宁武盆地中-新生代构造演化的裂变径迹证据

黄志刚，郑庆荣，任战利，孙二虎，勾朝阳

(1.忻州师范学院 地理系，山西 忻州 034000；2.西北大学 地质学系，陕西 西安 710069)

0 引 言

宁武盆地处在赵国春等所划分的华北克拉通东、西部陆块的过渡地带[1]，独特的大地构造位置被众多学者关注[2-7]。作为华北克拉通中部改造带内NE-SW走向的中生代残留盆地，是以前寒武纪建造为基底，在古生代大华北沉积盆地上继承和发展的向斜构造，被关帝山、芦芽山和云中山所围限。长期的勘探开发表明，除丰富的煤炭资源外，盆地还蕴藏一定储量的煤层气资源[8-11]。宁武盆地地层保存规律和周缘构造变形特征显示，受华北克拉通破坏的作用，中-新生代可能经历了显著的抬升剥蚀。抬升剥蚀的时间、剥蚀量等是探讨华北克拉通中部构造演化和煤层气资源赋存条件需要回答的科学问题。裂变径迹年代学可提供盆地抬升剥蚀演化的重要信息[12-22]。因此，裂变径迹年龄约束下的宁武盆地中-新生代构造演化，可为探讨华北克拉通中部构造演化提供新的证据，并能助推煤层气等能源资源的勘探和开发。

不同学者基于恢复鄂尔多斯盆地中生代以来的抬升演化过程，对宁武盆地及周缘区域进行了裂变径迹研究，并反演了宁武盆地所在的吕梁山脉隆升过程，认为中-新生代以来分阶段快速隆升。然而，由于研究目标及采样点布局策略的差异，导致抬升剥蚀的起始时限存在早白垩世晚期和古新世晚期两种不同的认识，阶段划分主要存在3个阶段和5个阶段的差异[23-26]。基于此，在已有研究成果的基础上，本文采集盆地侏罗系大同组和两翼岩体样品进行裂变径迹测试，对宁武盆地中-新生代构造演化进行约束反演。

1 地质背景和样品采集

宁武盆地位于吕梁山脉中北段，现今形态为华北克拉通中部改造带上中生代形成的向斜构造[27]。受多期构造运动挤压抬升，具有叠合盆地的性质(图1和表1)。东侧为吕梁山脉北段的云中山，海拔约2 393 m，西侧为吕梁山构造带的芦芽山，海拔约2 739 m。云中山和芦芽山岩体为18亿年前形成的后造山花岗岩[28]。北部为洪涛山背斜，南部为吕梁山脉最高峰关帝山。结晶基底为前寒武系的变质岩系。核部出露三叠系-侏罗系地层，翼部依次出露三叠系到前寒武系的变质岩系及花岗岩体。据盆地构造特征可分为三段，北段位于宁武、轩岗以东，由一系列次一级的背、向斜组成，以发育大量平行褶皱轴的对冲式逆冲断层组合形成的断夹块为特征。中段位于陈家半沟至庄车坪一带，表现为简单的向斜构造特征。向斜槽部在岭底、东庄一线为侏罗系永定庄组、大同组、云岗组、天池河组，两翼地层产状较陡，基本对称，依次由三叠系、二叠系、石炭系、奥陶系、寒武系组成，局部出露早前寒武纪变质岩。两侧逆冲断层依然发育，早前寒武纪变质岩被逆冲在寒武系之上。南段静乐以西至娄烦间为大面积的第四系覆盖区，周缘表现为倾角陡立，甚至倒转，发育对冲式逆冲断层组合，早前寒武纪变质岩被逆冲在寒武系之上(图2)。

本次样品采自宁武盆地西侧陈家半沟剖面和东侧庄车坪剖面侏罗系大同组地层以及芦芽山西马坊剖面和云中山辉顺沟剖面的花岗岩体(表1)。侏罗系大同组由浅黄绿色砂岩、泥岩与碳质页岩组成，夹泥灰岩凸镜体及菱铁质结核，是一套还原条件下的河湖相含煤碎屑岩沉积建造。芦芽山花岗岩由斑状辉石石英二长岩和粗粒状石英二长岩组成。云中山花岗岩主体为粒-巨粒花岗岩，边部为细粒花岗岩，常呈树枝状穿入围岩。采样点避开断裂带及破碎变形区等，尽量减小断裂等构造活动对岩样热演化的影响。样品位置和海拔利用便携式GPS结合区域地质图及地形图标定。

2 样品测试及FT年龄解释

岩石样品裂变径迹测试在北京市泽康恩科技有限公司完成。裂变径迹分析流程按照岩石样品预处理，制靶、抛光、蚀刻和辐照流程，然后统计径迹长度计算年龄[29]。本次测试磷灰石样品Zeta常数为391±17.8 a/cm2。封闭温度分别设定为110±10 ℃，部分退火带温度范围设定(110±10)～60 ℃。锆石样品Zeta常数为88.2±2.9 a/cm2，封闭温度设定为205±10 ℃。测试结果见表1。

表1 裂变径迹测试数据表

磷灰石裂变径迹测试数据显示，样品的表观年龄小于地层的形成时间，指示样品发生了完全退火，可用于抬升剥蚀历史分析(图3)。样品的封闭径迹长度均小于16.3±0.9 μm，反映经历热演化过程较为复杂。东翼侏罗系砂岩样品磷灰石裂变径迹年龄52±3 Ma，单颗粒年龄直方图呈单峰正态分布，P(χ2)>5%，可代表冷却年龄。样品封闭径迹长度11.4±2.0 μm。东翼岩体磷灰石裂变径迹年龄79～97 Ma。单颗粒年龄直方图呈单峰正态分布。P(χ2) >5%，可代表冷却年龄。样品封闭径迹长度12.4～13.0 μm。西翼侏罗系大同组砂岩样品磷灰石裂变径迹年龄47±3 Ma，单颗粒年龄直方图呈双峰分布，P(χ2)<5%，指示为混合年龄。样品封闭径迹长度12.7±2.1 μm。西翼岩体磷灰石裂变径迹年龄59～53 Ma，样品LY-2 的P(χ2)<5%，指示为混合年龄。样品L-4的P(χ2)>5%，可代表冷却年龄。样品封闭径迹长度11.9～12.9 μm。所有磷灰石径迹长度分布呈现左缓右陡、短径迹较多的特点，说明样品早期经历了缓慢的抬升冷却过程(图4)。

西翼侏罗系砂岩样品锆石裂变径迹中值年龄156±9 Ma，组合年龄161±6 Ma，东翼侏罗系砂岩锆石裂变径迹中值年龄139±7 Ma，组合年龄141±6 Ma，P(χ2)<5%，单颗粒年龄直方图呈单峰正态分布(图5)。

对宁武盆地磷灰石裂变径迹年龄数据进行统计，主要集中于新生代(图6)，白垩世晚期-古新世是宁武盆地形成的关键时期。磷灰石裂变径迹年龄与样品海拔无明显相关性，说明样品在进入磷灰石部分退火带之前所在地层已经发生褶皱变形。根据两翼岩体裂变径迹数据和周缘地层记录，可推测褶皱变形始于晚侏罗世-早白垩世。盆地大同组样品锆石裂变径迹也指示晚侏罗世-早白垩世周缘岩体的抬升。

裂变径迹数据为宁武盆地中-新生代的构造演化史提供了新的制约和比对基础。晚侏罗世到早白垩世，云中山岩体和芦芽山岩体开始抬出锆石部分退火带，缓慢隆升冷却，盆地坳陷区继续接受沉积。白垩世晚期云中山岩体和芦芽山岩体开始快速隆升。新生代早期宁武盆地发生快速抬升事件，盆地东西两侧逆冲断裂构造发育，上覆地层遭受强烈的风化剥蚀，两翼出露前寒武变质岩系和花岗岩体。向斜核部剥蚀作用较弱，残余上侏罗统地层。磷灰石裂变径迹年龄指示了盆地抬升剥蚀的不均衡性。盆地北部早于南部，北部的抬升幅度大于南部。两翼岩体隆升剥蚀速率大于核部。根据太原组煤层Ro值恢复的最大埋深古地温梯度值4 ℃/100 m估算[30]，早白垩世晚期到古近纪早期冷却速率2.5 ℃/Ma，剥蚀速率62.5 m/Ma。根据地表温度15 ℃和现今地温梯度平均值约2.21 ℃/100 m估算，新生代以来，宁武盆地冷却速率1.3 ℃/ Ma，剥蚀速率59.1 m/Ma。

3 时间-温度历史模拟

宁武盆地中-新生代抬升剥露相关构造活动事件时序的建立，由样品热史模拟获得。Dpar是用来定量表征磷灰石溶解度的一个重要指标[31]，它是与结晶c轴平行的、与抛光面相交的裂变径迹蚀刻象的最大直径，与磷灰石裂变径迹的退火速率相关，模拟时可以用Dpar值来对磷灰石颗粒进行分组。选取初始径迹长度16.3 μm，Dpar值1.5 μm。时间-温度历史模拟根据Ketcham的多分组退火模型[32]，曲线拟合采用Monte Carlo法。从表1可知，4个样品测量的径迹长度数大于100条，最有利于做热史模拟，模拟结果可信度较高。

时间-温度历史模拟边界条件的确立，需要详细分析宁武盆地的构造发育和地层沉积特征，理解实际地质演化过程。宁武盆地构造及岩石学特征分析表明，印支期地层抬升剥蚀，缺失晚三叠世地层。早白垩世晚期以来，经历了强烈的抬升剥蚀，上侏罗系、白垩系地层剥蚀殆尽。盆地二叠系煤系地层镜质组反射率为0.7%～2.0%，经历的最大古地温远高于磷灰石裂变径迹的封闭温度。三叠系到侏罗系地层热演化程度低于二叠系煤系地层。本次热模拟现今地温梯度值来自煤矿井田的测温，北端麻家梁井田和下团堡井田地温梯度分别约1.68 ℃/100 m和2.3 ℃/100 m。东北部刘家梁井田、焦家寨井田平均地温梯度约1.2 ℃/100 m。西南部梁家庄井田地温梯度约2.8 ℃/100 m。南部龙泉矿区井田地温梯度为1.62 ℃/100 m。已知测温数据都小于3 ℃/100 m。结合王钧等研究成果[33]，可估算宁武盆地现今地温梯度平均值约2.21 ℃/100 m，属正常地温梯度。地表温度根据裂变径迹热史模拟方法要求设定为15 ℃[34-35]。因为宁武盆地磷灰石裂变径迹年龄最大值为126 Ma[24]，本次热史模拟起始时间定为120 Ma，,对应样品经历120 ℃的时间点。宁武盆地中生代以来未发生岩浆活动事件，沉积埋藏作用是样品的主要增温因素。东西两侧的逆冲断裂活动也对局部温度的增高产生影响，样品温度降低的主要因素是抬升剥露作用。样品热历史模拟结果见图7。年龄GOF和K-S检验分别代表径迹年龄和长度的模拟值与实测值吻合程度。热史模拟图中绿色所围限区域为“可接受的”曲线集(GOF检验值大于5%)；紫红色区域为“好的”曲线集(GOF检验值大于50%)；黑线为模拟的平均值 “最佳”曲线。

4个样品热史模拟曲线与冷却特征在某些时间段上并不完全一致，但总体表现出相似的特征(图7)。在早白垩世晚期(110 Ma)达到最大埋深，古地温达到最高。晚白垩世早期(97 Ma)云中山岩体开始快速隆升，芦芽山岩体快速隆升时间稍晚。白垩世晚期-古新世早期(79～59 Ma)宁武盆地发生快速抬升事件。之后，虽有短暂埋藏，但总体处于隆升状态。渐新世晚期(40～30 Ma)以来快速抬升到现今位置。

宁武盆地地层保存规律和周缘逆冲断裂的发育特征，反映了盆地构造演化存在时间上多阶段，空间上不平衡多性质的发育过程，裂变径迹数据与这一特征相一致。岩石学及野外断裂构造成果表明，宁武盆地在印支期与大华北坳陷一起经历了抬升剥蚀，构造变形不明显。燕山期的构造运动使盆地两翼的岩体开始隆升，奠定了主体构造格局。芦芽山和云中山隆升挤压形成春景洼-西马坊逆冲断裂带和芦家庄-娄烦逆冲断裂带控制着宁武盆地边界。受周缘岩体快速隆升的作用，盆地北部抬升剥蚀强烈。新生代早期(79～59 Ma)发生快速抬升剥蚀事件，是宁武盆地形成的关键时期，渐新世晚期(40～30 Ma)以来快速抬升到现今位置。在中生代库拉-太平洋板块与欧亚板块发生左旋剪切平移运动的作用下，山西地块上形成一系列雁行状排列的复背斜和复向斜的构造，宁武盆地受芦芽山和云中山的强烈抬升挤压形成现今之格局。

4 结 论

(1) 宁武盆地中-新生代的构造演化历史可分为3个阶段，晚侏罗世(161～141 Ma)，盆地两翼的岩体开始缓慢隆升，核部坳陷沉积，到早白垩世晚期(100 Ma)，古地温达到最高，烃源岩达到了生气高峰期。白垩世晚期-古新世(79～59 Ma)，快速抬升剥蚀，盆地构造地貌形成的关键时期。之后，虽有短暂埋藏，但总体处于隆升状态。渐新世晚期(40～30 Ma)以来快速抬升到现今位置。

(2) 盆地抬升剥蚀具有时空上的不均衡性。盆地抬升剥蚀始于早白垩世晚期。北东部抬升剥蚀早于南部。两翼岩体隆升剥蚀速率大于核部。云中山和芦芽山隆升对宁武盆地的形成起着决定性作用。

(3)宁武盆地是中生代库拉-太平洋板块与欧亚板块发生左旋剪切平移运动，在山西地块上形成一系列雁行状排列的复背斜和复向斜的构造背景下，芦芽山和云中山的强烈抬升而形成。