鄂爾多斯盆地?cái)鄬踊顒?dòng)期次研究方法及其油氣意義
——方解石脈年代學(xué)

郭 惠

（1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069；2.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710069）

鄂爾多斯盆地經(jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后，野外剖面和三維地震資料研究表明盆地?cái)鄬邮职l(fā)育，尤其是周緣斷層，斷層發(fā)育具有性質(zhì)多樣、組合多樣以及多期次活動(dòng)的特點(diǎn)［1-5］，斷層的活動(dòng)期次對(duì)盆地的形成與演化及油氣運(yùn)移成藏等起重要作用［6-12］，因此開(kāi)展斷層活動(dòng)期次研究尤為重要。前人通過(guò)磷灰石裂變徑跡測(cè)年、40Ar/30Ar同位素定年、鋯石UPb 同位素測(cè)年及石英脈ESR 測(cè)年測(cè)定斷裂帶活動(dòng)新生礦物的年齡對(duì)斷層活動(dòng)期次做了一定研究［13-18］；通過(guò)地震資料解釋對(duì)斷層活動(dòng)期次也有一定研究［5，10-11］，但方解石脈年代學(xué)對(duì)斷層活動(dòng)期次研究甚少。方解石脈作為斷層活動(dòng)伴有的熱液流體經(jīng)冷卻沿?cái)鄬?、?jié)理（裂縫）生長(zhǎng)，并較為完整地記錄了斷層、節(jié)理（裂縫）的活動(dòng)發(fā)育史［19］，對(duì)其測(cè)年直接反映斷層活動(dòng)時(shí)期，因此開(kāi)展方解石脈年代學(xué)研究對(duì)斷層活動(dòng)期次和油氣勘探研究具有指導(dǎo)意義。

本文總結(jié)歸納了前人對(duì)方解石脈測(cè)年方法成果和筆者的認(rèn)識(shí)，希望能對(duì)從事斷裂活動(dòng)期次研究和油氣勘探的工作者們提供一定的參考。

1 方解石脈年代學(xué)測(cè)試方法概述

方解石脈年代學(xué)測(cè)年法有間接地球化學(xué)方法C-O 同位素、流體包裹體分析和直接年代學(xué)方法ESR 測(cè)年和激光原位U-Pb 測(cè)年。樣品采集挑選自斷裂帶或者是過(guò)斷層鉆井巖心裂縫內(nèi)充填的同構(gòu)造方解石脈體，若發(fā)育多期脈體，通過(guò)脈體的切割關(guān)系能夠區(qū)分脈體形成的前后順序，測(cè)年還能得到斷層的多期活動(dòng)年齡。

1.1 裂縫方解石脈地球化學(xué)分析

1.1.1 C-O同位素分析

裂縫充填物方解石脈C-O 同位素分析是判別裂縫期次的常用方法，通過(guò)對(duì)裂縫充填方解石脈進(jìn)行C-O 同位素分析，根據(jù)Epstein 等［20］提出的氧同位素測(cè)溫方程式，計(jì)算出裂縫形成時(shí)的溫度，進(jìn)行裂縫形成時(shí)埋深的折算［21-25］，可探討裂縫期次和流體事件。

測(cè)溫方程式:

式中:δ18O 為測(cè)定樣品的氧同位素值，‰；δ18Ow為地層水介質(zhì)的氧同位素值，‰；t為裂縫充填脈體的形成溫度，℃。

1.1.2 流體包裹體分析

裂縫充填物方解石脈流體包裹體均一溫度測(cè)試是研究裂縫形成時(shí)間的有效手段，通過(guò)裂縫方解石脈流體包裹體均一溫度與埋藏深度換算公式計(jì)算出脈體形成時(shí)的深度結(jié)合埋藏史，可估算出方解石脈體形成時(shí)間，推斷裂縫/斷層形成時(shí)期和油氣成藏期［24-27］。馮艷偉等［27］在盆地中部通過(guò)構(gòu)造裂縫方解石脈流體包裹體均一溫度測(cè)試表明，早白堊世時(shí)期斷裂活動(dòng)和成藏期有很好的耦合關(guān)系。

換算公式為:

式中:T為測(cè)定的包裹體均一溫度，℃；T0為包裹體形成時(shí)的地表溫度，℃；G為古地溫梯度，℃/100 m；H為捕獲包裹體時(shí)的深度，m。

綜上，斷裂活動(dòng)會(huì)伴生大量構(gòu)造裂縫，因此通過(guò)對(duì)裂縫中充填物方解石脈體做C-O 同位素和流體包裹體分析，折算出裂縫形成時(shí)埋深，結(jié)合埋藏史，可間接探討斷層形成時(shí)期。

1.2 方解石脈ESR測(cè)年

方解石脈ESR 測(cè)年又稱電子自旋共振方法，經(jīng)過(guò)斷層帶樣品測(cè)試分析出的年齡結(jié)合斷層帶的活動(dòng)特點(diǎn)和原巖的年齡，就可以確定斷層活動(dòng)的時(shí)期，方解石脈ESR 測(cè)年詳細(xì)測(cè)試原理、分析步驟見(jiàn)參考文獻(xiàn)［19，28-29］。方解石脈ESR 測(cè)年測(cè)定45 Ma年以來(lái)的斷層活動(dòng)具有較高精度，盆地鄰區(qū)寧陜斷裂方解石脈ESR 測(cè)年表明，寧陜斷裂在中新世（19.8～14.6 Ma）有過(guò)活動(dòng)［18］。

1.3 方解石脈LA-（MC-）ICP-MS U-Pb定年

方解石脈LA-（MC-）ICP-MS U-Pb 測(cè)年與鋯石LA-ICP-MS U-Pb 測(cè)年方法較為一致，詳細(xì)樣品處理、測(cè)試原理、分析方法、實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及數(shù)據(jù)處理見(jiàn)參考文獻(xiàn)［30］。目前，國(guó)內(nèi)外可進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)室屈指可數(shù)，中國(guó)石油杭州地質(zhì)研究院、貴州同微測(cè)試科技有限公司、澳大利亞昆士蘭大學(xué)放射性同位素實(shí)驗(yàn)室可完成激光原位方解石脈U-Pb測(cè)年。

方解石脈LA-（MC-）ICP-MS U-Pb 定年通過(guò)測(cè)得斷裂內(nèi)同構(gòu)造方解石脈年齡，能夠精確限定斷裂活動(dòng)絕對(duì)年齡［30-34］，有著約2%的誤差或更高的精度，成功解決了多年以來(lái)斷裂活動(dòng)期次和時(shí)期限定研究難題，但方解石中U、Pb 同位素含量較低且不均是測(cè)試成功率較低的因素之一。楊鵬等［34］在盆地西南部奧陶系和寒武系內(nèi)斷裂帶方解石脈激光原位U-Pb 測(cè)年表明，奧陶系內(nèi)斷裂帶在漸新世（32.8～23.7 Ma）發(fā)生活動(dòng)；寒武系內(nèi)至少發(fā)生了兩期斷裂活動(dòng)，分別在晚奧陶世晚期（452±13）Ma 和晚三疊世中期（214±22）Ma。

2 斷層與油氣成藏關(guān)系分析

古峰莊地區(qū)斷層發(fā)育且具有多期性［11］，如圖1三維地震等時(shí)切片反映鄂爾多斯盆地古峰莊地區(qū)北西向雁列式斷層在晚三疊世活動(dòng)最強(qiáng)，部分已經(jīng)側(cè)向相接，同時(shí)可見(jiàn)微弱北東東向和近南北向斷層活動(dòng)。如圖2反映鄂爾多斯盆地古峰莊地區(qū)北西向斷層在地震剖面活動(dòng)特征，大部分?jǐn)鄬右?guī)模較?。t色斷層），切過(guò)長(zhǎng)7 烴源巖（地震反射界面TT7），斷距最大；部分規(guī)模大斷層斷至上三疊統(tǒng)（T3）—下白堊統(tǒng)（K1）（2 條紫色斷層）、侏羅系（J）—下白堊統(tǒng)（K1）（綠色斷層），斷距下部大，上部小；根據(jù)斷層斷距和斷開(kāi)地層分析，斷層以晚三疊世活動(dòng)為主，部分?jǐn)鄬訌耐砣B世、侏羅紀(jì)、早白堊世到新生代以來(lái)仍然持續(xù)活動(dòng)。因此，針對(duì)斷層與鉆井位置關(guān)系，對(duì)古峰莊三維區(qū)工業(yè)油井產(chǎn)量與最近斷層距離統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，整體油井都分布在距離斷層1 300 m 內(nèi)（圖3）。當(dāng)石油產(chǎn)量大于等于30 t/d 時(shí)，油井距離斷層越近，產(chǎn)量越高，反之減少，油井與最近斷層小于500 m 時(shí)，石油產(chǎn)量與斷層距離關(guān)系顯著。但是當(dāng)石油產(chǎn)量小于30 t/d 時(shí)，油井產(chǎn)量與最近斷層距離關(guān)系不明顯，推斷石油成藏和產(chǎn)量可能受斷層活動(dòng)期次影響。

圖1 古峰莊長(zhǎng)7泥巖三維地震等時(shí)切片

圖2 古峰莊地區(qū)斷層特征解釋

圖3 古峰莊地區(qū)油井產(chǎn)量與斷層距離關(guān)系

鎮(zhèn)涇、彬長(zhǎng)地區(qū)斷層發(fā)育，斷層活動(dòng)時(shí)期對(duì)油氣藏的形成與分布有重要控制作用［10，12］。中國(guó)石化華北油田公司在西南鎮(zhèn)涇、彬長(zhǎng)地區(qū)結(jié)合鉆井巖心、成像測(cè)井、三維地震資料，對(duì)斷縫體/斷溶體油藏進(jìn)行了理論研究，并針對(duì)斷縫體油藏開(kāi)展了勘探開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)實(shí)踐［35］，以斷縫體油藏理論為指導(dǎo)部署的JH17 和JH75 井區(qū)（圖4），長(zhǎng)8 段試油初期單井產(chǎn)量大于7.3 t/d，試油效果較好。

圖4 JH75井鉆井模式

3 認(rèn)識(shí)和討論

綜合上述分析，鄂爾多斯盆地?cái)鄬影l(fā)育且存在多期活動(dòng)，斷層作為油氣運(yùn)移的通道之一，控制著油氣的運(yùn)移成藏及產(chǎn)能。裂縫方解石脈C-O 同位素、流體包裹體分析表明，裂縫期次與油氣大規(guī)模排烴、運(yùn)移-成藏時(shí)間相近［36-37］，而斷裂活動(dòng)會(huì)產(chǎn)生構(gòu)造裂縫，因此可間接地探討斷裂活動(dòng)期次和與油氣成藏關(guān)系，馮艷偉等［27］在盆地中部通過(guò)構(gòu)造裂縫方解石脈體流體包裹體均一溫度測(cè)試表明，早白堊世時(shí)期斷裂活動(dòng)和成藏期有很好的耦合關(guān)系。值得注意的是，方解石脈ESR 測(cè)年和激光原位U-Pb定年對(duì)測(cè)定斷裂活動(dòng)都具有較高的精度，相比之下，方解石脈激光原位U-Pb 定年已測(cè)得466 Ma 以來(lái)斷層活動(dòng)時(shí)期［30-34］，具有測(cè)定時(shí)期更老且精度高的優(yōu)勢(shì)，因此方解石脈激光原位U-Pb 定年在研究斷裂活動(dòng)時(shí)期與油氣關(guān)系中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。值得注意的是，楊鵬等［34］在鄂爾多斯盆地南部測(cè)得晚奧陶世（452±13）Ma 以來(lái)斷裂活動(dòng)年齡，闡述了斷層活動(dòng)與油氣的關(guān)系。在野外斷裂帶、節(jié)理和鉆井巖心裂縫中方解石脈體常見(jiàn)且采集容易，因此方解石脈激光原位U-Pb 定年有助于解決盆地?cái)嗔鸦顒?dòng)時(shí)期精確限定問(wèn)題，對(duì)斷裂活動(dòng)期次和油氣成藏研究以及對(duì)油氣勘探具有重要指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

（1）方解石脈體作為完整記錄斷層、節(jié)理（裂縫）發(fā)育活動(dòng)史的最直接礦物，測(cè)年能夠直接揭示斷層活動(dòng)期次和時(shí)期，方解石脈激光原位U-Pb 定年對(duì)測(cè)定466 Ma 以來(lái)的斷層活動(dòng)時(shí)期具有較高的精度。

（2）方解石脈年代學(xué)對(duì)斷層活動(dòng)和油氣勘探領(lǐng)域的精確研究開(kāi)辟了更為有效的途徑。開(kāi)展方解石年代學(xué)與成像測(cè)井、三維地震資料結(jié)合研究新思路，可解決斷層活動(dòng)時(shí)期、油氣成藏期及產(chǎn)量等諸多問(wèn)題。