內蒙古西部額濟納旗及其鄰區磷灰石裂變徑跡研究及其油氣地質意義

韓 偉 , 盧進才 張云鵬 李玉宏 魏建設 劉 溪

(1.中國地質調查局 西安地質調查中心, 陜西 西安 710054; 2.西北大學 地質學系, 陜西 西安710069)

磷灰石裂變徑跡可以記錄巖石經歷的小于 120 ℃的低溫熱歷史的詳細信息。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字模擬技術的進步, 可精確地反演構造域的熱構造歷史,即探討構造演化過程與相應溫度間的變化關系, 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, 裂變徑跡方法在構造抬升和沉積盆地熱歷史方面的應用取得了不少成果。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,運用裂變徑跡熱史模擬技術, 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,該方法的特性和優越性尤為明顯(周祖翼等, 2001;任戰利, 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律的前提和基礎。額濟納旗及其鄰區位于內蒙古西部, 是包括了銀-額(銀根-額濟納旗)盆地、北山盆地群等古生代與中生代盆地的疊合盆地(任紀舜等, 1999; 康玉柱, 2008; 盧進才等, 2010,2011a)。前人所謂“銀-額盆地”大多是指中生代的“銀根-額濟納旗”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, 中國地質調查局對該盆地開展了新一輪的研究工作, 認為晚志留世-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-二疊紀, 額濟納旗及其鄰區形成陸內裂谷盆地, 沉積了巨厚的火山巖+碎屑巖+碳酸鹽巖組合。并且, 項目組在研究區石炭系-二疊系中發現了5套有規模、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>0.5%,據盧雙舫等提出的評價標準, 可達到中等-好的烴源巖(盧雙舫和張敏, 2008; 盧進才等, 2010, 2011a)。并通過油源對比等方法證實祥探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系(曹潔等,2012)。這些烴源巖是否能有效地轉化為油氣并且成藏, 與其后來所經歷的構造演化過程密切相關。因此, 研究盆地形成后所經歷的構造演化過程對于指導研究區油氣勘探工作顯得尤為重要。

基于此研究目的, 作者對額濟納旗及其鄰區二疊系露頭樣品展開了磷灰石裂變徑跡研究, 結合野外地質調查及前人資料, 對研究區二疊紀以來構造演化過程中關鍵構造事件提供熱年代學約束, 對烴源巖熱演化史展開探討, 為額濟納旗及其鄰區的構造熱演化歷史和盆地的油氣地質條件分析提供依據。

1 區域地質背景和樣品分布

額濟納旗及其鄰區位于天山-興安造山系與華北地塊的交匯帶, 晚泥盆世-二疊紀為統一的裂谷盆地(盧進才等, 2011a), 進一步劃分為四個二級構造單元, 具有兩坳兩隆的構造特征(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, 經歷了海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期等多期次的構造改造(盧進才等,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哈爾蘇海組, 杭烏拉埋汗哈達剖面 4個樣品取自下中二疊統埋汗哈達組(圖1, 表2)。

2 實驗方法及結果分析

2.1 實驗方法

裂變徑跡是放射性元素238U裂變造成的礦物晶格電離損傷, 在巖石冷卻時產生, 加溫時“退火”消失; 再冷卻又重新產生。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 額濟納旗及其鄰區石炭紀-二疊紀構造單元劃分(a)及剖面位置示意圖(b)(據甘肅、寧夏地質局1∶20萬地質圖)Fig.1 Map showing the division of C-P tectonic units in Ejina area Banner and its vicinity (a) and sampling sites (b)

?

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, 揭發其自發徑跡; 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標準鈾玻璃一起構成定年組件, 一并置入反應堆輻照; 最后將云母外探測器置于25 ℃下40%的HF中蝕刻35 min, 揭示誘發裂變徑跡, 中子注量利用CN5鈾玻璃標定。根據IUGS推薦的ξ常數法和標準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常數為389.4±19.2。樣品的分析處理由中國科學院高能物理研究所完成, 分析結果見表2。

表2 額濟納旗及其鄰區磷灰石裂變徑跡樣品測試結果Table 2 The results of fission track analysis of the apatites from the Ejina area and its vicinity

2.2 測試結果分析

磷灰石裂變徑跡研究表明: 當樣品測試年齡小于地層年齡時, 樣品經歷了退火和后期的抬升冷卻作用, 其年齡大致對應了最初的抬升時間。當樣品P＞5%時, 可采用中值年齡來代表樣品經歷高溫退火之后的真實抬升冷卻年齡; 如果P＜5%或者P=0,其中值年齡屬于比真實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), 遠小于樣品所在地質體年齡, 說明都經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3個特點: ①不同樣品的徑跡平均長度變化較小, 主體為12.5~13.2 μm,說明這些樣品均經歷了完全退火, 較為集中地反應了一期構造事件。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長度標準差較小, 變化于1.7~1.9之間, 說明樣品的構造熱背景較為單一; 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。根據這些分析可以看出本組樣品年齡組分單一, 證明樣品經歷了完全退火, 所有年齡都反映了同一期冷卻年齡, 他們所經歷的地質熱歷史或冷卻史亦類似。6個樣品所記錄的構造抬升運動并非迅速抬升剝蝕, 而是較為漫長的持續抬升過程。

前人對研究區后期構造改造研究認為, 早、中侏羅世研究區構造背景以張扭拉分和局部抬升為主,使得下侏羅統與中侏羅統、中侏羅統與上侏羅統呈假整合接觸, 晚侏羅世開始隆升, 并經歷了強烈的南北向擠壓、抬升(盧進才等, 2011b)。結合樣品裂變徑跡分布的單峰型特征, 認為這 6個樣品在晚白堊世之前溫度達到 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。數據結果顯示, 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), 對應燕山Ⅲ-Ⅳ幕, 這是研究區一次“構造反轉”的強烈運動, 整體表現為擠壓背景下的斷塊作用, 王生朗等(2002)認為, 本次構造運動對研究區東部的查干凹陷造成了最大可達 800 m以上的剝蝕, 從而結束了走滑-拉分凹陷的發育歷史, 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(侏羅紀末)。這一年齡恰好對應燕山Ⅲ幕擠壓抬升時期, 表明該樣品中部分顆粒記錄了該期構造活動, 說明研究區部分地區在燕山Ⅲ幕擠壓抬升時期已經開始抬升。

圖 2 額濟納旗及其鄰區磷灰石裂變徑跡年齡組成及統計分布圖(注: 左列為單顆粒年齡雷達圖, 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, 該時期為研究區中生代以來主要構造抬升時期。并且, 個別樣品的部分顆粒還記錄了侏羅紀末燕山Ⅲ幕擠壓抬升的構造活動。

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/抬升有關的低溫熱年齡的同時, 還可以通過模擬技術獲得一段溫度隨時間變化的低溫熱歷史(Brandon ,1996)。本次研究運用AFT Solve軟件進行熱史模擬,擬合選用限制任意搜索項(CRS), 擬合次數選取10000, 模擬溫度從高于裂變徑跡退火帶底部溫度到現今地表溫度 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據信息, 延伸裂變徑跡分析在地質熱信息分析中的實踐性, 增加模型的可信度。同時該程序包括對模擬結果的評估, 即時間-溫度歷史在使用者輸入約束條件下模擬結果與實驗結果的擬合程度。熱史模擬過程中, “K-S檢驗”表示徑跡長度模擬值與實驗值的吻合程度; “年齡GOF”代表徑跡年齡模擬值與實測值的吻合程度, 若“年齡GOF”和“K-S檢驗”都大于5%時, 表示模擬結果“可以接受”, 當值均超過 50%時, 模擬結果則是高質量的, 并將其作為最佳熱史路徑(丁超等, 2011;肖暉等, 2011)。

本次模擬結果顯示, 6個樣品中僅08LHS-05的“K-S 檢驗”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個樣品的模擬結果較為一致, 在早白堊世末之前均為持續沉降、增溫的狀態, 并在早白堊世末(90~113 Ma)之前達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前后趨于穩定, 后持續降溫至今。

3 地質意義

研究區自石炭紀-二疊紀沉積之后, 于二疊紀末開始抬升, 經歷了海西期、印支期、燕山期等多期次構造運動, 區內三疊系、侏羅系中下統沉積普遍缺失, 樣品08LHS-06中部分顆粒記錄了145 Ma(侏羅紀末)研究區擠壓抬升的構造運動, 這在野外工作和地震剖面中也被證實(圖4、5)。這段時間, 區內構造活動復雜多變, 沉積極不穩定, 石炭系-二疊系烴源巖埋深亦不穩定, 不利于油氣形成。

圖3 額濟納旗及其鄰區磷灰石裂變徑跡熱史模擬結果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, 研究區構造背景趨于穩定, 重新接受沉積, 陸內斷陷盆地發育達到鼎盛, 陳啟林等(2006)研究認為, 早白堊世居東凹陷(居參1井)基底埋深達到4800 m, 中生代盆地部分凹陷達到最大埋深。額濟納旗及其鄰區熱演化研究表明(韓偉等,2011), 研究區二疊系烴源巖熱演化程度在白堊紀達到最高。這與本次磷灰石裂變徑跡熱史模擬結果十分吻合, 說明早白堊世是研究區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)研究認為, 晚白堊世印度板塊向北與青藏高原對接, 額濟納旗及其鄰區受到由西向東的擠壓作用, 整體表現為擠壓背景下的斷塊作用, 穩定沉降的狀態結束, 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)之間的這次構造運動。受其影響, 研究區西部的北山地區該時期地層缺失, 東部形成了一系列斷陷盆地。由于受到構造斷塊作用影響, 研究區背斜構造圈閉不很發育, 如東部的查干凹陷幾乎所有構造圈閉全為與斷層有關的斷鼻和斷背斜。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, 可認為這次構造抬升較為緩慢,并非快速抬升, 對油氣地質條件破壞作用有限。因此, 這一階段對研究區油氣成藏意義重大。

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

這次構造抬升之后, 研究區進入坳陷沉積階段,再未經歷強烈的構造變形(圖 6), 直至喜山期, 受印度板塊與歐亞板塊碰撞作用所產生的遠程效應的影響, 區內局部遭受擠壓抬升, 產生了一些表皮構造。

4 認識與結論

對額濟納旗及其鄰區 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(侏羅紀末)研究區擠壓抬升的構造過程, 這一時期構造活動強烈,不利于油氣成藏。

結合磷灰石裂變徑跡熱史模擬、研究區熱演化研究與前人成果認為, 研究區二疊系烴源巖在早白堊世達到最大古地溫, 早白堊世是油氣大量生成的時期。

圖6 額濟納旗及其鄰區白堊系產狀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任戰利、西安石油大學肖暉等老師的指導, 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！

:

曹潔, 魏仙樣, 嚴小鳙, 李玉宏, 魏建設. 2012. 內蒙古西部額濟納旗祥探8井華力西期風化殼原油地球化學特征. 地質通報, 31(10): 1639–1644.

陳安定, 萬景林, 郭彤樓. 2004. 裂變徑跡研究構造抬升應用實例. 石油學報, 25(4): 29–32.

陳啟林, 衛平生, 楊占龍. 2006. 銀根-額濟納旗盆地構造演化與油氣勘探方向. 石油實驗地質, 28(4): 311–315.

丁超, 陳剛, 李振華, 毛小妮, 楊甫. 2011. 鄂爾多斯盆地東北部構造熱演化史的磷灰石裂變徑跡分析. 現代地質, 25(3): 581–588.

高峰, 王岳軍, 劉順生, 胡寶清. 2000. 利用磷灰石裂變徑跡研究鄂爾多斯盆地西緣熱歷史. 大地構造與成礦學, 24(1): 87–91.

韓偉, 姜亭, 李玉宏, 魏建設. 2011. 內蒙古西部額濟納旗及其鄰區二疊系烴源巖熱演化與油氣的關系. 地質通報, 30(6): 911–915.

康玉柱. 2008. 中國西北地區石炭-二疊系油氣勘探前景.新疆石油地質, 28(4): 415–419.

盧進才, 陳高潮, 魏仙樣, 李玉宏, 魏建設. 2011a. 內蒙古西部額濟納旗及其鄰區石炭-二疊系沉積建造與生烴條件研究——油氣地質條件研究之一. 地質通報,30(6): 811–826.

盧進才, 陳高潮, 魏仙樣, 李玉宏, 魏建設. 2011b. 內蒙古西部額濟納旗及其鄰區石炭-二疊系沉積后的構造演化、蓋層條件與油氣信息——油氣地質條件研究之三. 地質通報, 30(6): 838–849.

盧進才, 魏仙樣, 魏建設, 李玉宏. 2010. 內蒙古西部額濟納旗及其鄰區石炭系-二疊系油氣地質條件初探.地質通報, 29(2-3): 330–340.

盧雙舫, 張敏. 2008. 油氣地球化學. 北京: 石油工業出版社: 201–212.

任紀舜, 王作勛, 陳炳蔚, 姜春發, 牛寶貴, 李錦軼, 謝廣連, 和政軍, 劉志剛. 1999. 從全球看中國大地構造. 北京: 地質出版社: 11–17.

任戰利. 1995. 利用磷灰石裂變徑跡法研究鄂爾多斯盆地熱史. 地球物理學報, 38(3): 339–350.

王建強, 劉池陽, 閆建萍, 趙紅格, 高飛, 劉超. 2010. 鄂爾多斯盆地南部渭北隆起發育時限及其演化. 蘭州大學學報(自然科學版), 46(4): 22–29.

王生朗, 馬維民, 竺知新, 尚雅珍. 2002. 銀根-額濟納旗盆地查干凹陷構造-沉積格架與油氣勘探方向. 石油實驗地質, 8(4): 296–300.

肖暉, 任戰利, 趙靖舟, 王起琮, 時保宏, 宋立軍. 2011.新疆庫魯克塔格地區盆山構造-熱演化史.地學前緣,18(3): 33–41.

葉加仁, 楊香華. 2003. 銀-額盆地查干凹陷溫壓場特征及其油氣地質意義. 天然氣工業, 23(2): 15–19.

袁萬明, 董金泉, 保增寬. 2004. 新疆阿爾泰造山帶構造活動的磷灰石裂變徑跡證據. 地學前緣, 11(7):461–468.

袁萬明, 杜楊松, 楊立強, 李勝榮, 董金泉. 2007. 西藏岡底斯帶南木林地區構造活動的磷灰石裂變徑跡分析.巖石學報, 23(11): 29l1–2917.

張代生, 李光云, 羅肇, 李興亮. 2003. 銀根-額濟納旗盆地油氣地質條件. 新疆石油地質, 23(2): 130–133.

周祖翼, 廖宗廷, 楊鳳麗, 傅強. 2001. 裂變徑跡分析及其在沉積盆地研究中的應用. 石油實驗地質, 23(3):332–337.

朱文斌, 張志勇, 舒良樹, 萬景林, 盧華復, 王勝利, 楊偉, 蘇金寶. 2007. 塔里木北緣前寒武系基底隆升剝露史: 來自磷灰石裂變徑跡的證據. 巖石學報, 23(7):1671–1682.

左國朝, 劉義科, 劉春燕. 2003. 甘新蒙北山地區構造格局及演化. 甘肅地質學報, 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.