川東北地區(qū)早三疊世以來構(gòu)造-熱演化特征

1磷灰石的熱定年技術(shù)u和th轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的u和th的方法已被證明是使用礦山u和th燃燒造成的。(U-Th)/He熱定年技術(shù)作為一種低溫?zé)崮甏鷮W(xué)技術(shù),近年來在地質(zhì)體定年(Reinersetal,2003;Hansenetal,2006)、熱演化(Greenetal,2003;Houseetal,1999,2002;Reedetal,2002;Lorencaketal,2004)、地形地貌演化和沉積物源研究(Houseetal,1998;Ehlersetal,2006;Larreetal,2006;Barnesetal,2006;Blondesetal,2006;Boyceetal,2005;Rahletal,2007;Zhouetal,2003)等方面得到了廣泛的應(yīng)用,也為盆地?zé)釟v史恢復(fù)提供了一條新的途徑?？捎糜赨-Th/He熱定年測試的礦物有橄欖石、輝石、角閃石、石榴子石、磷灰石、鋯石、榍石、磁鐵礦、赤鐵礦等,目前應(yīng)用較多的是磷灰石、鋯石和榍石。雖然利用磷灰石的(U-Th)/He熱定年可以精細(xì)研究低溫下的冷卻歷史,但在用于沉積盆地的熱歷史恢復(fù)時,必須與其它古溫標(biāo)(磷灰石裂變徑跡、鏡質(zhì)組反射率等)結(jié)合起來才能奏效(Crowhurstetal,2002;Wolfetal,1998)。磷灰石裂變徑跡和He熱定年技術(shù)的結(jié)合可以揭示45~110℃溫度范圍的精細(xì)冷卻歷史。目前國外的研究實例均采用將(U-Th)/He方法與Ro、裂變徑跡甚至K/Ar,Ar/Ar等其它同位素定年技術(shù)結(jié)合起來進行(McDowelletal,2005),以便利用不同礦物(U-Th)/He封閉溫度的不同,綜合起來對復(fù)雜熱史軌跡進行恢復(fù)。而在國內(nèi)利用該方法研究造山帶的構(gòu)造熱歷史較多,卻未見對于沉積盆地的熱史研究。川東北地區(qū)位于四川盆地北部,局部構(gòu)造主要形成于燕山期。在燕山早、中期,盆地東北部發(fā)展成山前坳陷盆地,成為沉降中心,充填6000余米(侏羅系—白堊系)的內(nèi)陸河湖相沉積。燕山晚期由于太平洋板塊的俯沖,構(gòu)造變動愈往東愈強烈,盆地周緣山系進一步擠壓,山前坳陷盆地逐漸萎縮,沉積中心自東向西轉(zhuǎn)移,在SE-NW向擠壓下,形成NE和NNE向為主的高陡構(gòu)造。至喜山期構(gòu)造進一步改造或加強,來自武陵山、大巴山、米倉山三個方向應(yīng)力場的聯(lián)合作用(其中大巴山方向的水平推擠特別強烈),形成較多的NW向構(gòu)造,構(gòu)成現(xiàn)今構(gòu)造格局。該區(qū)的沉積演化經(jīng)歷了震旦系至中三疊統(tǒng)以海相碳酸鹽巖為主的臺地沉積階段,和上三疊統(tǒng)—白堊系以陸相碎屑巖為主的盆地沉積階段。震旦紀(jì)—志留紀(jì),在總體伸展構(gòu)造背景上,該區(qū)沉積了一套海相類復(fù)理石沉積建造,至晚志留世川東北地區(qū)上升為陸地,遭受剝蝕。泥盆紀(jì)—中三疊世,本區(qū)再次處于伸展構(gòu)造體制。受加里東運動影響,揚子地塊隆升,停止接受沉積,至使區(qū)內(nèi)缺失泥盆系—下石炭統(tǒng)地層。到中石炭世這一地區(qū)東部開始接受沉積,發(fā)育有中石炭統(tǒng)碳酸鹽巖。石炭紀(jì)末的昆明運動又使盆地整體抬升為陸,中石炭統(tǒng)上部遭受剝蝕,并缺失上石炭統(tǒng)沉積。早二疊世開始,揚子地區(qū)廣泛海侵形成了上揚子廣闊碳酸鹽臺地。早三疊世—中三疊世,主要為淺海相碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖沉積。中三疊世末,伴隨著印支運動的發(fā)生而出現(xiàn)大規(guī)模的海退,結(jié)束了川東北地區(qū)海相沉積。晚三疊世沉積盆地性質(zhì)開始轉(zhuǎn)化成前陸盆地,川東北地區(qū)接受了河流相與湖泊相的須家河組沉積。晚三疊世末的晚期印支運動使川東北地區(qū)抬升遭受剝蝕。侏羅紀(jì)時,川東北地區(qū)發(fā)展成山前坳陷盆地;早白堊世,盆地沉降中心向西遷移,湖盆萎縮,發(fā)育河流三角洲—濱湖相砂巖、泥巖。晚白堊世—始新世,沉積盆地開始萎縮衰亡,逐漸進入以抬升剝蝕為主的構(gòu)造演化階段。本文利用鉆井樣品的(U-Th)/He年齡數(shù)據(jù),結(jié)合鏡質(zhì)體反射率和瀝青反射率古溫標(biāo)模擬川東北典型井區(qū)的熱歷史。同時,結(jié)合周緣山系露頭樣品的(U-Th)/He年齡探討了研究區(qū)的構(gòu)造-熱演化特征。2u-th/he年齡測試研究樣品主要取自四川盆地內(nèi)川東北普光和毛壩氣田的3口鉆井和露頭剖面(圖1)。鉆井砂巖共采集了5個樣品。為了彌補建立熱剖面中鉆井樣品的不足,對通江北面諾水河旁寒武系—白堊系野外露頭剖面共采集了6個砂巖樣品,并采用便攜式GPS定位,樣品均采自新鮮露頭,基本可以構(gòu)成一個垂向上的He年齡分布。樣品經(jīng)破碎、過篩后進行重液和磁選分離得到磷灰石和鋯石礦物顆粒。(U-Th)/He定年的原理是根據(jù)磷灰石等礦物顆粒中U,Th衰變產(chǎn)生He發(fā)展而來的。本文的(U-Th)/He年齡測試工作在澳大利亞CSIRO進行。首先從分選出來的重礦物精礦中挑選1~5顆自形磷灰石/鋯石晶體,挑選時盡量確保磷灰石/鋯石晶體不含包裹體。磷灰石和鋯石的(U-Th)/He年齡測試包括礦物晶體的釋氣、利用四極質(zhì)譜儀測定He以及利用ICP-MS測定U和Th含量。用激光束將單顆粒礦物晶體樣品加熱以提取He(Boyceetal,2006)。提取出來的He通過吸氣器在低溫條件下對4He和3He分別進行聚集、純化后,利用四極質(zhì)譜儀測定4He/3He。將測試完4He/3He后的樣品放入經(jīng)過校準(zhǔn)的229Th和233U溶液,然后將磷灰石樣品在濃度約為30%的HNO3中溶解,將鋯石先置于HF和HNO3的溶液中溶解,再用H3BO3去除氟化物。最后得到的溶液用ICP-MS來測量238U/233U和232Th/229Th比值。為了便于對比研究,本次同時測定了磷灰石和鋯石的(U-Th)/He年齡(表1)。3礦物的u-th/he體系封閉溫度(U-Th)/He年齡可以反映礦物所經(jīng)受的最后一期封閉溫度,即其記錄的是礦物經(jīng)歷封閉溫度后的構(gòu)造演化歷史。依據(jù)自然樣品和熱模擬試驗,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℃(Wolfetal,1996),鋯石的He封閉溫度在170~190℃之間(Reinersetal,2002,2005),榍石則為191~218℃(Reiners,2005)。因此,磷灰石和鋯石的(U-Th)/He年齡可以反映其在經(jīng)歷封閉溫度后的冷卻歷史,并可為探討川東北地區(qū)的構(gòu)造-熱演化歷史提供可靠依據(jù)。3.1地層年齡和沉積年齡依據(jù)所獲得的磷灰石He年齡和實測溫度數(shù)據(jù)(表1),He年齡隨溫度的演化反映出該區(qū)磷灰石(U-Th)/He年齡的封閉溫度約為85℃(此時He年齡接近為零)(圖2)。鉆井樣品磷灰石的He年齡介于0.4~40.5Ma之間,平均值介于1.5~25.9Ma之間,均遠(yuǎn)小于樣品沉積年齡,且隨著樣品時代的變老磷灰石He年齡逐漸變小,這與地層年代越新抬升剝蝕時間越早是一致的。如普光5井J2s地層樣品(PG5yx)的He年齡平均值是25.9Ma,表明該地層在25.9Ma左右抬升至磷灰石的He封閉溫度(85℃);而普光5井T3x樣品(PG5-2-1)則在第四紀(jì)才抬升至磷灰石的He封閉溫度。露頭剖面樣品磷灰石的He年齡也均遠(yuǎn)小于樣品沉積時代年齡。3.2露頭剖面的鋯石u-th/he封閉溫度鉆井樣品鋯石(U-Th)/He年齡變化范圍相當(dāng)寬,單顆粒年齡介于49.9~251.9Ma之間,主要分布在50~80,130~215和246~252Ma三個主峰區(qū)(圖4)。50~80Ma的鋯石(U-Th)/He主峰區(qū)年齡小于實際地層沉積年齡,130~215Ma則與實際地層沉積年齡相當(dāng),而246~252Ma大于實際地層沉積年齡。即只有前者有可能反映出該區(qū)鋯石He年齡經(jīng)過或剛剛進入(U-Th)/He封閉溫度(160~200℃)的年齡。實際上,第一個He年齡主峰的樣品現(xiàn)今埋藏深度在2500~3400m之間,現(xiàn)今地溫在75~92℃之間,包裹體最高古地溫在150~170℃之間(1),正處于鋯石(U-Th)/He封閉溫度附近。因此,可能只有50~80Ma主峰區(qū)年齡經(jīng)歷了封閉溫度。鉆井樣品和剖面露頭樣品的鋯石He年齡與高程的關(guān)系也不同(圖5)。露頭剖面盡管老地層(∈1c—O1m)樣品的鋯石He年齡遠(yuǎn)小于樣品沉積年齡,但是其兩個主分布區(qū)及變化范圍與新地層的樣品(TJ01,TJ02,TJ03)基本相當(dāng),而這三個樣品的鋯石He年齡等于或大于樣品沉積年齡。這也與鉆井樣品的中、后者主峰區(qū)相當(dāng),即它們也不能反映鋯石(U-Th)/He封閉溫度的年齡。根據(jù)鉆井樣品的鋯石(U-Th)/He前主峰區(qū)年齡(50~80Ma)與露頭剖面TJ06樣品的鋯石(U-Th)/He前主峰區(qū)年齡(104Ma)也可以大致推算出川東北地區(qū)可能在K1晚期(100Ma)就開始抬升了。露頭樣品中寒武系和奧陶系樣品的鋯石He年齡主要集中在134~155Ma,反映了該地區(qū)的寒武-奧陶系剖面大致在該時期已開始抬升。4熱流演化特征依據(jù)鏡質(zhì)組反射率古溫標(biāo)(Sweeneyetal,1990)和磷灰石He年齡模擬了研究區(qū)典型井區(qū)的熱演化特征。依據(jù)部分井實測溫度回歸得到的研究區(qū)現(xiàn)今平均地溫梯度較低,僅為2.0~21℃/100m;模擬過程中研究區(qū)地表氣溫設(shè)定為23℃,并設(shè)地史上的地表氣溫不變。利用鏡質(zhì)組反射率數(shù)據(jù)模擬計算了普光1、普光2、普光5、毛壩1、川涪82、雙廟1、河壩1、川岳84、川付85等9口井進行熱史恢復(fù)。圖6是普光1井的熱史模擬結(jié)果。該井位于四川盆地川東斷褶帶黃金口構(gòu)造帶東岳寨一雙石廟潛伏背斜帶普光鼻狀背斜中段。依據(jù)構(gòu)造演化的結(jié)果,該井在晚白堊世開始抬升,但剝蝕量較小;而到了第三紀(jì)開始抬升速率增大,總體上該井區(qū)在中生界上部剝蝕厚度約2500m,其它各不整合面剝蝕量較小。該井區(qū)從三疊紀(jì)以來的熱流演化是逐漸降低的:在三疊紀(jì)早期為58mW/m2,三疊紀(jì)末期為47mW/m2,在白堊紀(jì)早期為46mW/m2,此后略有增高(可能是受燕山晚期構(gòu)造運動的影響)。隨后逐漸降低至現(xiàn)今的44.5mW/m2。根據(jù)前人研究,磷灰石He年齡的封閉溫度比裂變徑跡退火溫度低35~40℃,不同熱史路徑的磷灰石He年齡的演化特征有差異(Wolfetal,1998),這也是利用其來恢復(fù)熱史的基礎(chǔ)。本文的磷灰石樣品He年齡的演化證明了研究區(qū)具有晚期抬升。在前述磷灰石和鋯石的(U-Th)/He年齡定性分析的基礎(chǔ)上,利用Ketcham(1999)的模型對磷灰石和鋯石的He年齡進行定量模擬。圖6是典型樣品巖心樣品PG5yx的模擬結(jié)果。PG5yx樣品來自普光5井,地層層位為J2s,而其磷灰石的He年齡僅為25.9Ma,遠(yuǎn)小于地層年齡。模擬結(jié)果表明其曾經(jīng)歷了120℃左右的埋藏溫度,隨后地層抬升溫度降低至現(xiàn)今的39℃。這與由古溫標(biāo)得到溫度演化路徑是一致的(圖7)。同時,鋯石的He年齡在130.2~250.2Ma之間,與樣品的地層年齡相當(dāng)或大于地層的年齡,說明了鋯石未經(jīng)歷其He封閉溫度(170~190℃)。依據(jù)古地溫梯度計算,大致有近3000m的剝蝕厚度。按照磷灰石He年齡的封閉溫度,目前所得到的He年齡是在構(gòu)造抬升之后形成的(即在25.9Ma以后的記錄)。該時期的平均降溫速率為(85~39℃)/25.9Ma=1.8℃/Ma左右。圖6的模擬結(jié)果反映了該區(qū)在早白堊世時期達(dá)到了最高溫度,隨后是抬升降溫的過程。而在50~20Ma期間是降溫較快的時期,可能也是抬升速率最大的時期。依據(jù)上述9口主要鉆井的模擬結(jié)果,得到了研究區(qū)的熱演化特征(圖8):總體上,川東北地區(qū)三疊紀(jì)以來熱流均不高,始終維持在低熱狀態(tài)。在早三疊世,熱流值在51~66mW/m2,從晚三疊世至侏羅-白堊紀(jì)隨盆地性質(zhì)由前陸盆地演化為陸內(nèi)坳陷盆地,熱流緩慢降低直至現(xiàn)今。但在晚白堊世—古新世時期受燕山晚期構(gòu)造運動的影響,熱流有一個微弱增高的現(xiàn)象。5討論和結(jié)論5.1熱流演化和磷灰石封閉體系盆地內(nèi)的構(gòu)造-熱演化與其周緣山系的構(gòu)造-熱演化關(guān)系密切,這一點可從He年齡數(shù)據(jù)得到證實。露頭樣品TJ02磷灰石He年齡僅為25.2~33.9Ma,表明所代表的層位也經(jīng)歷了磷灰石He年齡的封閉溫度。而鋯石的He年齡為136.4~163.2Ma,與地層年齡相當(dāng),未經(jīng)歷He封閉溫度的深度。結(jié)合磷灰石和鋯石的模擬溫度路徑說明了樣品經(jīng)歷了深埋、抬升的過程(圖9),受構(gòu)造運動影響地層一直抬升直至地表。其經(jīng)歷的熱史與井下樣品相似。由于古溫標(biāo)樣品均來自研究區(qū)三疊系以上地層,因此模擬的熱流演化也是在三疊紀(jì)以來的演化歷史。而前人研究認(rèn)為該區(qū)熱流的演化在晚二疊世達(dá)到最高值(可達(dá)70mW/m2以上,與該區(qū)玄武巖噴發(fā)有關(guān)),盆地從晚三疊世至今是一個逐漸降溫的過程(1)。此外,磷灰石(U-Th)定年體系是一個封閉體系,理想情況下礦物晶體中的He全部來自U和Th放射性同位素的衰變,既無繼承He也無He的丟失。任何破壞(U-Th)/He定年封閉體系的因素均會影響該年齡值的準(zhǔn)確性。破壞(U-Th)/He定年封閉體系的外因主要有構(gòu)造活動、巖漿作用、熱作用等,而α粒子的運移距離(Farleyeta1,1996)、He的擴散行為(Farley,2002)、粒徑和礦物包體(Lippoltetal,1994;Houseetal,1997)等為其主要內(nèi)因。α停止距離和礦物的粒徑與He的丟失關(guān)系密切,所以在挑選礦物時必須考慮礦物的粒徑。磷灰石He定年的另一個困難是定年礦物中往往有許多U,Th含量很高的小包體,造成顆粒中He過剩從而使年齡值偏大。因為He的含量對(U-Th)/He定年技術(shù)的影響很大,因此在挑選礦物顆粒時盡可能避免礦物包體。一般情況