磷灰石裂变径迹退火模型

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1、磷灰石裂变径迹退火模型及其在热史模拟中的应用刘丽，任战利(西北大学地质学系，陕西西安，710069)摘要：介绍了国内外裂变径迹退火模型及在热史模拟研究中的进展，认为应用裂变径迹年龄和裂变径迹长度分布来反演地质体的构造热历史，应该结合具体的地质情况来定量模拟，这是提高磷灰石裂变径迹资料模拟热史精度的有效途径。关键词：裂变径迹；退火模型;热演化史;成因算法中图分类号:TE121.1文献标识码：A文章编号：1000-274X(2004)0111-08磷灰石裂变径迹法是20世纪60年代开始兴起的一种新的同位素年代学方法，主要应用于矿床研究方面。自80年

2、代中期开始应用裂变径迹来研究沉积盆地、造山带等构造热演化史以来，该方法得到了广泛的应用，取得了一批重要的科研成果，磷灰石裂变径迹法已发展成为盆地、造山带构造热演化史研究的一种重要方法[1~5]。磷灰石裂变径迹退火模型是盆地、造山带热史模拟分析的基础，而退火模型研究的深入程度是应用磷灰石裂变径迹资料进行盆地热史定量化研究的关键。1裂变径迹退火原理及影响因素1.1退火原理裂变径迹法在盆地热演化史应用的原理是，磷灰石中所含U238裂变时产生的碎片在磷灰石中会形成裂变径迹，矿物中的径迹都具有随温度的增高，而径迹密度减少、长度变短直至完全消失的特性。磷灰

3、石矿物中新生成的裂变径迹的长度为14~18µm,平均长度16µm，呈狭窄的高斯分布，但如果母岩在地质时期受热，径迹长度会缩短，径迹密度也会随之减小。由于磷灰石中的U238自晶体形成后就以恒定的速度不断的自发裂变，观测到的裂变径迹产生的时间有早有晚，且经历了热史的不同阶段，因而径迹的长度分布包含了温度随时间变化的重要信息[6]。Naeser(1979)划分了在连续沉积，且目前正处在最大埋藏地温状况下磷灰石裂变径迹年龄-深度(或温度)上3个不同的带，从浅到深依次为：①未退火带，地层尚未受到退火作用，其年龄反映物源的时代，大于或等于地层年龄；②部分退

4、火带，地层已受到退火作用，其年龄逐渐减小，小于地层年龄；③完全退火带，起年龄等于零，地层达到完全退火。由于在1~100Ma时，磷灰石裂变径迹的退火温度约为60~150℃，此温度正好与生油窗（60~130℃）比较接近，故广泛应用于盆地古地温场研究[7]。81.2影响因素到目前为止，发现的裂变径迹退火主要与温度和时间有关，而与压力、pH值、Eh值等其他物理化学条件无明显的关系。因而，把裂变径迹退火程度视为温度(Ｔ)和时间(ｔ)的函数[6.7]。现在，应用最多、研究得较为深入的矿物是磷灰石。磷灰石成分是控制退火特征的一个重要因素之一，Green等对奥

5、斯韦盆地的磷灰石年龄与成分关系研究表明，氯磷灰石比氟磷灰石更能抵抗退火作用[7~9]。同时，磷灰石中不同结晶方位的裂变径迹退火速率是不同的，平行于c轴的裂变径迹表现为更强的抵抗退火的特征，随着退火程度的提高，各项异性变得更加明显，Durange磷灰石退火试验表明，在366℃，加热1h后，只有很少裂变径迹存在，并且都平行于c轴[10]。人们普遍认为，被破坏的晶格沿着裂变径迹恢复主要是温度作用的结果，而忽略了原子的分布要求随着压力的增加内在的分布系数指数降低这一基本理论。A.S.Wendta等测定了4个不同含油气区和不同化学组成磷灰石的自发裂变径迹

6、蚀刻长度，结果发现：①随着时间的持续，限定压力使得磷灰石自发裂变径迹退火速率降低；②改变应力，显著提高了退火速率；③每种类型的磷灰石有自己的活动速率，这主要取决于其化学组成和初始径迹的长度。因此，在任何描述径迹恢复的数学模型中都应考虑到裂变径迹的特征和自然环境中各种物理参数的相互作用[10]。2裂变径迹退火模型及热史分析2.1裂变径迹退火模型裂变径迹退火动力学是研究裂变径迹参数随温度和时间变化的定量规律。20世纪80年代中期至今，许多学者研究了磷灰石裂变径迹的退火问题[11~16]。Green等研究发现，磷灰石裂变径迹退火不能简单地用一次动力学

7、方程来描述，在实验室等温退火实验基础上，建立了指数模型、平均模型、扇形模型、多组分退火模型和统计模型等，其中扇形模型的引用最多。扇形模型是对杜兰戈(Durango)磷灰石的等温退火实验数据进行拟合建立的[12]。（1）式中：为径迹长度与初始径迹长度之比，；为时间，s；为温度，K。 同样的数据，用平行模型可拟合出。（2）Calson提议，依据常规的阿伦尼纽斯关系改变物理参数更准确[15]。这个概括性的预测函数如下（3）式中：A是恒定的模拟速率；k是Boltzmann’s常量；h是Planck’s常量；R是气体常数；Q是有效活化能。这些参数中，n、

8、Q和A是实验数据。磷灰石的组成是影响退火速率的重要因素，人们普遍认为富氯磷灰石比富氟8磷灰石更不容易退火。Crowley对F－磷灰石进行了实验，其结果