岩石学报  2016, Vol. 32 Issue (12): 3817-3834   PDF    
裂变径迹方法约束的塘古兹巴斯坳陷中-新生代热演化史——来自青藏高原构造运动的响应
陈威威1, 何碧竹1, 许志琴1, 蔡志慧1, 焦存礼2, 肖中尧3, 余腾孝4, 余卓颖1     
1. 大陆构造与动力学重点实验室, 中国地质科学院地质研究所, 北京 100037 ;
2. 中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院, 北京 100083 ;
3. 中石油塔里木油田分公司勘探开发研究院, 库尔勒 841000 ;
4. 中国石化西北油田分公司研究院, 乌鲁木齐 830011
摘要: 塘古兹巴斯坳陷中生代地层缺失严重,中生代以来的构造发育、隆升过程,是该区构造-沉积演化的难点。裂变径迹低温热年代学技术是近年来用于沉积盆地热史研究的新技术,在地质热事件定年、地质体热演化历史、构造区隆升与剥蚀等方面应用十分广泛,在确定隆升过程及热历史上有其独到的优越性。本文通过塘参1井钻井岩心样品的裂变径迹实验和热演化史模拟,结合地层发育情况,揭示了塘古兹巴斯坳陷中-新生代存在5个冷却抬升-增温沉降旋回,即248~240Ma(早-中三叠世)、199~120Ma(三叠纪末-早白垩世)、72~55Ma(晚白垩世-古新世)、24~15Ma(晚渐新世-早中新世)和7.4~2.2Ma(中新世晚期-上新世)等5个抬升冷却期,期间为沉降沉积期。此5个冷却阶段的平均冷却速率的变化具有先增后降的过程,从三叠纪至中新世期,平均冷却速率逐渐增大;在早中新世达到最大为4.22℃/Myr;晚中新世至今,平均冷却速率逐渐减小。反映了中-新生代以来隆升最快的时期为喜马拉雅中期(24~15Ma)。持续最长时间的抬升表现在侏罗纪-早白垩世中期,塘古兹巴斯坳陷处于前缘隆起,未接受沉积,并使中上三叠统沉积地层遭受剥蚀。且塘古兹巴斯坳陷中古生代及晚古生代早期沉积地层,在早-中三叠世前经历了较高的古地温,致使磷灰石样品发生完全退火,锆石样品部分退火,不同于相邻的巴楚地区。塘古兹巴斯坳陷热演化过程中冷却(抬升)及增温(沉降)事件的发生时期,与古特提斯、新特提斯闭合及印度-亚洲碰撞的关键时刻相吻合,可作为青藏高原多阶段构造运动的响应。
关键词: 热演化史     冷却速率     裂变径迹     中-新生代     塘古兹巴斯坳陷     塔里木盆地    
The thermal evolution history of Tangguzibas depression in the Meso-Cenozoic based on constraints of fission track method: Manifestation of the tectonic movements in Tibet Plateau
CHEN WeiWei1, HE BiZhu1, XU ZhiQin1, CAI ZhiHui1, JIAO CunLi2, XIAO ZhongYao3, YU TengXiao4, YU ZhuoYing1     
1. Key Laboratory of Continental Tectonics and Dynamics, Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China ;
2. Exploration and Production Research Institute of SINOPEC, Beijing 100083 ;
3. Institute of Petroleum Exploration and Development, Tarim Oil Field Sub-company, CNPC, Korla 841000, China ;
4. Institute of Western Petroleum Sub-company of SINOPEC, Urumqi 830011, China
Abstract: The Mesozoic in the Tangguzibas depression was seriously absent, the reconstruction of tectonic evolution and uplifting process in this area is difficult during the Mesozoic. Low temperature thermal chronology technology of fission track is used in the thermal history of sedimentary basin in recent years, which is currently used in the geological thermal events dating, geological body thermal evolution history, tectonic uplift and denudation, and so on. It has its unique superiority; especially it can provide the processes of thermal history for lost many strata areas in superimposed basins. Based on fission track experiments, thermal evolution history simulation of drilling core samples in TangC1 well, combined with stratigraphic development, this study reveals the thermal evolution of Tangguzibas depression in Meso-Cenozoic. Since Mesozoic, there are five cooling stages in the process of thermal evolution of Tangguzibas depression, including 248~240Ma (Early-Middle Triassic), 199~120Ma (Late Triassic to Early Cretaceous), 72~55Ma (Late Cretaceous to Paleocene), 24~15Ma (Late Oligocene to Early Miocene) and 7.4~2.2Ma (Late Miocene to Pliocene). In this five cooling stages, the average cooling rate can be divided into two stages and indicate the increasing in the early and the dropping in the later. The average cooling rate and uplifting rate increase gradually from the Triassic to the Miocene. The maximum average cooling rate attained 4.22℃/Myr in the Early Miocene, and decreased gradually from the Late Miocene to present. The strongest and fastest uplifting occurred in the Tangguzibas depression, which responded with the Middle Himalayan Movement. The longest duration of the cooling and uplifting stages occurred in the Jurassic and early of Middle Cretaceous, the Tangguzibas depression was in the forebulge setting, almost unreceived the deposition of the Jurassic and the Middle and Upper Triassic were eroded during this time. The strata of the Middle and Upper Paleozoic in the Tangguzibas depression were experienced the higher paleo-geothermal before the Early and Middle Triassic, so that the apatites have been completely annealed and the zircons partially annealed, which were different with the Bachu Uplift. The polycycles of the cooling (uplifting) and warming (subsiding) events in the evolution of the Tangguzibas depression during the Meso-Cenozoic are coordinated with the closure of Paleo-Tethyan and Neo-Tethys and continent-continent collisions between the Indian to Asian Plates, as well as responses of the multi-stages tectonic movements of the Tibet Plateau in the Meso-Cenozoic.
Key words: Thermal history     Cooling rate     Fission track     Meso-Cenozoic     Tangguzibas depression     Tarim Basin    
1 引言

塔里木盆地由北部的天山-北山造山带、西南部的西昆仑造山带、东南部的阿尔金造山带所围限,在不同的地质历史时期,塔里木地块和周缘造山带相互作用、互为响应,构成了现今复杂的盆-山体系(贾承造等,2004; 康玉柱,2010; 许志琴等,2011)。塔里木盆地经历了震旦纪-中泥盆世、晚泥盆世-三叠纪、侏罗纪-新生代等3个一级构造旋回,经历了加里东早期、加里东中期、加里东晚期、海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期等7个二级演化阶段,是典型的叠合盆地(汤良杰等,2000; 何登发等,2005; 金之钧等,2005)。目前,关于塔里木盆地中央隆起带研究的较多,而涉及盆地南部塘古兹巴斯坳陷的研究主要在古生代的沉积-构造演化(楼雄英和许效松,2004)、不整合分析(何碧竹等,2011a)、断裂特征及形成机制研究(马庆佑等,2013; 李浩武等,2014)、烃源岩(张振生等,2002; 乔桂林,2003)及地震相分析(洪才均等,2009)等方面。

塘古兹巴斯坳陷是塔里木盆地中从新元古代发展至今的、一个重要的构造单元(图 1),其发育演化受到多个断裂体系及多个区域不整合约束。张振生等(2002)认为盆地南界存在的一系列向北的逆冲带形成于中奥陶世,处于弧后前陆盆地环境。何碧竹等(2013)研究表明该坳陷发育的系列NEE向逆冲断裂主要活动于中奥陶世-石炭纪,晚奥陶世末期活动最为强烈,其NW-SE向缩短率可以达到12%;中志留世-晚泥盆世主要断裂再次活动,但活动强度明显弱于晚奥陶世末期,并形成了与断裂相关的不整合结构构造(何碧竹等,2011b)。奥陶纪末期的构造活动主要受到以阿尔金、西昆仑洋盆俯冲、闭合、碰撞造山作用的影响,以阿尔金造山作用为主;而中志留世-晚泥盆世主要受到西昆仑及阿尔金与塔里木地块碰撞造山活动的影响;塘古兹巴斯坳陷所处的构造环境由周缘前陆盆地转换到活动大陆边缘盆地(He et al.,2016)。马庆佑等(2013)分析认为塘古兹巴斯坳陷晚奥陶世主要处于构造挤压环境,断裂体系主要由西部滑脱-逆冲、中部滑脱-逆冲兼走滑以及东部高角度逆冲断裂带构成。李浩武等(2014)认为坳陷西部的弧形断裂带可以划分为玛东盖层滑脱冲断体系和塘南基底卷入冲断体系,这两种类型断裂的形成是对加里东中期塔里木板块与阿尔金地块拼接的响应。塘古兹巴斯坳陷一直以奥陶系潜山为主要油气勘探对象,但至今尚未获得突破。该坳陷可能发育寒武系-下奥陶统和中上奥陶统2套优质烃源岩(乔桂林,2003),以寒武系-下奥陶统为主,烃源岩为广盆沉积;中上奥陶统的烃源岩呈局域性分布,塘参1井中上奥陶统泥岩TOC为0.07%~2.0%,其中大于0.5%的样品占80%,具备较好的生烃条件。坳陷的中-东南部中上奥陶统广泛发育浊积岩,不利于成烃成藏;而西北部斜坡环境的泥岩是烃源岩发育有利区域(洪才均等,2009)。长期以来,塘古兹巴斯坳陷是塔里木盆地研究程度较低的单元,受勘探目的层的制约,研究主要集中在古生代的地层和构造演化。坳陷中大部分中生代地层的缺失,给中-新生代的构造发育及热演化史的研究增加了极大的困难;加之,与其相邻、相近的塔东南断隆带、西昆仑造山带在中-新生代均有多期次且较强的构造活动。塘古兹巴斯坳陷中-新生代如何发育演化、周缘构造作用对其有何影响,不仅对该坳陷构造的动态演化过程及油气聚集成藏十分重要,而且对塔里木盆地及其南缘盆-山相互作用意义重大。

图 1 塘古兹巴斯坳陷位置及构造单元划分图(据何碧竹等,2011b改编) (a)塘古兹巴斯坳陷位置;1-边界走滑断层;2-边界逆冲断层;3-盆地构造单元边界;4-地名;5-井名;6-沉积盆地;7-造山带;8-俯冲碰撞杂岩带;9-俯冲增生杂岩带.(b)塘古兹巴斯坳陷构造单元划分图;构造单元:Ⅰ-玛东-塘北断裂构造带;Ⅱ-塘古兹巴斯凹陷;Ⅲ-塘南台地;Ⅳ-塘南断裂构造带;主要断裂:F1-玛扎塔格断裂;F2-玛东断裂;F3-塘北断裂;F4-巴东断裂;F5-塔中南缘断裂(中2断裂);F6-塔中Ⅱ号断裂;F7-塔中Ⅰ号断裂;F8-塘南断裂;F9-车尔臣断裂 Fig. 1 The location and structural units of Tangguzibas depression in the Tarim basin(modified after He et al.,2011)

裂变径迹热年代学方法是基于铀裂变辐射损伤效应的一种同位素热年代学方法。该技术于20世纪80年代开始在地质学各个领域逐渐得到应用,适用于整个地质时代和不同地质体。如今在地质热事件定年、地质体热演化历史、构造区隆升与剥蚀等方面应用十分广泛,在诸多方面有其独到的、其它方法难以取代的优越性。磷灰石裂变径迹测年的封闭温度是120℃,部分退火带温度通常为60~120℃(Wagner,1978),由于其温度较低在研究中-新生代的热史具有明显优势,而锆石的裂变径迹部分退火带温度为175~200℃,封闭温度为200℃(Gleadow and Books,1979),更适合研究较老地层的热演化史。在塔里木盆地中央隆起带西部,邱楠生等(2009)Qiu et al.(2010,2011)利用(U-Th)/He年龄和磷灰石裂变径迹进行热史模拟研究,认为巴楚隆起在奥陶纪末期(452Ma)和泥盆纪末期-早石炭世(334~369Ma)各有一次构造抬升。常健等(2014)利用裂变径迹方法研究认为巴楚隆起自中生代至今,主要经历了185~140Ma(侏罗纪)、120~100Ma(早白垩世晚期)、75~50Ma(晚白垩世晚期-古近纪早期)等三期冷却事件,反映了相应时期的抬升。

本文拟通过重点探井岩心样品的磷灰石和锆石的裂变径迹定年及热演化史的模拟,结合地层及构造发育的分析,以裂变径迹方法为约束,填补该地区中-新生代热演化史研究的空白,揭示了中生代隆升-沉降多旋回历程,特别是明确其中生代的多期次的隆升历史及隆升速率,并探讨了中-新生代塘古兹巴斯坳陷与周缘造山作用的响应,为该地区的构造-沉积演化研究提供了新的证据。

2 地质背景

塘古兹巴斯坳陷位于我国面积最大的含油气盆地-塔里木盆地南部,其西南与麦盖提斜坡过渡,南与东南断隆带北民丰断凸相接,北与巴楚隆起和塔中隆起相邻,面积约2×104km2(图 1)。该坳陷发育了早古生代、晚古生代、部分中生代及新生代沉积地层,厚度近10000m,与塔中隆起和满加尔坳陷形成坳-隆相间的构造格局。塘古兹巴斯坳陷由玛东-塘北断裂构造带、塘古兹巴斯凹陷、塘南台地(李浩武等,2014)和塘南断裂构造带等次级构造单元构成(图 1b)。主要发育系列的北东东向逆冲断裂体系(图 1b图 2),断裂活动主要始于中奥陶世晚期,在晚奥陶世末期活动强度及构造变形最大,中泥盆世末期再次活动,活动强度弱于奥陶纪末(何碧竹等,2011b2013),断裂的活动与阿尔金南与阿尔金中地体早古生代碰撞有关(张建新和孟繁聪,2005; 张建新等,2011; 许志琴等,2011);与高角度南倾的南阿尔金逆冲断裂活动期次、性质可对比(崔军文,2011; He et al.,2016)。

图 2 塘古兹巴斯坳陷二维地震地质解释剖面(二维地震解释剖面A-A’位置见图 1) Fig. 2 Seismic-geological interpretation profile of Tangguzibas depression(the location of 2D seismic profile A-A’ shown in Fig. 1)

塘参1井是塘古兹巴斯坳陷的重要参数井。该井钻遇地层自下而上为:奥陶系、下志留统、上泥盆统、石炭系、二叠系、下三叠统、古近系、新近系及第四系,缺失中上志留统-中下泥盆统、中上三叠统、侏罗系和白垩系(图 2图 3)。

图 3 塘古兹巴斯坳陷塘参1井地层综合柱状图 Fig. 3 Comprehensive stratigraphic column and the core samples from TangC1 well of theTangguzibas depression in the Tarim basin

中下奥陶统为碳酸盐岩台地相沉积,发育厚层灰色灰岩;上奥陶统为盆地-混积陆棚相,下部主要为厚层灰色粉砂岩与厚层深灰色泥岩互层,上部以巨厚深灰色泥岩夹薄层灰色粉砂岩及灰色泥灰岩。中奥陶世晚期北东向逆冲断裂开始活动,对该区构造影响明显,出现不对称的断背斜,在其顶部及两翼上奥陶统超覆沉积,局部构造高部位出现角度不整合;奥陶世末期,北东向逆冲断裂活动强烈,形成了雁行展布的北东向逆冲断裂-褶皱带,北西-南东向为最大挤压方向,断背斜顶部剥蚀较大。下志留统为滨海相沉积,发育泥岩、砂岩及含砾砂岩,与奥陶系呈角度不整合接触(图 2)。

早志留世-早中泥盆世,断裂活动明显减弱,构造变形较弱,挤压作用明显减弱,整体抬升,沉积地层较薄,在断裂上盘多有低角度单斜存在。晚泥盆世前,塘古兹巴斯坳陷整体剧烈抬升,沉积地层遭受剥蚀,缺失大部分中上志留统和中下泥盆统,残余的下志留统厚度差异不大。上泥盆统的东河塘组为河流-滨岸相沉积,发育灰色砂岩和砾岩夹薄层褐色泥岩,底部发育厚层底砾岩(图 3),与下伏下志留统呈角度不整合接触。

石炭系为滨海-潮坪-台地相沉积,以三套灰岩与砂泥岩不等厚互层为主要特征,巴楚组主要发育浅海相的中-薄层的灰色砂岩、含砾砂岩、粉砂岩及褐色泥岩夹厚层的灰色灰岩、泥灰岩。卡拉沙依组主要为褐色、灰色泥岩夹灰色含砾砂岩、灰色粉砂岩,其中还含有薄层煤层。小海子组为厚层灰色、褐色灰岩夹薄层灰色、褐色泥岩。二叠系自下而上碳酸盐岩含量明显减少,库普库兹满组为中-厚层褐色泥岩夹中-厚层的灰色灰质泥岩与灰色粉砂岩、粉砂质泥岩;开派兹雷克组主要为厚层的黑色、绿色玄武岩及灰色凝灰岩;沙井子组主要为中厚层褐色泥岩与中-薄层灰色粉砂岩、含砾砂岩互层。二叠纪发育高角度正断层,断距较小,部分断层为早古生代断裂的再活动。

下三叠统为湖泊相沉积的泥岩和砂岩,在满加尔坳陷可见三套正旋回沉积,本区仅见到两个旋回;自下而上由粗变细,其中下部以灰色、深灰色粉砂岩泥岩为主,上部以褐色泥岩为主;与下伏二叠系呈平行不整合接触。塘古兹巴斯坳陷中生界除下三叠统外,其他大部分缺失,表现为缺失其北部满加尔-阿瓦提坳陷发育的较厚的上三叠统、其南部民丰凹陷存在的侏罗系,其北部塔中隆起存在的白垩系也大部分缺失(图 2图 3)。

古近系、新近系和第四系为冲积平原相沉积,由下向上为灰白色泥岩、含膏泥岩、夹褐色粉砂岩,变为中厚层褐色粉砂岩夹泥岩,黄色粉砂岩与泥岩互层。古近系与下伏中生界呈角度不整合接触。塘古兹巴斯坳陷中生代地层是沉积后又经历了剥蚀,还是由于隆升未接受沉积,一直是其沉积充填及构造演化历史中需要解决的难题。

3 裂变径迹实验与结果

本次裂变径迹实验在中国地质大学低温年代学实验室完成。样品分别采集于塘古兹巴斯坳陷重点参数井-塘参1井志留系底部的砂砾岩(TC1-1)和上泥盆统底部的砾岩(TC1-2),采样深度分别为5110m和4875m。志留系底部灰绿色砂砾岩颗粒磨圆度较差,呈棱角-次棱角状,分选较差,基质支撑,基质为灰色细砂岩,碳酸盐岩胶结为主,部分石英次生加大胶结。上泥盆统的砾岩,砾石以石英岩、隧石为主,少量泥质灰岩、片岩岩屑,磨圆较好为圆-次圆状,分选较差,基质为粉砂岩,钙质胶结(何碧竹等,2011b)。样品经过粉碎后,首先利用传统方法粗选和自然晾干,然后通过电磁选、重液选、介电选等手段,对矿物颗粒进行单矿物提纯,最终分离出所需的锆石单矿物颗粒。将锆石矿粒置于聚四氟乙丙烯塑料片上,制作成光薄片,研磨抛光揭示矿物颗粒内表面。样片在210℃下,使用KOH+NaOH高温熔融物蚀刻20~35h揭示自发径迹。将低铀白云母片作为外探测器盖在光薄片上,紧密接触矿粒内表面,与CN2标准铀玻璃一并接受热中子辐照。然后在25℃条件下的40% HF中,蚀刻白云母外探测器20min揭示诱发径迹。这样便可在高精度光学显微镜100倍干物镜下观测统计裂变径迹。选择平行c轴的柱面测出自发径迹和诱发径迹密度,水平封闭径迹长度(Gleadow et al.,1986)依据Green(1986)建议的程序测定。应用IUGS推荐的Zeta常数标定法计算出裂变径迹年龄(Hurford,1990)。实验中根据标准矿物的测定,加权平均得出Zeta常数值(Bellemans et al.,1995)。本次试验获得的磷灰石样Zeta常数为353±18a·cm-2,锆石样的Zeta常数为100.9±4.1a·cm-2

裂变径迹年龄反映的是热事件时代,即当热事件温度超过矿物裂变径迹的封闭温度时,矿物内原有裂变径迹将被退火;当温度降至矿物裂变径迹封闭温度一下时,矿物的裂变径迹时钟开始启动。因此,裂变径迹所记录的时间是冷却时间。本次裂变径迹定年测试总计获得3个年龄结果(表 1),其中2个磷灰石裂变径迹分析和1个锆石裂变径迹分析。依据Green(1981)的技术计算误差,χ2值用于评价所测单颗粒是否属于同一年龄组的概率(Galbraith,1981)。年龄结果中TC1-1磷灰石样的χ2检验值大于5%,说明该样品的各个单颗粒年龄属于同一组年龄,且中值年龄和峰值年龄基本一致,单颗粒年龄直方图呈现较为典型的单峰式分布(图 4b),即中值年龄7.37±0.99Ma具有确切的地质意义,符合受单一热事件控制的特点。TC1-1锆石和TC1-2磷灰石样的χ2检验值小于5%,则表明它们的单颗粒年龄呈不均匀分布,或者认为属于混合年龄,这时基于泊松变异的常规分析(Green,1981)无效,且单颗粒年龄的分散性和U含量的正相关性表明样品中的部分颗粒未完全退火,同样说明TC1-1锆石和TC1-2磷灰石的中心年龄无法直接揭示冷却事件发生的准确时间。对于混合年龄,裂变径迹年龄实质上是权重平均年龄,应根据具体情况讨论其地质意义。这些多组的混合年龄代表了矿物经历了复杂的热事件叠加效应。对于χ2检验值小于5%,应用Radial Plotter(Galbraith,1990; Vermeesch,2009)软件对混合裂变径迹年龄进行分解(图 4c,e),以便获得具有地质意义的有效年龄组。样品TC1-1锆石裂变径迹年龄处理后获得三个分散的年龄峰值,分别为199±23Ma、248±21Ma和464±40Ma;样品TC1-2磷灰石裂变径迹年龄分为2.2±0.39Ma和24±13Ma两组。

表 1 塘古兹巴斯坳陷塘参1井岩心样品裂变径迹分析结果 Table 1 Fission track data of apatite and zircon samples from cores of TangC1 well in the Tangguzibas Depression

图 4 塘古兹巴斯坳陷塘参1井岩心样品裂变径迹年龄数据的放射图(左)和密度图(右) Fig. 4 Radial plots(the left)and density plots(the right)of fission track age of the core samples from TangC1 well in Tangguzibas Depression

根据Ketcham et al.(2007a)的方法测量磷灰石C-轴投影径迹长度,TC1-1磷灰石测量平均径迹长度为11.39±0.99μm,C-轴投影平均长度为12.11±1.30μm(图 5b),裂变径迹长度分布呈单峰式;TC1-2磷灰石测量平均径迹长度为8.58±1.65μm,C-轴投影平均长度为9.72±1.75μm(图 5d),裂变径迹长度分布近双峰式。

图 5 塘古兹巴斯坳陷塘参1井岩心样品中-新生代以来热演化史模拟和磷灰石径迹长度分布图 红色线代表良好的模拟热历史过程(GOF>0.5);绿色线代表可以接受模拟热历史过程(GOF>0.05);较粗的黑色线代表最佳模拟热历史过程;灰色条代表冷却事件时间 Fig. 5 Thermal history model and apatite fission track length distribution of the core samples from TangC1 well in Tangguzibas Depression during the Mesozoic to Cenozoic Red area is good path. Green area is acceptable path. The thick black line is the best-fit thermal history path. Gray bar represents time of cooling events

TC1-1的磷灰石裂变径迹年龄集中在7.37±0.99Ma,远远小于地层年龄(图 6),而且径迹长度较短,推测经历了较高的温度、裂变径迹发生部分退火,同时裂变径迹长度呈典型的单峰式分布,则该年龄代表了最后一次冷却事件的开始发生时间。TC1-2的两组磷灰石裂变径迹年龄相近,分别为2.2±0.39Ma和24±13Ma(图 4f)。同时裂变径迹长度分布呈近似双峰(图 5d),径迹短的成分是早期生成的裂变径迹在热事件中经受了部分退火而形成的,径迹长的部分是在热事件以后冷却到低温时生成径迹的贡献。所以TC1-2样品的两组磷灰石裂变径迹年龄代表了两期冷却事件的时间阶段,24±13Ma和2.2±0.39Ma分别对应了喜马拉雅中期运动和喜马拉雅晚期运动事件。TC1-1的锆石裂变径迹年龄分解了3个年龄组,其中199±23Ma和248±21Ma两组年龄小于地层年龄(图 6),锆石样品已经发生过部分退火作用,说明了其经历了超过175℃的古地温,也表明磷灰石样品发生了完全退火。古近系直接覆盖在三叠系之上,不整合之间存在侏罗系至白垩系巨厚的缺失。248±21Ma和199±23Ma这两组年龄代表了矿物经历的不同程度的两次冷却事件,与模拟出的255~242Ma和198~120Ma两次冷却事件(图 7)的开始时间基本一致。另外一组,464±40Ma,明显大于样品所处的地层年龄,说明该年龄代表较老地层的源岩年龄。塘参1井志留系沉积于滨岸-潮坪相,不整合面上砂砾岩源岩主要为沉积岩,离物源区较近(何碧竹等,2011b),但其锆石裂变径迹年龄464±40Ma大于晚奥陶世地层年龄,故TC1-1锆石样品最大的这个年龄组代表了志留系初始的沉积砂砾岩可能有来自近距离的早-中奥陶世或寒武纪的沉积岩的贡献。

图 6 塘古兹巴斯坳陷塘参1井裂变径迹年龄与样品埋藏深度的关系 虚线为地层年龄线;阴影为部分退火带 Fig. 6 The relationship between fission track ages and depths of samples in TangC1 well of the Tangguzibas Depression The dashed lines are stratigraphic ages of the core samples,and the shaded is the partial annealing zone

图 7 塘古兹巴斯坳陷塘参1井岩心样品沉积以来的热演化史模拟和磷灰石径迹长度分布图 Fig. 7 Thermal history model and apatite fission track length distribution of the core samples from TangC1 well after deposition
4 热历史模拟及构造指示 4.1 热历史模拟限定及结果

基于Ketcham et al.(2007b)提出的退火模型,结合所获得的磷灰石裂变径迹参数和样品的地质背景及条件,确定反演模拟的初始条件。样品热历史模拟中主要考虑的限定条件分别为:(1)研究区当今地表平均温度为15℃;(2)裂变径迹模拟的温度范围设定为20~200℃;(3)磷灰石裂变径迹模拟的年龄范围大于对应的裂变径迹年龄,因为大量的短径迹说明样品经历了更早的热历史过程;(4)作为参考,同时也模拟了样品沉积以来的热史(图 7);(5)样品中-新生代古地温增减因素:增温过程主要是沉积埋藏作用造成,抬升则是造成温度下降的关键原因。造成古地温增加的因素有沉积埋藏和大量岩浆活动,岩浆活动、断裂活动也可能造成局部增温(袁万明等,2005)。研究区自三叠纪以来无大量岩浆事件发生,且断裂不发育(图 2),所以中-新生代造成古地温增加的主要是沉积埋藏。实验中反演中计算10000个结果,并通过GOF(拟合优度)检验值与K-S(Kolmogorov-Smirnov Test)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。实验结果表明,K-S和GOF检验值都大于0.5,认为样品的测试结果支持该模拟所用的热史模型,热史的模拟结果可靠。

裂变径迹的热演化史模拟呈现了研究区中-新生代的演化过程,并给出了热演化过程中的冷却时间:255~240Ma、198~120Ma、72~55Ma、24~15Ma、7~1.8Ma(图 5图 7)。根据钻井岩心样品锆石、磷灰石的裂变径迹年龄(图 4)和热演化史模拟结果,结合塘参1井所揭示的地层、构造发育特征,综合分析认为中-新生代塘古兹巴斯坳陷的热演化过程存在5个冷却抬升期:早-中三叠世(248~240Ma)、三叠纪末-早白垩世(199~120Ma)、晚白垩世-古新世(72~55Ma)、晚渐新世-早中新世(24~15Ma)和中新世晚期-上新世(7.4~2.2Ma)。另外,志留系底部的样品(图 7a)还揭示该地区在早-中泥盆世(415~385Ma)也存在一期冷却事件。

4.2 隆升-沉降演化过程

二叠纪,塔里木盆地处于陆内裂谷盆地阶段,伴随着大规模的岩浆活动事件,样品处于高温和沉降增温环境。早-中三叠世(248~240Ma)研究区发生中生代以来第一期抬升,并开始保留裂变径迹及记录裂变径迹年龄。抬升使样品的环境温度冷却了8℃,平均冷却速率为0.8℃/Myr,根据中生代的平均地温梯度为27~30℃/km(李慧莉等,2005),取均值为28.5℃/km,平均抬升速率为0.02mm/yr。晚三叠世(240Ma)开始缓慢沉降,41Ma内温度约增加20℃,平均增温速率为0.45℃/Myr,转换为平均沉降速率为0.02mm/yr。第二期冷却事件在三叠纪末-早白垩世(199~120Ma)(图 7)。即在整个侏罗纪,塘古兹巴斯坳陷处于隆升阶段,未沉积侏罗系,并使中上三叠统遭受剥蚀。该阶段冷却事件平均冷却速率近0.81℃/Myr,使锆石样品冷却了近63℃,平均抬升速率约0.03mm/yr。白垩纪中晚期塘古兹巴斯坳陷进入沉降期(120~72Ma),总体沉降速率较快,磷灰石样品进入部分退火带,总体温度约88℃,平均增温速率为0.85℃/Myr,平均沉降速率为0.03mm/yr。第三期冷却事件发生在晚白垩世-古新世末(72~55Ma)(图 5c)。该期的抬升使样品所处的环境温度由88℃冷却至65℃左右,平均冷却速率为1.35℃/Myr,平均抬升速率为0.05mm/yr,60~55Ma冷却速率明显加快。始新世-渐新世(55~24Ma)塘古兹巴斯坳陷整体进入快速沉降期,样品主体温度快速增加到103℃,平均增温速率为1.23℃/Myr。古近纪早期地温梯度为27℃/km(李慧莉等,2005),则该时期平均沉降速率约为0.05mm/yr,沉降速率较大。综合两个样品的演化模拟结果和裂变径迹年龄,认为晚渐新世-早中新世(24~15Ma)(图 5a,c)的抬升事件使样品所受温度由103℃冷却到60~70℃,平均冷却速率为4.22℃/Myr。根据新近纪地温梯度约为25℃/km(李慧莉等,2005),平均抬升速率为0.17mm/yr。该时期的平均冷却速率和平均抬升速率达到最大(图 8),说明中-新生代以来研究区隆升最快的时期是喜马拉雅期(24~15Ma)。中新世(15~7.4Ma)研究区进入快速沉降期,温度增加到110~113℃,平均增温速率约6℃/Myr,平均沉降速率约为0.24mm/yr。但样品温度主体仍处于部分退火温度带内,磷灰石裂变径迹未发生完全的退火,保留了样品TC1-2中24±13Ma的磷灰石裂变径迹年龄组。最后一个冷却事件发生在中新世晚期-上新世(7.4~2.2Ma)(图 4e图 5图 7),为快速冷却抬升,平均冷却速率近2.6℃/Myr,平均抬升速率约0.1mm/yr。上新世(2.2Ma)以来,塘古兹巴斯坳陷开始快速沉降,平均升温速率约7.5℃/Myr,平均沉降速率为0.3mm/yr。

图 8 塘古兹巴斯坳陷中-新生代平均冷却(抬升)速率、平均增温(沉降)速率轨迹 Fig. 8 The trace of average cooling(uplifting)rate and warming(subsiding)rate of the Meso-Cenozoic in the Tangguzibas Depression,Tarim basin

中-新生代,塘古兹巴斯坳陷5个冷却抬升时期平均冷却速率和平均抬升速率具有先增大后减小的过程(图 8),晚渐新世-早中新世(24~15Ma)达到最大,其平均冷却速率为4.22℃/Myr,表明中-新生代以来隆升最快时期为喜马拉雅期;而沉降阶段的平均增温速率和平均沉降速率则是逐渐增大 。

5 中-新生代冷却事件及动力来源讨论

青藏高原的形成是地质历史中多期板块或地体碰撞和拼合的结果,不同板块或地体对欧亚古陆南缘的增生、碰撞作用是塔里木地块乃至中国西北部广大地区中-新生代构造演化的强大动力来源。受不同构造运动和青藏高原形成过程中不同构造作用程度的影响,塔里木盆地及周缘地区地质热历史演化过程,既具有明显受共同冷却事件作用的影响,也具有时空差异性。

5.1 塔里木盆地及周缘的冷却事件

结合塔里木盆地及周缘地区冷却抬升事件研究的现有测年数据(表 2),对目前这些地区中-新生代的构造演化过程中的冷却事件时间进行一个总结和对比分析。

表 2 塔里木盆地及周缘地区中-新生代的冷却抬升事件 Table 2 Cooling and uplifting events of Tarim Basin and its adjacent areas in the Mesozoic-Cenozoic

(1) 天山地区的冷却抬升事件主要发生在晚三叠世-早侏罗世(222~180Ma)、早白垩世(140~109Ma)、晚白垩世(96~75Ma)、始新世(46~32Ma)、晚渐新世-早中新世(25~15Ma)和晚中新世(9Ma)以来等6个阶段,最早的冷却事件记录为晚三叠世(222~220Ma),主体隆升发生在白垩纪。天山不同地区的隆升过程存在差异,东、西天山差异明显,西部隆升开始的时间早于东部;南、北天山的差异较小,存在的差异表现为早白垩世冷却事件的启动时间不同。天山中部的南天山和中天山地块从约140Ma发生明显抬升,而北天山的抬升在约120Ma开始。

(2) 东、西昆仑的隆升阶段差异明显,西昆仑经历的明显抬升期有早三叠世(250Ma左右)、晚三叠世(203Ma左右)、早白垩世(125~101Ma)、晚渐新世-早中新世(25~16Ma)、晚中新世(14~8Ma)和上新世(6Ma以来);东昆仑则为侏罗纪(194~144Ma)、早白垩世(115~100Ma)、古新世-始新世(59~42Ma)、中新世(16~10Ma)和上新世-更新世早期(5.1~0.9Ma)。同时西昆仑及邻区新生代的隆升时间也存在差异性,东西两端的区域抬升较早而中间较晚,由北向南总体为由老到新(曹凯等,2009)。新生代以来,阿尔金主要经历了古近纪(65~25Ma)、中新世(20~10Ma)和中新世末-上新世(9~1.8Ma)等3期冷却抬升。其中古近纪的隆升主要发生在阿尔金北缘,喜马拉雅期(20~15Ma)阿尔金山脉整体隆升。

(3) 在青藏高原的东南部,不同地区的隆升也存在时间差异,但也均记录了晚中新世-早上新世(9~4Ma)的快速冷却事件。羌塘盆地还记录了发生在白垩纪、始新世-早渐新世(44~30Ma)和晚渐新世-早中新世(26~22Ma)的冷却抬升事件(宋春彦等,2014; 任战利等,2016)。甘孜地区同样记录了始新世-早渐新世(46~30Ma)的冷却事件(王一伟等,2015)。

(4) 塔里木盆地中-新生代以来经历的冷却时期主要也有5个阶段,包括早-中三叠世(248~240Ma)、晚三叠世-早白垩世(220~120Ma)、晚白垩世-古新世末(109~50Ma)、始新世末-中新世末(35~10Ma)及始新世末-上新世(9~2.2Ma)等(含本次模拟结果)。柯坪塔格、巴楚地区的第一期冷却抬升启动晚,结束早;并在中新世末冷却抬升期之后,未经历第五次冷却抬升。位于盆地南部的塘古兹巴斯坳陷冷却事件呈现期次多、 启动时间早、 结束较晚的特征。塘古兹巴斯坳陷中-新生代的隆升主要为早-中三叠世(248~240Ma)、三叠纪末-早白垩世(199~120Ma)、晚白垩世-古新世(72~55Ma)、晚渐新世-早中新世(24~15Ma)和中新世晚期-上新世(7.4~2.2Ma)(本文)。其中早-中三叠世的冷却事件为塘古兹巴斯坳陷所特有,但与西昆仑该期构造事件吻合较好。

5.2 塘古兹巴斯坳陷冷却抬升的主要动力来源

塘古兹巴斯坳陷位于塔里木盆地的南部,塔里木盆地南侧发育了北阿尔金俯冲增生造山带、中阿尔金地体、南阿尔金俯冲碰撞造山带(张建新等,2011)、西昆仑北地体-早古生代碰撞造山带(Matte et al.,1996)以及西昆仑南地体-古生代碰撞与三叠纪碰撞叠置造山带等(许志琴等,2007b2011; Yang et al.,1996)。盆地周缘的区域构造作用控制着盆地及坳陷的构造演化。

中-新生代古特提斯洋盆、新特提斯洋盆俯冲、闭合及陆-陆碰撞构成了青藏高原中南部的多俯冲、多岛弧增生体系和多地体汇聚、碰撞造山的动力学环境(Xu et al.,2015; 许志琴等,2016),对塔里木盆地南部的塘古兹巴斯坳陷的多旋回隆升-沉降、冷却-增温的构造、热历史演化有重要影响。

(1) 二叠纪末期至早三叠纪,古特提斯洋早期俯冲阶段表现在东昆仑-阿尼玛卿洋盆向北俯冲于东昆仑地体之下(许志琴等,2007b),龙木措-双湖洋壳向北俯冲至北羌塘地体之下(278~248Ma),以及西昆仑麻扎-康西瓦二叠纪洋壳向北俯冲在北昆仑地体与塔里木地体之下;西昆仑二叠纪洋壳闭合较东昆仑洋早,西昆仑康西断裂带发生左行走滑(250Ma,许志琴等,2007a);阿尔金断裂也发生强烈的左行走滑活动(244~239Ma,李海兵等,2001)。塔里木盆地南部的塘古兹巴斯坳陷经历了中生代第一次冷却抬升,裂变径迹记录的该期热事件时间为248~240Ma,与该期热事件协调。

(2) 多分支的古特提斯洋在三叠纪期间不断俯冲,塘古兹巴斯坳陷在240~199Ma则发生缓慢的沉降作用。塔里木盆地西北缘柯坪塔格地区发生的冷却事件(220~210Ma)以及东天山红云滩地区的冷却事件(222~220Ma),对塘古兹巴斯坳陷的影响较弱。

(3) 在晚三叠-早侏罗世,古特提斯洋中多个分支龙木措-双湖、金沙江-哀牢山、阿尼玛卿洋等最终闭合(203~175Ma),形成巨大的昆仑-松潘-羌塘晚三叠-早侏罗世碰撞造山系(许志琴等,2006; 肖文交等,2003)。西昆仑康西瓦左行走滑断裂再次活动(203Ma),塔里木盆地南缘造山带的构造活动达到高潮,盆地内塔西南、塔南地区抬升、遭受剥蚀(何碧竹等,2011a; 李浩武等,2014)。塘古兹巴斯坳陷发生再次缓慢隆升,启动时间约为199Ma,并贯穿整个侏罗纪,使得中-上三叠统地层遭受一定程度的剥蚀,且未接受侏罗纪沉积。中侏罗世后期,新特提斯洋中的北支-班公-怒江洋盆开始俯冲消减(史仁灯,2007),在晚侏罗世至早白垩世发生碰撞造山(许志琴等,20062007b),使得拉萨地块与古亚洲大陆碰撞。羌塘盆地在早白垩世反转(刘池洋等,2001),阿尔金左行走滑断裂和康西瓦左行走滑断裂连接(125~101Ma,许志琴等,2007a),塘古兹巴斯坳陷继承前期隆升,从三叠纪晚期抬升冷却持续至早白垩世。塘古兹巴斯坳陷此期的冷却抬升与柯坪塔格地区(200~100Ma)时间相近,但结束较早;比巴楚隆起抬升时间(185~140Ma)启动略早,结束较晚。而盆地周缘造山带在此期多存在两期事件,如康西瓦剪切带(203Ma、125~101Ma)、东昆仑(194~144Ma、115~100Ma)、西天山(170~140Ma)及库鲁克塔格地区(180Ma、164~134.5Ma)(表 2),西昆仑山前前陆盆地发育,塘古兹巴斯坳陷为前缘隆起,记录了叠加持续的冷却事件(199~120Ma)。

(4) 白垩纪中期新特提斯洋开启阶段,塘古兹巴斯坳陷进入加速沉降沉积期(120~72Ma),沉积了白垩纪的地层。而此时的柯坪塔格地区、库车坳陷、库鲁克塔格地区及南天山造山带为隆升期(表 2),反映了晚白垩世塔里木盆地南、北缘构造环境的差异。

(5) 晚白垩世,新特提斯洋南支-雅鲁藏布江洋盆在俯冲,在晚白垩世末期-古近纪早期闭合(70~50Ma,Yin and Harrison,2000; 许志琴等,2016),西藏-喜马拉雅微陆块与亚洲大陆碰撞(Harrison et al.,1997; Yin,2006; 许志琴等,2007b2016)该期事件与塘古兹巴斯坳陷记载的中-新生代以来的第三次的冷却事件(72~55Ma)对应,并在塔里木盆地各单元均有发生,只是不同构造单元发生冷却事件启动和结束的时间有差异。

(6) 渐新世,印度洋打开,塔里木地块沿主帕米尔逆冲断裂向南俯冲(许志琴等,2016),阿尔金山进入快速隆升阶段(陈正乐等,2001; 张志诚等,2012),而塔里木盆地及其北缘基本为构造沉降或稳定状态。渐新世-中新世,塘古兹巴斯坳陷处于沉降阶段,可能接受来自阿尔金山、西昆仑山隆升剥蚀的沉积物。

(7) 晚渐新世-早中新世,大约23Ma,印度大陆与亚洲大陆碰撞,导致青藏高原快速隆升(Levorsen,2001; 许志琴等,2016)、喜马拉雅崛起和大量物质向东和南东的侧向逃逸,最终形成了喜马拉雅造山带(许志琴等,2011)和中国西部新生代复活山系(何登发等,2005)。塔里木盆地及其南北两侧的西昆仑和天山基本均已进入抬升时期(表 2)。南天山此冷却抬升期(25~17Ma)的隆升速率为0.14~0.20mm/yr(杨树锋等,2003)。塘古兹巴斯坳陷发生第4期冷却抬升事件(24~15Ma),平均冷却速率和平均抬升速率皆达到最大值,平均抬升速率为0.22mm/yr,古近纪沉积地层遭受剥蚀,与西昆仑冷却事件(25~16Ma)及喜马拉雅中期造山事件吻合。

(8) 晚中新世,西昆仑和阿尔金山仍为隆升剥蚀状态,而塘古兹巴斯坳陷再次进入快速沉降期(15~7.4Ma),可能接受西昆仑及阿尔金山的沉积物。

(9) 中新世末期,~9Ma以来,天山、昆仑山、阿尔金山先后发生多次冷却抬升(表 2),与青藏高原岩浆活动、岩石快速冷却以及构造变形等构造事件相吻合(Jolivet et al.,2001; 陈正乐等,2006a,b; 刘永江等,2007; 许志琴等,2016);塔里木盆地西南及北缘的塔西南坳陷、库车坳陷为前陆盆地沉降沉积期。南部的塘古兹巴斯坳陷处于前缘隆起,为第五次冷却抬升期(7.4~2.2Ma),但平均抬升速率、隆升强度相对减小、减弱。该时期研究区的平均抬升速率为0.12mm/yr,而冈底斯地块(8~4Ma)尼木地区的平均抬升速率可达1.41mm/yr(袁万明等,2008),说明9~5Ma的碰撞后抬升事件在青藏高原东南缘影响较强。

(10) 晚上新世(2.2Ma)以来,塘古兹巴斯坳陷进入快速沉降期,平均沉降速率也达到最大值(0.64mm/yr);塔里木盆地也基本处于沉降、沉积的状态,而周缘的山脉总体为剥蚀状态。

塔里木盆地塘古兹巴斯坳陷中新生代经历5个旋回的抬升-沉降演化过程,抬升期主要发育在早-中三叠世(248~240Ma)、三叠纪末-早白垩世(199~120Ma)、晚白垩世-古新世(72~55Ma)、晚渐新世-早中新世(24~15Ma)和中新世晚期-上新世(7.4~2.2Ma),与其间隔为沉降期。隆升阶段与古特提斯、新特提斯多洋盆闭合及印度/亚洲大陆碰撞的时期相匹配。侏罗纪-早白垩世中期,塘古兹巴斯坳陷处于前缘隆起,持续隆升期,未接受沉积,并使中上三叠统遭受剧烈剥蚀。早中新世是塘古兹巴斯坳陷抬升、冷却最快时期,与印度/亚洲大陆的陆-陆碰撞时期响应。同时,塘古兹巴斯坳陷中古生代及晚古生代早期沉积地层,在早-中三叠纪前经历了较高的古地温,致使磷灰石样品完全退火,锆石样品部分退火。不同于巴楚、柯坪等塔里木盆地其他单元。

致谢 感谢中国石油塔里木油田分公司、中石化西北油田分公司给予的基础研究支持;感谢漆立新、黄太柱、王招明、云露、李宗杰等教授级高级工程师给予的帮助;感谢中国地质大学(北京)的袁万明教授、澳大利亚墨尔本大学李广伟博士在裂变径迹实验及分析上给予的帮助;感谢郑孟林教授级高级工程师、彭阳研究员对文章建设性的意见。
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