晚中生代二连盆地吉尔嘎朗图凹陷地层和构造演化研究

郭知鑫, 任 祎, 冯志刚, 陈 亮, 唐振平

(1.南华大学 资源环境与安全工程学院,湖南 衡阳421001; 2.湖南省稀有金属矿产开发与废物地质处置技术重点实验室,湖南 衡阳421001; 3.衡阳市核燃料循环地质理论与技术重点实验室,湖南 衡阳421001)

0 引 言

二连盆地是中国东北晚中生代沉积盆地群的重要组成部分，也是重要的油气、煤炭基地和砂岩型铀矿成矿区[1-5]。在过去的勘查工作中，前人一般将盆地的地层和构造演化划分为三个阶段，即侏罗纪断陷阶段、早白垩世早-中期断陷阶段(阿尔善组和腾格尔组同伸展沉积期)和早白垩世晚期-晚白垩世热沉降阶段(赛汉组和二连组裂后热沉积期)(图1(a))[4-7]。但是，最近基于地震反射剖面等资料的研究指出侏罗纪-白垩纪二连盆地构造演化非常复杂，盆地发生过多期强烈的伸展和挤压构造作用，对地层演化和油气运移造成了重大影响[1,8-9]。吉尔嘎朗图凹陷是二连盆地的重要油气勘探区(吉尔嘎朗图凹陷钻井位置见图2(a))，虽然前人在该凹陷开展过大量勘查工作，但到目前为止，晚中生代该凹陷的地层和构造演化过程仍然缺少精细地刻画，限制了勘探工作的进一步展开。

研究清楚盆地内各凹陷地层发育和构造变形特征，不仅对理清二连盆地形成和演化过程和揭示晚中生代中国东北地区区域构造应力环境演化历史具有重要意义，而且对认识盆地成矿规律和指导下一步矿产勘查工作具有重要价值。基于此，本研究以二连盆地吉尔嘎朗图凹陷为研究对象，通过磷灰石裂变径迹低温热年代学分析、地震反射剖面分析，结合前人研究成果，分析了吉尔嘎朗图凹陷地层沉积过程和构造演化历史，为认识晚中生代二连盆地乃至整个中国东北地区构造应力场演化历史提供了新的资料。

图1 二连盆地及盆地东南部吉尔嘎朗图凹陷地层柱状图Fig.1 Stratigraphic section of the Erlian Basin and the Jiergalangtu Sag(盆地演化引用自文献[6-7]，地层年龄引用自文献[8-9])

1 地质背景

二连盆地位于内蒙古自治区中部，是中国东北沉积盆地群的重要组成部分[1,8-9]。盆地面积约100 000 km2，沉积盖层主要为陆相碎屑沉积物，部分层位夹中-酸性火山岩和火山碎屑岩，最厚达约5 km(图1(a))[8-9]。盖层主体为下白垩统巴彦花群(包括阿尔善组、腾格尔组和赛汉组)，部分地区发育侏罗系阿其图组、格日勒组、齐哈组、兴安岭群和呼格吉勒图组，及上白垩统二连组。

吉尔嘎朗图凹陷为二连盆地东部乌尼特坳陷南部的一个次级凹陷。凹陷为NE-SW走向，整体呈西北断、东南超的半地堑形态。吉尔嘎朗图凹陷目前已探明油气储量超过3×107t，是二连盆地最重要的油气基地之一。凹陷沉积盖层厚约1.5～3.5 km，主体为下白垩统巴彦花群，侏罗系仅在凹陷边缘局部地区钻遇，上白垩统不发育(图1(b),2(b))[4,8-9]。

图2 吉尔嘎朗图凹陷地质简图及其代表性地震反射剖面图Fig.2 Geological map and interpreted seismic reflection profile of the Jiergalangtu Sag

2 磷灰石裂变径迹分析2.1 样品采集和分析方法

本研究从吉尔嘎朗图凹陷南部锡林浩特市郊区一处地下煤矿地表堆积体中采集了两件砂岩样品，样品编号为XL-1和XL-2。地表堆积体坐标位置为43°56′N、116°09′E(图2(a))，采样地层为格日勒组，样品所属岩层垂直地表深度低于500 m。

本研究采用粉碎-摇床分选-磁选-重液分选的方法，从样品中挑选出磷灰石。之后，在中国地质大学(北京)裂变径迹实验室完成两件样品磷灰石裂变径迹分析。裂变径迹分析采用外探测器法，首先对磷灰石的自发裂变径迹密度、诱发裂变径迹密度进行分别测定，然后通过ξ常数法计算磷灰石裂变径迹年龄[10]。

2.2 分析结果

样品XL-1中挑选出超过1 000颗磷灰石，对其中35颗进行裂变径迹分析。分析结果显示该样品磷灰石裂变径迹中值年龄为(132.1±7.8)Ma(1σ)，池年龄为(129.5±6.9)Ma(1σ)，卡方检验P(χ2)=1.3%，分散系数为12.3%(图3(a))。

样品XL-2中挑选出约100颗磷灰石，对其中22颗进行裂变径迹分析。分析结果显示该样品磷灰石裂变径迹中值年龄为(91.5±5.9)Ma(1σ)，池年龄为(93.5±4.6)Ma(1σ)，卡方检验P(χ2)=0，分散系数为17.6%(图3(b))。

2.3 裂变径迹分析结果讨论

本研究中两件样品XL-1、XL-2的裂变径迹分析结果卡方检验P(χ2)均小于5%、分散系数均较高、单颗粒年龄在雷达图上均较为分散(图3)，表明两件样品的磷灰石裂变径迹年龄均是由多年龄组分组合而成，两样品池年龄、中值年龄均不具备明确的地质意义[11-12]。采用BinomFit软件[11-12]对两样品磷灰石单颗粒裂变径迹年龄组成进行分解，样品XL-1数据可分解为两组有效年龄，即(140.6±7.8)Ma和(101.4±8.1)Ma；样品XL-2可分解为三组有效年龄，即(115.9±7.2)Ma、(95.2±5.0)Ma和(69.3±4.2)Ma(图3)。

磷灰石裂变径迹的封闭温度为约(100±20) ℃，部分退火带温度为约60～120 ℃。前人指出二连盆地在地表以下1 km深度处地温为约37～55 ℃，在1 km深度范围内，地温梯度为约30 ℃/km[13]。本研究采集的两件样品所处地层层位深度低于500 m，表明样品所属地层层位的地温应显著低于磷灰石裂变径迹部分退火带温度。此外，两件样品均采自中侏罗统格日勒组，格日勒组沉积成岩年龄不晚于Callovian期(即不晚于约164 Ma)[9]，即两件样品磷灰石裂变径迹年龄均远小于所属地层沉积年龄。这些数据表明，采集的两件样品在沉积成岩后均经历过复杂的热演化历史。

图3 样品XL-1和XL-2磷灰石裂变径迹年龄雷达图Fig.3 Radial plot of single grain apatite fission track ages of the Samples XL-1 and XL-2

样品经历的热演化历史可以概括为：1)中侏罗世，二连盆地开始形成，陆源碎屑沉积物在二连盆地吉尔嘎朗图凹陷南缘沉积，并随着埋深增加硬结成岩，形成格日勒组。随着埋深的增加，吉尔嘎朗图凹陷南缘格日勒组采样层位的地温达到或超过磷灰石裂变径迹封闭温度，磷灰石裂变径迹完全退火，样品中磷灰石记录的物源区热史信息被全部重置；2)早白垩世初(约(140.6±7.8)Ma)，由于某些原因吉尔嘎朗图凹陷格日勒组采样层位埋深降低，地温低于磷灰石裂变径迹封闭温度，样品中部分磷灰石记录下这一期冷却事件；3)此后，在早白垩世中期((115.9±7.2)Ma)、晚白垩世((101.4±8.1)Ma～(95.2±5.0)Ma、(69.3±4.2)Ma)，可能由于某些原因吉尔嘎朗图凹陷采样层位经历了多期埋深增加和降低过程，样品中部分磷灰石记录下多期冷却事件。

3 地震反射剖面分析

本研究对二连盆地吉尔嘎朗图凹陷多条地震反射剖面进行了分析和重新解释，如图2(b)和图4。

图4 吉尔嘎朗图凹陷代表性地震反射剖面及其解释图Fig.4 Typical interpreted seismic reflection profiles of the Jiergalangtu Sag(剖面位置见图2(a))

重新解释的地震反射剖面显示吉尔嘎朗图凹陷中侏罗统、下白垩统主要受正断层控制(图2(b),图4)。尤其是在凹陷的西北缘，下白垩统阿尔善组、腾格尔组、赛汉组表现出明显的同断陷沉积特征，愈靠近凹陷边缘断层沉积厚度愈大(图2(b))。在凹陷的南缘还可以观察到阿尔善组受凹陷东南缘正断层控制(图4(b))。此外，吉尔嘎朗图凹陷保存的中侏罗统阿其图组、格日勒组、齐哈组剖面上也观察到同沉积正断层(图4(a))。以上特征表明，吉尔嘎朗图凹陷在中侏罗统、下白垩统沉积时期均处于伸展构造环境。

此外，地震反射剖面还显示凹陷沉积盖层内部存在多个角度不整合面。其中古生界基底、中侏罗统阿其图组-格日勒组-齐哈组与阿尔善组之间、阿尔善组与腾格尔组之间、腾格尔组与赛汉组之间，赛汉组与新生界之间的角度不整合面尤为显著(图2(b),图4)：下伏地层局部或整体褶皱变形、不均衡抬升，并被上覆地层削截、超覆。以上特征表明吉尔嘎朗图凹陷在形成、演化过程中并不是一直受伸展应力控制，在不同岩石地层单元沉积的间歇期可能发生过短暂的挤压构造作用。

4 吉尔嘎朗图凹陷地层和构造演化

结合上文对磷灰石裂变径迹年龄和地震反射剖面的分析，本研究对吉尔嘎朗图凹陷地层和构造演化历史进行了恢复。

中侏罗世，吉尔嘎朗图凹陷处于伸展构造环境，开始进入断陷阶段。在凹陷的南缘和其他局部地区发育了中侏罗统阿其图组、格日勒组和齐哈组陆相碎屑沉积，这些地层超覆在古生界基底之上、受凹陷西北缘隐伏的正断层控制(图4(a))。

晚侏罗世晚期-早白垩世初，吉尔嘎朗图凹陷可能经历过一期强烈的挤压构造作用。证据如下：1)凹陷南缘在这一时期出现了明显的沉积间断。前人对二连盆地侏罗系的研究中指出，盆地北部部分凹陷局部地区保存有受正断层控制的兴安岭群火山岩和火山碎屑岩、极个别地区小范围保存有呼格吉勒图组同造山砾岩和砂砾岩[9]。本研究发现在吉尔嘎朗图凹陷的大部分地区，阿尔善组及以上地层直接超覆在古生界基底之上，仅在凹陷南缘部分地区发育有中侏罗统，并被阿尔善组及以上地层直接超覆(图4)；2)地震反射剖面显示，凹陷南部残留的中侏罗统阿其图组、格日勒组、齐哈组沉积后经历过强烈的褶皱变形和不均衡抬升，地层顶部遭受过明显的剥蚀并被其上覆的阿尔善组和腾格尔组削截(图4(a))。阿尔善组及以上地层上超在变形、剥蚀后的中侏罗统之上，褶皱变形比较微弱；3)磷灰石裂变径迹数据显示，凹陷在早白垩世初约(140.6±7.8)Ma经历过一期冷却事件。前人对凹陷一件早侏罗世花岗岩进行锆石、磷灰石裂变径迹分析，指出该花岗岩在晚侏罗世末(约(154±7)Ma、(146±7)Ma)经历过冷却抬升，其数据与本文所得结果在误差范围内一致。此外，前人二连盆地地层定年结果显示中侏罗统阿其图组、格日勒组和齐哈组沉积于Aalenian期-Bathonian期早期(约(174～167)Ma)，阿尔善组沉积于Valanginian期中-晚期(约(138～133)Ma)[8-9]，表明裂变径迹分析反映的冷却抬升事件与吉尔嘎朗图凹陷中侏罗统和阿尔善组之间的沉积间断在时间上吻合。即可能是由于晚侏罗世晚期-早白垩世初凹陷经历了一期挤压构造作用，导致了沉积间断、地层不整合和冷却抬升事件的发生。

早白垩世，吉尔嘎朗图凹陷进入强烈伸展断陷阶段。凹陷西北缘正断层为控凹断层，在阿尔善组、腾格尔组、赛汉组沉积时期该断层始终活跃，表现出明显的生长断层特征(图2(b))。

在白垩纪，吉尔嘎朗图凹陷并不是始终处于伸展构造环境。地震反射剖面显示凹陷在阿尔善组与腾格尔组的沉积间歇期、腾格尔组与赛汉组的沉积间歇期、赛汉组沉积之后均发生过强烈的褶皱变形和局部抬升，并且发生褶皱变形和局部抬升的下伏地层均遭受过不同程度的风化、剥蚀和被水平沉积的上覆地层超覆。此外，本研究所得磷灰石裂变径迹分析结果显示，吉尔嘎朗图凹陷在早白垩世中期(约(115.9±7.2)Ma)、早白垩世末-晚白垩世初(约(101.4±8.1)Ma、(95.2±5.0)Ma)、晚白垩世晚期(约(69.3±4.2)Ma)发生过多期冷却抬升事件。前人对凹陷一件早侏罗世花岗岩进行磷灰石裂变径迹分析，提出凹陷在早白垩世中晚期(约(114±8)Ma)可能发生过冷却抬升，该数据与本文获得的(115.9±7.2)Ma的裂变径迹年龄吻合。此外，前人通过锆石U-Pb定年等手段，将腾格尔组、赛汉组的年龄分别限定为Hauterivian期-Aptian期中期(约133～115 Ma)、Aptian期末-Albian期(约115～100 Ma)[8,14]。磷灰石裂变径迹分析结果反映的早白垩世中期(约(115.9±7.2)Ma、(114±8)Ma)冷却抬升事件在时间上与腾格尔组和赛汉组的沉积间歇期时间相符。裂变径迹分析结果反映的早白垩世末-晚白垩世(约(101.4±8.1)Ma、(95.2±5.0)Ma、(69.3±4.2)Ma)冷却抬升事件在时间上与赛汉组和新生界的沉积间歇期时间相符。即可能是由于早白垩世中期、早白垩世末-晚白垩世吉尔嘎朗图凹陷经历过多期挤压构造作用，导致地层褶皱变形、局部抬升，采样层位埋深降低，地温低于磷灰石裂变径迹封闭温度，从而记录下这几期冷却事件。

综上所述,本研究获得的磷灰石裂变径迹数据和地震反射剖面资料均显示二连盆地吉尔嘎朗图凹陷在中侏罗世(阿其图组、格日勒组、齐哈组沉积时期)、早白垩世(阿尔善组、腾格尔组、赛汉组沉积时期)虽然整体处于伸展构造环境,但是经历过晚侏罗世晚期-早白垩世初、早白垩世中期、早白垩世末-晚白垩世初、晚白垩世晚期等多期短暂但强烈的挤压构造作用。

5 结 论

通过对二连盆地吉尔嘎朗图凹陷中侏罗统格日勒组砂岩开展磷灰石裂变径迹研究和对凹陷地震反射剖面进行分析,本文得出以下结论:

1)磷灰石裂变径迹分析结果表明,吉尔嘎朗图凹陷南部格日勒组沉积成岩后至少经历过早白垩世初(约(140.6±7.8)Ma)、早白垩世中晚期(约(115.9±7.2)Ma)、早白垩世末-晚白垩世初(约(101.4±8.1)Ma～(95.2±5.0)Ma)、晚白垩世晚期(约(69.3±4.2)Ma)四期冷却抬升事件。

2)磷灰石裂变径迹年龄和地震反射剖面资料均显示,晚中生代吉尔嘎朗图凹陷构造应力环境演变过程非常复杂,凹陷并非始终处于伸展构造环境。虽然在中侏罗统、下白垩统沉积时期凹陷整体处于伸展环境,在晚侏罗世晚期-早白垩世初中侏罗统与阿尔善组沉积间歇期、早白垩世中期阿尔善组与腾格尔组沉积间歇期、早白垩世中晚期腾格尔组与赛汉组沉积间歇期、早白垩世末-晚白垩世赛汉组沉积后,凹陷经历过多期短暂但强烈的挤压构造作用。