查干凹陷中、新生代構(gòu)造-熱演化史

左銀輝， 張旺， 李兆影， 李佳蔚， 郝情情， 胡杰

1 “油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”,成都理工大學(xué)， 成都 610059 2 成都理工大學(xué)能源學(xué)院， 成都 610059 3 中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院， 成都 610051 4 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，巖石圈演化實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 5 中國(guó)冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院， 北京 100025

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查干凹陷中、新生代構(gòu)造-熱演化史

左銀輝1,2， 張旺1,2， 李兆影3， 李佳蔚4， 郝情情5， 胡杰2

1 “油氣藏地質(zhì)與開發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”,成都理工大學(xué)， 成都 610059 2 成都理工大學(xué)能源學(xué)院， 成都 610059 3 中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司地質(zhì)勘探開發(fā)研究院， 成都 610051 4 中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所，巖石圈演化實(shí)驗(yàn)室， 北京 100029 5 中國(guó)冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院， 北京 100025

查干凹陷是中國(guó)內(nèi)蒙古銀根-額濟(jì)納旗盆地中最具有勘探潛力的凹陷.為了揭示其構(gòu)造-熱演化歷史，本文利用35個(gè)磷灰石裂變徑跡和119個(gè)鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)，采用耦合反演的方法恢復(fù)了查干凹陷白堊紀(jì)以來(lái)的熱歷史.結(jié)果顯示查干凹陷白堊系具有高的古地溫梯度，并且查干凹陷經(jīng)歷了地溫梯度快速增加階段(K1b-K1s)，地溫梯度高峰階段(K1y)，高地溫延續(xù)階段(K2w)和熱沉降階段(Cz)四個(gè)構(gòu)造-熱演化階段.此外，基于熱史恢復(fù)結(jié)果，正演獲得查干凹陷高的古地溫梯度有利于烴源巖成熟生烴，早白堊世的高古地溫梯度控制著該地區(qū)的烴源巖有機(jī)質(zhì)的熱演化.本文的研究成果可以為下一步油氣資源評(píng)價(jià)和勘探?jīng)Q策提供基礎(chǔ)依據(jù).

查干凹陷； 中、新生代； 構(gòu)造-熱演化； 磷灰石裂變徑跡； 鏡質(zhì)體反射率

1 引言

我國(guó)是石油消耗的大國(guó)之一，現(xiàn)在一半以上的原油(>2×108t)依賴于進(jìn)口.傳統(tǒng)的大型油田都面臨著減產(chǎn)(大慶油田、勝利油田、中原油田老區(qū)等).油氣產(chǎn)量的減少嚴(yán)重制約著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為了解決這一問題，在陸上，加大中生代斷陷盆地的資源調(diào)查，尋找油氣產(chǎn)量的接替區(qū)，包括內(nèi)蒙古銀根-額濟(jì)納旗盆地(中生界有效沉積巖分布面積為10.4×104km2)、二連盆地(約10.0×104km2)、海拉爾盆地(約7.1×104km2).勘探已經(jīng)證實(shí)在中生代斷陷盆地具有一定量的油氣資源，海拉爾盆地探明儲(chǔ)量已經(jīng)超過10×108t，二連盆地和海拉爾盆地的年產(chǎn)量都已經(jīng)達(dá)到上百萬(wàn)噸.內(nèi)蒙古三大盆地中銀根-額濟(jì)納旗盆地(簡(jiǎn)稱為銀-額盆地)勘探程度最低，2009年開始，中國(guó)石化集團(tuán)公司中原油田分公司以中生代沉積地層最厚、認(rèn)為最具勘探潛力的查干凹陷作為突破口，尋找白堊系的油氣資源，截至2013年底，已發(fā)現(xiàn)石油儲(chǔ)量5000余萬(wàn)噸，建立了吉祥和如意兩個(gè)油田，證實(shí)查干凹陷具有較好的勘探前景.但是，關(guān)于查干凹陷的構(gòu)造-熱演化的研究相對(duì)薄弱，已經(jīng)嚴(yán)重制約查干凹陷生烴史、排烴史、運(yùn)聚史和成藏史等油氣方面的正確認(rèn)識(shí)，直接影響著油氣勘探?jīng)Q策及勘探成功率.

沉積盆地構(gòu)造-熱演化史的研究意義在于全面地評(píng)價(jià)盆地內(nèi)烴源巖生、排、運(yùn)、聚等對(duì)應(yīng)的地質(zhì)時(shí)間.進(jìn)行構(gòu)造-熱歷史的研究是正確認(rèn)識(shí)油氣成藏及其演化的重要科學(xué)依據(jù)之一，也是重要的基礎(chǔ)課題之一.

近年來(lái)，隨著查干凹陷油氣勘探的不斷推進(jìn)，鉆井?dāng)?shù)量的增加，為研究查干凹陷中、新生代的構(gòu)造-熱演化提供保障.查干凹陷是內(nèi)蒙古銀-額盆地最具勘探前景的凹陷，其構(gòu)造-熱歷史的定量研究成果將指導(dǎo)銀-額盆地其他構(gòu)造單元的油氣資源評(píng)價(jià)，對(duì)整個(gè)盆地的油氣勘探具有重要意義.本文將利用磷灰石裂變徑跡和鏡質(zhì)體反射率古溫標(biāo)耦合反演的方法恢復(fù)查干凹陷的構(gòu)造-熱歷史，并探討構(gòu)造-熱演化與沉積構(gòu)造演化、巖漿活動(dòng)的耦合關(guān)系及其對(duì)烴源巖熱演化的作用.

2 地質(zhì)背景

查干凹陷位于銀-額盆地東部查干德勒蘇坳陷的中部，凹陷西臨西尼凸起，東與楚干凸起和白云凹陷相隔，西南為木巴圖隆起，東南緊靠狼山．構(gòu)造活動(dòng)相當(dāng)復(fù)雜，其呈不規(guī)則的“菱形”展布，北東長(zhǎng)60 km，北西寬40 km，勘探面積約2000 km2，是一個(gè)呈西北斷、東南超的單斷箕狀結(jié)構(gòu)的中生代斷陷盆地，是銀-額盆地中最富油氣勘探潛力的凹陷．根據(jù)基底起伏、斷裂系統(tǒng)解釋成果及構(gòu)造演化特征，查干凹陷劃分為“兩凹一凸”的構(gòu)造格局，即西部次凹、東部次凹和毛敦次凸，各個(gè)構(gòu)造單位又包括多個(gè)次一級(jí)構(gòu)造單元(圖1a，b)．受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，查干凹陷僅發(fā)育白堊系和新生界地層，包括早白堊世巴音戈壁組(分兩段)、蘇紅圖組(分兩段)、銀根組、晚白堊世烏蘭海組及新生界(圖1c).沉積蓋層厚度西部次凹明顯比東部次凹的大，西部沉積中心在額很洼陷Y1-Y2井區(qū)，厚度達(dá)到5500 m；東部次凹沉積中心在罕塔廟洼陷北部地區(qū)，最大厚度為3500 m(圖2).由于燕山和喜山等造山運(yùn)動(dòng)，研究區(qū)在銀-額盆地整體構(gòu)造演化控制的基礎(chǔ)之上，具體可以劃分為經(jīng)歷了3期構(gòu)造階段：(1)早白堊世巴音戈壁組-銀根組沉積時(shí)期為裂陷階段，該時(shí)期斷裂活動(dòng)強(qiáng)烈，伴隨多期火山活動(dòng)，沉積一套中基性火山巖與碎屑巖的組合；(2)晚白堊世烏蘭蘇海組沉積時(shí)期為坳陷期，發(fā)育一套河流相為主的地層；(3)新生代為擠壓抬升期，凹陷發(fā)生局部的擠壓沖斷現(xiàn)象，發(fā)育一組逆沖斷層和反轉(zhuǎn)構(gòu)造，局部地區(qū)接受新生界沉積.

圖1 查干凹陷構(gòu)造分區(qū)圖(a)；構(gòu)造剖面圖(b)；地層柱狀圖(c)Fig.1 (a) Structural unit division of the Chagan sag；(b) Structural profile map；(c) Stratigraphic column map

圖2 查干凹陷主要地層厚度圖(a—c)及沉積蓋層厚度圖(d) (a)蘇一段；(b)巴二段；(c)巴一段.Fig.2 Isopach map of the main strata (a—c) and sedimentary cover of the Chagan sag (d) (a)The 1st member of Suhongtu Formation；(b)The 2nd member of Bayingebi Formation; (c)The 1st member of Bayingebi Formation.

3 方法及基本參數(shù)

3.1 方法與原理

總的來(lái)說(shuō)，沉積盆地構(gòu)造-熱歷史的研究方法逐漸從單一古溫標(biāo)到多溫標(biāo)耦合反演的方向發(fā)展.

本文利用磷灰石裂變徑跡和鏡質(zhì)體反射率古溫標(biāo)進(jìn)行約束，多溫標(biāo)耦合反演相結(jié)合的方法恢復(fù)研究區(qū)的構(gòu)造-熱歷史：首先利用古溫標(biāo)數(shù)據(jù)反演得到樣品經(jīng)歷的古地溫梯度(或樣品經(jīng)歷的古地溫演化曲線)、剝蝕量及對(duì)應(yīng)的地質(zhì)時(shí)間；再以古地溫梯度及對(duì)應(yīng)的地質(zhì)時(shí)間(或樣品經(jīng)歷的古地溫演化曲線)為約束，結(jié)合盆地的構(gòu)造演化史擬合出樣品經(jīng)歷的地溫梯度演化曲線，并以反演得到的剝蝕量為基礎(chǔ)，結(jié)合單井現(xiàn)今地層厚度恢復(fù)地層埋藏史；以地溫梯度演化曲線和埋藏史為基礎(chǔ)，利用盆地模擬軟件，采用正演的方法對(duì)單井的溫度史及生烴史進(jìn)行模擬，模擬得到的溫標(biāo)與實(shí)測(cè)的古溫標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如果模擬值與實(shí)測(cè)值具有很好的擬合度，則認(rèn)為假設(shè)的地溫梯度演化曲線是可行的，如果擬合度較差，則修改地溫梯度演化曲線，直到模擬值與實(shí)測(cè)值具有很好的擬合度為止，此時(shí)的地溫梯度演化曲線則為該井經(jīng)歷的熱史.

3.2 古溫標(biāo)及基本參數(shù)

在熱歷史模擬計(jì)算中需要的參數(shù)包括古溫標(biāo)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地質(zhì)數(shù)據(jù).

(1) 古溫標(biāo)數(shù)據(jù)

該凹陷古溫標(biāo)數(shù)據(jù)包括14口井35個(gè)磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)(表1)和15口井119個(gè)鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)(表2，圖3).其中，鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)隨深度變化具有較好的線性關(guān)系(圖3)，暗示受同一地溫梯度控制；14口井35個(gè)磷灰石裂變徑跡數(shù)據(jù)是在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所核物理實(shí)驗(yàn)室測(cè)試完成的，這些數(shù)據(jù)分布在銀根組、蘇二段、蘇一段、巴二段和巴一段.35個(gè)磷灰石裂變徑跡年齡分布在5.5±0.7～229±16 Ma，磷灰石裂變徑跡長(zhǎng)度分布在10.6±1.7～13.2±1.8 μm，其中14個(gè)磷灰石裂變徑跡年齡比地層年齡大(圖4)，徑跡年齡代表物源區(qū)的構(gòu)造-熱事件；其他磷灰石裂變徑跡年齡比地層年齡小(圖4)，徑跡年齡代表查干凹陷的構(gòu)造-熱事件，可以用來(lái)恢復(fù)查干凹陷的構(gòu)造-熱歷史.從徑跡年齡與深度的關(guān)系可以得出，在3620 m徑跡年齡為0 Ma，即該凹陷磷灰石裂變徑跡完全退火的深度為3620 m.根據(jù)查干凹陷平均地溫梯度33.6 ℃/km(左銀輝等，2013b)，計(jì)算得到磷灰石裂變徑跡完全退火開始的溫度為130 ℃，這與前人研究成果(Gleadow et al．，1983)相當(dāng).

(2) 基礎(chǔ)地質(zhì)參數(shù)

模擬計(jì)算中的參數(shù)包括巖性參數(shù)、現(xiàn)今地表溫度數(shù)據(jù)、現(xiàn)今地溫梯度、大地?zé)崃?、巖石熱物理參數(shù)、地層分層、地層年齡及主要地質(zhì)時(shí)期的剝蝕量等數(shù)據(jù).查干凹陷地表溫度數(shù)據(jù)、地溫梯度及大地?zé)崃鞣植记闆r見左銀輝等(2013b)的研究成果.巖性參數(shù)主要包括巖石的孔隙度、滲透率、各巖層的砂泥巖含量、砂泥巖的壓實(shí)曲線等，這些參數(shù)采用查干凹陷實(shí)測(cè)值.此外，還包括壓實(shí)系數(shù)和初始孔隙度等數(shù)據(jù)，則依據(jù)各凹陷的實(shí)際數(shù)據(jù)利用Sclater 和Christie(1985)的方法進(jìn)行回歸得到.古地表溫度取查干凹陷年平均溫度(9 ℃)，并設(shè)在地質(zhì)歷史時(shí)期不變.磷灰石裂變徑跡退火模型采用Laslett等(1987)的模型，鏡質(zhì)體反射率模擬熱歷史采用Easy%Ro模型(Sweeney and Burnham，1990).

圖3 查干凹陷鏡質(zhì)體反射率與深度的關(guān)系圖 (鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)見表2)Fig.3 Vitrinite reflectance (Ro) data versus depth in the Chagan sag (Ro data shown in the Table 2)

序號(hào)井名深度(m)地層nρs(105cm2)(Ns)ρi(105cm2)(Ni)ρd(105cm2)(Nd)P(χ2)(%)Age(Ma)(±1σ)L(μm)(N)備注1Y11342.0K1y284.281(936)9.107(1991)13.106(7312)99127±912.2±1.7(104)>2Y11497.0K1y70.301(10)10.504(349)13.155(7312)94.17.8±2.6-<3Y22718.2K1s1114.465(219)9.826(482)13.301(7312)0.1107±1813.2±1.8(19)<4Y31817.7K1s2282.380(533)8.003(1792)13.008(7312)1.580±612.1±1.8(54)<5Y32978.7K1s1340.560(124)12.254(2714)13.252(7312)64.713±1-<6Y33343.8K1b2320.414(23)17.195(955)13.179(7312)85.46.6±1.4-<7Y41057.2K1s2284.153(999)13.707(3297)13.350(7312)42.884±612.1±1.6(104)<8Y41529.5K1s1282.895(988)11.787(4023)13.301(7312)8.768±511.7±1.6(104)<9Y41651.6K1b2275.151(397)14.027(1081)13.301(7312)5.2101±910.6±1.7(37)<10Y41703.8K1b2284.595(411)12.308(1101)13.350(7312)0.298±1110.8±1.7(76)<11Y41832.1K1b1282.740(415)9.110(1380)13.350(7312)2.581±811.2±1.7(31)<12Y53418.0K1b2320.791(63)16.666(1327)12.984(7312)1.113±210.8±1.7(14)<13Y61591.0K1s1225.703(874)13.657(2093)12.886(7312)33.4111±811.7±1.6(101)>14Y61761.5K1s1283.899(813)11.353(2367)13.350(7312)0.995±811.9±1.8(100)<15Y62179.0K1b291.592(77)8.602(416)12.642(7312)049±712.8±2.1(7)<16M31257.6K1s2286.754(1517)17.301(3886)12.764(7312)0107±812.0±1.8(101)<17M31797.8K1s1284.429(974)9.577(2106)12.812(7312)4.6121±911.4±2.0(101)>18M31832.1K1s1283.257(860)9.98(2635)12.861(7312)0.0788±711.5±2.0(121)<19M61147.9K1s2285.752(2044)9.610(3415)13.350(7312)0158±1412.5±1.5(102)>20M61082.6K1s2287.388(1048)9.546(1354)13.301(7312)6.1211±1512.7±1.4(111)>21M8718.3K1y297.299(1727)16.715(3955)13.057(7312)7.8118±812.7±1.5(109)>22M8811.7K1y286.339(1035)14.399(2351)13.106(7312)7.9119±912.3±1.8(105)>23M8916.8K1s2286.655(859)11.072(1429)13.155(7312)40.4162±1212.5±1.4(98)>24M91300.0K1s2124.603(471)11.864(1214)13.131(7312)22.9105±911.6±1.7(73)<25M91402.0K1s2239.131(1420)17.555(2730)13.033(7312)0136±1111.1±2.0(105)>26M9765.2K1y104.880(213)8.959(391)13.277(7312)0.2133±2211.8±1.9(23)>27M112077.4K1s1284.189(616)10.248(1507)13.350(7312)0.5114±1011.9±1.6(80)>28M113296.9K1b2300.322(98)15.251(4646)12.593(7312)43.05.5±0.711.5±1.8(26)<29M113540.7K1b1320.373(86)13.255(3058)12.691(7312)69.77.4±0.911.5±0.9(4)<30L12443.0K1s1172.225(168)10.133(765)13.350(7312)82.161±611.1±2.0(17)<31L13357.2K1b2170.962(188)18.239(3566)13.350(7312)14.715±110.7±1.3(9)<32L11977.5K1s1283.450(1040)10.534(3176)13.350(7312)090±811.1±1.8(113)<33J6752.0K1s2124.449(234)8.519(448)13.106(7312)60141±1412.4±1.4(27)>34J61150.0P288.751(1692)10.209(1974)13.057(7312)97.1229±1611.5±1.3(103)>35CD1679.2K1s2305.184(1255)10.830(2622)13.008(7312)0122±1212.3±1.8(103)>

注：n為測(cè)量的磷灰石顆粒數(shù)；ρi為外部探測(cè)器中的誘發(fā)徑跡密度；ρs為自發(fā)徑跡密度；ρd為自發(fā)徑跡密度；Ni、Ns和Nd為測(cè)量的徑跡數(shù)；P(χ2)為χ2概率；Age±1σ為樣品值裂變徑跡年齡；L為平均徑跡長(zhǎng)度；N為測(cè)量的徑跡數(shù)；“<”為磷灰石裂變徑跡年齡小于地層年齡；“>”為磷灰石裂變徑跡年齡大于地層年齡；樣品測(cè)試在中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所核物理實(shí)驗(yàn)室完成.

表2 查干凹陷鏡質(zhì)體反射率Table 2 Vitrinite reflectance data of the Chagan sag

巖石熱物理參數(shù)主要包括巖石熱導(dǎo)率、巖石生熱率等參數(shù)(左銀輝等，2013b)，地層分層采用鉆孔實(shí)際測(cè)量值，各地層底界年齡數(shù)據(jù)具體為：新生界(Cz)65 Ma，上白堊統(tǒng)烏蘭蘇海組(K2w)95 Ma，下白堊統(tǒng)銀根組(K1y)100 Ma，下白堊統(tǒng)蘇紅圖組二段(K1s2)105 Ma，下白堊統(tǒng)蘇紅圖組一段(K1s1)110 Ma，下白堊統(tǒng)巴音戈壁組二段(K1b2)128 Ma，下白堊統(tǒng)巴音戈壁組一段(K1b1)135 Ma(圖1c).

查干凹陷存在3個(gè)區(qū)域不整合，具體為蘇二段與銀根組、銀根組與烏蘭蘇海組和烏蘭蘇海組與新生界之間，利用泥巖聲波時(shí)差測(cè)井計(jì)算得到典型井蘇二段與銀根組之間的剝蝕量，利用鏡質(zhì)體反射率反演獲得典型井銀根組與烏蘭蘇海組之間的剝蝕量，以及利用磷灰石裂變徑跡反演得到烏蘭蘇海組與新生界之間的剝蝕量(表3).

表3 查干凹陷典型井主要地質(zhì)時(shí)期的剝蝕量Table 3 Erosion amounts in the main geological periods of the typical wells in the Chagan sag

圖4 查干凹陷磷灰石裂變徑跡與深度的關(guān)系(F為頻率)Fig.4 Apatite fission-track age and length versus depth in the Chagan sag

圖5 Y4井(1529.5 m，K1s1)溫度-時(shí)間演化圖 使用Monte Carlo模型模擬了10000條溫度-時(shí)間路徑；可以接受的溫度-時(shí)間路徑有1668條(左圖酒綠色線條)；好的溫度-時(shí)間路徑為189條(左圖粉紅色線條)；粗的黑線條為最佳溫度-時(shí)間路徑. (a)裂變徑跡年齡分布圖； (b)裂變徑跡長(zhǎng)度分布圖，圖中黑線條為模擬的裂變徑跡.GOF為擬合度.Fig.5 Thermal history of sample Y4 (1529.5 m， K1s1) in well Y4 Ten thousand thermal paths were tried using the Monte Carlo inverse modeling method；1668 paths are acceptable (wine green lines) and 189 paths are good (pink lines)．The thick black line is the best temperature path．(a) Apatite fission-track ages．(b) Apatite fission-track length distribution．The thick black line is modeled Apatite fission-track length．GOF=goodness of fit．

圖6 樣品Y3(1817.7m，K1s2)溫度-時(shí)間演化圖 使用Monte Carlo模型模擬了10000條溫度-時(shí)間路徑；可以接受的溫度-時(shí)間路徑有3389條(左圖酒綠色線條)；好的溫度-時(shí)間路徑為2181條(左圖粉紅色線條)；粗的黑線條為最佳溫度-時(shí)間路徑.(a)裂變徑跡年齡分布圖；(b)裂變徑跡長(zhǎng)度分布圖，圖中 黑線條為模擬的裂變徑跡.GOF為擬合度.Fig.6 Thermal history of sample Y3 (1817.7 m， K1s2) in well Y3 Ten thousand thermal paths were tried using the Monte Carlo inverse modeling method；3389 paths are acceptable (wine green lines) and 2181 paths are good (pink lines)．The thick black line is the best temperature path．(a) Apatite fission-track ages．(b) Apatite fission-track length distribution．The thick black line is modeled apatite fission-track length．GOF=goodness of fit．

圖7 Y4井埋藏史及熱史模擬結(jié)果Fig.7 The burial and thermal histories of well Y4

圖8 Y3井埋藏史及熱史模擬結(jié)果Fig.8 The burial and thermal histories of well Y3

圖9 查干凹陷典型井熱演化歷史Fig.9 Thermal gradient evolution history of the studied wells in the Chagan sag

4 中、新生代構(gòu)造-熱演化

4.1 反演-磷灰石裂變徑跡

這次對(duì)2個(gè)磷灰石裂變徑跡樣品進(jìn)行了熱史反演(圖5，圖6).在模擬中，以關(guān)鍵地質(zhì)時(shí)期的溫度為約束條件，利用Monte Carlo模型進(jìn)行了10000次熱史反演，獲得一定數(shù)量的最佳溫度-時(shí)間路徑，這些路徑代表樣品經(jīng)歷的最有可能的溫度-時(shí)間演化路徑.2口井的熱史反演結(jié)果均顯示查干凹陷經(jīng)歷了銀根組末期和烏蘭蘇海組沉積中期的構(gòu)造抬升，并且在銀根組沉積時(shí)期溫度達(dá)到最高.

4.2 正演-鏡質(zhì)體反射率

以磷灰石裂變徑跡反演的結(jié)果為約束條件，利用鏡質(zhì)體反射率對(duì)Y4井和Y3井進(jìn)行熱史正演計(jì)算.模擬的鏡質(zhì)體反射率數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)值具有很好的線性關(guān)系(圖7，圖8)，由此可見，模擬結(jié)果是可信的.模擬結(jié)果顯示Y4井先后在蘇紅圖組沉積末期、銀根組沉積末期及烏蘭蘇海組沉積中期經(jīng)歷了3次較明顯的抬升剝蝕，其中銀根組沉積末期的抬升剝蝕最大，達(dá)到1120 m.在烏蘭蘇海組沉積之前為裂陷發(fā)育階段，表現(xiàn)為快速沉降，烏蘭蘇海組沉積時(shí)期為坳陷發(fā)育階段，沉積速率則由早到晚逐漸減小.從地溫演化來(lái)看，在銀根組沉積末期古地溫達(dá)到最大，超過130 ℃.從熱史模擬結(jié)果看，Y4井在巴音戈壁組沉積時(shí)期地溫梯度在45～49 ℃/km之間，自蘇紅圖組沉積時(shí)期開始，地溫梯度逐漸增高，到銀根組沉積末期，地溫梯度達(dá)到最大，為56 ℃/km，自烏蘭蘇海組沉積至今，查干凹陷表現(xiàn)為熱沉降階段，地溫梯度呈逐漸下降的趨勢(shì)，現(xiàn)今僅為33 ℃/km，但是由于烏蘭蘇海組沉積早期快速沉積和新沉積物小的巖石熱導(dǎo)率造成地溫梯度稍有升高(圖7).Y3井也在蘇紅圖組沉積末期、銀根組沉積末期及烏蘭蘇海組沉積中期經(jīng)歷了3次較明顯的抬升剝蝕，其中銀根組沉積末期的抬升幅度最大.從熱史模擬結(jié)果看，Y3井的地溫梯度演化與Y4井相似，都在銀根組地溫梯度達(dá)到最大，為55 ℃/km(圖8).

此外，利用以上的方法還模擬了11口井的熱史，模擬結(jié)果顯示查干凹陷經(jīng)歷了以下4個(gè)熱演化階段(圖9)：(1)巴一段—蘇紅組沉積時(shí)期(K1b-K1s)：地溫梯度快速增加階段，地溫梯度由巴音戈壁組沉積開始的42～47 ℃/km逐漸增加至蘇紅圖組沉積末期的46～52 ℃/km；(2)銀根組沉積時(shí)期(K1y)：地溫梯度高峰階段，此時(shí)地溫梯度達(dá)到50～58 ℃/km，具有裂陷構(gòu)造區(qū)的熱流狀態(tài)；(3)烏蘭蘇海組沉積時(shí)期(K2w)：高地溫延續(xù)階段，地溫梯度為39～48 ℃/km，這是由于烏蘭蘇海組較厚的新沉積物具有低的巖石熱導(dǎo)率，使得在烏蘭蘇海組的地溫梯度略有升高，在中晚期構(gòu)造抬升，地溫梯度又開始降低；(4)新生代(Cz)：熱沉降階段，此階段主要受喜山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，查干凹陷主要處于抬升剝蝕期，新生代沉積較薄，地殼處于均衡調(diào)整期，地溫梯度逐漸降低，現(xiàn)今為31～34 ℃/km，具有偏高的古地溫梯度.

5 討論

5.1 構(gòu)造-熱歷史與沉積構(gòu)造演化、巖漿活動(dòng)的耦合關(guān)系

通過以上研究表明查干凹陷在白堊紀(jì)具有較高的古地溫梯度，這種地?zé)釥顟B(tài)與其經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及巖漿活動(dòng)密切相關(guān).

查干凹陷是在古生代褶皺基底上發(fā)展起來(lái)的中、新生代斷陷盆地，在中晚侏羅世(160～140 Ma)，蒙古鄂霍茨克洋閉合，西伯利亞板塊與華北板塊開始發(fā)生陸陸碰撞，查干凹陷及鄰區(qū)在兩板塊碰撞早期處于擠壓狀態(tài)，開始抬升，巖石圈加厚，因此，查干凹陷缺失三疊系和侏羅系.早白堊世開始，較重的大洋板片對(duì)大陸巖石圈的牽引力使地面巖石圈的應(yīng)力由強(qiáng)烈的擠壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓘垜?yīng)力，中晚侏羅世增厚的巖石圈因重力失穩(wěn)發(fā)生伸展垮塌，查干凹陷開始裂陷，巖石圈減薄，地幔物質(zhì)開始上涌，地溫梯度增加.此階段，盆地開始接受早白堊世巴音戈壁組的沉積.早白堊世蘇紅圖組沉積時(shí)期，區(qū)域拉張應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)一步強(qiáng)化，伸展斷裂作用加強(qiáng)，并且俯沖的蒙古-鄂霍茨克大洋板片發(fā)生了斷離(底侵作用)，在這共同作用下引發(fā)了多期火山活動(dòng)，即查干凹陷在蘇紅圖組沉積時(shí)期共發(fā)生10期火山活動(dòng)，蘇紅圖組火山巖厚度接近800 m，此階段，巖石圈的大幅度拉伸減薄，地幔物質(zhì)上涌，帶來(lái)大量地幔熱量，導(dǎo)致早白堊世具有高的地?zé)岜尘?，并在早白堊世晚期地溫梯度達(dá)到最大，這與渤海灣盆地早白堊世高的地?zé)岜尘凹皫r石圈減薄具有一致性(Zuo et al．，2013；Qiu et al．，2014).這種底侵作用使地殼物質(zhì)發(fā)生了部分熔融，從而導(dǎo)致在火山作用的早期還有大規(guī)模的酸性巖漿作用，巖石圈的伸展跨塌造成了平行于蒙古-鄂霍茨克縫合帶的半地塹盆地群(銀額盆地、二連盆地、東戈壁盆地、海拉爾盆地)初步形成；而且，在145～135 Ma，古太平洋板塊開始沿歐亞東緣向北西俯沖(周新華等，2001)，這種板塊邊界作用引起的板內(nèi)效應(yīng)也可能是引起查干凹陷及鄰區(qū)巖石圈拉張的重要因素.由此可見，查干凹陷早白堊世具有板內(nèi)被動(dòng)裂谷的特征，形成于巖石圈伸展減薄條件下的被動(dòng)裂谷環(huán)境，也與查干凹陷在早白堊世具有高的地?zé)岜尘跋嘁恢?晚白堊世開始，盆地進(jìn)入坳陷期，巖石圈開始均衡調(diào)整，地溫梯度開始降低，但是晚白堊世烏蘭蘇海組較厚的新沉積物具有低的巖石熱導(dǎo)率，使得在烏蘭蘇海組的地溫梯度略有升高.

圖10 查干凹陷典型井巴二段烴源巖底成熟度演化歷史Fig.10 Maturation history of the bottom of the Bayingebi 2 Formation in the Chagan sag

5.2 構(gòu)造-熱演化與烴源巖熱演化的關(guān)系

白堊紀(jì)高的地?zé)釥顟B(tài)有利于油氣的生成，在查干凹陷的平均古生烴門限在1703 m(表4)；這明顯比冷的地?zé)釥顟B(tài)對(duì)應(yīng)的門限深度偏淺，例如渤海海域(新生代盆地)受現(xiàn)今地溫場(chǎng)控制(地溫梯度為31.8 ℃/km)，其生烴門限在2500 m(Zuo et al．，2011).同時(shí)，研究中發(fā)現(xiàn)早白堊世銀根組沉積時(shí)期的地溫達(dá)到最大，此時(shí)的古地溫場(chǎng)控制著查干凹陷的烴源巖熱演化歷史，也是查干凹陷生烴結(jié)束的時(shí)間(圖10).早白堊世銀根組的古地溫場(chǎng)將進(jìn)一步控制查干凹陷的主生烴時(shí)期、主排烴時(shí)期及成藏關(guān)鍵時(shí)期等，再結(jié)合儲(chǔ)、蓋、圈閉形成時(shí)間等的研究成果，可以指出有利油氣聚集區(qū)帶．因此，查干凹陷的構(gòu)造-熱歷史的研究成果對(duì)該地區(qū)的油氣勘探?jīng)Q策具有重要指導(dǎo)意義．

表4 查干凹陷蘇一段底古生烴門限Table 4 Paleo-hydrocarbon generation thresholds for the bottom of the Suhongtu 1 Formation in the Chagan sag

6 結(jié)論

本文利用鏡質(zhì)體反射率和磷灰石裂變徑跡兩種古溫標(biāo)耦合反演的方法恢復(fù)了查干凹陷的構(gòu)造-熱歷史，揭示了查干凹陷在白堊紀(jì)具有高的地?zé)釥顟B(tài)，并且構(gòu)造-熱演化劃分為以下四個(gè)階段：地溫梯度快速增加階段(K1b-K1s)，地溫梯度由巴音戈壁組沉積開始的42～47 ℃/km逐漸增加至蘇紅圖組沉積末期的46～52 ℃/km；地溫梯度高峰階段(K1y)，此時(shí)地溫梯度達(dá)到50～58 ℃/km，具有裂陷構(gòu)造區(qū)的熱流狀態(tài)；高地溫延續(xù)階段(K2w)，地溫梯度為39～48 ℃/km；熱沉降階段(Cz)，此階段主要受喜山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，查干凹陷處于抬升剝蝕期，新生代沉積較薄，地殼處于均衡調(diào)整期，地溫梯度逐漸降低，現(xiàn)今為31～34 ℃/km，地溫梯度較區(qū)域背景略微偏高.在熱史恢復(fù)的基礎(chǔ)上，通過正演獲得了主力烴源巖成熟度的演化過程，發(fā)現(xiàn)查干凹陷的烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化主要受早白堊銀根組沉積時(shí)期的古地溫梯度控制，此時(shí)烴源巖熱演化程度達(dá)到最高，隨后生烴停止.

致謝 感謝中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)袁萬(wàn)明教授在磷灰石裂變徑跡測(cè)試及數(shù)據(jù)分析工作中的指導(dǎo).

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(本文編輯 胡素芳)

Mesozoic and Cenozoic tectono-thermal evolution history in the Chagan Sag，Inner Mongolia

ZUO Yin-Hui1，2， ZHANG Wang1，2， LI Zhao-Ying3， LI Jia-Wei4， HAO Qing-Qing5， HU Jie2

1StateKeyLaboratoryofOilandGasGeologyandExploitation，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China2CollegeofEnergyResources，ChengduUniversityofTechnology，Chengdu610059，China3GeologicalExploration&DevelopmentResearchInstitute，CNPC，ChuanqingDrillingEngineeringCompanyLimited，Chengdu610051，China4DivisionofLithosphereEvolution，InstituteofGeologyandGeophysics，ChineseAcademyofSciences，Beijing100029，China5InstituteofMineralResourcesResearch，ChinaMetallurgicalGeologyBureau，Beijing100025，China

The Chagan sag has the greatest oil and gas exploration potential among the sags in the Yingen-Ejinaqi Basin, Inner Mongolia. To reveal the tectono-thermal evolution history of the Chagan sag, this article utilized a combination of forward and inversion methods on the basis of 7 apatite fission track and 119 vitrinite reflectance data to reconstruct the Mesozoic and Cenozoic tectono-thermal evolution history in the Chagan sag. The results show that the Chagan sag had a high geothermal gradient during the Cretaceous, and it experienced the following 4 stages of tectono-thermal evolutions: (1) a rapid geothermal gradient increase stage from the Bayingebi Formation depositional period to the Suhongtu Formation depositional period, during which the geothermal gradient increased to 46～52 ℃/km at the end of the Suhongtu Formation depositional period; (2) a geothermal gradient peak stage during the Yingen Formation depositional period, with maximum geothermal gradient ranged from 50 to 58 ℃/km; (3) a high geothermal gradient continuation stage during the Wulansuhai Formation depositional period, with maximum geothermal gradient ranged from 39 to 48 ℃/km; and (4) a thermal subsidence stage during the Cenozoic, during which the Chagan sag is in the uplift and erosion stage due to the Himalayan movement and the geothermal gradient gradually decreased to 31～34 ℃/km at the present day. Moreover, the tectono-thermal evolution was matched with the tectonic evolution and volcanic activities in the Chagan sag. During the Early Cretaceous, the intraplate rift was developed, lithosphere was thinned and multi-phase intense volcanoes were erupted in the Chagan sag, so that a large amount of energy was released to the surface from the deep crust, resulting in a high geothermal gradient during this period. In addition, the high geothermal gradient during the Cretaceous was favorable for hydrocarbon generation, corresponding to a shallow paleo-generation threshold, and the Early Cretaceous geothermal fields controlled the hydrocarbon generation of the Chagan sag. This work may provide new insights for the understanding of the oil and gas exploration potential of the Chagan sag.

Chagan sag; Mesozoic and Cenozoic; Tectono-thermal evolution; Apatite fission track; Vitrinite reflectance

10.6038/cjg20150714.Zuo Y H, Zhang W, Li Z Y，et al. 2015. Mesozoic and Cenozoic tectono-thermal evolution history in the Chagan Sag，Inner Mongolia.ChineseJ.Geophys. (in Chinese),58(7):2366-2379,doi:10.6038/cjg20150714.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41402219，41125010，91114202)資助．

左銀輝，男，1980年生，副教授，博士，主要從事沉積盆地現(xiàn)今地溫場(chǎng)，沉積盆地構(gòu)造-熱演化，油氣資源評(píng)價(jià)和地球動(dòng)力學(xué)方面的研究．E-mail:zuoyinhui@tom.com

10.6038/cjg20150714

P314

2014-09-17，2015-05-08收修定稿

左銀輝， 張旺， 李兆影等. 2015. 查干凹陷中、新生代構(gòu)造-熱演化史.地球物理學(xué)報(bào)，58(7):2366-2379,