四川盆地?zé)崃魇芳芭c巖漿活動的關(guān)系

四川盆地?zé)崃魇芳芭c巖漿活動的關(guān)系

盆地?zé)釟v史研究是當(dāng)前地質(zhì)研究的基礎(chǔ)主題，也是盆地動力學(xué)研究的重要內(nèi)容。油氣的產(chǎn)生、流動和其他過程與溫度密切相關(guān)。通過恢復(fù)盆地的熱歷史，不僅可以重建盆地的結(jié)構(gòu)特征，還可以揭示泉巖的熱歷史和油氣的生成歷史，以及“泉巖”的位置及其地質(zhì)歷史時期的流動過程。因此，盆地?zé)釟v史恢復(fù)研究對油氣勘探和勘探具有重要意義[3.5]。四川盆地是我國重要的含油氣盆地之一,前人對盆地基礎(chǔ)地質(zhì)、石油地質(zhì)、構(gòu)造演化等方面的研究較多[6~12].普光氣田等大型氣田的發(fā)現(xiàn),是近年來我國石油工業(yè)的突破性成果,為盆地內(nèi)石油天然氣勘探前景打開了新局面.近年來,不少學(xué)者對重點(diǎn)油氣區(qū)塊、與青藏高原相接的盆地西緣等熱點(diǎn)研究區(qū)的熱史恢復(fù)做了大量的工作[13~23].然而,總體來說,較為系統(tǒng)地對盆地?zé)崾?、盆地各?gòu)造時期不同區(qū)域的差異性熱史進(jìn)行的研究仍顯不足.本文利用石油生產(chǎn)部門積累的大量古溫標(biāo)數(shù)據(jù),采取目前較為成熟的熱史反演方法和先進(jìn)的模擬軟件,對盆地?zé)崾愤M(jìn)行較為系統(tǒng)的研究.在對古溫標(biāo)資料的分析和盆地?zé)崾返幕謴?fù)中發(fā)現(xiàn)在中晚二疊世之間,存在一個明顯的熱事件記錄.在古溫標(biāo)數(shù)據(jù)上,表現(xiàn)為多口鉆井的鏡質(zhì)體反射率(Ro)值在中上二疊統(tǒng)之間發(fā)生突變;古地溫梯度法恢復(fù)的結(jié)果,中二疊統(tǒng)及之下的地層,經(jīng)歷了較高的古地溫,且古地溫梯度較大;古熱流法恢復(fù)的鉆井熱流史,在距今259Ma左右出現(xiàn)熱流峰值.古熱流的時間演化規(guī)律、空間分布特征皆與東吳運(yùn)動的主要標(biāo)志性事件峨眉山玄武巖噴發(fā)有著良好的相關(guān)性.本文從地?zé)釋W(xué)的角度為峨眉山地幔柱在上揚(yáng)子地區(qū)的存在和噴發(fā)提供了證據(jù).1盆地?zé)崾返牡貙臃謪^(qū)和熱史研究的基本問題四川盆地位于揚(yáng)子板塊西緣,處于揚(yáng)子板塊、塔里木板塊、青藏高原、印度洋板塊等多個地體的交匯處,受板塊運(yùn)動作用的影響較為強(qiáng)烈.四川盆地是一個在上揚(yáng)子克拉通基礎(chǔ)上發(fā)展起來的疊合盆地,經(jīng)歷了古生代-早中生代的早期克拉通坳陷階段(位于上揚(yáng)子克拉通西部)和晚三疊世-新生代晚期的前陸盆地階段.盆地從加里東期以來受到了多期構(gòu)造運(yùn)動的影響:加里東期的廣西運(yùn)動,海西期的云南運(yùn)動、東吳運(yùn)動,印支運(yùn)動,燕山運(yùn)動以及新生代以來的喜馬拉雅運(yùn)動.多期的構(gòu)造運(yùn)動使四川盆地的沉積地層經(jīng)歷了復(fù)雜的變形和剝蝕過程.印支期是揚(yáng)子板塊重大變革階段,此時形成了盆地的雛形,后經(jīng)喜馬拉雅運(yùn)動全面褶皺形成現(xiàn)今構(gòu)造面貌[6~12].受構(gòu)造運(yùn)動的影響,四川盆地在不同的演化階段形成了不同規(guī)模的古隆起,從演化序列上看,四川盆地存在加里東古隆起、海西期古隆起、印支期古隆起及燕山期古隆起.這些古隆起在空間分布上,雖有繼承性,但更多表現(xiàn)為獨(dú)立性,反映了盆地性質(zhì)、構(gòu)造變形方式的差異性(圖1),不同的構(gòu)造演化過程也對應(yīng)了不同的熱演化歷史.四川盆地西南部處于峨眉山超級地幔柱的“中帶”,川中及川南地區(qū)處于“外帶”[25~29](圖1),因此,在中晚二疊世之間的峨眉山超級地幔柱活動,也對盆地的熱演化歷史產(chǎn)生了重要影響.利用古溫標(biāo)全面恢復(fù)盆地?zé)崾?樣品應(yīng)滿足兩點(diǎn)要求:(1)對于各構(gòu)造時期的熱史都有樣品可記錄;(2)能反映盆地不同構(gòu)造分區(qū)相應(yīng)的有差異的熱史.而四川盆地多期發(fā)育的古隆起,以及古隆起上分布的鉆井,無疑為研究的開展提供了有利的條件.溫度與埋藏深度是正相關(guān)的關(guān)系,如果古隆起后期所經(jīng)歷的埋藏小于形成前所經(jīng)歷的最大埋藏深度,則形成古隆起的地層保留了隆起形成前的最高古地溫紀(jì)錄.如果古隆起上的探井鉆到了其形成之前的沉積地層,則可以利用地層中的Ro測試數(shù)據(jù)恢復(fù)隆起前地層經(jīng)歷的最高古地溫(地溫梯度、熱流).另外,巖漿活動對地層的“烘烤”作用,使地層在某些特殊時期經(jīng)歷了超高的溫度,這種熱記錄也常常被古溫標(biāo)記錄下來,從而使該時期的熱歷史得以恢復(fù).我們根據(jù)古隆起發(fā)育的時間,與鉆井深度、鉆井Ro資料分布等情況相結(jié)合,在盆地范圍內(nèi)選擇了10余口井作為重點(diǎn)研究井,另外一些具有Ro數(shù)據(jù)的鉆井作為補(bǔ)充.2古代溫度標(biāo)數(shù)據(jù)的反演方法2.1海相沉積地層中鏡狀體鏡質(zhì)體反射率(Ro)是目前公認(rèn)的、并得到廣泛應(yīng)用的有機(jī)成熟度指標(biāo),在恢復(fù)含油氣盆地?zé)崾贩矫嫒〉昧藦V泛的應(yīng)用[31~34],利用Ro恢復(fù)古地溫的研究也比較成熟.四川盆地在中晚三疊世經(jīng)歷了由海相沉積向陸相沉積的轉(zhuǎn)換.上三疊統(tǒng)及之上的地層為陸相沉積,地層中的Ro數(shù)據(jù)可以直接作為恢復(fù)熱史的指標(biāo).中三疊統(tǒng)之下,特別是二疊系及之下的海相沉積地層中的鏡狀體,又稱海相鏡質(zhì)體(marinevitrinite),是我國下古生界高過成熟烴源巖中常見的顯微組分.其形態(tài)似鏡質(zhì)體,熱演化行為類似受抑制鏡質(zhì)體,鏡狀體反射率可以作為早古生代地層的成熟度指標(biāo).王飛宇等人[35~39]建立了鏡狀體、黏球形藻藻類體、鏡質(zhì)體光性演化的相關(guān)關(guān)系.劉祖發(fā)等人的對塔里木盆地海相地層中的鏡狀體人工熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步表明,鏡狀體成熟作用軌跡不同于鏡質(zhì)體.鏡狀體反射率mRO在mRO<1.5%時,其反射率比鏡質(zhì)體反射率Ro低;在mRO>1.5%時,其反射率比鏡質(zhì)體高.結(jié)合天然剖面與熱模擬系列樣品研究成果,發(fā)現(xiàn)mRO與Ro的相關(guān)性可劃分為3個階段:邱楠生等人、程本合等人等對于各種有機(jī)質(zhì)古溫標(biāo)之間的等效換算也作了一些有意義的研究工作.因此,在進(jìn)行古地溫恢復(fù)之前,根據(jù)前人所取得的鏡狀體反射率與鏡質(zhì)組反射率的方程,計(jì)算出等價(jià)Ro,將鏡狀體反射率作為有效的古溫標(biāo)用于熱史恢復(fù).圖2為部分重點(diǎn)研究井的Ro值的深度分布,Ro值分布在0.5%~3.9%之間,與深度的相關(guān)性很好.2.2層間剝蝕量和地層剝蝕量的計(jì)算基于古溫標(biāo)的盆地?zé)崾坊謴?fù)方法主要有隨機(jī)反演法、古地溫梯度法和古熱流法.本文主要采用古熱流法進(jìn)行熱史恢復(fù).古熱流法的出發(fā)點(diǎn)是影響地層溫度史的因素是已知的且是可以定量描述的.盆地內(nèi)地層的熱史(地溫史)主要受地層埋藏和盆地?zé)崃饔绊?其次還受到火山巖漿和地下流體活動等非穩(wěn)態(tài)熱效應(yīng)的影響.地層中的Ro值就記錄了地層的埋藏史和盆地的熱流史.對于埋藏史的恢復(fù)來說,確定剝蝕厚度是關(guān)鍵.如果能夠確定各剝蝕層的剝蝕厚度,就可通過現(xiàn)今殘留地層厚度的回剝來恢復(fù)地層埋藏史,從而可以模擬與之伴隨的沉積或剝蝕等非穩(wěn)態(tài)熱過程,再結(jié)合盆地?zé)崃魇?如果盆地?zé)崃魇芬阎?,就能重建地層溫度史.因此,古熱流法反演中的變量是盆地?zé)崃魇泛筒徽厦娴貙觿兾g厚度.反演過程中采用的模型為平行化學(xué)反應(yīng)模型(EASY%Ro).反演前先將反演井剖面按實(shí)際地層和不整合分為若干構(gòu)造層,每一構(gòu)造層內(nèi)至多有兩個未知量:剝蝕厚度(He)和剝蝕開始時的熱流值(Qi).然后,從最上一個構(gòu)造層開始,自上而下逐層反演.由于古熱流模型采用分段線性模型,現(xiàn)今熱流和巖石熱導(dǎo)率、比熱及密度都是已知的,因此反演時間段(ti)之前ti-1段內(nèi)任意時刻(t)的熱流(Q(t))為:式中,Qi-1為ti-1時刻的熱流值,λi-1為Δti時間段內(nèi)的熱流變化率.通過二分法或非線性牛頓迭代法對He和Qi進(jìn)行迭代,以使構(gòu)造層內(nèi)實(shí)測Ro值與相應(yīng)的EASY%Ro理論模型計(jì)算值達(dá)到最佳擬合,He和Qi即可同時確定.熱流史反演的過程中,各構(gòu)造層間(上構(gòu)造層對下伏構(gòu)造層)以及同一構(gòu)造層內(nèi)的所有樣品間是相互聯(lián)系和制約的.同時,地史與熱史反演又是完全耦合的,這就減少了反演的多解性.該方法是目前利用古溫標(biāo)進(jìn)行熱史和剝蝕量恢復(fù)的較為成熟的方法.古熱流法在進(jìn)行迭代擬合的過程中,第一個構(gòu)造層的剝蝕量和現(xiàn)今熱流值比較重要,是整個地質(zhì)過程演化的最終狀態(tài)和熱演化的定格,也是熱史反演的基礎(chǔ)參數(shù).由于古熱流法反演的過程中,是對剝蝕量(He)和熱流(Q)兩個變量進(jìn)行擬合,因此,如果其中一個變量可以較為精確的限定在一個范圍內(nèi),那么另外一個變量的反演結(jié)果也相應(yīng)的更為精確.因此,本文的研究,盡量通過相關(guān)的資料調(diào)研或者以其他手段恢復(fù)出主要不整合面的剝蝕量,然后在限制剝蝕量(He)的條件下,著重對熱流(Q)的搜索.比如,對于最晚的一期剝蝕,由于其過程簡單,可以采用Ro差值法和古地溫梯度法進(jìn)行恢復(fù).圖3所示為采用古地溫梯度法反演CM39井頂部剝蝕量的結(jié)果:古地溫梯度為28.4℃/km,頂部剝蝕量為1.149km.除了地層剝蝕以為,地質(zhì)過程中的非穩(wěn)態(tài)熱事件(巖漿活動等)也可能造成的Ro值的不連續(xù),如圖4所示,盆地內(nèi)T1井的Ro值在P3與P2之間存在錯斷,如果這種錯斷是由地層剝蝕所造成,由Ro差值法或古地溫梯度法反演的剝蝕量將超過2000m.據(jù)何斌、徐義剛等人的研究,峨眉山超級地幔柱中心的地殼抬升,在1300m左右,中帶在百米級,至外帶,抬升剝蝕已不明顯.我們認(rèn)為,在峨眉山玄武巖噴發(fā)的“外帶”,雖可能有巖漿的活動,但地殼抬升幅度和地層剝蝕量應(yīng)不會太大,結(jié)合該區(qū)其他鉆井的Ro數(shù)據(jù)和恢復(fù)的剝蝕量結(jié)果(200~500m之間),認(rèn)為T1井該不整合面的剝蝕量,應(yīng)小于500m.在反演過程中,我們將剝蝕量限制在500m以內(nèi),著重?zé)崃鞯乃阉?以降低熱史恢復(fù)的機(jī)械性和隨機(jī)性,使結(jié)果更接近地質(zhì)實(shí)際.把確定的頂部剝蝕量,以及現(xiàn)今地溫梯度、熱流值以及巖石物性(孔隙度等)、熱物性參數(shù)(熱導(dǎo)率等)輸入到古熱流法反演程序中,通過多次迭代擬合,便可以得到各不整合面的剝蝕厚度(He)和相應(yīng)構(gòu)造層古熱流(Q)的最佳模擬值.圖5顯示了CM39井的古熱流法反演結(jié)果.圖5(b)中的實(shí)線代表理論(EASY%Ro模型)計(jì)算的Ro值,圓點(diǎn)代表實(shí)測值.圖5(a)和(c)分別為理論Ro值與實(shí)測Ro值擬合最佳時,恢復(fù)出的地層埋藏史與井底熱流史.3結(jié)果與討論3.1盆地?zé)崃魈卣骷芭璧匮莼瘓D6展示了四川盆地各區(qū)域的代表性鉆井的熱史恢復(fù)結(jié)果.由于具有早二疊世之前沉積地層的古溫標(biāo)樣品的鉆井?dāng)?shù)量有限,且熱記錄為后期的熱事件掩蓋,因此,加里東期及以前的熱流史不能較好的得到恢復(fù).根據(jù)當(dāng)時研究區(qū)處于克拉通演化階段可以判斷,加里東期之前的熱狀態(tài)較為穩(wěn)定,熱流值較低.海西期,熱流開始逐漸增大,約在距今259Ma左右(中二疊世末,晚二疊世初),古熱流達(dá)到最高,此后熱流持續(xù)降低直到現(xiàn)今.其中晚二疊世-晚三疊世為快速降低階段,晚三疊世-現(xiàn)今為緩慢降低或相對平穩(wěn)階段.盆地內(nèi)多數(shù)鉆井的最高古熱流在60~80mW/m2之間,少數(shù)鉆井經(jīng)歷的最高古熱流較高,超過了100mW/m2,這些鉆井多為盆地西南(H1),以及川東北的個別鉆井(T1).盆地中部、北部以及川東北、盆地東部的多數(shù)鉆井(NJ,J13,CY84,CF82,MA1等),熱流史的演化特征相對一致:在259Ma達(dá)到的最高古熱流在60~80mW/m2,230Ma時降低至50mW/m2左右.邱楠生等人利用鏡質(zhì)體反射率以及磷灰石、鋯石裂變徑跡資料對川東北的鉆井進(jìn)行了熱史恢復(fù),研究結(jié)果認(rèn)為,三疊世的熱流值在51~66mW/m2,自晚三疊世至白堊紀(jì)隨盆地性質(zhì)由前陸盆地演化為陸內(nèi)坳陷盆地,熱流緩慢降低直至現(xiàn)今的44.5mW/m2,這與本文的結(jié)果是一致的.類似的結(jié)果還見于盧慶治等人的研究.不同類型的沉積盆地具有不同的地?zé)峒捌溲莼卣?同一盆地的不同地質(zhì)時期,不同的構(gòu)造演化特征也造成了不同的地?zé)嵫莼卣?盆地的熱演化史和盆地的構(gòu)造演化相關(guān):加里東期之前,克拉通盆地發(fā)展階段,熱狀態(tài)穩(wěn)定,熱流值較低;海西期,上揚(yáng)子西部發(fā)生張裂活動,盆地?zé)崃鏖_始增大,晚二疊世初期出現(xiàn)較強(qiáng)的張裂活動,在局部地區(qū)甚至有玄武巖噴出,熱流達(dá)到最大值;此后,隨著巖漿活動的結(jié)束,熱流快速降低;印支期是盆地海陸轉(zhuǎn)換時期,晚三疊世,研究區(qū)由被動大陸邊緣盆地演化為前陸盆地,擠壓的構(gòu)造背景,巖石圈的撓曲增厚,使熱流逐漸衰減.燕山期和喜山期的前陸盆地發(fā)展和定格階段,熱流緩慢降低,直至現(xiàn)今.3.2古熱流的時空分布及演化東吳運(yùn)動是華南地區(qū)二疊紀(jì)影響較大的一次地殼運(yùn)動,一直為研究者所關(guān)注.然而對東吳運(yùn)動的起始時間、構(gòu)造界面位置、影響范圍和運(yùn)動屬性等方面一直存在不同的意見[42~50].何斌等人運(yùn)用地幔柱上升引起地殼抬升的理論,通過對上揚(yáng)子茅口組剝蝕、不整合面特征和巖漿活動等方面的綜合研究,結(jié)合對華南地區(qū)二疊紀(jì)的地層、沉積和巖相古地理等方面綜合分析,提出上揚(yáng)子?xùn)|吳運(yùn)動是峨眉山地幔柱上升所造成的地殼快速差異抬升,并討論了東吳運(yùn)動的時空演變規(guī)律.峨眉山玄武巖的噴發(fā)是東吳運(yùn)動在上揚(yáng)子西緣最突出的表現(xiàn),何斌、徐義剛等人[25~29],通過地層學(xué)和沉積學(xué)的研究確定了峨眉山玄武巖噴發(fā)前地殼的快速大幅抬升和穹狀隆起,并認(rèn)為峨眉山玄武巖的噴發(fā)、上揚(yáng)子的地殼抬升和穹狀隆起和東吳運(yùn)動這三者之間存在必然的成因聯(lián)系.上揚(yáng)子?xùn)|吳運(yùn)動的構(gòu)造界面在峨眉山玄武巖分布區(qū)位于茅口組和峨眉山玄武巖之間,在上揚(yáng)子其他地區(qū)位于宣威組或龍?zhí)督M與茅口組之間.這一界面正好是中上二疊統(tǒng)的分界.盆地達(dá)到最高古熱流的時期(259Ma),正是早晚二疊世的分界,也是峨眉山玄武巖的主要噴發(fā)期.因此,古熱流的演化特征在一定程度上印證了東吳運(yùn)動在上揚(yáng)子地區(qū)的存在,并且從該時期盆地內(nèi)熱流的分布及演化特征,可以得出東吳運(yùn)動的時間、影響范圍等方面的認(rèn)識.圖7是根據(jù)鉆井恢復(fù)結(jié)果,采用Kriging插值法做出的東吳運(yùn)動前后四川盆地古熱流的平面分布.由圖7可以看出,距今290Ma時,川西南地區(qū)的熱流值最大,現(xiàn)今盆地邊緣即上揚(yáng)子西緣地區(qū)的熱流值已經(jīng)超過了80mW/m2,可能表明在早二疊世時,峨眉山地區(qū)已經(jīng)開始了拉張和巖漿活動.川東北的開江一帶,也存在一個相對高熱流值(70~mW/m2).到了距今259Ma時,也即峨眉山玄武巖的主要噴發(fā)期附近,盆地西南,靠近峨眉山噴發(fā)區(qū)的區(qū)域,以及川東北的開江一帶,熱流值超過了90mW/m2.這些地區(qū),是現(xiàn)今被認(rèn)為的玄武巖噴發(fā)區(qū)以及隱伏玄武巖的存在區(qū).兩個地區(qū)的一些鉆井資料中,可見Ro值在中上二疊統(tǒng)間的“跳躍”現(xiàn)象,即上二疊統(tǒng)及上覆地層的Ro值基本呈線性連續(xù)分布,而中二疊統(tǒng)(及下伏地層)的Ro值在中上二疊統(tǒng)的界面發(fā)生錯斷,數(shù)值較大.這些鉆井的熱史恢復(fù)結(jié)果顯示,中二疊統(tǒng)之下的地層在259Ma左右經(jīng)歷了極高的古地溫,且古地溫梯度較大(圖8).同時,這些鉆井出現(xiàn)在259Ma左右的熱流峰值,也遠(yuǎn)高于其他鉆井(圖6).這些鉆井有的位于峨眉山超級地幔柱活動的中帶(如H1),有的位于盆地內(nèi)的隱伏玄武巖分布區(qū)(如T1),因此,其古溫標(biāo)數(shù)據(jù)的分布及熱史特征,反映了巖漿活動的熱效應(yīng).不僅如此,整個盆地的熱流值在距今259Ma時都達(dá)到了最高,大部分地區(qū)的熱流都在70mW/m2以上,最低也在60mW/m2左右.何斌等人認(rèn)為,上揚(yáng)子?xùn)|吳運(yùn)動具有明顯的時空演變規(guī)律:空間上西強(qiáng)東弱、南強(qiáng)北弱;時間上西早東晚、南早北晚.這種規(guī)律,也可以從圖7中很明顯的反映出來:較高的古熱流代表了拉張和巖漿活動.川西南的高熱流區(qū)的范圍與張若祥