DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.08.030

雅布赖盆地萨尔台凹陷中—新生代构造热事件的磷灰石裂变径迹分析

田涛¹，任战利¹，吴晓青¹，马国福²，张睿胜²，杨智明²，王维³，王锦¹

(1. 西北大学 大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安，710069；

2. 中国石油 玉门油田分公司，甘肃 酒泉，735000；

3. 中国石油 长庆油田分公司，陕西 西安，710021)

摘要：运用磷灰石裂变径迹(AFT)分析方法，探讨分析雅布赖盆地萨尔台凹陷中—新生代构造热事件发生的径迹年龄(AFTA)和长度(AFTL)分布特征，并通过反演法建立热史模型，恢复构造热演化过程。研究结果表明：研究区可能至少经历了3期隆升过程，分别发生在晚侏罗世末期((138.0±10)~135.8 Ma)、早白垩世晚期((116.0±8)~109.3 Ma)和古近纪中晚期(52.0~29.4 Ma)。在时间演化上，新河组下段(J_2x¹)地层在盐场次凹和小湖子次凹具有相似性，但后者地层温度普遍高于前者，尤其在早白垩世，拥有更利于油气生成的地温环境。发生在180.0~146.7 Ma和130.5~100.0 Ma期间的2次增温过程与烃源岩热演化关系密切，地层温度可加热至72.0~135.0 ℃，是影响油气生成的关键阶段。构造热演化过程的研究为雅布赖盆地萨尔台凹陷的石油、天然气等矿产资源的勘探提供了新的约束条件。

关键词：磷灰石裂变径迹；中—新生代；构造热事件；萨尔台凹陷；雅布赖盆地

中图分类号：P618.13             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)08-2974-09

Apatite fission track analysis of Meso-cenozoic tectonic-thermal history in Sartai depression, Yabrai Basin

TIAN Tao¹, REN Zhanli¹, WU Xiaoqing¹, MA Guofu², ZHANG Ruisheng²,

YANG Zhiming², WANG Wei³, WANG Jin¹

(1. State Key Laboratory of Continental Dynamics Department of Geology,

Northwest University, Xi’an 710069, China;

2. Yumen Oilfield Company, PetroChina, Jiuquan 735000, China;

3. Changqing Oilfield Company, PetroChina, Xi’an 710021, China)

Abstract: The characteristics of apatite fission track age (AFTA) and length (AFTL) data of the Meso-cenozoic tectonic-thermal history of Sartai depression of Yabrai basin were revealed by apatite fission track analysis. And the thermal history model was established by inversion method to recover the tectonic-thermal evolution. The results show that the study area may have experienced three times of uplift process at least which occurred in the end of Jurassic ((138.0±10)-135.8 Ma), late stage of Early Cretaceous ((116.0±8)-109.3 Ma) and middle-late Paleogene (52.0-29.4 Ma). The J_2x¹ strata in Yanchang sub-sag and Xiaohuzi sub-sag have the similar thermal evolution process in time, but the temperature of J_2x¹ in Xiaohuzi sub-sag is generally higher than that in Xiaohuzi sub-sag, especially in the Early Cretaceous when Xiaohuzi sub-sag had a much better geothermal field environment for hydrocarbon generation. The temperature of J_2x¹ heats up to 72.0-135.0 ℃ during 180.0-146.7 Ma and 130.5-100.0 Ma, and the two warming processes are the crucial stages of the source rock’s maturity evolution and hydrocarbon generation in study area. The study of tectonic-thermal history can provide some new constraints on oil-gas and other mineral exploration in Yabrai Basin.

Key words: apatite fission track; Meso-cenozoic; tectonic-thermal history; Sartai depression; Yabrai Basin

自从Naeser^[1]提出将裂变径迹用于盆地地热史研究以来，随着理论方法和实验技术的不断完善，其应用范围逐渐扩展到热演化史^[2-5]、构造史^[6-8]、沉积物来源^[9]等方面。近年来，磷灰石裂变径迹(AFT)和(U-Th)/He定年等低温热年代学的发展使裂变径迹方法在构造热演化及其与油气关系的研究中展示出越来越强的活力^[10-11]。雅布赖盆地作为中国西部叠合含油气盆地(地区)的边缘地带，勘探研究程度低，研究内容目前仍主要停滞在沉积、构造、单一地球化学特征等方面，尚未开展构造热演化过程以及烃源岩热演化与油气的关系等研究。盆地热演化历史直接影响着盆地烃源岩的生烃演化、油气成藏过程及油气资源潜力、远景的评价，查明萨尔台凹陷的构造热事件发生的时间和热演化过程，对于了解该凹陷的热演化特点及其对油气成藏的影响具有重要意义。研究区地层间发育有多个不整合接触关系，表明盆地可能在侏罗纪、白垩纪发生过构造隆升运动导致不整合现象的出现，但仍需进一步通过磷灰石裂变径迹热年代学分析准确厘定构造热事件的发生时间，为本区石油、天然气等能源矿产的勘探提供一定新的约束条件。

1  研究区地质概况

雅布赖盆地位于我国内蒙古阿拉善地区北部，面积约1.5×10⁴ km²，是受北大山逆冲推覆断裂和雅布赖山正断层控制发育的中—新生代小型断陷盆地^[12-13]。由西部坳陷和东部隆起2个一级构造单元及红杉湖凹陷、萨尔台凹陷、黑茨湾凸起3个二级构造单元构成。萨尔台凹陷位于雅布赖盆地西南部，分布有盐场次凹、小湖子次凹2个次级凹陷，是盆地侏罗系地层主要的沉积中心，也是最主要的勘探研究区域。沉积地层主要以侏罗系、白垩系、第三系和第四系盖层为主，直接覆盖在前元古界斜长花岗岩变质基底之上。其中，中下侏罗统(J₁₊₂)湖相暗色泥岩发育，烃源岩条件好，为主要的勘探目的层。研究区中—新生代主要存在2个大的不整合面界面，分别是白垩系、侏罗系与新生界的平行不整合接触，侏罗系与白垩系削截不整合接触。图1所示为研究区构造略图及样品采集分布。

2  样品数据分析

2.1  样品采集和测试

磷灰石裂变径迹分析样品取自盆地西部坳陷萨尔台凹陷中侏罗统新河组下段(J_2x¹)地层中的4个钻井砂岩样品，样品由西向东呈长轴状分布在研究区内(见表1和图1)。所有磷灰石裂变径迹测试分析由西北大学大陆动力学国家重点实验室(磷灰石裂变径迹实验室)完成。

所采集的每个样品均通过常规重液分离法和磁选法进行筛选，分离出适合做磷灰石裂变径迹分析的磷灰石单颗粒矿物，将其制作成环树脂样品并打磨抛光，最终制作成光薄片。在25 ℃、质量分数为6.6% HNO₃溶液中蚀刻30 s揭示其自发径迹，然后将低铀白云母贴在磷灰石光薄片上，将低铀白云母外探测器与矿物一并放入反应堆进行辐照射。照射之后将白云母外探测器在25 ℃下，在质量分数为40% HF中蚀刻20 min，揭示其诱发裂变径迹密度，中子注量利用CN5铀玻璃标定，年龄计算采用ξ常数法(式1)^[14]，标准样为Durango磷灰石。

         (1)

式中：T_样品为样品年龄；λ_d为²³⁸U衰变常数，取1.551 25×10^{-10 a-1}；ρ_s为矿物自发裂变径迹密度；ρ_i为矿物诱发裂变径迹密度；ρ_d为铀标准玻璃诱发径迹密度；ξ为Zeta校正常数，取357.8±7.9。

2.2  数据结果和分析

2.2.1  单颗粒AFT数据分析

表1所示为AFT测试分析结果。图2所示为研究区AFT年龄和长度分布特征。从表1可知：研究区各样品AFT年龄分布在(31.0±4)~(138.0±10) Ma之间，均小于中侏罗统沉积地层年龄(约180.0 Ma)。Yc1-1样品裂变径迹长度主要集中在11.0~13.0 μm之间，平均值为10.9 μm；Yt1-1样品主要集中在10.0~12.0 μm之间，平均值为10.1 μm；Yt1-4样品主要集中在11.0 μm 左右；Hs1-2样品主要集中在12.0~14.0 μm之间，平均值为12.2 μm。它们均小于初始磷灰石裂变径迹的原始长度(约16.15 μm)(见表1和图2)。研究区磷灰石裂变径迹年龄和长度的分布特征说明磷灰石裂变径迹在形成之后均遭受构造热事件的影响而发生部分退火，甚至是完全退火。

图1  研究区构造略图及样品采集分布

Fig. 1  Tectonic sketch and sampling points distribution of study area

表1  AFT测试分析结果

Table 1  Test results of AFT

Yc1-1和Yt1-1样品AFT 年龄的检验概率P(χ²)＜5%，分别为0.5%和0，径迹长度呈偏峰状且分布域较宽(4.0~15.0 μm)(图2)，表明这些样品在地质历史时期经历了较复杂的热历史或从部分退火带返回至冷却带，其中值年龄为混合年龄，可利用高斯拟合法对样品的混合年龄进行解析，得出相应的抬升冷却的发生时间^{[7, 16]}。该组样品的AFT年龄组分雷达图显示有新、老2个年龄组分。Yc1-1样品AFT中值年龄为(113.0±9) Ma，与之相对应较老年龄组分的高斯拟合年龄为109.3 Ma，与中值年龄相当，共同表明了早白垩世晚期((113.0±9)~109.3 Ma)的1次构造隆升事件；Yt1-1样品中值年龄为(31.0±4) Ma，与之相对应的2个高斯拟合年龄分别为14.0 Ma和52.0 Ma，较老年龄组分的高斯拟合年龄与中值年龄相当，共同表明了古近纪中期((31.0±4)~52.0 Ma)的1次构隆升事件(图2)。此外，通过Barker等^[17]建立的最大埋藏温度(θ_max)与平均镜质体反射率(R_m)之间的换算关系(式2)，可以反映出样品经历的最大古地温，间接地分析磷灰石裂变径迹的退火情况。该组样品镜质体反射率(R_o)分别为0.70%和0.75%，换算可得样品经历的最高古地温分别为108.7 ℃和115.9 ℃，而AFT封闭温度范围为70~125 ℃，因此，Yc1-1和Yt1-1样品尚未经历过完全退火，R_o与AFT测年反映的热信息保持一致。

图2  研究区AFT年龄和长度分布特征

Fig. 2  Distribution characteristics of AFT ages and AFT length in study area

          (2)

Yt1-4和Hs1-2样品AFT年龄检验概率P(χ²)＞5%，分别为91.1%和91.0%，径迹长度分布呈单峰状且不存在小于9.0 μm的短径迹(图2)，表明该组样品是从完全退火带抬升至冷却带的^{[7, 18-19]}。该组样品R_o分别为0.98%和1.08%，换算出的最高古地温为143.7 ℃和153.8 ℃，超出了AFT封闭温度范围，也表明样品发生过完全退火，测得的AFT年龄为抬升冷却后新生的径迹年龄，可以反映出较真实的抬升冷却时间。Yt1-4样品AFT中值年龄、池年龄均为(32.0±4) Ma，对应的高斯拟合年龄为29.4 Ma，这2个年龄相当，反映了古近纪中晚期((32.0±4)~29.4 Ma)的1次构造隆升事件。Hs1-2样品AFT中值年龄和池年龄均为(138.0±10) Ma，对应的高斯拟合年龄为135.8 Ma，2个年龄相当，共同表明了晚侏罗世末期((138.0±10)~ 135.8 Ma)的1次构造隆升事件(图2)。

2.2.2  AFT年龄与长度的关系

对于钻井磷灰石样品测得的AFT年龄(A)与地层温度(θ)之间的分布关系(A-θ关系)，Naeser等^[20]讨论了地层处于最大埋藏温度和受到1次冷却条件下，AFT年龄与深度或温度之间关系的理论模式。根据A-θ曲线形态特征划分若干退火区带，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。目前，国内普遍使用该方法提取构造热演化相关信息 (图3)。

图3  A-θ关系及分带图^[20]

Fig. 3  Annealing zones divided by AFT ages and temperature^[20]

等^[21-22]根据断裂摩擦生热导致磷灰石裂变径迹退火的现象，在“Boomerang plot”图的基础上，利用AFT平均径迹长度与年龄之间的交会关系判断断裂活动时间。不论以何种方式增温，当有效受热达到一定程度时，磷灰石裂变径迹退火现象就会发生。因此，也可根据该方法建立与其相似的衍生图，对盆地构造沉降或隆升运动进行合理解释。

研究区仅有4个来自J_2x¹地层的钻井AFT样品，结果较少不能全面精细地分析萨尔台凹陷构造热事件，但仍可通过这些结果建立若干热史演化预测模型，为研究构造热事件过程提供一定参考，以便后续结果的校正和完善。图4所示为研究区AFT年龄-长度分布关系。从图4可知：路径1为晚侏罗世晚期(145.0 Ma)开始，Hs1-2~Yc1-1样品磷灰石裂变径迹平均长度变短，退火程度不断增大，持续沉降增温。在110.0~32.0 Ma之间发生1次抬升冷却事件，致使径迹平均长度出现增大趋势(Yt1-1~Yt1-4)。路径2为晚侏罗世之前，地层达到最大埋深并开始抬升冷却，新径迹不断产生导致平均径迹长度增大(Hs1-2)，早白垩世初期(130.0 Ma)地层沉降增温，径迹变短，退火程度加大(Yc1-1)，早白垩世晚期(105.0Ma)至古近纪中期，可能发生1次抬升与沉降过程。路径3为晚侏罗世晚期至早白垩世晚期，地层沉降增温，Hs1-2~Yc1-1样品磷灰石裂变径迹平均长度变短，退火程度增大，后期演化与路径2的相似。结合单颗粒AFT分析结果和前人地层不整合接触关系、构造、沉积等方面的研究成果，认为路径2最有可能接近地质事实。

针对研究区构造热事件发生时间的确定，各学者对发生于晚侏罗世末期、早白垩世晚期的构造隆升运动基本持相同观点，而对第3期构造隆升时间的确定稍有不同，赵宏波^[12]认为发生在第三纪初期，吴茂炳等^[13]认为发生在喜马拉雅活动期。综合雅布赖盆地萨尔台凹陷AFT分析结果表明：该地区可能至少经历了3次隆升过程，分别发生在晚侏罗世末期、早白垩世晚期和古近纪中晚期。由于盆地演化受燕山运动影响明显，之后逐渐萎缩，应以前两期构造热事件为主，对烃源岩热演化和油气生成的温度场有较大影响。

图4  研究区AFT年龄-长度分布关系

Fig. 4  Relationship between AFT ages and mean track length in study area

3  热史模拟

3.1  模拟方法

随着温度的升高，磷灰石裂变径迹长度和密度会逐渐减小即发生退火现象，这一规律成为沉积盆地低温热史重建的原理基础。Laslett等^[23]基于Green等^[24]的磷灰石退火实验数据提出平行、扇形退火模型。Crowley等^[25]利用新的磷灰石退火实验结果重新评价Laslett扇形退火模型，并建立拟合表达式：

       (3)

式中：r为径迹长度与初始径迹长度之比；t为时间，s；T为温度，K。

Crowley等^[25]认为该模型可以很好的拟合实验结果。在此基础上，Ketcham等^[26]又提出多组分退火模型，使扇形退火模型的应用扩展到复杂成分的磷灰石，代表了现今裂变径迹退火动力学研究的主流。但迄今为止扇型模型仍是与实验数据拟合最好的退火模型^[27]。磷灰石退火过程的动力学模型的提出和不断改进完善，使磷灰石裂变径迹热年代学不仅是一种定年手段，而且成为一种热演化史分析技术，并在盆地分析领域获得广泛应用。磷灰石裂变径迹年龄(AFTA)和长度(AFTL)为热史重建提供了重要的反演参数，近年来基于这2个参数的热史反演方法得到了快速发展，可以获得温度随时间变化的更多信息，提高了热史分析的定量化程度^[28-29]。

本次热史模拟基于Laslett模型，以AFTA和AFTL以及基本区域地质概况作为约束条件，利用AFTSolve软件模拟磷灰石样品的时间-温度曲线。为了增加模型结果的可信度，进行模拟时设定以下参数：拟合选项选取限制任意搜索项(CRS)；拟合曲线次数选取10 000；与结晶c轴平行的裂变径迹蚀刻的最大直径(D_par)为1.5 μm；设定地表温度、取样地层年龄作为初始温度和时间；通过相应R_o换算样品经历的最大古地温，约束样品完全退火时的热状态。

3.2  模拟结果与讨论

在进行模拟结果质量检验时，一般采用径迹长度拟合度(F₁)和径迹年龄拟合度(F₂)为标准，将F₂与F₁检验值都大于5.0%的情况，认为模拟过程是比较可信的；若这2个参数都超过50.0%，则认定为高质量模拟结果 ^{[28, 30]}。研究区各样品均取得了较好的AFT热史模拟结果(图5)，以Yc1-1模拟为例，实验模拟的径迹中值年龄为117.0 Ma与实测中值年龄(116.0±8) Ma非常接近。模拟F₂达到了94.0%，F₁检验值达到68.0%，完成了高质量模拟，该模拟结果接近样品经历的古地温实际演化过程。

Yc1-1，Hs1-2，Yt1-1和Yt1-4这4个样品均来自中侏罗统新河组下段(J_2x¹)，热史模拟叠合曲线(图5)主要表现J_2x¹的热演化过程。叠合曲线总体呈左侧陡右侧缓的不对称“W”状，表明早期构造热事件过程较剧烈，晚期相对平缓，这一特征与雅布赖盆地演化有紧密的联系。热演化受构造、沉积的综合作用，不同构造单元往往具有不同的热演化历史，以Yc1-1为代表的盐场次凹和以Yt1-1和Yt1-4为代表的小湖子次凹的J_2x¹热演化过程在时间上具有相似性，但两者温度场变化情况具有较大差异。

3.2.1  中侏罗世—早白垩世初(180.0~130.5 Ma)

自中侏罗世开始，萨尔台凹陷整体快速广泛的接受深湖相沉积，导致地层温度快速增加。

第1阶段为180.0~146.7 Ma的增温过程，中侏罗统地层沉积速率较快，盐场次凹和小湖子次凹J_2x¹地层温度从地表温度迅速增加到102 ℃和115.0~122.5 ℃，增温率分别为2.2 ℃/Ma和2.6~2.8 ℃/Ma。

第2阶段为146.7~130.5 Ma的降温过程，晚侏罗世晚期的构造抬升运动，致使地层遭受剥蚀或地温梯度减小，盐场次凹和小湖子次凹地层温度快速降低到60 ℃和62.0~75.0 ℃，降温率分别为2.6 ℃/Ma和2.9~3.4 ℃/Ma。

3.2.2  早白垩世初—古近纪中晚期(130.5~40.0 Ma)

盐场次凹、小湖子次凹中侏罗统在该阶段的热演化历史具有较大的差异，小湖子古地温明显高于盐场次凹。钻井揭示小湖子次凹白垩系残留地层厚度普遍大于盐场次凹，可能由于小湖子次凹早白垩世沉降幅度大于盐场次凹导致其J_2x¹地层温度偏高。

第3阶段为130.5~100.0 Ma的增温过程，受白垩系地层沉积影响，盐场次凹和小湖子次凹J_2x¹地层温度上升至96.0 ℃和124.0~135.0 ℃，增温率分别为  1.1 ℃/Ma和1.96~2.00 ℃/Ma。

第4阶段为100.0~40.0 Ma的降温过程，早白垩世末期的构造隆升运动，使地层遭受剥蚀并冷却降温。盐场次凹和小湖子次凹至古近纪中期J_2x¹地层温度缓慢降低到60.0 ℃和73.0~82.0 ℃，降温率分别约0.60 ℃/Ma和0.85~0.88 ℃/Ma。

3.2.3  古近纪中晚期以来

第5阶段为40.0 Ma至现今，新生代盆地所受伸展作用减弱，第三纪晚期开始缓慢接受少量沉积，地层温度缓慢增高或趋于稳定至现今样品埋深的地温。

小湖子次凹和盐场次凹J_2x¹地层在时间上具有相似的“三期五段”式热演化过程与盆地沉降-隆升演化过程基本一致，表明研究区的发展始终是以沉降和抬升为主，没有重要的岩浆和火山活动。小湖子次凹J_2x¹地层温度在整个热演化过程中普遍高于盐场次凹的地层温度。

图5  AFT热史模拟结果

Fig. 5  Results of AFT thermal history simulation

4  结论

1) 雅布赖盆地萨尔台凹陷可能至少经历了3次隆升过程，分别发生在晚侏罗世末期((138.0±10)~135.8 Ma)、早白垩世晚期((116.0±8)~109.3 Ma)和古近纪中晚期(52.0~29.4 Ma)。

2) 研究区早期构造热事件过程较剧烈，随着盆地萎缩演化而逐渐变弱，与盆地沉降—隆升演化过程基本一致。萨尔台凹陷新河组下段(J_2x¹)在盐场次凹和小湖子次凹具有相似的热演化过程，但小湖子次凹J_2x¹地层温度普遍高于盐场次凹地层温度，尤其在早白垩世晚期差异明显，小湖子次凹比盐场次凹拥有更利于油气生成的地温场环境。在热演化的增温过程中，晚侏罗世末期和早白垩世晚期J_2x¹地层温度可达到72.0~135.0 ℃，处于油气大量生成的温度范围之内，是影响油气生成的关键时期。

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(编辑  罗金花)

收稿日期：2014-11-29；修回日期：2015-01-25

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(41372128)；西北大学大陆动力学国家重点实验室科技部专项经费资助项目(BJ08133-1)(Project (41372128) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (BJ08133-1) supported by Special Funds of State Key Laboratory of Continental Dynamics Department of Geology of Northwest University)

通信作者：任战利，研究员，博士生导师，从事沉积盆地构造热演化、油气地质等研究；E-mail：renzhanl@nwu.edu.cn