寧武盆地中-新生代構(gòu)造演化的裂變徑跡證據(jù)

黃志剛，鄭慶榮，任戰(zhàn)利，孫二虎，勾朝陽(yáng)

(1.忻州師范學(xué)院 地理系，山西 忻州 034000；2.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

0 引 言

寧武盆地處在趙國(guó)春等所劃分的華北克拉通東、西部陸塊的過(guò)渡地帶[1]，獨(dú)特的大地構(gòu)造位置被眾多學(xué)者關(guān)注[2-7]。作為華北克拉通中部改造帶內(nèi)NE-SW走向的中生代殘留盆地，是以前寒武紀(jì)建造為基底，在古生代大華北沉積盆地上繼承和發(fā)展的向斜構(gòu)造，被關(guān)帝山、蘆芽山和云中山所圍限。長(zhǎng)期的勘探開(kāi)發(fā)表明，除豐富的煤炭資源外，盆地還蘊(yùn)藏一定儲(chǔ)量的煤層氣資源[8-11]。寧武盆地地層保存規(guī)律和周緣構(gòu)造變形特征顯示，受華北克拉通破壞的作用，中-新生代可能經(jīng)歷了顯著的抬升剝蝕。抬升剝蝕的時(shí)間、剝蝕量等是探討華北克拉通中部構(gòu)造演化和煤層氣資源賦存條件需要回答的科學(xué)問(wèn)題。裂變徑跡年代學(xué)可提供盆地抬升剝蝕演化的重要信息[12-22]。因此，裂變徑跡年齡約束下的寧武盆地中-新生代構(gòu)造演化，可為探討華北克拉通中部構(gòu)造演化提供新的證據(jù)，并能助推煤層氣等能源資源的勘探和開(kāi)發(fā)。

不同學(xué)者基于恢復(fù)鄂爾多斯盆地中生代以來(lái)的抬升演化過(guò)程，對(duì)寧武盆地及周緣區(qū)域進(jìn)行了裂變徑跡研究，并反演了寧武盆地所在的呂梁山脈隆升過(guò)程，認(rèn)為中-新生代以來(lái)分階段快速隆升。然而，由于研究目標(biāo)及采樣點(diǎn)布局策略的差異，導(dǎo)致抬升剝蝕的起始時(shí)限存在早白堊世晚期和古新世晚期兩種不同的認(rèn)識(shí)，階段劃分主要存在3個(gè)階段和5個(gè)階段的差異[23-26]。基于此，在已有研究成果的基礎(chǔ)上，本文采集盆地侏羅系大同組和兩翼巖體樣品進(jìn)行裂變徑跡測(cè)試，對(duì)寧武盆地中-新生代構(gòu)造演化進(jìn)行約束反演。

1 地質(zhì)背景和樣品采集

寧武盆地位于呂梁山脈中北段，現(xiàn)今形態(tài)為華北克拉通中部改造帶上中生代形成的向斜構(gòu)造[27]。受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)擠壓抬升，具有疊合盆地的性質(zhì)(圖1和表1)。東側(cè)為呂梁山脈北段的云中山，海拔約2 393 m，西側(cè)為呂梁山構(gòu)造帶的蘆芽山，海拔約2 739 m。云中山和蘆芽山巖體為18億年前形成的后造山花崗巖[28]。北部為洪濤山背斜，南部為呂梁山脈最高峰關(guān)帝山。結(jié)晶基底為前寒武系的變質(zhì)巖系。核部出露三疊系-侏羅系地層，翼部依次出露三疊系到前寒武系的變質(zhì)巖系及花崗巖體。據(jù)盆地構(gòu)造特征可分為三段，北段位于寧武、軒崗以東，由一系列次一級(jí)的背、向斜組成，以發(fā)育大量平行褶皺軸的對(duì)沖式逆沖斷層組合形成的斷夾塊為特征。中段位于陳家半溝至莊車坪一帶，表現(xiàn)為簡(jiǎn)單的向斜構(gòu)造特征。向斜槽部在嶺底、東莊一線為侏羅系永定莊組、大同組、云崗組、天池河組，兩翼地層產(chǎn)狀較陡，基本對(duì)稱，依次由三疊系、二疊系、石炭系、奧陶系、寒武系組成，局部出露早前寒武紀(jì)變質(zhì)巖。兩側(cè)逆沖斷層依然發(fā)育，早前寒武紀(jì)變質(zhì)巖被逆沖在寒武系之上。南段靜樂(lè)以西至婁煩間為大面積的第四系覆蓋區(qū)，周緣表現(xiàn)為傾角陡立，甚至倒轉(zhuǎn)，發(fā)育對(duì)沖式逆沖斷層組合，早前寒武紀(jì)變質(zhì)巖被逆沖在寒武系之上(圖2)。

本次樣品采自寧武盆地西側(cè)陳家半溝剖面和東側(cè)莊車坪剖面侏羅系大同組地層以及蘆芽山西馬坊剖面和云中山輝順溝剖面的花崗巖體(表1)。侏羅系大同組由淺黃綠色砂巖、泥巖與碳質(zhì)頁(yè)巖組成，夾泥灰?guī)r凸鏡體及菱鐵質(zhì)結(jié)核，是一套還原條件下的河湖相含煤碎屑巖沉積建造。蘆芽山花崗巖由斑狀輝石石英二長(zhǎng)巖和粗粒狀石英二長(zhǎng)巖組成。云中山花崗巖主體為粒-巨?；◢弾r，邊部為細(xì)?；◢弾r，常呈樹枝狀穿入圍巖。采樣點(diǎn)避開(kāi)斷裂帶及破碎變形區(qū)等，盡量減小斷裂等構(gòu)造活動(dòng)對(duì)巖樣熱演化的影響。樣品位置和海拔利用便攜式GPS結(jié)合區(qū)域地質(zhì)圖及地形圖標(biāo)定。

2 樣品測(cè)試及FT年齡解釋

巖石樣品裂變徑跡測(cè)試在北京市澤康恩科技有限公司完成。裂變徑跡分析流程按照巖石樣品預(yù)處理，制靶、拋光、蝕刻和輻照流程，然后統(tǒng)計(jì)徑跡長(zhǎng)度計(jì)算年齡[29]。本次測(cè)試磷灰石樣品Zeta常數(shù)為391±17.8 a/cm2。封閉溫度分別設(shè)定為110±10 ℃，部分退火帶溫度范圍設(shè)定(110±10)～60 ℃。鋯石樣品Zeta常數(shù)為88.2±2.9 a/cm2，封閉溫度設(shè)定為205±10 ℃。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 裂變徑跡測(cè)試數(shù)據(jù)表

磷灰石裂變徑跡測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，樣品的表觀年齡小于地層的形成時(shí)間，指示樣品發(fā)生了完全退火，可用于抬升剝蝕歷史分析(圖3)。樣品的封閉徑跡長(zhǎng)度均小于16.3±0.9 μm，反映經(jīng)歷熱演化過(guò)程較為復(fù)雜。東翼侏羅系砂巖樣品磷灰石裂變徑跡年齡52±3 Ma，單顆粒年齡直方圖呈單峰正態(tài)分布，P(χ2)>5%，可代表冷卻年齡。樣品封閉徑跡長(zhǎng)度11.4±2.0 μm。東翼巖體磷灰石裂變徑跡年齡79～97 Ma。單顆粒年齡直方圖呈單峰正態(tài)分布。P(χ2) >5%，可代表冷卻年齡。樣品封閉徑跡長(zhǎng)度12.4～13.0 μm。西翼侏羅系大同組砂巖樣品磷灰石裂變徑跡年齡47±3 Ma，單顆粒年齡直方圖呈雙峰分布，P(χ2)<5%，指示為混合年齡。樣品封閉徑跡長(zhǎng)度12.7±2.1 μm。西翼巖體磷灰石裂變徑跡年齡59～53 Ma，樣品LY-2 的P(χ2)<5%，指示為混合年齡。樣品L-4的P(χ2)>5%，可代表冷卻年齡。樣品封閉徑跡長(zhǎng)度11.9～12.9 μm。所有磷灰石徑跡長(zhǎng)度分布呈現(xiàn)左緩右陡、短徑跡較多的特點(diǎn)，說(shuō)明樣品早期經(jīng)歷了緩慢的抬升冷卻過(guò)程(圖4)。

西翼侏羅系砂巖樣品鋯石裂變徑跡中值年齡156±9 Ma，組合年齡161±6 Ma，東翼侏羅系砂巖鋯石裂變徑跡中值年齡139±7 Ma，組合年齡141±6 Ma，P(χ2)<5%，單顆粒年齡直方圖呈單峰正態(tài)分布(圖5)。

對(duì)寧武盆地磷灰石裂變徑跡年齡數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要集中于新生代(圖6)，白堊世晚期-古新世是寧武盆地形成的關(guān)鍵時(shí)期。磷灰石裂變徑跡年齡與樣品海拔無(wú)明顯相關(guān)性，說(shuō)明樣品在進(jìn)入磷灰石部分退火帶之前所在地層已經(jīng)發(fā)生褶皺變形。根據(jù)兩翼巖體裂變徑跡數(shù)據(jù)和周緣地層記錄，可推測(cè)褶皺變形始于晚侏羅世-早白堊世。盆地大同組樣品鋯石裂變徑跡也指示晚侏羅世-早白堊世周緣巖體的抬升。

裂變徑跡數(shù)據(jù)為寧武盆地中-新生代的構(gòu)造演化史提供了新的制約和比對(duì)基礎(chǔ)。晚侏羅世到早白堊世，云中山巖體和蘆芽山巖體開(kāi)始抬出鋯石部分退火帶，緩慢隆升冷卻，盆地坳陷區(qū)繼續(xù)接受沉積。白堊世晚期云中山巖體和蘆芽山巖體開(kāi)始快速隆升。新生代早期寧武盆地發(fā)生快速抬升事件，盆地東西兩側(cè)逆沖斷裂構(gòu)造發(fā)育，上覆地層遭受強(qiáng)烈的風(fēng)化剝蝕，兩翼出露前寒武變質(zhì)巖系和花崗巖體。向斜核部剝蝕作用較弱，殘余上侏羅統(tǒng)地層。磷灰石裂變徑跡年齡指示了盆地抬升剝蝕的不均衡性。盆地北部早于南部，北部的抬升幅度大于南部。兩翼巖體隆升剝蝕速率大于核部。根據(jù)太原組煤層Ro值恢復(fù)的最大埋深古地溫梯度值4 ℃/100 m估算[30]，早白堊世晚期到古近紀(jì)早期冷卻速率2.5 ℃/Ma，剝蝕速率62.5 m/Ma。根據(jù)地表溫度15 ℃和現(xiàn)今地溫梯度平均值約2.21 ℃/100 m估算，新生代以來(lái)，寧武盆地冷卻速率1.3 ℃/ Ma，剝蝕速率59.1 m/Ma。

3 時(shí)間-溫度歷史模擬

寧武盆地中-新生代抬升剝露相關(guān)構(gòu)造活動(dòng)事件時(shí)序的建立，由樣品熱史模擬獲得。Dpar是用來(lái)定量表征磷灰石溶解度的一個(gè)重要指標(biāo)[31]，它是與結(jié)晶c軸平行的、與拋光面相交的裂變徑跡蝕刻象的最大直徑，與磷灰石裂變徑跡的退火速率相關(guān)，模擬時(shí)可以用Dpar值來(lái)對(duì)磷灰石顆粒進(jìn)行分組。選取初始徑跡長(zhǎng)度16.3 μm，Dpar值1.5 μm。時(shí)間-溫度歷史模擬根據(jù)Ketcham的多分組退火模型[32]，曲線擬合采用Monte Carlo法。從表1可知，4個(gè)樣品測(cè)量的徑跡長(zhǎng)度數(shù)大于100條，最有利于做熱史模擬，模擬結(jié)果可信度較高。

時(shí)間-溫度歷史模擬邊界條件的確立，需要詳細(xì)分析寧武盆地的構(gòu)造發(fā)育和地層沉積特征，理解實(shí)際地質(zhì)演化過(guò)程。寧武盆地構(gòu)造及巖石學(xué)特征分析表明，印支期地層抬升剝蝕，缺失晚三疊世地層。早白堊世晚期以來(lái)，經(jīng)歷了強(qiáng)烈的抬升剝蝕，上侏羅系、白堊系地層剝蝕殆盡。盆地二疊系煤系地層鏡質(zhì)組反射率為0.7%～2.0%，經(jīng)歷的最大古地溫遠(yuǎn)高于磷灰石裂變徑跡的封閉溫度。三疊系到侏羅系地層熱演化程度低于二疊系煤系地層。本次熱模擬現(xiàn)今地溫梯度值來(lái)自煤礦井田的測(cè)溫，北端麻家梁井田和下團(tuán)堡井田地溫梯度分別約1.68 ℃/100 m和2.3 ℃/100 m。東北部劉家梁井田、焦家寨井田平均地溫梯度約1.2 ℃/100 m。西南部梁家莊井田地溫梯度約2.8 ℃/100 m。南部龍泉礦區(qū)井田地溫梯度為1.62 ℃/100 m。已知測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)都小于3 ℃/100 m。結(jié)合王鈞等研究成果[33]，可估算寧武盆地現(xiàn)今地溫梯度平均值約2.21 ℃/100 m，屬正常地溫梯度。地表溫度根據(jù)裂變徑跡熱史模擬方法要求設(shè)定為15 ℃[34-35]。因?yàn)閷幬渑璧亓谆沂炎儚桔E年齡最大值為126 Ma[24]，本次熱史模擬起始時(shí)間定為120 Ma，,對(duì)應(yīng)樣品經(jīng)歷120 ℃的時(shí)間點(diǎn)。寧武盆地中生代以來(lái)未發(fā)生巖漿活動(dòng)事件，沉積埋藏作用是樣品的主要增溫因素。東西兩側(cè)的逆沖斷裂活動(dòng)也對(duì)局部溫度的增高產(chǎn)生影響，樣品溫度降低的主要因素是抬升剝露作用。樣品熱歷史模擬結(jié)果見(jiàn)圖7。年齡GOF和K-S檢驗(yàn)分別代表徑跡年齡和長(zhǎng)度的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合程度。熱史模擬圖中綠色所圍限區(qū)域?yàn)椤翱山邮艿摹鼻€集(GOF檢驗(yàn)值大于5%)；紫紅色區(qū)域?yàn)椤昂玫摹鼻€集(GOF檢驗(yàn)值大于50%)；黑線為模擬的平均值 “最佳”曲線。

4個(gè)樣品熱史模擬曲線與冷卻特征在某些時(shí)間段上并不完全一致，但總體表現(xiàn)出相似的特征(圖7)。在早白堊世晚期(110 Ma)達(dá)到最大埋深，古地溫達(dá)到最高。晚白堊世早期(97 Ma)云中山巖體開(kāi)始快速隆升，蘆芽山巖體快速隆升時(shí)間稍晚。白堊世晚期-古新世早期(79～59 Ma)寧武盆地發(fā)生快速抬升事件。之后，雖有短暫埋藏，但總體處于隆升狀態(tài)。漸新世晚期(40～30 Ma)以來(lái)快速抬升到現(xiàn)今位置。

寧武盆地地層保存規(guī)律和周緣逆沖斷裂的發(fā)育特征，反映了盆地構(gòu)造演化存在時(shí)間上多階段，空間上不平衡多性質(zhì)的發(fā)育過(guò)程，裂變徑跡數(shù)據(jù)與這一特征相一致。巖石學(xué)及野外斷裂構(gòu)造成果表明，寧武盆地在印支期與大華北坳陷一起經(jīng)歷了抬升剝蝕，構(gòu)造變形不明顯。燕山期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使盆地兩翼的巖體開(kāi)始隆升，奠定了主體構(gòu)造格局。蘆芽山和云中山隆升擠壓形成春景洼-西馬坊逆沖斷裂帶和蘆家莊-婁煩逆沖斷裂帶控制著寧武盆地邊界。受周緣巖體快速隆升的作用，盆地北部抬升剝蝕強(qiáng)烈。新生代早期(79～59 Ma)發(fā)生快速抬升剝蝕事件，是寧武盆地形成的關(guān)鍵時(shí)期，漸新世晚期(40～30 Ma)以來(lái)快速抬升到現(xiàn)今位置。在中生代庫(kù)拉-太平洋板塊與歐亞板塊發(fā)生左旋剪切平移運(yùn)動(dòng)的作用下，山西地塊上形成一系列雁行狀排列的復(fù)背斜和復(fù)向斜的構(gòu)造，寧武盆地受蘆芽山和云中山的強(qiáng)烈抬升擠壓形成現(xiàn)今之格局。

4 結(jié) 論

(1) 寧武盆地中-新生代的構(gòu)造演化歷史可分為3個(gè)階段，晚侏羅世(161～141 Ma)，盆地兩翼的巖體開(kāi)始緩慢隆升，核部坳陷沉積，到早白堊世晚期(100 Ma)，古地溫達(dá)到最高，烴源巖達(dá)到了生氣高峰期。白堊世晚期-古新世(79～59 Ma)，快速抬升剝蝕，盆地構(gòu)造地貌形成的關(guān)鍵時(shí)期。之后，雖有短暫埋藏，但總體處于隆升狀態(tài)。漸新世晚期(40～30 Ma)以來(lái)快速抬升到現(xiàn)今位置。

(2) 盆地抬升剝蝕具有時(shí)空上的不均衡性。盆地抬升剝蝕始于早白堊世晚期。北東部抬升剝蝕早于南部。兩翼巖體隆升剝蝕速率大于核部。云中山和蘆芽山隆升對(duì)寧武盆地的形成起著決定性作用。

(3)寧武盆地是中生代庫(kù)拉-太平洋板塊與歐亞板塊發(fā)生左旋剪切平移運(yùn)動(dòng)，在山西地塊上形成一系列雁行狀排列的復(fù)背斜和復(fù)向斜的構(gòu)造背景下，蘆芽山和云中山的強(qiáng)烈抬升而形成。