对大黑山南段及东侧佳—伊地堑的隆升历史进行分析和解释。研究结果表明：大黑山北中部隆升时间明显比南部的早，分别为64 Ma和43 Ma，且晚于东侧的佳—伊地堑的隆升时间(85 Ma)，说明大黑山存在差异隆升作用；通过对大黑山隆升时间的确定，推断其西侧的梨树断陷早白垩世沉积范围远大于如今沉积范围，可达佳—伊地堑以东，这对梨树断陷油气勘探思路有启示意义。

关键词：大黑山；裂变径迹；热演化史；佳—伊地堑；梨树断陷；差异隆升；地质年代学

中图分类号：P597⁺.3                文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)11-3893-07

Fission track thermochronology evidence for Cenozoic uplifting of the southern Daheishan in Jilin, China

QU Shaodong¹, LIU Chiyang², LI Jian², CHEN Siqian²

(1. Xi’an Research Institute, China Coal Science and Industry Group, Xi’an 710054, China;

2. State Key Laboratory of Continental Dynamics, Department of Geology, Northwest University, Xi’an 710069, China)

Abstract: Using the fission track chronology method to analyse the rock samples of the apatite of southern Daheishan and Jia—Yi graben, apparent ages of the samples were obtained. Using the simulated annealing method to simulate the thermal history of some samples, the sample thermal evolution was obtained. The uplift time from the north—central to south is progressively earlier in Daheishan, and it is respectively 64 Ma and 43 Ma, which is later than that in Jia—Yi graben (85 Ma).The uplift of the Daheishan shows intensive difference in different areas. It is deduced that the Lishu depression in Songliao basin in early cretaceous sedimentary range is far larger than that in nowadays based on the Daheishan uplift time, and can reach the east of Jia—Yi graben, which has great significance to oil-gas exploration in Lishu depression.

Key words: Daheishan; fission track; thermal evolution; Jia—Yi graben; Lishu depression; difference uplift; geochronology

吉林省大黑山是一个Au，Ag，Cu，Pb和Zn多金属成矿带，大地构造位置属天山—兴安褶皱带，区域构造线为NE—NNE向^[1]。对于大黑山的隆升史，不同学者持不同观点^[1-4]，但大多都是基于沉积学角度，结合地层叠置关系来推断大黑山隆升时限。本文作者对大黑山南段及东缘佳—伊地堑进行野外地质观测和系统采样，以磷灰石裂变径迹定年手段，对大黑山南段及相邻的佳—伊地堑构造特征及隆升时限进行探讨。由于大黑山特殊的地理位置，研究其隆升史能够对其周边的松辽盆地和佳—伊地堑的演化提供证据，对于油气勘探具有一定的参考价值。

1  地质背景

研究区位于大黑山南段，北起长春，南到四平附近，全长130余km，面积大约4 000 km²，西侧为松辽盆地，东侧为佳—伊地堑(图1)。为了论述方便，文中出现的大黑山均为大黑山南段。

晚侏罗世—早白垩世是中国东部岩浆活动和热力作用最强烈的时期，该时期地球动力环境是在区域块体汇聚为主的总背景下发生的^[5]。中国大陆东部中新生代构造应力场和地球动力学环境的转换时期在距今((100±10) Ma)，即早白垩世末—晚白垩世初，转换过程可延续到新生代初。导致中国东部地球动力学环境转变的原因是中国诸地块与周邻(古)太平洋和西伯利亚板块汇聚、特提斯洋闭合之间相互作用的综合结果，主要与各板块相互作用引起的大陆深部地球动力学环境的改变或调整密切相关^[6]。松辽盆地东南隆起区的梨树断陷与大黑山相接，梨树断陷为东南隆起区的一个重要富生烃凹陷^[7]，研究与其相邻的大黑山的隆升对梨树断陷的油气勘探思路有重要启示意义。

2  样品采集与实验方法

本文所采集的样品来自吉林大黑山和东侧的佳—伊地堑，从南到北分段采样，在南段采集到1块花岗岩(编号为S-1)，中段采集到3块块花岗岩(编号为S-2，S-3和S-5)和1块砂岩(编号为S-4)，北段采集到2块花岗岩(编号为S-6和S-7)，具体采样位置如图1所示。野外采用手持GPS逐样定位、标高，单机高度精度误差小于10 m。采集样品时，严格遵循采集新鲜露头样品、仔细挑选的原则。

将采集的岩石样品粉碎，粉碎后的粒径应与岩石中矿物粒径相适应，经传统方法粗选后，利用电磁选、重液选等手段，对磷灰石单矿物提纯。将磷灰石颗粒置于玻璃片上，用环氧树脂滴固，然后进行研磨和抛光，使得矿物内表面露出。在20 ℃时用质量分数为5%的HNO₃蚀刻 30 s揭示自发径迹，将低铀白云母外探测器与矿物共同并入反应堆辐照，之后在 25 ℃时用质量分数为40%的HF蚀刻20 min揭示诱发径迹。中子注量利用 CN5铀玻璃标定。矿物的裂变径迹是用高精度光学显微镜在高倍镜下测量。裂变径迹的正确识别至关重要。选择平行c轴的柱面测出自发径迹和诱发径迹密度，水平封径迹长度^[8]依据Green^[9]建议的程序测定。根据IUGS推荐的ξ常数法和标准裂变径迹年龄方程^[10]计算年龄。依据Green^[11]的方法计算误差，检验值χ²用于评价所测单颗粒属于同一年龄组的概率^[12]。χ²＜5%是单颗粒年龄不均匀分布的证据。若发现年龄分散，则基于泊松变异的常规分析无效，而代之以“中心年龄”。中心年龄实质上是权重平均年龄^[13]。

图1  吉林大黑山构造略图及采样点位置

Fig. 1  Sampling location and sketch geological map of studied area

3  实验结果

所有测试样品的年龄大都小于岩体或地层的形成年龄，且裂变径迹长度都小于初始裂变径迹平均长度(16.3±0.9) μm，说明磷灰石裂变径迹在形成之后均遭受构造热事件的影响而发生部分退火，甚至是完全退火^[14-16]。其中S-4的P(χ²)为0或小于5%(其中，P为概率，P(χ²)为χ²的检验值)，表明这些样品的中值年龄为混合年龄。利用高斯拟合对样品的混合年龄进行解析，得出相应的抬升冷却年龄，见图2和表1。样品S-1，S-2，S-3，S-5和S-6的P(χ²)检验值均大于临界值5%，说明各单颗粒年龄的差别属于统计误差，具有单一的年龄平均值，且2个样品的径迹长度直方图呈现为较典型的单峰式分布，见图3，表示经过了单一的冷却过程^[17-19]。

图2  吉林大黑山地区样品S-4的AFT年龄解析

Fig. 2  Age analysis of AFT in Daheishan for Sample S-4

表1  磷灰石裂变径迹分析结果

Table 1  Results of fission track analysis of apatite in Dahei Mountain

图3  磷灰石样品裂变径迹单颗粒年龄直方图及其频率曲线

Fig. 3  Length distribution of AFT and frequency curves

对解析出来的抬升冷却年龄和P(χ²)均大于5%的样品中值年龄进行总体统计分析，样品年龄介于30~88 Ma之间, 总体变化幅度较大。若以年龄直方图形式表示(见图4)，则年龄分组不是很明显，但大体上可以看出2组年龄峰值，即80~90 Ma和40~50 Ma。其中，80~90 Ma的峰值中主要包含样品S-2和S-3，年龄分别为88 Ma和87 Ma，其采样位置处于大黑山东侧的佳—伊地堑内，年龄与位于大黑山内的同一纬度的其他几个样品的相比较大。这可能是因为佳—伊断裂的阻隔作用，使得断裂两侧的隆起时间不尽相同，因此，大黑山地区的年龄峰值为30~50 Ma。从采样位置上看(图1)，大黑山东北部的样品的年龄较西南部的稍大，反映出研究区可能存在着差异隆升作用。

图4  磷灰石裂变径迹年龄分布直方图

Fig. 4  Age histogram of AFT

4  地质热演化历史

本次所有测试中所有样品年龄都小于岩体或地层的形成年龄，且裂变径迹长度都小于初始裂变径迹平均长度(16.3±0.9) μm，说明样品都处于磷灰石裂变径迹部分退火带，并发生严重退火。因此，需要通过模拟其热演化历史，以获得快速冷却时间^[14]。本次模拟基于Crowley等^[20]的退火模型，借助AFTsolve软件并应用蒙特卡罗逼近法模拟，根据获得的裂变径迹参数和样品所处的地质背景确定反演模拟的初始条件。对本次试验中部分磷灰石样品进行时间-温度热历史反演模拟，各个样品的热历史模拟参数见表2，模拟结果见图5。

从表2和图5可以看出：样品S-1，S-2和S-4(K-S检验值分别为0.80，0.62和0.62，年龄模拟值与实测值的吻合程度(GOF)分别为0.96，0.93和0.96)的模拟结果较精准，样品S-6(K-S检验为0.51，年龄GOF为0.85)的模拟结果较好。根据模拟结果，从东北部到西南部分别对几个样品的热演化史进行阐述，具体如下。

1) 样品S-6位于大黑山北部，32~65 Ma时快速隆升，温度从磷灰石退火带底部温度110 ℃降至60 ℃，冷却速率为1.5 ℃/Ma；10~32 Ma时几乎没有隆升；自10 Ma以来加速隆升，温度从60 ℃降至近地表温度15 ℃，冷却速率为4.5 ℃/Ma。

表2  磷灰石热史模拟的K-S检验值和年龄GOF值

Table 2  Modeling parameters of apatite fission results of samples from Dahei Mountain

图5  基于裂变径迹分析结果所作的热历史模拟图

Fig. 5  Time-temperature thermal history modeled based on fission track analyses

2) 样品S-4位于大黑山中部，岩性为砂岩，层位取自上白垩统青山口组。样品热史曲线呈不对称V字型，经历了65~80 Ma时的快速增温过程，温度从30 ℃升到120 ℃左右，增温速率为6.0 ℃/Ma。30~65 Ma时开始隆升，温度从120 ℃降至60 ℃左右，冷却速率为2.4 ℃/Ma；10~30 Ma时几乎没有隆升；自10 Ma以来加速隆升，温度从60 ℃降至近地表温度15 ℃，冷却速率为4.5 ℃/Ma。

3) 样品S-2位于大黑山东侧的伊通地堑，紧邻大黑山。55~85 Ma时经历了较快速隆升，温度从110 ℃降至50 ℃左右，冷却速率为2.0 ℃/Ma；10~55 Ma时几乎没有隆升；自10 Ma以来，隆升速率加快，冷却速率为3.5 ℃/Ma。

4) 样品S-1位于大黑山南部，经历了33~43 Ma的快速隆升过程，温度从110 ℃降至80 ℃，冷却速率为3.0 ℃/Ma；10~33 Ma的缓慢隆升过程，温度从80 ℃降至66 ℃，冷却速率为0.6 ℃/Ma；自10 Ma以来又加速隆升，温度从66 ℃降至近地表温度15 ℃，冷却速率为5.1 ℃/Ma。

综上所述，大黑山总体隆升规律为从北—南部，隆升时间逐渐变晚，大黑山的隆升时间晚于其东侧的伊通地堑的隆升时间。

5  讨论

5.1  大黑山的隆升规律

对大黑山及东侧的佳—伊地堑的构造解析，前人已作过许多工作^[1-4]。孙莹等^[3]根据地层展布及相互叠置关系认为，佳—伊地堑隆升时代介于早白垩登娄库组沉积期和古新世之间。本文中位于佳—伊地堑内的样品S-2和S-3的裂变年龄和热史模拟表明佳—伊地堑隆升的起始时间为85 Ma，结束于古新世末期。孙晓猛等^[4]通过沉积学的研究认为，晚白垩世嫩江组沉积以后，东北地区发生了白垩纪以来最为强烈的1次构造反转作用，它不仅导致松辽盆地大幅度抬升和大面积萎缩，形成广泛的逆冲断裂和褶皱，而且使吉黑东部广大地区发生区域隆升，造成该区普遍缺失晚白垩世晚期沉积，并形成分布广泛的区域不整合界面。本文裂变径迹年龄和热史模拟结果显示，大黑山北段—中段在晚白垩世末期—古新世初开始隆起，隆起时间为64 Ma(对样品S-6)，南段自43 Ma开始隆起，到30 Ma左右，隆升作用基本停止；随后从10 Ma开始，整体经历了快速隆升阶段，总体隆升趋势是北部早于南部。与文献[3-4]的研究结果相比，在时间段上更加精确。从隆起时间上看，东侧佳—伊地堑早于西侧的大黑山，这可能是由于在85~100 Ma时，伊泽奈崎板块以北北西向23.5 cm/a的速度向东亚大陆俯冲消减^[21-22]，波及佳—伊地堑，但由于佳—伊地堑与大黑山之间的佳—伊断裂的阻隔作用，此次隆升作用并未影响到西侧的大黑山。

5.2  大黑山西侧梨树断陷晚白垩世沉积边界探讨

梨树断陷位于松辽盆地东南隆起区东南部，大黑山西侧，与大黑山紧紧相邻，且走向近一致，总体呈北北东向展布，面积为2 300 km²，完整沉积了早白垩世地层及部分晚白垩世地层，是松辽盆地东南隆起区内的一个重要含油气凹陷。梨树断陷的主要含油气层全部分布在下白垩统^[23]，通过对梨树断陷及邻区地质图中的早白垩世地层追踪，发现早白垩世晚期泉头组的分布范围远比现今的分布范围大，双阳地区以东也有分布。裂变径迹及热史模拟结果也表明：在早白垩世，大黑山和佳—伊地堑还未发生隆起，因此，梨树断陷早白垩世东侧的沉积边界应该远比现今的沉积边界大，可达佳—伊地堑以东，极大地扩展了梨树断陷早白垩世沉积范围，这对该地区的油气勘探有一定启示意义。

6  结论

1) 大黑山隆升表现为北—中段早于南段，北—中段64 Ma为开始隆升时间，南段自43 Ma开始隆升。大黑山的隆升时间晚于东侧的佳—伊地堑的隆升时间(85 Ma)，这可能与两者之间的佳—伊断裂的阻隔作用有关。

2) 大黑山隆升时间较晚，因此，其西侧的梨树断陷晚白垩世东侧沉积范围远比现今的沉积范围大，达到佳—伊地堑以东，这对梨树断陷的油气勘探有一定启示意义。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2013-10-11；修回日期：2013-12-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金重点资助项目(90814005)；国家自然科学基金青年基金资助项目(41102072)；西北大学研究生科研实验基金项目(10DZSY016) (Project(90814005) supported by National Natural Science Foundation of China; Project(41102072) supported by National Natural Science Foundation for the Youth (NSFY); Project(10DZSY016) supported by Research Experimental Fund for the Graduate Student Program of Northwest University)

通信作者：刘池阳(1953-)，笔名刘池洋，男，陕西临潼人，教授，博士生导师，从事盆地动力学、油气地质与勘探、构造地质、能源地质方面的教学与研究工作；电话：029-88302352；E-mail: lcy@nwu.edu.cn