CN111753406A - 基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟方法和装置 - Google Patents
基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟方法和装置 Download PDFInfo
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Abstract
本申请提出一种基于单扩散域Ar‑Ar阶段加热年龄谱的热史模拟方法和装置，其中，方法包括：建立目标矿物内放射性成因氩气(40Ar*)对应的球粒扩散方程；获取40Ar*在扩散域中的扩散半径、扩散系数；在假设热史条件下，根据扩散半径、扩散系数对球粒扩散方程进行求解，获取40Ar*的初始扩散浓度；根据初始扩散浓度和加热过程中每一阶段释放的40Ar*、39Ar比例进行计算，获取Ar‑Ar阶段加热的模拟年龄谱；将获取的模拟年龄谱与实验年龄谱比对，根据评价原则判断假设的热史曲线是否可以接受；不断重复上述流程，最终获得一定数量的具有稳定均值的热史模拟结果。由此，将获得的热史演化作为Ar‑Ar年龄及阶段加热年龄谱的补充，为地质历史恢复提供更多可能的有益的信息。
Description
技术领域
本申请涉及地质学领域，特别涉及一种基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟方法和装置。
背景技术
具体地，Ar-Ar方法作为热年代学的研究方法之一，由于具有精度高、准确度高及成熟可靠等的特点，在地质学研究领域得到了广泛的应用。
Ar-Ar法能够用来定年最早是由Sigurgeirsson提出，而后由Merrihue、Merrihue等、Mitchell、Dalrymple等、McDugall等对Ar-Ar法定年的原理及操作流程作了详细的描述、规范与完善。而后，如同裂变径迹等年代学方法一样，Ar-Ar法也开始应用于热历史模拟。Lovera等、Inger等提出了关于钾长石Ar扩散的多重扩散域理论，并且据此模拟出钾长石约350～150℃的热历史。然而对云母、角闪石等矿物的热史模拟仍然处于薄弱阶段，而随着Ar-Ar阶段加热技术的日趋成熟，云母、角闪石等矿物Ar-Ar年代学方法在地球动力学、矿床学、油气勘探等领域将愈来愈广泛的应用。
发明内容
本申请旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本申请提出一种基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟方法，将获得的热史演化作为Ar-Ar年龄及阶段加热年龄谱的补充，为地质历史恢复提供更多可能的有益的信息。
本申请提出一种基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟装置。
本申请一方面实施例提出了一种基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟方法，包括：
S1，建立目标矿物内放射性成因氩气(40Ar*)对应的球粒扩散方程；
S2，获取40Ar*在扩散域中的扩散半径和扩散系数；
S3，在假设的热史条件下，根据扩散半径和扩散系数对球粒扩散方程进行求解，获取40Ar*的初始扩散浓度；
S4，根据初始扩散浓度和加热过程中每一阶段释放的40Ar*与39Ar比例进行计算，获取Ar-Ar阶段加热年龄谱的模拟年龄谱；
S5，将模拟年龄谱与实验年龄谱比对，根据评价原则判断假设的热史曲线是否满足条件；
S6，更新热史条件，重复执行步骤S3-S5，获取一定数量的具有稳定均值的热史模拟结果。
本申请提出一种基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟装置，包括：
建立模块，用于建立目标矿物内放射性成因氩气(40Ar*)对应的球粒扩散方程；
获取模块，用于获取40Ar*在扩散域中的扩散半径和扩散系数；
求解模块，用于在假设的热史条件下，根据扩散半径和扩散系数对球粒扩散方程进行求解，获取40Ar*的初始扩散浓度；
计算模块，用于根据初始扩散浓度和加热过程中每一阶段释放的40Ar*与39Ar比例进行计算，获取Ar-Ar阶段加热年龄谱的模拟年龄谱；
筛选模块，用于将模拟年龄谱与实验年龄谱比对，根据评价原则判断假设的热史曲线是否满足条件；
更新模块，用于更新热史条件，重复执行求解模块、计算模块和筛选模块，获取一定数量的具有稳定均值的热史模拟结果。
本申请实施例所提供的技术方案可以包含如下的有益效果：
通过建立目标矿物内放射性成因氩气(40Ar*)对应的球粒扩散方程；获取40Ar*在扩散域中的扩散半径、扩散系数；在假设的热史条件下，根据扩散半径、扩散系数对球粒扩散方程进行求解，获取40Ar*的初始扩散浓度；根据初始扩散浓度和加热过程中每一阶段释放的40Ar*、39Ar比例进行计算，获取Ar-Ar阶段加热年龄谱的模拟年龄谱；将获取的模拟年龄谱与实验年龄谱比对，根据评价原则判断假设的热史曲线是否可以接受；不断重复上述流程，最终获得一定数量的，具有稳定均值的热史模拟结果。由此，将获得的热史演化作为Ar-Ar年龄及阶段加热年龄谱的补充，为地质历史恢复提供更多可能的有益的信息。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本申请实施例所提供的一种基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟方法的流程示意图；
图2为根据本申请实施例所提供的白云母与绢云母Ar-Ar阶段激光剥蚀年龄谱；
图3为根据本申请实施例所提供的绢云母、白云母和锆石样品的Ar-A r年龄谱热史模拟结果图；
图4为根据本申请实施例所提供的一种基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟装置的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参照附图描述本申请实施例的基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟方法和装置。
本申请实施例的矿物可以是云母、角闪石等，以云母为例，用于实验的云母中的Ar气体经历了两次扩散过程，一次是地质时期的扩散过程，另一次是实验室阶段加热过程中经历的扩散过程。地质热历史控制了Ar气体在地质时期的产生(由时间控制)、扩散速率(由温度控制)，其残留的结果又作为实验室阶段加热前的Ar气体在矿物中的初始分布。
本申请实施例中，通过Ar-Ar阶段加热实验年龄谱，反推Ar气体在矿物中的初始分布，进而获得热历史。
本申请实施例的基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟方法，以阶段加热年龄谱为输入数据，球粒扩散方程为基本方程，通过建立热史与年龄谱之间的关系恢复热历史。由此，将获得的热史演化作为Ar-Ar年龄及阶段加热年龄谱的补充，为地质历史恢复提供更多可能的有益的信息。
具体地，以云开地区变质岩中的云母矿物为例，进行了Ar-Ar阶段加热年龄谱热史模拟，并提出“Ar部分丢失带”的存在。正是由于岩石在此温度带的驻留，导致了阶梯状年龄谱的出现，而在此温度带的缓慢冷却，可以与区域剥露相对应，因此可用于计算剥露厚度。
图1为根据本申请实施例所提供的一种基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟方法的流程示意图。
如图1所示，该方法包括以下步骤：
S1，建立目标矿物内放射性成因氩气(40Ar*)对应的球粒扩散方程。
具体地，对Ar-Ar阶段加热年龄谱进行热史模拟，首先需要描述Ar气体的扩散过程。假设Ar气体在云母等目标矿物内扩散形式为单扩散域的体扩散形式，其扩散过程可用球粒扩散方程来进行表示。
在本申请的一个实施例中，建立目标矿物内40Ar*在地质演化时期对应的极坐标系下的球粒扩散方程为：
其中，C为40Ar*的浓度，κ为扩散系数，r为40Ar*在扩散域中的极径变量，A为地质时期放射性成因40Ar*的产生率。
具体地，通过以下公式计算地质时期放射性成因氩气的产生率：
其中，40Kn为当前40K浓度，衰变常数λe＝0.581*10-10a-1，t为衰变时间。
其中，40K的总衰变常数为5.543*10-10a-1，而衰变成40Ar的40K占了所有衰变的40K含量的10.48％(另一部分40K衰变成40Ca)，所以λe为40K衰变成40Ar的衰变常数λe＝0.581*10- 10a-1。
其中，扩散方程中的Ar气体在地质时期的扩散系数可用阿伦尼乌斯公式表示：
其中，κ0为频率因子(m2s-1)，Ea为活化能(Jmol-1)，Rm为摩尔气体常量(取8.3145Jmol-1K-1)，T为温度(K)。
步骤S2，获取40Ar*在扩散域中的扩散半径和扩散系数。
具体地，球粒扩散方程中扩散半径的获得，以云母矿物Ar-Ar法测年目前各实验室一般使用达到一定质量的颗粒组合作为实验样品，各个颗粒的大小并不统一，且由于颗粒众多也不方便一一测量，因此很难给出单一的扩散域半径值。
本申请实施例中，通过云母Ar-Ar定年的封闭温度范围，来给出实验样品的扩散域半径范围，尽管这个扩散域半径范围较大，但由于Ar-Ar定年的高精度、低误差，使得总体的年龄谱波动范围及热史模拟依然可以达到一定精度，根据封闭温度计算公式可以求取球粒扩散方程中的扩散半径。
在本申请的一个实施例中，获取氩气40Ar*在扩散域中的扩散半径，包括：
根据封闭温度计算公式求取球粒扩散方程中的扩散半径；
其中，封闭温度计算公式为：
其中，R为扩散半径，G为几何因子，Tc为封闭温度，dT/dt为冷却速率，κ0为阿伦尼乌斯公式中的频率因子。
步骤S3，在假设的热史条件下，根据所述扩散半径和所述扩散系数对所述球粒扩散方程进行求解，获取所述40Ar*的初始扩散浓度。
步骤S4，根据所述初始扩散浓度和加热过程中每一阶段释放的40Ar*与39Ar比例进行计算，获取Ar-Ar阶段加热年龄谱的模拟年龄谱。
步骤S5，将模拟年龄谱与实验年龄谱比对，根据评价原则判断假设的热史曲线是否满足条件。
S6，更新热史条件，重复执行步骤S3-S5，获取一定数量的具有稳定均值的热史模拟结果。
具体地，根据上述扩散方程，在假定的热历史条件下，可以求出经历过地质时期之后，残留的或者说现今的40Ar*浓度C的分布，即在实验室进行阶段加热前的40Ar*气体在扩散域中的初始分布(初始扩散浓度)，据此初始扩散浓度，可以求出在实验室阶段加热过程中的模拟年龄谱。
具体地，
其中，
和40Kni分别表示阶段释放的放射性成因40Ar*和40Kn；
40Kni＝F39·40Kn； (6)
F40、F39分别表示每一阶段释放的40Ar*、39Ar比例。因为40Kn与39K含量成正比，所以与39Ar含量成正比，进而得出每阶段释放的40Kni在40Kn中所占比例可用释放的39Ar比例F39代替。
是标化的放射性成因40Ar*的初始分布，换句话说是当40Kn取值为1时40Ar*的浓度。这样在计算40Ar*初始分布过程中，只要计算标化的分布即可。
因此在方程(1)和(2)求解过程中，40Kn取值为1，或者说，最后在计算方程(5)时，由于分子分母都有一个40Kn而相互消掉。因此年龄谱的计算与40Kn取值无关，年龄谱的计算取决于F40、F39及
因此，方程(5)简化为方程(7)，即在实验室阶段加热过程中，氩气40Ar*的模拟年龄谱可以按照方程(7)计算：
在本申请的一个实施例中，建立氩气40Ar*的模拟年龄谱的公式为：
其中，
为40Ar*初始扩散浓度，根据加热过程中每一阶段对应的阶段释放量获取F40和F39；
其中，
39Aris分别表示第i阶段矿物中残留的标化的氩气40Ar*、39Ar的含量，F40、F39分别表示每一阶段释放的40Ar*、39Ar比例。
式中
39Aris分别表示第i阶段矿物中残留的标化的Ar含量。采用标化的39Ar浓度(39Ars)来计算39Ar阶段释放的的比例，即假设起始39Ar的浓度为1。采用每一阶段加热前后的含量差与起始含量比值作为39Ar与40Ar*释放的比例。求解方程(8)，实际上就是在计算实验室阶段加热过程中经历的扩散过程，获得阶段加热过程中的40Ar*与39Ar浓度。
因为实验室阶段加热过程中放射性产生率可忽略，因此方程(1)简化为
也就是说，在本申请的一个实施例中，建立目标矿物内氩气在实验室激光加热阶段对应的极坐标系下的球粒扩散方程为方程(9)。其中，C为氩气的浓度，κ为扩散系数，r为氩气在扩散域中的极径变量。
具体地，方程(1)用于描述Ar气体在地质时期的扩散过程，方程(9)用于描述Ar气体在实验室阶段加热过程中的扩散过程。但两个过程中Ar扩散系数完全不同。由于实验室阶段加热过程中的温度很难精确控制，因此Ar扩散系数不能用阿伦尼乌斯公式计算，而是通常由释放比例换算。
在实验室阶段加热过程中，对于起始条件为39Ar气体均匀分布的扩散条件下，39Ar气体扩散系数表达式为：
F为Ar气体保留百分比，R为扩散半径。根据这个表达式，可以根据39Ar气体的释放比例发生的变化求取阶段加热过程中39Ar气体的扩散系数。假设在阶段加热过程中40Ar*与39Ar扩散系数相同，不同的是两者之间阶段加热之前的起始时刻的浓度不同，即在阶段加热实验前39Ar在扩散域中呈均匀分布，而40Ar*具有非均匀的初始分布。
在本申请实施例中，在计算模拟年龄谱过程中，涉及到两个偏微分方程的求解，即扩散方程(1)与(9)的求解。对此，采用克兰克-尼科尔森有限差分法求解。边界条件如下：
1)球粒边界(即第n个节点)Ar浓度(Cn)恒为0，即r＝R时，Cn＝0；
2)球粒圆心两侧最近的两个节点(第0个及第1个节点)Ar浓度(C0、C1)相等，即C0＝C1；
3)对于40Ar*与39Ar而言，求解扩散方程(1)和方程(9)的初始条件不同。方程(1)中40Ar*起始浓度为0，即t＝0时，40Ar*浓度为0。方程(9)中40Ar*起始浓度为初始分布，39Ar起始浓度为均匀分布。
具体地，在反演过程中，蒙特卡洛随机搜索方法被用于热历史反演搜索。一般每次反演搜索10000条热历史曲线。在计算模拟年龄过程中，热史曲线按时间被分成100等份进行计算。将模拟年龄谱与实验年龄谱比对，获得p-value值作为拟合优度(GOF)，判别每一条假设的热历史是否符合筛选标准。筛选标准一般采用GOF＞0.05作为可接受，GOF＞0.5作为高精度。当然也可以根据热历史模拟所获得热史数量来自定义筛选标准，即提高或降低GOF阀值。
在本申请的一个实施例中，将模拟年龄谱与实验年龄谱比对，根据评价原则判断假设的热史曲线是否满足条件，包括：
获取模拟年龄谱与实验年龄谱之间每阶段年龄差值的绝对值的最小值作为阶段年龄误差，获取阶段年龄误差的加权平均值作为两个年龄谱的误差，根据误差和预设公式对模拟年龄谱与实验年龄谱进行计算得到对应的评价值，根据评价值判断假设的热史曲线是否满足条件。
具体地，对Ar阶段加热实验年龄谱而言，其误差采用加权平均误差计算，即
其中，wi表示每一阶段39Ar释放量占总释放量的比例，σi表示每一阶段Ar年龄的误差，为实验测试年龄的加权平均误差。
39Ari分别表示每一阶段释放的40Ar*、39Ar。如果在实验过程中，在年龄谱的起始阶段或结尾阶段显示明显的、大比例的过剩氩存在，则在模拟年龄谱与实验年龄谱对比时，应剔除这些阶段的对比。
因为扩散域半径是一个范围，因此对每一个阶段的年龄而言，其模拟年龄也是一个范围。以模拟年龄范围与实验年龄之间的差值绝对值的最小值作为误差：
δi＝Min(|Oi-Mmini|，|Oi-Mmaxi|；
其中，Oi为第i阶段实验测试阶段年龄，Mmini～Mmaxi为第i阶段模拟阶段年龄的范围，δi为第i阶段模拟阶段年龄的误差，wi表示第i阶段39Ar释放量占总释放量的比例，
作为模拟年龄谱与实验年龄谱之间的误差。
(当对应阶段实验年龄处于该范围内时，可以认为其误差δi定义为0。基于此误差公式，p-value的计算采用如下公式：
其中，参数
O、
分别为模拟年龄与实验年龄之间的误差、实验测试年龄、实验测试年龄误差。
可以理解的是，在此方程(13)计算过程中，O不需要赋值，因为其不会影响p-value的计算结果。另外，在此方程(13)的实际应用过程中，由于电脑计算积分的速度较慢，因此使用对应的误差系数代替积分。例如当取p-value阈值为0.05时，即设定p-value＞0.05则热史曲线为可接受，那么知道这个阈值对应的误差倍数是1.95左右，那么在比对时只要误差
该假设热史曲线即可接受。
对于同一个样品，有些实验室会挑出两部分云母分别做阶段加热实验，以达到相互验证的效果。这也给提高热史反演精度提供了新的机会，即可以将同一个热史，对照这两个实验年龄谱作两次评价，取两次评价(p-value值分别为p1和p2)中的较小的p-value值作为GOF。
GOF＝Min(p1，p2)； (14)
另外，由于通过统一的可接受拟合度或高精度拟合度对热史进行对比及筛选，这样就产生了任意方法之间的可对比使用及在此基础上的任意组合。具体包括：将云母Ar-Ar年龄年龄谱与裂变径迹年龄、U-Th/He年龄、裂变径迹围限径迹长度、镜质体反射率、基岩石英光释光方法中的一种或几种方法组合进行热模拟。具体来说，通过统一的可接受拟合度或高精度拟合度对热史进行对比及筛选，这样就产生了任意方法之间的可对比使用及在此基础上的任意组合。
为了本领域人员更加清楚上述过程，以云开地区为例，开展了基于云母Ar年龄谱的热史模拟。在例子中分别在广东罗定市榃滨镇、郁南县大方镇以及云浮市大哗山隧道进行了采样1019-7、1019-2及DHS-1三个样品。1019-7样品点(GPS点位：N22°49′36.5″，E111°25′13.3″，高程约115m)位于罗定-广宁断裂带中的榃滨断裂，剖面上部为新元古界云开群中明显片理化的浅变质岩，下部为那蓬混合花岗岩体(成岩年龄252±1.9Ma(李坤，2017))，样品点紧靠花岗岩与变质岩断裂接触面，在此样品点附近，两部分样品被采集，一部分取自上部变质岩分选出绢云母，另一部分取自下部未变形花岗岩分选出锆石。1019-2样品为糜棱岩，采自罗定-广宁断裂带中的西支高角度韧性剪切带(GPS点位：N23°00′04.9″，E111°35′59.3″，高程约287m)。DHS-1样品为糜棱岩(GPS点位：22°58′25.7″，E112°02′16.1″，高程约100m)，采自云浮-梧州高速公路大哗山隧道施工期，该隧道穿越罗定-广宁断裂带东支，该地发育逆冲推覆构造，断裂上盘为云开群变质岩，下盘为泥盆-石炭系灰岩。
三个样品分别挑选出绢云母及白云母进行Ar阶段加热实验。虽然它们的年龄谱都给出了坪年龄(图2)，但是1019-7及DHS-1两个样品都存在″Ar丢失″。按照上述的热史模拟方法，本文对三个样品的Ar年龄谱进行了热史模拟(参数选取见表1)
表1.热史模拟参数选取
三个样品的Ar-Ar年龄谱热史模拟结果(图3a、c、e)都显示出在约200-300℃这个温度区间，热历史得到了相对较好的约束。换句话说，在这个温度区间的热史变化对年龄谱有较为敏感的影响，而在这个温度区间之外，其热史变化对年龄谱没有多大影响。在约200-300℃区间内，1019-7样品从约220 Ma开始在此区间经历了长时间的驻留，直到约90Ma才开始启动快速冷却；1019-2样品则在约220Ma即启动了快速冷却；而DHS-1样品在此区间的冷却速率则介于两者之间。在此温度区间的三种不同热史表现与三个样品的阶梯状年龄谱也是对应的，1019-7样品阶段加热年龄谱的阶梯状起伏是最大的，1019-2样品整个年龄谱最为平坦，而DHS-1样品年龄谱的阶梯状起伏介于两者之间。
因此本文认为Ar-Ar热年代学方法在Ar-Ar封闭温度之上也存在一个类似于磷灰石裂变径迹部分退火区间或者磷灰石U-Th/He部分保留区间的温度区间，岩石在这个温度区间的长时间驻留会导致Ar的部分丢失，Ar阶段加热年龄出现阶梯状，本文称之为“Ar部分丢失区间”或“Ar部分丢失带”。对于不同矿物、不同地区样品的Ar年龄谱而言，这个部分丢失区间的温度范围可能有所不同，还有待于进一步研究。
热历史在Ar部分丢失带的驻留时间和冷却速率可以用于解释地质事件。例如，1019-7样品在Ar部分丢失带的长期驻留和缓慢冷却，说明其长期处于地壳深部，其缓慢冷却可能是由区域剥露造成的，而不是由岩浆结晶冷却或者韧性剪切造成的。1019-2样品在其坪年龄时间点启动快速冷却反映了其所处断裂带印支期发生的强烈韧性剪切作用。DHS-1样品在Ar部分丢失带介于两者之间的冷却速率，表明罗定-广宁断裂带燕山早期的活动可能没有印支期强烈，而且可能受到剥露作用的影响。
图3左图为热历史模拟结果，每次模拟搜索10000条，绿色与紫红色区域分别代表可接受的热史(GOF＞0.05)与高精度的热史(GOF＞0.5)，黑线代表可接受热史(GOF＞0.05)的均值(c、d、f)或高精度热史(GOF＞0.5)的均值(a、b、e)；右图为统一年龄刻度下的模拟年龄谱(对应左图热史均值曲线)与实验年龄谱的对比，黑色框为模拟年龄范围，棕色为实验年龄谱。模拟使用Low-T Thermo软件(Ding，2017)。a、c、e图为仅基于Ar年龄谱的热史模拟结果，b、d、f为Ar年龄谱结合锆石U-Th/He的热史模拟结果
将Ar年龄谱热史模拟和其它热年代学方法相结合有助于进一步约束热历史。本文对上述三个样品分别又作了锆石U-Th/He测试，其中在1019-7样品点采集的花岗岩中获得的锆石U-Th/He年龄远小于变质岩中获得的云母Ar坪年龄，因此可以代表两者后期共同剥露的年龄。虽然变质岩与花岗岩两者之间为断裂接触，但断裂为高角度韧性剪切断裂，属罗定-广宁断裂西支，通过1019-2样品Ar-Ar坪年龄及热史模拟可知其活动时间为印支期。因此其锆石U-Th/He年龄在热史模拟中可以与Ar年龄谱联合反演。三个样品的Ar年龄谱结合锆石U-Th/He热史模拟的结果(图3b，d，f)显示1019-7在样品在约200-300℃经历了长时间的驻留，在大约60Ma左右开始启动较快速的冷却，这不但符合Ar年龄谱单独反演的冷却趋势，并且进一步明确了快速冷却启动的时间，表明60Ma左右为快速剥露开始时间。而样品1019-2的热历史进一步明确韧性剪切之后转入缓慢冷却，这个结果也暗示其印支期韧性剪切发生在深部。样品DHS-1从侏罗纪至早白垩世，相对于其它两个样品而言一直处于相对快速的冷却阶段，说明在燕山早期的断裂活动导致断裂带的快速剥露。
根据样品1019-7与1019-2的热史分析(图3b，d)，可以发现它们在印支期均处于地壳深部，说明研究区在印支期发生变质-深熔作用及深部剪切。这与柯贤忠(2018)、丘元禧和梁新权(2006)等人的认识是一致的。样品DHS-1热史模拟(图3f)显示罗定-广宁断裂带在燕山早期不但发生深部断裂活动(Cai，2013)，还发生了持续到早白垩世的快速剥露。
在三个样品中，样品1019-7的热史模拟明显显示出晚三叠世-晚白垩世期间处于缓慢冷却阶段，而这种缓慢冷却可能是由区域剥露造成的，这就使得可以定量给出约220Ma以来的剥露厚度。假设古地温梯度为25℃/km，则剥露厚度E＝(300-15)/25＝11.4km。
通过上述推导及实例发现，在单扩散域体扩散形式的基本假设下，基于Ar年龄谱的热史模拟是可以实现的。而且其热史形态与“Ar部分丢失带”密切相关，正是由于样品在“Ar部分丢失带”的驻留导致了阶梯状年龄谱的出现，相反，快速冷却通过Ar部分丢失带，则使得年龄谱较为平坦。而这种在“Ar部分丢失带”的缓慢冷却可能是由区域剥露造成的，这就使得可以给出比锆石裂变径迹封闭温度更高的温度范围去定量解释剥露厚度。
为了实现上述实施例，本申请还提出一种基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟装置。
图4为根据本申请实施例所提供的一种基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟装置的结构示意图。
如图4所示，该装置包括：建立模块501、获取模块502、求解模块503、计算模块504、筛选模块505和更新模块506。
建立模块501，用于建立目标矿物内放射性成因氩气(40Ar*)对应的球粒扩散方程；
获取模块502，用于获取所述40Ar*在扩散域中的扩散半径和扩散系数；
求解模块503，用于在假设的热史条件下，根据所述扩散半径和所述扩散系数对所述球粒扩散方程进行求解，获取所述40Ar*的初始扩散浓度；
计算模块504，用于根据所述初始扩散浓度和加热过程中每一阶段释放的40Ar*与39Ar比例进行计算，获取Ar-Ar阶段加热年龄谱的模拟年龄谱；
筛选模块505，用于将所述模拟年龄谱与实验年龄谱比对，根据评价原则判断假设的热史曲线是否满足条件；
更新模块506，用于更新所述热史条件，重复执行所述求解模块、所述计算模块和所述筛选模块，获取一定数量的具有稳定均值的热史模拟结果。
需要说明的是，前述对方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。
根据本申请实施例提出的基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟装置，通过建立目标矿物内放射性成因氩气(40Ar*)对应的球粒扩散方程；获取40Ar*在扩散域中的扩散半径、扩散系数；在假设的热史条件下，根据扩散半径、扩散系数对球粒扩散方程进行求解，获取40Ar*的初始扩散浓度；根据初始扩散浓度和加热过程中每一阶段释放的40Ar*、39Ar比例进行计算，获取Ar-Ar阶段加热年龄谱的模拟年龄谱；将获取的模拟年龄谱与实验年龄谱比对，根据评价原则判断假设的热史曲线是否可以接受；不断重复上述流程，最终获得一定数量的，具有稳定均值的热史模拟结果。由此，将获得的热史演化作为Ar-Ar年龄及阶段加热年龄谱的补充，为地质历史恢复提供更多可能的有益的信息。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，建立目标矿物内放射性成因氩气(40Ar*)对应的球粒扩散方程；
S2，获取所述40Ar*在扩散域中的扩散半径和扩散系数；
S3，在假设的热史条件下，根据所述扩散半径和所述扩散系数对所述球粒扩散方程进行求解，获取所述40Ar*的初始扩散浓度；
S4，根据所述初始扩散浓度和加热过程中每一阶段释放的40Ar*与39Ar比例进行计算，获取Ar-Ar阶段加热的模拟年龄谱；
S5，将所述模拟年龄谱与实验年龄谱比对，根据评价原则判断假设的热史曲线是否满足条件；
S6，更新所述热史条件，重复执行步骤S3-S5，获取一定数量的具有稳定均值的热史模拟结果。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，建立目标矿物内40Ar*在地质演化时期对应的极坐标系下的球粒扩散方程为：
其中，C为所述40Ar*的浓度，κ为所述扩散系数，r为所述40Ar*在扩散域中的极径变量，A为地质时期放射性成因氩气40Ar*的产生率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，通过以下公式计算所述地质时期放射性成因氩气的产生率：
其中，40Kn为当前40K浓度，衰变常数λe＝0.581*10-10a-1，t为衰变时间。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述获取所述氩气40Ar*在扩散域中的扩散半径，包括：
根据封闭温度计算公式求取所述球粒扩散方程中的所述扩散半径；
其中，所述封闭温度计算公式为：
其中，R为所述扩散半径，G为几何因子，Tc为封闭温度，dT/dt为冷却速率，κ0为阿伦尼乌斯公式中的频率因子。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述40Ar*初始扩散浓度和加热过程中每一阶段释放的40Ar*与39Ar比例进行计算，获取所述氩气40Ar*的模拟年龄谱，包括：
建立所述氩气40Ar*的模拟年龄谱的公式为：
其中，
为所述40Ar*初始扩散浓度，根据所述加热过程中每一阶段对应的阶段释放量获取所述F40和所述F39；
其中，
39Aris分别表示第i阶段矿物中残留的标化的所述氩气40Ar*、39Ar的含量，F40、F39分别表示每一阶段释放的40Ar*、39Ar比例。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，建立目标矿物内氩气在实验室阶段加热过程中对应的极坐标系下的球粒扩散方程为：
其中，C为所述氩气的浓度，κ为所述扩散系数，r为所述氩气在扩散域中的极径变量。
7.如权利要求2或6所述的方法，其特征在于，将所述模拟年龄谱与实验年龄谱比对，根据评价原则判断假设的热史曲线是否满足条件，包括：
获取所述模拟年龄谱与实验年龄谱之间每阶段年龄差值的绝对值的最小值作为阶段年龄误差，获取所述阶段年龄误差的加权平均值作为两个年龄谱的误差；
根据所述误差和预设公式对所述模拟年龄谱与实验年龄谱进行计算得到对应的评价值；
根据所述评价值判断假设的热史曲线是否满足条件。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，
δi＝Min(|Oi-Mmini|，|Oi-Mmaxi|；
其中，Oi为第i阶段实验测试阶段年龄，Mmini～Mmaxi为所述第i阶段模拟阶段年龄的范围，δi为所述第i阶段模拟阶段年龄的误差，wi表示第i阶段39Ar释放量占总释放量的比例，
作为模拟年龄谱与实验年龄谱之间的误差。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述预设公式为：
其中，参数
O、
分别为模拟年龄与实验年龄之间的误差、实验测试年龄、实验测试年龄误差；
对阶段加热实验年龄谱而言，其误差采用加权平均误差计算，即
wi表示每一阶段39Ar释放量占总释放量的比例，σi表示每一阶段模拟年龄与实验年龄的误差；
39Ari分别表示每一阶段释放的40Ar*、39Ar。
10.一种基于单扩散域Ar-Ar阶段加热年龄谱的热史模拟装置，其特征在于，包括：
建立模块，用于建立目标矿物内放射性成因氩气(40Ar*)对应的球粒扩散方程；
获取模块，用于获取所述40Ar*在扩散域中的扩散半径和扩散系数；
求解模块，用于在假设的热史条件下，根据所述扩散半径和所述扩散系数对所述球粒扩散方程进行求解，获取所述40Ar*的初始扩散浓度；
计算模块，用于根据所述初始扩散浓度和加热过程中每一阶段释放的40Ar*与39Ar比例进行计算，获取Ar-Ar阶段加热年龄谱的模拟年龄谱；
筛选模块，用于将所述模拟年龄谱与实验年龄谱比对，根据评价原则判断假设的热史曲线是否满足条件；
更新模块，用于更新所述热史条件，重复执行所述求解模块、所述计算模块和所述筛选模块，获取一定数量的具有稳定均值的热史模拟结果。
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