華北克拉通北緣中—新元古界構(gòu)造-熱演化:來(lái)自鋯石(U-Th)/He年齡的約束

李晨星常 健邱楠生李美俊肖 洪

1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;

2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院,北京 102249

0 引言

(U-Th)/He熱定年技術(shù)是基于礦物中U和Th放射性元素發(fā)生α衰變產(chǎn)生He提出的。通過(guò)測(cè)量礦物中238U、232Th和4He的含量,就可以得到礦物的(U-Th)/He年齡。目前,常用于(U-Th)/He熱定年的礦物為磷灰石、鋯石及榍石(Farley et al.,1996;Reiners et al.,2004;楊美伶和陳宣華,2005;程璐瑤等,2021)。其中,磷灰石(UTh)/He熱定年技術(shù)僅能揭示40～80℃低溫范圍內(nèi)的精細(xì)熱歷史 (Wolf et al.,1996),而鋯石 (UTh)/He熱定年技術(shù)具有較高的封閉溫度(140～220℃),可有效地用于研究深層、古老地質(zhì)體的熱歷史。由于Reiners et al.(2004)建立的鋯石He擴(kuò)散模型僅考慮了溫度對(duì)He擴(kuò)散行為的影響,無(wú)法解釋同一樣品中單顆粒鋯石He年齡分散性。為了解決這一問題,Guenthner et al.(2013) 提出了鋯石輻射損傷積累和退火模型(Zircon Radiation Damage Accumulation and Annealing Model,ZRDAAM),該模型能有效地解釋由輻射損傷和UTh分帶性造成的單顆粒He年齡分散性,極大地推動(dòng)了鋯石(U-Th)/He熱定年的發(fā)展。許多學(xué)者基于該新模型對(duì)古老克拉通盆地早期熱歷史開展了細(xì)致研究 (Orme et al.,2016;Powell et al.,2016;Baughman and Flowers,2020)。例如,Orme et al.(2016)結(jié)合鋯石(U-Th)/He實(shí)測(cè)年齡和正演模擬揭示了美國(guó)懷俄明克拉通自元古代以來(lái)的古溫度史。相對(duì)于國(guó)外,國(guó)內(nèi)關(guān)于鋯石(UTh)/He熱定年技術(shù)研究古老克拉通盆地構(gòu)造-熱演化的研究還很少(邱楠生等,2020)。

位于中國(guó)東部的華北克拉通自元古宙以來(lái)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)且復(fù)雜的構(gòu)造-熱演化史(翟明國(guó),2019)。一些學(xué)者曾利用磷灰石裂變徑跡技術(shù)探討過(guò)華北克拉通北緣燕遼裂陷帶中生代以來(lái)的熱歷史(吳珍漢等,2000;翟鵬濟(jì)等,2003;李建鋒等,2010),但由于該方法揭示的溫度范圍局限性,無(wú)法研究更早期的熱歷史。相對(duì)于磷灰石裂變徑跡技術(shù),鋯石(U-Th)/He熱定年技術(shù)可記錄更高溫度的熱信息,因此在研究華北克拉通北緣早期熱演化方面具有優(yōu)勢(shì)。此研究系統(tǒng)分析了燕遼裂陷帶中—新元古界樣品單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡恢復(fù)的熱史有效性以及單顆粒鋯石(UTh)/He年齡分散性的主控因素;基于ZRDAAM模型開展正、反演耦合模擬,精細(xì)揭示了燕遼裂陷帶中元古代以來(lái)的構(gòu)造-熱歷史,并探討了熱演化對(duì)研究區(qū)古老烴源巖成熟演化的影響,從而為華北克拉通北緣構(gòu)造演化和油氣勘探提供了理論依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

燕遼裂陷帶位于華北克拉通北緣燕山—遼西地區(qū)(圖1),其北臨內(nèi)蒙地軸,南接華北平原,總面積約10.6×104km2。燕遼裂陷帶由宣龍、冀北、遼西、京西、冀東5個(gè)坳陷區(qū)和山海關(guān)、密懷2個(gè)隆起區(qū)所組成。燕遼裂陷帶沉積具有中國(guó)最古老且未變質(zhì)的中—新元古代沉積地層,自下而上發(fā)育中元古界長(zhǎng)城系、薊縣系、待建系和新元古界青白口系(圖2)。

圖1 華北克拉通北緣燕遼裂陷帶構(gòu)造單元及樣品位置(據(jù)王鐵冠等,2016修改)Fig.1 Tectonic units of the Yanliao rift zone in the northern margin of North China Carton, showing the sample locations (modified after Wang et al., 2016)

圖2 燕遼裂陷帶中新元古界地層柱狀圖(據(jù)王浩等,2019修改)Fig.2 Stratigraphic column of Meso-Neoproterozoic strata in the Yanliao rift zone (modified after Wang et al., 2019)

古元古代末期,由于呂梁運(yùn)動(dòng),華北克拉通東、西陸塊拼合在一起,成為Columbia超大陸的一部分。隨后,Columbia超大陸裂解作用造成華北克拉通形成多個(gè)裂陷槽(Hou et al.,2006)。這一時(shí)期華北克拉通構(gòu)造基底不穩(wěn)定,斷裂、地震火山活動(dòng)頻發(fā)(Wang et al.,2015),地層沉積厚度巨大,且橫向變化顯著,地層之間多為不整合接觸。長(zhǎng)城系形成于中元古界早期,自下而上包括常州溝組、串嶺溝組、團(tuán)山子組、大紅峪組。其中常州溝組以砂礫巖為主,與下伏太古宙—古元古代變質(zhì)基底呈角度不整合接觸。串嶺溝組為潟湖沉積,主要由頁(yè)巖和白云巖組成。團(tuán)山子組白云巖夾少量安山巖、凝灰?guī)r,為非造山巖漿活動(dòng)的產(chǎn)物。大紅峪組主要由石英砂巖、砂質(zhì)白云巖組成。長(zhǎng)城系沉積后華北克拉通北緣逐漸由陸內(nèi)裂陷階段向被動(dòng)陸源階段過(guò)渡,沉積速率增加。薊縣系在此階段內(nèi)形成,自下而上包括高于莊組、楊莊組、霧迷山組、洪水莊組和鐵嶺組。高于莊組以白云巖為主,楊莊組以泥質(zhì)白云巖為主,霧迷山組沉積了巨厚的灰—深灰色白云巖,洪水莊組巖性為灰色白云巖夾薄層褐色頁(yè)巖。中元古代中期,待建系下馬嶺組為黑色頁(yè)巖、粉砂巖夾白云巖組合,形成于相對(duì)缺氧及沉積物源供給缺乏的沉積環(huán)境。在區(qū)域上下馬嶺組與下伏鐵嶺組多為平行不整合接觸,與上覆龍山組存在明顯的不整合界面,被認(rèn)為是Columbia超大陸裂解與Rodinia超大陸匯聚在華北克拉通內(nèi)部的響應(yīng)(陸松年等,2012;李懷坤等,2020)。新元古代時(shí)期,華北克拉通北緣受板塊碰撞影響經(jīng)歷了一定程度的構(gòu)造隆升過(guò)程(王偉鋒等,1997;曲永強(qiáng)等,2012),沉積環(huán)境為濱岸淺水相沉積,該時(shí)期形成的龍山組和景兒峪組以砂巖和頁(yè)巖為主,夾少量碳酸鹽巖。

寒武紀(jì)至中奧陶世,華北大部被海水淹沒,屬于陸表海沉積環(huán)境,華北克拉通北緣燕遼裂陷帶內(nèi)形成穩(wěn)定的淺海碳酸鹽巖沉積。中晚奧陶世以后,整個(gè)華北板塊主體同時(shí)受到南北兩側(cè)板塊匯聚俯沖作用,使得華北板塊整體抬升,從而缺失上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)地層(張旗,2011)。晚石炭世—中三疊世華北地區(qū)為海陸交互相、濱海和潟湖相沉積環(huán)境,巖性主要為砂巖、粉砂巖和泥巖。晚三疊世開始,由于燕山期強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),使得下部地層倒轉(zhuǎn)直立,整個(gè)華北克拉通三疊系與上覆侏羅系之間存在明顯的不整合(趙越等,2004)。侏羅紀(jì)—白堊紀(jì)構(gòu)造活動(dòng)以斷裂、褶皺和強(qiáng)烈的巖漿活動(dòng)為主(馬寅生等,2002;鄭建平,2020),對(duì)中新元古界的褶皺構(gòu)造起破壞作用。白堊紀(jì)以后區(qū)域內(nèi)隆升抬起,以剝蝕作用為主,燕遼裂陷帶內(nèi)局部殘留厚度不大的白堊系、古近系、新近系及第四系。

燕遼裂陷帶中元古界主要發(fā)育高于莊組、洪水莊組、下馬嶺組等3套有效烴源巖,TOC含量≥0.5%,其中洪水莊組和下馬嶺組為黑色頁(yè)巖型烴源巖,而高于莊組屬于碳酸鹽巖烴源巖(鐘寧寧等,2004)。洪水莊組烴源巖現(xiàn)今處于成熟—高成熟熱演化階段,實(shí)測(cè)等效鏡質(zhì)體反射率介于0.96%～2.13%,平均值1.43%;下馬嶺組和高于莊組熱演化程度已達(dá)到過(guò)成熟階段,實(shí)測(cè)等效鏡質(zhì)體反射率平均值大于1.7% (王鐵冠等,2016)。

2 樣品與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了精細(xì)揭示華北克拉通北緣燕遼裂陷帶早期的構(gòu)造-熱演化史,文中共采集了3塊石英砂巖樣品開展研究(圖1)。其中,樣品LX1采自遼西坳陷凌源地區(qū)的青白口系龍山組,樣品LX2和LX3分別采自冀北坳陷老莊戶地區(qū)的長(zhǎng)城系大紅峪組和常州溝組。通過(guò)重礦物分選技術(shù)得到測(cè)試需要的鋯石顆粒。

鋯石(U-Th)/He年齡測(cè)試是在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所40Ar/39Ar與(U-Th)/He年代學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成的,具體分析方法詳見Wu et al.(2018)。主要實(shí)驗(yàn)步驟包括:①在每個(gè)樣品中挑選8顆自形程度高且不含包裹體的鋯石顆粒,并測(cè)量顆粒的長(zhǎng)、寬和錐高;②使用1mm×1mm的金屬鈮囊包裹鋯石顆粒,利用澳大利亞科學(xué)儀器公司生產(chǎn)的Alphachron MK II 氦提取測(cè)量?jī)x進(jìn)行礦物He含量測(cè)試;③待完成鋯石顆粒He含量測(cè)試后,將鈮囊從氦提取測(cè)量?jī)x中取出,放入PFA(鐵氟龍)小瓶中,并加入230Th、235U濃度已知的稀釋劑溶液和濃HF溶液,使用標(biāo)準(zhǔn)壓力消解技術(shù)溶解樣品,使用Thermo Fisher X-Series II 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測(cè)試鋯石顆粒U、Th濃度;④用IsoplotR(Vermeesch,2018)計(jì)算鋯石顆粒(U-Th)/He年齡,同時(shí)根據(jù)Gautheron and Tassan-Got(2010)提出計(jì)算模型對(duì)年齡結(jié)果進(jìn)行校正。鋯石(U-Th)/He年齡測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 燕遼裂陷帶中新元古界鋯石(U-Th)/He年齡測(cè)試結(jié)果Table 1 Zircon (U-Th)/He data of Meso-Neoproterozoic in the Yanliao rift zone

樣品LX1、LX2和LX3的實(shí)測(cè)單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡均小于相應(yīng)的地層年齡,表明這些樣品沉積后曾經(jīng)歷過(guò)不同程度的高溫He擴(kuò)散。其中,樣品LX1單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡介于683.53～274.30 Ma,且與有效U濃度呈負(fù)相關(guān)性(圖3a),表現(xiàn)出較強(qiáng)的分散性,這主要是由輻射損傷造成的 (Guenthner et al., 2013)。樣品LX2和LX3單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡集中分布于187.65～109.12 Ma之間,表明它們?cè)谕碣_世時(shí)期經(jīng)歷過(guò)全部He擴(kuò)散,早期的熱信息已被重置。另外,這2個(gè)樣品的單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與有效鈾濃度及顆粒半徑無(wú)明顯相關(guān)性(圖3)。

圖3 華北克拉通北緣燕遼裂陷帶樣品單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡與有效鈾濃度和顆粒半徑關(guān)系圖Fig.3 Correlation of zircon (U-Th)/He age with effective uranium concentration (a) and particle radius (b) in the samples from the Yanliao rift zoneThe dotted lines in the figures indicate the deposition age of the samples

3 熱史模擬

以實(shí)測(cè)鋯石(U-Th)/He年齡為約束條件,研究基于ZRDAAM模型的正演和反演耦合模擬揭示了研究區(qū)中元古代以來(lái)的構(gòu)造-熱演化史(Guenthner et al.,2013)。其中,正演模擬是將ZRDAAM模型程序嵌入MATLAB軟件中進(jìn)行的;而反演模擬是基于正演模擬路徑,利用HeFTy軟件通過(guò)隨機(jī)搜索獲取得到最佳熱史路徑(Ketcham,2005)。

對(duì)于正演模擬,需要輸入的參數(shù)包括顆粒的U、Th和He含量、顆粒半徑平均值及標(biāo)準(zhǔn)差。由于樣品中單顆粒He年齡較分散,與有效鈾濃度之間具有非線性相關(guān)性,Guenthner et al.(2014)提出了繼承性包絡(luò)線的概念,即沉積物源、元素含量和顆粒半徑均不相同的顆粒在經(jīng)歷相同熱史情況下可能的He年齡分布區(qū)間(圖4),繼承性包絡(luò)線的上、下邊界分別由顆粒的平均半徑加、減其標(biāo)準(zhǔn)差得出。在正演模擬中需要設(shè)置不同的熱史路徑,當(dāng)所有實(shí)測(cè)顆粒的(U-Th)/He年齡均落入繼承性包絡(luò)線內(nèi)時(shí),認(rèn)為假定熱史是可靠的。

由于研究采集的樣品為碎屑巖,因此在正演過(guò)程中需要考慮部分顆粒沉積前已含有的He含量(即繼承性He)。為了解決這個(gè)問題,Guenthner et al.(2015)將鋯石開始形成到在研究區(qū)沉積的時(shí)間間隔經(jīng)歷的溫度設(shè)定為沉積時(shí)的地表溫度。早期研究表明,青白口系龍山組碎屑鋯石主要來(lái)源于～1.85 Ga和～2.5 Ga,長(zhǎng)城系常州溝組和大紅峪組碎屑鋯石年齡集中分布在～2.5 Ga(高林志等,2007;第五春榮等,2011;Wan et al.,2011;胡波等,2013)。因此在設(shè)置正演熱史路徑時(shí),參考碎屑鋯石形成時(shí)間及地層沉積時(shí)間(圖2),將龍山組樣品LX1的熱史路徑起始時(shí)間分別設(shè)置為2500 Ma、1850 Ma和900 Ma,大紅峪組樣品LX2的熱史路徑起始時(shí)間設(shè)置為2500 Ma和1625 Ma,常州溝組樣品LX3的正演模擬起始時(shí)間設(shè)置為2500 Ma和1800 Ma。地層開始沉積時(shí)期古地表溫度是熱史模擬的重要約束條件,根據(jù)前寒武紀(jì)氣候和古沉積環(huán)境研究成果(Robert and Chaussidon,2006;Gaucher et al.,2008),中—新元古代時(shí)期平均溫度為～20℃,因此在熱史模擬中將古地表溫度設(shè)置為20℃。

對(duì)于反演模擬,起始時(shí)間設(shè)定為對(duì)應(yīng)地層開始沉積時(shí)間。青白口系龍山組樣品起始時(shí)間為900 Ma,長(zhǎng)城系常州溝組和大紅峪組的年齡分別為1800 Ma和1625 Ma,初始熱史路徑基于正演模擬進(jìn)行設(shè)置。由于反演模擬不能對(duì)分散性強(qiáng)的多個(gè)顆粒進(jìn)行約束,因此,需選取典型顆粒進(jìn)行模擬。

3.1 青白口系龍山組樣品LX1

結(jié)合燕遼裂陷帶東段殘余地層厚度(圖2)和不整合面發(fā)育程度,為樣品LX1設(shè)置了4條完整的溫度路徑(圖4a中路徑B—D、A—C、A—D和A—E),用于反映新元古代以來(lái)樣品完整的熱演化史。奧陶紀(jì)末期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成研究區(qū)志留系、泥盆系和上石炭統(tǒng)缺失,形成廣泛分布的不整合面(張旗,2011)。由于缺乏對(duì)構(gòu)造隆升剝蝕過(guò)程的精確研究,文中在440～310Ma熱史模擬中,分別討論快速隆升剝蝕(路徑A)和勻速隆升剝蝕(路徑B)兩種情況對(duì)模擬結(jié)果的影響(圖4a)。對(duì)于熱史路徑B—D(～440 Ma地層溫度為90℃,440～310 Ma地層溫度勻速降低,～220 Ma地層溫度為140℃),部分顆粒實(shí)測(cè)結(jié)果落在繼承性包絡(luò)線下邊界之外(圖4b);而對(duì)于熱史路徑A—D(～440 Ma地層溫度為90℃,440～310 Ma地層溫度下降速率減小,～220 Ma地層溫度為140℃),實(shí)測(cè)結(jié)果均能落在繼承性包絡(luò)線范圍內(nèi)(圖4c)。因此,相對(duì)于路徑B—D,路徑A—D與實(shí)際熱演化歷史更接近。自三疊紀(jì)末期開始華北克拉通北緣長(zhǎng)期處于構(gòu)造隆升狀態(tài),造成中—新元古界廣泛出露于地表(趙越等,2004)。在三疊紀(jì)以來(lái)的熱史模擬中,主要研究不同地層埋藏溫度(路徑C、路徑D、路徑E)對(duì)模擬結(jié)果的影響。對(duì)于熱史路徑A—C(～220 Ma地層溫度為130℃),繼承性包絡(luò)線下邊界大于部分顆粒實(shí)測(cè)結(jié)果(圖4d),說(shuō)明設(shè)定地層溫度過(guò)低;對(duì)于溫度路徑A—E(～220 Ma地層溫度為150℃),繼承性包絡(luò)線上界小于部分顆粒實(shí)測(cè)結(jié)果(圖4e),反映出設(shè)定地層溫度過(guò)高;當(dāng)熱史路徑設(shè)置為A—D(～220 Ma地層溫度為140℃)時(shí),顆粒實(shí)測(cè)結(jié)果均能落在繼承性包絡(luò)線內(nèi)(圖4c)。因此,相對(duì)于路徑A—C和A—E,路徑A—D與實(shí)際熱演化歷史更接近。以正演模擬得到的熱史路徑A—D為基礎(chǔ),選取樣品中(U-Th)/He年齡中值的鋯石顆粒進(jìn)行反演模擬,可以得到與青白口系龍山組樣品的真實(shí)熱演化史最符合的熱史路徑(圖4f中黑色路徑)。

圖4 青白口系龍山組樣品熱史模擬結(jié)果Fig.4 Thermal history modeling results of the samples from the Longshan formation in the Qingbaikou system(a) The input thermal history path in a forward modeling; (b-e) The inherited envelopes obtained from different thermal history paths; The light gray area, medium gray area and dark gray area in the figure represent the modeling results corresponding to the starting time of 2500 Ma, 1800 Ma, and 900 Ma, respectively; (f) The possible thermal history path obtained by inversion modeling, in which green lines represent the thermal history path with low fitting degree, purple lines represent the thermal history path with high fitting degree, black line is the most possible thermal history path, and black boxes are constraints of inverse modeling

3.2 長(zhǎng)城系大紅峪組樣品LX2

對(duì)于長(zhǎng)城系大紅峪組樣品LX2,結(jié)合殘余地層和不整合面發(fā)育程度設(shè)置了4條完整的溫度路徑(圖5a中路徑A—D、B—C、B—D和B—E)。大紅峪組樣品經(jīng)歷的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)與上覆青白口系相似,在530～310 Ma之間設(shè)置了低溫(路徑A)和高溫(路徑B)兩種熱演化路徑,主要用于分析地層埋藏溫度對(duì)模擬結(jié)果的影響。對(duì)于溫度路徑B—D(～440 Ma地層溫度為140℃,～220 Ma地層溫度為230℃)和溫度路徑A—D(～440 Ma地層溫度為140℃,～220 Ma地層溫度為230℃),通過(guò)正演模擬得到的繼承性包絡(luò)線無(wú)明顯差異,實(shí)測(cè)結(jié)果均能落在包絡(luò)線范圍內(nèi)(圖5b、5c)?？紤]到青白口系龍山組與大紅峪組之間地層厚度超過(guò)4000m(圖2),而且龍山組在～440Ma時(shí)地層溫度已達(dá)到90℃,所以530～310 Ma熱史路徑B更接近地層的實(shí)際熱歷史。確定～440 Ma地層溫度后,改變～220 Ma時(shí)期的地層溫度進(jìn)行正演模擬,對(duì)于熱史路徑B—C(～220 Ma地層溫度為220℃),繼承性包絡(luò)線下邊界大于部分顆粒實(shí)測(cè)結(jié)果(圖5d),說(shuō)明設(shè)定地層溫度過(guò)低;對(duì)于溫度路徑B—E(～220 Ma地層溫度為240℃),繼承性包絡(luò)線上界小于部分顆粒實(shí)測(cè)結(jié)果(圖5e),反應(yīng)出設(shè)定地層溫度過(guò)高;當(dāng)熱史路徑設(shè)置為B—D(～220 Ma地層溫度為230℃)時(shí),顆粒實(shí)測(cè)結(jié)果均能落在繼承性包絡(luò)線內(nèi)(圖5b)。正演模擬結(jié)果揭示出熱史路徑B—D與長(zhǎng)城系大紅峪組樣品實(shí)際熱演化過(guò)程更接近。以正演模擬結(jié)果為基礎(chǔ),選取典型顆粒進(jìn)行反演模擬得到了最可能的熱史路徑(圖5f中黑色路徑)。

圖5 長(zhǎng)城系大紅峪組樣品熱史模擬結(jié)果Fig.5 Thermal history modeling results of the samples from the Dahongyu formation in the Changcheng system(a) The Input thermal history path in a forward modeling; (b-e) The inherited envelopes obtained from different thermal history paths; The dark gray area and the gray area in the figure represent the modeling results corresponding to the starting time of 2500 Ma and 1620 Ma, respectively; (f) The possible thermal history path obtained by inversion modeling, in which green lines represent the thermal history path with low fitting degree, purple lines represent the thermal history path with high fitting degree, black line is the most possible thermal history path, and black boxes are constraints of inverse modeling

3.3 長(zhǎng)城系常州溝組樣品LX3

上已敘述,樣品LX3曾經(jīng)歷過(guò)高溫He擴(kuò)散,其鋯石(U-Th)/He年齡僅能有效地反映最后一期冷卻事件的信息。同樣地,結(jié)合不整合面和殘余地層厚度,為樣品LX3設(shè)置了4條完整的熱史路徑(圖6a中路徑A—D、B—D、C—D和B—E)。由于華北克拉通北緣中—新元古界地層在三疊紀(jì)末期達(dá)到最大埋藏深度(馬寅生等,2002),為了分析～220Ma地層溫度對(duì)模擬結(jié)果的影響,在正演模擬中分別設(shè)置了溫度由低到高的3條熱史路徑(A、B、C)。對(duì)于溫度路徑A—D(～220 Ma地層溫度為250℃),有效鈾濃度較低部分顆粒實(shí)測(cè)結(jié)果落在繼承性包絡(luò)線下邊界之外,有效鈾濃度高的顆粒則落在繼承性包絡(luò)線上邊界之外(圖6b)。對(duì)于溫度路徑C—D(～220 Ma地層溫度為270℃),部分顆粒實(shí)測(cè)結(jié)果則落在繼承性包絡(luò)線上邊界之外(圖6c)。只有溫度路徑設(shè)為B—D(～220 Ma地層溫度為260℃)時(shí),實(shí)測(cè)結(jié)果均能落在繼承性包絡(luò)線范圍內(nèi)(圖6d),說(shuō)明溫度路徑B—D最接近真實(shí)熱演化過(guò)程。改變～220 Ma至今的冷卻速率,分析冷卻速率降低(路徑D)和冷卻速率穩(wěn)定(路徑E)條件下熱史模擬結(jié)果的差異。在設(shè)置溫度路徑B—E(～220 Ma至今勻速冷卻)和B—D(～220 Ma至今冷卻速率減緩)情況下進(jìn)行正演模擬,結(jié)果顯示～220 Ma至今勻速冷卻情況下有效鈾濃度較高的顆粒實(shí)測(cè)結(jié)果落在繼承性包絡(luò)線上邊界之外(圖6e),而冷卻速率減緩情況下實(shí)測(cè)結(jié)果均能落在繼承性包絡(luò)線內(nèi)(圖6d)。正演模擬結(jié)果反映溫度路徑B—D與樣品實(shí)際熱演化情況最接近。依據(jù)正演模擬結(jié)果進(jìn)行反演模擬得到擬合度較高的熱史路徑(圖6f中黑色路徑)。

4 討論

研究利用鋯石(U-Th)/He熱定年技術(shù)揭示出華北克拉通北緣燕遼裂陷帶經(jīng)歷了晚奧陶世—晚石炭世(440～310 Ma)和晚三疊世至今(220～0 Ma)兩期冷卻事件。在熱史模擬路徑設(shè)置中,設(shè)定的4條熱史路徑均符合樣品經(jīng)歷的構(gòu)造演化過(guò)程,但不同熱史條件下模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)鋯石(UTh)/He年齡之間的關(guān)系有明顯差異。只有當(dāng)所有單顆粒鋯石(U-Th)/He年齡均落在繼承性包絡(luò)線內(nèi)時(shí)(圖4—圖6),此時(shí)給定的熱史路徑與樣品真實(shí)構(gòu)造-熱演化過(guò)程最為接近。晚奧陶世至晚石炭世,華北克拉通北緣與白乃廟島弧帶發(fā)生碰撞(張?jiān)势降?2010;Zhang et al.,2014a),導(dǎo)致華北克拉通北緣燕遼裂陷帶長(zhǎng)期處于隆升剝蝕狀態(tài),形成了區(qū)域性的不整合面。熱史模擬結(jié)果反映出長(zhǎng)期隆升剝蝕狀態(tài)造成的地層溫度降低,同時(shí)顯示出440～310 Ma隆升剝蝕速率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(圖4—圖6)?？紤]到燕遼裂陷帶長(zhǎng)期處于低地溫、低熱流的熱狀態(tài)(李慧莉等,2005;邱楠生等,2009,2010),設(shè)定其地溫梯度為25℃/km,計(jì)算得到晚奧陶世至晚石炭世剝蝕量約1600m。晚三疊世華北克拉通北側(cè)蒙古-鄂霍次克洋洋殼向南俯沖,引起華北克拉通北緣形成擠壓構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),燕遼裂陷帶開始了強(qiáng)烈的區(qū)域構(gòu)造變形 (Hu et al., 2010;,2014b)。與熱史模擬結(jié)果相對(duì)應(yīng),中—新元古界地層隆升剝露至地表,地層溫度持續(xù)下降(圖4—圖6)。晚三疊世至今,華北克拉通東部渤海灣盆地受到華北克拉通破壞作用影響經(jīng)歷了高熱流階段(Chang et al.,2018),現(xiàn)今大地?zé)崃魅韵鄬?duì)較高,達(dá)到～64.5 mW/m2(Qiu et al.,2014)。然而華北克拉通北緣現(xiàn)今熱流相對(duì)較低,僅為～50 mW/m2(Jiang et al.,2019),這表明華北克拉通破壞對(duì)北緣熱流影響有限。雖然燕遼裂陷帶在三疊紀(jì)以來(lái)經(jīng)歷了燕山運(yùn)動(dòng)等重要的構(gòu)造-熱事件,在整體隆升剝蝕的綜合影響下,中—新元古界溫度仍呈現(xiàn)持續(xù)降低的特征。

圖6 常州溝組樣品熱史模擬結(jié)果Fig.6 Thermal history modeling results of the samples from the Changzhougou formation in the Changcheng system(a) The input thermal history path in a forward modeling; (b-e) The inherited envelopes obtained from different thermal history paths; The dark gray area and the gray area in the figure represent the modeling results corresponding to the starting time of 2500 Ma and 1800 Ma, respectively; (f) The possible thermal history path obtained by inversion modeling, in which green lines represent the thermal history path with low fitting degree, purple lines represent the thermal history path with high fitting degree, black line is the most possible thermal history path, and black boxes are constraints of inverse modeling

根據(jù)熱史模擬得到的地層溫度史和現(xiàn)今地溫場(chǎng)數(shù)據(jù)(Jiang et al.,2019),結(jié)合Easy%RO模型恢復(fù)了燕遼裂陷帶中元古代以來(lái)的溫度演化史及烴源巖成熟演化史 (圖7)。模擬結(jié)果顯示,～1450 Ma之前的快速沉降造成高于莊組烴源巖成熟度迅速升高,在～1520 Ma進(jìn)入成熟階段(RO為0.5%),～1450 Ma進(jìn)入生油階段(RO為0.7%)。1450～540 Ma華北克拉通北緣以構(gòu)造隆升作用為主(曲永強(qiáng)等,2012),高于莊組烴源巖在～540 Ma仍處于成熟階段(RO為1.1%)。由于洪水莊組烴源巖埋深較小,地層長(zhǎng)期保持40℃以下,～540 Ma烴源巖處于未成熟階段(RO小于0.5%)。540～440 Ma由于地層沉降造成烴源巖成熟度進(jìn)一步增加,440 Ma高于莊組烴源巖RO接近1.3%,洪水莊組烴源巖進(jìn)入成熟階段(RO為0.5%)。440～310 Ma期間燕遼裂陷帶長(zhǎng)期處于隆升剝蝕狀態(tài),有機(jī)質(zhì)熱演化作用基本停滯。310～220 Ma時(shí)期,由于地層埋藏深度增加和火山活動(dòng)增強(qiáng) (Zhang et al.,2014a),造成烴源巖成熟度快速升高。高于莊組烴源巖在230 Ma進(jìn)入過(guò)成熟階段(RO為2.6%),洪水莊組烴源巖成熟度在～220 Ma升高至0.8%。～220 Ma至今地層溫度持續(xù)下降,烴源巖熱演化作用基本停止。

圖7 燕遼裂陷帶熱演化史與烴源巖成熟度演化史Fig.7 Thermal evolution history and maturity evolution of source rocks in the Yanliao rift zone

5 結(jié)論

華北克拉通北緣燕遼裂陷帶中—新元古界青白口系和長(zhǎng)城系碎屑巖樣品鋯石(U-Th)/He年齡分別介于683.53～274.30 Ma和187.65～109.12 Ma,均小于地層年齡,其中青白口系樣品單顆粒年齡與有效鈾濃度具有負(fù)相關(guān)性。通過(guò)正、反演熱史模擬不僅明確了青白口系和長(zhǎng)城系在～220 Ma分別經(jīng)歷過(guò)140℃和230～260℃的高溫,而且揭示出晚奧陶世—晚石炭世和晚三疊世至今兩期快速冷卻事件,分別由華北克拉通北緣與白乃廟島弧帶碰撞和蒙古-鄂霍次克洋洋殼俯沖造成的。受快速沉降和構(gòu)造隆升事件影響,薊縣系烴源巖經(jīng)歷了二次生烴。其中高于莊組烴源巖在三疊紀(jì)末期已進(jìn)入高成熟階段,而洪水莊組烴源巖目前仍處于成熟階段。

致謝:感謝中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所吳林博士在鋯石(U-Th)/He年齡測(cè)試中給予的幫助。