Ar－Ar年代学方法研究进展及其在石油地质中的应用

罗成刚，郝晨曦，胡飞渊，夏海兵，彭 岚

(长庆油田公司第二采油厂，甘肃 庆阳 745600)

Ar－Ar年代学方法研究进展及其在石油地质中的应用

罗成刚，郝晨曦，胡飞渊，夏海兵，彭 岚

(长庆油田公司第二采油厂，甘肃 庆阳 745600)

Ar－Ar年代学方法是当前地质研究中最为重要的年代学方法之一。随着理论方法的不断完善，实验技术的不断提高，获得了诸多鲜明的进展，在已有研究成果的基础上对Ar－Ar年代学方法从基本原理，进展与不足及其在石油地质中的应用等方面进行综合分析讨论，认为该方法理论得到了进一步完善，精度不断提高，技术从常规阶段升温法发展到了激光显微探针法，应用领域与可测试矿物也逐渐扩大，其中石油地质中主要通过流体包裹体与自生钾长石以及自生伊利石Ar－Ar定年两种途径来确定油气藏年代学，但该方法中诸如年龄代表的意义等问题尚需进一步明确和完善。

Ar－Ar年代学方法;实验方法;研究进展;油气地质

上世纪四十年代在放射性物理学及衰变常数可测背景下，同位素年代学产生并进一步发展［1］;进入二一世纪，美国《构造地质学与大地构造新航程》白皮书又将构造年代学推向了地球科学发展的前沿，使得年代学方法则成了广大地质工作者广泛关注的焦点之一。作为K－Ar方法基础上演化发展而来的40Ar/39Ar年代学方法较前者在理论方法体系、测试方法及仪器得到了更大改进，克服了后者的一些局限性和不足。因此，也促使40Ar/39Ar年代学方法逐渐成为地质研究中的最为重要的地质年代学方法之一［2－4］。通常构造变形中由变质作用或交代作用等形成如白云母、黑云母、角闪石等新生矿物，对该类新生矿物进行定年，即可获得构造活动年龄，因此40Ar/39Ar年代学方法被广泛应用于构造变形年代学测定上［5－9］。近几年来随着科技的不断发展，该方法也多被用于石油地质的研究中。

1 Ar－Ar年代学方法基本原理

1.1 基本原理

40Ar/39Ar法定年理论的是由Sigurgeirsson于1962年首次提出，并在 Metrihue［10］和 Mitehell［11］详细描述与记录的基础上不断发展起来的。至今，随着科学理论和技术手段及实验仪器的的不断改进，该理论与方法得到了进一步的完善。特别是近年来，国内学者［12－16］也从实验技术、理论方法等不同角度对其原理进行了总结分析和补充，桑海清［17］等还研制了该方法的地质年龄国家一级标准物质，为40Ar/39Ar法定年原理和技术进一步完善做出了卓越贡献。

基本的40Ar/39Ar法年龄测定原理是实验测试样品中含钾矿物在核反应堆中用快中子照射而形成39Ar为基础的，即形成反应3919K(n，ρ)→3919Ar，也就是说当所测试的含钾样品在核反应堆中受中子照射时，通过涉及钾、钙和氯的几种核反应而形成Ar同位素，核心则是中子、质子与39K的反应产物39Ar。同样，从样品形成以来，由于40K的衰变，使该样品中现有的放射成因40Ar为:

由此可以得到40Ar/39Ar法的年龄计算公式:

其中J为每次照射样品的照射参数，无量纲，是由标准样品同时照射所标定，最终可知所测年龄t。

1.2 实验方法及其相关图谱

常规的实验方法［15，18］是分选出矿物颗粒并进行核反应照射，之后在真空系统中对单矿物颗粒样品从300℃～1 400℃区间分10℃ ～20℃阶段进行升温加热，并对每个温度点释放的氩气利用质谱进行相对丰度的测试并校正计算后得到40Ar*/39Ar，然后进行年龄计算。在实验过程中对于每一个加热阶段可测定一个对应的年龄值，最终可得到一系列的年龄值，这个年龄则为表观年龄(也称视年龄)。最初冷却至今一直保持K和Ar的封闭状态下计算出来的这一系列年龄应该是一个常数。但是通常矿物结晶后的时间过程中存在某一时刻的放射性成因氩丢失，同温度下释放出来的气体中的40Ar*/39Ar比值就会是变化的，因此也将产生一个由一系列年龄组成的年龄谱图(图1－a)，在这个谱图中出现的相对比较平坦的年龄值则为坪年龄。这个坪年龄则是最终封闭体系建立以来的记录的年龄值。

此外，McDougall［18］研究还发现，从未受扰动的单颗粒矿物或岩石样品实验过程中逐阶段释放的气体中40Ar/36Ar和39Ar/36Ar比值可以确定一系列的点，这些点可以拟合成一条直线(图1－b)，而这条直线则是斜率等于40Ar/39Ar比值的等时线，该比值与样品的年龄有关。等时线的截距为给定样品相关的气体中，非放射成因氩的同位素比值，即40Ar/39Ar比值，但该比值与现代大气氩同位素比值295.5较为接近。因此可通过该比值对测试的年龄数据的可靠性进行验证。

1.3 实验过程中的干扰矫正

通常伴随实验过程中的核反应还会发生中子与其他诸如Ca、K、Cl等元素进行核反应而产生干扰 Ar同位素［10－11，15］，影响最大的则属Ca、K元素，该元素对实验结果造成的干扰主要体现在所测的数据与实际数据相比或大或小，因此对其进行干扰矫正是实验过程的一个重要部分。通常主要矫正Ca和K元素，其中对Ca元素的矫正主要采用纯的CaF2进行中子活化，然后利用质谱测定Ar同位素相对比值，得到校正因子(36Ar/37Ar)Ca和(36Ar/37Ar)Ca，继而通过测定待定样品中的37Ar，然后通过这些校正因子对中子诱发产生的36Ar、39Ar进行最终矫正［15］;同样，可以通过测量 K2SO4盐中的Ar同位素比值可以获得校正因子(40Ar/39Ar)K以矫正K元素的影响［15］。

2 石油地质中的应用

以往在石油地质中对油气成藏年龄的确定主要通过地质构造事件的约束，如通过约束推测圈闭形成时间、约束油气破坏构造事件等方法间接确定油气成藏的年龄。同时由于油气成藏过程中形成的伴生岩石矿物主要为碳酸盐岩、含水矿物、石英、黄铁矿等，因此运用传统同位素定年方法确定油气成藏年龄较为困难。但是通常情况下砂岩储层在油气充注后，孔隙水被排走，烃类取而代之，自生伊利石失去水介质而停止生长［19］，借助于这一特征运用伊利石进行油气成藏年龄测试。随着Ar－Ar年代学方法理论及其测试矿物的不断完善，现今石油地质中主要为流体包裹体与自生钾长石Ar－Ar定年相结合［20］以及自生伊利石 Ar－Ar定年两种途径来确定油气藏年代学。邱华宁等［12］系统的从40Ar/39Ar法的优点和实验技术的角度，讨论了油气田样品40Ar/39Ar定年面临的主要技术难题、测定对象、测定方法和可行性。同时，他还成功的研制了有机杂质气体纯化装置，为开展油气成藏40Ar/39Ar年代学研究，并获得可靠的同位素年龄数据奠定了实验技术基础。云建兵［21］认为可以利用储集层中自生伊利石的最小年龄限定油气充注的最大年龄，并且还通过对砂岩储层中自生的伊利石进行了40Ar/39Ar阶段加热技术实验，探讨了这种方式获得油气成藏年龄的可能性问题。

图1 40Ar/39Ar年代学实验结果谱图

3 研究进展及其存在问题

在审视近几十年来Ar－Ar年代学方法理论技术的相关报道和文献，可以发现近几年得到了十足的发展，并且应用范围也不断在扩大，但也暴露出很多的不足和缺点。以下对该方法的进展及其不足做一简单总结。

3.1 研究进展

3.1.1 从K－Ar到Ar－Ar理论技术的发展

Ar－Ar热年代学方法是对K－Ar方法的一种继承和改进，相比之下Ar－Ar法优势明显，并且近年来Ar－Ar年代学方法自身得到了一定的发展。1)性质上相比较Ar－Ar法是一种物理性质的实验，实验过程不存在化学性质的实验过程，避免了实验过程中的样品化学污染，同时在实验测试年龄计算方法中K－Ar法的K和40Ar含量是在两份样品上分别测定所得，而 Ar－Ar年代学法在一份样品上进行中子活化实验，测定其(40Ar*/39Ar)K比值，从而计算出年龄的，从而避免了两份样品不均匀而带来的误差;2)Ar－Ar年代学方法在测定元素丰度过程中采用了更为精密的质谱计，使得实验结果更为精确，减少了人为的误差;3)相比于K－Ar法的实验技术，Ar－Ar法是通过阶段性加热及逐步释气方法，间接获得的是样品在不同温度阶段所对应的年龄，这些年龄最终可组成一个样品的Ar－Ar年龄谱和等时线，以此获得的是一种更为精确冷却事件;4)在实验数据的最终表达上，近几年以36Ar/40Ar－39Ar/40Ar为轴的反等时线取代了以40Ar/36Ar和39Ar/36Ar为轴的正等时线，后者以分析精度最差的36Ar作分母，同时影响了两坐标轴，造成误差更大，而前者以40Ar为分母的，从根本上降低了人为误差。

3.1.2 实验方法及其测试对象的研究进展

实验方法最为显著的是从常规的阶段升温法发展到激光显微探针法，即在40Ar/39Ar分步加热释氩法中加入了聚焦激光束的应用，将激光束聚焦到高倍显微镜磨制的岩石光片(厚0.5～2 mm)中待测矿物上，以使之快速熔化释放出 Ar气体进行年龄测定［14－15，22－25］。相比传统的阶段加热升温法，激光显微探针精度更高，可测矿物及样品种类更多，样品的使用量则大大减少。

同时，在可测试矿物方面，众多学者也做出了多种尝试，桑海清［13］对石英40Ar－39Ar阶段加热法定年的实验技术进行了改进，认为在预先对样品做镜下鉴定和电子探针分析，挑选钾含量较高的石英用于定年，可以减少失败，提高年龄数据测试的成功率;并且还认为当钾含量高于0.05%时，一般都可在中温(700～1 000℃ 左右)阶段获得3个以上视年龄构成坪年龄和等时年龄。

3.1.3 应用领域的进展

地质学家对地质活动发生的精确时间的追求促使了年代学的发展，也使得40Ar/39Ar年代学除了应用于构造热事件或者构造变形时间的判断以外，也向其它各个方向发展。近些年来40Ar/39Ar方法也被用于判断油气成藏年龄以及成矿时代，以为油气勘探及成矿机制与成矿动力学背景提供年代学依据。

3.2 存在问题

40Ar/39Ar的优势及其近几年来的研究进展是显而易见的，但是也有很多问题尚待进一步的思考及其完善。1)40Ar/39Ar理论是建立在多重扩散理论基础上的，但对于Ar的扩散机制到底是什么样的是不是多重扩散模式理论假设认为的，其中不同大小的扩散域是否相互独立，有无相互影响，即是否只要Ar扩散到独立扩散域之外便立刻离开系统;2)过剩40Ar的问题关系到最终年龄结果的准确性，如何区分并分离矿物岩石形成时从周围环境中吸收的或者扩散进去的40Ar在总量中的丰度含量。3)从40Ar/39Ar的理论、实验、到最后的年龄解释中都有压力因素的存在，但是压力如何影响Ar的扩散及其过剩40Ar的分布，阶段加热中压力如何影响Ar的释放，至今尚无研究分析压力对该理论与实验技术的影响;4)40Ar/39Ar年代学方法可测试矿物有哪些，有研究者用石英来测试，可是纯净的石英是SiO2，并不含该方法理论最基本的K，而利用石英里面的流体包裹体来测试，可流体包裹体是个混合体，所测试的年龄能否正确表示该构造热活动年龄;5)如何分选同构造矿物，盲目挑选出来的矿物测试的年龄有可能代表的是原岩成岩年龄，也可能代表的是构造变形形成的新矿物冷却年龄，用40Ar/39Ar年代学方法测试他们的年龄所代表的具体意义尚待思考;6)多期次的构造变形中，前期的构造变形形成的同构造新生矿物在下次构造变形中是否还受到温度的影响而破坏了其封闭体系，如前期的构造变形温度大于350℃，在冷却到350℃时，白云母达到封闭体系，而晚期的构造变形要生成白云母等矿物至少也要大于350℃时，即晚期的温度大于了前期达到封闭体系的白云母封闭温度，肯定破坏了前期的封闭体系，这种情况下白云母的40Ar/39Ar年龄还能代表能否代表前期构造变形活动时间;7)40Ar/39Ar年代学方法测试出来的年龄代表的是这种矿物的冷却年龄，或者说记录的是该构造事件冷却到这种测试矿物封闭温度时到现今的年龄，并不是构造变形发生的年龄。这种构造变形发生的时间到封闭温度这段年龄如何来求。在不能解决这种问题的时候，是不是我们可以采取选择封闭温度最接近构造变形发生的温度的这种可用40Ar/39Ar法测试的矿物来测试，以达到缩小这种年龄差距，进而达到无限接近构造变形年龄的目的。

4 结语

尽管实验理论从K－Ar法向Ar－Ar法发展，技术从常规阶段升温法到激光显微探针法的发展，应用领域的不断的拓展均指示了Ar－Ar年代学方法研究与应用获得了突破性的进展，但是越来越多的不足也显而易见。广泛的应用中通过40Ar/39Ar年代学方法获得构造变形年龄、油气成藏、成矿等方面的研究仅仅是一些模糊的应用，真正属于一些突破性应用成果鲜见。但是地质年代学目前仍是定量探索地质历史时间过程的唯一手段，扔需要我们更加深入的研究，广泛的地质对比验证，相信随着理论、实验技术等进一步的发展，理论与方法技术均会不断完善，不足与存在问题都可以逐一解决。

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Ar－Ar Chronology Method Research Progress and Its Application in Petroleum Geology

LUO Cheng － gang，HAO Chen － xi，HU Fei－ yuan，XIA Hai－ bing，PENG Lan
(No.2 oil plant of Pertochina Changing Oilfield Company，Qingyang 745600，Gansu)

Ar－Ar chronology method is one of the most important chronology methods in current geological research.And it won many distinct progresses with the constant improvement of theoretical method and experimental technology unceasing enhancement，it is comprehensive analyzed from the basic principle of Ar－ Ar chronology method，progress and deficiency and its application in petroleum geology based on the existing research.And the results show that the method theory has been continued perfection，improve precision and technology developed from conventional heating stage to the laser microprobe method，application field and testable mineral also gradually expanded，which mainly through the research of petroleum geology fluid inclusions and authigenic potassium feldspar and authigenic illite Ar－Ar in two ways to determine reservoir chronology，but the problem of methods such as the significance of age to be further clear and perfect.

Ar－Ar chronology method;the experimental method;the research progress;Oil and gas geology

TE19

A

1004－1184(2015)04－0205－03

2015－03－11

罗成刚(1986－)，男，重庆璧山人，助理工程师，主要从事油气田勘探与开发工作。