韓 偉 , 盧進(jìn)才 張云鵬 李玉宏 魏建設(shè) 劉 溪

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心, 陜西 西安 710054; 2.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系, 陜西 西安710069)

磷灰石裂變徑跡可以記錄巖石經(jīng)歷的小于 120 ℃的低溫?zé)釟v史的詳細(xì)信息。隨著對裂變徑跡長度分布特征與裂變徑跡退火模型的深入研究和數(shù)字模擬技術(shù)的進(jìn)步, 可精確地反演構(gòu)造域的熱構(gòu)造歷史,即探討構(gòu)造演化過程與相應(yīng)溫度間的變化關(guān)系, 建立年代-溫度演化軌跡(Barbarand et al., 2003;Ketcham et al., 2000; 高峰等, 2000)。近20年來, 裂變徑跡方法在構(gòu)造抬升和沉積盆地?zé)釟v史方面的應(yīng)用取得了不少成果。首先, 可以重塑不同時間段抬升-冷卻事件的時間、期次和溫度演化過程; 其次,運(yùn)用裂變徑跡熱史模擬技術(shù), 可以獲得反映盆地早期古地溫場演化的信息。在研究程度較低的地區(qū),該方法的特性和優(yōu)越性尤為明顯(周祖翼等, 2001;任戰(zhàn)利, 1995; 丁超等, 2011; 袁萬明等, 2007; 朱文斌等, 2007)。

疊合盆地的演化特征研究, 是研究疊合盆地油氣形成和分布規(guī)律的前提和基礎(chǔ)。額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)位于內(nèi)蒙古西部, 是包括了銀-額(銀根-額濟(jì)納旗)盆地、北山盆地群等古生代與中生代盆地的疊合盆地(任紀(jì)舜等, 1999; 康玉柱, 2008; 盧進(jìn)才等, 2010,2011a)。前人所謂“銀-額盆地”大多是指中生代的“銀根-額濟(jì)納旗”盆地(張代生等, 2003; 陳啟林等, 2006;葉加仁和楊香華, 2003), 對晚古生代很少關(guān)注, 甚至將古生代地層作為中生代盆地基底對待。2007年以來, 中國地質(zhì)調(diào)查局對該盆地開展了新一輪的研究工作, 認(rèn)為晚志留世-早中泥盆世, 蒙古洋殼板塊向南俯沖以及西伯利亞板塊與中朝板塊碰撞對接,古亞洲洋閉合。石炭紀(jì)-二疊紀(jì), 額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)形成陸內(nèi)裂谷盆地, 沉積了巨厚的火山巖+碎屑巖+碳酸鹽巖組合。并且, 項(xiàng)目組在研究區(qū)石炭系-二疊系中發(fā)現(xiàn)了5套有規(guī)模、分布廣的烴源巖, 其中13條剖面各層位的烴源巖 TOC含量絕大多數(shù)>0.5%,據(jù)盧雙舫等提出的評價標(biāo)準(zhǔn), 可達(dá)到中等-好的烴源巖(盧雙舫和張敏, 2008; 盧進(jìn)才等, 2010, 2011a)。并通過油源對比等方法證實(shí)祥探8井鉆遇的原油與祥探9井中石炭系烴源巖有良好的親緣關(guān)系(曹潔等,2012)。這些烴源巖是否能有效地轉(zhuǎn)化為油氣并且成藏, 與其后來所經(jīng)歷的構(gòu)造演化過程密切相關(guān)。因此, 研究盆地形成后所經(jīng)歷的構(gòu)造演化過程對于指導(dǎo)研究區(qū)油氣勘探工作顯得尤為重要。

基于此研究目的, 作者對額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)二疊系露頭樣品展開了磷灰石裂變徑跡研究, 結(jié)合野外地質(zhì)調(diào)查及前人資料, 對研究區(qū)二疊紀(jì)以來構(gòu)造演化過程中關(guān)鍵構(gòu)造事件提供熱年代學(xué)約束, 對烴源巖熱演化史展開探討, 為額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)的構(gòu)造熱演化歷史和盆地的油氣地質(zhì)條件分析提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景和樣品分布

額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)位于天山-興安造山系與華北地塊的交匯帶, 晚泥盆世-二疊紀(jì)為統(tǒng)一的裂谷盆地(盧進(jìn)才等, 2011a), 進(jìn)一步劃分為四個二級構(gòu)造單元, 具有兩坳兩隆的構(gòu)造特征(圖 1), 石炭系-二疊系由下往上分為7個巖石地層單元(表1)。在石炭系-二疊系沉積之后, 經(jīng)歷了海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期等多期次的構(gòu)造改造(盧進(jìn)才等,2011b)(表 1)。

本次研究共取砂巖樣品 6個, 樣品均取自隸屬于馬鬃山-拐子湖中間隆起帶上的露頭剖面, 其中哈爾蘇海上巖段剖面2個樣品取自上二疊統(tǒng)哈爾蘇海組, 杭烏拉埋汗哈達(dá)剖面 4個樣品取自下中二疊統(tǒng)埋汗哈達(dá)組(圖1, 表2)。

2 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)方法

裂變徑跡是放射性元素238U裂變造成的礦物晶格電離損傷, 在巖石冷卻時產(chǎn)生, 加溫時“退火”消失; 再冷卻又重新產(chǎn)生。這種“生滅可逆”的特殊性記錄了巖石被冷卻、加溫、再冷卻的過程(陳安定等, 2004)。

圖1 額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)石炭紀(jì)-二疊紀(jì)構(gòu)造單元劃分(a)及剖面位置示意圖(b)(據(jù)甘肅、寧夏地質(zhì)局1∶20萬地質(zhì)圖)Fig.1 Map showing the division of C-P tectonic units in Ejina area Banner and its vicinity (a) and sampling sites (b)

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磷灰石裂變徑跡分析首先將樣品粉碎研磨至60~150目(0.1~0.25 mm)后, 清洗烘干, 用磁選、浮選等方法初選, 再在雙目鏡下挑選出磷灰石單礦物, 利用環(huán)氧和聚四氟乙丙烯將其制成光薄片。在恒溫25 ℃的6.6% HNO3溶液中蝕刻30 s, 揭發(fā)其自發(fā)徑跡; 然后采用外探測器法定年, 將低鈾白云母貼在光薄片上, 與 SRM-962標(biāo)準(zhǔn)鈾玻璃一起構(gòu)成定年組件, 一并置入反應(yīng)堆輻照; 最后將云母外探測器置于25 ℃下40%的HF中蝕刻35 min, 揭示誘發(fā)裂變徑跡, 中子注量利用CN5鈾玻璃標(biāo)定。根據(jù)IUGS推薦的ξ常數(shù)法和標(biāo)準(zhǔn)裂變徑跡年齡方程計算年齡值(Hurford et al., 1983; 袁萬明等, 2004), 本文獲得磷灰石的Zeta常數(shù)為389.4±19.2。樣品的分析處理由中國科學(xué)院高能物理研究所完成, 分析結(jié)果見表2。

表2 額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)磷灰石裂變徑跡樣品測試結(jié)果Table 2 The results of fission track analysis of the apatites from the Ejina area and its vicinity

2.2 測試結(jié)果分析

磷灰石裂變徑跡研究表明: 當(dāng)樣品測試年齡小于地層年齡時, 樣品經(jīng)歷了退火和后期的抬升冷卻作用, 其年齡大致對應(yīng)了最初的抬升時間。當(dāng)樣品P＞5%時, 可采用中值年齡來代表樣品經(jīng)歷高溫退火之后的真實(shí)抬升冷卻年齡; 如果P＜5%或者P=0,其中值年齡屬于比真實(shí)冷卻年齡偏大的混合年齡,只能近似代表樣品抬升冷卻的最大年齡或物源碎屑的殘存年齡記錄(王建強(qiáng)等, 2010; Brandon, 1996)。本次研究6個樣品表觀年齡P值除08LHS-06樣品以外, 其余5個樣品的P值均大于5%, 說明絕大部分顆粒年齡均屬單一來源, 大部分樣品中值年齡可代表真實(shí)抬升冷卻年齡(表2)。

從表2可以看出所有樣品的表觀年齡主要集中在(90±6)~(113±8) Ma 之間(表 2、圖 2), 遠(yuǎn)小于樣品所在地質(zhì)體年齡, 說明都經(jīng)歷了不同程度的退火作用。本次研究 6個樣品的徑跡長度在(12.5±1.7)~(13.2±1.7) μm 之間, 均小于初始裂變徑跡平均長度16.5 μm。長度直方圖(圖2右列)呈現(xiàn)3個特點(diǎn): ①不同樣品的徑跡平均長度變化較小, 主體為12.5~13.2 μm,說明這些樣品均經(jīng)歷了完全退火, 較為集中地反應(yīng)了一期構(gòu)造事件。并且, 這種中等長度的徑跡特征,表明磷灰石在抬升出退火帶后處于較低的溫度; ②長度標(biāo)準(zhǔn)差較小, 變化于1.7~1.9之間, 說明樣品的構(gòu)造熱背景較為單一; ③長度分布直方圖具有寬范圍、單峰特征, <10 μm和>15 μm的徑跡, 即分別來自較年輕顆粒和較老的顆粒很少。根據(jù)這些分析可以看出本組樣品年齡組分單一, 證明樣品經(jīng)歷了完全退火, 所有年齡都反映了同一期冷卻年齡, 他們所經(jīng)歷的地質(zhì)熱歷史或冷卻史亦類似。6個樣品所記錄的構(gòu)造抬升運(yùn)動并非迅速抬升剝蝕, 而是較為漫長的持續(xù)抬升過程。

前人對研究區(qū)后期構(gòu)造改造研究認(rèn)為, 早、中侏羅世研究區(qū)構(gòu)造背景以張扭拉分和局部抬升為主,使得下侏羅統(tǒng)與中侏羅統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)與上侏羅統(tǒng)呈假整合接觸, 晚侏羅世開始隆升, 并經(jīng)歷了強(qiáng)烈的南北向擠壓、抬升(盧進(jìn)才等, 2011b)。結(jié)合樣品裂變徑跡分布的單峰型特征, 認(rèn)為這 6個樣品在晚白堊世之前溫度達(dá)到 120 ℃及以上, 之后逐漸抬升出部分退火帶底界, 并開始記錄年齡。數(shù)據(jù)結(jié)果顯示, 6個樣品的表觀年齡介于(90±6)~(113±8) Ma(早白堊世末-晚白堊世初), 對應(yīng)燕山Ⅲ-Ⅳ幕, 這是研究區(qū)一次“構(gòu)造反轉(zhuǎn)”的強(qiáng)烈運(yùn)動, 整體表現(xiàn)為擠壓背景下的斷塊作用, 王生朗等(2002)認(rèn)為, 本次構(gòu)造運(yùn)動對研究區(qū)東部的查干凹陷造成了最大可達(dá) 800 m以上的剝蝕, 從而結(jié)束了走滑-拉分凹陷的發(fā)育歷史, 隨之而來的是一種坳陷型沉積。此外, 樣品08LHS-06的P值小于5%, 屬于混合年齡, 可能記錄了其他期次構(gòu)造活動過程, 其單顆粒年齡分布直方圖中還包含一組年齡, 約為 145 Ma(侏羅紀(jì)末)。這一年齡恰好對應(yīng)燕山Ⅲ幕擠壓抬升時期, 表明該樣品中部分顆粒記錄了該期構(gòu)造活動, 說明研究區(qū)部分地區(qū)在燕山Ⅲ幕擠壓抬升時期已經(jīng)開始抬升。

圖 2 額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)磷灰石裂變徑跡年齡組成及統(tǒng)計分布圖(注: 左列為單顆粒年齡雷達(dá)圖, 中列為單顆粒年齡分布直方圖, 右列為徑跡長度分布直方圖)Fig.2 Age groups and distribution of apatite fission track results at the Ejina area and its vicinity

總體來說, 本次研究的 6個樣品年齡均記錄了早白堊世末-晚白堊世初的抬升冷卻年齡, 該時期為研究區(qū)中生代以來主要構(gòu)造抬升時期。并且, 個別樣品的部分顆粒還記錄了侏羅紀(jì)末燕山Ⅲ幕擠壓抬升的構(gòu)造活動。

2.3 磷灰石裂變徑跡熱史模擬

磷灰石裂變徑跡方法在獲得沉積盆地沉降/抬升有關(guān)的低溫?zé)崮挲g的同時, 還可以通過模擬技術(shù)獲得一段溫度隨時間變化的低溫?zé)釟v史(Brandon ,1996)。本次研究運(yùn)用AFT Solve軟件進(jìn)行熱史模擬,擬合選用限制任意搜索項(xiàng)(CRS), 擬合次數(shù)選取10000, 模擬溫度從高于裂變徑跡退火帶底部溫度到現(xiàn)今地表溫度 20 ℃, 模擬時間從 160 Ma開始,用測試年齡作為模擬限定條件之一。這種方法的好處在于挖掘先前沒考慮到的數(shù)據(jù)信息, 延伸裂變徑跡分析在地質(zhì)熱信息分析中的實(shí)踐性, 增加模型的可信度。同時該程序包括對模擬結(jié)果的評估, 即時間-溫度歷史在使用者輸入約束條件下模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的擬合程度。熱史模擬過程中, “K-S檢驗(yàn)”表示徑跡長度模擬值與實(shí)驗(yàn)值的吻合程度; “年齡GOF”代表徑跡年齡模擬值與實(shí)測值的吻合程度, 若“年齡GOF”和“K-S檢驗(yàn)”都大于5%時, 表示模擬結(jié)果“可以接受”, 當(dāng)值均超過 50%時, 模擬結(jié)果則是高質(zhì)量的, 并將其作為最佳熱史路徑(丁超等, 2011;肖暉等, 2011)。

本次模擬結(jié)果顯示, 6個樣品中僅08LHS-05的“K-S 檢驗(yàn)”小于 50%(為 45%), 為“可接受”路徑, 其余均超過50%, 為最佳熱史路徑(圖3)。

由熱史模擬可以看出, 6個樣品的模擬結(jié)果較為一致, 在早白堊世末之前均為持續(xù)沉降、增溫的狀態(tài), 并在早白堊世末(90~113 Ma)之前達(dá)到最大埋深即最大古地溫, 之后開始抬升降溫, 這與本次樣品的測試年齡非常吻合。在晚白堊世70 Ma前后趨于穩(wěn)定, 后持續(xù)降溫至今。

3 地質(zhì)意義

研究區(qū)自石炭紀(jì)-二疊紀(jì)沉積之后, 于二疊紀(jì)末開始抬升, 經(jīng)歷了海西期、印支期、燕山期等多期次構(gòu)造運(yùn)動, 區(qū)內(nèi)三疊系、侏羅系中下統(tǒng)沉積普遍缺失, 樣品08LHS-06中部分顆粒記錄了145 Ma(侏羅紀(jì)末)研究區(qū)擠壓抬升的構(gòu)造運(yùn)動, 這在野外工作和地震剖面中也被證實(shí)(圖4、5)。這段時間, 區(qū)內(nèi)構(gòu)造活動復(fù)雜多變, 沉積極不穩(wěn)定, 石炭系-二疊系烴源巖埋深亦不穩(wěn)定, 不利于油氣形成。

圖3 額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)磷灰石裂變徑跡熱史模擬結(jié)果Fig.3 Geothermal history modeling results for the Ejina area and its vicinity

圖4 石炭系-二疊系與上覆地層接觸關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic diagram showing the contact relationship between the Carboniferous-Permian and overlying strata

到早白堊世, 研究區(qū)構(gòu)造背景趨于穩(wěn)定, 重新接受沉積, 陸內(nèi)斷陷盆地發(fā)育達(dá)到鼎盛, 陳啟林等(2006)研究認(rèn)為, 早白堊世居?xùn)|凹陷(居參1井)基底埋深達(dá)到4800 m, 中生代盆地部分凹陷達(dá)到最大埋深。額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)熱演化研究表明(韓偉等,2011), 研究區(qū)二疊系烴源巖熱演化程度在白堊紀(jì)達(dá)到最高。這與本次磷灰石裂變徑跡熱史模擬結(jié)果十分吻合, 說明早白堊世是研究區(qū)油氣生成的重要時期, 孕育了一系列生油盆地(左國朝等, 2003)。

左國朝等(2003)研究認(rèn)為, 晚白堊世印度板塊向北與青藏高原對接, 額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)受到由西向東的擠壓作用, 整體表現(xiàn)為擠壓背景下的斷塊作用, 穩(wěn)定沉降的狀態(tài)結(jié)束, 再次開始抬升, 本次磷灰石裂變徑跡樣品年齡較為集中, 恰好記錄了早白堊世末-晚白堊世初(90~113 Ma)之間的這次構(gòu)造運(yùn)動。受其影響, 研究區(qū)西部的北山地區(qū)該時期地層缺失, 東部形成了一系列斷陷盆地。由于受到構(gòu)造斷塊作用影響, 研究區(qū)背斜構(gòu)造圈閉不很發(fā)育, 如東部的查干凹陷幾乎所有構(gòu)造圈閉全為與斷層有關(guān)的斷鼻和斷背斜。并且, 本次磷灰石裂變徑跡樣品單顆粒年齡直方圖、徑跡長度直方圖分布均較寬,記錄為冷卻年齡, 可認(rèn)為這次構(gòu)造抬升較為緩慢,并非快速抬升, 對油氣地質(zhì)條件破壞作用有限。因此, 這一階段對研究區(qū)油氣成藏意義重大。

圖5 額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)典型地震剖面解釋圖Fig.5 Interpretation of a typical seismic profile in the Ejina area and its vicinities

這次構(gòu)造抬升之后, 研究區(qū)進(jìn)入坳陷沉積階段,再未經(jīng)歷強(qiáng)烈的構(gòu)造變形(圖 6), 直至喜山期, 受印度板塊與歐亞板塊碰撞作用所產(chǎn)生的遠(yuǎn)程效應(yīng)的影響, 區(qū)內(nèi)局部遭受擠壓抬升, 產(chǎn)生了一些表皮構(gòu)造。

4 認(rèn)識與結(jié)論

對額濟(jì)納旗及其鄰區(qū) 6個樣品的磷灰石裂變徑跡開展研究, 其年齡為 90~113 Ma(早白堊世末-晚白堊世初), 為冷卻年齡, 記錄了研究區(qū)受印度板塊向北與青藏高原對接的影響開始緩慢抬升冷卻的過程, 該時期對研究區(qū)油氣成藏意義重大。此外, 個別樣品的部分顆粒還記錄了145 Ma左右(侏羅紀(jì)末)研究區(qū)擠壓抬升的構(gòu)造過程, 這一時期構(gòu)造活動強(qiáng)烈,不利于油氣成藏。

結(jié)合磷灰石裂變徑跡熱史模擬、研究區(qū)熱演化研究與前人成果認(rèn)為, 研究區(qū)二疊系烴源巖在早白堊世達(dá)到最大古地溫, 早白堊世是油氣大量生成的時期。

圖6 額濟(jì)納旗及其鄰區(qū)白堊系產(chǎn)狀Fig.6 The occurrence of the Cretaceous sequences in the Ejina area and its vicinity

致謝: 稿件寫作過程中得到西北大學(xué)任戰(zhàn)利、西安石油大學(xué)肖暉等老師的指導(dǎo), 修改過程中兩位審稿老師和編輯老師提出了寶貴的修改意見, 在此一并表示感謝！

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