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1 论文 2015 年第 60 卷第 14 期 :1298 ~ csb.scichina.com 中国科学 杂志社 SCIENCE CHINA PRESS 鄂尔多斯盆地渭北隆起抬升期次及过程的裂变径迹分析 任战利 12*, 崔军平 12, 郭科 2, 田涛 2, 李浩 2, 王维 2, 杨鹏 2 2, 曹展鹏 1 西北大学大陆动力学国家重点实验室, 西安 ; 2 西北大学地质学系, 西安 * 联系人, renzhanl@nwu.edu.cn 收稿, 接受, 网络版发表国家自然科学基金 ( ) 西北大学大陆动力学国家重点实验室科技部专项(BJ ) 和国家重大专项 (2011ZX HZ) 资助 摘要渭北隆起处于活动带 ( 秦岭造山带 ) 与稳定地块 ( 鄂尔多斯地块 ) 的过渡地带, 构造位置独特重要, 该带抬升期次及过程的确定对盆山作用 盆地动力学演化及油气成藏研究具有重要意义. 本文运用磷灰石 锆石裂变径迹分析方法及热史模拟方法对渭北隆起进行了低温热年代学研究, 研究表明渭北隆起抬升冷却在南北方向上具有明显的差异性, 具有南早北晚的特点. 南部奥陶系 - 下二叠统抬升早, 主要为早白垩世晚期 102~107 Ma 以来, 北部自新生代 65 Ma 以来抬升, 主要抬升时期为晚始新世 40 Ma 以来. 渭北隆起主要有早白垩世晚期 (102~107 Ma) 及 40 Ma 以来两期快速隆升, 40 Ma 以来为渭北隆起的主要快速隆升时期. 热演化史模拟曲线表明渭北隆起在约 125~100 Ma 快速抬升, 在 100~40 Ma 为缓慢抬升, 自古近纪晚始新世约 40 Ma 以来, 特别是 5 Ma 以来发生快速抬升冷却. 渭北隆起新生代 40 Ma 以来的整体快速隆升与秦岭造山带北缘的隆升具有同时性, 与渭河盆地的新生代以来快速沉降具有很好的耦合关系. 关键词裂变径迹分析镜质体反射率热史模拟抬升过程渭北隆起鄂尔多斯盆地秦岭造山带 渭北隆起处于活动带 ( 秦岭造山带 ) 与稳定地块 ( 鄂尔多斯地块 ) 的过渡地带, 构造位置独特重要, 该带记录盆山演化的热动力学信息, 是研究盆山关系及陆内变形的理想地区. 该隆起带中生代延长组及古生界烃源岩发育, 下古生界奥陶系碳酸盐岩层系发育, 具有厚度大 沉积相带好 有机质丰度较高的特点, 是寻找油气的重要地区. 鄂尔多斯盆地南部渭北隆起演化后期经历了强烈的抬升剥蚀, 古生界在隆起南缘已出露地表. 前人应用磷灰石裂变径迹方法对渭北地区的构造隆升进行了初步研究, 积累了宝贵的资料 [1~7]. 渭北地区隆起虽然取得了一些裂变径迹年龄数据, 但热年代学数据较为稀少 [1~7], 缺乏对裂变径迹数据与退火特 征 退火带划分的深入分析, 对渭北隆起整体抬升冷却过程及差异性 规律性研究较为薄弱, 制约了渭北隆起与秦岭造山带 渭河盆地耦合关系 盆地动力学及油气成藏条件的深入研究. 构造 - 热年代学近十余年来取得了显著的进展, 成为精确恢复构造热演化史的一种有效方法 [8~11]. 作者近十余年来对渭北隆起构造特征及热演化史进行了长期的研究, 采集了大量的镜质体反射率及裂变径迹分析样品, 在详细的钻井地质资料及地质格架与分析样品结果的约束下, 运用构造热年代学方法, 通过对热年代学数据系统的分析, 对渭北隆起磷灰石裂变径迹退火带及冷却带划分 构造抬升时期 抬升过程及差异性进行了系统的研究, 取得了新的认识. 引用格式 : 任战利, 崔军平, 郭科, 等. 鄂尔多斯盆地渭北隆起抬升期次及过程的裂变径迹分析. 科学通报, 2015, 60: Ren Z L, Cui J P, Guo K, et al. Fission-track analysis of uplift times and processes of the Weibei Uplift in the Ordos Basin (in Chinese). Chin Sci Bull, 2015, 60: , doi: /N

2 论 文 1 地质构造背景 鄂尔多斯盆地南缘渭北隆起北接陕北斜坡, 其 南隔新生代渭河断陷与秦岭造山带相望. 渭北隆起 南北均以断层分界, 其中南界为乾县-富平大断裂, 该断裂为正断层, 向南倾斜, 它也是渭河断陷盆地的 北部界线. 而隆起带北界为宜(君)-黄(龙)逆冲大断 裂, 向西可与灵台-马栏逆冲断裂相接. 渭北隆起与 华北板块具有统一的结晶基底, 其上发育有元古界 寒武 奥陶 石炭 二叠 三叠 侏罗系及下白垩统, 志留-下石炭统及上白垩统缺失(图1). 渭北隆起不同时期由不同类型的盆地叠加而成, 早古生代 晚古生代为华北陆缘海-滨浅海盆地, 中 显的角度不整合接触. 燕山期构造变形明显是由南 向北推进, 其变形范围北达彬县-马栏-宜君一带, 奠 定了渭北隆起的现今构造格局. 燕山期变形主要为 较 宽 缓 的 背 斜 构 造, 亦 伴 有 较 大 的 逆 冲 断 层 [14~17]. 燕山期构造变形南强北弱, 南部褶皱 断裂发育. 断 裂多为南倾北推的逆冲断裂, 剖面上形成南倾北冲 的叠瓦状断裂带, 褶皱多为线形背斜, 主干断裂集中 分 布 在 南 部, 区 域 上 带 状 分 布 明 显 ( 图 2). 喜 山 期 以来渭北隆起南侧渭河盆地发生强烈的断陷, 燕山 期逆断层发生反转, 并形成一系列北西向正断层, 渭 北隆起出现断块翘倾和强烈抬升, 遭受剥蚀改 造 [13,14,18], 南部岐山-礼泉-泾阳口镇-富平-澄城一带 后期抬升强烈, 奥陶系已出露地表(图1和2). 生代晚三叠世 早白垩世为残延内克拉通盆地, 晚 根据渭北隆起地层接触关系和构造变形的分析, 白垩世以来进入盆地整体抬升 周边断陷阶段 [12,13]. 认为燕山期是渭北隆起的构造主变形期. 鄂尔多斯 渭北隆起经历了多期构造运动, 加里东运动表现为 盆地晚白垩世以来发生过大幅度的抬升剥蚀 [2,3]. 在渭北隆起南缘地带形成较宽缓褶皱 逆冲推覆构 造. 上 下古生界呈角度不整合接触, 并构成具造山 性质的加里东构造带, 向盆地内部构造变形依次减 弱 [14~17]. 燕 山 运 动 是 渭 北 隆 起 重 要 的 构 造 变 形 期, 尤以中侏罗世末构造运动最为强烈, 使侏罗系及以 下的沉积盖层全部卷入变形, 与上覆上白垩统呈明 裂变径迹分析结果 裂变径迹分析原理 裂变径迹分析法的原理是磷灰石 锆石中所含的 238 U裂变时产生的碎片会在磷灰石 锆石中形成裂变 图 1 鄂尔多斯盆地渭北隆起及周缘构造单元关系图 Figure 1 Relationship between the Weibei Uplift of the Ordos Basin and its surrounding tectonic units 1299

3 2015 年 5 月第 60 卷第 14 期 图 2 渭北隆起岐山 - 麟游 - 泾川构造剖面及采样位置 Figure 2 The tectonic profile of Qishan-Linyou-Jingchuan in the Weibei Uplift and sampling location 径迹, 矿物中的径迹具有随温度的增高, 径迹密度减少 长度变短直至完全消失的特性. 在 1~100 Ma 的时间内, 磷灰石裂变径迹的退火温度大约为 60~ 150 [8,9]. 目前正处在最大埋藏地温状况下, 通过磷灰石裂变径迹年龄 - 深度 ( 或温度 ) 关系可划分 3 个不同的带 [19]. 如果地层在达到最大埋藏温度后, 由于抬升剥蚀或地温梯度的减小而冷却下来, 则可在磷灰石裂变径迹年龄 - 深度 ( 或温度 ) 图上识别出 5 个带. 其中, 前完全退火带, 也称为冷却带, 该带为冷却后又生出新的裂变径迹, 该带的年龄 年龄 - 深度曲线的斜率和该带地层厚度可以确定冷却事件发生的时间 速率和地层抬升剥蚀方面的信息 [1,2,8,9]. 磷灰石退火特性分析及退火带划分是研究抬升冷却事件的基础, 当沉积岩样品经历的最高古地温大于完全退火温度时, 裂变径迹不再保存, 年龄为零. 如果后期发生一次快速冷却事件, 使样品所处的温度小于退火温度, 裂变径迹开始保存, 矿物的裂变径迹体系的时钟也重新启动. 曾完全退火的沉积地层样品记录了几乎相同的年轻的裂变径迹年龄, 且远小于其沉积年龄, 这就是快速抬升或冷却事件发生的时间. 应用磷灰石裂变径迹资料分析盆地后期抬升冷却年龄及过程, 关键的是前完全退火带或冷却带的解释和确定 [1,2,8,9,20]. 锆石退火温度高于磷灰石, 退火温度约为 200 [21,22], 高于磷灰石的退火温度. 若沉积后锆石裂变径迹未经过退火, 这些矿物将保留沉积前的裂变径迹年龄记录 ; 若经历的温度明显高于封闭温度, 这些矿物原来记录的径迹将全部退火, 其年龄将明显比沉积年龄要新. 因此, 锆石裂变径迹分析可提供沉积盆地更高古地温以及冷却时间的信息. 渭北隆起奥陶系热演化程度高, 将锆石裂变径迹与磷灰石裂变径迹分析方法结合使用, 可以提供构造热事件 发生的时间 古地温 抬升冷却年龄及过程的信息 [2,20]. 2.2 分析结果在以往造山带隆升的裂变径迹等测年研究中, 往往以来自一条或少数几个采样点的测试分析结果, 来代表整个隆升过程. 由于构造变形具有分段性, 一条路线剖面或几个采样点一般难以代表整个造山带的隆升状况. 因此进行造山带隆升和盆山耦合规律研究时, 在实际采样工作中, 需要对隆起的不同构造部位 不同层位进行大量系统的磷灰石裂变径迹热年代学的采样和测试. 作者在渭北隆起不同剖面及不同层位进行了系统采样, 分析磷灰石 锆石裂变径迹样品 19 块, 采集样品主要分布平凉 岐山 礼泉 彬县 韩城和河津等地, 采样层位主要为寒武 奥陶 石炭 二叠 三叠和白垩系, 岩性全为砂岩. 本次应用新测试的 19 个裂变径迹分析结果, 结合前人已发表的所有数据 [1~7]. 本次采样及前人采样位置如图 1, 样品采样点分布于整个渭北隆起东 中 西各区及各个层位, 本次及前人分析数据共有 30 多个数据, 可以代表渭北隆起. 裂变径迹分析采用外探测器法 [23], 所采样品用常规的重液和磁选方法分离出磷灰石单矿物, 用环氧树脂将矿粒固定. 经磨平和抛光后制成光薄片, 使得矿物内表面露出, 并与白云母外探测器贴紧. 在 25 下用 7% HNO 3 蚀刻 30 s 揭示自发径迹, 将低铀白云母外探测器与矿物一并入反应堆辐照, 之后在 25 下 40% HF 蚀刻 20 s 揭示诱发径迹. 矿物的裂变径迹是用高精度光学显微镜, 在高倍显微镜下测量, 裂变径迹的正确识别至关重要. 选择平行 c 轴的柱面测出自发径迹和诱发径迹密度, 水平封闭径迹长度 [21]. Zeta 标定选用国际标准 Durango 磷灰石 [24], 磷 1300

4 论文 灰石和锆石的 Zeta 常数分别为 357.8±10.8 和 127.1± 6.4. 中子注量利用 CN5 铀玻璃标定. 根据 IUGS 推荐的 ξ 常数法和标准裂变径迹年龄方程计算年龄值 [25]. 全部分析数据见表 1, 获得的有效测试裂变径迹年龄样品共计 19 个, 其中锆石裂变径迹年龄样品共 5 个. 3 裂变径迹年龄解释及隆升时代 3.1 退火带及划分应用磷灰石裂变径法研究抬升冷却历史, 关键是确定退火带及冷却带. 要确定退火带, 渭北隆起不同层位热演化程度的确定非常关键. 以前渭北隆起不同层位热演化程度变化规律缺乏研究资料及深入研究, 作者在大量镜质体反射率样品分析的基础上, 结合前人资料, 建立了渭北隆起不同层位热演化程度剖面, 这是进行退火带分析及冷却带确定的重要依据. 根据建立的渭北隆起热演化程度剖面可知奥陶系 上古生界石炭 - 二叠系煤系镜质体反射率高, 奥陶系等效镜质体反射率主要在 2.0% 以上, 上古生界石炭 - 二叠系煤系地层 三叠系延长统 延安组镜质体反射率分别在 1.8%~2.0%, 0.65%~0.9% 和 0.5%~0.60%. 根据前人已发表的裂变径迹年龄数据并结合本次新分析的数据 [1~7], 绘制了渭北隆起裂变径迹年龄 - 层位分布图 ( 图 3), 由图可知裂变径迹年龄随深度 ( 层位 ) 的增加, 裂变径迹年龄减小. 渭北隆起西部曹家沟 qsc-11 中部礼泉东庄 dz5 奥陶系样品锆石裂变径迹年龄分别为 345±21 和 223±28 Ma, 小于地层年龄 510~439 Ma( 图 3). 渭北隆起东部河津寒武系 xwk-2 样品锆石裂变径迹年龄分别为 500±32 Ma, 小于地层年龄 560~510 Ma. 寒武系 奥陶系锆石裂变径迹年龄已小于地层年龄, 地层等效镜质体反射率大于 2.00%, 热演化程度高, 表明锆石已发生退火, 地层经历的最大古地温已达退火温度约 200 以上. 磷灰石裂变径迹年龄为 104~36 Ma, 远小于地层年龄, 长度分布图为右偏型, 长径迹占比例大 ( 图 3), 代表了冷却年龄 [20,21]. 渭北隆起东部河津二叠系样品 xwk-8 锆石裂变径迹年龄为 194±24 Ma 小于地层年龄 ; 韩城二叠系样品 hc-5 锆石裂变径迹年龄为 271±3.0 Ma, 与地层年龄 290~256 Ma 接近. 二叠系顶部镜质体反射率大于 1.5%, 二叠系地层经历的最大古地温接近或大于锆石的退火温度 200, 表明地层经历的最大古地温远大于磷灰石裂变径迹的封闭温度. 二叠系样 品磷灰石裂变径迹年龄为 155~27.3 Ma, 远小于地层年龄 290~256 Ma, 长度分布图为右偏型, 长径迹占比例大 ( 图 3), 代表了冷却年龄 [2,3,8,9]. 中下三叠统镜质体反射率一般大于 1.0%, 最大古地温约为 150, 高于磷灰石裂变径迹的封闭温度, 磷灰石裂变径迹年龄为 63~29.1 Ma, 远小于地层年龄, 概率检验 P(χ 2 )>5%, 年龄属于同一年龄组, 代表样品经历高温退火之后的真实抬升冷却年龄. 上三叠统延长组镜质体反射率为 0.65%~0.9%, 古地温约为 100~140. 上三叠统延长组磷灰石裂变径迹年龄为 125~36 Ma, 变化范围很大, 上三叠统延长组处于部分退火带与完全退火带的过渡位置. 上三叠统延长组下部磷灰石裂变径迹年龄普遍小于 65 Ma, 韩城雪峰川延长组磷灰石裂变径迹年龄为 38~ 36 Ma, 远小于地层年龄 235~208 Ma, 长度分布为右偏单峰型, 长径迹占比例大 ( 图 3), 表明地层经历的最大古地温超过了 125, 磷灰石裂变径迹年龄代表了冷却年龄. 上三叠统延长组上部 侏罗系热演化程度低, 延安组镜质体反射率在 0.5%~0.60%. 上三叠统延长组上部已发表和本次分析的裂变径迹年龄数据年龄变化大, 在 125~45 Ma, 主要在 125~65 Ma, 长度分布较宽, 为双峰型 ( 图 3), 处于部分退火带 2. 白垩系热演化程度低, 崆峒山磷灰石裂变径迹年龄 126 Ma, 天环向斜白垩系沉积厚度大, 演化程度高, 棋探 2 井磷灰石裂变径迹年龄为 162 Ma, 裂变径迹年龄大于或近地层年龄, 地层未退火, 处于未退火带 1. 通过绘制渭北隆起磷灰石裂变径迹年龄 - 层位分布图, 对研究区已发表资料及本次研究结果进行了详细分析 [1~7], 在对不同层位退火带特征分析的基础上, 首次对渭北隆起各层位磷灰石裂变径迹退火带进行了系统的划分 ( 图 3), 从退火带的划分结果来看, 白垩系热演化程度低, 处于未退火带 1; 上三叠统延长组上部 侏罗系热演化程度低, 处于部分退火带 2. 延长组下部及以下地层处于冷却带中 3, 磷灰石径迹长度为右偏单峰型, 长径迹占比例大, 代表了抬升冷却过程. 延长组下部及以下地层裂变径迹年龄为完全退火后在抬升冷却过程中形成的年龄, 裂变径迹年龄可以反映抬升冷却年龄. 在裂变径迹年龄 - 层位分布图上可以明确地看出冷却年龄分为两组 : 1 组冷却年龄约为 105 Ma5, 在图上年龄基本上为一条直线, 一致性较好, 冷却年龄几乎不随层位变化 ; 另一组约为 40~30 Ma4, 在图上年龄基本为一条直线, 1301

5 2015 年 5 月第 60 卷第 14 期 表 1 裂变径迹测试分析结果 Table 1 The test results of FT 自发径诱发径 P(χ 采样 ) 中值年龄池年龄径迹长度颗粒数自发径迹密度诱发径迹密度样号层位矿物迹条数位置 N (ρs/10 5 cm 2 迹条数检验 ) (ρi/10 5 cm 2 Age±1σ Age±1σ L±1σ ) Ns Ni % (Ma) (Ma) (μm)(n) 礼泉东庄 dz-5 奥陶系背锅山组 磷灰石 ±7 104±6 12.5±2(970) 礼泉东庄 dz-5 奥陶系背锅山组 锆石 ±28 222±18 韩城下白矾 Xbf-3 寒武系 磷灰石 ±3 35±2 12.8±2(104) 韩城薛峰川 hc-5 下石盒子组 磷灰石 ±3 32±2 12.9±1.9(96) 韩城薛峰川 hc-13 延长组长 8 磷灰石 ±3 35±2 12.9±2.0(103) 韩城薛峰川 hc-18 延长组长 6 磷灰石 ±4 39±3 13.4±1.8(98) 韩城薛峰川 hc-19 延长组长 4+5 磷灰石 ±3 39±3 13.0±2.2(104) 韩城薛峰川 hc-22 延长组长 2 磷灰石 ±4 44±3 13.2±2.2 韩城薛峰川 hc-5 下石盒子组 锆石 ± ±1.6 河津 Xwk-2 寒武系 磷灰石 ±3 43±3 13.7±1.9(102) 河津 Xwk-8 太原组 磷灰石 ±3 33±2 12.8±2.2(102) 河津 Xwk-2 寒武系 锆石 ±35 500±32 河津 Xwk-8 太原组 锆石 ±24 194±12 祁山曹家沟 qsc-11 奥陶系平凉组 磷灰石 ±11 132±8 12.3±1.8(95) 祁山曹家沟 qsc-13 下石盒组 磷灰石 ±12 154±9 12.7±1.6(107) 祁山曹家沟 qsc-11 奥陶平凉组 锆石 ±21 246±15 崆峒山 plk-3 下白垩统 磷灰石 ±10 135±9 12.5±2.0(101) 崆峒山 plk-3 下白垩统 锆石 ±29 225±17 棋探 2 井 Q-Y-2 下白垩统 磷灰石 ±12 162± ±1.8(108) 1302

6 论 文 图 3 渭北隆起磷灰石裂变径迹年龄 长度与层位关系及退火带划分图. ① 未退火带; ② 退火带; ③ 冷却带; ④⑤ 两期冷却事件; 测试样 品均为砂岩中分选出的磷灰石 Figure 3 Annealing zones in the Weibei Uplift divided by the relationship among AFT ages, length and formation. ① No annealing zone; ② an- nealing zone; ③ cooling zone; ④⑤ two cooling events. All of the test samples are apatites from sandstone 随层位不同冷却年龄主要在45~27 Ma变化(图3). 冷 位 关 系 曲 线, 为 标 准 的 经 过 抬 升 冷 却 的 曲 线 (图 3), 却带中可明显地看出有两组冷却年龄④和⑤, 分别 冷却带的地层为延长组下部及以下地层, 镜质体反 代表了两期抬升冷却时期. 射 率 普 遍 大 于 0.8%, 热 演 化 程 度 高, 古 地 温 高 于 渭北隆起区的磷灰石裂变径迹年龄(长度)与层 125, 奥陶系 二叠系热演化程度更高, 奥陶系经历 1303

7 2015 年 5 月第 60 卷第 14 期 的最大古地温已达 200 以上, 渭北隆起在早白垩世达到最大埋深, 地层发生完全退火. 磷灰石裂变径迹的记录为地层经过沉降达到最大埋深完全退火后, 在隆升降温过程中形成的新径迹. 延长组下部及以下地层热演程度高, 裂变径迹年龄远小于地层年龄 磷灰石裂变径迹长度分布为右偏单峰型 裂变径迹年龄随层位变化不大. 以上证据均表明裂变径迹年龄为地层抬升冷却过程中的冷却年龄. 渭北隆起各层位磷灰石裂变径迹退火带的划分, 对裂变径迹资料的精细解释提供了标准曲线, 是磷灰石裂变径迹资料解释的基础, 应用该曲线可以提高裂变径迹资料的可信性及精确度. 3.2 裂变径迹年龄反映的隆升时代及变化规律 在对渭北隆起退火带及冷却带划分的基础上, 对已发表的所有裂变径迹数据进行了认真的分析 [1~7], 筛选出可靠的冷却年龄, 冷却年龄的分析原则是根据样品裂变径迹长度分布特征 裂变径迹年龄与层位关系及与地层年龄的对比, 参考样品的热演化程度 建立的裂变径迹年龄与层位关系及退火带划分曲线, 结合地质事实约束来判断. 对筛选出的可靠冷却年龄, 进行了抬升冷却年龄的统计分析 ( 图 3 和 4). 从冷却年龄频率分布图上可以看出, 抬升冷却年龄主要分为两组 : 其中一组约为 65 Ma 以来, 主要为 30~40 Ma; 另一组为晚侏罗世 (155 Ma) 以来, 主要为 100~110 Ma, 分别代表了早白垩世晚期及新生代始新世 - 渐新世两期主要抬升冷却事件. 渭北隆起区不同区块具有差异隆升的特点, 渭 图 4 渭北隆起磷灰石裂变径迹抬升冷却年龄频率分布图 Figure 4 The histogram of AFT uplift-cooling ages in the Weibei Uplift 北隆起南部的岐山 - 礼泉 - 泾阳口镇 - 富平 - 澄城一带奥陶系 - 下二叠统地层出露, 地层时代南老 北新. 在渭北隆起由南向北依次出露奥陶系 二叠系 三叠系 侏罗系 白垩系, 表明南部抬升强烈, 剥蚀量大. 渭北隆起南部隆起的高部位岐山 - 澄城一带, 岐山曹家沟奥陶系平凉组 礼泉东庄奥陶系背锅山组磷灰石裂变径迹年龄分别为 104 和 102 Ma( 表 1, 图 3), 年龄值几乎相等, 表明结果可信. 盆地南部岐山曹家沟下二叠统磷灰石裂变径迹年龄为 155 Ma( 表 1), 麟游二叠系有 2 个样品磷灰石裂变径迹年龄分别为 105 和 97 Ma( 图 2) [6] ; 澄城下二叠统磷灰石裂变径迹年龄为 107 Ma [5]. 因此渭北隆起南部高部位奥陶系 - 下二叠统地层最早抬升冷却年龄为 155 Ma, 主要为 102~107 Ma 以来, 渭北隆起燕山期挤压强烈 ( 图 2), 该期年龄主要反映燕山晚期构造挤压产生的抬升冷却. 渭北隆起东部韩城已处于渭北隆起与晋西挠褶带相接的构造部位 河津处于晋西挠褶带, 韩城 河津地区构造线方向发生转折 ( 图 1). 韩城下白矾 河津西磑口寒武系霍山砂岩磷灰石裂变径迹年龄分别为 36 和 43 Ma; 韩城雪峰川 河津西磑口二叠系砂岩磷灰石裂变径迹年龄分别为 32 和 33 Ma( 表 1), 寒武系 二叠系年龄接近, 表明结果可信. 渭北隆起东部韩城 河津寒武系 二叠系磷灰石裂变径迹年龄明显小于渭北隆起南部岐山 - 礼泉 - 泾阳口镇 - 富平 - 澄城一带奥陶系 - 二叠系磷灰石裂变径迹年龄, 表明东部抬升隆起较晚, 主要为始新世 - 渐新世 43~32 Ma 以来隆起的. 渭北隆起北部构造低部位抬升晚, 北部的旬探 1 井 永寿北上三叠统样品磷灰石裂变径迹年龄分别为 53.4 和 65 Ma [3,7], 为冷却年龄. 在永参 1 井下三叠统 上二叠统样品现今埋深 1047~1321 m, 现今地层温度 45, 小于磷灰石的退火温度. 磷灰石裂变径迹年龄为 27.3~29.2 Ma, 概率检验 P(χ 2 )>5%, 年龄属于同一年龄组, 磷灰石裂变径迹年龄远小于地层年龄, 代表样品经历高温退火之后的真实抬升冷却年龄 [1,2]. 渭北隆起北部雪峰川三叠系 3 个长 4+5- 长 8 地表样品热演化程度高, 镜质体反射率为 0.78%, 裂变径迹年龄分别为 38, 38 和 36 Ma, 其中长 4+5 样品年龄为 38±3 Ma, 概率检验 P(χ 2 )>5%, 年龄属于同一年龄组, 3 个样品分析结果非常接近, 代表样品经历高温退火之后的真实抬升冷却年龄, 数据可靠. 因此渭北隆起北部抬升冷却是在 65 Ma 以来, 主要是在 40~27 Ma 以来 1304

8 论文 抬升冷却的. 渭北隆起韩城 河津地区与渭北隆起北部抬升冷却年龄接近, 具有同时性, 抬升冷却均较晚. 渭北隆起抬升冷却具有南早北晚, 后期整体隆升的特点. 渭北隆起主要自早白垩世晚期 (102~107 Ma) 以来开始隆升, 40 Ma 以来具有整体快速隆升的特点. 东部韩城 河津构造转折部位抬升晚, 主要抬升时期在 43~32 Ma 以来, 与北部具有同时性. 南带早白垩世晚期 (102~107 Ma) 隆升期与北秦岭太白山 (100~80 Ma) 快速抬升期基本一致, 广泛发育的燕山期褶皱 逆冲断层构造变形与秦岭造山带晚侏罗世 - 早白垩世挤压形成的大量逆冲断层为同期变形, 该隆升期与秦岭造山带隆升密切相关, 为该期构造运动的反映 ; 北部抬升晚, 自 65 Ma 以来开始抬升, 40 Ma 以来快速整体抬升, 该抬升期与北秦岭太白山约 40 Ma 快速抬升期一致 [26]. 4 抬升冷却历史模拟 4.1 模拟原理 根据磷灰石裂变径迹年龄和长度分布两个参数可以进行热史反演, 从而可获得温度随时间变化的更多信息, 提高热史分析的定量化程度. 磷灰石热史反演基于磷灰石裂变径迹退火扇形模型, 该模型是对 Laslett 的 Durango 磷灰石退火模型的等温退火实验数据进行拟合建立的 [27], 其表达式为 gr ( ) {[(1 r ) / 2.7] 1} / T[ln( t) 28.12], 式中, r 为径迹长度与初始径迹长度之比, l/l 0 ; t 为时间, s; T 为温度, K. 运用 AFTSolve 软件对磷灰石样品进行热史 ( 温度 - 年代 ) 模拟 [28], 进行拟合时选用限制任意搜索项 (CRS) [29], 曲线拟合采用 Monte Carlo 算法 [30], 拟合曲线次数选取 条, 设定地表温度和样品所在地层的年龄为模拟的初始温度和时间, 根据实验测试获得的裂变径迹长度 年龄和样品所处的地质背景, 确 定热史模拟过程中关键地质事件的温度和时间. 这种方法的好处在于挖掘先前没考虑到的数据信息, 延伸裂变径迹分析在地质热信息分析中的实践性, 增加模型的可信度. 在实际计算中, 基于裂变径迹数据的时间 - 温度历史模拟可分 3 步 : (1) 给定若干时间 - 温度历史的约束条件, 设置大量 (10000 个 ) 时间 - 温度曲线 ; (2) 根据实验退火模型, 通过正演求出径迹长度 年龄的模拟值 ; (3) 将模拟结果与实测的径迹长度 年龄值进行对比, 将对比结果分为可以接受的 好的 2 种情形, 同时找出最佳的正演模型 ( 时间 - 温度曲线 ). 4.2 模拟结果与抬升冷却历史分析在进行模拟与实测结果对比时, 一般采用 K-S 检验和年龄 GOF 参数, 一般将年龄 GOF 与 K-S 检验值都大于 5.0% 的情况, 认为模拟过程是比较可信的, 若这两个参数都超过 50.0%, 则认定模拟结果是高质量模拟 [31]. 渭北隆起南带 北带样品的 AFT 热史模拟以地质背景及热演化资料为约束, 渭北隆起奥陶系 - 三叠系广泛于出露, 三叠系地层镜质体反射率为 0.65%~ 0.9%, 根据三叠系地层的热演化程度推算, 渭北隆起三叠系地层之上剥蚀量普遍在 1000 m 以上. 渭北隆起南带 北带样品重新进行了 AFT 热史模拟, 获得了高质量的热史模拟结果, 南带以礼泉东庄奥陶系背锅山组为代表, 虽然礼泉东庄 dz5 奥陶系样品概率检验 P( 2 ) 等于 0, 但以奥陶系热演化程度等为约束, 进行热史模拟仍可以提供有用的热史信息. 模拟的径迹年龄检验值 GOF 为 0.84 径迹长度 K-S 检验值为 0.65; 北带与渭北隆起的东部相似, 以韩城下白矾寒武系样品为代表, 韩城下白矾寒武系样品概率检验 P( 2 ) 大于 5%, 数据可信度高. 模拟的径迹年龄检验值 GOF 为 0.98 径迹长度 K-S 检验值为 0.55( 表 2, 图 5). 模拟结果接近与样品经历的地质演化过程相符合. 因此模拟的抬升冷却历史表明渭北隆起南带可 Table 2 表 2 渭北隆起磷灰石裂变径迹热史模拟结果 The thermal simulation results of AFT from the Weibei Uplift 样品及层位 实测径迹长度 (μm) 模拟径迹长度 (μm) 实测年龄 (Ma) 数据拟合年龄 (Ma) 最老径迹 (Ma) 长度拟合度年龄拟合度 DZ-5 礼泉东庄奥陶系背锅山组 XBF-3 韩城下白矾寒武系

9 2015 年 5 月第 60 卷第 14 期 图 5 渭北隆起 AFT 抬升冷却历史模拟 (t-t 曲线 ) 图. (a) 礼泉东庄奥陶系 ; (b) 韩城下白矾寒武系 ; 实黑线 代表最佳拟合路径, 粗短线 代表较好的拟合路径, 点线 代表可接受的拟合路径 Figure 5 The uplift and cooling history of AFT in the Weibei Uplift (t-t curve). (a) Ordovician in Dongzhuang of Liquan. (b) Cambrian in Xiabaifan of Hancheng. The solid black line represents the best fitting path, the coarse short line represents a better fitting path, the dotted line represents an acceptable path 能在晚侏罗世以来 - 早白垩世快速抬升冷却 ; 早白垩世渭北隆起南带 北带演化过程开始分化, 进入差异演化阶段. 渭北隆起北带在早白垩世无明显的隆升, 新生代 40 Ma 以来, 渭北隆起整体快速隆升. 5 主要隆升期及与周围构造单元的耦合关系 5.1 隆升起始时间及主隆升期从渭北隆起模拟的抬升冷却历史来看, 可划分为两类 : 一类分布于渭北隆起南带岐山 - 礼泉 - 泾阳口镇 - 富平 - 澄城一带奥陶系 - 下二叠统出露区, 以礼泉奥陶系背锅山组样品为代表, 抬升冷却年龄主要为 102~107 Ma, 抬升冷却早, 在约 125~100 Ma 很快降温到 80 左右, 抬升较快. 在 100~40 Ma 抬升冷却缓慢, 在 40 Ma 以来, 特别是 5 Ma 以来快速隆升降温 ( 图 5); 另一类, 位于渭北隆起北带, 以渭北隆起北部永参 1 及东部韩城 河津地区为代表, 地层在早白垩世约 110 Ma 达到最大古地温, 在约 96~40 Ma 抬升较为缓慢, 依然处于退火带, 在 40 Ma 以来抬升冷却加快, 抬出退火带, 特别是在 5 Ma 以来抬升冷却速率更快. 如前所述, 渭北隆起的隆升主要分两大阶段, 早白垩世晚期以来及新生代始新世 - 渐新世以来两期抬升冷却事件 ( 图 3 和 4). 渭北隆起早白垩世晚期以来具有先慢后快的特点 ( 图 5). 对渭北隆起所测磷灰石裂变径迹冷却年龄的统计值显示, 渭北隆起冷却年龄统计中分布频次较高时段为 100~110 Ma( 图 4), 相当于早白垩世晚期, 其地质含义是隆升主要波及到渭 北隆起南带的岐山 - 礼泉 - 泾阳口镇 - 富平 - 澄城一带 ; 在渭北隆起冷却年龄频率分布图上峰值最高的为 30~40 Ma, 反映 40 Ma 以来为渭北隆起的主隆升期. 鄂尔多斯盆地内部 20~23 Ma 以来快速抬升冷却 [1,2,32], 渭北隆起南部边缘高部位隆升期为燕山期, 渭北隆起北部低部位主要隆升期为 40 Ma 以来的始新世 - 渐新世, 盆地内部主要为 20~23 Ma 以来快速隆升, 渭北隆起南部隆起区早于盆地内部, 且由南向北隆升时间逐渐变新. 5.2 抬升冷却与周缘构造演化的耦合关系裂变径迹分析结果及热史模拟表明渭北隆起在南北方向上活动时间有着明显差异, 隆升迁移的总趋势为南早北晚. 冷却年龄及模拟图显示出 3 个要点 : (1) 隆起带南部隆升期主要为 102~107 Ma 早白垩世晚期, 明显早于北部 ; (2) 渭北隆起直到 40~30 Ma 才进入整体主隆升期 ; (3) 40 Ma 以来隆升明显加快, 特别是 5 Ma 以来. 渭北隆起新生代以来的隆升与渭河盆地的大幅沉降有耦合关系. 鄂尔多斯盆地南缘与秦岭之间的渭河地区新生代发生断陷, 渭北隆起发生翘倾, 继续隆升. 渭河盆地新生代以来沉降幅度大, 在周至地区新生界沉积厚度可达 7000 m, 秦岭山地的山势险峻, 主峰太白山高程 3767 m, 渭河盆地与秦岭造山带之间新生代以来已隆升达 m 以上. 渭河盆地西安凹陷户县附近渭深 10 井已钻 5200 m 新生界未钻穿. 渭河盆地自始新世 56 Ma 沉积红河组开始形成, 渐新世 38 Ma 白鹿塬组沉积以来, 沉降速率不断加大, 蓝 1306

10 论文 田灞河组 5.2 Ma 以来沉降幅度加大 ( 图 6). 渭河盆地的 38 Ma 以来快速沉降及 5.2 Ma 以来的加速沉降与渭北隆起 40 Ma 以来快速隆起和 5 Ma 以来的加速隆升密切相关, 耦合关系明显. 秦岭造山带为复合型大陆碰撞造山带经历了加里东期大洋俯冲造山, 印支期俯冲碰撞造山及燕山 - 喜马拉雅期陆内造山的不同阶段, 现今仍处于隆升状态 [28]. 渭北隆起南带早白垩世晚期 102~107 Ma 的隆升与秦岭造山带北缘太白山 100~80 Ma 隆升具有同时性 [26], 表明渭北隆起南带早白垩世晚期的隆升是由于秦岭造山带的挤压引起. 秦岭造山带北缘新生代约 40 Ma 以来抬升明显加快 [24,33~38], 秦岭造山带北缘新生代以来的快速隆升与渭北隆起新生代 40 Ma 以来的快速隆升有具有同时性. 渭北隆起 40 Ma 以来的隆升主要是渭河断陷发生伸展断陷, 渭北隆起出现断块翘倾而产生强烈抬升, 渭北隆起的快速抬升 图 6 渭河盆地西安凹陷户县附近渭深 10 井埋藏史图 Figure 6 Burial history of Weishen10 well near Huxian in Xi an depression of Weihe Basin 与渭河盆地的快速沉降具有同时性及耦合关系 ( 图 3 和 6). 渭北隆起抬升冷却期次 隆升过程的确定为秦岭与鄂尔多斯 渭河盆地盆山关系 盆地动力学研究及渭北隆起奥陶系热演化史过程的恢复提供了限定条件, 提高了渭北隆起热演化史过程研究的可靠性, 对研究及评价渭北隆起油气成藏条件 盆山耦合关系及变化规律研究有重要意义. 6 结论 (1) 对渭北隆起裂变径迹年龄与层位及深度的关系及磷灰石退火特征进行了深入分析, 结合古温标分析首次详细地划分了渭北隆起磷灰石未退火带 退火带 冷却带, 为渭北隆起裂变径迹资料的精确解释建立了基础和标准图版. (2) 渭北隆起早白垩世时期 (102~107 Ma) 有一期较为普遍的隆升, 主要发生在渭北隆起南带 ; 在 100~40 Ma 为缓慢抬升, 始新世 - 渐新世约 40~30 Ma 是渭北隆起的主要隆升期, 40 Ma 之后特别是到 5.6 Ma 之后隆升速率加快. (3) 渭北隆起具有明显的差异性特点, 表现为抬升冷却年龄自南向北有逐渐变新的趋势, 渭北隆起南带主要隆升期为 102~107 Ma, 北带及东部韩城 河津地区主要为 40 Ma 之后的隆升. (4) 渭北隆起南带早白垩世晚期的隆升与秦岭造山带北缘太白山隆升具有同时性, 早白垩世晚期的隆升是由于秦岭造山带的挤压引起. 渭北隆起新生代 40 Ma 以来的快速隆升与秦岭造山带北缘的隆升具有同时性, 与渭河盆地新生代以来的快速沉降具有很好的耦合关系. 参考文献 1 Ren Z L. Research on Tectonic-Thermal Evolution History in Sediment Ary Basins of North China (in Chinese). Beijing: Petroleum Industry Press, 1999 [ 任战利. 中国北方沉积盆地构造热演化史研究. 北京 : 石油工业出版社, 1999] 2 Ren Z L. Application of apatite fission-track analysis method to the study of thermal history of the Ordos Basin. Chin J Geophys, 1995, 38: Sun S H, Li X M, Gong G L, et al. Tectono-thermal events in Ordos Basin, China. Chin Sci Bull, 1996, 41: [ 孙少华, 李小明, 龚革联, 等. 鄂尔多斯盆地构造热事件研究. 科学通报, 1997, 42: ] 4 Chen G, Sun J B, Zhou L F, et al. Fission-track-age records of the Mesozoic tectonic-events in the southwest margin of the Ordos Basin. China. Sci China Ser D-Earth Sci, 2007, 50 (Suppl Ⅱ): [ 陈刚, 孙建博, 周立发, 等. 鄂尔多斯盆地西南缘中生代构造事件的裂变径迹年龄记录. 中国科学 D 辑 : 地球科学, 2007, 37( 增刊 Ⅰ): ] 5 Wang J Q, Liu C Y, Yan J P, et al. Development time and evolution characteristics of Weibei uplift in the south of Ordos Basin (in Chinese). J Lanzhou Univ, 2010, 46: [ 王建强, 刘池洋, 闫建萍, 等. 鄂尔多斯盆地南部渭北隆起发育时限及其演化. 兰州大学学报, 2010, 46: 22 30] 1307

11 2015 年 5 月第 60 卷第 14 期 6 Xiao H, Li J X, Han W, et al. The tectonic uplift time and evolution characteristics of Weibei uplift in the south edge of Ordos Basin (in Chinese). J Xi an Univ Sci Technol, 2013, 33: [ 肖晖, 李建新, 韩伟, 等. 鄂尔多斯盆地南缘渭北隆起中新生代构造抬升及演化. 西安科技大学学报, 2013, 33: ] 7 Liu W S, Qin M K, Qi F C, et al. Analysis on the Meso-Neozoic subsidence and uplift history of the periphery of Ordos basin using apatite fission track (in Chinese). Uran Geol, 2008, 24: [ 刘武生, 秦明宽, 漆富成, 等. 运用磷灰石裂变径迹分析鄂尔多斯盆地周缘中新生代沉降隆升史. 铀矿地质, 2008, 24: ] 8 Naeser N D, Naeser C W, McCullon T H. The application of fission track dating to the depositional and thermal history of rock in sedimentary basins. In: Naeser N D, McCullon T H, eds. Thermal History of Sedimentary Basins: Methods and Case History. Berlin: Spring-Verlag, Gleadow A J W, Duddy I R, Lovering J F. Fission track analysis: A new tool for the evaluation of thermal histories and hydrocarbon potential. APEA J, 1983, 23: Wang Y. Some thoughts on tectono-thermochronology (in Chinese). Earth Sci Front, 2004, 11: [ 王瑜. 构造热年代学 - 发展与思考. 地学前缘, 2004, 11: ] 11 Zhou Y, Li T Y, He S, et al. Appliciation of low temperature thermochronology on tecton-thermal history analysis of superimposed basin (in Chinese). J Chengdu Univ Technol, 2013, 40: [ 周雁, 李天义, 何生, 等. 低温热年代学方法及其在叠合盆地构造 - 热演化研究中的应用. 成都理工大学学报, 2013, 40: ] 12 Yang J J. Tectonic Evolution and Oil-Gas Distribution of Ordos Basin (in Chinese). Beijing: Petroleum Industry Press, 2002 [ 杨俊杰. 鄂尔多斯盆地构造演化与油气分布规律. 北京 : 石油工业出版社, 2002] 13 Zhao Z Y, Liu C Y. Formation, Evolution and Hydrocarbon Occurrence of Sedimentary Basins in North China Craton (in Chinese). Xi an: Northwest University Press, 1990 [ 赵重远, 刘池阳. 华北克拉通沉积盆地形成与演化及其油气赋存. 西安 : 西北大学出版社, 1990] 14 Zhou D W, Zhao Z Y, Li Y D, et al. Geological Characteristics of Southwest Ordos Basin and Its Relation to Qinling Orogenic Belt (in Chinese). Beijing: Geological Press, 1994 [ 周鼎武, 赵重远, 李银德, 等. 鄂尔多斯盆地西南缘地质特征及其与秦岭造山带的关系. 北京 : 地质出版社, 1994] 15 Yuan W G, Zhao Y M. Characteristics and evolution of passive continental margin during Early Palaeozoic Era in southern Ordos (in Chinese). J Northwest Univ, 1996, 26: [ 袁卫国, 赵一鸣. 鄂尔多斯盆南部地区早古生代被动大陆边缘特征与演化. 西北大学学报, 1996, 26: ] 16 Yuan W G, Wang P. On the Caledonian movement in the Southern Eerduos Basin (in Chinese). J Xi an Coll Geol, 1996, 18: [ 袁卫国, 王平. 鄂尔多斯盆地南部地区的加里东运动. 西安地质学院学报, 1996, 18: 36 42] 17 Zhang Y Q, Liao C Z, Shi W, et al. On the Jurassic deformation in and around the Ordos Basin, North China (in Chinese). Earth Sci Front, 2007, 14: [ 张岳桥, 廖昌珍, 施炜, 等. 论鄂尔多斯盆地及其周缘侏罗纪变形. 地学前缘, 2007, 14: ] 18 Zhang Y Q, Liao C Z, Shi W, et al. Neotectonic evolution of the peripheral zones of the Ordos Basin and geodynamic setting (in Chinese). Geol J China Univ, 2006, 12: [ 张岳桥, 廖昌珍, 施炜, 等. 鄂尔多斯盆地周边地带新构造演化及其区域动力学背景. 高校地质学报, 2006, 12: ] 19 Green P F, Duddy I R, Gleadow A J W, et al. Thermal annealing of fission tracks in apatite: A qualitative description. Chem Geol, 1986, 59: Ren Z L, Xiao H, Liu L, et al. The evidence of fission-track data for the study of tectonic thermal history in Qinshui Basin. Chin Sci Bull, 2005, 50 (SupplⅠ): [ 任战利, 肖晖, 刘丽, 等. 沁水盆地构造 - 热演化史的裂变径迹证据. 科学通报, 2005, 50 ( 增刊 Ⅰ): 87 92] 21 Gleadow A J W, Duddy I R, Lovering J F. Fission track analysis: A new tool for the evaluation of thermal histories and hydrocarbon potential. APEA J, 1986, 23: Yamada R, Tagami T, Nishimura S, et al. Annealing kinetics of fission tracks in zircon: An experiment al study. Chem Geol, 1995, 122: Gleadow A J W, Duddy I R. A natural long-term annealing experiment for apatite. Nuclear Tracks, 1981, 5: Bellemans F, De Corte F, van Den Haute P. Composition of SRM and CN U-doped glasses: Significance for their use as thermal neutron fluence monitors in fission track dating. Radiat Meas, 1994, 24: Hurford A J, Green P F. A users guide to fission-track dating calibration. Earth Planet Sci Lett, 1982, 59: Wan J L, Wang Y, Li Q, et al. Apatite fission track study of Taibai Mountain uplift in the Mesozoic-Cenozoic (in Chinese). Nucl Tech, 2005, 28: [ 万景林, 王瑜, 李齐, 等. 太白山中新生代抬升的裂变径迹年代学研究. 核技术, 2005, 28: ] 27 Crowley K D, Cameron M, Schaefer R L. Experimental studies of annealing of etched fission tracks in fluorapatite. Geochim Cosmochim Acta, 1991, 55: Ketcham R A, Donelick R A, Donelick M B. AFT Solve: A program for multi-kinetic modeling of apatite fission track data. Geol Mater Res, 2000, 2: Willet S D. In verse modeling of annealing of fission tracks in apatite 1: A controlled random search method. Am J Sci, 1997, 297:

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