胡 迪, 沈傳波*, 劉澤陽

(1.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點實驗室, 北京 100029; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

川東北地區(qū)埋藏-剝露歷史分析
——來自盆地模擬和熱年代的制約

胡 迪1,2, 沈傳波2*, 劉澤陽2

(1.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所 巖石圈演化國家重點實驗室, 北京 100029; 2.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)構(gòu)造與油氣資源教育部重點實驗室, 湖北 武漢 430074)

構(gòu)造熱演化是沉積盆地基礎(chǔ)地質(zhì)研究的重要內(nèi)容, 更是油氣勘探中不可或缺的部分, 多種古地溫方法的綜合對比研究是目前熱史研究主要發(fā)展趨勢。本文將裂變徑跡(FT)和(U-Th)/He熱年代學(xué)、鏡質(zhì)體反射率法(Ro)和盆地模擬等技術(shù)相結(jié)合, 運用正演和反演的方法重建了川東北地區(qū)埋藏–剝露熱演化歷史。研究表明川東北地區(qū)自晚白堊世埋深達到最大后進入剝蝕階段, 大約從 92 Ma開始隆升, 經(jīng)歷了快速隆升–緩慢隆升–加速隆升三個階段, 整個過程的剝蝕量大約3～4 km, 且兩次大的剝露過程分別受控于雪峰山的隆起造山以及大巴山的推覆和青藏高原的隆升作用。研究還建立了綜合熱年代學(xué)、Ro和盆地模擬技術(shù)恢復(fù)復(fù)雜構(gòu)造–熱演化歷史的方法, 這對于復(fù)雜環(huán)境下的構(gòu)造熱演化歷史的恢復(fù)以及海相油氣勘探具有重要的意義。

熱年代學(xué); 盆地模擬; 構(gòu)造熱演化; 埋藏; 剝露; 川東北

0 引 言

隨著裂變徑跡分析技術(shù)的日益完善和(U-Th)/He測年技術(shù)的迅速發(fā)展, 以磷灰石、鋯石的裂變徑跡和(U-Th)/He測年為代表的低溫年代學(xué)技術(shù)已經(jīng)在地質(zhì)體定年(Reiners et al., 2003; Hansen and Reiners, 2006; Tian et al., 2012)、盆地?zé)崾?Green et al., 2003; Lorencak et al., 2004; Qiu et al., 2011; 韓偉等, 2014)、地形地貌演化和沉積物源(Ehlers et al., 2006; Barnes et al., 2006; Tian et al., 2013)等研究方面廣泛應(yīng)用。在油氣勘探方面, 利用多種古溫標(biāo)包括鏡質(zhì)體反射率法(Ro)、甾烷成熟指標(biāo)(SM)、碳偏指數(shù)(CAI)、流體包裹體法(FI)、裂變徑跡法(FT)、(U-Th)/He定年法等(邱楠生等, 2004)反演盆地構(gòu)造–熱演化史已取得了許多進展。由于各種古溫標(biāo)方法均有其局限(邱楠生等, 2008), 多種古地溫研究方法的綜合應(yīng)用是目前熱史研究的主要發(fā)展趨勢。盆地模擬技術(shù)可以刻畫沉降埋藏歷史, 而裂變徑跡(FT)和(U-Th)/He熱年代學(xué)的正演和反演則可以精細刻畫構(gòu)造隆升歷史。將兩者結(jié)合, 可以取長補短, 精細刻畫盆地埋藏–剝露演化歷史的細節(jié)。本文將結(jié)合裂變徑跡(FT)和(U-Th)/He熱年代學(xué)、Ro和盆地模擬等技術(shù), 并通過正演和反演來恢復(fù)川東北盆地埋藏–剝露熱演化歷史, 以期為該區(qū)構(gòu)造演化、油氣成藏研究提供進一步的證據(jù), 并探索復(fù)雜地質(zhì)條件下盆地埋藏–剝露熱演化研究方法。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于四川盆地北東部, 屬于大巴山造山帶前緣向西南方向突出的弧狀逆沖構(gòu)造帶與川東北高陡構(gòu)造帶所圍限區(qū)域, 其東北部是被米倉山–大巴山脈分割的秦嶺造山帶, 其南東部為齊岳–大婁山脈(舒姚和胡明, 2010)(圖1a)。川東北地區(qū)于晉寧運動形成前震旦系的基底, 晚三疊世前為海相沉積,之后轉(zhuǎn)入陸相沉積階段。自印支期至喜馬拉雅期,在特提斯構(gòu)造域、濱太平洋構(gòu)造域的發(fā)展演化過程中, 在上揚子區(qū)長期強弱交替擠壓作用下, 川東北地區(qū)的構(gòu)造樣式經(jīng)過多期疊加、改造而形成, 最終定型于喜馬拉雅晚期(劉樹根等, 2011)。而它的局部構(gòu)造則主要在燕山期形成。在燕山早期, 川東北地區(qū)受擠壓區(qū)域應(yīng)力場的作用發(fā)展成為山前坳陷盆地,處于盆地的沉降中心, 充填大約6000 m厚的內(nèi)陸河湖相沉積; 燕山晚期由于太平洋板塊的俯沖加劇和轉(zhuǎn)向, 盆地周緣山系擠壓產(chǎn)生大量的逆沖推覆帶,山前前陸盆地逐漸萎縮, 在SE-NW向擠壓下, 形成以NE和NNE向為主的高陡構(gòu)造帶。至喜山期構(gòu)造進一步改造或加強, 由于大巴山、米倉山由 NE向SW的擠壓作用(李智武等, 2006), 形成較多的NW向構(gòu)造, 構(gòu)成現(xiàn)今構(gòu)造格局(邱楠生等, 2008; 鄧賓, 2013)。

圖1 川東北地區(qū)地質(zhì)簡圖(a, 據(jù)李瑞保等, 2010)及熱年代學(xué)樣品分布(b)Fig.1 Geological sketch map (a) and sample locations for thermochronological investigation (b) in the Northeast Sichuan Basin

2 熱年代學(xué)分析

2.1 樣品及測試結(jié)果

樣品主要分布于巴中–宣漢–達縣一帶(圖 1b),獲得磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)18個, 并收集了前人在該地區(qū)發(fā)表的數(shù)據(jù)10個。總共選取28個熱年代樣品(表1)做統(tǒng)計分析, 并對BZ-2、DK-12、DK-14等10個含有較多徑跡長度數(shù)據(jù)樣品用 HeFTy軟件(Ketcham, 2005)做了正演和反演模擬。地表樣品海拔高程數(shù)據(jù)根據(jù)GPS和地形圖等高線聯(lián)合獲得。實驗方法詳見Gleadow et al. (2002)和袁萬明等(2005)。樣品定年采用外探測器法, 年齡計算采用Zeta常數(shù)法(Hurford and Green, 1983), 磷灰石的封閉溫度取60～120 ℃(Laslett et al., 1983)。

本次研究的 28個樣品的裂變徑跡表觀年齡主要集中分布在60～80 Ma(圖2a), 其裂變徑跡長度為9.6～13.53 μm, 主要集中于11～13 μm范圍內(nèi)(圖2b)。磷灰石裂變徑跡表觀年齡均小于其所處地層年齡,徑跡長度小于原始徑跡長度(16.3±0.9 μm), 反映磷灰石均在一定程度上經(jīng)歷了退火作用, 暗示著川東北地區(qū)地層大致在晚白堊世期間開始隆升剝蝕。對經(jīng)歷了多期熱事件影響的磷灰石樣品而言, 裂變徑跡測定的表觀年齡一般代表其經(jīng)過封閉溫度以來的時間, 大多不具有直接地質(zhì)意義, 解釋也會產(chǎn)生不確定性(Gleadow et al., 2002), 必須對裂變徑跡數(shù)據(jù)進行反演, 通過模擬來認識時間–溫度演化歷史的細節(jié)(沈傳波等, 2007b)。

表1 川東北地區(qū)磷灰石裂變徑跡測試結(jié)果Table 1 Apatite fission track results of the Northeast Sichuan Basin

圖2 川東北地區(qū)磷灰石裂變徑跡表觀年齡(a)和徑跡長度統(tǒng)計直方圖(b)Fig.2 Histogram of apparent fission track ages (a) and track length distribution (b) of apatites from the Northeast Sichuan Basin

2.2 熱歷史模擬

基于裂變徑跡的分析測試數(shù)據(jù), 應(yīng)用磷灰石多元動力學(xué)退火模型(Ketcham et al., 1999, 2007)和蒙特卡羅(Monte Carlo)逼近法以及 HeFTy模擬軟件(Ketcham, 2005), 對樣品 BZ-2、DK-12、DK-14等經(jīng)歷的熱歷史進行定量模擬。模擬建立在前人研究的基礎(chǔ)之上, 大量學(xué)者認為該地區(qū)抬升時間從晚白堊世開始(沈傳波等, 2007b; 邱楠生等, 2008; 鄧賓等, 2009; 田云濤等, 2011), 故本次模擬時間從晚白堊世到現(xiàn)今, 模擬溫度從高于裂變徑跡退火帶的120 ℃到現(xiàn)今地表溫度 23 ℃。熱歷史模擬結(jié)果一般分為三個部分: 可以接受的熱歷史范圍、較好的熱歷史范圍和最佳的熱歷史擬合曲線。模擬結(jié)果(圖3a)可知: 10個樣品自晚白堊世以來均表現(xiàn)為快速的冷卻過程, 由于研究區(qū)自白堊紀(jì)以來沒有顯著的巖漿和大規(guī)模的流體活動, 認為這一冷卻過程應(yīng)是區(qū)域剝蝕的結(jié)果?？傮w大致分為三個階段, 即川東北地區(qū)經(jīng)歷了兩次大的快速抬升冷卻階段, 分別為92～67 Ma和15 Ma之后, 而67～15 Ma經(jīng)歷的剝蝕過程較為緩慢, 磷灰石滯留于部分退火帶中(圖3b)。

2.3 剝蝕量計算

所有樣品均從磷灰石退火溫度約 120 ℃左右(Laslett et at., 1983)降低到地表23 ℃, 該區(qū)晚白堊紀(jì)的古地溫梯度取23.2 ℃/km(王瑋等, 2011), 扣除樣品的海拔高度后計算得到總的剝蝕量大約3.0～4.0 km,與諸多研究對川東北地區(qū)晚白堊世以來剝蝕總量的計算較為一致, 如劉樹根等(2006)的研究認為川東北地區(qū)的剝蝕量約為3.5～5.0 km; 而Richardson et al. (2008)計算的剝蝕量約為 4.0 km; 鄧賓等(2009)認為川東高陡褶皺區(qū)剝蝕量普遍較高大于3 km, 而從開縣–忠縣地區(qū)則明顯減弱至 2.5 km以下; 田云濤等(2011)估算約為5.0 km。當(dāng)然如樣品WD-44剝蝕量約 3.0 km, 推測可能因為接近盆地沉降中心, 剝蝕量減少, 與沈傳波等(2007b)計算的剝蝕量約2.7 km是吻合的, 表明本次熱歷史模擬的結(jié)果是可取的。

2.4 磷灰石(U-Th)/He年齡

(U-Th)/He年齡可以記錄礦物經(jīng)歷封閉溫度后的構(gòu)造演化歷史。不同礦物其(U-Th)/He體系的封閉溫度差別較大, 磷灰石的He封閉溫度較低, 為75 ℃(Wolf et al., 1998; 邱楠生等, 2008)。收集川東北地區(qū)已發(fā)表文獻中磷灰石(U-Th)/He年齡(邱楠生等, 2008), 可知在普光5井中侏羅系的(U-Th)/He年齡介于11.6～40.9 Ma, 平均值為25.9 Ma, 說明大約25.9 Ma時地層抬升剝蝕到了磷灰石(U-Th)/He的封閉溫度范圍。本次熱歷史模擬結(jié)果(圖3)與此相當(dāng)。

3 構(gòu)造–熱演化恢復(fù)

3.1 埋藏–剝露歷史

根據(jù)前文中的裂變徑跡熱史模擬結(jié)果, 對于川東北地區(qū)的剝蝕厚度, 選取最靠近普光-2井的磷灰石樣品WD-44, 通過對其剝蝕厚度的計算, WD-44樣品三個階段的剝蝕量減去海拔高度后分別為1595 m、431 m、992 m, 即總剝蝕量為3018 m; 結(jié)合普光-2井的鉆井資料, 利用IES盆地模擬軟件進行了埋藏–剝露史的模擬, 模擬結(jié)果如圖4, 并針對模擬導(dǎo)出的Ro曲線與普光-2井實測的 Ro值(盧慶治等, 2005)進行了對比, 兩者具有較好的擬合性。

3.2 熱歷史恢復(fù)綜合方法

結(jié)合盆地模擬的埋深過程, 裂變徑跡反演的剝蝕歷史, 以及 Ro和(U-Th)/He數(shù)據(jù)的約束(Lisker et al., 2009), 恢復(fù)了川東北地區(qū)中侏羅統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)的熱演化過程(圖5)。表明該地層在171～92 Ma屬于沉積埋藏階段, 溫度從地表溫度增加到125 ℃;92～67 Ma, 快速的隆升剝露階段, 磷灰石也進入部分退火帶中, 古地溫從最大埋藏古溫度125 ℃降到75 ℃±;之后處于一個相對穩(wěn)定的階段, 樣品滯留在磷灰石部分退火帶的溫度范圍內(nèi); 直到中新世約 15 Ma,再次快速剝蝕冷卻。

圖3 川東北地區(qū)磷灰石裂變徑跡熱演化歷史模擬Fig.3 Thermal history modeling of apatite fission track of the Northeast Sichuan Basin

圖4 基于磷灰石裂變徑跡模擬剝蝕量計算的普光-2井埋藏-剝露歷史Fig.4 Burial and denudational history of the Puguang 2 well based on the erosion process from apatite fission track modeling results

圖5 綜合盆地模擬、Ro和熱年代學(xué)恢復(fù)的侏羅系上沙溪廟組熱歷史Fig.5 Thermal history reconstruction of the upper Shaximiao Formation through integrating basin modeling, Roand thermochronological results

Ro是衡量有機質(zhì)熱演化程度的指標(biāo)之一, 是目前最重要的有機質(zhì)成熟度指標(biāo)(Lisker et al., 2009)。在正常地質(zhì)背景下, 鏡質(zhì)體主要受最大溫度和有效加熱時間的影響, Ro的對數(shù)值與埋深呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系, 并具有不可逆性, 可反映歷史時期經(jīng)歷的最大的古地溫。統(tǒng)計川東北地區(qū) Ro數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其在0.4%～3.9%之間(吳群和彭金寧, 2013)?？傮w上, 隨著埋藏深度增加、地層時代變老, Ro值增大。侏羅系烴源巖 Ro分布在 0.6%～1.9%之間集中分布于 0.75%～1.1%左右, 據(jù)Barker and Pawlewicz (1994)鏡質(zhì)體反射率地溫計估算, 侏羅系經(jīng)歷的最大古地溫約為117～166 ℃。

4 討 論

4.1 區(qū)域剝露歷史

對于川東北地區(qū)的熱歷史, 學(xué)者們有不同的觀點。如Richardson et al. (2008)研究認為四川盆地的冷卻剝蝕主要發(fā)生在40 Ma以來; Shen et al. (2009)認為川東地區(qū)自白堊紀(jì)以來經(jīng)歷100～70 Ma和15 Ma左右兩次大的冷卻剝蝕過程; 田云濤等(2011)通過正演模擬和實測結(jié)果對比認為熱歷史主要為約100～30 Ma冷卻剝蝕和30 Ma以來加速冷卻過程; Deng et al. (2013)根據(jù)華鎣山脈一帶的AFT樣品模擬認為四川盆地自白堊紀(jì)以來主要經(jīng)歷120～80 Ma的冷卻剝蝕和20～10 Ma的加速剝蝕。

本次模擬結(jié)果認為存在兩次較大的快速抬升冷卻階段, 分別為92～67 Ma和15 Ma之后?？梢钥闯龈鶕?jù)鉆井?dāng)?shù)據(jù), 結(jié)合剝蝕歷史, 運用盆地模擬方法可以很好揭示單井的埋藏過程(圖4), 而根據(jù)裂變徑跡反演的抬升歷史, 利用古溫標(biāo) Ro和(U-Th)/He數(shù)據(jù)制約, 能夠精細的刻畫出盆地在構(gòu)造抬升過程中溫度的變化(圖 5), 所以通過這些方法的結(jié)合, 能夠為復(fù)雜地質(zhì)條件下盆地埋藏–剝露熱演化研究提供新的思路, 并更加精確地還原盆地的熱演化歷史。

4.2 構(gòu)造演化的指示

對于川東北地區(qū)的構(gòu)造變形及演化特征, 前人的研究表明: 川東北地區(qū)的變形主要受控于燕山期的擠壓作用形成一系列褶皺和斷層, 以及喜山期以來青藏高原的隆起和向東部的擴展作用(童崇光, 2000; 唐大卿等, 2008)。本文根據(jù)川東弧形褶皺帶、大巴山山前褶皺推覆帶等構(gòu)造特征以及區(qū)域地質(zhì)背景分析, 結(jié)合本次熱演化的研究成果推測: 川東北地區(qū)在 92～67 Ma, 主要受到江南–雪峰山的隆起造山活動(柏道遠等, 2014)引發(fā)的由南東向北西的沖斷作用以及大巴山前展式逆沖推覆作用由北東向南西構(gòu)造不斷擴展變形影響到本區(qū), 導(dǎo)致區(qū)域的隆升剝蝕; 67～15 Ma由于雪峰山的隆起和大巴山的推覆均減弱, 抬升剝蝕變得緩慢; 15 Ma以來, 由于青藏高原的隆升及其向東部的擴展(Richardson et al., 2008; Shen et al., 2009; Tian et al., 2012; Deng et al., 2013),使得川東北地區(qū)又迎來一次快速的抬升剝露過程并形成現(xiàn)今的構(gòu)造格局。

諸多研究通過熱年代學(xué)的證據(jù)也為該區(qū)構(gòu)造演化提供了佐證, 梅廉夫等(2010)根據(jù)裂變徑跡和平衡剖面的分析認為自湘鄂西向川東華鎣山構(gòu)造變形發(fā)展的時代從165 Ma到95 Ma, 并解釋為是江南雪峰陸內(nèi)造山作用向西北方向遞進擴展變形的結(jié)果,本文認為這一作用于92 Ma影響到川東北地區(qū), 之后逐漸減弱。華北板塊與揚子板塊在160 Ma沿著秦嶺–大別造山帶完全碰撞造山之后(Huang and Opdyk, 1991), 秦嶺–大別造山帶進入了陸內(nèi)變形的階段(董樹文等, 2006), 而前人報道大巴山受秦嶺的影響自白堊紀(jì)(120～110 Ma)開始隆升(沈傳波等, 2007a), 這說明大巴山的推覆作用對川東北地區(qū)在92 Ma的抬升是有所貢獻的。此階段米倉山–漢南穹窿也產(chǎn)生了快速的剝蝕效應(yīng)(田云濤等, 2010)。同時研究表明,龍門山北段(Arne et al., 1997)和東昆侖地區(qū)的快速剝蝕開始于約20 Ma(Yuan et al., 2006), 而大巴山地區(qū)開始于10～6 Ma(沈傳波等, 2007a), 本文認為川東北地區(qū)第二次快速抬升始于 15 Ma, 晚于龍門山北段而早于大巴山地區(qū), 這說明青藏高原隆升并向東部擴展的遞進作用。

5 結(jié) 論

本次研究將裂變徑跡(FT)和(U-Th)/He熱年代學(xué)、Ro和盆地模擬等技術(shù)相結(jié)合, 并通過正演和反演來恢復(fù)川東北盆地埋藏–剝露熱演化歷史, 揭示了川東北地區(qū)自白堊紀(jì)以來的抬升剝蝕歷史。其埋藏–剝露歷史可分為四個階段: ①92 Ma以前沉積埋藏階段; ②92～67 Ma, 快速的隆升剝露階段; ③67～15 Ma緩慢隆升的階段; ④15 Ma以來, 再次快速剝蝕冷卻階段。剝蝕量約為3～4 km, 川東北地區(qū)可能分別在晚白堊世和中新世受兩次大的構(gòu)造作用的影響。

致謝: 本文收集引用了前人已發(fā)表的大量數(shù)據(jù), 參考了前人大量的研究成果, 研究得到了中石化南方分公司的大力支持, 論文的撰寫過程中還與劉昭茜、葛翔博士進行了討論, 兩位審稿專家和責(zé)任編輯對本文的初稿及修改完善提出了許多寶貴的意見,在此表示衷心感謝。

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Basin Modeling and Thermochronological Constrains on the Burial and Denudational History of the Northeast Sichuan Basin

HU Di1,2, SHEN Chuanbo2＊and LIU Zeyang2
(1. State Key Laboratory of Lithospheric Evolution, Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China; 2. MOE Key Laboratory of Tectonic and Petroleum Resources, China University of Geosciences, Wuhan 430074, Hubei, China)

Tectonothermal evolution is an important content of basic geological study in sedimentary basin, and is also an indispensable part of petroleum exploration. A comprehensive comparative study of various palaeogeothermal methods is the main development trend of thermal history research. The burial and denudational history of the Northeast Sichuan Basin was reconstructed through fission-track (FT) and (U-Th)/He thermochronology combined with vitrinite reflectance (Ro) and basin modeling. The exhumation processes were reconstructed by forward and inversion modeling methods. The results show that this area entered the erosion stage since the Late Cretaceous after reaching the maximum burial depth. It started uplifting since 92 Ma and experienced three stages of uplift, including rapid uplift-slow upliftaccelerated uplift. The whole denudation thickness is approximately 3- 4 km. The two significant denudations were controlled by orogenic uplift of the Xuefeng Mountain together with thrust napping of the Daba Mountain and the eastward growth of the Tibetan Plateau uplift. This study also established an approach to synthesize thermochronology, Roand basin modeling to restore the complex tectonic-thermal evolution history, which is likely of applicable in the study of evolution history of complex basins and marine petroleum exploration.

thermochronology; basin modeling; tectonothermal evolution; burial and denudation; Northeast Sichuan Basin

P597

A

1001-1552(2016)06-1145-009

2014-08-28; 改回日期: 2015-01-18

項目資助: 國家自然科學(xué)青年基金項目(40902038)、中國石油科技創(chuàng)新基金項目(2016D-5007-0103)、武漢市青年科技晨光計劃項目(2016070204010145)和中央高校基本業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(CUG201536)聯(lián)合資助。

胡迪(1993–), 男, 博士研究生, 構(gòu)造地質(zhì)學(xué)專業(yè)。Email: hudi15@mail.iggcas.ac.cn.

沈傳波(1979–), 男, 博士, 教授, 主要從事盆山構(gòu)造熱演化及油氣成藏方面的教學(xué)和研究工作。Email: cbshen@cug.edu.cn.