内蒙古西部额济纳旗及其邻区磷灰石裂变径迹研究及其油气地质意义

韩 伟 , 卢进才 张云鹏 李玉宏 魏建设 刘 溪

(1.中国地质调查局 西安地质调查中心, 陕西 西安 710054; 2.西北大学 地质学系, 陕西 西安710069)

磷灰石裂变径迹可以记录岩石经历的小于 120 ℃的低温热历史的详细信息。随着对裂变径迹长度分布特征与裂变径迹退火模型的深入研究和数字模拟技术的进步, 可精确地反演构造域的热构造历史,即探讨构造演化过程与相应温度间的变化关系, 建立年代-温度演化轨迹(Barbarand et al., 2003;Ketcham et al., 2000; 高峰等, 2000)。近20年来, 裂变径迹方法在构造抬升和沉积盆地热历史方面的应用取得了不少成果。首先, 可以重塑不同时间段抬升-冷却事件的时间、期次和温度演化过程; 其次,运用裂变径迹热史模拟技术, 可以获得反映盆地早期古地温场演化的信息。在研究程度较低的地区,该方法的特性和优越性尤为明显(周祖翼等, 2001;任战利, 1995; 丁超等, 2011; 袁万明等, 2007; 朱文斌等, 2007)。

叠合盆地的演化特征研究, 是研究叠合盆地油气形成和分布规律的前提和基础。额济纳旗及其邻区位于内蒙古西部, 是包括了银-额(银根-额济纳旗)盆地、北山盆地群等古生代与中生代盆地的叠合盆地(任纪舜等, 1999; 康玉柱, 2008; 卢进才等, 2010,2011a)。前人所谓“银-额盆地”大多是指中生代的“银根-额济纳旗”盆地(张代生等, 2003; 陈启林等, 2006;叶加仁和杨香华, 2003), 对晚古生代很少关注, 甚至将古生代地层作为中生代盆地基底对待。2007年以来, 中国地质调查局对该盆地开展了新一轮的研究工作, 认为晚志留世-早中泥盆世, 蒙古洋壳板块向南俯冲以及西伯利亚板块与中朝板块碰撞对接,古亚洲洋闭合。石炭纪-二叠纪, 额济纳旗及其邻区形成陆内裂谷盆地, 沉积了巨厚的火山岩+碎屑岩+碳酸盐岩组合。并且, 项目组在研究区石炭系-二叠系中发现了5套有规模、分布广的烃源岩, 其中13条剖面各层位的烃源岩 TOC含量绝大多数>0.5%,据卢双舫等提出的评价标准, 可达到中等-好的烃源岩(卢双舫和张敏, 2008; 卢进才等, 2010, 2011a)。并通过油源对比等方法证实祥探8井钻遇的原油与祥探9井中石炭系烃源岩有良好的亲缘关系(曹洁等,2012)。这些烃源岩是否能有效地转化为油气并且成藏, 与其后来所经历的构造演化过程密切相关。因此, 研究盆地形成后所经历的构造演化过程对于指导研究区油气勘探工作显得尤为重要。

基于此研究目的, 作者对额济纳旗及其邻区二叠系露头样品展开了磷灰石裂变径迹研究, 结合野外地质调查及前人资料, 对研究区二叠纪以来构造演化过程中关键构造事件提供热年代学约束, 对烃源岩热演化史展开探讨, 为额济纳旗及其邻区的构造热演化历史和盆地的油气地质条件分析提供依据。

1 区域地质背景和样品分布

额济纳旗及其邻区位于天山-兴安造山系与华北地块的交汇带, 晚泥盆世-二叠纪为统一的裂谷盆地(卢进才等, 2011a), 进一步划分为四个二级构造单元, 具有两坳两隆的构造特征(图 1), 石炭系-二叠系由下往上分为7个岩石地层单元(表1)。在石炭系-二叠系沉积之后, 经历了海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期等多期次的构造改造(卢进才等,2011b)(表 1)。

本次研究共取砂岩样品 6个, 样品均取自隶属于马鬃山-拐子湖中间隆起带上的露头剖面, 其中哈尔苏海上岩段剖面2个样品取自上二叠统哈尔苏海组, 杭乌拉埋汗哈达剖面 4个样品取自下中二叠统埋汗哈达组(图1, 表2)。

2 实验方法及结果分析

2.1 实验方法

裂变径迹是放射性元素238U裂变造成的矿物晶格电离损伤, 在岩石冷却时产生, 加温时“退火”消失; 再冷却又重新产生。这种“生灭可逆”的特殊性记录了岩石被冷却、加温、再冷却的过程(陈安定等, 2004)。

图1 额济纳旗及其邻区石炭纪-二叠纪构造单元划分(a)及剖面位置示意图(b)(据甘肃、宁夏地质局1∶20万地质图)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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磷灰石裂变径迹分析首先将样品粉碎研磨至60~150目(0.1~0.25 mm)后, 清洗烘干, 用磁选、浮选等方法初选, 再在双目镜下挑选出磷灰石单矿物, 利用环氧和聚四氟乙丙烯将其制成光薄片。在恒温25 ℃的6.6% HNO3溶液中蚀刻30 s, 揭发其自发径迹; 然后采用外探测器法定年, 将低铀白云母贴在光薄片上, 与 SRM-962标准铀玻璃一起构成定年组件, 一并置入反应堆辐照; 最后将云母外探测器置于25 ℃下40%的HF中蚀刻35 min, 揭示诱发裂变径迹, 中子注量利用CN5铀玻璃标定。根据IUGS推荐的ξ常数法和标准裂变径迹年龄方程计算年龄值(Hurford et al., 1983; 袁万明等, 2004), 本文获得磷灰石的Zeta常数为389.4±19.2。样品的分析处理由中国科学院高能物理研究所完成, 分析结果见表2。

表2 额济纳旗及其邻区磷灰石裂变径迹样品测试结果Table 2 The results of fission track analysis of the apatites from the Ejina area and its vicinity

2.2 测试结果分析

磷灰石裂变径迹研究表明: 当样品测试年龄小于地层年龄时, 样品经历了退火和后期的抬升冷却作用, 其年龄大致对应了最初的抬升时间。当样品P＞5%时, 可采用中值年龄来代表样品经历高温退火之后的真实抬升冷却年龄; 如果P＜5%或者P=0,其中值年龄属于比真实冷却年龄偏大的混合年龄,只能近似代表样品抬升冷却的最大年龄或物源碎屑的残存年龄记录(王建强等, 2010; Brandon, 1996)。本次研究6个样品表观年龄P值除08LHS-06样品以外, 其余5个样品的P值均大于5%, 说明绝大部分颗粒年龄均属单一来源, 大部分样品中值年龄可代表真实抬升冷却年龄(表2)。

从表2可以看出所有样品的表观年龄主要集中在(90±6)~(113±8) Ma 之间(表 2、图 2), 远小于样品所在地质体年龄, 说明都经历了不同程度的退火作用。本次研究 6个样品的径迹长度在(12.5±1.7)~(13.2±1.7) μm 之间, 均小于初始裂变径迹平均长度16.5 μm。长度直方图(图2右列)呈现3个特点: ①不同样品的径迹平均长度变化较小, 主体为12.5~13.2 μm,说明这些样品均经历了完全退火, 较为集中地反应了一期构造事件。并且, 这种中等长度的径迹特征,表明磷灰石在抬升出退火带后处于较低的温度; ②长度标准差较小, 变化于1.7~1.9之间, 说明样品的构造热背景较为单一; ③长度分布直方图具有宽范围、单峰特征, <10 μm和>15 μm的径迹, 即分别来自较年轻颗粒和较老的颗粒很少。根据这些分析可以看出本组样品年龄组分单一, 证明样品经历了完全退火, 所有年龄都反映了同一期冷却年龄, 他们所经历的地质热历史或冷却史亦类似。6个样品所记录的构造抬升运动并非迅速抬升剥蚀, 而是较为漫长的持续抬升过程。

前人对研究区后期构造改造研究认为, 早、中侏罗世研究区构造背景以张扭拉分和局部抬升为主,使得下侏罗统与中侏罗统、中侏罗统与上侏罗统呈假整合接触, 晚侏罗世开始隆升, 并经历了强烈的南北向挤压、抬升(卢进才等, 2011b)。结合样品裂变径迹分布的单峰型特征, 认为这 6个样品在晚白垩世之前温度达到 120 ℃及以上, 之后逐渐抬升出部分退火带底界, 并开始记录年龄。数据结果显示, 6个样品的表观年龄介于(90±6)~(113±8) Ma(早白垩世末-晚白垩世初), 对应燕山Ⅲ-Ⅳ幕, 这是研究区一次“构造反转”的强烈运动, 整体表现为挤压背景下的断块作用, 王生朗等(2002)认为, 本次构造运动对研究区东部的查干凹陷造成了最大可达 800 m以上的剥蚀, 从而结束了走滑-拉分凹陷的发育历史, 随之而来的是一种坳陷型沉积。此外, 样品08LHS-06的P值小于5%, 属于混合年龄, 可能记录了其他期次构造活动过程, 其单颗粒年龄分布直方图中还包含一组年龄, 约为 145 Ma(侏罗纪末)。这一年龄恰好对应燕山Ⅲ幕挤压抬升时期, 表明该样品中部分颗粒记录了该期构造活动, 说明研究区部分地区在燕山Ⅲ幕挤压抬升时期已经开始抬升。

图 2 额济纳旗及其邻区磷灰石裂变径迹年龄组成及统计分布图(注: 左列为单颗粒年龄雷达图, 中列为单颗粒年龄分布直方图, 右列为径迹长度分布直方图)Fig.2 Age groups and distribution of apatite fission track results at the Ejina area and its vicinity

总体来说, 本次研究的 6个样品年龄均记录了早白垩世末-晚白垩世初的抬升冷却年龄, 该时期为研究区中生代以来主要构造抬升时期。并且, 个别样品的部分颗粒还记录了侏罗纪末燕山Ⅲ幕挤压抬升的构造活动。

2.3 磷灰石裂变径迹热史模拟

磷灰石裂变径迹方法在获得沉积盆地沉降/抬升有关的低温热年龄的同时, 还可以通过模拟技术获得一段温度随时间变化的低温热历史(Brandon ,1996)。本次研究运用AFT Solve软件进行热史模拟,拟合选用限制任意搜索项(CRS), 拟合次数选取10000, 模拟温度从高于裂变径迹退火带底部温度到现今地表温度 20 ℃, 模拟时间从 160 Ma开始,用测试年龄作为模拟限定条件之一。这种方法的好处在于挖掘先前没考虑到的数据信息, 延伸裂变径迹分析在地质热信息分析中的实践性, 增加模型的可信度。同时该程序包括对模拟结果的评估, 即时间-温度历史在使用者输入约束条件下模拟结果与实验结果的拟合程度。热史模拟过程中, “K-S检验”表示径迹长度模拟值与实验值的吻合程度; “年龄GOF”代表径迹年龄模拟值与实测值的吻合程度, 若“年龄GOF”和“K-S检验”都大于5%时, 表示模拟结果“可以接受”, 当值均超过 50%时, 模拟结果则是高质量的, 并将其作为最佳热史路径(丁超等, 2011;肖晖等, 2011)。

本次模拟结果显示, 6个样品中仅08LHS-05的“K-S 检验”小于 50%(为 45%), 为“可接受”路径, 其余均超过50%, 为最佳热史路径(图3)。

由热史模拟可以看出, 6个样品的模拟结果较为一致, 在早白垩世末之前均为持续沉降、增温的状态, 并在早白垩世末(90~113 Ma)之前达到最大埋深即最大古地温, 之后开始抬升降温, 这与本次样品的测试年龄非常吻合。在晚白垩世70 Ma前后趋于稳定, 后持续降温至今。

3 地质意义

研究区自石炭纪-二叠纪沉积之后, 于二叠纪末开始抬升, 经历了海西期、印支期、燕山期等多期次构造运动, 区内三叠系、侏罗系中下统沉积普遍缺失, 样品08LHS-06中部分颗粒记录了145 Ma(侏罗纪末)研究区挤压抬升的构造运动, 这在野外工作和地震剖面中也被证实(图4、5)。这段时间, 区内构造活动复杂多变, 沉积极不稳定, 石炭系-二叠系烃源岩埋深亦不稳定, 不利于油气形成。

图3 额济纳旗及其邻区磷灰石裂变径迹热史模拟结果Fig.3 Geothermal history modeling results for the Ejina area and its vicinity

图4 石炭系-二叠系与上覆地层接触关系示意图Fig.4 Schematic diagram showing the contact relationship between the Carboniferous-Permian and overlying strata

到早白垩世, 研究区构造背景趋于稳定, 重新接受沉积, 陆内断陷盆地发育达到鼎盛, 陈启林等(2006)研究认为, 早白垩世居东凹陷(居参1井)基底埋深达到4800 m, 中生代盆地部分凹陷达到最大埋深。额济纳旗及其邻区热演化研究表明(韩伟等,2011), 研究区二叠系烃源岩热演化程度在白垩纪达到最高。这与本次磷灰石裂变径迹热史模拟结果十分吻合, 说明早白垩世是研究区油气生成的重要时期, 孕育了一系列生油盆地(左国朝等, 2003)。

左国朝等(2003)研究认为, 晚白垩世印度板块向北与青藏高原对接, 额济纳旗及其邻区受到由西向东的挤压作用, 整体表现为挤压背景下的断块作用, 稳定沉降的状态结束, 再次开始抬升, 本次磷灰石裂变径迹样品年龄较为集中, 恰好记录了早白垩世末-晚白垩世初(90~113 Ma)之间的这次构造运动。受其影响, 研究区西部的北山地区该时期地层缺失, 东部形成了一系列断陷盆地。由于受到构造断块作用影响, 研究区背斜构造圈闭不很发育, 如东部的查干凹陷几乎所有构造圈闭全为与断层有关的断鼻和断背斜。并且, 本次磷灰石裂变径迹样品单颗粒年龄直方图、径迹长度直方图分布均较宽,记录为冷却年龄, 可认为这次构造抬升较为缓慢,并非快速抬升, 对油气地质条件破坏作用有限。因此, 这一阶段对研究区油气成藏意义重大。

图5 额济纳旗及其邻区典型地震剖面解释图Fig.5 Interpretation of a typical seismic profile in the Ejina area and its vicinities

这次构造抬升之后, 研究区进入坳陷沉积阶段,再未经历强烈的构造变形(图 6), 直至喜山期, 受印度板块与欧亚板块碰撞作用所产生的远程效应的影响, 区内局部遭受挤压抬升, 产生了一些表皮构造。

4 认识与结论

对额济纳旗及其邻区 6个样品的磷灰石裂变径迹开展研究, 其年龄为 90~113 Ma(早白垩世末-晚白垩世初), 为冷却年龄, 记录了研究区受印度板块向北与青藏高原对接的影响开始缓慢抬升冷却的过程, 该时期对研究区油气成藏意义重大。此外, 个别样品的部分颗粒还记录了145 Ma左右(侏罗纪末)研究区挤压抬升的构造过程, 这一时期构造活动强烈,不利于油气成藏。

结合磷灰石裂变径迹热史模拟、研究区热演化研究与前人成果认为, 研究区二叠系烃源岩在早白垩世达到最大古地温, 早白垩世是油气大量生成的时期。

图6 额济纳旗及其邻区白垩系产状Fig.6 The occurrence of the Cretaceous sequences in the Ejina area and its vicinity

致谢: 稿件写作过程中得到西北大学任战利、西安石油大学肖晖等老师的指导, 修改过程中两位审稿老师和编辑老师提出了宝贵的修改意见, 在此一并表示感谢！

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曹洁, 魏仙样, 严小鳙, 李玉宏, 魏建设. 2012. 内蒙古西部额济纳旗祥探8井华力西期风化壳原油地球化学特征. 地质通报, 31(10): 1639–1644.

陈安定, 万景林, 郭彤楼. 2004. 裂变径迹研究构造抬升应用实例. 石油学报, 25(4): 29–32.

陈启林, 卫平生, 杨占龙. 2006. 银根-额济纳旗盆地构造演化与油气勘探方向. 石油实验地质, 28(4): 311–315.

丁超, 陈刚, 李振华, 毛小妮, 杨甫. 2011. 鄂尔多斯盆地东北部构造热演化史的磷灰石裂变径迹分析. 现代地质, 25(3): 581–588.

高峰, 王岳军, 刘顺生, 胡宝清. 2000. 利用磷灰石裂变径迹研究鄂尔多斯盆地西缘热历史. 大地构造与成矿学, 24(1): 87–91.

韩伟, 姜亭, 李玉宏, 魏建设. 2011. 内蒙古西部额济纳旗及其邻区二叠系烃源岩热演化与油气的关系. 地质通报, 30(6): 911–915.

康玉柱. 2008. 中国西北地区石炭-二叠系油气勘探前景.新疆石油地质, 28(4): 415–419.

卢进才, 陈高潮, 魏仙样, 李玉宏, 魏建设. 2011a. 内蒙古西部额济纳旗及其邻区石炭-二叠系沉积建造与生烃条件研究——油气地质条件研究之一. 地质通报,30(6): 811–826.

卢进才, 陈高潮, 魏仙样, 李玉宏, 魏建设. 2011b. 内蒙古西部额济纳旗及其邻区石炭-二叠系沉积后的构造演化、盖层条件与油气信息——油气地质条件研究之三. 地质通报, 30(6): 838–849.

卢进才, 魏仙样, 魏建设, 李玉宏. 2010. 内蒙古西部额济纳旗及其邻区石炭系-二叠系油气地质条件初探.地质通报, 29(2-3): 330–340.

卢双舫, 张敏. 2008. 油气地球化学. 北京: 石油工业出版社: 201–212.

任纪舜, 王作勋, 陈炳蔚, 姜春发, 牛宝贵, 李锦轶, 谢广连, 和政军, 刘志刚. 1999. 从全球看中国大地构造. 北京: 地质出版社: 11–17.

任战利. 1995. 利用磷灰石裂变径迹法研究鄂尔多斯盆地热史. 地球物理学报, 38(3): 339–350.

王建强, 刘池阳, 闫建萍, 赵红格, 高飞, 刘超. 2010. 鄂尔多斯盆地南部渭北隆起发育时限及其演化. 兰州大学学报(自然科学版), 46(4): 22–29.

王生朗, 马维民, 竺知新, 尚雅珍. 2002. 银根-额济纳旗盆地查干凹陷构造-沉积格架与油气勘探方向. 石油实验地质, 8(4): 296–300.

肖晖, 任战利, 赵靖舟, 王起琮, 时保宏, 宋立军. 2011.新疆库鲁克塔格地区盆山构造-热演化史.地学前缘,18(3): 33–41.

叶加仁, 杨香华. 2003. 银-额盆地查干凹陷温压场特征及其油气地质意义. 天然气工业, 23(2): 15–19.

袁万明, 董金泉, 保增宽. 2004. 新疆阿尔泰造山带构造活动的磷灰石裂变径迹证据. 地学前缘, 11(7):461–468.

袁万明, 杜杨松, 杨立强, 李胜荣, 董金泉. 2007. 西藏冈底斯带南木林地区构造活动的磷灰石裂变径迹分析.岩石学报, 23(11): 29l1–2917.

张代生, 李光云, 罗肇, 李兴亮. 2003. 银根-额济纳旗盆地油气地质条件. 新疆石油地质, 23(2): 130–133.

周祖翼, 廖宗廷, 杨凤丽, 傅强. 2001. 裂变径迹分析及其在沉积盆地研究中的应用. 石油实验地质, 23(3):332–337.

朱文斌, 张志勇, 舒良树, 万景林, 卢华复, 王胜利, 杨伟, 苏金宝. 2007. 塔里木北缘前寒武系基底隆升剥露史: 来自磷灰石裂变径迹的证据. 岩石学报, 23(7):1671–1682.

左国朝, 刘义科, 刘春燕. 2003. 甘新蒙北山地区构造格局及演化. 甘肃地质学报, 12(1): 1-15.

Barbarand J, Carter A, Wood I G and Hurford A J. 2003. Compositional and structural control of fission-track annealing in apatite.Chemical Geology, 198(1-2): 107–137.

Brandon M T. 1996. Probability density plot for fission-track grain-age samples.Radiation Measurements, 26(5): 663–676．Hurford A J and Green P F. 1983. The zeta-age calibration of fission-track dating.Isotope Geoscience, 1(4): 285–317．

Ketcham R A, Donelick R A and Donelick M B. 2000. AFT Solve:A program for multi-kinetic modeling of apatite fission-track data.Geological Materials Research, 2(1): 1–32.