晚中生代二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷地層和構(gòu)造演化研究

郭知鑫, 任 祎, 馮志剛, 陳 亮, 唐振平

(1.南華大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院,湖南 衡陽(yáng)421001; 2.湖南省稀有金屬礦產(chǎn)開發(fā)與廢物地質(zhì)處置技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 衡陽(yáng)421001; 3.衡陽(yáng)市核燃料循環(huán)地質(zhì)理論與技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 衡陽(yáng)421001)

0 引 言

二連盆地是中國(guó)東北晚中生代沉積盆地群的重要組成部分，也是重要的油氣、煤炭基地和砂巖型鈾礦成礦區(qū)[1-5]。在過(guò)去的勘查工作中，前人一般將盆地的地層和構(gòu)造演化劃分為三個(gè)階段，即侏羅紀(jì)斷陷階段、早白堊世早-中期斷陷階段(阿爾善組和騰格爾組同伸展沉積期)和早白堊世晚期-晚白堊世熱沉降階段(賽漢組和二連組裂后熱沉積期)(圖1(a))[4-7]。但是，最近基于地震反射剖面等資料的研究指出侏羅紀(jì)-白堊紀(jì)二連盆地構(gòu)造演化非常復(fù)雜，盆地發(fā)生過(guò)多期強(qiáng)烈的伸展和擠壓構(gòu)造作用，對(duì)地層演化和油氣運(yùn)移造成了重大影響[1,8-9]。吉爾嘎朗圖凹陷是二連盆地的重要油氣勘探區(qū)(吉爾嘎朗圖凹陷鉆井位置見圖2(a))，雖然前人在該凹陷開展過(guò)大量勘查工作，但到目前為止，晚中生代該凹陷的地層和構(gòu)造演化過(guò)程仍然缺少精細(xì)地刻畫，限制了勘探工作的進(jìn)一步展開。

研究清楚盆地內(nèi)各凹陷地層發(fā)育和構(gòu)造變形特征，不僅對(duì)理清二連盆地形成和演化過(guò)程和揭示晚中生代中國(guó)東北地區(qū)區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境演化歷史具有重要意義，而且對(duì)認(rèn)識(shí)盆地成礦規(guī)律和指導(dǎo)下一步礦產(chǎn)勘查工作具有重要價(jià)值。基于此，本研究以二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷為研究對(duì)象，通過(guò)磷灰石裂變徑跡低溫?zé)崮甏鷮W(xué)分析、地震反射剖面分析，結(jié)合前人研究成果，分析了吉爾嘎朗圖凹陷地層沉積過(guò)程和構(gòu)造演化歷史，為認(rèn)識(shí)晚中生代二連盆地乃至整個(gè)中國(guó)東北地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化歷史提供了新的資料。

圖1 二連盆地及盆地東南部吉爾嘎朗圖凹陷地層柱狀圖Fig.1 Stratigraphic section of the Erlian Basin and the Jiergalangtu Sag(盆地演化引用自文獻(xiàn)[6-7]，地層年齡引用自文獻(xiàn)[8-9])

1 地質(zhì)背景

二連盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部，是中國(guó)東北沉積盆地群的重要組成部分[1,8-9]。盆地面積約100 000 km2，沉積蓋層主要為陸相碎屑沉積物，部分層位夾中-酸性火山巖和火山碎屑巖，最厚達(dá)約5 km(圖1(a))[8-9]。蓋層主體為下白堊統(tǒng)巴彥花群(包括阿爾善組、騰格爾組和賽漢組)，部分地區(qū)發(fā)育侏羅系阿其圖組、格日勒組、齊哈組、興安嶺群和呼格吉勒?qǐng)D組，及上白堊統(tǒng)二連組。

吉爾嘎朗圖凹陷為二連盆地東部烏尼特坳陷南部的一個(gè)次級(jí)凹陷。凹陷為NE-SW走向，整體呈西北斷、東南超的半地塹形態(tài)。吉爾嘎朗圖凹陷目前已探明油氣儲(chǔ)量超過(guò)3×107t，是二連盆地最重要的油氣基地之一。凹陷沉積蓋層厚約1.5～3.5 km，主體為下白堊統(tǒng)巴彥花群，侏羅系僅在凹陷邊緣局部地區(qū)鉆遇，上白堊統(tǒng)不發(fā)育(圖1(b),2(b))[4,8-9]。

圖2 吉爾嘎朗圖凹陷地質(zhì)簡(jiǎn)圖及其代表性地震反射剖面圖Fig.2 Geological map and interpreted seismic reflection profile of the Jiergalangtu Sag

2 磷灰石裂變徑跡分析2.1 樣品采集和分析方法

本研究從吉爾嘎朗圖凹陷南部錫林浩特市郊區(qū)一處地下煤礦地表堆積體中采集了兩件砂巖樣品，樣品編號(hào)為XL-1和XL-2。地表堆積體坐標(biāo)位置為43°56′N、116°09′E(圖2(a))，采樣地層為格日勒組，樣品所屬巖層垂直地表深度低于500 m。

本研究采用粉碎-搖床分選-磁選-重液分選的方法，從樣品中挑選出磷灰石。之后，在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)裂變徑跡實(shí)驗(yàn)室完成兩件樣品磷灰石裂變徑跡分析。裂變徑跡分析采用外探測(cè)器法，首先對(duì)磷灰石的自發(fā)裂變徑跡密度、誘發(fā)裂變徑跡密度進(jìn)行分別測(cè)定，然后通過(guò)ξ常數(shù)法計(jì)算磷灰石裂變徑跡年齡[10]。

2.2 分析結(jié)果

樣品XL-1中挑選出超過(guò)1 000顆磷灰石，對(duì)其中35顆進(jìn)行裂變徑跡分析。分析結(jié)果顯示該樣品磷灰石裂變徑跡中值年齡為(132.1±7.8)Ma(1σ)，池年齡為(129.5±6.9)Ma(1σ)，卡方檢驗(yàn)P(χ2)=1.3%，分散系數(shù)為12.3%(圖3(a))。

樣品XL-2中挑選出約100顆磷灰石，對(duì)其中22顆進(jìn)行裂變徑跡分析。分析結(jié)果顯示該樣品磷灰石裂變徑跡中值年齡為(91.5±5.9)Ma(1σ)，池年齡為(93.5±4.6)Ma(1σ)，卡方檢驗(yàn)P(χ2)=0，分散系數(shù)為17.6%(圖3(b))。

2.3 裂變徑跡分析結(jié)果討論

本研究中兩件樣品XL-1、XL-2的裂變徑跡分析結(jié)果卡方檢驗(yàn)P(χ2)均小于5%、分散系數(shù)均較高、單顆粒年齡在雷達(dá)圖上均較為分散(圖3)，表明兩件樣品的磷灰石裂變徑跡年齡均是由多年齡組分組合而成，兩樣品池年齡、中值年齡均不具備明確的地質(zhì)意義[11-12]。采用BinomFit軟件[11-12]對(duì)兩樣品磷灰石單顆粒裂變徑跡年齡組成進(jìn)行分解，樣品XL-1數(shù)據(jù)可分解為兩組有效年齡，即(140.6±7.8)Ma和(101.4±8.1)Ma；樣品XL-2可分解為三組有效年齡，即(115.9±7.2)Ma、(95.2±5.0)Ma和(69.3±4.2)Ma(圖3)。

磷灰石裂變徑跡的封閉溫度為約(100±20) ℃，部分退火帶溫度為約60～120 ℃。前人指出二連盆地在地表以下1 km深度處地溫為約37～55 ℃，在1 km深度范圍內(nèi)，地溫梯度為約30 ℃/km[13]。本研究采集的兩件樣品所處地層層位深度低于500 m，表明樣品所屬地層層位的地溫應(yīng)顯著低于磷灰石裂變徑跡部分退火帶溫度。此外，兩件樣品均采自中侏羅統(tǒng)格日勒組，格日勒組沉積成巖年齡不晚于Callovian期(即不晚于約164 Ma)[9]，即兩件樣品磷灰石裂變徑跡年齡均遠(yuǎn)小于所屬地層沉積年齡。這些數(shù)據(jù)表明，采集的兩件樣品在沉積成巖后均經(jīng)歷過(guò)復(fù)雜的熱演化歷史。

圖3 樣品XL-1和XL-2磷灰石裂變徑跡年齡雷達(dá)圖Fig.3 Radial plot of single grain apatite fission track ages of the Samples XL-1 and XL-2

樣品經(jīng)歷的熱演化歷史可以概括為：1)中侏羅世，二連盆地開始形成，陸源碎屑沉積物在二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷南緣沉積，并隨著埋深增加硬結(jié)成巖，形成格日勒組。隨著埋深的增加，吉爾嘎朗圖凹陷南緣格日勒組采樣層位的地溫達(dá)到或超過(guò)磷灰石裂變徑跡封閉溫度，磷灰石裂變徑跡完全退火，樣品中磷灰石記錄的物源區(qū)熱史信息被全部重置；2)早白堊世初(約(140.6±7.8)Ma)，由于某些原因吉爾嘎朗圖凹陷格日勒組采樣層位埋深降低，地溫低于磷灰石裂變徑跡封閉溫度，樣品中部分磷灰石記錄下這一期冷卻事件；3)此后，在早白堊世中期((115.9±7.2)Ma)、晚白堊世((101.4±8.1)Ma～(95.2±5.0)Ma、(69.3±4.2)Ma)，可能由于某些原因吉爾嘎朗圖凹陷采樣層位經(jīng)歷了多期埋深增加和降低過(guò)程，樣品中部分磷灰石記錄下多期冷卻事件。

3 地震反射剖面分析

本研究對(duì)二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷多條地震反射剖面進(jìn)行了分析和重新解釋，如圖2(b)和圖4。

圖4 吉爾嘎朗圖凹陷代表性地震反射剖面及其解釋圖Fig.4 Typical interpreted seismic reflection profiles of the Jiergalangtu Sag(剖面位置見圖2(a))

重新解釋的地震反射剖面顯示吉爾嘎朗圖凹陷中侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)主要受正斷層控制(圖2(b),圖4)。尤其是在凹陷的西北緣，下白堊統(tǒng)阿爾善組、騰格爾組、賽漢組表現(xiàn)出明顯的同斷陷沉積特征，愈靠近凹陷邊緣斷層沉積厚度愈大(圖2(b))。在凹陷的南緣還可以觀察到阿爾善組受凹陷東南緣正斷層控制(圖4(b))。此外，吉爾嘎朗圖凹陷保存的中侏羅統(tǒng)阿其圖組、格日勒組、齊哈組剖面上也觀察到同沉積正斷層(圖4(a))。以上特征表明，吉爾嘎朗圖凹陷在中侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)沉積時(shí)期均處于伸展構(gòu)造環(huán)境。

此外，地震反射剖面還顯示凹陷沉積蓋層內(nèi)部存在多個(gè)角度不整合面。其中古生界基底、中侏羅統(tǒng)阿其圖組-格日勒組-齊哈組與阿爾善組之間、阿爾善組與騰格爾組之間、騰格爾組與賽漢組之間，賽漢組與新生界之間的角度不整合面尤為顯著(圖2(b),圖4)：下伏地層局部或整體褶皺變形、不均衡抬升，并被上覆地層削截、超覆。以上特征表明吉爾嘎朗圖凹陷在形成、演化過(guò)程中并不是一直受伸展應(yīng)力控制，在不同巖石地層單元沉積的間歇期可能發(fā)生過(guò)短暫的擠壓構(gòu)造作用。

4 吉爾嘎朗圖凹陷地層和構(gòu)造演化

結(jié)合上文對(duì)磷灰石裂變徑跡年齡和地震反射剖面的分析，本研究對(duì)吉爾嘎朗圖凹陷地層和構(gòu)造演化歷史進(jìn)行了恢復(fù)。

中侏羅世，吉爾嘎朗圖凹陷處于伸展構(gòu)造環(huán)境，開始進(jìn)入斷陷階段。在凹陷的南緣和其他局部地區(qū)發(fā)育了中侏羅統(tǒng)阿其圖組、格日勒組和齊哈組陸相碎屑沉積，這些地層超覆在古生界基底之上、受凹陷西北緣隱伏的正斷層控制(圖4(a))。

晚侏羅世晚期-早白堊世初，吉爾嘎朗圖凹陷可能經(jīng)歷過(guò)一期強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造作用。證據(jù)如下：1)凹陷南緣在這一時(shí)期出現(xiàn)了明顯的沉積間斷。前人對(duì)二連盆地侏羅系的研究中指出，盆地北部部分凹陷局部地區(qū)保存有受正斷層控制的興安嶺群火山巖和火山碎屑巖、極個(gè)別地區(qū)小范圍保存有呼格吉勒?qǐng)D組同造山礫巖和砂礫巖[9]。本研究發(fā)現(xiàn)在吉爾嘎朗圖凹陷的大部分地區(qū)，阿爾善組及以上地層直接超覆在古生界基底之上，僅在凹陷南緣部分地區(qū)發(fā)育有中侏羅統(tǒng)，并被阿爾善組及以上地層直接超覆(圖4)；2)地震反射剖面顯示，凹陷南部殘留的中侏羅統(tǒng)阿其圖組、格日勒組、齊哈組沉積后經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈的褶皺變形和不均衡抬升，地層頂部遭受過(guò)明顯的剝蝕并被其上覆的阿爾善組和騰格爾組削截(圖4(a))。阿爾善組及以上地層上超在變形、剝蝕后的中侏羅統(tǒng)之上，褶皺變形比較微弱；3)磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)顯示，凹陷在早白堊世初約(140.6±7.8)Ma經(jīng)歷過(guò)一期冷卻事件。前人對(duì)凹陷一件早侏羅世花崗巖進(jìn)行鋯石、磷灰石裂變徑跡分析，指出該花崗巖在晚侏羅世末(約(154±7)Ma、(146±7)Ma)經(jīng)歷過(guò)冷卻抬升，其數(shù)據(jù)與本文所得結(jié)果在誤差范圍內(nèi)一致。此外，前人二連盆地地層定年結(jié)果顯示中侏羅統(tǒng)阿其圖組、格日勒組和齊哈組沉積于Aalenian期-Bathonian期早期(約(174～167)Ma)，阿爾善組沉積于Valanginian期中-晚期(約(138～133)Ma)[8-9]，表明裂變徑跡分析反映的冷卻抬升事件與吉爾嘎朗圖凹陷中侏羅統(tǒng)和阿爾善組之間的沉積間斷在時(shí)間上吻合。即可能是由于晚侏羅世晚期-早白堊世初凹陷經(jīng)歷了一期擠壓構(gòu)造作用，導(dǎo)致了沉積間斷、地層不整合和冷卻抬升事件的發(fā)生。

早白堊世，吉爾嘎朗圖凹陷進(jìn)入強(qiáng)烈伸展斷陷階段。凹陷西北緣正斷層為控凹斷層，在阿爾善組、騰格爾組、賽漢組沉積時(shí)期該斷層始終活躍，表現(xiàn)出明顯的生長(zhǎng)斷層特征(圖2(b))。

在白堊紀(jì)，吉爾嘎朗圖凹陷并不是始終處于伸展構(gòu)造環(huán)境。地震反射剖面顯示凹陷在阿爾善組與騰格爾組的沉積間歇期、騰格爾組與賽漢組的沉積間歇期、賽漢組沉積之后均發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈的褶皺變形和局部抬升，并且發(fā)生褶皺變形和局部抬升的下伏地層均遭受過(guò)不同程度的風(fēng)化、剝蝕和被水平沉積的上覆地層超覆。此外，本研究所得磷灰石裂變徑跡分析結(jié)果顯示，吉爾嘎朗圖凹陷在早白堊世中期(約(115.9±7.2)Ma)、早白堊世末-晚白堊世初(約(101.4±8.1)Ma、(95.2±5.0)Ma)、晚白堊世晚期(約(69.3±4.2)Ma)發(fā)生過(guò)多期冷卻抬升事件。前人對(duì)凹陷一件早侏羅世花崗巖進(jìn)行磷灰石裂變徑跡分析，提出凹陷在早白堊世中晚期(約(114±8)Ma)可能發(fā)生過(guò)冷卻抬升，該數(shù)據(jù)與本文獲得的(115.9±7.2)Ma的裂變徑跡年齡吻合。此外，前人通過(guò)鋯石U-Pb定年等手段，將騰格爾組、賽漢組的年齡分別限定為Hauterivian期-Aptian期中期(約133～115 Ma)、Aptian期末-Albian期(約115～100 Ma)[8,14]。磷灰石裂變徑跡分析結(jié)果反映的早白堊世中期(約(115.9±7.2)Ma、(114±8)Ma)冷卻抬升事件在時(shí)間上與騰格爾組和賽漢組的沉積間歇期時(shí)間相符。裂變徑跡分析結(jié)果反映的早白堊世末-晚白堊世(約(101.4±8.1)Ma、(95.2±5.0)Ma、(69.3±4.2)Ma)冷卻抬升事件在時(shí)間上與賽漢組和新生界的沉積間歇期時(shí)間相符。即可能是由于早白堊世中期、早白堊世末-晚白堊世吉爾嘎朗圖凹陷經(jīng)歷過(guò)多期擠壓構(gòu)造作用，導(dǎo)致地層褶皺變形、局部抬升，采樣層位埋深降低，地溫低于磷灰石裂變徑跡封閉溫度，從而記錄下這幾期冷卻事件。

綜上所述,本研究獲得的磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)和地震反射剖面資料均顯示二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷在中侏羅世(阿其圖組、格日勒組、齊哈組沉積時(shí)期)、早白堊世(阿爾善組、騰格爾組、賽漢組沉積時(shí)期)雖然整體處于伸展構(gòu)造環(huán)境,但是經(jīng)歷過(guò)晚侏羅世晚期-早白堊世初、早白堊世中期、早白堊世末-晚白堊世初、晚白堊世晚期等多期短暫但強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造作用。

5 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)二連盆地吉爾嘎朗圖凹陷中侏羅統(tǒng)格日勒組砂巖開展磷灰石裂變徑跡研究和對(duì)凹陷地震反射剖面進(jìn)行分析,本文得出以下結(jié)論:

1)磷灰石裂變徑跡分析結(jié)果表明,吉爾嘎朗圖凹陷南部格日勒組沉積成巖后至少經(jīng)歷過(guò)早白堊世初(約(140.6±7.8)Ma)、早白堊世中晚期(約(115.9±7.2)Ma)、早白堊世末-晚白堊世初(約(101.4±8.1)Ma～(95.2±5.0)Ma)、晚白堊世晚期(約(69.3±4.2)Ma)四期冷卻抬升事件。

2)磷灰石裂變徑跡年齡和地震反射剖面資料均顯示,晚中生代吉爾嘎朗圖凹陷構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境演變過(guò)程非常復(fù)雜,凹陷并非始終處于伸展構(gòu)造環(huán)境。雖然在中侏羅統(tǒng)、下白堊統(tǒng)沉積時(shí)期凹陷整體處于伸展環(huán)境,在晚侏羅世晚期-早白堊世初中侏羅統(tǒng)與阿爾善組沉積間歇期、早白堊世中期阿爾善組與騰格爾組沉積間歇期、早白堊世中晚期騰格爾組與賽漢組沉積間歇期、早白堊世末-晚白堊世賽漢組沉積后,凹陷經(jīng)歷過(guò)多期短暫但強(qiáng)烈的擠壓構(gòu)造作用。