柴達(dá)木盆地現(xiàn)今大地?zé)崃髋c晚古生代以來構(gòu)造-熱演化

李宗星， 高俊， 鄭策,3， 劉成林， 馬寅生， 趙為永

1 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所頁巖油氣調(diào)查評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081 2 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 水資源與環(huán)境工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083 3 中國石油大學(xué)(北京), 北京 102249 4 中石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院, 甘肅敦煌 736202

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柴達(dá)木盆地現(xiàn)今大地?zé)崃髋c晚古生代以來構(gòu)造-熱演化

李宗星1， 高俊2*， 鄭策1,3， 劉成林1， 馬寅生1， 趙為永4

1 中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所頁巖油氣調(diào)查評價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100081 2 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 水資源與環(huán)境工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083 3 中國石油大學(xué)(北京), 北京 102249 4 中石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院, 甘肅敦煌 736202

依據(jù)鉆孔系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測溫、靜井溫度資料與實(shí)測熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)分析了柴達(dá)木盆地地溫場分布特征,建立了柴達(dá)木盆地?zé)釋?dǎo)率柱,新增了17個(gè)大地?zé)崃鲾?shù)據(jù). 柴達(dá)木盆地現(xiàn)今地溫梯度介于17.1～38.6 ℃·km-1,平均為28.6±4.6 ℃·km-1,大地?zé)崃鹘橛?2.9～70.4 mW·m-2,平均 55.1±7.9 mW·m-2. 盆地不同構(gòu)造單元地溫場存在差異,昆北逆沖帶、一里坪坳陷屬于“高溫區(qū)”,祁南逆沖帶屬于“中溫區(qū)”,三湖坳陷、德令哈坳陷及歐龍布魯克隆起屬于“低溫區(qū)”,盆地現(xiàn)今地溫場分布特征受控于地殼深部結(jié)構(gòu)、盆地構(gòu)造等因素. 以現(xiàn)今地溫場為基礎(chǔ),采用磷灰石、鋯石裂變徑跡年齡分布特征定性分析與徑跡長度分布數(shù)據(jù)定量模擬相結(jié)合,研究了柴達(dá)木盆地晚古生代以來的沉積埋藏、抬升剝蝕和熱演化史,并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景,對柴達(dá)木盆地構(gòu)造演化過程進(jìn)行了探討,研究表明柴達(dá)木盆地晚古生代以來經(jīng)歷了六期(254.0—199 Ma,177—148.6 Ma,87—62 Ma,41.1—33.6 Ma,9.6—7.1 Ma,2.9—1.8 Ma)構(gòu)造運(yùn)動,六期構(gòu)造事件與研究區(qū)構(gòu)造演化的動力學(xué)背景相吻合. 其中白堊紀(jì)末期(87—62 Ma)的構(gòu)造事件導(dǎo)致了柴達(dá)木盆地東部隆升并遭受剝蝕,歐龍布魯克隆起形成雛形,柴達(dá)木盆地北緣在弱擠壓環(huán)境下形成坳陷盆地; 中新世末的兩期構(gòu)造事件(9.6—7.1 Ma和2.9—1.8 Ma)使柴達(dá)木盆地遭受強(qiáng)烈擠壓,盆地快速隆升,構(gòu)造變形強(qiáng)烈,基本形成現(xiàn)今的構(gòu)造面貌.

地溫梯度; 大地?zé)崃? 裂變徑跡; 構(gòu)造-熱演化; 柴達(dá)木盆地

1 引言

柴達(dá)木盆地是青藏高原內(nèi)部最大的山間盆地,盆地的構(gòu)造-熱演化特征對于研究青藏高原隆升機(jī)制有非常重要的意義(Yin et al.,2008). 柴達(dá)木盆地平均海拔為～2800 m,整體呈現(xiàn)三角形狀,西北邊界為阿爾金斷裂帶,東北邊界為祁連山—南山?jīng)_斷帶,南部邊界為東昆侖轉(zhuǎn)換擠壓系統(tǒng)(祁漫塔格—東昆侖逆沖帶和昆侖斷裂帶),具有獨(dú)特的巖石圈深部動力學(xué)與盆地構(gòu)造-熱演化特征. 柴達(dá)木盆地也是我國西部大型的含油氣盆地,地層發(fā)育較齊全,泥巖和膏巖相當(dāng)發(fā)育,形成良好蓋層的同時(shí)也對盆地現(xiàn)今地溫分布產(chǎn)生大的影響(邱楠生,2001). 盆地的大地?zé)崃骱蜆?gòu)造-熱演化史為區(qū)域動力學(xué)與盆地構(gòu)造演化研究提供了重要參數(shù),同時(shí)也為盆地進(jìn)行油氣資源評價(jià)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),直接服務(wù)于生產(chǎn).

柴達(dá)木盆地構(gòu)造-熱演化研究工作還較薄弱. 前人對柴達(dá)木盆地西部3 km以淺的溫度分布(張業(yè)成等,1990; 王鈞等,1990)進(jìn)行了研究,計(jì)算了盆地西部地區(qū)部分鉆孔的大地?zé)崃?沈顯杰等,1994; 李國樺，1992; 邱楠生,2001). 任戰(zhàn)利(1993)在早期應(yīng)用流體包裹體,鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)對柴達(dá)木盆地西部的地?zé)嵫莼愤M(jìn)行探索性分析. Qiu(2002，2003)利用磷灰石裂變徑跡(AFT)參數(shù)和鏡質(zhì)體反射率動力學(xué)模型對柴達(dá)木盆地西部地區(qū)熱歷史進(jìn)行了研究. 近年來,不少的研究者利用磷灰石 (鋯石) 的裂變徑跡對柴達(dá)木盆地西部新生代沉積源區(qū)、構(gòu)造熱事件進(jìn)行了研究(王世明等,2008; 孫國強(qiáng)等,2009; 高軍平等,2011). 但總體來看,(1) 研究區(qū)域上,已開展的研究工作主要集中在盆地西部,其他區(qū)域開展的工作少,盆地東部尚處于空白; (2)地質(zhì)時(shí)代上,現(xiàn)有的工作主要側(cè)重盆地新生代以來的演化史,中生代時(shí)期的研究很少,古生代時(shí)期的更是尚未涉及; (3)研究領(lǐng)域上,不同區(qū)域的差異性熱演化史、盆地構(gòu)造成因與熱演化關(guān)系研究尚比較缺乏; (4)數(shù)據(jù)資料上,前期現(xiàn)今地溫場研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)多為20世紀(jì)90年代之前,特別是低溫?zé)崮甏鷮W(xué)數(shù)據(jù)也與現(xiàn)今不可同日而語.

近年來隨著油氣勘探工作的深入,在柴達(dá)木盆地部署了更多的鉆井,新增了一大批地溫?cái)?shù)據(jù),同時(shí)先進(jìn)的鉆孔溫度連續(xù)采集系統(tǒng)使大規(guī)模、高精度深井穩(wěn)態(tài)測溫成為可能,光學(xué)掃描法(Optical Scanning Method)在巖石熱導(dǎo)率測試中的廣泛應(yīng)用(Popov et al.,1999),也使巖石熱導(dǎo)率測試工作實(shí)現(xiàn)了批量化、高精度化. 在柴達(dá)木盆地北緣魚卡—馬海尕秀斜坡帶新部署的柴頁1井、紅山構(gòu)造的庫1井等鉆孔,鉆遇了厚層的侏羅系地層,柴達(dá)木盆地東部的歐龍布魯克隆起的柴頁2井、石淺1井,德令哈坳陷帶的埃北1井、德參1井等均鉆遇了石炭系地層,大量來自古生代、中生代地層的巖芯和露頭樣品為研究盆地古生代以來的構(gòu)造-熱演化史提供了先決條件. 筆者對柴達(dá)木盆地新部署的柴頁1井、龍5井、柴頁2井進(jìn)行了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測溫工作,分析整理了14口鉆孔的靜井溫度數(shù)據(jù),并對盆地鉆井和露頭的巖石熱物性進(jìn)行了測試和研究,建立了柴達(dá)木盆地巖石熱導(dǎo)率柱,揭示了柴達(dá)木盆地現(xiàn)今地溫梯度和大地?zé)崃鞣植继卣?分析了盆地地殼結(jié)構(gòu)對地溫場分布的影響; 以盆地現(xiàn)今地溫場特征為基礎(chǔ),采用裂變徑跡年齡分布特征定性分析與徑跡長度分布數(shù)據(jù)定量模擬相結(jié)合,研究了柴達(dá)木盆地晚古生代以來的沉積埋藏、抬升剝蝕和熱演化史,并結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景,對柴達(dá)木盆地構(gòu)造演化過程進(jìn)行了探討.

2 地質(zhì)背景

柴達(dá)木盆地屬于塔里木—中朝板塊分離出的、夾持于秦祁昆地槽褶皺帶之間的微型古陸(王鴻禎,1982，1985). 柴達(dá)木盆地基底總體表現(xiàn)為菱形,為古生代褶皺基底和元古代結(jié)晶基底構(gòu)成的雙重結(jié)構(gòu),盆地莫霍面深度變化介于55～63 km,地殼厚度在盆地中部最大,向盆地邊緣減薄(趙俊猛等,2006).柴達(dá)木盆地的成盆演化經(jīng)歷了晚三疊世末之前多島陸間洋、伸展裂谷洋、殘留海槽階段和晚三疊世末印支運(yùn)動之后的內(nèi)陸盆地形成階段(劉和甫,2001; 鄭孟林等,2004). 盆地南界發(fā)育東昆侖中央斷裂(簡稱昆中斷裂),北界為宗務(wù)隆山斷裂,西界為阿爾金斷裂,發(fā)育了南華系—古生界、中生界和新生界三套沉積地層,中新生界沉積巖最大連續(xù)厚度為17200 m,新生代柴達(dá)木盆地可劃分為6個(gè)一級構(gòu)造單元(圖1),分別為: 三湖坳陷、歐龍布魯克隆起、德令哈拗陷、昆北坳陷、一里坪坳陷、祁南逆沖帶(楊超等,2012).

圖1 柴達(dá)木盆地構(gòu)造位置與測溫鉆孔分布圖(據(jù)Yin等(2008)修改)Fig.1 The tectonic setting of the Qaidam basin and distribution of the wells (Modified from Yin et al. (2008))

3 柴達(dá)木盆地現(xiàn)今大地?zé)崃鞣植继卣?/h2>

大地?zé)崃魇堑厍騼?nèi)部熱作用過程最直接的地表顯示(汪集旸和黃少鵬,1990),它是地溫場最重要的表征,比其他單項(xiàng)地?zé)豳Y料(溫度、地溫梯度)更能反映一個(gè)地區(qū)地?zé)釄龅幕咎攸c(diǎn)(陳墨香,1989).在一維穩(wěn)態(tài)條件下,熱流量(q)是巖石熱導(dǎo)率(k,W/(m·K))與垂直地溫梯度(dT/dZ, ℃·km-1)的乘積,即q=-k(dT/dZ),單位為mW·m-2,負(fù)號表示熱流方向與地溫梯度方向相反,其分布特征與現(xiàn)代地殼運(yùn)動和構(gòu)造活動之間呈相關(guān)性.

3.1 測溫?cái)?shù)據(jù)

地層溫度研究的主要依據(jù)是鉆井測溫,旨在借助于測量井液溫度顯示地下巖層的原始溫度,依據(jù)溫度資料類型可分系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測溫、靜井溫度、準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測溫和瞬態(tài)測溫四種(饒松等,2013).

3.1.1 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測溫

鉆井過程中,由于地層打開、泥漿注入等因素的影響,地層原始地溫的分布遭到破壞. 井孔中溫度達(dá)到平衡的狀態(tài)后系統(tǒng)測得的溫度為系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測溫,該測溫資料能客觀地反映地層的真實(shí)溫度(Qiu,2003; 唐曉音等,2014). 2013年至2014年,筆者先后兩次在柴達(dá)木盆地北緣、東部進(jìn)行了鉆井測溫,得到了柴頁1井、柴頁2井、龍5井共3口鉆孔的穩(wěn)態(tài)測溫?cái)?shù)據(jù).這些鉆孔的靜井時(shí)間最短是1個(gè)月,最長的超過4個(gè)月,鉆孔內(nèi)的溫度基本恢復(fù)到了開孔前的初始狀態(tài). 工作使用鉆孔溫度連續(xù)采集系統(tǒng),配置鉑電阻探頭,測量分辨率為0.1 ℃,數(shù)據(jù)記錄間隔為0.01,從孔口開始記錄溫度,測量深度最淺的有875 m,最深的是2164 m(表1).

表1 測溫井基礎(chǔ)資料與地溫、熱導(dǎo)率測試結(jié)果Table 1 The results of temperature,thermal conductivity and basic data of wells

續(xù)表1

續(xù)表1

注：表中*代表原位熱導(dǎo)率; 編號1—17的鉆孔數(shù)據(jù)為本研究新增,編號18—56 的鉆孔數(shù)據(jù)是基于Qiu(2003)的成果增加經(jīng)緯度坐標(biāo)后匯編.

圖2 柴達(dá)木盆地新增測溫鉆孔溫度-深度曲線1—柴頁1(Chaiye1)； 2—龍5(long5)； 3—柴頁2(Chaiye2)； 4—建西1(Jianxi1)； 5—臺南4(Tainan4)； 6—建參1(Jiancan1)； 7—澀19(Se19)； 8—澀21 (Se21)； 9—沙中151 (Shazhong151)； 10—臺南3 (Tainan3)； 11—臺南5 (Tainan5)； 12—沙中30 (Shazhong30)； 13—沙中100 (Shazhong100)； 14—澀22 (Se22)； 15—花14 (Hua14)； 16—花20 (Hua20)；17—七26 (Qi26) . 其中,編號1—3(紅色曲線)為穩(wěn)態(tài)測溫?cái)?shù)據(jù)；編號4—17(黑色曲線)為整理分析后的靜井測溫曲線.Fig.2 The change of geo-temperature with depth in the 17 boreholes of Qaidam basin

圖3 柴達(dá)木盆地現(xiàn)今地溫梯度分布圖Fig.3 Distribution pattern of present-day geothermal gradient in Qaidam basin

3.1.2 靜井溫度

靜井溫度,指關(guān)井?dāng)?shù)天或長期關(guān)井后對不同的含油層段進(jìn)行試油,有時(shí)數(shù)次關(guān)井并將儀器下放至不同深度進(jìn)行溫度測量,從而獲得鉆孔的系統(tǒng)試油溫度,它在一定程度上可以替代研究區(qū)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測溫,這類資料是地溫場研究的主要依據(jù)之一.

3.1.3 準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測溫和瞬態(tài)測溫

準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)測溫,是指完井后靜井1～3天內(nèi)所測的溫度數(shù)據(jù),與穩(wěn)定測溫相比,其誤差較大.而在完井后不到一天所進(jìn)行的測溫則叫瞬時(shí)測溫?cái)?shù)據(jù),由于靜井時(shí)間短,地溫與井溫尚未達(dá)到平衡,測得的井溫曲線不能反映真正的地溫情況,油田中鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)一般屬于這類溫度數(shù)據(jù).

上述各類溫度數(shù)據(jù)的精度各異,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)測溫資料和靜井溫度數(shù)據(jù)比較可靠,是筆者研究柴達(dá)木盆地現(xiàn)今地溫場分布特征的主要依據(jù).

3.2 柴達(dá)木盆地現(xiàn)今地溫梯度分布特征

筆者對新增的鉆孔測溫?cái)?shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行線性擬合,獲取了17個(gè)鉆孔的地溫梯度數(shù)據(jù),并對前人研究的原始測溫?cái)?shù)據(jù)整理分析,共得到了56口鉆孔的地溫梯度數(shù)據(jù)(表1),在此基礎(chǔ)上,繪制了柴達(dá)木盆地現(xiàn)今地溫梯度分布圖(圖3). 研究表明,柴達(dá)木盆地現(xiàn)今地溫梯度為17.1～38.6 ℃·km-1,平均為28.6±4.6 ℃·km-1,較塔里木盆地平均地溫梯度22.6±3.0 ℃·km-1高(馮昌格等,2009),也高于準(zhǔn)噶爾盆地21.3±3.7 ℃·km-1(饒松等,2013),但低于鄂爾多斯盆地29.3 ℃·km-1(饒松等,2013),更低于中國東部中新生代盆地(He et al.,2001,2002; Yang et al.,2004; Li et al.,2013; Yuan et al.,2009; Zuo et al.,2011).柴達(dá)木盆地西部的昆北逆沖帶、一里坪坳陷帶地溫梯度最高,值介于22.0～38.6 ℃·km-1,平均 29.7 ℃·km-1,尤其是東柴山、牛鼻梁及澀北一號、二號穹窿地帶地溫梯度平均可達(dá)34.2 ℃·km-1. 柴北緣的祁南逆沖帶地溫梯度相對低,高的地溫梯度值分布在魚卡—馬海一帶,平均為29.2 ℃·km-1,柴達(dá)木盆地東部的三湖坳陷、德令哈坳陷及歐龍布魯克隆起區(qū)地溫梯度最低,平均值小于24 ℃·km-1.

3.3 巖石熱導(dǎo)率

巖石熱導(dǎo)率表示巖石傳熱的特性,是研究一個(gè)區(qū)域大地?zé)崃鳌⑴璧責(zé)嵫莼仨毜臒嵛镄詤?shù),其物理意義為沿?zé)醾鲗?dǎo)方向在單位厚度巖石兩側(cè)的溫度差為1 ℃時(shí)單位時(shí)間內(nèi)所通過的比熱流量,單位為W/(m·K).

圖4 柴達(dá)木盆地巖石熱導(dǎo)率與深度關(guān)系剖面圖Fig.4 The relationship between thermal conductivity and depth by different lithology in Qaidam basin

圖5 柴達(dá)木盆地?zé)釋?dǎo)率統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.5 Histogram of thermal conductivity in Qaidam basin

3.3.1 樣品采集和分析測試

筆者對柴達(dá)木盆地臺南3、柴頁1、柴頁2等10個(gè)鉆孔,石灰溝、阿勒格爾泰山、石拐子溝等6條露頭剖面共計(jì)151塊樣品(圖4)進(jìn)行了巖石熱導(dǎo)率測試. 測試采用的是光學(xué)掃描技術(shù)(Popov et al.,1999),測試儀器為德國生產(chǎn)的TCS(Thermal Conductivity Scanning)熱導(dǎo)率自動掃描儀,其測量范圍為0.2～25 W/(m·K),測量精度為±3%.所有樣品都進(jìn)行了飽水校正,以消除樣品成分、結(jié)構(gòu)等因素對巖石的熱導(dǎo)率影響(沈顯杰等,1994).

3.3.2 測試結(jié)果和柴達(dá)木盆地?zé)釋?dǎo)率柱

結(jié)果顯示柴達(dá)木盆地的巖石熱導(dǎo)率介于0.601～5.520 W/(m·K)之間,平均為2.208 W/(m·K),主要集中在1.820～3.020 W/(m·K)之間(圖4),占測試樣品總數(shù)的73.8%(圖5),與中國西部的塔里木盆地、準(zhǔn)格爾盆地相當(dāng)(馮昌格等,2009; 饒松等,2013). 柴達(dá)木盆地不同巖類熱導(dǎo)率統(tǒng)計(jì)分析(表2)表明，凝灰?guī)r、白云巖、灰?guī)r、礫巖的熱導(dǎo)率最大,粉沙巖、砂巖熱導(dǎo)率次之,泥巖、砂質(zhì)泥巖、油頁巖最小,且?guī)r石熱導(dǎo)率總體隨著埋深的增大,地層的變老而增大. 第四系和侏羅系的巖石熱導(dǎo)率均較小,歸因于樣品埋藏較淺,比較松散,且樣品中泥巖、油頁巖和碳質(zhì)泥巖占了相當(dāng)大的比例,這也證實(shí)了巖石的結(jié)構(gòu)、巖性對熱導(dǎo)率的控制作用.

研究發(fā)現(xiàn)熱導(dǎo)率的值與砂泥含量比成正相關(guān). 統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示砂質(zhì)泥巖熱導(dǎo)率的平均值與隨深度變化的斜率均比泥巖大,砂巖熱導(dǎo)率的平均值與隨深度變化的斜率均比粉砂巖大(圖5),從泥巖、砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂巖的過渡中,熱導(dǎo)率值隨砂泥比增加相應(yīng)變大.

3.4 柴達(dá)木盆地現(xiàn)今大地?zé)崃鞣植继卣?/p>

依據(jù)本研究所計(jì)算地溫梯度和實(shí)測的巖石熱導(dǎo)率數(shù)據(jù),得到了17個(gè)高質(zhì)量的大地?zé)崃髦?并整理分析前人的原始數(shù)據(jù),共得到了56個(gè)盆地的大地?zé)崃髦?表1),在此基礎(chǔ)上編制了柴達(dá)木盆地現(xiàn)今大地?zé)崃鞣植紙D(圖6).

柴達(dá)木盆地現(xiàn)今大地?zé)崃髦到橛?2.9～70.4 mW·m-2, 平均 55.1±7.9 mW·m-2,高于我國西部的塔里木盆地、準(zhǔn)噶爾盆地(馮昌格等,2009; 饒松等,2013),低于中國東部及海域沉積盆地(He et al.,2001，2002; Yang et al.,2004; Li et al.,2013; Yuan et al.,2009; Zuo et al.,2011),也低于我國大陸地區(qū)大地?zé)崃髌骄?3.0±24.2 mW·m-2(Hu et al.,2000). 柴達(dá)木盆地現(xiàn)今大地?zé)崃鞣植继卣髋c地溫梯度分布相近,一里坪坳陷、昆北逆沖帶等地區(qū)的熱流值最高,介于56.0～70.4 mW·m-2,平均59.1 mW·m-2. 祁南逆沖帶內(nèi)熱流分布不均勻,熱流值沿SSE方向增大,冷湖附近熱流最低,平均46 mW·m-2,魚卡—馬海尕秀一帶熱流最高,平均值為55 mW·m-2. 三湖坳陷、德令哈坳陷及歐龍布魯克隆起帶熱流普遍偏低,平均值小于45 mW·m-2.柴達(dá)木盆地現(xiàn)今大地?zé)崃鞣植际遣痪鶆虻?盆地現(xiàn)今熱流分布狀況是構(gòu)造演化的結(jié)果和響應(yīng),從而反映了柴達(dá)木盆地在晚期發(fā)育階段經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造運(yùn)動和深部熱活動.

表2 柴達(dá)木盆地巖石熱導(dǎo)率柱Table 2 Thermal conductivity data of different formation in Qaidam basin

柴達(dá)木盆地現(xiàn)今地溫場分布特征表明: 柴西昆北逆沖帶、一里坪坳陷無論是地溫梯度還是大地?zé)崃骶哂谂璧仄渌貐^(qū),屬于“高溫區(qū)”; 柴北緣祁南逆沖帶次之,屬于“中溫區(qū)”; 柴東三湖坳陷、德令哈坳陷及歐龍布魯克隆起區(qū)最低,屬于“低溫區(qū)”.

4 柴達(dá)木盆地晚古生代以來構(gòu)造-熱演化史

盆地構(gòu)造-熱演化史是盆地動力研究的主要內(nèi)容. 盆地的沉積埋藏、抬升剝蝕和熱演化過程是研究的核心內(nèi)容. 裂變徑跡定年是近年來地質(zhì)年代學(xué)研究的重要領(lǐng)域,廣泛地應(yīng)用于沉積盆地物源、構(gòu)造運(yùn)動時(shí)間、剝蝕量恢復(fù)、盆地古地溫演化及斷層活動性研究中(趙紅格等,2003; Armstrong,2005; 余心起等,2013; 高成等,2014; 陳漢林等,2014; 李振華等,2014; 王先美等,2008). 基于此,筆者利用磷灰石、鋯石裂變徑跡數(shù)據(jù)研究了柴達(dá)木盆地晚古生代以來的構(gòu)造-熱演化史.

4.1 裂變徑跡定年原理

裂變徑跡是指礦物內(nèi)238U原子核自發(fā)裂變碎片形成的輻射損傷痕跡,其密度和長度受時(shí)間和溫度的控制(Gleadow et al.,1983). 裂變徑跡定年遵從同位素定年的基本原理,但它測量的是放射性衰變對礦物晶體的物理損傷,而不是另一種同位素,該定年體系是確定巖石低溫?zé)釟v史的一項(xiàng)技術(shù),測試的目標(biāo)礦物主要是磷灰石和鋯石,其中,磷灰石封閉溫度100～120 ℃(Green et al.,1989),鋯石185～240 ℃(Brandon et al.,1998; Tagami and O′Sullivan,2005).

4.2 樣品采集和實(shí)驗(yàn)方法

7件磷灰石樣品和12件鋯石樣品采自鉆孔巖芯和剖面露頭. 巖芯為柴東上石炭統(tǒng)克魯克組,露頭樣品采自柴北緣聯(lián)合溝剖面的上奧陶統(tǒng)灘間山群、小賽什騰山剖面的上奧陶統(tǒng)灘間山群及柴西阿爾金南坡的上奧陶統(tǒng)灘間山群(圖1). 樣品巖性主要是玄武巖、砂巖、輝長巖,裂變徑跡樣品的制備與分析在中國地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室裂變徑跡實(shí)驗(yàn)室完成,測試方法詳見文獻(xiàn)(Gallagher et al.,1998).

磷灰石樣品，是將采集的樣品利用傳統(tǒng)方法分離出磷灰石單礦物,用環(huán)氧樹脂粘在光薄片上,研磨拋光出礦物最大內(nèi)表面. 在室溫20 ℃左右下,用5 N的HNO3蝕刻18～22 s揭示自發(fā)徑跡. 將低鈾白云母外探測器與磷灰石一同封裝好送入反應(yīng)堆輻照,輻照在中國原子能科學(xué)研究院進(jìn)行,之后在20 ℃下用40%HF蝕刻18 min揭示誘發(fā)徑跡,中子注量利用CN5鈾玻璃標(biāo)定(Bellemans et al., 1995). 測定年齡時(shí)每個(gè)樣品任意選取20個(gè)左右質(zhì)量好、平行C軸的顆粒進(jìn)行測年(假設(shè)有足夠的顆粒). 根據(jù)IUGS(International Union of Geological Sciences，國際地質(zhì)科學(xué)聯(lián)合會)推薦的ζ常數(shù)法和標(biāo)準(zhǔn)裂變徑跡年齡方程(Hurford and Green,1982,1983)計(jì)算年齡值. 利用Durango和Fishcanyon磷灰石標(biāo)樣標(biāo)定的Zeta(ζ)參數(shù)值為353±18. 封閉徑跡的長度在偏光顯微鏡下進(jìn)行測量,徑跡長度分析中,對每個(gè)樣品測量100條水平(如果有100條的話)、狹窄的封閉徑跡(Gleadow et al.,1986).

圖6 柴達(dá)木盆地現(xiàn)今熱流分布圖Fig.6 Distribution pattern of present-day heat flow in Qaidam basin

鋯石樣品,是將采集的樣品利用傳統(tǒng)方法分離出鋯石單礦物,采用外探測器法將鋯石樣品顆粒用Teflon進(jìn)行固定,經(jīng)磨平和拋光后制成薄片,放入KOH-NaOH共溶混合物中進(jìn)行蝕刻,蝕刻溫度228 ℃,時(shí)間20～26 h; 與低鈾白云母外探測器貼緊后,送中國原子能研究所核反應(yīng)堆反射孔道照射. 反應(yīng)堆輻射通量為1×1015cm-2.低鈾白云母外探測器蝕刻條件為40%HF溶液,室溫,18 min. Zeta(ζ)標(biāo)樣選用美國國家標(biāo)準(zhǔn)局CN2鈾標(biāo)準(zhǔn)玻璃,Zeta(ζ)值為101.2±3.2. 在偏光顯微鏡下進(jìn)行裂變徑跡測量,運(yùn)用Zeta常數(shù)校準(zhǔn)法計(jì)算鋯石裂變徑跡年齡.

4.3 測試結(jié)果

磷灰石裂變徑跡年齡與長度測試結(jié)果見表3. 柴東上石炭統(tǒng)克魯克組三個(gè)樣品(Zk3-1-19,Zk3-1-74,Zk3-1-81),AFT年齡集中在61—72 Ma,小于其相應(yīng)的地層年齡；平均封閉徑跡長度為11.8～12.7 μm,小于初始徑跡長度(16.3±0.9 μm),呈單峰態(tài)分布,顯然這三件樣品經(jīng)歷了中度退火行為,最高溫度超過120 ℃. 柴北緣聯(lián)合溝上奧陶統(tǒng)灘間山群的4個(gè)AFT樣品(C1203-10,C1203-12,C1203-18,C1203-39),AFT年齡集中在39—58 Ma,遠(yuǎn)小于其相應(yīng)的地層年齡,平均封閉徑跡長度為10.3～11.4 μm,小于初始徑跡長度(16.3±0.9 μm),C1203-12,C1203-18呈似雙峰態(tài)分布. 磷灰石裂變徑跡年齡的2均大于或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于5%,表明所分析樣品的單顆粒年齡差異屬于統(tǒng)計(jì)誤差,并且樣品的磷灰石裂變徑跡年齡為單一的年齡,沒有多組年齡現(xiàn)象(Galbraith,1984).

鋯石裂變徑跡年齡測試結(jié)果詳見表4. 測試結(jié)果表明,6個(gè)樣品P(2)>5%,其中,2個(gè)采自柴東上石炭統(tǒng)的樣品(zk3-1-74,zk3-1-81),ZFT年齡集中在155—195 Ma,小于其相應(yīng)的地層年齡,3個(gè)為柴北緣上奧陶統(tǒng)的樣品(C1204-01,C1203-10,DXS17001),ZFT年齡集中在143—162 Ma,遠(yuǎn)小于其相應(yīng)的地層年齡; 1個(gè)采自柴西阿爾金南坡上奧陶統(tǒng)的樣品(DMY15801),ZFT年齡集中在177 Ma,小于其相應(yīng)的地層年齡.未通過2驗(yàn)證(P(2)<5%)的樣品,用BinomFit軟件(Brandon,2002)進(jìn)行單顆粒裂變徑跡年齡數(shù)據(jù)的分解和頻度統(tǒng)計(jì)分析(圖7). 研究發(fā)現(xiàn),柴達(dá)木盆地東部上石炭統(tǒng)樣品Zk3-1-19存在254.0 Ma和144.0 Ma兩個(gè)年齡分組,樣品Zk3-2-84年齡集中在249.6 Ma和148.6 Ma兩個(gè)頻段; 柴北緣上奧陶統(tǒng)樣品C1203-02年齡集中在249.6 Ma和148.6 Ma兩個(gè)頻段,樣品C1203-18年齡集中在166.7 Ma和124.4 Ma兩個(gè)頻段,樣品C1203-58年齡集中在220.0 Ma和151.2 Ma兩個(gè)頻段; 柴西阿爾金南坡上奧陶統(tǒng)樣品DMY15201存在101.3 Ma和77.8 Ma兩個(gè)年齡分組. 綜合12個(gè)樣品測試結(jié)果,分析得出鋯石裂變徑跡年齡主要分布在254.0—199 Ma、177—148.6 Ma兩個(gè)時(shí)間段.

表3 柴達(dá)木盆地磷灰石裂變徑跡分析數(shù)據(jù)Table 3 Apatite fission track data of the sample from Qaidam basin

注:n為統(tǒng)計(jì)的磷灰石顆粒數(shù),ρd,ρs,ρi分別表示標(biāo)準(zhǔn)鈾玻璃跡密度、樣品自發(fā)裂變徑跡密度和誘發(fā)裂變徑跡密度;P(2)為2檢驗(yàn)的概率,當(dāng)P(2)>5%時(shí),通常認(rèn)為所測單顆粒年齡屬于同組年齡,否則, 屬于不同年齡組(Green, 1981);L為樣品平均封閉徑跡長度;t±1σ為樣品中值裂變徑跡年齡, 由Zeta (Hurford, 1990)法計(jì)算得出：ζ=353±18.

表4 柴達(dá)木盆地鋯石裂變徑跡分析數(shù)據(jù)Table 4 Zircon fission track data of the sample from Qaidam basin

注:n為統(tǒng)計(jì)的鋯石顆粒數(shù),ρd,ρs,ρi分別表示標(biāo)準(zhǔn)鈾玻璃跡密度、樣品自發(fā)裂變徑跡密度和誘發(fā)裂變徑跡密度;P(2)為2檢驗(yàn)的概率, 當(dāng)P(2)>5%時(shí),通常認(rèn)為所測單顆粒年齡屬于同組年齡, 否則, 屬于不同年齡組(Green, 1981);t±1σ為樣品中值裂變徑跡年齡, 由Zeta (Hurford, 1990)法計(jì)算得出：ζ=101.2±3.2.

圖7 鋯石裂變徑跡年齡組分齡概率分布圖Fig.7 Probability density plots with best fit for the peak values of the zircon fission track age

4.4 熱演化史模擬

為了深入研究柴達(dá)木盆地構(gòu)造-熱演化過程,利用Ketcham等(1999)單組分退火模型和Monte Carlo法進(jìn)行磷灰石裂變徑跡樣品的時(shí)間-溫度歷史模擬,模擬軟件采用Hefty(Ketcham,2005). 磷灰石樣品封閉徑跡長度值和中值年齡值是模擬的基本參數(shù),動力學(xué)參數(shù)D值選取初始值1.65,初始徑跡長度采用16.3 μm.

裂變徑跡熱模擬必須以區(qū)域地質(zhì)背景為基礎(chǔ),充分考慮區(qū)域及周緣的構(gòu)造背景,并以此建立模擬的邊界條件. 本區(qū)熱史模擬的邊界條件包括: (1)地表溫度: 柴達(dá)木盆地常年平均地表溫度為10 ℃左右,考慮到溫度的季節(jié)變化,本文取地表溫度范圍為5～30 ℃; (2) 區(qū)域構(gòu)造事件: ① 岡底斯—念青唐古拉地塊群與歐亞大陸拼合.早白堊世,岡底斯—念青唐古拉地塊群與歐亞大陸拼合,碰撞作用導(dǎo)致南祁連山和阿爾金山發(fā)生隆升(葛肖虹等,2001),柴達(dá)木盆地遭受擠壓. ② 印度板塊和歐亞板塊碰撞.自始新世以來,印度板塊與歐亞板塊一直處于擠壓與碰撞狀態(tài),導(dǎo)致了青藏高原及周緣包括柴達(dá)木盆地的隆升(滕吉文等,1999; 徐志琴等,2006). (3) 磷灰石裂變徑跡表觀年齡:測試結(jié)果表明,樣品表觀年齡集中在75—58 Ma和41—39 Ma兩個(gè)階段. (4) 模擬起算時(shí)間:筆者采用Corrigan(1991) 的估算公式t=[lo/(l-σ)]tFTA,其中l(wèi)o是新鮮徑跡長度,l是觀測到的平均徑跡長度,tFTA是觀測到的徑跡年齡,σ是觀測到的長度標(biāo)準(zhǔn)方差. 經(jīng)計(jì)算,本研究熱史模擬起算時(shí)間約在80 Ma. Ketcham(2005)根據(jù)實(shí)測與模擬的徑跡長度和年齡檢驗(yàn)值GOF(Goodness of Fit)將模擬結(jié)果分為3部分: 可以接受的熱史曲線范圍、較好的熱史曲線范圍和最佳熱歷史擬合曲線. 若年齡與長度GOF檢驗(yàn)都大于0.05,表明模擬結(jié)果是可以接受的,當(dāng)它們超過0.5時(shí),模擬結(jié)果是較好的. 本次熱歷史模擬樣品的長度分布檢驗(yàn)值為0.77～0.97,年齡檢驗(yàn)值(GOF)為0.94～0.99,均大于0.5(圖8),說明熱史模擬結(jié)果都是高質(zhì)量的.

模擬結(jié)果(圖8)表明,所有溫度-時(shí)間曲線形態(tài)大體接近,反映了樣品白堊紀(jì)末以來的熱歷史. 柴達(dá)木盆地東部的樣品～80Ma冷卻到部分退火帶(60～120 ℃)之上,即在80 Ma之前,樣品發(fā)生了冷卻,此后樣品經(jīng)歷了約40 Ma緩慢的增溫過程; 樣品在～33.6 Ma,～7.1 Ma,～1.8 Ma三個(gè)階段經(jīng)歷了冷卻,冷卻速率分別為2.9 ℃/Ma、12.3 ℃/Ma、11.5 ℃/Ma. 柴達(dá)木盆地北緣的樣品約87 Ma冷卻到部分退火帶之上,冷卻速率～2.1 ℃/Ma,此后樣品處于緩慢增溫狀態(tài); ～41.1 Ma,～9.6 Ma,～2.9 Ma樣品發(fā)生了冷卻,冷卻速率分別為0.8 ℃/Ma、3.4 ℃/Ma、6.8 ℃/Ma. 總的來看,柴達(dá)木盆地磷灰石裂變徑跡樣品在87—62 Ma,41.1—33.6 Ma, 9.6—7.1 Ma,2.9—1.8 Ma四個(gè)時(shí)期發(fā)生了冷卻,同時(shí)還發(fā)現(xiàn),柴北緣相比柴東地區(qū)樣品發(fā)生冷卻的時(shí)間要早,推測青藏高原隆升對盆地構(gòu)造演化的作用是沿SW—NE向逐步推進(jìn)的過程.

5 討論

5.1 地殼結(jié)構(gòu)對柴達(dá)木盆地現(xiàn)今地溫場分布的控制作用

前人已對柴達(dá)木盆地的地殼結(jié)構(gòu)和性質(zhì)做了系統(tǒng)研究(滕吉文,1974; Zhu and Helmberger,1998; 趙國澤等,2004; 李永華等,2006; 趙俊猛等,2006),得出柴達(dá)木盆地莫霍面深度變化介于55～63 km,地殼厚度在盆地中部(如達(dá)布遜湖)最大約63 km,向盆地邊緣減薄,盆地西部、西南緣地殼厚度～50 km,魚卡、大柴達(dá)木附近地殼亦較薄,厚度為～50 km(趙俊猛等,2006).筆者研究發(fā)現(xiàn)柴達(dá)木盆地相比我國中、東部其他盆地(如松遼盆地)莫霍面埋藏較深(崔軍平等,2007),地殼厚度大,消弱地幔的熱能通過地殼巖石向地面?zhèn)鲗?dǎo),導(dǎo)致整個(gè)盆地地溫梯度相對低,屬于溫盆類型.昆北逆沖帶、一里坪坳陷、柴北緣祁南逆沖帶地殼厚度較薄,區(qū)域莫霍面埋藏淺,蓋層受到地幔熱影響較其他區(qū)域大,屬于“中—高溫區(qū)”.總體講,柴達(dá)木盆地地溫梯度分布特征與地殼厚度成鏡像關(guān)系,地殼厚度小的地區(qū)地溫高,地殼厚的地區(qū)地溫低,盆地現(xiàn)今地溫場分布特征受控于深部地殼結(jié)構(gòu)和性質(zhì).

5.2 柴達(dá)木盆地晚古生代以來構(gòu)造-熱演化

研究表明,柴達(dá)木盆地晚古生代以來在254.0—199 Ma,177—148.6 Ma,87—62 Ma,41.1—33.6 Ma,9.6—7.1 Ma,2.9—1.8 Ma 六個(gè)時(shí)期經(jīng)歷了顯著的構(gòu)造事件.

254.0—199 Ma,該裂變徑跡年齡組記錄了三疊紀(jì)中—晚期發(fā)生的構(gòu)造事件(印支運(yùn)動).該構(gòu)造事件揭開了柴達(dá)木盆地中、新生代構(gòu)造演化的序幕,也導(dǎo)致了阿爾金山的隆升(任收麥等,2009),盆地西部紅柳溝一帶、盆地北緣冷湖、結(jié)綠素一帶、盆地東部大煤溝普遍發(fā)現(xiàn)侏羅系底部不整合.177—148.6 Ma,是盆地侏羅紀(jì)中—晚期發(fā)生的構(gòu)造運(yùn)動(燕山運(yùn)動早期),這次構(gòu)造事件的發(fā)生與班公湖—怒江侏羅紀(jì)洋盆的完全閉合和岡底斯塊體與羌塘塊體的最終碰撞有關(guān)(滕吉文等,1999).在柴達(dá)木盆地中表現(xiàn)為中、下侏羅統(tǒng)與上侏羅統(tǒng)(J1+2與J3-K)或中、下侏羅統(tǒng)與白堊系(J1+2與K)之間的不整合現(xiàn)象,同時(shí)該構(gòu)造事件使區(qū)域的古氣候、古地理環(huán)境發(fā)生了根本性的變化,即由早期的溫暖-潮濕氣候轉(zhuǎn)變成為后期的干燥氧化氣候條件(湯良杰等,2000).87—62 Ma,該年齡組記錄了盆地白堊紀(jì)末期—古近紀(jì)早期的構(gòu)造事件,該構(gòu)造事件與早白堊世末岡底斯—念青唐古拉地塊群與歐亞大陸拼合有關(guān)(徐志琴等,2006).裂變徑跡熱模擬表明,該構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致柴達(dá)木盆地東部隆升并遭受剝蝕,推測該構(gòu)造時(shí)期形成現(xiàn)今歐龍布魯克隆起帶的雛形.相比之下,柴北緣經(jīng)受該構(gòu)造運(yùn)動的影響相對強(qiáng),剝露速率～50 m/Ma,至始新世中期,柴北緣處于緩慢沉降狀態(tài),在弱擠壓環(huán)境下形成坳陷盆地,這與周建勛等(2003)通過平衡剖面所獲得的結(jié)論相同.

圖8 柴達(dá)木盆地樣品AFT熱史反應(yīng)結(jié)果1 可接受的熱史曲線,即GOF在0.05～0.5之間；2 較好的熱史曲線,即GOF大于0.5；3 最好的熱史曲線.Fig.8 Inversed results of thermal history by AFT from Qadiam basin 1 Acceptable paths with GOF between 0.05 and 0.5; 2 Good paths with GOF more than 0.5; 3 Best fit.

41.1—33.6 Ma,該期構(gòu)造事件(喜馬拉雅運(yùn)動早期)與印度板塊和歐亞板塊碰撞有關(guān)(徐志琴等,2006),在盆地中表現(xiàn)為下干柴溝組與下伏地層(路樂河組)之間的不整合,下油砂山組與上干柴溝組之間在盆地邊緣的不整合現(xiàn)象.王非等(2001)對南祁連南部中晚三疊世花崗質(zhì)巖體中的鉀長石、黑云母、白云母進(jìn)行40Ar/39Ar定年時(shí),分析認(rèn)為巖體約30 Ma經(jīng)歷一次快速的冷卻事件,也佐證了筆者研究結(jié)果.9.6—7.1 Ma,這組裂變徑跡年齡記錄了印度板塊與歐亞大陸碰撞作用在中新世末的進(jìn)一步增強(qiáng),促使了青藏高原的強(qiáng)烈隆升(潘裕生,1999),碰撞作用的遠(yuǎn)程傳導(dǎo)誘發(fā)了青藏高原東北緣構(gòu)造變形.裂變徑跡模擬結(jié)果表明,該時(shí)期盆地快速隆升,并遭受剝蝕,剝露速率～300 m/Ma,盆地周緣發(fā)生顯著構(gòu)造變形.張培震等(2006)以六盤山、積石山及其相鄰盆地為對象,開展了青藏高原東北緣晚新生代擴(kuò)展與隆升研究,發(fā)現(xiàn)這些地區(qū)也在該時(shí)期(5—10 Ma,或約8 Ma)發(fā)生了明顯的構(gòu)造變形.2.9—1.8 Ma,該組年齡反映了上新世與第四紀(jì)之間一次強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(喜馬拉雅運(yùn)動晚期),熱史模擬表明,該期構(gòu)造活動使盆地遭受強(qiáng)烈擠壓、隆升,從而導(dǎo)致了先存斷裂普遍遭受強(qiáng)烈改造,先期褶皺得到進(jìn)一步發(fā)展,同時(shí)也使得新地層卷入褶皺.新生代地層中自生礦物的O和C同位素測試結(jié)果,以及酒西盆地沉積與青藏高原隆升響應(yīng)關(guān)系的研究均顯示了該期強(qiáng)烈的構(gòu)造作用(湯濟(jì)廣,2007).

6 結(jié)論

(1) 柴達(dá)木盆地現(xiàn)今地溫梯度介于17.1～38.6 ℃·km-1,平均為28.6±4.6 ℃·km-1,現(xiàn)今大地?zé)崃髦到橛?2.9～70.4 mW·m-2,平均 55.1±7.9 mW·m-2,柴達(dá)木盆地總體屬于溫盆.不同構(gòu)造單元地溫場分布存在差異,昆北逆沖帶、一里坪坳陷屬于“高溫區(qū)”,祁南逆沖帶屬于“中溫區(qū)”,三湖坳陷、德令哈坳陷及歐龍布魯克隆起區(qū)屬于“低溫區(qū)”.現(xiàn)今熱流分布反映了柴達(dá)木盆地在晚期發(fā)育階段經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造事件和深部熱背景,盆地現(xiàn)今地溫場分布特征受控于地殼深部結(jié)構(gòu)、盆地構(gòu)造等因素.

(2) 柴達(dá)木盆地晚古生代以來經(jīng)歷了六期顯著的構(gòu)造事件.Ⅰ(254.0—199 Ma) 該構(gòu)造事件揭開了柴達(dá)木盆地中、新生代構(gòu)造演化的序幕; Ⅱ(177—148.6 Ma) 區(qū)域由早期的溫暖-潮濕氣候轉(zhuǎn)變成為后期的干燥氧化氣候; Ⅲ(87—62 Ma) 柴達(dá)木盆地東部緩慢隆升遭受剝蝕,歐龍布魯克隆起帶形成雛形,柴北緣在弱擠壓環(huán)境下形成坳陷盆地; Ⅳ(41.1—33.6 Ma) 是盆地對印度板塊和歐亞板塊碰撞早期的響應(yīng); Ⅴ(9.6—7.1 Ma) 青藏高原的強(qiáng)烈隆升誘發(fā)了柴達(dá)木盆地快速隆升,并遭受剝蝕,盆地周緣變形強(qiáng)烈; Ⅵ(2.9—1.8 Ma) 盆地遭受強(qiáng)烈擠壓、隆升與構(gòu)造變形,導(dǎo)致了先存斷裂普遍遭受強(qiáng)烈改造,先期褶皺得到進(jìn)一步發(fā)展.總的來說,柴達(dá)木盆地成盆早,但構(gòu)造定型晚,成盆過程相對寧靜,但晚期改造強(qiáng)烈,控制盆地構(gòu)造變形的主要喜山期構(gòu)造運(yùn)動中(9.6—7.1 Ma)、晚期(2.9—1.8 Ma),同時(shí)青藏高原隆升作用對其東北緣的傳遞、擴(kuò)展及地球動力學(xué)作用仍然有待于進(jìn)一步研究.

致謝 兩位審稿專家提出了寶貴的修改意見,中國石油大學(xué)(北京)邱楠生教授無私提供了大量原始測溫、熱物性及古地溫?cái)?shù)據(jù),長江大學(xué)饒松老師在鉆井穩(wěn)態(tài)測溫中給予了很大幫助; 地溫資料收集得到中國石油青海油田勘探開發(fā)研究院的大力支持,在此一并致謝！

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(本文編輯 何燕)

Present-day heat flow and tectonic-thermal evolution since the late Paleozoic time of the Qaidam basin

LI Zong-Xing1, GAO Jun2*, ZHENG Ce1,3, LIU Cheng-Lin1, MA Yin-Sheng1, ZHAO Wei-Yong4

1KeyLaboratoryofShaleOilandGasGeologicalSurvey,InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China2BeijingKeyLaboratoryofWaterResourcesandEnvironmentandEngineering,ChinaUniversityofGeosciences,Beijing100083,China3ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China4ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,QinghaiOilfield,CNPC,GansuDunhuang736202,China

The Qaidam basin is the largest intermountain basin on the northern margin of the Tibetan plateau, and is one of three major petroliferous basins in western China. The characteristics of tectonic-thermal evolution of this basin are important for understanding the uplift mechanism of the Tibetan plateau. This work studies the terrestrial heat flow and thermal history of the basin, which would help research the regional dynamics and tectonic evolution of the basin and can be applied to the petroleum resource assessment in this region.This work employed the advanced temperature continuous acquisition system which measures the deep well steady state temperature at a large scale and high accuracy. Then mass of rock thermal conductivity was tested by the optical scanning method. Borehole temperature measurement data were fitted linearly using the least squares method, yielding 17 borehole profiles of geothermal gradients. Furthermore, original temperature measurement data from previous studies were re-analyzed, resulting in 56 geothermal gradients and the measured heat flow data of boreholes. Based on the present geothermal field, the time-temperature history of the samples was simulated by the combination of analysis of apatite fission track ages with modeling of fission track length distribution. For this simulation, the one-component annealing model, Monte Carlo method, and the software Hefty were used. Apatite samples enclosed track length values and the median age were adopted to simulate the basic parameters, with kinetic parameter (Dpar) as the initial value of 1.65, and the initial track length 16.3 μm. To the zircon fission track samples which did not pass2test (P(2)<5%), decomposition on single grain fission track age data and frequency statistics analysis were carried out. Based on the analysis of thermochronological dating, we have studied the burial history, uplift and denudation and thermal history of the Qaidam basin. Then we analyzed the tectonic evolution of the Qaidam basin combining with regional tectonic setting.Geothermal gradients of the Qaidam basin vary from 17.1 to 38.6 ℃·km-1with an average of 28.6±4.6 ℃·km-1. The thermal conductivity of the basin varies from 0.601 W/(m·K) to 5.520 W/(m·K) with an average of 2.208 W/(m·K), mostly in the range 1.820 W/(m·K) to 3.020 W/(m·K). Present-day terrestrial heat flow in this area varies from 32.9 to 70.4 mW·m-2, with an average of 55.1±7.9 mW·m-2. The test shows that the apatite fission track age varies from 61 Ma to 72 Ma, less than the formation age. The mean closed track length varies from 11.8 to 12.7μm, less than the initial length of the track (16.3±0.9 μm), implying a single-mode distribution. The test results of zircon samples show that the zircon fission track ages concentrate in 155 Ma to 195 Ma, less than the formation age, which have two time periods, i.e. from 254 Ma to 199 Ma and from 177 Ma to 148.6 Ma.There exits the distribution difference of the geothermal field in the Qaidam basin. The Kunbei thrust belt and Yiliping depression are “hot zones”, the Qilian thrust belt is a “warm zone”, and the Sanhu depression, Oulongbuluke uplift, and Delingha depression are “cold zones”. Such distributions of the geothermal field might be controlled by crustal structure in the basin. Based on the present-day geothermal field, the burial history, uplift and denudation and thermal history of Qaidam basin are studied by the combination of analysis of apatite fission track and zircon fission track ages with modeling of fission track length distribution. In terms of the analysis of thermochronological dating, we further explore the tectonic evolution of the Qaidam basin combining with regional tectonic setting. The results show that the Qaidam basin had experienced tectonic movements of six phases (254.0—199 Ma, 177—148.6 Ma, 87—62 Ma, 41.1—33.6 Ma, 9.6—7.1 Ma, 2.9—1.8 Ma); these tectonic events just coincided with the regional tectonic settings of the study area. The eastern Qaidam basin was uplifted and suffered denudation. The prototype of the Oulongbuluke uplift was also formed in the end of Cretaceous (41.1—33.6 Ma), however, the depression basin developed under the weak compressive tectonic regime in the northern Qaidam basin. The present tectonic features of the Qaidam basin appeared after uplift and great structural deformation, which was related with the intense extrusion since the end of Miocene (9.6—7.1 Ma and 2.9—1.8 Ma).

Geothermal gradient; Heat flow; Fission track; Tectono-thermal evolution; Qaidam basin

10.6038/cjg20151021.

Li Z X, Gao J, Zheng C, et al. 2015. Present-day heat flow and tectonic-thermal evolution since the late Paleozoic time of the Qaidam basin.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(10):3687-3705,doi:10.6038/cjg20151021.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41302202),中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所基本科研項(xiàng)目(DZLXJK201305)資助.

李宗星,男,1982年生,構(gòu)造地質(zhì)學(xué)博士,助理研究員,主要從事盆地地溫場、盆地構(gòu)造-熱演化研究.E-mail:lizongxing@cags.ac.cn

*通訊作者 高俊,女,1982年生,水文地質(zhì)學(xué)在讀博士,主要從事裂縫分析和盆地模擬研究.E-mail:gjpursuedoc@163.com

10.6038/cjg20151021

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2015-01-28，2015-06-06收修定稿

李宗星， 高俊， 鄭策等. 2015. 柴達(dá)木盆地現(xiàn)今大地?zé)崃髋c晚古生代以來構(gòu)造-熱演化.地球物理學(xué)報(bào)，58(10):3687-3705,