海南島北部晚中-新生代剝露過程的低溫年代學(xué)約束

石紅才，謝 輝，趙維娜，劉唐偉，孔德明

海南島北部晚中-新生代剝露過程的低溫年代學(xué)約束

石紅才1,2，謝 輝1,2，趙維娜2,3，劉唐偉4，孔德明1,2

（1. 廣東海洋大學(xué)陸架及深遠(yuǎn)海氣候、資源與環(huán)境廣東省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 湛江 524088；2. 廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東 湛江 524088；3. 西北工業(yè)大學(xué)青島研究院，山東 青島 266200；4. 東華理工大學(xué)理學(xué)院，江西 南昌 330013）

【目的】研究海南島大地構(gòu)造在中-新生代的隆升剝露過程與熱演化史，為華南地塊的構(gòu)造演化提供有力證據(jù)?！痉椒ā坷昧谆沂炎儚桔E(AFT)、磷灰石及鋯石(U-Th)/He等構(gòu)造熱年代學(xué)研究方法，重建海南島北部巖體的構(gòu)造-熱演化歷史，分析侵入巖體在不同構(gòu)造熱演化階段的冷卻剝蝕速率，并進(jìn)一步探討巖體隆升過程的動(dòng)力學(xué)過程?！窘Y(jié)果】AFT年齡介于（33.3 ± 2.5）～（45.0 ± 3.5）Ma之間，磷灰石平均長度為（12.68 ± 0.28）～（13.04 ± 0.9）μm；磷灰石(U-Th)/He (AHe) 單顆粒年齡（36.3 ± 2.2）～（60.2 ± 3.7）Ma，鋯石(U-Th)/He (ZHe) 單顆粒年齡為（79.5 ± 4.9）～（98.4 ± 6.1）Ma及（37.1 ± 2.3）～（59.6 ± 3.7）Ma。聯(lián)合反演熱史揭示，研究區(qū)巖體自晚白堊世(約100 Ma) 以來的冷卻過程有明顯的差異性，可分為4個(gè)階段：1）約100 ～ 45 Ma相對緩慢冷卻階段；2）約45 ～ 35 Ma快速冷卻剝蝕階段；3）約30 ～ 35 Ma至10 Ma緩慢冷卻過程；4）約10 Ma以來再次快速冷卻剝露?！窘Y(jié)論】海南島北部花崗巖體階段性抬升冷卻與(古) 太平洋板塊的俯沖后撤、西南部印度-歐亞大陸碰撞和中新世晚期菲律賓海板塊向西俯沖擠壓有關(guān)。海南島北部在I、II期(始新世晚期) 剝蝕階段基本造成總剝蝕量的2/3。

海南島；裂變徑跡；(U-Th)/He；新生代；剝露過程

海南島大地構(gòu)造位置位于歐亞板塊、印度板塊和太平洋板塊的匯合部位，屬于華南地塊南部。由于其獨(dú)特的大地構(gòu)造位置和地理位置，在研究中國東南部構(gòu)造格局演化中有重要地位[1]。自中生代以來，華南先后或同時(shí)坐落在兩個(gè)最具活力的構(gòu)造域邊界——東部（古）太平洋俯沖帶和西部印度-歐亞板塊碰撞帶。兩個(gè)構(gòu)造域強(qiáng)烈的單一作用或相互作用引起華南廣泛的陸內(nèi)變形，包括陸內(nèi)裂谷、大規(guī)模斷裂帶、伸展盆地以及大規(guī)模巖漿作用[2-7]。目前已對海南島中生代花崗巖開展年代學(xué)、巖石學(xué)、巖相學(xué)以及地球化學(xué)等研究[8-15]，研究巖漿物質(zhì)來源、殼-幔相互作用、巖漿演化過程及地球動(dòng)力學(xué)背景有重要意義。

新生代以來，太平洋板塊代替古太平洋板塊俯沖于歐亞板塊之下，并進(jìn)一步俯沖后撤，因強(qiáng)烈的伸展裂陷作用向東遷移，形成NNE向的走滑拉分?jǐn)嘞菖璧厝篬16]，此時(shí)華南大陸大面積中生界地層被抬升或成為裂陷盆地肩部而露至地表，上白堊統(tǒng)的強(qiáng)烈褶皺變形和剝蝕指示該地區(qū)新生代期間至少有千米級的上覆地層被剝露去頂，說明該地區(qū)存在相當(dāng)幅度的剝蝕作用[6,17]。海南島是一長期出露的島嶼，分布有大量的中生代花崗巖，其抬升冷卻和剝露歷史不僅可反映該島地貌的演化，可能還可提供南海北部陸緣構(gòu)造演化、動(dòng)力學(xué)機(jī)制和沉積充填耦合方面的信息[8,18]。然而，海南島新生代以來的剝蝕過程研究較為缺乏，中生代花崗巖記錄的大量熱演化信息尚未引起足夠重視[18]。這些熱史信息記載了地殼淺部的剝露過程，是地殼深部構(gòu)造活動(dòng)和地表過程的綜合結(jié)果，是揭示南海西北部邊緣構(gòu)造-熱演化過程及地球動(dòng)力學(xué)研究的關(guān)鍵。

磷灰石裂變徑跡（AFT），磷灰石(U-Th)/He（AHe）、鋯石(U-Th)/He(ZHe)等低溫?zé)崮甏鷮W(xué)技術(shù)是研究地殼表層幾千米巖石剝露過程的有效手段，有同時(shí)記錄熱歷史信息和冷卻年齡的特點(diǎn)，已廣泛用于造山帶及礦床隆升、剝蝕及熱史演化研究[8,17,19-20]，通過礦物特定溫度范圍約束巖石冷卻-剝蝕的時(shí)間和速率。AFT系統(tǒng)封閉溫度為100 ～ 120℃，相應(yīng)部分退火帶(PAZ)為60～120℃[21-22]；AHe系統(tǒng)封閉溫度約75℃，相應(yīng)部分滯留帶約40 ～ 80℃[23]；ZHe系統(tǒng)封閉溫度約170～190℃，相應(yīng)部分滯留帶約110～180 ℃[24]，對近地表(3 ～ 6 km) 的地貌演化過程非常敏感。為獲取海南島北部晚中生代以來的冷卻抬升及構(gòu)造演化過程，本研究利用磷灰石裂變徑跡，磷灰石、鋯石(U-Th)/He低溫?zé)崮甏鷮W(xué)技術(shù)，研究海南島北部花崗巖體自晚中生代以來的構(gòu)造冷卻剝蝕事件，重建海南島北部花崗巖體的構(gòu)造-熱演化歷史，分析巖體剝露速率的變化特征，進(jìn)一步探討海南島北部花崗巖體冷卻剝露過程及其地球動(dòng)力學(xué)意義。

1 地質(zhì)背景

海南島是中國東南陸緣海域中最大島嶼之一，與華南大陸以瓊州海峽相隔，其構(gòu)造演化過程明顯受太平洋構(gòu)造域和特提斯構(gòu)造域兩大地球動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)控制。中生代以來，有十分復(fù)雜、強(qiáng)烈地質(zhì)構(gòu)造演化歷史[25-28]。海南島主要以長城系變火山巖和砂泥質(zhì)變沉積巖組成結(jié)晶基底，屬于中元古代抱板巖群(分為戈枕村組和俄文嶺巖組)，時(shí)代為1 400 ～ 1 800 Ma[28]。其他沉積地層極不發(fā)育，僅占全島面積的18.6%，剩余出露部分基本為巖漿巖[29]。海南島在地質(zhì)演化過程中經(jīng)歷了晉寧、加里東、海西、印支、燕山和喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)等多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。多次強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，使本區(qū)形成各種各樣的構(gòu)造形跡。總的來說，晉寧運(yùn)動(dòng)、加里東運(yùn)動(dòng)和海西運(yùn)動(dòng)主要使巖層發(fā)生了褶皺作用，并伴隨強(qiáng)烈的斷裂作用和酸-基性巖漿的侵入；印支運(yùn)動(dòng)和燕山運(yùn)動(dòng)除地層褶皺顯著加強(qiáng)外，主要表現(xiàn)為強(qiáng)烈的斷裂作用和大規(guī)模的酸性巖漿侵入和噴發(fā)活動(dòng)，喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)則以斷塊作用和基性巖漿噴發(fā)為特征[30]。不同期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的疊加使得海南島的構(gòu)造活動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜。海南島的構(gòu)造樣式主要表現(xiàn)為大的斷裂，構(gòu)造線方向?yàn)闁|-西向和北東-南西向，其次為北西向。東西向構(gòu)造自北到南主要包括王五-文昌斷裂、昌江-瓊海斷裂、尖峰-吊羅斷裂和九所-陵水?dāng)嗔裑8-9,25,27-28]。北東-南西向構(gòu)造主要為北東-南西走向的白沙斷裂和戈枕斷裂。這些構(gòu)造可能形成于古生代-中生代或更早時(shí)期[31]。

海南島有大面積巖漿巖分布，出露面積約占全島陸域面積的72%，其中侵入巖約占全島面積49%[32]，火山巖約占全島面積23%，主要為中酸性、酸性侵入巖和酸性至基性火山巖(圖1，據(jù)文獻(xiàn)[8, 10]修改)[33]。海南島最早的中元古代和新元古代侵入巖僅占海南島面積的0.46%。在島內(nèi)的石碌-公愛地區(qū)出露有中元古代花崗質(zhì)巖石，鋯石SHRIMP U-Pb 定年獲得形成年齡為1 400 ～ 1 460 Ma[25-26]。海西-印支期花崗巖出露最多，超過全島巖漿巖總面積的一半，巖體形成時(shí)代為220 ～ 280 Ma[27,34]。燕山期花崗巖占海南島面積的13%，主要分布在白沙斷裂以南，巖性主要為黑云母二長花崗巖和花崗閃長巖，年齡為80 ～ 160 Ma[35]。海南島地層出露相對較全，除泥盆系和侏羅系暫時(shí)沒有證據(jù)可考證之外，其余的從遠(yuǎn)古代到第四紀(jì)地層皆有分布。由于海南島的構(gòu)造活動(dòng)頻繁，加之伴隨的大量、多期次的巖漿侵位和噴發(fā)，海南島地層大都受到后期巖漿的不同程度破壞。

圖1 海南島區(qū)域地質(zhì)圖[8,10]及巖漿分布

2 巖體特征及樣品信息

為了解海南島北部晚中生代以來的構(gòu)造隆升剝露過程，在海南島北部沿其E-W向剖面從內(nèi)陸-沿海分別在儋州巖體、屯昌巖體、梅嶺及龍樓巖體獲取8個(gè)樣品，均位于王五-文教斷裂與昌江-瓊海斷裂之間，并盡量遠(yuǎn)離斷裂帶(表1)，但部分樣品中未能獲得足夠有效的磷灰石顆粒，以進(jìn)行(U-Th)/He和裂變徑跡年代學(xué)測試。

表1 樣品信息

龍樓巖體位于文昌市龍樓鎮(zhèn)，其花崗巖有明顯弱變質(zhì)特征（圖2），呈變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。斑晶石英多他形粒狀，粒徑較大；斜長石多呈半自形-自形板狀，微弱泥化，可見典型的中長石環(huán)帶結(jié)構(gòu)；鉀長石亦多呈半自形板柱狀，泥化微弱，常見鉀長石卡式雙晶，并包裹少量自形細(xì)粒斜長石。鉀長石外圍可見散射狀石英，呈環(huán)帶狀分布，推測為文象結(jié)構(gòu)變質(zhì)而成?；|(zhì)多由石英、長石和少量黑云母微晶及隱晶質(zhì)組成，且間層定向排列，部分石英結(jié)晶相對較好，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)約35%。該巖體結(jié)晶年齡約73 Ma[11]，為目前海南島地區(qū)最年輕花崗巖巖體。

屯昌花崗閃長巖分布于海南島中部瓊中縣至屯昌縣一帶，平面上呈近NNE向展布，該巖體面積約250 km2，鋯石U-Pb年齡介于88 ～ 108 Ma[37]。主體巖石類型為中細(xì)-細(xì)中粒角閃黑云花崗閃長巖，局部可過渡為角閃黑云二長花崗巖或角閃黑云石英閃長巖。角閃石多呈自形長柱狀，黑云母常以自形的六邊形與角閃石共生，表明巖漿早期富水。斜長石灰白色，半自形板狀或他形粒狀，正、反環(huán)帶均發(fā)育，部分具韻律環(huán)帶。巖石呈深灰色，半自形粒狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖石中的有多種環(huán)帶結(jié)構(gòu)的長石特征以及主巖與包體中不平衡的礦物特征，均反映了巖漿在結(jié)晶過程中經(jīng)歷了動(dòng)蕩的物理化學(xué)環(huán)境，這些現(xiàn)象通常為巖漿混合作用的標(biāo)志。

儋州巖體為黑云母正長花崗巖，巖石呈灰白色-淺肉紅色，似斑狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造；巖石可見較多的變質(zhì)特征，其石英、斜長石、鉀長石在不同程度上發(fā)生變晶現(xiàn)象，可見較多有變質(zhì)現(xiàn)象的鉀長石和斜長石，巖石整體為變余花崗結(jié)構(gòu)。石英晶形多為他形，顆粒較細(xì)小，石英顆粒之間呈縫合線狀接觸；鉀長石可見典型的卡式雙晶，部分為微斜長石，具有典型的格子雙晶；斜長石具聚片雙晶紋，且發(fā)生彎折現(xiàn)象，說明經(jīng)歷了后期變質(zhì)改造過程，部分斜長石發(fā)生微弱的絹云母化。呂昭英等[14]研究表明，該巖體年齡為（237.6 ± 2.0）Ma，而葛小月[36]分析認(rèn)為，儋縣二長花崗巖巖基形成于186 Ma。

(a) 中長石的環(huán)帶結(jié)構(gòu)；(b) 石英變斑晶；(c) 變余花崗結(jié)構(gòu)，可見斜長石具彎折特征；(d) 微斜長石的格子雙晶；(e) 斜長石發(fā)育微弱的絹云母化；(f) 鉀長石卡式雙晶

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 樣品測試

樣品經(jīng)用傳統(tǒng)方法進(jìn)行粗選、磁懸浮、重液分選等標(biāo)準(zhǔn)流程，分離出所需磷灰石及鋯石單顆粒礦物。磷灰石裂變徑跡測試在墨爾本大學(xué)低溫?zé)崮甏鷮W(xué)實(shí)驗(yàn)室TrackWorks 平臺(tái)(蔡司AxioImager 顯微鏡，總放大倍數(shù)為1 000、3.20萬像素AVT奧斯卡F-320C 攝像機(jī)) 完成，使用激光剝蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜法(LA-ICP-MS) 測定U含量。利用環(huán)氧樹脂將磷灰石礦物顆粒固定于樹脂載玻片之上，制成薄片，利用拋光機(jī)研磨拋光，使磷灰石顆粒內(nèi)表面最大化出露，在20℃室溫條件下將薄片放置于5.0 mol/L的HNO3溶液中蝕刻20 s，使磷灰石切面上的自發(fā)徑跡顯露。使用AUTOSCAN系統(tǒng)顯微鏡，挑選出每件樣品顆粒大小合適、徑跡分布均勻、表面干凈的單顆粒磷灰石進(jìn)行自發(fā)徑跡數(shù)量、計(jì)數(shù)面積、圍限徑跡長度以及對應(yīng)樣品徑跡直徑（par）的測量與計(jì)算，同時(shí)記錄對應(yīng)單顆粒徑跡的統(tǒng)計(jì)區(qū)域。每件樣品需至少測試20個(gè)以上有效單顆粒磷灰石的自發(fā)徑跡數(shù)量和面積。最后，采用準(zhǔn)分子激光剝蝕系統(tǒng)(LA) 和Agilent 7900型四極桿電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(Q-ICPMS) 聯(lián)機(jī)對上述單顆粒磷灰石裂變徑跡記錄區(qū)進(jìn)行238U濃度微區(qū)測試。

(U-Th)/He測試亦在墨爾本大學(xué)低溫?zé)崮甏鷮W(xué)實(shí)驗(yàn)室采用標(biāo)準(zhǔn)流程完成。首先基于雙目鏡挑選形態(tài)完整、大小相似的3 ～ 5個(gè)單礦物顆粒，隨后分別把單礦物放入鈮管完成制樣。為保證其單顆粒中He完全脫氣，對單顆粒樣品用3 ～ 5次重復(fù)脫氣方法。He氣提取和分析在AlphachronⅡ氦同位素質(zhì)譜儀上進(jìn)行。采用970 nm二極管激光器(Diode Laser)加熱提取He氣，加熱溫度約1 300℃，加熱持續(xù)10 min。樣品中釋放的4He與3He混合，通過四極桿質(zhì)譜測定4He/3He值；3He通過4He標(biāo)準(zhǔn)氣體標(biāo)定，最終算得樣品中4He含量。4He測量精度高于1%。單礦物U和Th放射性成分含量分析使用ICP-MS裝置完成，其標(biāo)準(zhǔn)分析流程誤差值小于2％。最后基于單顆粒幾何學(xué)(即長度與寬度值) 及其校正常量[39]分別計(jì)算鋯石(U-Th)/He年齡(AHe、ZHe)等。

3.2 裂變徑跡與(U-Th)/He熱史模擬

為進(jìn)一步限定研究區(qū)低溫?zé)嵫莼瘹v史，根據(jù)磷灰石裂變徑跡單顆粒年齡、par值、封閉裂變徑跡長度、磷灰石及鋯石He年齡等數(shù)據(jù)利用HeFTy軟件（1.9.1版）進(jìn)行聯(lián)合熱史反演模擬[19,40-41]。其中，磷灰石裂變徑跡采用扇形模型[22]，He年齡則依據(jù)Wolf等[23]的磷灰石模型和Reiners[24]的鋯石模型。主要依據(jù)裂變徑跡數(shù)據(jù)、(U-Th)/He年齡可對構(gòu)造-熱事件的時(shí)間進(jìn)行約束，并作為溫度路徑設(shè)定的依據(jù)。首次模擬時(shí)設(shè)溫度路徑上的時(shí)間（）-溫度（）約束邊界足夠大，根據(jù)初始模擬結(jié)果逐步縮小-約束邊界框，使得最好的溫度路徑集中。

4 結(jié)果與分析

4.1 磷灰石裂變徑跡年齡及徑跡長度特征

所得3個(gè)磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)見表2。表2可見，3件樣品的裂變徑跡年齡為 (33.3±2.5) ～ (45.0±3.5) Ma (始新世–漸新世)，且(2)均大于5%，表明同一樣品結(jié)果來源于同一組分，年齡屬于同組年齡。單顆粒年齡差別在統(tǒng)計(jì)誤差范圍內(nèi)，即為單一構(gòu)造事件的影響，組合年齡可代表樣品抬升冷卻年齡，并可較好反映冷卻歷史[42]。3件樣品的單顆粒裂變徑跡年齡的雷達(dá)圖和直方圖如圖3。2件樣品獲得裂變徑跡長度數(shù)據(jù)，但數(shù)量較少（圖3(c)）。平均徑跡長度 (12.68±0.28) ～ (13.04±0.9) μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差1.8 ～ 2.4 μm，長度分布為單峰型，無歪斜或很小(圖3)?？傮w來說，該地區(qū)抬升剝蝕歷史相對簡單，新生代未受其他熱擾動(dòng)影響，剝露-隆升作用明顯。Shi等[8]研究表明，海南島南部中-新生代花崗巖體磷灰石裂變徑跡年齡為(23.5±4.1) ～ (36.6±3.6) Ma，平均徑跡長度(12.96±0.36) ～ (13.68±0.12) μm，標(biāo)準(zhǔn)偏差小于1.6 μm，并認(rèn)為那些樣品晚漸新世以來經(jīng)歷了較快的冷卻。對比發(fā)現(xiàn)，北部巖體AFT年齡較南部地區(qū)大，表明該地區(qū)巖體冷卻抬升至AFT封閉溫度的時(shí)間較早，巖體間有明顯的差異冷卻過程；同時(shí)與廣東粵西沿海地區(qū)中生代花崗巖體AFT年齡較一致，比珠江口周緣巖體年齡小[43]，可能說明華南沿海造山帶的冷卻時(shí)間從北往南逐漸傳遞，似與新生代太平洋板塊與歐亞板塊相互作用有關(guān)。

表2 磷灰石裂變徑跡

說明：1）數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

Note: 1) The data were mean±standard deviation.

圖3 樣品單顆粒年齡放射圖(a)、年齡分布直方圖(b)及徑跡長度分布(c)

表3 磷灰石與鋯石(U-Th)/He年齡

表3（續(xù)）

注：a) α-ejection校正[39]值；b) 有效鈾含量(eU) =(U) + 0.235(Th)[44]；c) 異常值；-A為磷灰石，-Z為鋯石樣品。

>Notes: a) correction factor of α-ejection[39]; b) effective uranium calculated as(eU) =(U) + 0.235(Th)[44]; c) the outliers; -A means apatite and -Z means zircon.

4.2 (U-Th)/He年齡分布特征

所得4個(gè)樣品的磷灰石He年齡及2個(gè)樣品的鋯石He年齡見表3。表3可見，4件磷灰石(U-Th)/He樣品共有15個(gè)單顆粒年齡，介于 (36.3±2.2) ～ (189.5±11.7) Ma，結(jié)合對應(yīng)巖體的鋯石U-Pb年齡及He年齡重復(fù)性，將某些明顯大于或與結(jié)晶年齡相近的單顆粒AHe年齡視為異常值，排除異常值后，單顆粒年齡為(36.3±2.2) ～ (60.2±3.7) Ma。單顆粒eU含量及顆粒半徑與AHe年齡之間并無明顯正相關(guān)關(guān)系(圖4)。研究表明，輻射損傷捕獲擴(kuò)散模型揭示了晶格缺陷對4He擴(kuò)散的影響模式[45]，并利用輻射損傷積累和退火模型有效解釋了磷灰石裂變徑跡年齡小于He年齡的現(xiàn)象[46]。磷灰石He年齡還可能受包裹體、裂隙或者U與Th等分布不均等因素影響[47-48]，導(dǎo)致單顆粒AHe年齡相對較分散，與對應(yīng)的AFT年齡相近或稍大，但也表明這些樣品曾經(jīng)歷較快速率的冷卻過程。海南島南部13件樣品AHe年齡在16.3 ～ 34.5 Ma[8]。同一樣品AHe年齡也顯示出與AFT年齡一致或接近的特征。同時(shí)由于AHe年齡封閉溫度較低，較易受局部構(gòu)造活動(dòng)的影響，導(dǎo)致空間分布沒有AFT那樣有規(guī)律。本研究鑒于磷灰石He年齡可能受多重因素的影響，導(dǎo)致單顆粒年齡偏大，而這部分?jǐn)?shù)據(jù)不能很好地記錄和反映構(gòu)造剝蝕事件，因此盡量選擇樣品中年齡值最小的單顆粒來反演熱演化歷史。

2件鋯石(U-Th)/He樣品的7個(gè)單顆粒年齡分別為(79.5 ± 4.9) ～ (98.4 ± 6.1) Ma及 (37.1 ± 2.3) ～ (59.6 ± 3.7) Ma。HN06鋯石He主要集中在96 ～ 98 Ma，比封閉溫度更高的鋯石裂變徑跡年齡約100 Ma稍小或相當(dāng)[43]，可能反映了該期整體隆升冷卻過程，而這一時(shí)期（晚白堊世約100 Ma）是華南全面伸展裂陷活動(dòng)的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折期[43]。HN08晚白堊紀(jì)后（約73 Ma）結(jié)晶侵入形成的巖體，其AFT、AHe及ZHe年齡三者非常接近，說明在其自然冷卻之后新生代存在一期快速冷卻過程，且剝蝕量較大。

4.3 封閉徑跡正態(tài)模擬埋藏剝蝕史

聯(lián)合熱史反演模擬結(jié)果（圖5）表明，海南島北部巖體均表現(xiàn)出階段性的冷卻剝蝕過程，同時(shí)也存在差異。始新世經(jīng)歷了一期統(tǒng)一的快速冷卻過程，約10 Ma以來部分巖體還經(jīng)歷了第二期快速冷卻過程?？傮w上，自晚白堊世（約100 Ma）以來的冷卻過程可劃分為4個(gè)階段：1）約100 ～ 45 Ma相對緩慢冷卻階段，平均冷卻速率在0.96 ～ 1.44 ℃/Ma，其中龍樓巖體自約60 Ma開始冷卻到ZHe封閉溫度，平均冷卻速率3.25℃/Ma；2）約45 ～ 35 Ma 快速冷卻剝蝕階段，平均冷卻速率在4.0 ～ 10.6 ℃/Ma，其中HN01與HN06在該期冷卻剝蝕過程中溫度已降至約45 ℃，于AHe封閉溫度以內(nèi)；3）HN04與HN08巖體在約30 ～ 35 Ma至10 Ma緩慢冷卻過程，而HN01與HN04直接緩慢冷卻至地表環(huán)境溫度，平均冷卻速率在0.63 ～ 1.0 ℃/Ma；4）約10 Ma以來龍樓巖體（HN08）與屯昌巖（HN04）體再次快速冷卻剝露直至地表環(huán)境溫度，平均冷卻速率在3.5 ～ 4.0 ℃/Ma。

圖4 磷灰石(U-Th)/He單顆粒年齡與eU含量 (a) 及晶體半徑關(guān)系 (b)

圖5 不同巖體熱史反演結(jié)果

5 討論

5.1 巖體剝露速率

巖體的剝露作用指埋藏在地下的巖石在構(gòu)造活動(dòng)與地表侵蝕等內(nèi)外地質(zhì)營力作用下相對于地表運(yùn)移，并逐漸出露于地表的過程。目前約束巖體剝露速率的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)方法主要有熱史模擬法、年齡-封閉溫度法、礦物對法及年齡-高程法等。本研究采用熱史模擬法，運(yùn)用熱年齡數(shù)據(jù)以及熱史模擬約束和計(jì)算剝露的程度和速率。古地溫梯度則是連接熱歷史與剝露歷史的重要橋梁，通過冷卻速率和這一時(shí)期的古地溫梯度可計(jì)算剝露厚度與速率，計(jì)算公式為剝蝕速率= 冷卻速率/古地溫梯度。根據(jù)前人在海南島觀測數(shù)據(jù)平均熱流[(66 ± 8) ～ (74 ± 8)] mW/m2及平均地溫梯度(23 ± 3)℃/km[8, 49]，本研究假設(shè)海南島在晚中生代以來的平均地溫梯度為23 ℃/km，地表溫度設(shè)定為20 ℃?；跓崾纺M結(jié)果得到4個(gè)階段的剝蝕厚度及速率（表4）。

表4 海南島北部各巖體樣品冷卻剝蝕事件對比

由于樣品HN01、HN04熱史模擬溫度高于對應(yīng)樣品年代記退火帶的范圍，缺乏熱年代學(xué)數(shù)據(jù)或最高古地溫的限定，因此算得的晚燕山期快速隆升剝蝕階段的持續(xù)時(shí)間、剝蝕厚度與速率的可信度較為有限，但其趨勢仍可作為重要參考。計(jì)算表明，本文樣品所處巖體晚白堊紀(jì)-早始新世時(shí)期的剝蝕速率為34 ～ 56 m/Ma，剝蝕厚度約1 700 ～ 2 800 m。早始新世后約10 Ma的快速冷卻階段剝蝕厚度約1 700 ～ 3 700 m，漸新世以來剝蝕量總體上較小，約在650 ～ 1 000 m；屯昌與龍樓巖體（HN04、HN08）在10 Ma以來的剝蝕量為1 500 ～ 1 700 m，剝蝕速率150 ～ 170 m/Ma。熱史反演結(jié)果同時(shí)也顯示所有樣品在III、IV期階段并不同步，這可能與不同巖體圍巖的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、地形地貌等局部因素有關(guān)?？傮w而言，海南島北部各巖體自晚白堊世以來（鋯石He封閉溫度以來）總剝蝕量約6 km以上，在早始新世以來（磷灰石裂變徑跡封閉溫度以來）總剝蝕量為3 700 m。據(jù)Shi等[8]對海南島南部巖體磷灰石裂變徑跡與(U-Th)/He分析，自漸新世以來（約110 ℃）總剝蝕厚度約3 500 m（圖1），且超過2 300 m剝蝕量是在漸新世快速剝蝕階段完成的，其他基本在約5 Ma以來的再次快速抬升剝蝕形成。

5.2 巖體熱演化史與構(gòu)造事件

華南陸塊（含海南島）自古生代以來，經(jīng)歷了加里東期、印支期和燕山期３個(gè)地質(zhì)時(shí)期不同地塊間的擠壓、碰撞、拼合等陸內(nèi)過程，最終于中生代晚期在內(nèi)部形成規(guī)模巨大的NE向逆沖褶皺系[50]。中生代時(shí)，太平洋板塊沿NNW方向朝歐亞板塊之下俯沖，對華南造成左旋擠壓，在早期構(gòu)造的基礎(chǔ)上產(chǎn)生一系列NE向左行走滑深大斷裂[51]，伴生了大量酸性侵入巖和火成巖[33]。特別是晚白堊世以來，由于太平洋板塊、印度澳大利亞板塊對歐亞板塊的俯沖方向和速度發(fā)生變化[52-53]，三大板塊位置發(fā)生調(diào)整，板塊之間相互作用亦發(fā)生變化，導(dǎo)致華南陸塊內(nèi)部發(fā)生伸展，產(chǎn)生眾多的右行張扭走滑斷裂[54]，并控制一系列拉分盆地的形成與演化。然而，晚中生代以來巖體的冷卻抬升過程約束缺乏有效的年代學(xué)數(shù)據(jù)，本研究的磷灰石裂變徑跡、磷灰石與鋯石(U-Th)/He數(shù)據(jù)及熱史模擬則為海南島北部區(qū)域構(gòu)造時(shí)空框架的建立提供了新的數(shù)據(jù)。

從裂變徑跡年齡來看，海南島北部各巖體自海岸至內(nèi)陸AFT年齡逐漸變大，與Yan等[43]在珠江口周緣巖體裂變徑跡年齡變化趨勢一致。熱史反演結(jié)果表明，各巖體在新生代以來的冷卻過程有明顯的階段性，且存在差異。自100 ～ 50 Ma（晚白堊世-古新世）相對較緩慢的冷卻過程與晚白堊世以來古太平洋板塊向歐亞板塊俯沖之后的后撤所造成的弧后伸展環(huán)境有關(guān)。在廣東、福建等出現(xiàn)形成于板內(nèi)拉張環(huán)境白堊紀(jì)基性巖脈（81 ～ 135 Ma），共同指示中國東南部白堊紀(jì)以來處于拉張的構(gòu)造環(huán)境。同時(shí)中國東部所有早白堊世裂陷盆地在早白堊世晚期（100 ～ 90 Ma）發(fā)生了不同程度的構(gòu)造反轉(zhuǎn)[55]，東亞陸緣的擠壓峰值期被定為89 ～ 87 Ma[56]等等。早-晚白堊世之交，巖石圈大規(guī)模伸展減薄，從擠壓到拉張的構(gòu)造轉(zhuǎn)換[16]，在一定程度上早期侵入巖體成為裂陷盆地等肩部，造成相對隆升，有助于巖體上部地層風(fēng)化剝蝕。從表4中I期平均冷卻速率來看，現(xiàn)今越靠近海岸的巖體受拉張伸展作用影響越明顯。這種自晚侏羅世開始的拉張減薄一直持續(xù)到古新世，約54 Ma達(dá)到高峰[57]。然而，印度板塊在65 Ma開始與歐亞大陸軟碰撞，在45 Ma開始硬碰撞，并產(chǎn)生向東南方向的逃逸構(gòu)造[58]。同時(shí)在從55 ～ 53 Ma開始大規(guī)模裂解的澳大利亞板塊向北漂移[59]及太平洋板塊的俯沖作用下，新生代初期華南經(jīng)歷了由伸展向擠壓的構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換[60]，隨后太平洋板塊俯沖后撤，聯(lián)合印度-歐亞板塊碰撞作用的向東逃逸，導(dǎo)致了華南陸緣強(qiáng)烈的伸展裂陷作用并向東遷移，在華南陸緣形成一系列拉分盆地群。這次構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換導(dǎo)致華南內(nèi)陸大面積中生界地層被抬升至地表，上白堊統(tǒng)的強(qiáng)烈變形及剝蝕指示了該期至少有千米量級的上覆蓋層被剝露去頂[6,17]。在海南島北部巖體形成了50 ～ 35 Ma（始新世）快速冷卻剝蝕事件。沉積古地理和古氣候資料也顯示，中國東南沿海白堊紀(jì)高聳的古華夏山脈至始新世中后期可能已大部分被剝蝕夷平[61]。熱史反演結(jié)果表明，海南島北部在I、II期剝蝕階段剝蝕量基本為總剝蝕量的2/3。從晚始新世開始，“雙板塊”（歐亞和太平洋板塊）向“多板塊”（印度、歐亞、太平洋和菲律賓海板塊）動(dòng)力體制轉(zhuǎn)換[17]。根據(jù)前人及IODP 349的研究結(jié)果[5, 62]，南海海盆形成于早漸新世到中-中新世（32 ～ 15 Ma），該階段的伸展拉張作用主要發(fā)生在南海海盆，而在陸緣區(qū)保持相對平靜。海南島北部巖體在35 ～ 10 Ma（漸新世-中中新世）期間冷卻剝蝕過程則相對較弱，剝蝕量在千米以內(nèi)。約10 Ma（中中新世以來）漸新世末期，亞洲南部菲律賓島弧發(fā)生向西仰沖。菲律賓島弧與中國板塊東緣在漸新世的碰撞形成了玉里-大南澳縫合帶。這一時(shí)期向西或向西北向的碰撞、仰沖使得東南沿海開始處于擠壓或左旋壓扭的構(gòu)造背景，尤其是中中新世–上新世以來，東海與南海地區(qū)出現(xiàn)了統(tǒng)一的構(gòu)造反轉(zhuǎn)[55]。沿海地區(qū)巖體中-中新世IV期冷卻剝蝕作用東強(qiáng)西弱的特征可能與中新世晚期菲律賓海板塊向西俯沖使得沖繩海槽弧后伸展產(chǎn)生向西的擠壓力、且這種擠壓應(yīng)力向陸內(nèi)傳遞強(qiáng)度逐漸減弱的過程有關(guān)。同時(shí)，值得注意的是，自中新世以來開始盛行的亞洲季風(fēng)等氣候環(huán)境的巨大變化可能會(huì)加速剝蝕，對研究區(qū)晚新生代快速剝蝕過程有不可忽視的作用。

6 結(jié)論

1）通過對來自海南島北部4個(gè)巖體4個(gè)樣品的低溫?zé)崮甏鷮W(xué)分析，AFT年齡介于 (33.3 ± 2.5) ～ (45.0 ± 3.5) Ma之間，平均長度為 (12.68 ± 0.28) ～ (13.04 ± 0.9) μm；磷灰石(U-Th)/He (AHe) 單顆粒年齡(36.3 ± 2.2) ～ (60.2 ± 3.7) Ma，鋯石(U-Th)/He (ZHe) 單顆粒年齡為 (79.5 ± 4.9) ～ (98.4 ± 6.1) Ma及 (37.1 ± 2.3) ～ (59.6 ± 3.7) Ma。

2）聯(lián)合反演熱史揭示，海南島北部巖體自晚白堊世(約100 Ma) 以來的冷卻過程有明顯的差異性，總體上可分為4個(gè)階段：約100 ～ 45 Ma相對緩慢冷卻階段、約45 ～ 35 Ma快速冷卻剝蝕階段、約30 ～ 35 Ma至10 Ma緩慢冷卻過程、約10 Ma以來再次快速冷卻剝露。

3）結(jié)合區(qū)域構(gòu)造動(dòng)力學(xué)環(huán)境的研究，認(rèn)為海南島北部花崗巖體階段性抬升冷卻與（古）太平洋板塊的俯沖后撤、西南部印度-歐亞大陸碰撞和中新世晚期菲律賓海板塊向西俯沖擠壓有關(guān)。海南島北部約100 Ma以來的剝蝕量在I、II期（始新世晚期）剝蝕階段基本完成2/3。

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Denudation History of Northern Hainan Island Since Late Mesozoic - Cenozoic: Evidence from Low-Temperature Thermochronology

SHI Hong-cai1,2, XIE Hui1,2, ZHAO Wei-na2,3, LIU Tang-wei4, KONG De-ming1,2

（1,,524088,;2.,524088,;3.,,266200,; 4,,330013,）

【Objective】This study aims to explore the uplift-exhumation and tectonothermal evolution of Hainan Island and provide evidence for tectonic evolution of the South China.【Method】Structural thermochronology methods such as apatite fission track(AFT), apatite and zircon (U-Th)/He were employed to reconstruct the tectonothermal history of the northern Hainan Island, calculate the cooling rate at different stages of thermal history, and analyze the dynamic process of the northern Hainan Island plutons uplift. 【Result】AFT age is between 33.3 ± 2.5 and 45.0 ± 3.5 Ma; the average length of apatite (U-Th)/He (AHe) is between 12.68 ± 0.28 and 13.04 ± 0.9 μm; the single grains age of apatite (U-Th)/He (AHe) is between 36.3 ± 2.2 and 60.2 ± 3.7 Ma; the single grains age of zircon (U-Th)/He (ZHe)from 79.5 ± 4.9 to 98.4 ± 6.1 Ma and 37.1 ± 2.3 to 59.6 ± 3.7 Ma, respectively. The results of thermal history inversion shows that there are obvious differences in the cooling process during the upper cretaceous (about 100Ma), which can divided into four phases: (1) the first slow cooling stage from about 100 to 45 Ma; (2) the first fast-cooling and denudation stage between ca. 45 and 35 Ma; (3) the second slow cooling stage during ca. 35 - 10 Ma; and (4) a second fast cooling and denudation stage since about 10 Ma. 【Conclusion】The different uplift-cooling may be associated with the subduction of the Pacific Plate of South China block, India-Eurasia collision in the southwestern China and the tectonic uplift of the Qinghai-Tibet plateau, and the westward subduction and compression of the Philippine Sea Plate in the late Miocene. The 2/3 of the total denudation was eroded during the I and II denudation stage before late Eocene.

Hainan island; fission track; (U-Th)/He; cenozoic; denudation

P736

A

1673-9159（2022）01-0078-12

10.3969/j.issn.1673-9159.2022.01.011

石紅才，謝輝，趙維娜，等. 海南島北部晚中-新生代剝露過程的低溫年代學(xué)約束[J]. 廣東海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，42（1）：78-89.

2021-07-05

國家自然科學(xué)基金(4170805, 41766001, 41606065)；廣東海洋大學(xué)博士啟動(dòng)項(xiàng)目(E15171)；廣東海洋大學(xué)海洋科學(xué)科研團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(002026002004)

石紅才（1984―），男，博士，講師，從事海洋地質(zhì)與構(gòu)造地質(zhì)學(xué)研究。E-mail: hcshi@gdou.edu.cn

謝輝（1987―），男，博士，講師，從事海洋地質(zhì)學(xué)研究。E-mail: xiehuihaoba@163.com

（責(zé)任編輯：劉慶穎）