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0 引言
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华北地区以西高东低为特征，其中，位于第二级阶地上的太行山造山带，由吕梁山脉、太行山脉与山西地堑系组成，是中国东部最为显著的地势阶梯的分界（张长厚等，2011；罗照华等，2017）。作为黄土高原与华北平原的天然地势分界线，太行山西麓吕梁山脉不仅控制着华北地区鄂尔多斯盆地的形成（Clinkscales et al.，2020；Wen et al.，2023），而且其地貌抬升对东亚夏季水汽向内陆的运移以及黄土的向东扩张具有明显的阻滞作用（Guo et al.， 2002；Ao et al.，2016）。
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尽管先前在吕梁山开展的野外地质与年代学研究发现，其地貌演化经历了多期多阶段过程（赵俊峰等，2009，2015；王锡勇等，2010；Clinkscales et al.，2021），然而对其隆升剥露过程仍存在不同认识。例如，李建星等（2009，2015）提出吕梁山的隆升开始于始新世，且进一步可以划分为（58±3） Ma、 （40±3） Ma、（30±3） Ma、（23±3） Ma 和（10±3） Ma 共 5 个阶段。赵俊峰等（2009，2015）通过对宁静向斜及柳林地区砂岩的裂变径迹数据研究，认为吕梁山的隆升经历了 3 个阶段：缓慢抬升阶段（120~65 Ma）、加速抬升阶段（65~23 Ma）以及强烈抬升阶段 （23 Ma~至今）。任星民等（2015）认为吕梁山的构造隆升主要发生于晚侏罗世—早白垩世和渐新世以来。Clinkscaleset al（.2020）通过对山西断陷系中北部两条高程剖面数据进行反演模拟，揭示吕梁山中北部的剥露主要发生在 155~135 Ma 和 110~65 Ma。Su et al（.2021）通过对山西地堑系中部和东缘的中条山和霍山开展低温热年代研究，提出华北地区在新生代以来广泛发育50~35 Ma和<8 Ma的快速冷却。Yu et al（.2022）利用年龄-高程法和热历史模拟对太行山的剥露历史进行研究，提出其经历了晚渐新世和早中新世两期快速冷却。
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低温热年代学技术作为一种常见的同位素测年手段，由于其封闭温度较低（磷灰石裂变径迹 （AFT）：60~120℃；磷灰石（U-Th）/He（Ahe）：40~80℃），能够记录浅部地表岩石的冷却过程，因此，往往被用于山体剥露、古地形重建等研究（周祖冀， 2014）。由于吕梁山经历了多期多阶段剥露过程，导致不同地区甚至同一区域不同构造位置获得的低温热年代学数据差异较大。因此，先前学者通过单一样品的热演化过程获得的吕梁山脉的剥露历史存在差异。Beaun（2003）开发了一款三维热-动力学模拟软件 Pecube，能够耦合不同构造环境、地表地形下的热年代数据集，被广泛用于限定整个区域空间尺度的剥露历史（Vander et al.，2010；Braunet al.，2012；刘方斌和聂军胜，2022；马子宁等，2022）。 Gallagher（2012）开发的 QTQt 软件可以输入多个样本的低温热年代学数据限定研究区的热历史。本研究以吕梁山中段云顶山—西山地区的低温热年代学数据为研究对象（任星民等，2015；黄志刚， 2016；孙蓓蕾等，2017），采用 QTQT 二维热-运动学模拟软件和Pecube三维热-运动学模拟软件对样品进行综合分析，明确吕梁中段中生代以来的剥露历史。
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1 区域地质背景
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华北造山带自 1850 Ma 以来由东、西两大地块拼贴形成（Faure et al.，2007；Yang and Santosh， 2014）。根据前寒武纪基底特征，可将华北克拉通划分为“两块一带”，即西部地块、东部地块和中部造山带（Zhao et al.，2005；曹现志，2014）。其中，中部造山带地处华北克拉通的中部，北接中亚造山带，南接秦岭—大别造山带，西接鄂尔多斯盆地，东接渤海湾盆地，主要表现为长约 1200 km，宽 100~300 km 的近南北走向的条带（图1a）。根据其构造特征，进一步分为吕梁山脉、山西地堑、太行山脉。
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吕梁山脉是一条地处华北克拉通中部构造带西部，横贯山西西北部的重要山脉。其西通过离石大断裂与鄂尔多斯中生代残留盆地相邻，东部为山西新生代地堑系（田辉等，2014；Wang et al.，2014； 任星民等，2015）。研究区位于吕梁山中部，主要由前寒武纪基底和寒武纪以来的沉积盖层组成（图1b）。前寒武纪基底被称为为吕梁杂岩，包括新太古代—古元古代变质表壳岩和古元古代花岗侵入体（耿元生等，2000，2003）。变质表壳岩主要分布于研究区中部的云中山、芦芽山和南部的关帝山一带，呈北北东—南南西向展布。古元古代花岗侵入体就位于变质表壳岩中，呈椭圆状分布，由北向南依次包括芦芽山紫苏花岗岩、云中山片麻状花岗岩和关帝山片麻状花岗岩（耿元生等，2000，2003； Zhao et al.，2008）。锆石 U-Pb 年代学结果显示，芦芽山紫苏花岗岩和云中山堂尔上花岗岩体的结晶年龄约1.8 Ga（Zhao et al.，2008），关帝山片麻状花岗岩的结晶年龄约 2.1 Ga（耿元生等，2000）。寒武纪以来的沉积盖层广泛分布于研究区的其他地区，新生代地层在研究区零星出露。
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本文选择横跨吕梁山中段的云顶山—西山一带为研究对象，收集了该区域已发表的22件低温热年代样品（任星民等，2015；黄志刚，2016；孙蓓蕾等，2017），其中 11 件来自关帝山元古宙花岗片麻岩，4件来自云顶山元古宙花岗片麻岩，还有 7件来自西山晚石炭世—早二叠世砂岩。通过对单个样品的年龄进行分析，并采用 QTQt二维热-运动学模拟、年龄高程剖面法和Pecube三维热-运动学模拟，综合分析研究区的冷却历史，重建吕梁山中段中生代以来的地貌演化过程。
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2 实验方法
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2.1 QTQt二维热-运动学模拟
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Gallagher（2012）开发的QTQt二维热-运动学模拟软件是一款基于磷灰石和锆石裂变径迹、（U-Th）/ He数据以及镜质体反射率，利用马尔可夫链蒙特卡罗算法，通常采用提出的多元动力模型（Ketchamet al.，2007）和辐射损伤模型（Flowers et al.，2009），来获取样品所经历的冷却历史（Gallagher，2012）。在本文热历史模拟中，选取了吕梁山中段东缘的西山地区磷灰石（U-Th）/He 数据，采用辐射损伤模型，单次模拟迭代10000次，单件样品进行重复模拟，并将模拟年龄与实测年龄进行对比，当 GOF 值 （goodness-of-fit between model and age；模拟与实测年龄之间的拟合度）大于 0.5时，认为模拟结果符合地质事实，当其仅大于 0.05时，认为是可以接受的； 最后，选择最佳模拟曲线作为样品的冷却历史。此外，在模拟过程中设置了以下约束条件：（1）当前的地表温度为（20±5）℃，地温梯度为 2.5℃/km（Yu et al.，2022）；（2）设置当前大气中的气温递减率为 6℃/km（Naito et al.，2006）。
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2.2 Pecube三维热-运动学模拟
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Pecube三维热-运动学数值模拟软件是基于低温热年代学数据，利用有限元程序，求解三维热传导方程，评估随时间变化的地貌对热年学数据集的影响（Beaun，2003）。该程序通过利用贝叶斯邻域算法，示踪矿物颗粒从深部到地表的时间-温度变化，并将其与各种年龄预测模型结合起来，对样本颗粒的低温热年代年龄进行预测，以期获得不同时期岩石样品的剥露速率（Sambridge，1999；刘方斌， 2021）。该程序内置了热传导、平流、构造活动、放射性元素在地壳中产生的热量以及有限振幅地形对热年学数据集的影响。
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图1 华北克拉通主要的构造单元（a）和吕梁山中段地质简图及样品位置图（b，据黄志刚，2016修改）
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三维热传导方程如下：
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式（1）中：T（x，y，z，t）为温度；ρ 为岩石密度（kg/ m3）；c为热容（J/kg·K）；v为岩石相对于模型基底（z=-L）的垂直速率（km/Ma）；k 为导热率（W/m·K）；A 为放射性产热率（W/m3 ）。
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此外，在计算过程中，通过时间-温度热历史变化情况，来预测不同样品的热年代学年龄。由于预测结果与实测结果会存在一定的误差，因此该模型给出了一个实测值与预测值的加权差-最低失配函数Misfit（Φ）用来检验模型的质量，其公式如下：
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式（2）中：n 为样品数量；αi，mod为模型预测值； αi，dat为实测值；σi为数据的误差值。
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当值偏大时，笔者认为模型不可靠，需要对模型的参数进行优化，再次模拟；当Misfit值越小时（<3），认为模型接近合理。在Pecube软件计算模拟过程中，需要不断调试参数，以获得一个较小的 Misfit 值（刘方斌，2021）。
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为了进一步约束吕梁山中段地区的剥露过程，本文对云顶山、关帝山和西山 3 个地区的样品进行了 Pecube 三维热-运动学数值模拟，并将“温度-时间模型”计算出的热年代学年龄与实测年龄进行对比（马子宁等，2022），获得其 Misfit值。在模拟过程中，本文首先通过 Google 影像获取了 3 个地区的数字高程数据，其中影像分辨率为 30 m，该分辨率可以分辨每个样品的地貌地形差别；此外，运用 Arc⁃GIS 软件提取了高程数据；其次，本文根据前人资料，设定研究区反演模型中地壳和岩石圈的几何参数以及其他边界条件（Bermudez et al.，2011；Braun et al.，2012），其中地壳厚度：40 km，地壳密度：2700 kg/m3，岩石圈密度：3200 kg/m3，等效弹性厚度：20 km，热扩散系数：25 km2 /Ma，地表温度：15℃，海平面温度：25℃，杨氏模量：1011 Pa，泊松比：0.25，大气温度梯度：6℃/km，地壳生热率：0℃/Ma。
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3 实验结果
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3.1 AFT数据结果
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在吕梁山中段云顶山地区，样品的 AFT平均年龄值集中在（88±5）~（77±9） Ma，远小于花岗岩的结晶年龄（表1），表明其经历了充分退火。所有样品均通过了 χ2 检验 P（χ2）≥5%（Galbraith and Green， 1990），表明其具有单一的年龄组分。此外，这些样品的平均径迹长度相对较长，径迹长度为（12.8± 2.2）~（13.5±1.7）μm，揭露该地区在晚白垩世晚期经历了相对快速的冷却过程。
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在吕梁山中段关帝山地区，样品的 AFT平均年龄值为（138.7±6.6）~（48.9±2.1） Ma，远小于它们相应的地层年龄（表1），表明其经历了充分退火。样品 F57 未通过 χ2 检验 P（χ2）<5%（Galbraith and Green，1990），表明其为混合年龄；其他花岗片麻岩的样品均通过了 χ2 检验 P（χ2）≥5%（Galbraith and Green，1990），表明其具有单一的年龄组分。这些样品的平均径迹长相对较短，径迹长度为（10.62± 1.60）~（11.84±1.71）μm，可能是样品在冷却过程中缓慢通过 AFT 的部分退火带或经历了更复杂的退火过程。
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在西山地区，7 件砂岩样品的 AFT 平均年龄值为105~47 Ma（表1）。其中6件样品（F70、F71、K1a、 K1b、K4a、K4b 和 K5）的年龄值为 52~48 Ma，1 件样品（F71）年龄值为（104.6±6.6） Ma。所有样品均小于其相应的地层年龄，表明其经历了完全退火。尽管由于所测颗粒数太少或不同物源区的磷灰石颗粒的化学成分差异较大，导致样品 F70、K1b 和 K4b 中单颗粒磷灰石颗粒表现出来的退火特征不一致，从而使得其未通过 χ2 检验 P（χ2）>5%，但是这些样品大多具有相对较长的径迹，平均径迹长度集中在 12.0~13.0 μm，表明其经历了相对快速的冷却过程。样品 F71 和 K5 通过了 χ2 检验 P（χ2）>5%，表明其具有单一的年龄组分。其中样品F71平均径迹长度相对较短，径迹长度为（10.7±1.6）μm（表2），表明其在晚白垩世时期经历了缓慢的冷却过程；而样品K5平均径迹长度相对较长，径迹长度为（12.7±2.0）μm （表2），表明样品在始新世时期经历了相对快速的退火过程。
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3.2 AHe结果
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在西山地区，3 件砂岩样品均来自于晚石炭世—早二叠世地层。分析测试结果表明这些样品具有一致的平均AHe年龄值，年龄值在（29.9±1.0）~（28.1±0.8） Ma（表2）。此外，这些样品的 AHe 年龄值均小于其相应的地层年龄，表明其经历了完全退火。结合区域内的 AFT 年龄（52~48 Ma）、AFT 的部分退火温度（60~120℃）（Gleadow et al.，2002）和 AHe 的部分退火温度（40~75℃）（Flowers et al.， 2009），粗略估算出西山地区的始新世期间的剥露速率大于3.0℃/Ma。
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3.3 QTQt热模拟结果
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通过对西山地区 4 件样品单颗粒 AHe 进行 QTQt的热历史模拟，结果显示其经历了相似的冷却过程（图2）。在 50 Ma 左右，样品开始发生快速冷却，冷却速率在 5.0~6.0℃/Ma，随后在 30 Ma左右之后，样品开始缓慢冷却，冷却速率在大于 10.0℃/ Ma，冷却速率在小于 1.0℃/Ma，直到冷却至近地表温度。假设地温梯度为 2.5℃/km，可以计算出样品在始新世的剥露速率大于 0.4 mm/a，随后样品的剥蚀速率降低至0.04 mm/a。
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3.4 Pecube热模拟结果
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基于吕梁山中段关帝山 —西山地区 AFT 和 AHe 数据，结合热历史模拟结果，本文对吕梁山关帝山、云顶山和西山地区分别设置了 3 个、2 个和 1 个拐点时间（表3）。其次，在模拟过程中，笔者设置了 50次迭代，每次迭代 1000次，且为了避免出现局部最小值聚集的现象，将重采样率固定在 90%。在 Pecube反演运行代码中，将低温热年代样品的实测年代学数据内置于低温测年体系中，其“剥露速率转换时间”及“剥露速率”的取值范围及最优结果见表3，各模拟参数的散点图也具有良好的趋近趋势。
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模拟结果显示，吕梁山中段关帝山杂岩在 97 Ma 开始剥露，剥露速率为 0.001 mm/a；随后在 76.8 Ma 剥露速率加快，剥露速率为 0.11 mm/a；在 30 Ma 之后，剥露速率减慢，速率为 0.043 mm/a（图3，表3）。云顶山片麻状花岗岩在 78.7 Ma 开始剥露，剥露速率为 1.57 mm/yr；随后在 49 Ma 之后，剥露速率呈指数下减，剥露速率为 0.0054 mm/a（图3，表3）。西山中生代砂岩记录该地区在 25 Ma 仍有快速剥露，剥露速率为0.48 mm/a（图3，表3）。
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图2 西山砂岩AHe样品热历史反演结果
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a—1612-1样品；b—1311样品；c—1612-2样品；d—1376样品
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黑线为期望模型，红线表示期望模型的95%可信区间，颜色代表路径概率，红色方框为约束
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注：Nc为测得的封闭径迹数量；ρs、ρi 和ρd分别为自发径迹密度、诱发径迹密度和标玻径迹密度；Age使用TrackKey软件计算得出，当P（χ2）>5%，采用冷却年龄；当P（χ2）≤5%，采用平均年龄；P（χ2）为卡方检验的值；MTL为平均围限径迹长度。
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注：有效铀含量，[eU]=[U]+0.235×[Th]（Flowers et al.，2009）。
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4 讨论
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尽管低温热年代数据显示吕梁山中段由东向西经历了差异性的剥露，但总体来看，该地区主要经历了晚白垩世、始新世和中新世以来 3 期快速剥露。
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在晚白垩世时期，吕梁山中段中部的关帝山和西部的云顶山地区发生快速剥露，其中靠近离石大断裂云顶山地区比中部的关帝山杂岩发生更加快速的剥露。此外，晚白垩世的快速剥露也被记录在鄂尔多斯盆地。例如，鄂尔多斯盆地晚白垩世地层出露较少，反映了在此期间该地区也经历了强烈剥露，其中鄂尔多斯东部黄河附近中生代被剥露的厚度最大达 2.0 km（刘池洋等，2006）。低温热年代数据同样反映鄂尔多斯盆地东北缘晚白垩世经历了相对快速的冷却（丁超等，2016）。究其原因，古太平洋板块在白垩世晚期向西北俯冲至华北板块东缘之下，华北板块整体构造体制由伸展背景转变为弱挤压背景（Li et al.，2015），吕梁山发生快速剥露，其中远离断裂带内部的吕梁山脉剥露相对缓慢，而靠近断裂带的吕梁山脉中段西部剥露相对快速。
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在始新世时期，吕梁山中段中部关帝山和西部的云顶山地区缓慢剥露，表明吕梁山中部已经剥蚀夷平；而东部清徐—交城断裂的西山地区快速剥露，表明其快速剥露与断裂带活动有关。太行山地区的低温热年代数据表明该地区在大约 60~40 Ma 期间发生快速冷却，冷却温度大约 50℃（Chang et al.，2019；Clinkscales et al.，2021；Su et al.，2021）。这一阶段的快速冷却与古太平洋板块向北俯冲速率减慢、华北地区岩石圈减薄、近南北向伸展断裂活动以及太行山断裂东部渤海湾盆地的形成时间一致（Li et al.，2015；赵利和李理，2016）。构造变形研究表明渤海湾盆地在此期间经历了至少 30% 的伸展（Hellinger et al.，1985）。因此，笔者认为，在始新世期间，古太平洋板块向北俯冲速率减慢，华北板块发生伸展和岩石圈减薄，进而导致区域上南北向正断层活动和正断层下盘（吕梁山东缘）发生快速剥露。
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图3 Pecube模型反演失配函数散点图
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a~c—关帝山杂岩；d~e—西山中生代砂岩；f—云顶山片麻状花岗岩
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中新世以来的冷却过程不仅被记录在西山地区，还被记录在太行山东麓和中条山（Yu et al.， 2022）。太行山东麓的快速冷却被认为与太平洋板块俯冲回撤导致太行山断裂再次活化有关（Yu et al.，2022）。中条山的剥露与渭河盆地同期形成 （Clinkscales et al.，2021；Yu et al.，2022），被认为与印度—欧亚板块碰撞导致沿秦岭造山带发育一系列近东西向的走滑断裂和山西地区发育北东—南西向的正断层活动有关。此外，地震层析成像和数值模拟研究表明，华北克拉通中部和东部中新世早期的隆起事件和应力转换是印度板块和欧亚板块碰撞以及太平洋板块俯冲回撤的结果（Zhao，2009； 李三忠等，2010）。
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5 结论
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通过对吕梁山中段的低温热年代学数据进行二维（QTQt）和三维（Pecube）数值模拟，本文认为吕梁山经历了晚白垩世、始新世和中新世以来 3 期快速剥露。
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（1）晚白垩世时期，吕梁山中段中部的关帝山和西部的云顶山地区均发生快速剥露，这一阶段的剥露主要与古太平洋板块向北俯冲碰撞的远程效应有关。
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（2）始新世时期，吕梁山中段中部关帝山和西部的云顶山地区缓慢剥露，而东部清徐—交城断裂的西山地区快速剥露，这是由于古太平洋板块俯冲回撤导致华北地区发生大规模近南北向伸展，进一步引起靠近断层的位置发生快速剥露。
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（3）中新世以来，吕梁山中部的西山地区发生快速冷却剥露事件，这一阶段剥露与印度—欧亚板块的远程效应以及古太平洋板块回撤，导致山西地堑系两侧的正断层再次活化，致使吕梁山东部正断层下盘发生进一步剥露。
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摘要
吕梁山脉自晚中生代以来经历了复杂的冷却过程，了解其冷却过程有助于理解华北板块现今地貌格局的形成。本文通过收集吕梁山中段的低温热年代学数据，包括磷灰石裂变径迹和磷灰石(U-Th)/He数据，并利用二维（QTQt）和三维（Pecube）数值模拟对这些数据进行重新处理，明确该区域的隆升剥露过程。低温热年代数据结合新的热历史模拟结果，揭示吕梁山中段经历了晚白垩世、始新世和中新世以来的3期快速剥露。在晚白垩世时期，古太平洋板块向北的俯冲，导致华北地区处于弱挤压背景，靠近离石断裂带的西部地区快速剥露，而中部和东部缓慢剥露；在始新世时期，古太平洋板块俯冲缓慢，华北地区构造体制由弱挤压环境转变为伸展背景，发育大规模近南北向的正断层，导致紧邻清徐—交城断层的吕梁山东部发生快速剥露；在中新世以来，印度—欧亚板块的远程效应以及古太平洋板块回撤导致南北向正断层再次活化，致使吕梁山东部进一步剥露。
Abstract
The Lüliang Mountains underwent a complex cooling process since the Late Mesozoic, thus, its process plays an important role in understanding the formation of the current topography of the North China Plate.To clarify the uplift and exhumation process in this area, the Low-temperature thermochronology data (including apatite fission track and apatite (U-Th)/He data) collected from the middle section of the Lüliang Mountainswere reprocessed by two-dimensional (QTQt) and three-dimensional (Pecube) numerical simulations. The Low-temperature thermal dating data combining with the new thermal modeling results reveal that the rapid exhumation in the middle section of Lüliang Mountains experienced three periods: the Late Cretaceous, Eocene and Post-Miocene. During the late Cretaceous, the northward subduction of the Pacific Platenot only resulted in the tectonic background becoming a weak compression environment of the northern China, but also the rapid exhumation of eastern regions closing to the Lishi fault zone and the slow exhumation of central and eastern regions. During the Eocene, the slow subduction of the Pacific Plate led to the tectonic background changes from a weak compression toextensional environment, the onset activity of the North–south trending rifts and rapid exhumation in the eastern part of Lüliang Mountains closing to Qingxu-Jiaocheng fault zone. Since the Miocene, the remote effectcaused by collision between the Indian and the Eurasian plates and the retreat of the Pacific Plate led to the reactivation of the North–south trending rifts and the further exhumation of the eastern part of the Lüliang Mountains.
