鄂尔多斯盆地断层活动期次研究方法及其油气意义——方解石脉年代学

郭 惠

（1.西北大学地质学系，陕西西安 710069；2.西北大学大陆动力学国家重点实验室，陕西西安 710069）

鄂尔多斯盆地经历多期构造运动后，野外剖面和三维地震资料研究表明盆地断层十分发育，尤其是周缘断层，断层发育具有性质多样、组合多样以及多期次活动的特点［1-5］，断层的活动期次对盆地的形成与演化及油气运移成藏等起重要作用［6-12］，因此开展断层活动期次研究尤为重要。前人通过磷灰石裂变径迹测年、40Ar/30Ar同位素定年、锆石UPb 同位素测年及石英脉ESR 测年测定断裂带活动新生矿物的年龄对断层活动期次做了一定研究［13-18］；通过地震资料解释对断层活动期次也有一定研究［5，10-11］，但方解石脉年代学对断层活动期次研究甚少。方解石脉作为断层活动伴有的热液流体经冷却沿断层、节理（裂缝）生长，并较为完整地记录了断层、节理（裂缝）的活动发育史［19］，对其测年直接反映断层活动时期，因此开展方解石脉年代学研究对断层活动期次和油气勘探研究具有指导意义。

本文总结归纳了前人对方解石脉测年方法成果和笔者的认识，希望能对从事断裂活动期次研究和油气勘探的工作者们提供一定的参考。

1 方解石脉年代学测试方法概述

方解石脉年代学测年法有间接地球化学方法C-O 同位素、流体包裹体分析和直接年代学方法ESR 测年和激光原位U-Pb 测年。样品采集挑选自断裂带或者是过断层钻井岩心裂缝内充填的同构造方解石脉体，若发育多期脉体，通过脉体的切割关系能够区分脉体形成的前后顺序，测年还能得到断层的多期活动年龄。

1.1 裂缝方解石脉地球化学分析

1.1.1 C-O同位素分析

裂缝充填物方解石脉C-O 同位素分析是判别裂缝期次的常用方法，通过对裂缝充填方解石脉进行C-O 同位素分析，根据Epstein 等［20］提出的氧同位素测温方程式，计算出裂缝形成时的温度，进行裂缝形成时埋深的折算［21-25］，可探讨裂缝期次和流体事件。

测温方程式:

式中:δ18O 为测定样品的氧同位素值，‰；δ18Ow为地层水介质的氧同位素值，‰；t为裂缝充填脉体的形成温度，℃。

1.1.2 流体包裹体分析

裂缝充填物方解石脉流体包裹体均一温度测试是研究裂缝形成时间的有效手段，通过裂缝方解石脉流体包裹体均一温度与埋藏深度换算公式计算出脉体形成时的深度结合埋藏史，可估算出方解石脉体形成时间，推断裂缝/断层形成时期和油气成藏期［24-27］。冯艳伟等［27］在盆地中部通过构造裂缝方解石脉流体包裹体均一温度测试表明，早白垩世时期断裂活动和成藏期有很好的耦合关系。

换算公式为:

式中:T为测定的包裹体均一温度，℃；T0为包裹体形成时的地表温度，℃；G为古地温梯度，℃/100 m；H为捕获包裹体时的深度，m。

综上，断裂活动会伴生大量构造裂缝，因此通过对裂缝中充填物方解石脉体做C-O 同位素和流体包裹体分析，折算出裂缝形成时埋深，结合埋藏史，可间接探讨断层形成时期。

1.2 方解石脉ESR测年

方解石脉ESR 测年又称电子自旋共振方法，经过断层带样品测试分析出的年龄结合断层带的活动特点和原岩的年龄，就可以确定断层活动的时期，方解石脉ESR 测年详细测试原理、分析步骤见参考文献［19，28-29］。方解石脉ESR 测年测定45 Ma年以来的断层活动具有较高精度，盆地邻区宁陕断裂方解石脉ESR 测年表明，宁陕断裂在中新世（19.8～14.6 Ma）有过活动［18］。

1.3 方解石脉LA-（MC-）ICP-MS U-Pb定年

方解石脉LA-（MC-）ICP-MS U-Pb 测年与锆石LA-ICP-MS U-Pb 测年方法较为一致，详细样品处理、测试原理、分析方法、实验过程以及数据处理见参考文献［30］。目前，国内外可进行该实验的实验室屈指可数，中国石油杭州地质研究院、贵州同微测试科技有限公司、澳大利亚昆士兰大学放射性同位素实验室可完成激光原位方解石脉U-Pb测年。

方解石脉LA-（MC-）ICP-MS U-Pb 定年通过测得断裂内同构造方解石脉年龄，能够精确限定断裂活动绝对年龄［30-34］，有着约2%的误差或更高的精度，成功解决了多年以来断裂活动期次和时期限定研究难题，但方解石中U、Pb 同位素含量较低且不均是测试成功率较低的因素之一。杨鹏等［34］在盆地西南部奥陶系和寒武系内断裂带方解石脉激光原位U-Pb 测年表明，奥陶系内断裂带在渐新世（32.8～23.7 Ma）发生活动；寒武系内至少发生了两期断裂活动，分别在晚奥陶世晚期（452±13）Ma 和晚三叠世中期（214±22）Ma。

2 断层与油气成藏关系分析

古峰庄地区断层发育且具有多期性［11］，如图1三维地震等时切片反映鄂尔多斯盆地古峰庄地区北西向雁列式断层在晚三叠世活动最强，部分已经侧向相接，同时可见微弱北东东向和近南北向断层活动。如图2反映鄂尔多斯盆地古峰庄地区北西向断层在地震剖面活动特征，大部分断层规模较小（红色断层），切过长7 烃源岩（地震反射界面TT7），断距最大；部分规模大断层断至上三叠统（T3）—下白垩统（K1）（2 条紫色断层）、侏罗系（J）—下白垩统（K1）（绿色断层），断距下部大，上部小；根据断层断距和断开地层分析，断层以晚三叠世活动为主，部分断层从晚三叠世、侏罗纪、早白垩世到新生代以来仍然持续活动。因此，针对断层与钻井位置关系，对古峰庄三维区工业油井产量与最近断层距离统计发现，整体油井都分布在距离断层1 300 m 内（图3）。当石油产量大于等于30 t/d 时，油井距离断层越近，产量越高，反之减少，油井与最近断层小于500 m 时，石油产量与断层距离关系显著。但是当石油产量小于30 t/d 时，油井产量与最近断层距离关系不明显，推断石油成藏和产量可能受断层活动期次影响。

图1 古峰庄长7泥岩三维地震等时切片

图2 古峰庄地区断层特征解释

图3 古峰庄地区油井产量与断层距离关系

镇泾、彬长地区断层发育，断层活动时期对油气藏的形成与分布有重要控制作用［10，12］。中国石化华北油田公司在西南镇泾、彬长地区结合钻井岩心、成像测井、三维地震资料，对断缝体/断溶体油藏进行了理论研究，并针对断缝体油藏开展了勘探开发与生产实践［35］，以断缝体油藏理论为指导部署的JH17 和JH75 井区（图4），长8 段试油初期单井产量大于7.3 t/d，试油效果较好。

图4 JH75井钻井模式

3 认识和讨论

综合上述分析，鄂尔多斯盆地断层发育且存在多期活动，断层作为油气运移的通道之一，控制着油气的运移成藏及产能。裂缝方解石脉C-O 同位素、流体包裹体分析表明，裂缝期次与油气大规模排烃、运移-成藏时间相近［36-37］，而断裂活动会产生构造裂缝，因此可间接地探讨断裂活动期次和与油气成藏关系，冯艳伟等［27］在盆地中部通过构造裂缝方解石脉体流体包裹体均一温度测试表明，早白垩世时期断裂活动和成藏期有很好的耦合关系。值得注意的是，方解石脉ESR 测年和激光原位U-Pb定年对测定断裂活动都具有较高的精度，相比之下，方解石脉激光原位U-Pb 定年已测得466 Ma 以来断层活动时期［30-34］，具有测定时期更老且精度高的优势，因此方解石脉激光原位U-Pb 定年在研究断裂活动时期与油气关系中具有独特的优势。值得注意的是，杨鹏等［34］在鄂尔多斯盆地南部测得晚奥陶世（452±13）Ma 以来断裂活动年龄，阐述了断层活动与油气的关系。在野外断裂带、节理和钻井岩心裂缝中方解石脉体常见且采集容易，因此方解石脉激光原位U-Pb 定年有助于解决盆地断裂活动时期精确限定问题，对断裂活动期次和油气成藏研究以及对油气勘探具有重要指导意义。

4 结论

（1）方解石脉体作为完整记录断层、节理（裂缝）发育活动史的最直接矿物，测年能够直接揭示断层活动期次和时期，方解石脉激光原位U-Pb 定年对测定466 Ma 以来的断层活动时期具有较高的精度。

（2）方解石脉年代学对断层活动和油气勘探领域的精确研究开辟了更为有效的途径。开展方解石年代学与成像测井、三维地震资料结合研究新思路，可解决断层活动时期、油气成藏期及产量等诸多问题。