沉积盆地热演化史研究方法与叠合盆地热演化史恢复研究进展

任战利 田涛 李进步 王继平 崔军平 李浩 唐建云 郭科

摘要：沉积盆地构造热事件的研究是盆地热演化史研究的热点及前缘领域。介绍了低温热年代学方法、古温标法及地球动力学模型方法研究中的新进展。叠合盆地构造热演化史恢复是热演化史研究的前缘领域及难点，低温热年代学测年技术已成为叠合盆地构造热演化史恢复的重要方法。中国普遍发育叠合盆地，叠合盆地古地温场经历的后期叠加改造普遍存在，叠合盆地的后期盆地对前期盆地的古地温场信息有抹去或掩盖作用。从叠合盆地叠加与改造对古地温场产生影响的角度出发，根据叠合盆地不同演化阶段地温场信息记录、保持及后期叠加改造情况的不同，结合多种古地温研究方法，以正确的地质模型及大量的实际地质资料为约束，提出分演化阶段真实恢复叠合盆地热演化史的新思路及方法。

关键词：低温热年代学；裂变径迹；镜质体反射率；古地温；构造热事件；热演化史；叠合盆地；沉积盆地

中图分类号：TE121.1；P314.2文献标志码：A

0引言

盆地构造热演化史恢复是盆地动力学、盆地分析及石油地质领域研究的前沿及难点问题之一。盆地热演化史控制了油气、煤等多种能源矿产的形成、演化及成藏（矿）

[111]。中国沉积盆地大多数是由不同时代盆地叠合而成，不同类型盆地的叠加及改造使叠合盆地热演化史非常复杂[1214]。叠合盆地热演化史的详细恢复不仅对盆地动力学及其演化有重要理论意义，而且对盆地油气、煤等多种矿产资源的形成、演化及成藏（矿）研究有重要现实意义[14]。

构造热演化史主要研究不同成因机制盆地深部热结构、盆地热体制、地温场特征、盆地热史模拟和构造热事件等方面。热演化史分析可以提供盆地和造山带地质演化过程的隆升、构造热事件、构造运动、断裂带及热流体活动等发生的时间，进而详细恢复造山带、盆地的热演化史[1519]。

目前，国内外关于盆地热演化史恢复的方法研究，总体上可以分为3类：第1类是用盆地演化的热动力学模型来恢复热历史；第2类是利用各种古温标来恢复热历史；第3类是第1、2类方法的结合，即综合法。盆地热动力学模型与古温标相结合的综合法是已知现今热流、现今地温，依据一定的构造演化模型来求取古热流、古地温的一种正、反演技术。该方法利用了古温标法及地球动力学模型方法的优点，克服了地球动力学模型方法及古温标法的不足[2021]。由于古温标法可以通过实测数据来检验模拟结果，所以被认为是研究精度较高的方法[4，20，22]。

20世纪80年代以来，构造热演化史研究方法与石油地质学的结合，在解决中国含油气盆地构造热事件和盆地热演化史恢复、油气生成、成藏期次、剥蚀量恢复、油气评价等关键问题方面显示了独特优势，发挥了重要作用[2327]。

笔者介绍了（UTh）/He、裂变径迹定年方法以及镜质体反射率、流体包裹体、黏土矿物转变估算等古温标法的新进展及应用时需注意的问题。（UTh）/He定年等低温热年代学方法及技术进展较大，已成为叠合盆地构造热演化史恢复的一种重要方法。地球动力学模型方法主要介绍了伸展盆地、前陆盆地、克拉通盆地、走滑盆地等

模型方法的新进展，其中伸展盆地的模型及热模拟发展迅速。第3类综合法的进展主要表现在第1、2类方法的进展上。沉积盆地构造热事件的研究是盆地热演化史研究的一个热点，笔者介绍了构造热事件的研究进展及研究方法。

中国普遍发育叠合盆地，叠合盆地构造地热演化史恢复是热演化史研究的前缘领域及难点，笔者根据多年的研究经验，在1991年提出的分演化阶段恢复叠合盆地热演化史思路和方法的基础上[2，2425]，提出了盆地热演化史恢复应重视的基本问题和前提条件，进一步探讨和完善了分演化阶段真实恢复叠合盆地热演化史的思路及方法。

1低温热年代学方法研究新进展

构造热年代学是在同位素年代学研究基础上，以UPb、40Ar/39Ar、裂变径迹及（UTh）/He等试验方法为依托，根据不同测年矿物的封闭温度理论，以构造地质学理论为指导，对大陆内部不同块体的构造变形时间、山体抬升和盆地沉降速率等提供精细的年代与热作用制约。10年多来，随着构造热年代学理论和测年技术的不断完善，构造热作用过程与构造热年代学紧密结合，有助于探讨和研究中新生代大陆造山带演化与盆地形成、大陆边缘与大陆内部（板内）构造的关系，从而在更大的范围内建立构造演化的时序和动力学演化规律[2830]。

理论上讲，构造热年代学研究可以提供65 ℃～650 ℃范围内的热历史信息，但在山体隆升研究中主要利用低温的锆石和磷灰石裂变径迹定年方法，近几年更低温的（UTh）/He定年方法在山体隆升剥蚀和盆地热演化史研究方面也取得丰硕成果。在盆地油气地质领域，以磷灰石、锆石裂变径迹和（UTh）/He热定年为代表的中—低温热年代学新技术在地质体定年、盆地隆升及热演化史研究方面取得了一系列新的成果[2935]。

1.1（UTh）/He定年方法进展

（UTh）/He定年方法与其他放射性定年方法原理一样，虽然早在100年前就被Strutt提出来了，但由于测试仪器的限制以及测得年龄偏低等原因，一直没有得到广泛应用。1987年，Zeitler等在对磷灰石进行（UTh）/He定年时，发现磷灰石He年龄是通过较低温度时的冷却年龄，并指出（UTh）/He定年有可能作为一种低温温度计[36]。这项研究引起了研究人员的极大关注，为（UTh）/He定年方法的快速发展奠定了基础。（UTh）/He 定年方法的原理是根据磷灰石等矿物颗粒中U、Th衰变产生He发展而来的。通过测量样品中放射性He、U和Th的含量，就可以获得（UTh）/He的年龄。目前应用较多的是磷灰石、锆石和榍石（UTh）/He定年。

磷灰石（UTh）/He的封闭温度是已有定年体系中较低的，因此，它能反映低温阶段的热历史信息。依据自然样品和热模拟试验，不同矿物（UTh）/He体系的封闭温度差别较大，磷灰石He扩散的封闭温度较低（75 ℃）[37]，锆石He的封闭温度范围为170 ℃～190 ℃[38]，榍石范围则为191 ℃～218 ℃[39]。磷灰石（UTh）/He定年方法的应用已日趋成熟。在利用该方法定年时，磷灰石（UTh）/He 年龄会受多种因素影响：α粒子射出效应、复杂热历史、矿物内元素的不均匀分布以及晶体的辐射损

伤[4041]。目前，多数应用研究中都采用磷灰石（UTh）/He与磷灰石裂变径迹或锆石（UTh）/He等定年方法相结合的方式来详细研究地质体在低温阶段的演化过程。目前，国际上的研究实例均采用将（UTh）/He定年与镜质体反射率、裂变径迹以及K/Ar、Ar/Ar等方法结合起来进行，以便利用不同矿物封闭温度的差异，对复杂热历史轨迹进行恢复[40]。（UTh）/He定年方法被广泛应用在沉积盆地物源和造山带地质体构造热演化、构造运动时间、剥蚀量恢复、造山带古地形演化历史、断裂带及热流体活动、盆地古地温演化及烃源岩成熟、生排烃等研究中[4046]。

1.2裂变径迹定年方法进展

1.2.1方法原理的进展

裂变径迹是约束盆地热演化的一种有效手段，裂变径迹测年是建立在矿物238U自发裂变并对载体矿物辐射损伤的基础上，通过分析矿物中自发径迹密度与238U含量发展而来的同位素测年[4750]。裂变径迹定年方法在造山带隆升、构造抬升演化及沉积盆地热演化史和油气勘探等方面被广泛应用[3234，5154]。

磷灰石、锆石和榍石裂变径迹的封闭温度各不相同。磷灰石裂变径迹的封闭温度范围为110 ℃～125 ℃，锆石的封闭温度范围为210 ℃～240 ℃，榍石的封闭温度范围为265 ℃～310 ℃[3234，42]。

裂变径迹退火除受控于温度和时间外，还受磷灰石成分、磷灰石蚀刻特征等的影响。近年来，国内外对磷灰石裂变径迹的基础研究日趋深入，其应用领域和范围也在不断扩展。特别是最近10年多来，裂变径迹的基础研究工作在裂变径迹退火动力学[55]、退火行为的主要影响和控制因素[56]、多元退火模型[57]、二维及三维热演化史反演等方面取得了较大突破[58]。多元动力学退火模型按照退火动力学参数的不同，将磷灰石分成多个具有不同动力学性质的系列，然后对这些不同的系列分别进行模拟。应用多元动力学退火模型进行模拟分析，恢复的古地温更加准确。

Naeser等最早根据磷灰石裂变径迹（AFT）分析盆地热演化史，讨论了地层处于最大埋藏温度和受到一次冷却条件下，裂变径迹年龄与深度或温度之间关系的理论模式[32]。根据AFT年龄与埋深的关系及分带，可以识别冷却事件发生的时间、速率及地层抬升量方面的信息。Naeser等认为在连续沉积且目前正处在最大埋藏地温状况下，磷灰石裂变径迹年龄深度或温度图上会出现3个不同的带[图1（a）]，从浅到深依次为：①未退火带，地层尚未受到退火作用，年龄反映物源的时代，大于或等于地层年龄；②部分退火带，地层已受到退火作用，年龄逐渐减小，小于地层年龄；③完全退火带，年龄等于0，地层达到完全退火。如果地层在达到最大埋藏温度后，由于抬升剥蚀或地温梯度的减小而冷却下来，磷灰石裂变径迹年龄深度或温度图上会出现5个带[图1（b）]，从上到下依次是：①未退火带；②部分退火带；③前完全退火带，也称为冷却带，该带为冷却后又新生出新的裂变径迹，

图件引自文献[32]

伤[4041]。目前，多数应用研究中都采用磷灰石（UTh）/He与磷灰石裂变径迹或锆石（UTh）/He等定年方法相结合的方式来详细研究地质体在低温阶段的演化过程。目前，国际上的研究实例均采用将（UTh）/He定年与镜质体反射率、裂变径迹以及K/Ar、Ar/Ar等方法结合起来进行，以便利用不同矿物封闭温度的差异，对复杂热历史轨迹进行恢复[40]。（UTh）/He定年方法被广泛应用在沉积盆地物源和造山带地质体构造热演化、构造运动时间、剥蚀量恢复、造山带古地形演化历史、断裂带及热流体活动、盆地古地温演化及烃源岩成熟、生排烃等研究中[4046]。

1.2裂变径迹定年方法进展

1.2.1方法原理的进展

裂变径迹是约束盆地热演化的一种有效手段，裂变径迹测年是建立在矿物238U自发裂变并对载体矿物辐射损伤的基础上，通过分析矿物中自发径迹密度与238U含量发展而来的同位素测年[4750]。裂变径迹定年方法在造山带隆升、构造抬升演化及沉积盆地热演化史和油气勘探等方面被广泛应用[3234，5154]。

磷灰石、锆石和榍石裂变径迹的封闭温度各不相同。磷灰石裂变径迹的封闭温度范围为110 ℃～125 ℃，锆石的封闭温度范围为210 ℃～240 ℃，榍石的封闭温度范围为265 ℃～310 ℃[3234，42]。

裂变径迹退火除受控于温度和时间外，还受磷灰石成分、磷灰石蚀刻特征等的影响。近年来，国内外对磷灰石裂变径迹的基础研究日趋深入，其应用领域和范围也在不断扩展。特别是最近10年多来，裂变径迹的基础研究工作在裂变径迹退火动力学[55]、退火行为的主要影响和控制因素[56]、多元退火模型[57]、二维及三维热演化史反演等方面取得了较大突破[58]。多元动力学退火模型按照退火动力学参数的不同，将磷灰石分成多个具有不同动力学性质的系列，然后对这些不同的系列分别进行模拟。应用多元动力学退火模型进行模拟分析，恢复的古地温更加准确。

Naeser等最早根据磷灰石裂变径迹（AFT）分析盆地热演化史，讨论了地层处于最大埋藏温度和受到一次冷却条件下，裂变径迹年龄与深度或温度之间关系的理论模式[32]。根据AFT年龄与埋深的关系及分带，可以识别冷却事件发生的时间、速率及地层抬升量方面的信息。Naeser等认为在连续沉积且目前正处在最大埋藏地温状况下，磷灰石裂变径迹年龄深度或温度图上会出现3个不同的带[图1（a）]，从浅到深依次为：①未退火带，地层尚未受到退火作用，年龄反映物源的时代，大于或等于地层年龄；②部分退火带，地层已受到退火作用，年龄逐渐减小，小于地层年龄；③完全退火带，年龄等于0，地层达到完全退火。如果地层在达到最大埋藏温度后，由于抬升剥蚀或地温梯度的减小而冷却下来，磷灰石裂变径迹年龄深度或温度图上会出现5个带[图1（b）]，从上到下依次是：①未退火带；②部分退火带；③前完全退火带，也称为冷却带，该带为冷却后又新生出新的裂变径迹，

图件引自文献[32]

伤[4041]。目前，多数应用研究中都采用磷灰石（UTh）/He与磷灰石裂变径迹或锆石（UTh）/He等定年方法相结合的方式来详细研究地质体在低温阶段的演化过程。目前，国际上的研究实例均采用将（UTh）/He定年与镜质体反射率、裂变径迹以及K/Ar、Ar/Ar等方法结合起来进行，以便利用不同矿物封闭温度的差异，对复杂热历史轨迹进行恢复[40]。（UTh）/He定年方法被广泛应用在沉积盆地物源和造山带地质体构造热演化、构造运动时间、剥蚀量恢复、造山带古地形演化历史、断裂带及热流体活动、盆地古地温演化及烃源岩成熟、生排烃等研究中[4046]。

1.2裂变径迹定年方法进展

1.2.1方法原理的进展

裂变径迹是约束盆地热演化的一种有效手段，裂变径迹测年是建立在矿物238U自发裂变并对载体矿物辐射损伤的基础上，通过分析矿物中自发径迹密度与238U含量发展而来的同位素测年[4750]。裂变径迹定年方法在造山带隆升、构造抬升演化及沉积盆地热演化史和油气勘探等方面被广泛应用[3234，5154]。

磷灰石、锆石和榍石裂变径迹的封闭温度各不相同。磷灰石裂变径迹的封闭温度范围为110 ℃～125 ℃，锆石的封闭温度范围为210 ℃～240 ℃，榍石的封闭温度范围为265 ℃～310 ℃[3234，42]。

裂变径迹退火除受控于温度和时间外，还受磷灰石成分、磷灰石蚀刻特征等的影响。近年来，国内外对磷灰石裂变径迹的基础研究日趋深入，其应用领域和范围也在不断扩展。特别是最近10年多来，裂变径迹的基础研究工作在裂变径迹退火动力学[55]、退火行为的主要影响和控制因素[56]、多元退火模型[57]、二维及三维热演化史反演等方面取得了较大突破[58]。多元动力学退火模型按照退火动力学参数的不同，将磷灰石分成多个具有不同动力学性质的系列，然后对这些不同的系列分别进行模拟。应用多元动力学退火模型进行模拟分析，恢复的古地温更加准确。

Naeser等最早根据磷灰石裂变径迹（AFT）分析盆地热演化史，讨论了地层处于最大埋藏温度和受到一次冷却条件下，裂变径迹年龄与深度或温度之间关系的理论模式[32]。根据AFT年龄与埋深的关系及分带，可以识别冷却事件发生的时间、速率及地层抬升量方面的信息。Naeser等认为在连续沉积且目前正处在最大埋藏地温状况下，磷灰石裂变径迹年龄深度或温度图上会出现3个不同的带[图1（a）]，从浅到深依次为：①未退火带，地层尚未受到退火作用，年龄反映物源的时代，大于或等于地层年龄；②部分退火带，地层已受到退火作用，年龄逐渐减小，小于地层年龄；③完全退火带，年龄等于0，地层达到完全退火。如果地层在达到最大埋藏温度后，由于抬升剥蚀或地温梯度的减小而冷却下来，磷灰石裂变径迹年龄深度或温度图上会出现5个带[图1（b）]，从上到下依次是：①未退火带；②部分退火带；③前完全退火带，也称为冷却带，该带为冷却后又新生出新的裂变径迹，

图件引自文献[32]