鄂爾多斯盆地中生代晚期構(gòu)造熱事件及其形成機理

鄂爾多斯盆地中生代晚期構(gòu)造熱事件及其形成機理

盆地熱演化史控制了油氣的產(chǎn)生、傳播、聚集和形成。不同類型的盆地具有不同的地球熱動力學背景。因此，油藏時期的不同，油氣勘探的前景也不同（趙崇元等，1990；王月安等，1993；劉國偉等，1993；常立等，1994年；胡圣彪等，1995；任作宜，1995；。在國家“八五”攻關(guān)期間,任戰(zhàn)利等根據(jù)多種古地溫溫標確定盆地古地溫高于今地溫,并根據(jù)古地溫梯度高于現(xiàn)今地溫梯度、構(gòu)造運動及火成巖活動等首次確定了燕山晚期(晚侏羅—早白堊世)在鄂爾多斯盆地發(fā)生了一次重要的構(gòu)造熱事件及23Ma以來的抬升冷卻事件,認為中生代晚期構(gòu)造熱事件對油氣的生成、運移、成藏有重要的控制作用12(任戰(zhàn)利等,1994;任戰(zhàn)利,1995,1996)。之后不同學者用不同的方法,從不同的角度對盆地熱演化史、構(gòu)造熱事件及與油氣的關(guān)系作了進一步的研究,加深了盆地熱史及構(gòu)造熱事件的研究深度(趙孟為,1996;孫少華等,1996,1997;葉加仁等,1997;任戰(zhàn)利等,1997,1999b,2001;周江羽等,1998;高峰等,2000;劉新社等,2000;萬叢禮等,2004;)。雖然對鄂爾多斯盆地發(fā)生構(gòu)造熱事件的期次有不同認識,但普遍認為燕山期構(gòu)造熱事件是存在的,對鄂爾多斯盆地中生代晚期構(gòu)造熱事件研究工作較多,認為燕山期構(gòu)造熱事件對油氣生成、運移、成藏有重要的控制作用。從已有的研究工作來看對中生代晚期構(gòu)造熱事件在盆地的影響范圍、發(fā)生的精確時間、形成機理研究工作較為薄弱(任戰(zhàn)利等,2005a;劉池洋等,2005)。盆地構(gòu)造熱事件的研究是盆地熱史研究的一個熱點,盆地構(gòu)造熱事件發(fā)生時期、形成機制、影響范圍及對油氣、煤的演化程度、對成藏的控制作用是研究的重點(Nunn,1994;任戰(zhàn)利等,1995,1999,2005b;Petmeckyetal.,1999;Hertleetal.,2000;Fribergaetal.,2000;任戰(zhàn)利等,2001,2001,2005b;Sachsenhoferetal.,2002)。根據(jù)收集到的1146個盆地不同區(qū)塊鏡質(zhì)體反射率(Ro)數(shù)據(jù)及我們新測定的35個Ro數(shù)據(jù),重新勾繪了不同層位鏡質(zhì)體反射率平面分布圖。在古地溫恢復、熱史模擬的基礎(chǔ)上,研究了構(gòu)造、埋深、火成巖活動與不同層位鏡質(zhì)體反射率平面分布圖的關(guān)系,確定了鄂爾多斯盆地熱異常分布區(qū),探討了構(gòu)造熱事件發(fā)生的時間和機理。1不同層的熱發(fā)育程度的三維分布特征1.1南高北低特點從鄂爾多斯盆地現(xiàn)今上古生界石炭—二疊系煤系地層Ro平均等值線圖上可知,Ro值總體具有由盆地邊緣向盆地內(nèi)逐漸增高,盆地內(nèi)南高北低的特點。盆地北部伊盟隆起東北角為最低值區(qū),Ro值在0.6%～1.2%之間;其次為晉西撓褶帶和西緣逆沖帶,Ro值分別在0.8%～1.6%和1.0%～1.6%之間。天環(huán)向斜北部及渭北隆起較高,最高區(qū)在吳旗、富縣、慶陽一帶,最高值可達3.0%以上(圖1)。在渭北隆起隴縣龍2井一帶、西緣逆沖帶汝箕溝煤礦、晉西撓褶帶臨縣紫金山巖體,Ro值為異常高值區(qū)。1.2西部沿邊地區(qū)—上三疊統(tǒng)中生界上三疊統(tǒng)延長組鏡質(zhì)體反射率平面分布表明鏡質(zhì)體反射率從盆地邊緣向盆地內(nèi)部增高,盆地南部區(qū)高于北部區(qū)(圖2)。在盆地北部鄂托克旗—橫山以北的廣大地區(qū)為鏡質(zhì)體反射率低值區(qū),Ro小于0.8%;在晉西撓褶帶、渭北隆起Ro值較低;Ro高值區(qū)在吳旗、慶陽、富縣、延安一帶,最高值可達1.0%以上。1.3石炭—中侏羅統(tǒng)中生界中侏羅統(tǒng)延安組鏡質(zhì)體反射率值從盆地邊緣向盆地內(nèi)部增高,顯環(huán)帶狀分布,從邊緣的0.4%,增加到盆地中心的0.8%以上,鏡質(zhì)體反射率值總體為南高北低(圖3)。Ro最高值對應志丹—慶陽—富縣帶,Ro值最高可達08%以上。從以上鄂爾多斯盆地石炭—二疊系、上三疊統(tǒng)以及中侏羅統(tǒng)烴源巖的鏡質(zhì)體反射率等值線平面分布圖可以看出,鏡質(zhì)體反射率等值線分布及變化有以下特點:①隨著層位的變深(埋深增加),鏡質(zhì)體反射率值增大;②從盆地邊部向盆地內(nèi)部鏡質(zhì)體反射率值增大;③盆地鏡質(zhì)體反射率值總體具有南高北低的特點,高值區(qū)分布在盆地定邊—靖邊—綏德以南的南部區(qū);④盆地不同層位的鏡質(zhì)體反射率值(Ro)高值區(qū)位置大體相同,重合性很好,高值區(qū)位于盆地南部的吳旗—慶陽—富縣一帶(圖4)。2熱態(tài)平衡與結(jié)構(gòu)的關(guān)系網(wǎng)絡2.1表現(xiàn)在盆地南部高鄂爾多斯盆地現(xiàn)今東部為一斜坡、西部為一坳陷的構(gòu)造面貌是在中生代晚期開始出現(xiàn)的,中生代以后盆地整體抬升,此構(gòu)造面貌得到進一步加強和改造。盆地現(xiàn)今的構(gòu)造格架在一定程度上反映了中生代晚期的面貌。石炭—二疊系、上三疊統(tǒng)以及中侏羅統(tǒng)烴源巖的鏡質(zhì)體反射率等值線總體具有邊緣低、盆內(nèi)高,北部低、南部高,吳旗—慶陽—富縣一帶為異常高值區(qū)的特點。上古生界西部埋藏深,反射率總體較高,東部埋藏淺,反射率總體較低。不同構(gòu)造單元鏡質(zhì)體反射率(Ro)與深度關(guān)系圖中鏡質(zhì)體反射率(Ro)值沒有明顯的錯斷,表明反射率總體受埋藏深度的控制(任戰(zhàn)利等,1994),天環(huán)向斜已埋藏深度增大而增大,最大古地溫是在侏羅紀之后達到的(圖5)。上古生界煤層、中生界上三疊統(tǒng)延長組以及中侏羅統(tǒng)延安組的鏡質(zhì)體反射率等值線趨勢與相應層位在中生代早白堊世晚期的古構(gòu)造線趨勢不完全一致,在盆地南部慶陽—富縣—吳旗一帶鏡質(zhì)體反射率等值線與古構(gòu)造線相交(圖1～3),鏡質(zhì)體反射率等值線高值區(qū)在慶陽—富縣—吳旗一帶近東西向顯環(huán)形分布。鄂爾多斯盆地不同層位鏡質(zhì)體反射率等值線分布趨勢與盆地現(xiàn)今莫霍面分布形態(tài)及現(xiàn)今地溫等值線分布形態(tài)也不一致(任戰(zhàn)利,1995,1999),表明鄂爾多斯盆地現(xiàn)今不同層位鏡質(zhì)體反射率等值線也不受現(xiàn)今地溫場、現(xiàn)今地殼結(jié)構(gòu)的控制。2.2中侏羅世末上古生界鏡質(zhì)體反射率分布特征結(jié)果如果按統(tǒng)一的、正常的地溫梯度模型模擬,在中侏羅世末不同層位的埋藏深度趨勢線與該層位在中侏羅世末達到的鏡質(zhì)體反射率值趨勢線(應用正常地溫梯度模擬結(jié)果)一致,而與上古生界、中生界上三疊統(tǒng)以及中侏羅統(tǒng)烴源巖現(xiàn)今的鏡質(zhì)體反射率等值線趨勢不一致,表明中侏羅世末上古生界鏡質(zhì)體反射率等值線不可能達到現(xiàn)今的值。根據(jù)埋藏史恢復在早白堊世晚期地層達到最大埋深(任戰(zhàn)利等,1994),在恢復早白堊世之后的剝蝕厚度后,此時不同層位的古埋藏深度趨勢線與該層位在現(xiàn)今的鏡質(zhì)體反射率等值線趨勢也不一致,不一致主要表現(xiàn)在盆地南部慶陽—富縣—吳旗一帶鏡質(zhì)體反射率出現(xiàn)近東西向的高值區(qū)。在盆地南部增大中生代晚期的古地溫梯度,可使不同層位在早白堊世晚期的熱演化程度與現(xiàn)今的熱演化程度等值線趨勢一致,且使熱演化程度值接近。因此鄂爾多斯盆地不同層位現(xiàn)今的鏡質(zhì)體反射率值除受古埋深控制外,也受古地溫梯度南高北低不均一性的控制,在盆地南部受異常古地溫梯度的控制明顯。3異常區(qū)域的形成時間和機制3.1異常區(qū)域的形成時間3.1.1盆地中生代晚期的古地溫梯度鄂爾多斯盆地不同構(gòu)造單元鏡質(zhì)體反射率(Ro)與深度關(guān)系圖中鏡質(zhì)體反射率(Ro)在不同層位沒有明顯的錯斷,鏡質(zhì)體反射率(Ro)與深度關(guān)系為視線型連續(xù)變化類型,隨深度的增加,鏡質(zhì)體反射率增大。因此鏡質(zhì)體反射率(Ro)與深度關(guān)系曲線主要反映地層在早白堊世達到最大埋深時的古地溫梯度(任戰(zhàn)利等,1994;Suggate,1998)。我們根據(jù)多種古地溫恢復方法對盆地中生代晚期的古地溫梯度進行了恢復,恢復的結(jié)果表明鄂爾多斯盆地中生代晚期的古地溫梯度主要在3.3～4.80℃/100m之間。在盆地北部古地溫梯度低;在盆地南部古地溫梯度高,古地溫梯度主要在4.00℃/100m左右或更高(任戰(zhàn)利等,1994;任戰(zhàn)利,1995,1999)。根據(jù)盆地沉積構(gòu)造背景、盆地類型、構(gòu)造運動期次、強弱,給出盆地熱演化模型(任戰(zhàn)利,1995),在恢復剝蝕厚度的基礎(chǔ)上,不斷的修改熱演化模型,使盆地模擬結(jié)果中實測的鏡質(zhì)體反射率(Ro)與理論計算的鏡質(zhì)體反射率很好的一致時,就認為此熱史模型可以代表盆地的熱演化史。我們應用Easy%模型,重新對盆地不同構(gòu)造單元的7口井進行了詳細的熱史模擬(Sweeneyetal.,1990),模擬結(jié)果總體而言在中生代晚期約130～100Ma時地溫梯度較高,盆地南部古地溫梯度高于盆地北部,盆地南部慶36井在中生代晚期約130～100Ma時地溫梯度高達為4.4℃/100m(圖6),此模擬值與用古地溫溫標計算的古地溫梯度較接近。盆地熱史模擬結(jié)果表明在中生代晚期的古地溫梯度較高,在盆地南部出現(xiàn)過異常高值,說明中生代構(gòu)造熱事件發(fā)生在早白堊世約130～100Ma。3.1.2巖漿與巖脈植物火成巖活動的紀錄是構(gòu)造熱事件發(fā)生的直接證據(jù),盡管鄂爾多斯盆地內(nèi)部火成巖不發(fā)育,但盆地周緣燕山期火成巖活動較為強烈。在盆地邊緣區(qū)東緣臨縣的紫金山巖體分布具環(huán)帶狀,巖體呈孤島狀出露于三疊系二馬營組,堿性火成巖體面積達23km2。從外環(huán)向內(nèi)環(huán),巖性依次為:二長巖、長石霓輝正長巖、霓輝正長巖、角礫狀粗面巖、角礫狀響巖。地球化學分析表明巖漿來源于地幔(黃錦江,1991)。巖體主要為燕山晚期形成,紫金山巖體同位素年齡在154～91Ma之間,主要在138～125Ma之間,相當于早白堊世(武鐵山3;吳利仁等,1964;湯達禎等,1992)。在盆地西緣已發(fā)現(xiàn)了幾十個燕山期火成巖體,如西緣中段炭山的輝綠巖,西緣南段隴縣的10余個花崗斑巖或安山玄武巖。西緣汝箕溝的鼓鼓臺玄武巖,玄武巖伴生巖脈侵入的最高層位為中侏羅統(tǒng)安定組,玄武巖同位素年齡為103.6±3.1Ma和98.79±2.86Ma(高山林等,2003)。在汝箕溝向斜內(nèi),由于火成巖使侏羅系延安組煤層鏡質(zhì)體反射率產(chǎn)生了異常高值,煤層鏡質(zhì)體反射率高達2.15%～3.87%,明顯高于鄂爾多斯盆地內(nèi)部侏羅系延安組煤層的鏡質(zhì)體反射率值。汝箕溝煤礦區(qū)發(fā)育規(guī)模大小不等的石英脈,石英脈中的包裹體均一溫度為171～240℃。以上結(jié)果說明巖漿活動時期為安定組沉積之后(約150Ma),在90Ma前。在伊盟隆起上下白堊統(tǒng)涇川組在保爾斯太溝、伊12井一帶有玄武巖侵入,在喇嘛溝有輝綠巖侵入4。在盆地南緣渭北隆起上隴縣華亭地區(qū)龍1、龍2井三疊系中鉆遇厚達150m以上的霞石正長巖、閃長玢巖。龍1井在1584m(延長組)鉆遇154.6m厚的霞石正長巖,火成巖未見底。龍2井自延長組1段頂1668m開始到薊縣系的3536m,有52層總厚為384.5m的巖漿巖。龍1、龍2井的火成巖使上覆地層熱演化程度產(chǎn)生了異常高值。中生代晚期構(gòu)造熱事件發(fā)生不會是孤立的,與鄂爾多斯盆地相鄰的山西地區(qū)燕山期火成巖發(fā)育,山西地區(qū)的中生代火成巖同位素年代測量數(shù)據(jù)表明巖漿侵入和噴發(fā)發(fā)生于侏羅紀到白堊紀,其年齡主要分布于110～150Ma之間,主峰值120～140Ma,主峰年齡相當于早白堊世(任戰(zhàn)利,1995,1999;任戰(zhàn)利等,2001,2005)。山西地區(qū)中生代火成巖同位素年齡與鄂爾多斯盆地周緣區(qū)的火成巖活動時期基本一致,同為晚燕山期。3.1.3強烈的構(gòu)造運動鄂爾多斯盆地及周緣區(qū)燕山晚期構(gòu)造活動強烈,在盆地周緣區(qū)地層變形強烈,在盆地緣區(qū)中侏羅統(tǒng)與下白系統(tǒng)之間存在明顯的角度不整合,在盆地內(nèi)部為平行不整合。強烈的構(gòu)造運動主要發(fā)生在晚侏羅世。早白堊世鄂爾多斯盆地處于一種拉張環(huán)境,巖漿侵入和噴發(fā),反映盆地深部熱處于活躍時期。根據(jù)鄂爾多斯盆地周緣及鄰區(qū)火成巖年齡、磷灰石裂變徑跡、強烈構(gòu)造運動發(fā)生時期及盆地熱史模擬等資料,可以判定構(gòu)造熱事件主要發(fā)生在中生代晚期早堊世約140～100Ma。構(gòu)造熱事件持續(xù)時間約在10～40Ma之間,構(gòu)造熱事件發(fā)生時期為地溫梯度、熱流值異常時期。3.2巖石圈深部熱活動加強,華北南部熱演化程度異常鄂爾多斯盆地中生代晚期構(gòu)造熱事件除在火成巖侵入和噴發(fā)的地區(qū)表現(xiàn)較強外,使盆地整體地溫梯度升高,在盆地南部吳旗—慶陽—富縣一帶地溫梯度更高,造成了古生界、中生界烴源巖熱演化程度異常。中生代晚期構(gòu)造熱事件發(fā)生不是孤立的,鄂爾多斯盆地發(fā)生時間與華北地臺巖石圈全區(qū)范圍內(nèi)由虧損地幔性質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)楦患蒯Ｐ再|(zhì)時期、巖石圈減薄時期及華北東部構(gòu)造體制轉(zhuǎn)折的峰期一致(任戰(zhàn)利,1999;吳福元等,1999;任戰(zhàn)利等,2001,2005;毛景文等,2003;翟明國等,2003)。異常地溫場形成的根本原因在于中生代晚期早白堊世鄂爾多斯盆地巖石圈深部的熱活動增強,鄂爾多斯盆地南部巖石圈深部熱活動性比北部更強(任戰(zhàn)利,1995,1999;任戰(zhàn)利等,2001,2005),此時鄂爾多斯盆地可能處于一種弱拉張的的構(gòu)造環(huán)境,地幔發(fā)生底侵作用,巖石圈減薄,發(fā)生巖漿侵入和噴發(fā)(圖7)。晚白堊世以來鄂爾多斯盆地巖石圈深部熱活動性減弱,巖石圈增厚。華北南部近東西向古生界煤高變質(zhì)帶分布于秦嶺造山帶的北部(秦勇等,1993;鐘寧寧等,1994;何建坤,1996),鄂爾多斯盆地南部熱演化程度異?？膳c華北南部濟源—開封—永城一帶古生界煤高變質(zhì)帶相連,共同組成鄂爾多斯盆地南部和華北南部古生界煤高變質(zhì)帶。鄂