山西沁水盆地中生代构造热事件与古地温演化

山西沁水盆地中生代构造热事件与古地温演化

沁水盆地是山西省地块的一个复合向斜带，是渤海湾盆地与鄂尔多斯盆地之间的一个过渡带。沁水盆地地表出露了较完整的中生界,由于新生界较薄,中生界未受深埋作用改造,保留了中生代盆地演化和地热场的信息,是研究中生代盆地性质和古地热场的理想地区。1995年以来不同学者对沁水盆地进行了研究,在盆地古地温恢复、构造热事件及现今大地热流值确定等方面取得了一些新的结果,近年作者结合煤成气973项目,对沁水盆地进行了野外考察,补充了新的分析测试样品。本文在此基础上对沁水盆地中生代构造热事件发生时期及形成机理等进行探讨。1确定热事件的发生和时间的证据1.1热演化程度及盆地沉积特征根据新的分析资料重新绘制了沁水盆地石炭-二叠系镜质体反射率平面等值线图(见图1),可见R。值总体呈东西两侧边缘低,中部高,南北两端高,南端最高的特点。盆地北端Ro值为2.0%～3.0%,大部分地区大于2.5%;中部地区为2.0%～2.5%;盆地边缘一般为1.3%～1.5%;盆地南端为3.0%～4.0%,晋城、翼城一带热演化程度最高。构造演化史研究表明,沁水盆地未沉积早侏罗世地层,中侏罗世地层仅在榆社牌坊剖面有残留,残留厚度大于277m,不整合覆盖在晚三叠世地层之上。中侏罗世之后到白垩纪之前沁水盆地处于强挤压应力场中,形成向斜构造盆地。在盆地晋城东掩村可见奥陶系挤压背斜构造,地层直立,该挤压背斜构造就是在此次构造运动中形成的。中侏罗世之后盆地整体抬升,遭受剥蚀。因此沁水盆地石炭-二叠系煤系现今埋藏浅,二叠系山西组煤层现今埋深在一般为400～1200m,沁县、榆社一带埋藏最深,可达1100～1200m。沁水等复向斜构造盆地石炭-二叠系煤系镜质体反射率等值线总体变化趋势受复向斜构造形态控制,山西地块雁行状排列的复背斜、复向斜构造形成于燕山中、晚期,因此沁水盆地异常地温场应形成于燕山中晚期,表明沁水盆地中生代晚期古地热梯度高,发生过一次构造热事件。1.2石炭-二叠纪煤系的年龄差异沁水盆地所分析样品磷灰石裂变径迹年龄很小,锆石裂变径迹年龄小于地层年龄,表明地层中的锆石已发生退火作用。锆石退火表明地层经历的古地温高于200℃,地层已进入了冷却带。根据镜质体反射率、包裹体测温、裂变径迹等多种古地温分析结果,综合分析确定沁水盆地中部沁源附近沁参1井中生代晚期平均古地热梯度约为5.56℃/100m。根据沁参1井现今的热导率1.73W/(m·K)计算,沁参1井中生代晚期大地热流值在96mW/m2以上。在盆地南端的晋城、阳城一带,石炭-二叠系煤系镜质体反射率更高,磷灰石、锫石裂变径迹分析表明石炭-二叠系煤系已完全退火,进入了冷却带。锆石裂变径迹年龄小于地层年龄,表明古地温、古地热梯度及古大地热流值更高。秦勇根据镜质体反射率和包裹体资料分析,阳城一带中生代晚期平均古地热梯度约在8℃/100m以上。沁水盆地中生代晚期古地热梯度及大地热流值远高于全球平均地热梯度及大地热流值,表明存在异常地温场,这是石炭-二叠系煤系镜质体反射率异常高的原因。山西地块沁水等复向斜构造盆地石炭-二叠系煤系镜质体反射率与上覆三叠系、侏罗系连续变化。例如左云盆地侏罗系煤层与下伏石炭-二叠系煤系镜质体反射率连续变化,两者之间不存在古地温不连续现象,可见石炭-二叠系煤与侏罗系煤现今的变质程度是同时达到的。大同—左云构造盆地仅保留中、下侏罗统,因此沁水盆地异常地温场应形成于中侏罗世之后的燕山中晚期。本文新测定的沁水盆地北端昔阳南峪煤矿山西组砂岩样品锆石裂变径迹年龄主峰为2组,其中年轻的一组年龄峰值约100Ma;盆地南端阳城樊庄太原组砂岩样品锆石裂变径迹年龄主峰也为2组,其中年轻的一组年龄峰值约140Ma。阳城潘1井石盒子组砂岩样品锆石裂变径迹年龄主峰为2组,其中年轻的一组年龄峰值约150Ma;成庄煤矿山西组样品锆石裂变径迹年龄主峰为2组,其中年轻的一组年龄峰值约130Ma;盆地中部沁源县石盒子组砂岩样品锆石裂变径迹年龄主峰为2组,其中年轻的一组年龄峰值约140Ma。锆石裂变径迹年龄较年轻的一组为100～150Ma,该年龄值资料提供了热事件发生时间的很好信息,表明中生代构造热事件发生在距今100～150Ma。1.3岩浆断裂带和构造热事件的年代学及动力学背景沁水盆地煤层高变质带的出现与岩浆活动关系密切,煤高变质带的分布与岩浆岩体的分布相吻合,在平面上,煤质的分带以岩浆岩体侵入位置为中心依次向外展布,其中心往往为无烟煤,高变质带的宽窄受岩体规模的大小和侵入深度控制,侵入浅则高变质带较窄。在西部有襄汾、浮山、翼城之间的二峰山、塔尔山花岗岩,晋中地堑有祈县石英二长岩岩体,太原西山煤田西部的狐偃山花岗岩,临县紫山花岗岩,都与煤的高变质带相对应。在东部晋城、高平及其以东的陵川、平顺西沟等地有燕山期岩浆侵入体存在。另外在晋城、阳城、阳泉都发现有岩浆热液岩脉。岩浆活动和北北东向断裂带有关,山西地块从西到东火成岩体分布在3个带:西带大体沿吕梁复背斜断裂带分布,如紫金山—尖家沟—永和一带及狐偃山—交城一带;中带大体沿万荣复背斜断裂带分布,如祁县—翼城、襄汾(二峰山、塔儿山岩体);东带大体沿陵川复背斜断裂带分布,如平顺—陵川岩体。北北东向断裂带岩浆侵入部位形成煤的高变质带。沁水盆地南部形成的高变质带受东西向断裂带的影响,在航磁图上,沁水盆地南端出现东西向展布的断续状航磁正异常,这些航磁正异常可能是岩浆岩体的反映。山西地区中生代火成岩同位素年代测量数据表明,岩浆侵入和喷发时代为侏罗纪—白垩纪,主要分布于距今110～150Ma,主峰值为120～140Ma(见图2),相当于早白垩世。沁水盆地及周缘中生代火成岩体同位素年龄测定结果为90～170Ma,主要分布在110～141Ma,主峰值为130～140Ma(见表1、图3),与山西地区火成岩体同位素年龄分布规律一致,表明沁水盆地构造热事件主要发生在距今130～140Ma。沁水盆地中生代构造热事件具有区域性。根据古地温恢复、岩浆活动、构造运动及磷灰石裂变径迹等方面的分析结果,认为华北地区中生代构造热事件发生在晚侏罗世—早白垩世。此期构造热事件发生的时间与华北地区岩浆最活跃时期及大规模金成矿时期基本一致,金成矿作用主要发生在侏罗纪—白垩纪,即距今65～200Ma,地球动力学背景是碰撞造山过程中的挤压-伸展转变期。在太行山断裂两侧发现了石湖(阜平地体)和耿庄、义兴寨(五台地体)等矿床。阜平地体石湖金矿金矿化同位素测年结果为距今119～132Ma;五台地体的耿庄、义兴寨金矿金矿化同位素测年结果集中在102～140Ma。金矿化年龄与太行山构造带岩浆活动时期一致。1.4热流体活动时代在沁水盆地沁参1井岩心样品及晋城附近坡底村、东掩村旁剖面,可见奥陶系顶面附近方解石脉体非常发育。奥陶系顶面为风化剥蚀面,裂隙及孔隙发育为方解石脉体形成创造了条件,方解石脉体发育反映热流体活动。热流体活动是引起石炭-二叠系煤系反射率高的原因之一。作者野外考察时,在石炭-二叠系煤系中也见到方解石脉体。秦勇等根据脉体成分及同位素分析认为,沁水盆地热液脉体既有非岩浆热液成因的特征,又有岩浆热液的某些特征活动,但以前者占主导地位。阳城、翼城及沁源煤层中脉体流体包裹体样品稳定同位素组成偏重,因而具有岩浆花岗岩和沉积岩为来源的重熔花岗岩之间共有的性质。根据构造发育历史及岩浆活动史分析,本文认为热流体活动时期为晚侏罗世—早白垩世。以上分析表明,沁水盆地中生代晚期存在一期构造热事件,主要发生时期为距今110～140Ma,主峰值为距今130～140Ma。2岩石圈减薄及岩浆活动特征依据依据的年龄控制一个沁水盆地中生代晚期发生的构造热事件不是孤立的,具有区域性,必然有其深部原因。根据古地温恢复、岩浆活动、构造运动及磷灰石裂变径迹等方面的分析结果,认为华北地区中生代构造热事件发生在晚侏罗世—早白垩世,主要发生在距今100～150Ma,主峰值为130～140Ma,主要为早白垩世。华北东部中生代构造体制发生了从以挤压为主到以伸展为主的转变,形成北北东向的盆岭格局,到中生代晚期(距今110Ma),华北地区岩石圈已处于强烈的北西-南东向的伸展和北北东向的左行走滑活动。构造体制转变与深部的地幔过程和岩石圈减薄过程有很好的时空耦合关系,在此期间华北陆块及相邻块体的下地壳发生大比例的熔融和壳幔物质交换,从东到西,岩浆活动有源区变深、幔源物质增多的现象。中生代华北地台和大别山地区双峰式岩浆活动和碱性花岗岩的发育,华北地区大规模的岩墙群,以及强烈的区域性隆起、走滑、拉张及沉陷等构造活动和一系列断陷盆地的形成等,都说明本地区当时正经历着强烈的大陆裂解,正是超大陆裂解才导致中国东部岩石圈大规模的拆沉和减薄。中生代大规模的岩浆活动与区域岩石圈伸展有关,岩石圈快速减薄使岩浆作用活跃,引发了爆发式成矿。吴福元等对大兴安岭地区火山岩的地球化学和年代学研究表明,中国东部岩石圈减薄大约从距今160Ma开始,岩石圈减薄到最大限度的时间为距今120～145Ma。文献根据对华北陆块中生代构造、热体制、盆地配置与迁移、火山喷发、花岗岩类以及爆发成矿的研究,限定华北东部构造体制转折的时限始于距今约140～150Ma,结束于距今约100～11OMa,峰值是距今120Ma。沁水盆地构造热事件发生的时间与华北地区岩石圈全区范围内由亏损地幔性质转变为富集地幔性质时期及岩石圈减薄时期一致,华北地区岩石圈富集地幔形成时间在中生代(距今120～140Ma),沁水盆地及周缘区岩浆活动主要出现在距今110～141Ma,主峰值为130～140Ma。沁水盆地构造热事件发生的时间恰好对应华北地区大规模岩石圈拆沉、减薄时期,表明沁水盆地石炭-二叠系煤层热演化程度高,主要受中生代晚期异常地温场控制。塔儿山、狐堰山及西安里岩体的里特曼-戈蒂里图解表明,岩浆岩多位于造山与非造山之间的过渡区,属弱造山环境,反映沁水盆地中生代构造体制由挤压向伸展的转变。根据恢复的古地热梯度及大地热流估算,燕山期沁水盆地岩石圈应有明显的减薄,燕山晚期沁水盆地深部地幔热活跃,岩石圈减薄,地幔上涌,形成高地热背景值,这是石炭-二叠系煤层热演化程度高的主要原因。在异常地温场背景的基础上,深成变质作用和区域岩浆热变质作用造成了沁水盆地石炭-二叠系煤层变质程度的分带性及差异性。深成变质作用是影响沁水煤田现今变质程度分带的主导因素,深部岩浆活动是盆地南、北两端高变质带形成的重要因素,深部热液活动在奥陶系顶面活动性强,使靠近奥陶系的石炭-二叠系煤层热演化程度提高。沁水盆地石炭-二叠系煤层生烃高峰期在晚侏罗世-早白垩世,受中生代晚期构造热事件控制,中新世以来大规模抬升冷却,地层遭受剥蚀、温度降低,石炭-二叠系煤层生烃过程停止。目前普遍认为华北地台减薄发生在大兴安岭—太行山以东地区。沁水盆地构造热事件的存在及发生时间的确定表明,华北地台中生代以来减薄的西界至少可推到沁水盆地以西地区。构造热事件发生时间的确定,对沁水盆地煤层气成藏过程研究及大陆动力学演化研究有重要意义。3岩石圈深部热活动是岩石圈深部热活动的主要原因其中生代晚期沁水盆地存在一期强烈的构造热事件,主要发生在距今100～150Ma,主峰值为130～140Ma,主要为早白垩世。沁水盆地构造热事件发生的时间与华北地台岩石圈全区范围内由亏损地幔性质转变为富集地幔性质时期、岩石圈减薄时期及华北东部构造体制转折的时期一致,表明构造热事件及岩石圈的减薄具有区域性,岩石圈深部热活动是其根本原因。沁水盆地构造热事件的存在及发生时间的确定表明,华北地台中生代以来岩石圈减薄的西界至少可推到沁水盆地以西地区。中生代晚期岩石圈减薄,地热背景值高,是沁水盆地石炭-二叠系煤层热演化程度高的主要原因,深成变质作用是影响沁水盆地煤层变质程度现今分带的主导因素,深部岩浆活动是沁水盆地南、北两端高变质带形成的重要因素,深部热液活动仅在局部起作用。