地球物理学报  2014, Vol. 57 Issue (10): 3347-3353   PDF    
引用本文
何将启, 丁汝鑫, 梁世友, 张蕾, 单新建. 2014. 基于磷灰石裂变径迹约束的北黄海盆地热演化研究. 地球物理学报, 57(10): 3347-3353, doi: 10.6038/cjg20141021   
HE Jiang-Qi, DING Ru-Xin, LIANG Shi-You, ZHANG Lei, SHAN Xin-Jian. 2014. Study of thermal evolution of the North Yellow Sea basin based on apatite fission track data. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 57(10): 3347-3353, doi: 10.6038/cjg20141021   
基于磷灰石裂变径迹约束的北黄海盆地热演化研究
何将启1,2, 丁汝鑫3,4, 梁世友5, 张蕾2, 单新建1    
1. 中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029;
2. 中海石油(中国)有限公司勘探部, 北京 100010;
3. 中山大学地球科学与地质工程学院, 广州 510275;
4. 广东省地质过程与矿产资源探查重点实验室, 广州 510275;
5. 中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所, 无锡 214126
投稿时间:2014-6-18    最后修改时间: 2014-8-5 .
基金项目：国家自然科学基金(41102131)和中央高校基本科研业务费专项资金(12lgpy22)资助.
作者简介：何将启, 男, 1973年生, 博士, 高级工程师, 2004年毕业于同济大学, 主要从事盆地分析及油气勘探工作. E-mail: hejq4@cnooc.com.cn
通讯作者：丁汝鑫, 男, 1978年生, 博士, 主要从事构造地质学方面研究. E-mail: dingrux@mail.sysu.edu.cn
摘要：热演化历史的研究对于盆地分析和油气勘探具有重要意义.北黄海盆地是中国近海海域油气勘探程度较低的盆地之一,迄今未见专门的热演化研究报道.笔者利用北黄海盆地中生代砂岩的磷灰石裂变径迹分析结果,结合地质条件约束,模拟获得了中生代以来盆地的热演化史.结果表明,北黄海盆地经历了两次增温和两次冷却的热演化过程,并在100—80 Ma时盆地的热历史出现明显变化,表明在晚白垩世北黄海盆地发生过一次较大的构造-热事件.磷灰石裂变径迹分析所表明的北黄海盆地的热历史与盆地原型演化阶段相对应,而这种热历史和盆地的演化过程与区域构造背景相关.磷灰石裂变径迹所揭示的热演化史对于深化认识北黄海盆地的地质演化过程和油气勘探潜力具有重要意义.
关键词： 裂变径迹     磷灰石     热历史     北黄海盆地    
Study of thermal evolution of the North Yellow Sea basin based on apatite fission track data
HE Jiang-Qi1,2, DING Ru-Xin3,4, LIANG Shi-You5, ZHANG Lei2, SHAN Xin-Jian1    
1. Institute of Geology, China Earthquake Administration, State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Beijing 100029, China;
2. Exploration Department, CNOOC Limited, Beijing 100010, China;
3. School of Earth Science and Geological Engineering, Sun Yat-Sen University, Guangzhou 510275, China;
4. Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Resources & Geological Processes, Guangzhou 510275, China;
5. Wuxi Research Institute of Petroleum Geology, SINOPEC, Jiangsu Wuxi 214126, China
Abstract: The North Yellow Sea basin is one of the basins with lower exploration degrees in offshore areas of China. As so far, there is no research and report about thermal evolution of this basin. This work studies the thermal evolution history of this area based on apatite fission track analysis, which lays a foundation for further research. The sandstone samples used for analysis we recollected from different wells down to different strata (upper Jurassic,lower Cretaceous and Paleogene). The low-temperature thermal history modeling of fission track indicates that the basin experienced two heating stages and two cooling stages since about 160Ma, and an obvious temperature change might have occurred during 100—80 Ma,which means that North Yellow Sea Basin had undergone a major tectonic-thermal event in that time.This modeling result suggests the thermal history is corresponding to basin prototype evolution in the North Yellow Sea basin, which has some significance to exploration of oil and gas in this region.
Key words: Fission track     Apatite     Thermal evolution     North Yellow Sea basin    
1 引言

北黄海盆地位于黄海海域北部，介于山东半岛和朝鲜半岛之间，呈近北东向展布，面积约5万km2(图 1).北黄海盆地是印支期运动之后在前中生代基底之上形成的中-新生代沉积盆地(戴春山等，2003；田振兴等，2004)，盆地中、新生代沉积最大厚 度达8000 m，其中晚中生代沉积厚度为2000~3000 m，古近纪在北部凹陷沉积近3000 m，新近纪和第四纪沉积厚度较薄，仅300~600 m.北黄海盆地是迄今在中国近海尚未发现商业性油气的为数不多的盆地之一，由于勘探程度较低，目前的研究主要集中在盆地的基底特征(肖国林等，2005)、盆地内的地层发育和沉积充填(龚建明等，2000；陈玲等，2006)、盆地的构造特征及演化(龚承林等，2009；王立飞等，2012)、以及与油气勘探相关的烃源岩(梁世友等，2009；刘金萍等，2013)、储层特征(王强等，2010)等方面的研究，对于盆地的热史分析资料缺乏.

图 1 北黄海盆地位置图Fig. 1 Location of North Yellow Sea basin

盆地的热历史是研究盆地内油气生成、运移和聚集成藏的重要物理参数，也是盆地构造演化过程的客观反映(胡圣标等，1999).因此，热演化历史的研究对盆地分析和油气勘探具有重要意义.盆地的热历史重建可在盆地和岩石圈两种不同的尺度上进行，可分别称为古温标法和构造热演化法.古温标法是利用古地温计(如镜质体反射率Ro、粘土矿物、磷灰石裂变径迹等)通过反演计算恢复沉积盆地的热历史(胡圣标和汪集旸，1995；田云涛等，2009).构造热演化法是建立在盆地成因机制分析并与之相应的地质-地球物理模型基础之上的，一般采用数值模拟计算的方法，以获得盆地演化过程中的区域热背景(何丽娟和汪集旸，2007).由于我国沉积盆地往往经历了多个演化阶段，具有复杂的叠加地质结构，对盆地的热演化过程也有重要影响，因此热演化史的研究往往需要和盆地的地质演化分析相结合.

裂变径迹年代学是近年发展起来的一种技术，由于成功地引入了“ζ”年龄校正方法及外探测器方法，因此可以利用单颗粒矿物来定年，而描述磷灰石退火行为的动力学模型的提出也使得裂变径迹技术成为热演化史分析的重要手段(周祖翼等，2001).本文即是利用磷灰石裂变径迹来研究北黄海盆地的热演化史，这对研究程度较低的北黄海盆地来说尚属首次.

2 磷灰石裂变径迹热年代学

重核元素裂变时产生的高能带电粒子在通过固体绝缘介质时，形成一个狭窄的辐射损伤区，被称作径迹(图 2).由天然矿物中含有的微量铀自发产生裂变在玻璃或矿物中产生的径迹称为自发裂变径迹，而含铀矿物受到热中子辐照后所含的一部分235U发生裂变产生的新径迹称为诱发裂变径迹.

图 2 裂变径迹形成示意图Fig. 2 Sketches showing fission track formation
2.1 裂变径迹测年技术

由于238U自发裂变的速度(即自发裂变常数)是恒定的，因此只要知道已发生裂变的238U含量和未发生裂变的238U含量，便可以给出一个年龄.其中，已发生裂变的238U含量可以通过自发裂变径迹的数目获得，而未发生裂变的238U含量则通过诱发裂变径迹数目来获得.因为235U/238U的丰度比在自然界中是一个常数，因此通过235U的诱发裂变数目可以计算出矿物中238U的剩余含量.由此得到裂变径迹绝对测年法的公式为：

式中，t为待测年龄，λα为238U总衰变常数，λf为238U自发裂变常数，ρs为自发径迹密度，ρi为诱发径迹密度，Q为统计因子，G为几何因子，σ为235U热中子诱发裂变截面积，I为235U与238U的比值，φ为热中子通量.

为了消除裂变径迹年龄测定中的非确定因素λf、σ和φ，引入相对测年法即使用标准样和中间转换值ζ来求取径迹年龄的大小为

其中，ζ=[exp(λαtstd)-1]/ ［λα(ρs/ρi)stdGρd，ρd为标准玻璃诱发径迹密度，tstd为标准样年龄.

2.2 磷灰石裂变径迹热史模拟

裂变径迹的密度、长度都会随着温度的升高与时间的延长等因素而分别发生降低、缩短，这一过程被称为裂变径迹的退火.对于退火作用的研究可以被用来恢复矿物的时间-温度演化历史(即T-t关系)，进而可以用于反演沉积盆地的构造-热历史.

通过实验研究，人们已经建立了磷灰石裂变径迹的退火模型，并且随着研究的深入不断改进和完善，目前趋于成熟，已从早先单一成分的退火模型发展成为多元的动力学模型(Laslett et al., 1987; Crowley et al., 1991; Griffin et al., 1998; Ketcham et al., 1999). 在此基础上，应用颗粒年龄、围限径迹长度等测量参数，可以进行热史的正演和反演模拟.一般来说，在地质研究中人们往往是根据磷灰石裂变径迹观测数据来重建地质过程中的热历史，因此反演模拟的应用更为普遍.反演模拟可以通过软件来实现：首先设定一些热史约束条件，然后通过一定的方法生成大量的T-t热史模拟曲线，以此求出径迹年龄和径迹长度模拟值，并与实测的径迹年龄和径迹长度对比，最后通过GOF检验值与K-S检验值来分别判断磷灰石裂变径迹颗粒年龄模拟值与观测值的吻合程度及磷灰石裂变径迹长度模拟值与观测值的吻合程度.当GOF和K-S检验值都超过5%时，模拟所得的热史被认为是“可以接受的”.当两者都超过50%时，模拟所得的热史则被认为是“高质量的”.而最佳模拟曲线所反映的热史最可能代表了地质过程中的热演化过程.

3 盆地的热演化研究 3.1 样品分析和模拟参数选取

本次所测样品，岩性均为砂岩，来自北黄海盆地不同钻井及不同深度(均大于1500 m)的不同地层(见图 1和表 1).这些样品被送到河北省廊坊地调院进行磷灰石分选，经过粗碎、细碎、淘洗、重液分离及磁选等，分选出五组符合实验测试要求的磷灰石颗粒，然后这些颗粒经过环氧树脂制靶、抛光.接着在25 ℃下使用7%浓度HNO3保持30 s蚀刻出自发径迹，再加白云母外探测器送反应堆辐照，然后用在25 ℃下使用40%浓度HF保持20 s蚀刻出诱发径迹.最后进行镜下观测.

表 1 磷灰石裂变径迹分析结果Table 1 Measured AFT data on samples from North Yellow Sea basin

裂变径迹分析结果见表 1，五个样品年龄介于 38—67 Ma之间，平均围限径迹长度在10.2~11.3 μm 之间.其中NHH80、NHH81与NHH83三个样品年龄值远小于沉积地层年龄，围限径迹长度呈单峰分布，表明样品在沉积之后经历了强烈退火.根据3个样品的合并年龄(56—67 Ma)，可知在新生代北黄海盆地发生了加热事件，这次加热事件可能导致了样品发生了强烈退火.NHH82与NHH84样品虽然年龄值接近于沉积地层年龄，但围限径迹长度仍呈单峰分布且与上述3个样品长度大小相似，表 明样品在沉积之后经历了强烈退火.综合五个不同时代样品，我们认为这五个样品很有可能是在NHH82与NHH84样品沉积以后(即E3或E3以后)同一时期发生了强退火.

此次研究使用AFTSolve软件(Ketcham et al，2000)对样品进行低温段热史模拟，其中，退火模型选用Laslett等(1987)模型；随机过程选用Monte Carlo方法，随机选取拟合曲线数量为15000条，节点数为3；年龄计算选用合并年龄计算方法；长度分布检验使用Kolmogorov-Smirnov方法，初始径迹 长度值取16.30 um，年龄标准样的长度减少取0.893； 最大温度变化率为10 ℃/Ma.

3.2 模拟过程和效果

根据地质演化分析，我们认为在晚侏罗到早白垩世北黄海盆地经历了走滑拉分的沉降阶段，早白垩世末经历了一次比较大的剥蚀，之后进入早第三纪的断陷形成期，晚第三纪后转为拗陷(何将启等，2007).据此，我们在热史模拟过程中增加了不同时间点的温度范围作为模拟过程中的约束条件，取得了不错的模拟效果，都得到了“高质量的”模拟结果. 图 3即为NHH80样品的热史模拟结果，其中绿色区域代表“可以接受的”热史演化过程，粉红色区域代表“高质量的”热史演化过程，黑色曲线为最佳模 拟曲线，其K-S检验值为0.73(73%)，GOF值为0.67(67%)，均大于50%，表明热史的模拟结果可靠.

图 3 北黄海盆地NHH80样品磷灰石裂变径迹热历史模拟Fig. 3 T-t modeling based on AFT data of sample NHH80 from North Yellow Sea basin
3.3 模拟结果分析

通过NHH80样品模拟结果我们可以看出，北黄海盆地从约160 Ma以来的热演化经历几个不同的阶段：

(1)从约160 Ma到100 Ma北黄海盆地表现为 为快速沉降增温(第一次增温)，增温速率为2.8 ℃/Ma左右；

(2)从100 Ma至80 Ma北黄海盆地发生快速抬升剥蚀，表现为快速的冷却(第一次冷却)，冷却速率为3 ℃/Ma左右；

(3)从约60 Ma到23 Ma为北黄海盆地又进入沉降增温阶段(第二次增温)，此次增温开始较快，达5.0 ℃/Ma左右，此后增温放缓；

(4)23 Ma至今北黄海盆地表现为缓慢冷却(第二次冷却)，冷却速率为1.0 ℃/Ma左右.

其它四个样品的AFT热史曲线，也有大致相同的特征(图 4)，都表现出两次增温和两次冷却的温度演化历史，而且均在100—80 Ma时热史模拟曲线出现明显的转折，这说明北黄海盆地在晚白垩世发生过一次比较大的构造-热事件，这一次构造-热事件使得北黄海盆地的构造-热体制发生了重大变化.

图 4 北黄海盆地NHH81、82、83、84样品磷灰石裂变径迹热历史模拟Fig. 4 T-t modeling based on AFT data of samples NHH81，82，83，84 from North Yellow Sea basin

结合区域地质背景及北黄海盆地的形成演化分析，磷灰石裂变径迹所揭示的北黄海盆地热历史与盆地原型演化阶段相对应.160 Ma到100 Ma的第一次增温对应于盆地形成的初始阶段，即走滑拉分盆地原型发育阶段，此时由于盆地的快速拉分，地幔上隆，地壳拉张减薄，造成盆地快速增温.从100 Ma至80 Ma，中国东部地区发生构造抬升，北黄海盆地随之整体上升，造成盆地迅速降温冷却.自60 Ma至23 Ma，盆地进入断陷发育阶段，由于地壳减薄造成盆地内再次增温.23 Ma以来，断陷作用停止，盆地转为拗陷演化阶段，进入逐渐冷却缓慢降温过程.北黄海盆地的这种热历史与盆地原型演化过程可能与库拉-太平洋板块向欧亚大陆俯冲(Griffin et al. 1998)、东亚大陆边缘带的构造扩张(张健和石耀霖，2003)以及郯庐断裂带的活动有关.

4 结论与讨论

用磷灰石裂变径迹约束的盆地热历史研究较好地验证了北黄海盆地经历了多期原型迭加和多阶段演化的地质认识，这有助于研究盆地内烃源岩演化和油气的生成过程.因此，本次裂变径迹的实验结果和热史分析不仅填补了北黄海盆地热演化研究的空白，同时这些结果和认识还为将来进一步探讨盆地的构造-热演化过程提供了基础，可以为今后的油气勘探提供指导.

由于磷灰石裂变径迹退火是一个复杂的动力学过程，除受控于温度和时间外，还与磷灰石的成分、磷灰石的蚀刻特征以及径迹与晶体c轴的夹角有关，因此多元动力学模拟能更好地揭示地质体经历的热历史(田云涛等，2009).但限于北黄海盆地的研究现状和样品等条件，目前仅能用有限的样品和数据对盆地的热演化历史做初步的研究.今后随着勘探和研究程度的提高，可以在整个盆地范围内不同构造单元部位取样并做详细的热演化分析，这样才能得到更加全面和准确的认识.

致谢 感谢中海石油(中国)有限公司勘探部、中石化石油勘探开发研究院无锡地质研究所的领导和同事在研究过程中提供的大力支持和帮助，感谢同济大学许长海教授在论文撰写过程中提出的宝贵修改意见和建议.

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