三危山演化特征及其對五墩凹陷的油氣影響

曹力偉，張 敏，林中凱，劉國宏，李 瑋

1中石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院，山東 東營

2西北大學地質學系，陜西 西安

1.引言

三危山位于敦煌盆地中部，把敦煌盆地分割成南、北2大坳陷，北部為安墩坳陷，南部為阿克賽坳陷，五墩凹陷為北部安墩坳陷的次級凹陷，由于其處于特殊的構造位置，影響南北兩側次級凹陷構造特征及沉積充填。前人對三危山花崗巖及侵入巖開展過鋯石原位U-Pb定年及Hf同位素分析，黨河水庫花崗巖和沙棗園二長花崗巖體為I型花崗巖，是中亞造山階段碰撞期花崗巖，形成于462～434 Ma [1]，在三危山敦煌群中侵入大量斜長花崗巖脈體，敦煌南側火焰山斜長花崗巖脈體形成于360～370 Ma，為古亞洲洋南緣弧后盆地擴張形成的花崗巖[2]。在三危山內部可見大量的形成于136～99 Ma的基性巖墻群，指示敦煌地區(qū)白堊紀的伸展構造環(huán)境[3]。從上述已經發(fā)表的測年數(shù)據(jù)來看，三危山發(fā)育多期侵入巖，經歷多期次構造運動。目前，還缺少關于敦煌群變質巖、花崗巖、侏羅系砂巖的鋯石、磷灰石裂變徑跡及其熱史模擬研究，通過系統(tǒng)取樣，運用鋯石、磷灰石裂變徑跡及其熱史模擬分析技術，對三危山造山隆升過程進行研究，為全面認識敦煌盆地的演化提供重要的參考依據(jù)。同時，三危山斷裂帶北側的五墩凹陷是敦煌盆地油氣勘探的重點地區(qū)，在中下侏羅統(tǒng)已獲得油氣勘探突破，表明其具有較大的勘探潛力。三危山多期次構造活動控制了凹陷形成及改造，影響沉積充填及生烴演化，導致油藏預測困難。研究三危山構造演化過程對正確認識五墩凹陷盆山耦合關系、沉積充填、烴源巖演化及指導油氣勘探具有重要意義。

筆者利用裂變徑跡熱年代學方法，分析三危山13塊不同時代巖石樣品的裂變徑跡數(shù)據(jù)，并基于鏡質體反射率測試和地質背景分析對裂變徑跡測試數(shù)據(jù)進行時間–溫度熱史模擬，分析三危山隆升過程，結合地震及鉆井資料，分析三危山演化過程及其對五墩凹陷沉積充填和烴源巖演化的影響。

2.地質背景及樣品特征

三危山呈北東走向，是一條狹長的隆起帶，出露前震旦系敦煌群片麻巖、片巖、混合巖、變質凝灰?guī)r和侵入其中的早古生代、元古代花崗巖，白堊紀基性巖墻群，在三危山南北兩側侏羅系露頭有零星出露，主要位于多壩溝、南湖、蘆草溝一帶(圖1)，山前凹陷內發(fā)育侏羅系、新近系、第四系。由于受阿爾金走滑斷裂多期構造運動的影響[4]-[9]，三危山斷裂帶內主要發(fā)育北東、北西2個方向的次級斷裂；北東向斷裂形成時間早于北西向；次級斷裂具有逆沖、壓扭、走滑性質，逆斷層形成時間早于走滑斷層。裂變徑跡熱年代學樣品采自三危山不同時代、不同位置的各類巖石(表1)。

樣品分析測試由北京澤康恩科技有限公司完成。試驗中先將樣品粉碎，用重液、磁選等常規(guī)方法分離出磷灰石和鋯石單礦物。利用環(huán)氧樹脂將磷灰石制成光薄片，在25℃恒溫的7% HNO3溶液中蝕刻30 s；挑選晶形完整的透明鋯石置于載玻片上，讓其C軸平行于水平面分布，利用一定的高溫使之鑲入聚四氟乙丙烯片中，通過研磨和拋光露出內表面，利用KOH + NaOH溶液在210℃下蝕刻約25 h揭示自發(fā)徑跡。采用外探測器法定年，將低鈾白云母貼在光薄片上，與CN5標準鈾玻璃一起構成定年組件。樣品均置于反應堆內輻照，照射的中子注量為1 × 1015n/cm2。之后將云母外探測器置于25℃的40% HF中蝕刻20 s，揭示誘發(fā)裂變徑跡。根據(jù)IUGS推薦的常數(shù)法和標準裂變徑跡年齡方程計算年齡值[10][11]。

Figure 1.The locations of the study area and samples圖1.研究區(qū)位置簡圖及樣品位置圖

Table 1.The determination of fission track of apatite and zircon in Sanweishan Area表1.三危山磷灰石和鋯石裂變徑跡測定結果表

3.裂變徑跡測試結果

裂變徑跡測試結果顯示，樣品的裂變徑跡年齡小于花崗巖樣品年齡，反映了后期的冷卻、熱事件，表明樣品形成后均遭受了構造熱事件的影響[12]-[18]。表明三危山敦煌群片巖、花崗巖、侏羅系大山口組砂巖樣品記錄了晚二疊世、晚三疊世、中侏羅世、晚侏羅世、早白堊世、晚白堊世、古近紀冷卻事件。

3.1.敦煌群片巖樣品裂變徑跡測試結果

在三危山地區(qū)采集3件敦煌群片巖樣品(DH1、DH2、DH3)，磷灰石裂變徑跡中值年齡為73±5～113±6 Ma，鋯石裂變徑跡中值年齡為154±6～225±12Ma (表1，圖2)。根據(jù)Binomfit軟件計算磷灰石裂變徑跡混合年齡，敦煌群變質巖獲得了多個峰值年齡。磷灰石獲得了113.4±6 Ma、82.9±5 Ma、78±6 Ma、48.1±12 Ma、66±5 Ma多個峰值年齡，顯示了后期經歷了早白堊世晚期、晚白堊世晚期和古近紀的隆升事件。鋯石獲得了 265±18 Ma、189.4±13 Ma、171.1±16 Ma、145.7±9 Ma 的峰值年齡，記錄了晚二疊世、晚三疊世、中侏羅世、晚侏羅世多次隆升事件。

Figure 2.The distribution of fission track of apatite and zircon in Sanweishan Area圖2.三危山磷灰石和鋯石裂變徑跡年齡分布圖

3.2.花崗巖樣品裂變徑跡測試結果

對三危山7件花崗巖樣品進行鋯石、磷灰石裂變徑跡測年分析，其中多壩溝剖面3件(DH11、DH5、DH6)，莫高窟以東4件(DH7、DH8、DH9、DH10)。分析結果(表1，圖2)顯示，磷灰石裂變徑跡中值年齡為38±5～84±5 Ma，鋯石裂變徑跡中值年齡為137±14～193±20 Ma。磷灰石和鋯石裂變徑跡年齡記錄了早三疊世、晚侏羅世、白堊紀和古近紀多期次的冷卻隆升事件。

多壩溝地區(qū)3件樣品的磷灰石裂變徑跡年齡為80±5 Ma～84±5 Ma，反映晚白堊世的冷卻事件。鋯石裂變徑跡年齡為144±6 Ma～163±11 Ma，反映中–晚侏羅世、早白堊世的冷卻事件(表1，圖2)。三危山莫高窟以東4件樣品裂變徑跡年齡為38±2～83±5 Ma (表1，圖2)，記錄了晚白堊世–古近紀的冷卻事件。DH8花崗巖樣品鋯石裂變徑跡年齡為137±14 Ma、146±11 Ma、193±20 Ma (圖2)，記錄了早–晚三疊世、晚侏羅世、早白堊世、早侏羅世4次冷卻事件。

4.熱史模擬結果

造山帶巖體的冷卻過程可以直接反映造山帶演化歷史，通過不同的熱測年計算其有效的封閉溫度，確定巖體冷卻到不同溫度的時間，得到一條溫度–時間曲線，從而描繪造山帶演化熱歷史。

磷灰石裂變徑跡具有較低的封閉溫度，為說明造山帶低溫熱演化過程拓展了空間。為了進一步了解三危山熱歷史演化過程，對封閉徑跡測量數(shù)大于75條的樣品進行了熱歷史模擬，記錄最適合的曲線。熱史模擬以五墩凹陷地質演化為基礎，利用鋯石裂變徑跡年齡、封閉溫度和該地區(qū)鉀長石40Ar/39Ar年齡及其封閉溫度作為模擬的邊界條件，對不同地區(qū)不同樣品進行熱史模擬。結果表明，三危山敦煌群片巖、花崗巖、侏羅系大山口組砂巖樣品記錄了志留紀至古近紀多期冷卻事件：志留紀–早泥盆世(440～400 Ma)快速冷卻隆升階段；晚泥盆世–二疊紀(400～250 Ma)緩慢冷卻演化階段；三疊紀(250～200 Ma)快速冷卻隆升階段；侏羅紀(200～145 Ma)緩慢冷卻階段；白堊紀(145～90 Ma)早期緩慢隆升、晚期快速冷卻隆升階段；晚白堊世–新生代(66 Ma～現(xiàn)今)緩慢冷卻階段，總體表現(xiàn)為持續(xù)的隆升過程。

4.1.變質巖和花崗巖樣品熱史模擬測試結果

針對不同巖性的樣品，對三危山花崗巖和敦煌群變質巖分別進行熱史模擬，探討三危山的隆升演化過程。在三危山利用2件敦煌群變質巖樣品DH1、DH2進行磷灰石裂變徑跡熱史模擬(圖3)。樣品DH1經歷了4期冷卻演化過程，第1期為志留紀–早泥盆世(440～400 Ma)的快速冷卻隆升階段；第2期為早泥盆世–侏羅紀(400～145 Ma)緩慢冷卻演化階段，第3期為早白堊世(145～120 Ma)快速冷卻演化階段；第4期為晚白堊世–新生代(120Ma～至今)緩慢冷卻階段。樣品 DH2經歷了4期冷卻演化過程，早志留世-泥盆紀(440～360 Ma)快速冷卻演化階段；早石炭世–晚侏羅世(360～150 Ma)緩慢冷卻階段；晚侏羅世–晚白堊世(150～70 Ma)快速冷卻階段和新生代(70 ～40 Ma)緩慢冷卻階段。

為了進一步厘定三危山中生代構造隆升演化過程，對三危山西段多壩溝地區(qū)的2件樣品DH4、DH5進行了磷灰石裂變徑跡熱史模擬研究(圖4)。由模擬可以看出，2件樣品具有較為一致的演化歷史，顯示花崗巖形成后經歷了三疊紀(250～200 Ma)的快速冷卻階段；侏羅紀(200～145 Ma)的緩慢冷卻階段；早白堊世(145～90 Ma)的快速冷卻階段；晚白堊世–古近紀(90～40 Ma)緩慢冷卻階段。

在三危山東部地區(qū)樣品 DH7、DH8獲得了較為接近的演化歷史(圖 3)。早期均經歷了晚石炭世–晚三疊世(310～200 Ma)快速冷卻階段，之后的演化略有差異。樣品DH7在侏羅紀(200～140 Ma)經歷了緩慢冷卻階段；在早白堊世(140～90 Ma)經歷了快速冷卻階段；晚白堊世之后經歷了緩慢冷卻階段。樣品DH8在侏羅紀–早白堊世經歷了緩慢冷卻階段，在晚白堊世–古近紀經歷了快速冷卻階段。

4.2.侏羅系砂巖樣品熱史模擬測試結果

侏羅系砂巖樣品的邊界條件限定如下：一是沉積時的地表溫度設定為5～30℃；二是現(xiàn)今地表溫度設為20±10℃。并用砂巖樣品的鋯石裂變徑跡年齡和封閉溫度作為模擬約束條件。鋯石裂變徑跡有效封閉溫度采用210±40℃。

蘆草溝樣品DH13及多壩溝樣品DH12砂巖樣品模擬結果(圖3)表明，中生代以來均經歷了3個階段的熱史演化。第1階段為侏羅紀(200～145 Ma)快速沉降埋藏過程；第2階段為白堊紀抬升階段，始于145 Ma；第3階段為古近紀緩慢抬升階段，始于66 Ma。多壩溝樣品DH12在早侏羅世晚期已達到最大埋深，蘆草溝樣品DH13在晚侏羅世才達到最大埋深。模擬結果與已鉆井結果一致，多壩溝北側的灣窯凹陷內敦參1井只揭示153 m上侏羅統(tǒng)，缺失中–下侏羅統(tǒng)，蘆草溝露頭西北部五墩凹陷內西參1井完整揭示了2000 m厚侏羅系。

5.三危山演化特征對于五墩凹陷油氣影響

裂變徑跡、熱史模擬及地震資料解釋結果表明，三危山經歷志留紀–早泥盆世、三疊紀2個快速隆升階段，在早侏羅世之前隆升成山，控制五墩凹陷侏羅系古地貌及物源體系；侏羅紀處于松弛拉張期，山前箕狀斷陷盆地開始發(fā)育，白堊紀快速抬升，影響侏羅系烴源巖生烴演化及盆地改造，五墩凹陷早侏羅世以來的構造演化可劃分為伸展斷陷早、中、晚期及拗陷期4個主要演化時期，不同時期的沉積充填既有繼承性也有差異性。

5.1.影響五墩凹陷早侏羅世古地貌及物源體系

五墩凹陷是由于三危山斷裂在早侏羅世發(fā)生伸展活動而形成的山前箕狀斷陷盆地，一側為控凹的三危山隆起，另一側為受北山控制的玉門關斜坡帶，五墩凹陷古地貌可劃分南部斷階帶、中央洼陷帶、北部斜坡帶，侏羅紀–白堊紀沉積充填就是在該構造背景下完成的(圖4)。

山前箕狀斷陷湖盆物源體系具有多方向、多類型特點[19][20]。五墩凹陷在侏羅紀已形成南東向的南湖低凸起、北東向的甜水井凸起、三危山構造帶。依據(jù)古水流雙向性、重礦物對應性、邊緣相指示性，認為五墩凹陷發(fā)育3個方向物源，南部為近源三危山物源區(qū)，北部和東部為北山及甜水井凸起遠源區(qū)。南部三危山物源區(qū)距山前洼陷中心近，在斷階帶及洼陷帶發(fā)育沖積扇–扇三角洲–湖相沉積體系；北部及東部物源區(qū)坡度緩，距洼陷帶遠，為辮狀河三角洲沉積體系，物源交匯在山前洼陷帶(圖4)。

5.2.影響五墩凹陷斷階帶及洼陷帶的沉積充填

三危山構造活動控制五墩凹陷沉降及抬升，影響湖平面垂向及縱向變化，進而控制五墩凹陷斷陷及坳陷期沉積充填，導致不同演化階段其巖性序列及沉積相類型具有明顯差異(圖4)。

1)伸展斷陷早期。三危山在三疊紀快速隆升之后，侏羅紀時期斷裂處于拉張伸展階段，早侏羅世山前斷陷盆地已經形成，該時期凹陷規(guī)模較小，洼陷帶內湖泊開始發(fā)育，在斷階帶及洼陷帶發(fā)育了溫暖濕潤氣候下的沖積扇相沉積，沉降中心位于三危山前，隨著凹陷不斷穩(wěn)定下沉，湖水加深，湖面擴大，發(fā)育扇三角洲–濱淺湖相、辮狀河三角洲相沉積。

2)伸展斷陷中期。斷陷湖盆繼續(xù)穩(wěn)定下沉，三危山依然控制著斷階帶及洼陷帶沉積，洼陷帶內扇三角洲平原低位體系域沉積沿三危山北斷層分布；在中央洼陷帶內發(fā)育濱淺湖–半深湖相高位體系域沉積，發(fā)育大山口組烴源巖及儲層。

3)伸展斷陷晚期。隨著湖盆不斷擴張，中侏羅世早期，五墩凹陷湖盆范圍達到最大，水體達到最深，斷階帶及洼陷帶發(fā)育扇三角洲前緣，斜坡帶發(fā)育辮狀河三角洲前緣，南北物源交匯在洼陷帶內半深湖區(qū)，在西參1井2260～2300 m段，頂部見大套黑色水平層理泥巖夾有灰綠色粉砂巖條帶，主要為湖泥沉積。該時期五墩凹陷湖盆水體最深，發(fā)育24 m厚的優(yōu)質烴源巖，為油藏的形成奠定了良好的油源基礎。

4)拗陷期。中侏羅世晚期–晚侏羅世，三危山斷裂伸展拉張活動減弱，五墩凹陷由斷陷轉為坳陷，湖水變淺，氣候由溫暖潮濕向干旱轉變；晚侏羅世凹陷開始抬升，湖水進一步變淺，沉積中心逐漸遠離三危山斷層，向凹陷北部移動[21][22][23]。受干旱氣候條件的影響，西參1井中間溝組中上部為厚層深紫色泥巖夾薄層泥巖，向上泥巖變厚，為厚層棕色、棕紅色泥巖夾砂質泥巖和砂巖，為五墩凹陷最重要的區(qū)域性蓋層；晚侏羅世博羅組沉積時期發(fā)育氧化環(huán)境下的沖積扇–湖泊–河流相沉積，推測三危山前洼陷帶發(fā)育沖積扇相沉積，濱淺湖相沉積不發(fā)育。西參1井顯示，北部斜坡帶為紅色砂巖與泥巖互層的曲流河沉積。

依據(jù)五墩凹陷地質結構，將其劃分為山前南部斷階帶、中央洼陷帶、北部斜坡帶，具有南斷北超、南厚北薄的構造特征。五墩凹陷的沉積、沉降中心受邊界斷層的控制，地層逐漸向北超覆，厚度呈現(xiàn)向北逐漸減薄的趨勢。早侏羅世地形分異明顯，凹陷內古地形凹凸不平，局部會出現(xiàn)次級沉積中心，處于斷陷初期的填平補齊階段。中侏羅世時期五墩凹陷繼續(xù)以斷陷為主，隨著早侏羅世填平補齊作用的進行，凹陷內低凸起消失，沉積范圍較早侏羅世明顯擴大，早–中侏羅世時期地層厚度中心位于三危山前中央洼陷帶。晚侏羅世時期，地層沉積范圍繼續(xù)擴大，厚度中心逐漸向凹陷北部偏移。

5.3.影響五墩凹陷烴源巖演化

墩1井埋藏史及熱演化史分析表明：五墩凹陷在早–中侏羅世發(fā)育大山口組及中間溝組2套烴源巖及儲層，晚侏羅世烴源巖開始生烴，五墩凹陷“上生下儲”型油藏開始形成；早白堊世開始大量生排烴，早白堊世末期達到生烴高峰；晚白堊世由于盆地抬升，地溫降低，烴源巖停止生烴，后期地層埋深再也沒有達到或者超過早白堊世末期的最大埋深[24]。

5.4.影響五墩凹陷后期改造

多壩溝花崗巖、蘆草溝侏羅系砂巖樣品熱史模擬結果表明：白堊紀(145～66Ma)為快速冷卻階段，三危山在晚白堊世–古新世為快速擠壓抬升階段，造成白堊紀及古近紀被剝蝕，在五墩凹陷新近系疏勒河組與下伏侏羅系呈角度不整合接觸，凹陷東西兩側發(fā)育逆沖斷層，構成現(xiàn)今凹陷邊界；蘆草溝侏羅系砂巖樣品熱史模擬結果顯示，新生代為緩慢抬升階段，三危山在新近世–第四紀為走滑擠壓坳陷階段，盆地形成了現(xiàn)今南斷北超、南深北淺、東西抬升的構造格局。

6.結論

1)三危山的持續(xù)隆升過程經歷了6個階段，志留紀–早泥盆世快速冷卻隆升階段、晚泥盆世–二疊紀緩慢冷卻演化階段、三疊紀快速冷卻隆升階段、侏羅紀緩慢冷卻階段、白堊紀緩慢–快速冷卻隆升階段、晚白堊世–新生代緩慢冷卻階段。三危山在早侏羅世之前已經隆升成山，侏羅紀以伸展–拉張為主，白堊紀至漸新世以擠壓抬升為主，新進紀具有左旋走滑特征，不同時期具有不同運動特征。

2)五墩凹陷發(fā)育多方向物源，洼陷帶是南部扇三角洲與北部、東部辮狀河三角洲交匯區(qū)。五墩凹陷劃分為伸展斷陷早、中、晚期及拗陷期4個演化時期，不同時期沉積充填既有繼承性也有差異性；中、晚斷陷和拗陷期是五墩凹陷中–下侏羅統(tǒng)烴源巖、儲集、蓋層發(fā)育時期，在上述3個階段洼陷帶及斜坡帶附近發(fā)育的巖性、構造–巖性、構造油藏是五墩凹陷油氣勘探有利目標。