曹力偉，張 敏，林中凱，劉國宏，李 瑋

1中石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東 東營(yíng)

2西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安

1.引言

三危山位于敦煌盆地中部，把敦煌盆地分割成南、北2大坳陷，北部為安墩坳陷，南部為阿克賽坳陷，五墩凹陷為北部安墩坳陷的次級(jí)凹陷，由于其處于特殊的構(gòu)造位置，影響南北兩側(cè)次級(jí)凹陷構(gòu)造特征及沉積充填。前人對(duì)三危山花崗巖及侵入巖開展過鋯石原位U-Pb定年及Hf同位素分析，黨河水庫花崗巖和沙棗園二長(zhǎng)花崗巖體為I型花崗巖，是中亞造山階段碰撞期花崗巖，形成于462～434 Ma [1]，在三危山敦煌群中侵入大量斜長(zhǎng)花崗巖脈體，敦煌南側(cè)火焰山斜長(zhǎng)花崗巖脈體形成于360～370 Ma，為古亞洲洋南緣弧后盆地?cái)U(kuò)張形成的花崗巖[2]。在三危山內(nèi)部可見大量的形成于136～99 Ma的基性巖墻群，指示敦煌地區(qū)白堊紀(jì)的伸展構(gòu)造環(huán)境[3]。從上述已經(jīng)發(fā)表的測(cè)年數(shù)據(jù)來看，三危山發(fā)育多期侵入巖，經(jīng)歷多期次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。目前，還缺少關(guān)于敦煌群變質(zhì)巖、花崗巖、侏羅系砂巖的鋯石、磷灰石裂變徑跡及其熱史模擬研究，通過系統(tǒng)取樣，運(yùn)用鋯石、磷灰石裂變徑跡及其熱史模擬分析技術(shù)，對(duì)三危山造山隆升過程進(jìn)行研究，為全面認(rèn)識(shí)敦煌盆地的演化提供重要的參考依據(jù)。同時(shí)，三危山斷裂帶北側(cè)的五墩凹陷是敦煌盆地油氣勘探的重點(diǎn)地區(qū)，在中下侏羅統(tǒng)已獲得油氣勘探突破，表明其具有較大的勘探潛力。三危山多期次構(gòu)造活動(dòng)控制了凹陷形成及改造，影響沉積充填及生烴演化，導(dǎo)致油藏預(yù)測(cè)困難。研究三危山構(gòu)造演化過程對(duì)正確認(rèn)識(shí)五墩凹陷盆山耦合關(guān)系、沉積充填、烴源巖演化及指導(dǎo)油氣勘探具有重要意義。

筆者利用裂變徑跡熱年代學(xué)方法，分析三危山13塊不同時(shí)代巖石樣品的裂變徑跡數(shù)據(jù)，并基于鏡質(zhì)體反射率測(cè)試和地質(zhì)背景分析對(duì)裂變徑跡測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間–溫度熱史模擬，分析三危山隆升過程，結(jié)合地震及鉆井資料，分析三危山演化過程及其對(duì)五墩凹陷沉積充填和烴源巖演化的影響。

2.地質(zhì)背景及樣品特征

三危山呈北東走向，是一條狹長(zhǎng)的隆起帶，出露前震旦系敦煌群片麻巖、片巖、混合巖、變質(zhì)凝灰?guī)r和侵入其中的早古生代、元古代花崗巖，白堊紀(jì)基性巖墻群，在三危山南北兩側(cè)侏羅系露頭有零星出露，主要位于多壩溝、南湖、蘆草溝一帶(圖1)，山前凹陷內(nèi)發(fā)育侏羅系、新近系、第四系。由于受阿爾金走滑斷裂多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響[4]-[9]，三危山斷裂帶內(nèi)主要發(fā)育北東、北西2個(gè)方向的次級(jí)斷裂；北東向斷裂形成時(shí)間早于北西向；次級(jí)斷裂具有逆沖、壓扭、走滑性質(zhì)，逆斷層形成時(shí)間早于走滑斷層。裂變徑跡熱年代學(xué)樣品采自三危山不同時(shí)代、不同位置的各類巖石(表1)。

樣品分析測(cè)試由北京澤康恩科技有限公司完成。試驗(yàn)中先將樣品粉碎，用重液、磁選等常規(guī)方法分離出磷灰石和鋯石單礦物。利用環(huán)氧樹脂將磷灰石制成光薄片，在25℃恒溫的7% HNO3溶液中蝕刻30 s；挑選晶形完整的透明鋯石置于載玻片上，讓其C軸平行于水平面分布，利用一定的高溫使之鑲?cè)刖鬯姆冶┢校ㄟ^研磨和拋光露出內(nèi)表面，利用KOH + NaOH溶液在210℃下蝕刻約25 h揭示自發(fā)徑跡。采用外探測(cè)器法定年，將低鈾白云母貼在光薄片上，與CN5標(biāo)準(zhǔn)鈾玻璃一起構(gòu)成定年組件。樣品均置于反應(yīng)堆內(nèi)輻照，照射的中子注量為1 × 1015n/cm2。之后將云母外探測(cè)器置于25℃的40% HF中蝕刻20 s，揭示誘發(fā)裂變徑跡。根據(jù)IUGS推薦的常數(shù)法和標(biāo)準(zhǔn)裂變徑跡年齡方程計(jì)算年齡值[10][11]。

Figure 1.The locations of the study area and samples圖1.研究區(qū)位置簡(jiǎn)圖及樣品位置圖

Table 1.The determination of fission track of apatite and zircon in Sanweishan Area表1.三危山磷灰石和鋯石裂變徑跡測(cè)定結(jié)果表

3.裂變徑跡測(cè)試結(jié)果

裂變徑跡測(cè)試結(jié)果顯示，樣品的裂變徑跡年齡小于花崗巖樣品年齡，反映了后期的冷卻、熱事件，表明樣品形成后均遭受了構(gòu)造熱事件的影響[12]-[18]。表明三危山敦煌群片巖、花崗巖、侏羅系大山口組砂巖樣品記錄了晚二疊世、晚三疊世、中侏羅世、晚侏羅世、早白堊世、晚白堊世、古近紀(jì)冷卻事件。

3.1.敦煌群片巖樣品裂變徑跡測(cè)試結(jié)果

在三危山地區(qū)采集3件敦煌群片巖樣品(DH1、DH2、DH3)，磷灰石裂變徑跡中值年齡為73±5～113±6 Ma，鋯石裂變徑跡中值年齡為154±6～225±12Ma (表1，圖2)。根據(jù)Binomfit軟件計(jì)算磷灰石裂變徑跡混合年齡，敦煌群變質(zhì)巖獲得了多個(gè)峰值年齡。磷灰石獲得了113.4±6 Ma、82.9±5 Ma、78±6 Ma、48.1±12 Ma、66±5 Ma多個(gè)峰值年齡，顯示了后期經(jīng)歷了早白堊世晚期、晚白堊世晚期和古近紀(jì)的隆升事件。鋯石獲得了 265±18 Ma、189.4±13 Ma、171.1±16 Ma、145.7±9 Ma 的峰值年齡，記錄了晚二疊世、晚三疊世、中侏羅世、晚侏羅世多次隆升事件。

Figure 2.The distribution of fission track of apatite and zircon in Sanweishan Area圖2.三危山磷灰石和鋯石裂變徑跡年齡分布圖

3.2.花崗巖樣品裂變徑跡測(cè)試結(jié)果

對(duì)三危山7件花崗巖樣品進(jìn)行鋯石、磷灰石裂變徑跡測(cè)年分析，其中多壩溝剖面3件(DH11、DH5、DH6)，莫高窟以東4件(DH7、DH8、DH9、DH10)。分析結(jié)果(表1，圖2)顯示，磷灰石裂變徑跡中值年齡為38±5～84±5 Ma，鋯石裂變徑跡中值年齡為137±14～193±20 Ma。磷灰石和鋯石裂變徑跡年齡記錄了早三疊世、晚侏羅世、白堊紀(jì)和古近紀(jì)多期次的冷卻隆升事件。

多壩溝地區(qū)3件樣品的磷灰石裂變徑跡年齡為80±5 Ma～84±5 Ma，反映晚白堊世的冷卻事件。鋯石裂變徑跡年齡為144±6 Ma～163±11 Ma，反映中–晚侏羅世、早白堊世的冷卻事件(表1，圖2)。三危山莫高窟以東4件樣品裂變徑跡年齡為38±2～83±5 Ma (表1，圖2)，記錄了晚白堊世–古近紀(jì)的冷卻事件。DH8花崗巖樣品鋯石裂變徑跡年齡為137±14 Ma、146±11 Ma、193±20 Ma (圖2)，記錄了早–晚三疊世、晚侏羅世、早白堊世、早侏羅世4次冷卻事件。

4.熱史模擬結(jié)果

造山帶巖體的冷卻過程可以直接反映造山帶演化歷史，通過不同的熱測(cè)年計(jì)算其有效的封閉溫度，確定巖體冷卻到不同溫度的時(shí)間，得到一條溫度–時(shí)間曲線，從而描繪造山帶演化熱歷史。

磷灰石裂變徑跡具有較低的封閉溫度，為說明造山帶低溫?zé)嵫莼^程拓展了空間。為了進(jìn)一步了解三危山熱歷史演化過程，對(duì)封閉徑跡測(cè)量數(shù)大于75條的樣品進(jìn)行了熱歷史模擬，記錄最適合的曲線。熱史模擬以五墩凹陷地質(zhì)演化為基礎(chǔ)，利用鋯石裂變徑跡年齡、封閉溫度和該地區(qū)鉀長(zhǎng)石40Ar/39Ar年齡及其封閉溫度作為模擬的邊界條件，對(duì)不同地區(qū)不同樣品進(jìn)行熱史模擬。結(jié)果表明，三危山敦煌群片巖、花崗巖、侏羅系大山口組砂巖樣品記錄了志留紀(jì)至古近紀(jì)多期冷卻事件：志留紀(jì)–早泥盆世(440～400 Ma)快速冷卻隆升階段；晚泥盆世–二疊紀(jì)(400～250 Ma)緩慢冷卻演化階段；三疊紀(jì)(250～200 Ma)快速冷卻隆升階段；侏羅紀(jì)(200～145 Ma)緩慢冷卻階段；白堊紀(jì)(145～90 Ma)早期緩慢隆升、晚期快速冷卻隆升階段；晚白堊世–新生代(66 Ma～現(xiàn)今)緩慢冷卻階段，總體表現(xiàn)為持續(xù)的隆升過程。

4.1.變質(zhì)巖和花崗巖樣品熱史模擬測(cè)試結(jié)果

針對(duì)不同巖性的樣品，對(duì)三危山花崗巖和敦煌群變質(zhì)巖分別進(jìn)行熱史模擬，探討三危山的隆升演化過程。在三危山利用2件敦煌群變質(zhì)巖樣品DH1、DH2進(jìn)行磷灰石裂變徑跡熱史模擬(圖3)。樣品DH1經(jīng)歷了4期冷卻演化過程，第1期為志留紀(jì)–早泥盆世(440～400 Ma)的快速冷卻隆升階段；第2期為早泥盆世–侏羅紀(jì)(400～145 Ma)緩慢冷卻演化階段，第3期為早白堊世(145～120 Ma)快速冷卻演化階段；第4期為晚白堊世–新生代(120Ma～至今)緩慢冷卻階段。樣品 DH2經(jīng)歷了4期冷卻演化過程，早志留世-泥盆紀(jì)(440～360 Ma)快速冷卻演化階段；早石炭世–晚侏羅世(360～150 Ma)緩慢冷卻階段；晚侏羅世–晚白堊世(150～70 Ma)快速冷卻階段和新生代(70 ～40 Ma)緩慢冷卻階段。

為了進(jìn)一步厘定三危山中生代構(gòu)造隆升演化過程，對(duì)三危山西段多壩溝地區(qū)的2件樣品DH4、DH5進(jìn)行了磷灰石裂變徑跡熱史模擬研究(圖4)。由模擬可以看出，2件樣品具有較為一致的演化歷史，顯示花崗巖形成后經(jīng)歷了三疊紀(jì)(250～200 Ma)的快速冷卻階段；侏羅紀(jì)(200～145 Ma)的緩慢冷卻階段；早白堊世(145～90 Ma)的快速冷卻階段；晚白堊世–古近紀(jì)(90～40 Ma)緩慢冷卻階段。

在三危山東部地區(qū)樣品 DH7、DH8獲得了較為接近的演化歷史(圖 3)。早期均經(jīng)歷了晚石炭世–晚三疊世(310～200 Ma)快速冷卻階段，之后的演化略有差異。樣品DH7在侏羅紀(jì)(200～140 Ma)經(jīng)歷了緩慢冷卻階段；在早白堊世(140～90 Ma)經(jīng)歷了快速冷卻階段；晚白堊世之后經(jīng)歷了緩慢冷卻階段。樣品DH8在侏羅紀(jì)–早白堊世經(jīng)歷了緩慢冷卻階段，在晚白堊世–古近紀(jì)經(jīng)歷了快速冷卻階段。

4.2.侏羅系砂巖樣品熱史模擬測(cè)試結(jié)果

侏羅系砂巖樣品的邊界條件限定如下：一是沉積時(shí)的地表溫度設(shè)定為5～30℃；二是現(xiàn)今地表溫度設(shè)為20±10℃。并用砂巖樣品的鋯石裂變徑跡年齡和封閉溫度作為模擬約束條件。鋯石裂變徑跡有效封閉溫度采用210±40℃。

蘆草溝樣品DH13及多壩溝樣品DH12砂巖樣品模擬結(jié)果(圖3)表明，中生代以來均經(jīng)歷了3個(gè)階段的熱史演化。第1階段為侏羅紀(jì)(200～145 Ma)快速沉降埋藏過程；第2階段為白堊紀(jì)抬升階段，始于145 Ma；第3階段為古近紀(jì)緩慢抬升階段，始于66 Ma。多壩溝樣品DH12在早侏羅世晚期已達(dá)到最大埋深，蘆草溝樣品DH13在晚侏羅世才達(dá)到最大埋深。模擬結(jié)果與已鉆井結(jié)果一致，多壩溝北側(cè)的灣窯凹陷內(nèi)敦參1井只揭示153 m上侏羅統(tǒng)，缺失中–下侏羅統(tǒng)，蘆草溝露頭西北部五墩凹陷內(nèi)西參1井完整揭示了2000 m厚侏羅系。

5.三危山演化特征對(duì)于五墩凹陷油氣影響

裂變徑跡、熱史模擬及地震資料解釋結(jié)果表明，三危山經(jīng)歷志留紀(jì)–早泥盆世、三疊紀(jì)2個(gè)快速隆升階段，在早侏羅世之前隆升成山，控制五墩凹陷侏羅系古地貌及物源體系；侏羅紀(jì)處于松弛拉張期，山前箕狀斷陷盆地開始發(fā)育，白堊紀(jì)快速抬升，影響侏羅系烴源巖生烴演化及盆地改造，五墩凹陷早侏羅世以來的構(gòu)造演化可劃分為伸展斷陷早、中、晚期及拗陷期4個(gè)主要演化時(shí)期，不同時(shí)期的沉積充填既有繼承性也有差異性。

5.1.影響五墩凹陷早侏羅世古地貌及物源體系

五墩凹陷是由于三危山斷裂在早侏羅世發(fā)生伸展活動(dòng)而形成的山前箕狀斷陷盆地，一側(cè)為控凹的三危山隆起，另一側(cè)為受北山控制的玉門關(guān)斜坡帶，五墩凹陷古地貌可劃分南部斷階帶、中央洼陷帶、北部斜坡帶，侏羅紀(jì)–白堊紀(jì)沉積充填就是在該構(gòu)造背景下完成的(圖4)。

山前箕狀斷陷湖盆物源體系具有多方向、多類型特點(diǎn)[19][20]。五墩凹陷在侏羅紀(jì)已形成南東向的南湖低凸起、北東向的甜水井凸起、三危山構(gòu)造帶。依據(jù)古水流雙向性、重礦物對(duì)應(yīng)性、邊緣相指示性，認(rèn)為五墩凹陷發(fā)育3個(gè)方向物源，南部為近源三危山物源區(qū)，北部和東部為北山及甜水井凸起遠(yuǎn)源區(qū)。南部三危山物源區(qū)距山前洼陷中心近，在斷階帶及洼陷帶發(fā)育沖積扇–扇三角洲–湖相沉積體系；北部及東部物源區(qū)坡度緩，距洼陷帶遠(yuǎn)，為辮狀河三角洲沉積體系，物源交匯在山前洼陷帶(圖4)。

5.2.影響五墩凹陷斷階帶及洼陷帶的沉積充填

三危山構(gòu)造活動(dòng)控制五墩凹陷沉降及抬升，影響湖平面垂向及縱向變化，進(jìn)而控制五墩凹陷斷陷及坳陷期沉積充填，導(dǎo)致不同演化階段其巖性序列及沉積相類型具有明顯差異(圖4)。

1)伸展斷陷早期。三危山在三疊紀(jì)快速隆升之后，侏羅紀(jì)時(shí)期斷裂處于拉張伸展階段，早侏羅世山前斷陷盆地已經(jīng)形成，該時(shí)期凹陷規(guī)模較小，洼陷帶內(nèi)湖泊開始發(fā)育，在斷階帶及洼陷帶發(fā)育了溫暖濕潤(rùn)氣候下的沖積扇相沉積，沉降中心位于三危山前，隨著凹陷不斷穩(wěn)定下沉，湖水加深，湖面擴(kuò)大，發(fā)育扇三角洲–濱淺湖相、辮狀河三角洲相沉積。

2)伸展斷陷中期。斷陷湖盆繼續(xù)穩(wěn)定下沉，三危山依然控制著斷階帶及洼陷帶沉積，洼陷帶內(nèi)扇三角洲平原低位體系域沉積沿三危山北斷層分布；在中央洼陷帶內(nèi)發(fā)育濱淺湖–半深湖相高位體系域沉積，發(fā)育大山口組烴源巖及儲(chǔ)層。

3)伸展斷陷晚期。隨著湖盆不斷擴(kuò)張，中侏羅世早期，五墩凹陷湖盆范圍達(dá)到最大，水體達(dá)到最深，斷階帶及洼陷帶發(fā)育扇三角洲前緣，斜坡帶發(fā)育辮狀河三角洲前緣，南北物源交匯在洼陷帶內(nèi)半深湖區(qū)，在西參1井2260～2300 m段，頂部見大套黑色水平層理泥巖夾有灰綠色粉砂巖條帶，主要為湖泥沉積。該時(shí)期五墩凹陷湖盆水體最深，發(fā)育24 m厚的優(yōu)質(zhì)烴源巖，為油藏的形成奠定了良好的油源基礎(chǔ)。

4)拗陷期。中侏羅世晚期–晚侏羅世，三危山斷裂伸展拉張活動(dòng)減弱，五墩凹陷由斷陷轉(zhuǎn)為坳陷，湖水變淺，氣候由溫暖潮濕向干旱轉(zhuǎn)變；晚侏羅世凹陷開始抬升，湖水進(jìn)一步變淺，沉積中心逐漸遠(yuǎn)離三危山斷層，向凹陷北部移動(dòng)[21][22][23]。受干旱氣候條件的影響，西參1井中間溝組中上部為厚層深紫色泥巖夾薄層泥巖，向上泥巖變厚，為厚層棕色、棕紅色泥巖夾砂質(zhì)泥巖和砂巖，為五墩凹陷最重要的區(qū)域性蓋層；晚侏羅世博羅組沉積時(shí)期發(fā)育氧化環(huán)境下的沖積扇–湖泊–河流相沉積，推測(cè)三危山前洼陷帶發(fā)育沖積扇相沉積，濱淺湖相沉積不發(fā)育。西參1井顯示，北部斜坡帶為紅色砂巖與泥巖互層的曲流河沉積。

依據(jù)五墩凹陷地質(zhì)結(jié)構(gòu)，將其劃分為山前南部斷階帶、中央洼陷帶、北部斜坡帶，具有南斷北超、南厚北薄的構(gòu)造特征。五墩凹陷的沉積、沉降中心受邊界斷層的控制，地層逐漸向北超覆，厚度呈現(xiàn)向北逐漸減薄的趨勢(shì)。早侏羅世地形分異明顯，凹陷內(nèi)古地形凹凸不平，局部會(huì)出現(xiàn)次級(jí)沉積中心，處于斷陷初期的填平補(bǔ)齊階段。中侏羅世時(shí)期五墩凹陷繼續(xù)以斷陷為主，隨著早侏羅世填平補(bǔ)齊作用的進(jìn)行，凹陷內(nèi)低凸起消失，沉積范圍較早侏羅世明顯擴(kuò)大，早–中侏羅世時(shí)期地層厚度中心位于三危山前中央洼陷帶。晚侏羅世時(shí)期，地層沉積范圍繼續(xù)擴(kuò)大，厚度中心逐漸向凹陷北部偏移。

5.3.影響五墩凹陷烴源巖演化

墩1井埋藏史及熱演化史分析表明：五墩凹陷在早–中侏羅世發(fā)育大山口組及中間溝組2套烴源巖及儲(chǔ)層，晚侏羅世烴源巖開始生烴，五墩凹陷“上生下儲(chǔ)”型油藏開始形成；早白堊世開始大量生排烴，早白堊世末期達(dá)到生烴高峰；晚白堊世由于盆地抬升，地溫降低，烴源巖停止生烴，后期地層埋深再也沒有達(dá)到或者超過早白堊世末期的最大埋深[24]。

5.4.影響五墩凹陷后期改造

多壩溝花崗巖、蘆草溝侏羅系砂巖樣品熱史模擬結(jié)果表明：白堊紀(jì)(145～66Ma)為快速冷卻階段，三危山在晚白堊世–古新世為快速擠壓抬升階段，造成白堊紀(jì)及古近紀(jì)被剝蝕，在五墩凹陷新近系疏勒河組與下伏侏羅系呈角度不整合接觸，凹陷東西兩側(cè)發(fā)育逆沖斷層，構(gòu)成現(xiàn)今凹陷邊界；蘆草溝侏羅系砂巖樣品熱史模擬結(jié)果顯示，新生代為緩慢抬升階段，三危山在新近世–第四紀(jì)為走滑擠壓坳陷階段，盆地形成了現(xiàn)今南斷北超、南深北淺、東西抬升的構(gòu)造格局。

6.結(jié)論

1)三危山的持續(xù)隆升過程經(jīng)歷了6個(gè)階段，志留紀(jì)–早泥盆世快速冷卻隆升階段、晚泥盆世–二疊紀(jì)緩慢冷卻演化階段、三疊紀(jì)快速冷卻隆升階段、侏羅紀(jì)緩慢冷卻階段、白堊紀(jì)緩慢–快速冷卻隆升階段、晚白堊世–新生代緩慢冷卻階段。三危山在早侏羅世之前已經(jīng)隆升成山，侏羅紀(jì)以伸展–拉張為主，白堊紀(jì)至漸新世以擠壓抬升為主，新進(jìn)紀(jì)具有左旋走滑特征，不同時(shí)期具有不同運(yùn)動(dòng)特征。

2)五墩凹陷發(fā)育多方向物源，洼陷帶是南部扇三角洲與北部、東部辮狀河三角洲交匯區(qū)。五墩凹陷劃分為伸展斷陷早、中、晚期及拗陷期4個(gè)演化時(shí)期，不同時(shí)期沉積充填既有繼承性也有差異性；中、晚斷陷和拗陷期是五墩凹陷中–下侏羅統(tǒng)烴源巖、儲(chǔ)集、蓋層發(fā)育時(shí)期，在上述3個(gè)階段洼陷帶及斜坡帶附近發(fā)育的巖性、構(gòu)造–巖性、構(gòu)造油藏是五墩凹陷油氣勘探有利目標(biāo)。