地球科学进展, 2021, 36(7): 671-683 DOI: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.062

综述与评述

伊利石K-Ar/Ar-Ar年龄约束浅地表断层活动时间:原理和潜力

赵奇,1,2,3, 闫义,1,2,4,5

1.中国科学院广州地球化学研究所,中国科学院边缘海与大洋地质重点实验室,广东 广州 510640

2.中国科学院深地科学卓越创新中心,广东 广州 510640

3.中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 100049

4.南方海洋科学与工程广东省实验室,广东 广州 511458

5.中国科学院南海生态环境工程创新研究院,广东 广州 510301

Dating of Shallow Crusted Faults by Illite K-Ar/Ar-Ar Ages: Principles and Potential

ZHAO Qi,1,2,3, YAN Yi,1,2,4,5

1.Key Laboratory of Ocean and Marginal Sea Geology,Guangzhou Institute of Geochemistry,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China

2.Center for Excellence in Deep Earth Science,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510640,China

3.College of Earth and Planetary Sciences,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China

4.Southern Marine Science and Engineering Guangdong Laboratory,Guangzhou 511458,China

5.Innovation Academy of South China Sea Ecology and Environmental Engineering,Chinese Academy of Sciences,Guangzhou 510301,China

通讯作者: 闫义(1973-),男,内蒙古赤峰人,研究员,主要从事海洋沉积、东亚边缘海构造及华南构造地貌演化研究. E-mail:yanyi@gig.ac.cn

收稿日期: 2021-04-15   修回日期: 2021-06-01   网络出版日期: 2021-08-20

基金资助: 国家自然科学基金项目“华南陆壳结构与南海北部地质过程研究”.  U1701641
南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)人才团队引进重大专项“南海北部陆缘岩石圈薄化—破裂过程及其资源效应”.  GML 2019ZD0205

Corresponding authors: YAN Yi (1973-), male, Chifeng City, Inner Mongolia Autonomous Region, Professor. Research areas include marine sedimentology, structure of East Asian Marginal Seas and evolution of tectonic geomorphology in South China. E-mail:yanyi@gig.ac.cn

Received: 2021-04-15   Revised: 2021-06-01   Online: 2021-08-20

作者简介 About authors

赵奇(1995-),男,湖北荆州人,博士研究生,主要从事构造年代学研究.E-mail:zhaoqi@gig.ac.cn

ZHAOQi(1995-),male,JingzhouCity,HubeiProvince,Ph.Dstudent.Researchareasincludetectonicchronology.E-mail:zhaoqi@gig.ac.cn

摘要

地壳脆性区断层的定年工作是地质学面临的一个重大瓶颈问题。尽管绝大多数脆性断层在活动时会产生可以用于放射性测年的自生/同运动学伊利石,但同时也会混入影响放射性年龄的碎屑矿物,如2M1多型伊利石或云母,从而使得自生/同运动学伊利石年龄数据受到质疑。随着伊利石年龄分析法及年龄牵引子法的提出,利用分离提纯的各粒级伊利石年龄与颗粒尺度的关系约束近地表脆性断层活动时间的方法逐渐变得可靠。首先介绍了伊利石定年的原理和假设,其次回顾了伊利石年龄限定断层活动时间的研究历史,并总结了关于伊利石年龄数据解释的2种方法及其原理和运用背景。然后评价了影响伊利石定年的可能因素,认为Ar损失在近地表脆性断层域中可以忽略不计,而2M1多型伊利石或云母是否自生对讨论断层泥伊利石年龄的地质意义至关重要。最后指出伊利石定年技术不仅仅局限于浅地表断层定年,还可以约束高应变褶皱及构造混杂岩的变形时间。另外,如果识别俯冲带中与俯冲、增生、剥蚀相关的各构造主控域并分别开展伊利石定年工作,将有助于从时空上对整个俯冲带循环过程(俯冲—增生—剥蚀)的还原。

关键词: 断层定年 ; K-Ar/Ar-Ar年龄 ; 伊利石 ; 伊利石年龄分析 ; 年龄牵引子

Abstract

Dating of shallow crusted faults has remained difficult. Although most brittle faults produce authigenic/synkinetic illite that can be used for radiometric dating, the fault gouges always retain detrital minerals, such as high-temperature 2M1 polytype illite/mica that make the radioactive age data questioned. However, with the introduction of the Illite Age Analysis method and the "Age-Attractor" method, illite K-Ar/Ar-Ar ages of each grain size fraction can be used for constraining the activity time of near-surface brittle faults. This paper first introduces the principles and assumptions of illite dating, and then reviews the history of the study of fault gouge dating, including the principles and background of the Illite Age Analysis method and "Age-Attractor" method. Then, the factors affecting the dating of illite are evaluated, and it is believed that Ar loss is negligible in the near-surface brittle fault domain, and whether the 2M1 polytype illite/mica is authigenic mineral is crucial for discussing the geological significance of illite age. Finally, it is pointed out that the illite dating method is not only used for shallow crusted fault dating, but can also constrain the deformation time of high-strain folds and tectonic mélange as well. In addition, if the main structural domains of subduction, accretion, and denudation in subduction zones are identified and dated, a complete temporal and spatial evolution process of the subduction zone can be obtained.

Keywords: Fault dating ; K-Ar/Ar-Ar age ; Illite ; Illite age analysis ; Age-attractor.

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本文引用格式

赵奇, 闫义. 伊利石K-Ar/Ar-Ar年龄约束浅地表断层活动时间:原理和潜力. 地球科学进展[J], 2021, 36(7): 671-683 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.062

ZHAO Qi, YAN Yi. Dating of Shallow Crusted Faults by Illite K-Ar/Ar-Ar Ages: Principles and Potential. Advances in Earth Science[J], 2021, 36(7): 671-683 DOI:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.062

1 引 言

陆壳浅层脆性断层是记录上地壳构造历史的独特档案,对构建区域构造框架、重建盆地演化模式以及研究造成地质灾害和工程问题的地震活动性断层具有重要意义。然而,如何确定陆壳浅层脆性断层活动时间仍然是个国际化的难题。值得庆幸的是,随着伊利石定年方法的发展及泥岩矿物定量技术的升级,利用断层泥自生伊利石约束浅地表脆性断层的活动时间逐渐演变成了一种可靠的应用方法。

伊利石是一种2∶1层型、二八面体式、含钾黏土矿物12。按照成因分类,伊利石可以划分为碎屑伊利石和自生伊利石。碎屑伊利石一般代表陆源区风化产物,老于其地层年龄,多属于高温伊利石34。自生伊利石则代表由地质事件或地质作用形成的伊利石,如同生、成岩、变质、断层或热液活动过程中产生的伊利石2。由于伊利石具有较高的钾元素含量,K-Ar法或40Ar-39Ar法同位素定年技术通常被用于伊利石的年代学研究。例如,对油气储层砂岩孔隙中的自生伊利石定年来探讨油气成藏时代5~8,对正常沉积泥页岩“哑层”的自生伊利石定年则可以约束哑地层成岩年龄239。陆壳浅层脆性断层活动时会形成低温自生伊利石。因此,对于脆性断层而言,伊利石K-Ar法或40Ar-39Ar法定年确定断层活动时间是同位素定年技术的一种新的潜在应用10

扫描电镜(Scanning Electron Microscope,SEM)和透射电镜(Transmission Electron Microscopy,TEM)可以用于判定伊利石的形态、变形特点和多型类别。研究结果表明,在一般情况下,断层泥中的伊利石组分由粗粒级碎屑/高温伊利石或云母(2M1多型)和细粒级同运动学/自生伊利石(1Md多型为主)组成,且最细粒组分中的伊利石为同运动学自生伊利石。通过利用自生伊利石分离提纯技术,如沉降—离心分离法1112、反复冷冻—解冻法1314以及微孔滤膜真空抽滤法15~17,粗粒级碎屑含钾矿物(如钾长石和白云母等)的含量能够随着样品粒级的减小得到大幅度的剔除。因此,断层泥最细组分的K-Ar或40Ar-39Ar同位素年龄可以用于限制断层活动的最大年龄18~22。Mottram等23对比分析了位于同一断层中断层泥的细粒伊利石(<0.2 μm)的K-Ar年龄与碳酸岩阶步/脉体的U-Pb年龄后,进一步证实了利用细粒伊利石的同位素年龄限定断层活动时间的可靠性。然而,通过上述分离提纯技术获取的断层泥最细组分中或多或少都会出现些许碎屑/高温成因含钾矿物(如钾长石和2M1多型伊利石/白云母)。另外,泥岩中黏土矿物结晶和生长机制极具复杂性,例如在某种热液条件下,伊利石会通过Ostwald熟化(Ostwald ripening)过程重结晶并粗化19202425,从而使得泥岩样品中的细粒伊利石年龄比粗粒伊利石年龄更老,促使年龄解释变得复杂。因此,如果不综合考虑其他中、粗粒级尺度的伊利石年龄及区域地质历史,直接将细粒伊利石年龄等同为同运动学/自生伊利石年龄是不可取的。伊利石年龄分析法和年龄牵引子法的提出克服了这一瓶颈,并使得获取自生伊利石端元年龄成为了可能。然而,国内鲜少有研究者开展相关的断层定年工作,本文对近20年来利用断层泥伊利石K-Ar或40Ar-39Ar年龄限定断层活动时间的发展历史进行了回顾,总结了伊利石年龄分析法和年龄牵引子法的基本原理, 评价了碎屑伊利石/云母对约束断层活动时间的影响,并指出了伊利石定年方法在限定高应变褶皱、构造混杂岩等其他高应变带变形时间方面的潜力。

2 伊利石定年原理

伊利石是富钾黏土矿物。40K放射性衰变会产生放射性成因氩(40Ar),通过测定样品的子体40Ar含量、母体40K含量和Ar同位素比例,利用放射性衰变定律就可以计算出伊利石结晶或自形成封闭体系以来的年龄。自生伊利石K-Ar或40Ar-39Ar年龄约束成岩年龄或断层活动时间实际上是K-Ar/40Ar-39Ar同位素年龄测试技术在黏土矿物领域的一种具体应用。因此,若想获得具有重要地质意义的伊利石K-Ar/40Ar-39Ar年龄则需要满足以下同位素年龄测定的基本原理和假设:泥岩矿物形成后,钾—氩体系保持封闭;样品中不含过剩氩;样品中非放射性成因氩为大气氩,且矿物形成时的初始40Ar/36Ar值与现代大气氩的40Ar/36Ar值相同;所测定样品中唯一含钾相是自生伊利石。

Clauer等26和Meunier等27详细讨论了自生伊利石K-Ar法定年假设的有效性和重要性,认为前两条假设主要与样品的形成环境及保存条件有关。一般来说,泥岩或泥质砂岩能保持封闭或近封闭体系27,但后期热液活动、构造作用和风化蚀变等会对年龄产生一定的影响2。第3条是K-Ar法定年的一种假设模式,这种通过假定初始40Ar/36Ar值所得到的年龄称为模式年龄或“视年龄”。由于分离提纯的最细粒级组分总是含有少量含钾矿物碎屑(如云母、钾长石等),或含有在不同地质阶段形成的伊利石相的混合物,Zwingwann等20~22认为获取具有地质意义的年龄的最大障碍为第4条,即保证样品中不含除自生伊利石外的其他含钾矿物。对于自生伊利石K-Ar/Ar-Ar法定年而言,碎屑含钾矿物是导致伊利石实测年龄偏老的主要原因。一般而言,新形成的伊利石最细,源自丝状颗粒的末端,代表最新一期的自生伊利石;粗粒级组分中的伊利石应在较早时期形成或源自物源区碎屑,年龄相对较老。因此,从断层泥中分离提纯所获得的最细组分的K-Ar/Ar-Ar同位素年龄一般只能代表断层活动的最大年龄19~22。然而,通过Ostwald熟化过程重结晶形成的伊利石颗粒中,细粒伊利石会比粗粒伊利石年龄更老2425。因此,随着泥岩矿物理论基础及实验技术的进步,与以往仅局限于测定样品中的细粒级(<2.0 μm)伊利石K-Ar/Ar-Ar年龄不同的是,在利用伊利石年龄测定技术对断层活动时间进行约束时,我们一般需要对不同粒级的断层泥样品分别进行同位素年龄测定,从而才能正确评价伊利石年龄的地质意义。

3 数据分析方法

依据多型差异,伊利石可以分为2个端元:2M1多型伊利石(或云母),稳定,形成温度大于280 °C4281Md/1M多型伊利石,只在较低温度下形成(<200 °C)28~30。越来越多的研究表明,当对断层泥样品的不同粒级组分(如<0.1、0.1~0.5、0.5~1.0、1.0~2.0和2.0~4.0 μm)进行伊利石K-Ar/Ar-Ar年龄测定时,所测年龄与颗粒尺度呈正相关,且2M1多型伊利石(或云母)的比例在绝大多数情况下也会随样品粒级减小而降低31~33。也就是说,通过Ostwald熟化过程结晶导致较粗粒伊利石年龄较老的现象在断层泥样品中极为少见19。断层泥样品中的粗粒级组分一般以2M1多型伊利石(或云母)为主,可能代表源区风化103132、早期断层活动或高温流体流动/蚀变等构造事件34~38。断层泥中小于0.1 μm(或更细)的伊利石通常为1Md/1M多型伊利石,其K-Ar/Ar-Ar年龄与断层岩记录的最后一幕变形时间最为吻合,可能代表断层最后一期活动过程中的同运动学/自生伊利石3639~41。中粒级组分的伊利石年龄一般被认为是2种多型端元的混合910。然而,绝大多数断层泥的最细粒级中难免也包含碎屑相伊利石(或云母),因此直接测定完全由断层作用形成的自生伊利石年龄几乎不可能103142

随着伊利石分离提纯技术和泥岩矿物定量技术的发展,绝大多数结晶相对较好的断层泥岩样品中各粒级组分的2M1多型伊利石(或云母)与1Md/1M多型伊利石的相对比例不难获得。一般而言,对于单次活动或地质历史相对简单的断层来说,断层泥样品中各粒级组分伊利石的年龄与2M1多型伊利石(或云母)的相对比例呈线性相关,满足双端元假设。以双端元假设为前提的伊利石年龄分析法(Illite Age Analysis, IAA)则可以成功获取自生伊利石端元年龄来约束断层活动时间。若断层重复活动并在各活动阶段经历重要的结晶作用,断层泥各粒级伊利石年龄与2M1多型伊利石(或云母)相对比例之间将不再表现为线性相关,但粒级—年龄图及离散型年龄“吸引子”法("age attractor" model)的引入使得我们有机会还原整个断层活动历史。另外,由于伊利石结晶较差以至于无法获取2M1多型伊利石(或云母)相对比例的情况,一般也利用粒级—年龄图来评估年龄的地质意义,从而避免了只测定细粒级组分伊利石K-Ar/Ar-Ar年龄导致年龄解释缺乏说服力的问题。

3.1 线性年龄数据解释

泥岩中各粒级组分的伊利石年龄与其2M1多型伊利石(或云母)相对比例呈现线性相关的现象最早是由美国埃克森公司主导研究沉积盆地热历史时发现的。该公司研究成果的专利性质使得详细的研究结果不能以学术论文的形式发表。20世纪初,van der Pluijm和密歇根大学的伊利石年代研究小组对该技术进行了再发明和改进。基于泥岩粉末样品及定向样品的X射线衍射谱图,通过WILDFIRE软件迭代建模计算样品中的2M1多型伊利石(或云母)相对于1Md/1M多型伊利石的百分比43,或通过NewMod程序模拟计算未变形页岩中自生(I-S混合层)伊利石与碎屑伊利石的相对含量29,van der Pluijm及Pevear等终于通过发表科学论文的方式将应用于盆地演化分析的伊利石年龄分析技术引入人们的视野39

Pevear3指出,沉积盆地泥岩样品各粒级中的2M1伊利石(或云母)相对于1Md/1M多型伊利石的百分比与各粒级的表观K-Ar/40Ar-39Ar总气体年龄呈正相关,若假设各粒级组分的伊利石表观年龄代表碎屑伊利石(2M1伊利石/云母)及自生成岩伊利石(1Md/1M多型)2个端元的混合年龄,那么将各粒级的表观年龄与对应的2M1伊利石(或云母)多型比例作线性回归,并外推至0%和100%的2M1伊利石(或云母)多型,即可确定成岩年龄和碎屑端元年龄(图1)。外推获取的成岩年龄代表自生伊利石在沉积盆地中生长的平均年龄,而碎屑端元年龄则代表源区白云母抬升剥蚀或冷却到280 °C以下的平均年龄3。这项工作被Pevear3称为IAA,该方法证明了即使当泥岩中含有残余的碎屑2M1伊利石(或云母),获取自生伊利石端元的绝对年龄是可行的。

图1

图1   伊利石年龄分析流程图

Fig. 1   Flow chat of illite age analysis


3.1.1 IAA假设

IAA存在诸多假设。首先,伊利石年龄分析需要我们将页岩中的伊利石看作是两端元组分混合体系,即1Md/1M多型伊利石代表成岩伊利石端元,而2M1伊利石(或云母)代表碎屑端元。低温1Md/1M多型伊利石为成岩伊利石是显而易见的,例如,只包含成岩/自生伊利石的膨润土(Bentonites)中的所有伊利石类型均为1Md/1M多型伊利石3。另外,由于成岩伊利石较细,更容易风化,很少能在经历了漫长搬运过程之后继续保留。相反,2M1伊利石(或云母)的形成温度高、稳定、颗粒大,从而不会是低温成岩环境下的产物,其通常以外来碎屑的形式进入沉积物。因此该假设一般情况下是成立的。

其次,伊利石年龄分析法还假设同一多型的伊利石形成时代一致。倘若盆地经历了复杂的热历史,受到2期或更多期适合伊利石生长的热事件影响,从而形成不同年龄的自生伊利石,IAA技术无法推断出与这些热事件一一对应的年龄3。因此,IAA技术仅适用于盆地热演化历史相对简单的沉积环境。实测2M1多型伊利石(或云母)的百分比含量与其K-Ar/40Ar-39Ar年龄的线性关系在评估双端元假设及盆地历史是否简单时非常有用,因为盆地若遭受多期适合伊利石自生的热事件,各粒级自生伊利石百分比和年龄数据之间是不太可能呈现线性关系的,也就是说多于2个端元的混合将造成年龄更具复杂性42。因此,样品的IAA图是否表现为线性同样是评价两端元组分混合体系的假设成立与否的关键。

再者,IAA技术还假设样品中伊利石的Ar损失可以忽略不计。相比于大晶体而言,小晶体颗粒一般更容易损失Ar284445。小晶体通常含有更少的缺陷,而缺陷可以控制氩的损失(原子跳跃与沿裂纹向下的迁移)。此外,如果一个晶体被破坏而失去Ar,它很可能也会失去同一区域的K,在这种情况下,K-Ar年龄不会受到影响3。正常成岩环境下,温度一般不会超过导致伊利石Ar大量损失的封闭温度(250~350 °C)344546。因此,一般情况下,关于Ar损失可以忽略不计的假设也是可以满足的。综合以上观点,伊利石年龄分析是一种有效的确定自生伊利石端元年龄的方法。

3.1.2 IAA技术运用:断层定年

van der Pluijm等10尝试性地将IAA技术推广至浅地表脆性断层带,并发现断层泥样品中的2M1多型伊利石(或云母)的百分比含量与其40Ar-39Ar年龄也具有良好的线性关系。更令人惊喜的是,利用IAA技术进行线性延伸获取的下截距年龄(0% 2M1多型,自生端元)与利用地层切割关系获取的断层活动年龄一致,很好地代表了断层活动时间。也就是说,双端元组分混合假设在断层泥样品中也普遍成立,并且自生伊利石端元在断层活动过程中形成,可能由应变驱动的溶解—沉淀反应控制47。这种形成于浅地表脆性断层中的自生伊利石一般受运动学控制,而非平衡热力学控制47。自此以后,IAA技术限定断层活动时间的方法得到了广泛的认证和运用121831~333948~52。利用IAA技术限定断层活动时间的方法解决了原来仅利用断层泥中最细粒组分伊利石年龄限定最后一幕主要断层活动时间偏老的问题。

尽管IAA图的下截距(自生端元)代表断层活动时间被广泛认可,但对于上部截距(100% 2M1多型)的解释仍然存在较大争议。2M1多型伊利石(或云母)的结晶温度一般大于280 °C,van der Pluijm等10将IAA图的上截距(100% 2M1多型,碎屑端元)解释为源区抬升剥蚀通过约280 °C等温线时的年龄,认为其对探索物源具有一定的指示意义。van der Pluijm等31采集了位于加拿大落基山脉同一个断层带内的多个断层泥样品,利用IAA方法获得了比较一致的、代表断层活动时间的自生伊利石端元年龄(约51 Ma),却发现碎屑端元年龄之间具有较大的差异(100~162 Ma)。尽管该研究中的100% 2M1多型端元年龄均大于地层沉积时间,并与研究区西部岩体漫长的中生代冷却时间基本一致,但鉴于同一个断层带内碎屑端元年龄比较分散,IAA方法在物源追索方面的潜力可能不大31。碎屑端元年龄的地质意义仍待进一步探索。

在IAA技术仍然适用的情况下,有些断层泥样品表现为2M1多型端元年龄小于围岩年龄,明显不是碎屑来源。例如,Zwingmann等22测定以正片麻岩为围岩的断层泥样品中各粒级组分的伊利石Ar-Ar年龄时发现,尽管断层围岩仅含极少量的2M1多型白云母(<10%),断层泥中的2M1多型伊利石/云母却异常丰富(约60%)。另外,邻区岩体白云母K-Ar和40Ar-39Ar年龄(16~19 Ma)5354又明显老于断层泥样品的100% 2M1多型端元年龄(约10 Ma)。因此,2M1组分显然不是碎屑,它要么是遭受了同位素时钟的重置,要么是代表断层泥中新生长的高温伊利石。同样,Song等50在研究韩国Chugaryeong断层带时也发现围岩中缺少2M1多型伊利石/云母,但断层泥中2M1多型伊利石/云母比较丰富且100% 2M1多型端元年龄与区域火成岩活动时间一致。因此,他们认为2M1组分可能代表岩浆活动过程中热液作用的产物。Aldega等52也发现西班牙伊比利亚北部Vallès‐Penedès断层泥中的100% 2M1多型端元年龄明显小于围岩的沉积年龄,认为其2M1组分是遭受区域变形或高温热液流体活动作用而形成的自生/同运动学矿物。

综上所述,若断层泥样品中各粒级组分的伊利石年龄分布符合IAA假设(有且仅有2个单元混合),其自生伊利石端元一般能够很好地限定最后一期主要断层活动时间,而其100% 2M1多型端元年龄则需要结合围岩年龄及区域地质历史进行合理的解释。当100% 2M1多型端元年龄大于围岩年龄时,2M1组分可能代表物源碎屑;当100% 2M1多型端元年龄小于围岩年龄时,2M1组分则可能代表遭受区域变形或受高温热液流体活动作用的产物。

3.1.3 IAA技术限定断层活动的局限性

IAA技术运用的前提是样品中有且仅有2期不同多型的伊利石单元混合。基于双端元混合模型的100% 1Md/1M多型伊利石的年龄一般记录的是独立的断层活动事件,如短暂的或受短期流体作用的断层活动123139。倘若断层被多次激活而重复活动,每次断层活动伴随新的自生伊利石生长,且早期形成的自生伊利石被完全重置,则100% 1Md/1M多型端元年龄一般代表了该断层最后一期主要活动时间1239。然而,若多期断层活动产生了多个自生伊利石群,且早期形成的伊利石被部分保留,理论上则很难再利用伊利石年龄分析法限定断层活动时间。因为不同时期同一多型的伊利石无法通过X射线衍射分析进行区别,从而会产生一个伪端元。因此,IAA技术运用的重要前提是需要进行双端元混合假设。如前所述,实测2M1多型伊利石(或云母)的百分比含量与其K-Ar/40Ar-39Ar年龄的关系可以用于评估双端元假设是否成立。如果在同一个断层泥样品中存在断层后成岩作用,或保存了来自围岩的多相碎屑伊利石,又或在不同期次断层活动过程中均产生自生伊利石,各粒级自生伊利石百分比和对应的同位素年龄之间的线性关系是不太可能的,因为线性关系要求各期次的自生伊利石在同一粒级中保持相同的比例,这实际上是很难满足的。多于2个端元的混合势必将造成年龄—颗粒尺度关系更具复杂性42。因此,IAA技术仅仅适用于简单的两端元混合——有且仅有2期并具有多型差异的伊利石混合。

3.2 非线性/离散性年龄数据解释

由于断层泥中的伊利石之间缺乏明显的矿物学差异以至于无法通过X射线衍射数据进行多型分析2034,或者由于断层重新活动导致相同多型的伊利石在不同时期形成以至于样品中的K-Ar/40Ar-39Ar年龄和伊利石多型百分比之间线性关系不成立355556,IAA技术从而无法应用。这就需要研究者仔细考虑各粒级伊利石年龄随颗粒尺度的分布规律并充分结合区域地质背景、古地温结构及抬升剥蚀历史(如低温热年代学数据)对数据进行合理的解释。

3.2.1 初步解释

Zwingmann等20最早对澳大利亚新南威尔士州悉尼盆地中与澳大利亚边缘裂解相关的多个正断层及其围岩的不同粒级组分进行了伊利石K-Ar定年和比较分析。由于粒径小于0.5 μm的组分主要以伊—蒙混层为主,且X射线衍射(X-Ray Diffraction,XRD)分析无法识别该粒级及以下的2M1多型,伊利石年龄分析法无法实施。Zwingmann等20提出了一个新的研究方法,即直接利用不同粒级的K-Ar年龄与粒级的关系做图。研究发现,尽管有一个样品的伊利石年龄随着颗粒尺度减小而增加,绝大多数样品的伊利石年龄随着颗粒尺度减小而减小,且粒径小于0.1 μm,小于0.4 μm和小于2 μm的样品的伊利石K-Ar年龄相对集中(119~150 Ma),代表与早白垩纪澳大利亚东部边缘裂解相关的最后一期断层活动。围岩各粒级组分的伊利石K-Ar年龄相比同粒级的断层泥样品要老许多。这反映了断层泥确实经历了与围岩不同的溶解—沉淀反应47。Zwingmann等20认为围岩中大于沉积年龄的粗粒组分应代表碎屑,细、中粒组分则是早期成岩作用的产物。越细粒组分年龄越老的负相关现象是断层泥样品中偶尔出现的特例,可能与Ostwald熟化过程有关,但其具体成因仍然是个开放性的问题。

Zwingmann等19进一步对欧洲阿尔卑斯山地区切过花岗岩区或高等变质岩区的多个断层的断层泥样品进行研究。结合区域锆石和磷灰石裂变径迹年龄数据,Zwingmann等19发现粒径小于2 μm的断层样品的同运动学/自生伊利石K-Ar年龄之间差别不大,并落入邻区围岩锆石裂变径迹年龄和磷灰石裂变径迹年龄之间,趋于磷灰石裂变径迹年龄 (图2)。该研究说明同运动学/自生伊利石生长(或K-Ar同位素体系封闭)的温度范围为120~150 °C,形成于伊利石稳定场而非伊—蒙混层稳定场。粒径小于2 μm的样品伊利石K-Ar年龄相对一致,代表断层最后一期主要活动时间。

图2

图2   断层泥各粒级伊利石K-Ar年龄与磷灰石裂变径迹和锆石裂变径迹年龄范围的关系19

ZFTA: 锆石裂变径迹年龄; AFTA: 磷灰石裂变径迹年龄

Fig. 2   K-Ar age results showing the variation in age with size fraction and the good correspondence between the ages obtained and the upper and lower age constraints imposed by zircon and apatite fission track ages19

ZFTA: Zircon Fission Track Ages; AFTA: Apatite Fission Track Ages


以上结果均表明断层泥样品中最细组分的K-Ar年龄一般最为年轻,并可以用于约束最后一次断层活动时间。但是,导致断层样品的细粒组分与中细粒组分的伊利石K-Ar年龄在误差范围内一致或近似一致的原因仍值得进一步探索研究。

3.2.2 “年龄吸引子”的引入

Torgersen等34在研究挪威北部的Kvenklubben断层时发现,在年龄—颗粒粒度图中,最粗2个粒级样品及最细的2个样品的年龄在误差范围内分别相同或非常相似(坪年龄;图3)。结合前人的研究,他们正式提出了“年龄吸引子”模式("age attractor" model),并认为年龄—颗粒粒度图可解释为原岩(碎屑岩、火成岩、变质岩或早期断层岩)伊—蒙混层(I/M)和细粒自生/同运动伊—蒙混层(I/M)之间的伪混合曲线。这一概念模型认为,断层泥中最细粒级组分的年龄仍代表最后一次断层活动的时间,并充当年龄—粒级混合曲线向真实的断层活动时间收敛的年龄吸引子(图3)。中粒级组分则代表在断层活动过程中,年轻的自生I/M在原有的粗粒原岩I/M表面生长形成的复合体,或自生I/M颗粒和破碎的粗粒原岩I/M颗粒的物理混合(图3和4),其年龄为混合年龄。因此,当断层在相同温度或更高温度下重复激活时,中粒级的I/M年龄没有任何地质意义。但若最粗的颗粒为高温2M1多型伊利石(云母)且其年龄小于围岩年龄,同时断层后期活动是在更低的温度下进行以至于只能产生1Md多型伊利石。那么,最初产生粗粒高温2M1多型伊利石(云母)的断层活动或热液流体事件的时间也可以被约束[图4(a)、(d)和(h)]。

图3

图3   K-Ar年龄—颗粒尺度图

Fig. 3   K-Ar age-grain size pattern


图4

图4   对“年龄吸引子”模式混合曲线的概念解释(据参考文献[34]修改)

Fig. 4   Conceptual "age attractor" model for the interpretation of K-Ar age-grain size patterns as mixing curvesmodified after reference 34])


Viola等36和Tartaglia等57对挪威西南部的多期重复活动断层中的不同结构域的断层泥进行定年研究时,同样发现了类似的细粒级坪年龄,从而证明了“年龄吸引子”模式的适用性。他们结合详细的断层结构以及区域地质背景,分析论证了断层中的同构造伊利石自生作用的强弱受断层活动的强度及热液流体活动影响,从而提高了对“年龄吸引子”模式的理论背景的理解。对于脆性断层岩中的伊利石而言,坪年龄的出现是一种非常罕见的情况,因为断层作用期间非常重要的伊利石自生作用才能使得伊利石在该时期于不同粒级组分中同时生长[图4(d)和(g)]52,这在低温脆性断层域是比较罕见的。无论如何,当样品中细粒级组分的伊利石年龄表现为坪年龄分布时,最细组分的伊利石年龄可以代表最后一期主要断层活动的时间。

“年龄吸引子”模式的引入,使得伊利石定年技术不仅能够限定断层活动的最后一期主要滑动事件,若结合详细的断层结构分析,区别不同阶段的主要构造域并进行采样定年,那么还原长期活动或多期重复活动断层的整个活动历史也成为了可能(图4)。上述研究表明,在断层强烈活动或受高温热液作用影响时也会形成2M1多型伊利石/云母[图4(d)和(g)]。

4 影响因素

对于自生伊利石K-Ar定年而言,主要影响定年准确性的是Ar损失。2M1多型伊利石/云母是否在断层活动过程中自生也是还原断层活动历史必须考虑的问题。

4.1 Ar损失

自生伊利石形成后,若受到外部加热会致使Ar损失。模拟实验表明,粒度小于0.2 µm的伊利石初始Ar扩散在约250 ℃温度条件下持续5 Ma以上才开始3446。然而,千年尺度的快速加热—冷却模拟实验中,Ar损失在小于350 ℃的温度条件下可以忽略不计45。另外伊利石也称为水白云母,根据Dodson58的封闭温度方程、圆柱几何体晶形的白云母扩散参数(活化能E=64 kcal/mol,频率系数Do=4 cm2/s,有效扩散半径0.05~2 μm)59以及冷却速率1~10 °C/Ma,Duvall等42计算获得的伊利石封闭温度(Tc)为250~350 °C,与上述模拟实验结果一致。因此,如果断层活动后期不受高温热液活动影响,在近地表脆性断层域中,外部热引起的Ar损失可忽略不计。

4.2 2M1伊利石/云母自生与否

尽管断层在高温条件下活动或受热液影响可能会形成自生高温2M1伊利石/云母,围岩有无碎屑2M1伊利石/云母也是验证2M1伊利石是否自生的一个关键干扰因素。Haines等12依据围岩的差异,将以沉积岩为围岩的断层活动中产生自生黏土矿物的过程称为进向矿物学反应(prograde mineral reactions),而围岩为高温变质岩或火成岩的断层作用产生自生黏土矿物的过程称为逆向矿物学反应(retrograde mineral reactions)。对于围岩为不含黏土矿物的高温变质岩或火成岩中的断层来说,断层泥不会包含由围岩破碎而机械性混入的黏土矿物。因此,可以假设所有的黏土矿物都是由断层作用形成的。也就是说,如果围岩由高级变质岩或岩浆岩组成,断层活动前不存在先导黏土矿物,那么对伊利石年龄的解释就更直观了。

由于阿尔卑斯山地区的构造演化过程比较明朗,为探明逆向矿物学反应中的断层泥伊利石年龄的地质意义提供了极大的便利。Zwingmann等22最先测试研究了阿尔卑斯山地区以高级变质岩和火成岩为围岩的Periadriatic断层,发现尽管伊利石K-Ar年龄随着颗粒尺度的减小而变年轻,2M1伊利石/云母的含量却没有表现为单调递减。这意味着样品中可能有些许2M1多型伊利石/云母自生。如果利用伊利石年龄分析法,断层泥中2M1端元年龄(约10 Ma)会明显小于围岩白云母年龄(16~19 Ma)。因此,2M1多型伊利石/云母显然不是碎屑,它要么代表遭受同位素重置的原岩白云母,要么代表断层活动过程中新生长的高温伊利石,或者是两者混合的产物。由于原岩中的2M1多型白云母含量(<10%)远小于断层泥样品中的2M1组分含量(可达80%),结合TEM图像中2M1伊利石/云母形状规则、边界平直等特点,Zwingmann等22认为该断层泥中绝大多数2M1组分代表自生高温伊利石。该断层在约10 Ma在较高温度条件下活动,并恰好位于脆—韧性转换带之上或受断层带高温热液流体影响形成2M1伊利石。随着温度降低,断层泥中的1Md/1M伊利石开始生长并持续到至少4~5 Ma(最细粒级伊利石年龄)22。值得注意的是,该研究认为在比伊利石稳定场温度更低的温度条件下,断层活动仍在进行,但蒙脱石(不含K)的同运动生长不能被K-Ar同位素时钟记录。这一观点还需要进一步的研究来予以证实。

除了证明2M1多型伊利石/云母可以在围岩为不含黏土矿物的高温变质岩或火成岩的断层活动过程中自生以外,Zwingmann等56发现韩国太白山盆地中以沉积岩为围岩的Deokpori逆冲断层泥中的2M1多型伊利石/云母含量同样不随颗粒尺度的减小而降低。结合晶体学特点,样品中应该也含有自生高温2M1多型伊利石/云母。由于2M1多型伊利石/云母的相对含量比较均一[2M1/(2M1+1Md/1M)为37%~63%],利用IAA技术进行线性延伸获取的端元年龄会具有非常大的误差,因此IAA法不可行。但值得注意的是,不论2M1多型伊利石/云母值是多少,较粗粒级组分(<2、2~6和6~10 um)的伊利石K-Ar年龄的平均值在误差范围内均相同。Zwingmann等56认为这些粗粒级K-Ar年龄平均值代表与侏罗纪Daebo构造事件相关的逆冲断层在白垩纪时期重新激活的年龄,可能指示最初的断层泥形成时间。最细粒组分中的1Md/1M伊利石年龄仍然代表了最后一期脆性断层活动的最大年龄。

尽管上述研究表明,无论2M1多型组分自生与否,断层泥最细粒级组分中的伊利石年龄可以约束断层最后一期活动。但是,2M1多型伊利石/云母不仅可能代表源区风化103132,还可能代表早期断层活动或高温流体流动/蚀变等早期构造事件34~38。因此,在研究断层活动历史时,我们要综合考虑围岩性质、断层早期活动温度、热液流体作用以及其他可能造成高温伊利石/云母自生的地质事件,从而对2M1组分年龄及其对自生伊利石端元年龄的影响做出合理的判断与解释。有条件时,需要结合围岩2M1组分年龄进行辅助分析。

5 未来发展趋势及应用

断层泥伊利石K-Ar/Ar-Ar定年技术和衍生的方法已经成为了在限定浅地表断层活动时间方面比较可靠的地质方法。该方法的成熟得益于自生伊利石分离提纯技术、能进行矿物识别及泥岩矿物定量的XRD、识别泥岩矿物晶体形态及多型的TEM,以及K-Ar放射性同位素定年技术的发展和进步。另外,利用伊利石定年技术直接限定与区域剥蚀相关的浅地表断层活动时间的方法还可以弥补单一利用围岩低温热年代学数据约束断层或断裂活动时间造成的多解性6061。随着伊利石定年方法及其衍生技术的发展,这一方法的运用不局限于盆地分析及脆性断层年代学的研究,而逐渐扩展到浅地表高应变集中区,如高应变褶皱、构造混杂岩等。

5.1 高应变褶皱定年

浅地表脆性断层泥中的自生伊利石在低温环境下形成,其矿物学反应受运动学控制而非平衡热动力学控制47,也就是说,断层泥中的自生伊利石一般代表的是同运动学伊利石,是受应变作用下的溶解—沉淀反应控制的。因此,该方法不仅在研究断层活动时间方面被广泛运用,还被尝试性地推广到高应变褶皱年代学研究62。在高应变褶皱带获取的自生伊利石端元年龄与利用地层关系限定的褶皱时间高度一致,Fitz-Diaz等62因此认为伊利石定年方法在浅地表/极低变质条件下形成的含黏土矿物褶皱的定年研究中也具有非常大的潜力。该方法可能为限定前陆造山带,无论是区域性还是局部性变形的时间和速率提供有力的约束。

5.2 构造混杂岩变形年龄限定

Tonai等32在对日本Shimanto增生楔中的Minami-Awa古地震断层进行年代学研究的同时,还尝试性地将伊利石定年方法运用于约束板块边界构造混杂岩基质的成岩年龄工作中。值得注意的是,Minami-Awa古地震断层泥中伊利石年龄与颗粒尺度和碎屑云母/伊利石含量均无关,并表现为相对一致的K-Ar年龄范围(29~23 Ma),Tonai等32认为断层泥样品中一致的年龄可能与该古地震断层重新活动时受摩擦加热或高温流体运移等引起的Ar扩散相关。对于Mugi混杂岩基质来说,随着颗粒尺度减小,2M1多型伊利石/云母比例及伊利石K-Ar年龄均减小,其年龄符合IAA假设。Tonai等32认为Mugi混杂岩基质的自生伊利石端元年龄代表了混杂岩在俯冲“管道”中的成岩年龄,而碎屑端元则代表了物源区风化产物。

Zhao等63对俯冲构造混杂岩的伊利石年龄意义进行了进一步的发掘探索,他们综合了婆罗洲沙捞越地区与俯冲相关的Lubok Antu混杂岩基质的宏观及微观变形特点、自生伊利石的晶体形态结构、镜质体反射率反演的最大古地温和区域地质背景,认为俯冲“管道”构造混杂岩基质的自生伊利石端元年龄应代表其在俯冲“管道”中的变形年龄,可以用于约束俯冲时间。尽管该研究结合详细的构造及古温度分析认为俯冲后期构造套印的影响极微,以至于伊利石年龄不会被重置,从而保留了其在俯冲“管道”中的变形同位素特点。但是,在有些典型的俯冲—碰撞造山带中,由于后期碰撞造山过程中的应变容易集中于构造混杂岩及其边界断层等相对薄弱的区域64,后期的增生、剥蚀过程同样可能产生自生伊利石,从而使得年龄的解释变得复杂。

Viola等36对西挪威Goddo断层的内部构造进行了详细的解耦,发现由于断层的多期活动,同一个断层内不同构造域对不同阶段的断层活动起主要调节作用。Viola等36对不同构造域的断层泥进行伊利石年代学分析,并结合区域地质历史还原了一个完整的断层活动过程。Tartaglia等57对南挪威的一个主要剪切带断层进行了详细的构造分析,区分了5个不同的脆性构造域,也识别了该长期活动断层的多期滑移事件。

综上所述,混杂岩基质能够记录变形年龄,同一个断层带内不同构造域的同运动学/自生伊利石会记录该构造域在断层活动过程中被激活的时间。本文认为,如果能够识别一个完整俯冲过程中不同阶段(俯冲、增生、剥蚀)的构造主控区域,例如,主要记录在俯冲“管道”内变形的构造混杂岩,控制混杂岩侵位的双重逆冲构造(duplex structure)及与混杂岩剥蚀相关的反序逆冲断层(out-of-sequence thrusting)等,然后开展详细的结构分析和伊利石定年工作,将有助于完成对整个俯冲带循环过程(俯冲—增生—剥蚀)的时间约束。

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