山西沁水盆地中生代構(gòu)造熱事件與古地溫演化

沁水盆地是山西省地塊的一個復(fù)合向斜帶，是渤海灣盆地與鄂爾多斯盆地之間的一個過渡帶。沁水盆地地表出露了較完整的中生界,由于新生界較薄,中生界未受深埋作用改造,保留了中生代盆地演化和地?zé)釄龅男畔?是研究中生代盆地性質(zhì)和古地?zé)釄龅睦硐氲貐^(qū)。1995年以來不同學(xué)者對沁水盆地進(jìn)行了研究,在盆地古地溫恢復(fù)、構(gòu)造熱事件及現(xiàn)今大地?zé)崃髦荡_定等方面取得了一些新的結(jié)果,近年作者結(jié)合煤成氣973項目,對沁水盆地進(jìn)行了野外考察,補充了新的分析測試樣品。本文在此基礎(chǔ)上對沁水盆地中生代構(gòu)造熱事件發(fā)生時期及形成機(jī)理等進(jìn)行探討。1確定熱事件的發(fā)生和時間的證據(jù)1.1熱演化程度及盆地沉積特征根據(jù)新的分析資料重新繪制了沁水盆地石炭-二疊系鏡質(zhì)體反射率平面等值線圖(見圖1),可見R。值總體呈東西兩側(cè)邊緣低,中部高,南北兩端高,南端最高的特點。盆地北端Ro值為2.0%～3.0%,大部分地區(qū)大于2.5%;中部地區(qū)為2.0%～2.5%;盆地邊緣一般為1.3%～1.5%;盆地南端為3.0%～4.0%,晉城、翼城一帶熱演化程度最高。構(gòu)造演化史研究表明,沁水盆地未沉積早侏羅世地層,中侏羅世地層僅在榆社牌坊剖面有殘留,殘留厚度大于277m,不整合覆蓋在晚三疊世地層之上。中侏羅世之后到白堊紀(jì)之前沁水盆地處于強擠壓應(yīng)力場中,形成向斜構(gòu)造盆地。在盆地晉城東掩村可見奧陶系擠壓背斜構(gòu)造,地層直立,該擠壓背斜構(gòu)造就是在此次構(gòu)造運動中形成的。中侏羅世之后盆地整體抬升,遭受剝蝕。因此沁水盆地石炭-二疊系煤系現(xiàn)今埋藏淺,二疊系山西組煤層現(xiàn)今埋深在一般為400～1200m,沁縣、榆社一帶埋藏最深,可達(dá)1100～1200m。沁水等復(fù)向斜構(gòu)造盆地石炭-二疊系煤系鏡質(zhì)體反射率等值線總體變化趨勢受復(fù)向斜構(gòu)造形態(tài)控制,山西地塊雁行狀排列的復(fù)背斜、復(fù)向斜構(gòu)造形成于燕山中、晚期,因此沁水盆地異常地溫場應(yīng)形成于燕山中晚期,表明沁水盆地中生代晚期古地?zé)崽荻雀?發(fā)生過一次構(gòu)造熱事件。1.2石炭-二疊紀(jì)煤系的年齡差異沁水盆地所分析樣品磷灰石裂變徑跡年齡很小,鋯石裂變徑跡年齡小于地層年齡,表明地層中的鋯石已發(fā)生退火作用。鋯石退火表明地層經(jīng)歷的古地溫高于200℃,地層已進(jìn)入了冷卻帶。根據(jù)鏡質(zhì)體反射率、包裹體測溫、裂變徑跡等多種古地溫分析結(jié)果,綜合分析確定沁水盆地中部沁源附近沁參1井中生代晚期平均古地?zé)崽荻燃s為5.56℃/100m。根據(jù)沁參1井現(xiàn)今的熱導(dǎo)率1.73W/(m·K)計算,沁參1井中生代晚期大地?zé)崃髦翟?6mW/m2以上。在盆地南端的晉城、陽城一帶,石炭-二疊系煤系鏡質(zhì)體反射率更高,磷灰石、锫石裂變徑跡分析表明石炭-二疊系煤系已完全退火,進(jìn)入了冷卻帶。鋯石裂變徑跡年齡小于地層年齡,表明古地溫、古地?zé)崽荻燃肮糯蟮責(zé)崃髦蹈?。秦勇根?jù)鏡質(zhì)體反射率和包裹體資料分析,陽城一帶中生代晚期平均古地?zé)崽荻燃s在8℃/100m以上。沁水盆地中生代晚期古地?zé)崽荻燃按蟮責(zé)崃髦颠h(yuǎn)高于全球平均地?zé)崽荻燃按蟮責(zé)崃髦?表明存在異常地溫場,這是石炭-二疊系煤系鏡質(zhì)體反射率異常高的原因。山西地塊沁水等復(fù)向斜構(gòu)造盆地石炭-二疊系煤系鏡質(zhì)體反射率與上覆三疊系、侏羅系連續(xù)變化。例如左云盆地侏羅系煤層與下伏石炭-二疊系煤系鏡質(zhì)體反射率連續(xù)變化,兩者之間不存在古地溫不連續(xù)現(xiàn)象,可見石炭-二疊系煤與侏羅系煤現(xiàn)今的變質(zhì)程度是同時達(dá)到的。大同—左云構(gòu)造盆地僅保留中、下侏羅統(tǒng),因此沁水盆地異常地溫場應(yīng)形成于中侏羅世之后的燕山中晚期。本文新測定的沁水盆地北端昔陽南峪煤礦山西組砂巖樣品鋯石裂變徑跡年齡主峰為2組,其中年輕的一組年齡峰值約100Ma;盆地南端陽城樊莊太原組砂巖樣品鋯石裂變徑跡年齡主峰也為2組,其中年輕的一組年齡峰值約140Ma。陽城潘1井石盒子組砂巖樣品鋯石裂變徑跡年齡主峰為2組,其中年輕的一組年齡峰值約150Ma;成莊煤礦山西組樣品鋯石裂變徑跡年齡主峰為2組,其中年輕的一組年齡峰值約130Ma;盆地中部沁源縣石盒子組砂巖樣品鋯石裂變徑跡年齡主峰為2組,其中年輕的一組年齡峰值約140Ma。鋯石裂變徑跡年齡較年輕的一組為100～150Ma,該年齡值資料提供了熱事件發(fā)生時間的很好信息,表明中生代構(gòu)造熱事件發(fā)生在距今100～150Ma。1.3巖漿斷裂帶和構(gòu)造熱事件的年代學(xué)及動力學(xué)背景沁水盆地煤層高變質(zhì)帶的出現(xiàn)與巖漿活動關(guān)系密切,煤高變質(zhì)帶的分布與巖漿巖體的分布相吻合,在平面上,煤質(zhì)的分帶以巖漿巖體侵入位置為中心依次向外展布,其中心往往為無煙煤,高變質(zhì)帶的寬窄受巖體規(guī)模的大小和侵入深度控制,侵入淺則高變質(zhì)帶較窄。在西部有襄汾、浮山、翼城之間的二峰山、塔爾山花崗巖,晉中地塹有祈縣石英二長巖巖體,太原西山煤田西部的狐偃山花崗巖,臨縣紫山花崗巖,都與煤的高變質(zhì)帶相對應(yīng)。在東部晉城、高平及其以東的陵川、平順西溝等地有燕山期巖漿侵入體存在。另外在晉城、陽城、陽泉都發(fā)現(xiàn)有巖漿熱液巖脈。巖漿活動和北北東向斷裂帶有關(guān),山西地塊從西到東火成巖體分布在3個帶:西帶大體沿呂梁復(fù)背斜斷裂帶分布,如紫金山—尖家溝—永和一帶及狐偃山—交城一帶;中帶大體沿萬榮復(fù)背斜斷裂帶分布,如祁縣—翼城、襄汾(二峰山、塔兒山巖體);東帶大體沿陵川復(fù)背斜斷裂帶分布,如平順—陵川巖體。北北東向斷裂帶巖漿侵入部位形成煤的高變質(zhì)帶。沁水盆地南部形成的高變質(zhì)帶受東西向斷裂帶的影響,在航磁圖上,沁水盆地南端出現(xiàn)東西向展布的斷續(xù)狀航磁正異常,這些航磁正異?？赡苁菐r漿巖體的反映。山西地區(qū)中生代火成巖同位素年代測量數(shù)據(jù)表明,巖漿侵入和噴發(fā)時代為侏羅紀(jì)—白堊紀(jì),主要分布于距今110～150Ma,主峰值為120～140Ma(見圖2),相當(dāng)于早白堊世。沁水盆地及周緣中生代火成巖體同位素年齡測定結(jié)果為90～170Ma,主要分布在110～141Ma,主峰值為130～140Ma(見表1、圖3),與山西地區(qū)火成巖體同位素年齡分布規(guī)律一致,表明沁水盆地構(gòu)造熱事件主要發(fā)生在距今130～140Ma。沁水盆地中生代構(gòu)造熱事件具有區(qū)域性。根據(jù)古地溫恢復(fù)、巖漿活動、構(gòu)造運動及磷灰石裂變徑跡等方面的分析結(jié)果,認(rèn)為華北地區(qū)中生代構(gòu)造熱事件發(fā)生在晚侏羅世—早白堊世。此期構(gòu)造熱事件發(fā)生的時間與華北地區(qū)巖漿最活躍時期及大規(guī)模金成礦時期基本一致,金成礦作用主要發(fā)生在侏羅紀(jì)—白堊紀(jì),即距今65～200Ma,地球動力學(xué)背景是碰撞造山過程中的擠壓-伸展轉(zhuǎn)變期。在太行山斷裂兩側(cè)發(fā)現(xiàn)了石湖(阜平地體)和耿莊、義興寨(五臺地體)等礦床。阜平地體石湖金礦金礦化同位素測年結(jié)果為距今119～132Ma;五臺地體的耿莊、義興寨金礦金礦化同位素測年結(jié)果集中在102～140Ma。金礦化年齡與太行山構(gòu)造帶巖漿活動時期一致。1.4熱流體活動時代在沁水盆地沁參1井巖心樣品及晉城附近坡底村、東掩村旁剖面,可見奧陶系頂面附近方解石脈體非常發(fā)育。奧陶系頂面為風(fēng)化剝蝕面,裂隙及孔隙發(fā)育為方解石脈體形成創(chuàng)造了條件,方解石脈體發(fā)育反映熱流體活動。熱流體活動是引起石炭-二疊系煤系反射率高的原因之一。作者野外考察時,在石炭-二疊系煤系中也見到方解石脈體。秦勇等根據(jù)脈體成分及同位素分析認(rèn)為,沁水盆地?zé)嵋好}體既有非巖漿熱液成因的特征,又有巖漿熱液的某些特征活動,但以前者占主導(dǎo)地位。陽城、翼城及沁源煤層中脈體流體包裹體樣品穩(wěn)定同位素組成偏重,因而具有巖漿花崗巖和沉積巖為來源的重熔花崗巖之間共有的性質(zhì)。根據(jù)構(gòu)造發(fā)育歷史及巖漿活動史分析,本文認(rèn)為熱流體活動時期為晚侏羅世—早白堊世。以上分析表明,沁水盆地中生代晚期存在一期構(gòu)造熱事件,主要發(fā)生時期為距今110～140Ma,主峰值為距今130～140Ma。2巖石圈減薄及巖漿活動特征依據(jù)依據(jù)的年齡控制一個沁水盆地中生代晚期發(fā)生的構(gòu)造熱事件不是孤立的,具有區(qū)域性,必然有其深部原因。根據(jù)古地溫恢復(fù)、巖漿活動、構(gòu)造運動及磷灰石裂變徑跡等方面的分析結(jié)果,認(rèn)為華北地區(qū)中生代構(gòu)造熱事件發(fā)生在晚侏羅世—早白堊世,主要發(fā)生在距今100～150Ma,主峰值為130～140Ma,主要為早白堊世。華北東部中生代構(gòu)造體制發(fā)生了從以擠壓為主到以伸展為主的轉(zhuǎn)變,形成北北東向的盆嶺格局,到中生代晚期(距今110Ma),華北地區(qū)巖石圈已處于強烈的北西-南東向的伸展和北北東向的左行走滑活動。構(gòu)造體制轉(zhuǎn)變與深部的地幔過程和巖石圈減薄過程有很好的時空耦合關(guān)系,在此期間華北陸塊及相鄰塊體的下地殼發(fā)生大比例的熔融和殼幔物質(zhì)交換,從東到西,巖漿活動有源區(qū)變深、幔源物質(zhì)增多的現(xiàn)象。中生代華北地臺和大別山地區(qū)雙峰式巖漿活動和堿性花崗巖的發(fā)育,華北地區(qū)大規(guī)模的巖墻群,以及強烈的區(qū)域性隆起、走滑、拉張及沉陷等構(gòu)造活動和一系列斷陷盆地的形成等,都說明本地區(qū)當(dāng)時正經(jīng)歷著強烈的大陸裂解,正是超大陸裂解才導(dǎo)致中國東部巖石圈大規(guī)模的拆沉和減薄。中生代大規(guī)模的巖漿活動與區(qū)域巖石圈伸展有關(guān),巖石圈快速減薄使巖漿作用活躍,引發(fā)了爆發(fā)式成礦。吳福元等對大興安嶺地區(qū)火山巖的地球化學(xué)和年代學(xué)研究表明,中國東部巖石圈減薄大約從距今160Ma開始,巖石圈減薄到最大限度的時間為距今120～145Ma。文獻(xiàn)根據(jù)對華北陸塊中生代構(gòu)造、熱體制、盆地配置與遷移、火山噴發(fā)、花崗巖類以及爆發(fā)成礦的研究,限定華北東部構(gòu)造體制轉(zhuǎn)折的時限始于距今約140～150Ma,結(jié)束于距今約100～11OMa,峰值是距今120Ma。沁水盆地構(gòu)造熱事件發(fā)生的時間與華北地區(qū)巖石圈全區(qū)范圍內(nèi)由虧損地幔性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦患蒯Ｐ再|(zhì)時期及巖石圈減薄時期一致,華北地區(qū)巖石圈富集地幔形成時間在中生代(距今120～140Ma),沁水盆地及周緣區(qū)巖漿活動主要出現(xiàn)在距今110～141Ma,主峰值為130～140Ma。沁水盆地構(gòu)造熱事件發(fā)生的時間恰好對應(yīng)華北地區(qū)大規(guī)模巖石圈拆沉、減薄時期,表明沁水盆地石炭-二疊系煤層熱演化程度高,主要受中生代晚期異常地溫場控制。塔兒山、狐堰山及西安里巖體的里特曼-戈蒂里圖解表明,巖漿巖多位于造山與非造山之間的過渡區(qū),屬弱造山環(huán)境,反映沁水盆地中生代構(gòu)造體制由擠壓向伸展的轉(zhuǎn)變。根據(jù)恢復(fù)的古地?zé)崽荻燃按蟮責(zé)崃鞴浪?燕山期沁水盆地巖石圈應(yīng)有明顯的減薄,燕山晚期沁水盆地深部地幔熱活躍,巖石圈減薄,地幔上涌,形成高地?zé)岜尘爸?這是石炭-二疊系煤層熱演化程度高的主要原因。在異常地溫場背景的基礎(chǔ)上,深成變質(zhì)作用和區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用造成了沁水盆地石炭-二疊系煤層變質(zhì)程度的分帶性及差異性。深成變質(zhì)作用是影響沁水煤田現(xiàn)今變質(zhì)程度分帶的主導(dǎo)因素,深部巖漿活動是盆地南、北兩端高變質(zhì)帶形成的重要因素,深部熱液活動在奧陶系頂面活動性強,使靠近奧陶系的石炭-二疊系煤層熱演化程度提高。沁水盆地石炭-二疊系煤層生烴高峰期在晚侏羅世-早白堊世,受中生代晚期構(gòu)造熱事件控制,中新世以來大規(guī)模抬升冷卻,地層遭受剝蝕、溫度降低,石炭-二疊系煤層生烴過程停止。目前普遍認(rèn)為華北地臺減薄發(fā)生在大興安嶺—太行山以東地區(qū)。沁水盆地構(gòu)造熱事件的存在及發(fā)生時間的確定表明,華北地臺中生代以來減薄的西界至少可推到沁水盆地以西地區(qū)。構(gòu)造熱事件發(fā)生時間的確定,對沁水盆地煤層氣成藏過程研究及大陸動力學(xué)演化研究有重要意義。3巖石圈深部熱活動是巖石圈深部熱活動的主要原因其中生代晚期沁水盆地存在一期強烈的構(gòu)造熱事件,主要發(fā)生在距今100～150Ma,主峰值為130～140Ma,主要為早白堊世。沁水盆地構(gòu)造熱事件發(fā)生的時間與華北地臺巖石圈全區(qū)范圍內(nèi)由虧損地幔性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦患蒯Ｐ再|(zhì)時期、巖石圈減薄時期及華北東部構(gòu)造體制轉(zhuǎn)折的時期一致,表明構(gòu)造熱事件及巖石圈的減薄具有區(qū)域性,巖石圈深部熱活動是其根本原因。沁水盆地構(gòu)造熱事件的存在及發(fā)生時間的確定表明,華北地臺中生代以來巖石圈減薄的西界至少可推到沁水盆地以西地區(qū)。中生代晚期巖石圈減薄,地?zé)岜尘爸蹈?是沁水盆地石炭-二疊系煤層熱演化程度高的主要原因,深成變質(zhì)作用是影響沁水盆地煤層變質(zhì)程度現(xiàn)今分帶的主導(dǎo)因素,深部巖漿活動是沁水盆地南、北兩端高變質(zhì)帶形成的重要因素,深部熱液活動僅在局部起作用。