毕业设计刘一锋塔里木盆地西北地区露头样品构造热演化模拟.docx
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毕业设计刘一锋塔里木盆地西北地区露头样品构造热演化模拟
(北京)
CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM
毕业论文
塔里木盆地西北地区露头样品构造-热演化模拟
院系名称:
_地球科学学院_
专业名称:
_地质工程_______________
学生姓名:
_刘一锋_________________
学号:
_2006011318_____________
指导教师:
_邱楠生教授____________
完成日期2010年6月14日
摘要
(U-Th)/He热定年技术是一种低温热年代学技术,它能提供岩石低温冷却历史的重要信息。
近年来磷灰石、锆石(U-Th)/He热定年在地质体定年、热演化、地形地貌演化和沉积物源研究等方面得到了广泛的应用,也为盆地热历史恢复提供了一条新的途径。
本文利用柯坪地区露头样品测得的(U-Th)/He数据模拟了柯坪地区的热演化史,分析了该地区的构造-热演化历史,同时,利用邻近巴楚地区的钻井资料模拟了沉积埋藏史,在此基础上,对比分析了两个地区自早古生代以来的构造演化的异同。
模拟结果表明,柯坪地区经历了四次主要的抬升剥蚀作用,分别是奥陶中晚期、泥盆晚期及整个石炭纪、晚二叠世至中生代末期、新近纪至现今;同时得到了震旦系地层在中晚泥盆世达到了4500m左右的最大埋藏深度。
柯坪地区和巴楚地区的埋藏史图表明,在石炭纪之前,两个地区是一个统一的地质构造单元;柯坪地区从早石炭世开始抬升,之后又经历了二叠纪和古近纪的两次沉降;而巴楚地区从石炭晚期开始抬升,之后一直处于抬升状态。
关键词:
(U-Th)/He定年技术;构造-热演化史;柯坪地区;巴楚地区
TectonicthermalEvolutionoftheNorthwesternTarimBasinfromOutcropSamples
Abstract
Asalowtemperaturethermochronometry,(U-Th)/Hedatingmethodscouldprovideimportantinformationofcoolinghistoryatlowtemperature.Currently,apatiteandzircon(U-Th)/Hedatinghasbeenwidelyappliedingeologicbodiesdating,thermalevolution,topographyandgeomorphologyevolutionandstudiesonthesedimentarysource,etc,ontheotherhand,whichprovidesanewmethodtorecoverbasinthermalhistory.Inthisthesis,thethermalevolutionhistoryofKepingareawassimulatedthrough(U-Th)/Hedata,whichweremeasuredfromoutcropsamples.Analyzedthetectonic-thermalevolutioninthisarea,andusingthedrillingdatainBachuarea,comparedthedifferenceintectonicevolutionssinceearlyPaleozoicbetweentwoareas.SimulationresultsindicatedthatKepingareaexperiencedfourtimesprimaryup-lifterosions,respectivelymiddle-advancedOrdovician,advancedDevonianandwholecarboniferousperiod,latePermiantofinalstageofCretaceous,sinceNeogene;andreached4500mthemostburialdepthofSinainstratainmiddle-lateDevonian.BurialhistoryfiguresofKepingareaandBachuareademonstratethatthosewereaunifiedgeologicalstructureunitbeforecarboniferous;andsincecarboniferousperiod,thetectonicmovementshavebeendifferentineitherarea.
Keywords:
(U-Th)/Hethermochronometry;tectonic-thermalevolution;Kepinguplift;Bachuuplift
3.3柯坪地区和巴楚地区构造演化史对比··············································26
第1章前言
1.1题目来源
本论文题目来源于教育部重大项目“中国典型海相沉积盆地热动力学与油气成藏(308005)”及中石化海相前瞻性项目“中国陆域海相沉积盆地烃源岩成熟度与生烃期次(YPH08057)”的部分研究成果。
1.2选题目的及意义
塔里木盆地位于我国的西北部,被天山山脉、昆仑山脉所围绕,是我国内陆最大的含油气盆地,面积56×104km2。
油气勘探已经有40余年的勘探历史。
塔里木盆地石油地质条件的研究取得了一系列研究成果,对盆地的石油地质规律、构造演化、油气运移和富集规律、勘探方向等研究更加深入。
塔里木盆地是中国最大的含油气盆地。
全国第二次资源评价结果表明,全盆地油气资源总蕴藏量为191.5亿吨,其中石油资源量107.6亿吨、天然气资源量8.39万亿立方米,分别占全国油气资源总量的七分之一和四分之一,与松辽盆地、海湾盆地并列为中国油气资源量超过100亿吨的三大盆地,被中外地质家看作是中国石油工业发展的战略接替区。
塔里木盆地勘探潜力巨大[1]。
塔里木盆地西部地层层序与中亚盆地群较为相似,具有可对比的成气地质条件,天然气资源量十分丰富,可能形成一个富气带,具有最终获得很大地质储量规模的前景和形成世界级气区的潜力;实践证明,塔北隆起是一个多油源、多油气藏类的复合式油气富集带,既富油,又富气,近两年在塔北复合式油气聚集带实施滚动勘探开发,已见到明显的成就。
塔里木盆地西北部的柯坪-巴楚地区具有很好的勘探前景,但目前的勘探程度还很低,钻井很少,是下一步油气勘探的重点地区[2]。
本文主要通过分析柯坪地区露头样品的(U-Th)/He年龄,利用HEFTY软件模拟该地区的热演化历史,再辅助以附近地区的钻井资料,利用BasinMod软件得到该地区的盆地埋藏史图,综合分析塔里木盆地西北地区的古生代以来的热演化历史。
对于盆地的构造演化历史的了解,及指导该地区的油气勘探,都具有非常重要的意义。
1.3国内外(U-Th)/He定年法研究现状
利用U,Th衰变生成He来测年是最早的同位素测年方法之一,早在20世纪初就被用于岩石的年龄测定。
但在之后很长的时间里,(U-Th)/He定年法的研究和应用都非常有限。
1963年Damon等提出样品的(U-Th)/He年龄比样品实际年龄小的原因是He的扩散丢失。
1987年Zeitler等研究认为磷灰石He年龄可以解释为通过较低温度的冷却年龄,因而可能提供岩石低温冷却历史的重要信息,并且指出了(U-Th)/He放射性测年具有作为低温温度计的潜力,因此这项技术又引起了人们的极大兴趣和关注[3]。
美国加州理工学院同位素研究室的Farley教授自1990年起一直致力于磷灰石(U-Th)/He定年技术的研究,并且做了大量的基础工作[4,5]。
目前磷灰石(U-Th)/He定年作为一种严格、定量的技术已经广泛应用于低温热年代学和低温热演化的研究中[6~7]。
国内,虽然很早就引入了同位素测年的概念和原理,但是在实际应用中,取得的研究成果并不算多。
吴堑虹将(U-Th)/He低温定年技术应用在大别山带后造山隆升过程研究中[8];隋建立,樊祺诚等建立了火山岩U-Th矿物等时线年龄的新模型[9];邱楠生等人利用(U-Th)/He年龄和Ro的约束进行了川东北地区构造-热演化的探讨[10]。
(U-Th)/He热定年技术作为一种低温热年代学技术,近年来在地质体定年、热演化、地形地貌演化和沉积物源研究等方面得到了广泛的应用,也为盆地热历史恢复提供了一条新的途径[11]。
1.4塔里木西北部地区构造—热历史研究现状
前人对塔北地区的热历史做过不少很有价值的研究。
周中毅等在实测部分镜质组反射率、沥青反射率、无定性干酪根反射率,同时收集整理大量前人数据的基础上,应用当时广泛使用的TTI—Ro拟合反演方法,结合矿物流体包裹体测温数据、沉积自生矿物(粘土矿物)的成岩演化以及磷灰石裂变径迹等方面的研究,对塔北地区中一些典型探井(YM1、Ha1、LN46、LN1、LN5、MX1)的古地温梯度进行了拟和计算。
王飞宇等针对塔里木盆地下古生界海相烃源岩成熟度评价尚未得到较好解决的问题,将实测的镜状体反射率、沥青反射率及笔石反射率转换成等效镜质组反射率,然后应用LLNL模型,结合流体包裹体均一温度、磷灰石、锆石裂变径迹分析数据,对塔里木盆地中一些典型探井的古地温进行了反演恢复,其中涉及研究区的典型单井为YM1、LN46、MX1、QK1等。
此外,潘长春等根据镜质组反射率以及沥青反射率等资料,分别应用TTI—Ro和Easy%Ro方法反演计算了LN5井的古地温梯度。
李成等选择了塔里木盆地11条地震解释剖面,采用二维模拟方法,结合构造演化特征,恢复了震旦纪以来的地热史和生烃史。
部分井点的结果对比显示,模拟结果与实测数据基本一致。
研究表明,震旦纪至现今的热演化可分为四个阶段即震旦纪一奥陶纪高热流(“热盆”)热演化阶段;志留纪至晚古生代热衰减、“热盆”向“冷盆”过渡的热演化阶段中生代稳定热演化低热流“冷盆”阶段新生代岩石圈挠曲热演化阶段。
模拟了塔里木盆地内三大套生油岩系的生烃史,并结合构造演化史分析了油气聚集的有利地区和构造带[12]。
李慧莉等(2005)利用磷灰石裂变径迹研究塔里木盆地中部地区的热历史[13]。
李慧莉等(2005)总结了他们的研究成果,对沙雅隆起上的YM1、H1、LN46、LN1、LN5等井进行研究,得出沙雅隆起奥陶纪以来的地质热历史。
奥陶系沉积时,古地温梯度约为3.4℃/100m;志留—泥盆纪地温梯度为3.1℃/100m,石炭—二叠纪地温梯度相对较高,约为3.1~3.2℃/100m。
进入印支运动以来,地温场逐渐降低。
中生代平均地温梯度为2.7~3.0℃/100m。
喜马拉雅运动以来,地温梯度继续降低,早第三纪为2.7℃/100m,晚第三纪为2.4℃/100m。
第四纪时,地温梯度约为1.9℃/100m。
满加尔坳陷中,根据MX1、QK1等井的地质热历史可知:
满加尔坳陷中晚奥陶世—泥盆纪的平均地温梯度为2.9℃/100m,石炭—二叠纪为3.1℃/100m;中生代以来地温梯度逐渐降低,由三叠纪的3.0℃/100m,降为白垩纪的2.7℃/100m左右;第三纪以来地温梯度继续下降,由早第三纪的2.6℃/100m左右,降为现今的1.8℃/100m左右[14]。
尽管前人对于早古生代碳酸盐岩层系的热史恢复进行了一些探索,但仍缺乏有效的方法,基于所恢复的古地温所进行的下古生界烃源岩成烃演化研究也往往存在争议,很重要的原因是早古生代的热史恢复结果具有很大的不确定性。
而对于柯坪地区由于探明度低,钻井少,该地区的研究成果相对更少。
1.5(U-Th)/He同位素定年的基本原理
1.5.1U、Th衰变过程中He的产生
He的产生和积累是通过238U、235U、232TH放射性元素的衰变过程中产生6-8次的а衰变所致:
1.5.2(U-Th)/He定年的基本原理
根据放射性同位素的半衰期原理,有定年公式:
4He=8238U[exp(λ238t)-1]+7(238U/137.88)[exp(λ235t)-1]+6232Th[exp(λ232t)-1]
这里4He、U和Th均指测量的元素浓度,t为放射性积累的时间或者He的年龄,λ238、λ235、λ232是238U、235U、232Th的衰变常数。
U和Th前面的系数是每个衰变系列释放的α粒子数目。
(1/137.88)代表了现今的235U和238U比率(丰度之比)[15]。
1.5.3(U-Th)/He定年技术的影响因素
(U-Th)/He定年体系是一个封闭体系,理想情况下矿物晶体中的He全部来自U、Th放射性同位素的衰变,既无继承He也无He的丢失。
任何破坏(U-Th)/He定年封闭体系的因素均会影响该年龄值的准确性。
破坏(U-Th)/He定年封闭体系的外因主要有构造活动、岩浆作用、热作用等,而α粒子的运移距离、He的扩散行为、粒径和矿物包体等为其主要内因。
(一)α辐射运移及其校正
矿物颗粒中U、Th衰变释放的α粒子具有很大的动能,这种动能使α粒子在晶体中的运移距离可达数十微米,结果导致母体和子体在空间上相对分离。
矿物中母体含量分布不均匀必然会导致不均一的He年龄。
人们定义α粒子从母体开始运移点到运移停止并重新定位点的直线距离为α停止距离[9],这种停止距离一般为12~34μm[4]。
由此可见,α停止距离和矿物的粒径与He的丢失关系密切,所以在挑选矿物时必须考虑矿物的粒径。
图1α停止距离对He保留特性的影响[4]
假设α粒子停留在以母体为中心、半径等于停止距离的球面上,则图1a表示了晶体上α衰变的3种结果。
若母体所处的位置离晶体边缘的距离大于停止距离,那么无论α粒子的方向如何它都会保留在晶体的内部。
当母体距离边缘的距离在一个停止距离以内,那么α粒子就有可能射出晶体。
如果母体临近颗粒的边缘,则α粒子射出的几率会增加(图1b)。
晶体外部发生的衰变,也可能使一部分α粒子从外部进入所研究的晶体中从而影响He的测定。
这种现象一般只发生在距晶体最外层表面约20μm左右的地方,所以一个简单的解决方法是用化学方法或机械方法除去定年颗粒的最外层。
因为颗粒的边缘是He扩散丢失的位置,因此扩散运移的结果使得颗粒边缘的He浓度比内部的低。
对于一些实际应用,例如对快速冷却矿物(来自火山碎屑)的定年,或者对扩散梯度大于α射出或加入的距离的大颗粒来说,这种方法也许很适合,但是当扩散和α射出的边界重合时,去除最外层的表面一般会导致错误的年龄。
Farley等(2002)在测量颗粒大小和形状的基础上提出了一个定量模型来校正由于较长的α停止距离导致的He年龄偏差[4]。
在这个模型中用FT参数来校正α射出效应。
FT参数是晶体表面与体积比(设为β)和α粒子停止距离的函数(FT=1+a1β+a2β2),其校正值介于0.65~0.85之间,磷灰石典型的六方棱柱的FT值为0.75[5]。
对于尺寸较小的颗粒,FT随着颗粒的减小而急剧变化,FT的误差也随之增大。
这种校正α射出效应模型的最大问题在于假设母体具有均一的分布,带状晶体就打破了这种假设。
矿物中U、Th分带对He定年的影响程度还未彻底查明。
(二)He的扩散行为
矿物颗粒中He的保留特性对热年代学和一定程度上的绝对定年都是非常重要的。
众所周知,He不能保存在石英、砂岩和云母中,所以这些岩石没有明显的潜力进行任何形式的He定年研究。
但是,He可以保留在磷灰石、橄榄岩、辉石、闪石、石榴石、未变质锆石、未变质榍石、磁铁矿、赤铁矿和可能的玄武玻璃中。
因此磷灰石矿物颗粒中He的扩散行为对(U-Th)/He定年也有重要的影响。
人们可通过稳定加热法和分步升温法,并采用限定阿仑尼乌斯关系式的参数来研究磷灰石中He的扩散行为[4]:
D/a2=D0/a2e-Ea/RT
(2)
这里,D为扩散率,D0是温度无限高时的扩散率,Ea是活化能,R为气体常数,T为开氏温度,a为扩散区域的半径。
杜兰戈(Durango)磷灰石(一种普通的“标准”磷灰石)以及其他类型磷灰石中的He扩散均服从阿仑尼乌斯关系式(方程2),说明磷灰石中He的扩散至少在温度小于300℃时具有单一的热活性体积扩散过程。
高精确的实验表明,磷灰石He扩散的活化能介于32~38kcal/mol之间。
在杜兰戈磷灰石中,扩散区域就是颗粒本身,扩散率D随颗粒半径的大小而变化。
由于杜兰戈磷灰石中He的扩散是各向同性的,因此扩散的相关尺寸就是棱柱的半径即He扩散丢失的最短路径。
精确的观察表明,半径为80~90μm的磷灰石其封闭温度为70℃。
如上所述,α粒子射出效应影响He的浓度特征从而使封闭温度有些偏高[4,16]。
(三)矿物包裹体的影响
在(U-Th)/He定年技术的应用中,磷灰石、锆石等矿物中存在包裹体,将会对测年的精确度造成很大的影响。
首先注意到矿物包裹体对He定年造成困难的是Lippolt(1994)和House(1997)等。
由于大多数矿物包体中往往具有较高的U、Th含量,会造成颗粒中He含量过剩,从而导致He年龄值偏大。
而当这些包体中所含的U、Th含量较低时则不会造成很大的影响。
实际应用中,许多情况下的矿物包体都可以在样品挑选中被发现和排除掉。
通常是在120倍的双目显微镜下采用透射光和正交偏光挑选。
但是,当方向与矿物c轴平行,并与主矿物同时消光的矿物包体很难被发现和排除。
这仍然是有待探讨和研究的问题[16]。
1.6主要研究内容
(1)用HEFTY软件对柯坪地区的露头样品的磷灰石、锆石(U-Th)/He年龄进行热演化史模拟;
(2)通过Basinmod软件对邻近地区的方1井和康2井两口井的地层资料进行埋藏史模拟;
(3)综合(U-Th)/He资料和钻井资料,以及该地区的构造情况,分析讨论塔里木盆地西北部地区的构造-热演化历史。
1.7研究思路及技术路线
通过查阅大量文献,在前人研究的基础上,了解塔里木地区的构造演化历史;收集前人研究成果和钻井资料,获得地层信息,选取研究区附近的典型钻井,用Basinmod软件做塔里木盆地西北部地区埋藏史模拟;用柯坪地区露头样品中的磷灰石和锆石做(U-Th)/He测试,根据测试结果,分析热演化史,并通过HEFTY软件模拟出热演化历史,再加以埋藏史的约束,以及区域构造史,共同分析讨论塔里木西北部的热演化历史。
图2研究思路及技术路线图
1.8主要完成工作量
表1.1论文主要工作量简表
工作项目
工作量
查阅文献
50余篇/份(其中英文15篇)
收集塔里木地区地质资料
综合地质图,构造分区图若干
塔里木盆地西北部露头样品分析
成图9张
周边钻井分析模拟
成图2张
文献翻译
一篇(10000余字)
毕业论文
一份(15000余字)
第2章研究区基本概况
2.1研究区地理位置
新疆柯坪地区位于塔里木盆地西北缘,东部至阿克苏,西部邻接麦盖提斜坡带,南部为巴楚隆起,东南为阿瓦提断裂带,东部为库车坳陷,北部为天山褶皱带(如图2.1),长约350km,宽约100km。
该区具有巨厚的古生代沉积序列,只在局部沉积了第三系地层。
图2.1研究区构造位置图
1、阿克苏市乌什磷矿地区2、柯坪县大湾沟地区3、阿克苏市四石厂地区
2.2研究区地层发育特征
该地区以下古生界出露齐全为特征,新元古界震旦系出露齐全,分布广泛,下部为碎屑岩,上部为碳酸盐岩。
寒武系以碳酸盐岩为主。
奥陶系为碳酸盐岩和碎屑岩。
志留系为碎屑岩。
缺失上泥盆统、石炭系下统和中生界。
中二叠统有海相和陆相两种沉积类型并夹火山岩。
古近系仅有零星露头,为滨海—澙湖相沉积。
新近系发育完整,主要为陆相沉积,下部夹有海相层。
寒武系底部含磷,中二叠统海相黑色灰岩中有沥青细脉[17~18]。
震旦系:
上统灯影峡阶地层,厚度180m,白云岩为主,地层含页岩及中-粗砂岩;下统陡山沱组地层,厚度约550m,下部为底砾岩,中部为玄武岩及褐色砂岩,上部为细砂岩及泥页岩。
寒武系:
上寒武统为下丘里塔格组白云岩,约400m厚;
中寒武统包括阿瓦塔格组和沙依里克组两套白云岩,厚约250m。
下寒武统有吾松格尔组、肖尔布拉克组和玉尔吐斯组三套地层。
总厚度约280m,总体岩性为白云岩。
奥陶系:
上奥陶统顶部是柯坪塔格组地层。
上奥陶统中下部,包括印干组、其浪组、以及坎岭组三套地层。
印干组地层厚度大约30m,黑色页岩与暗色泥质层、泥质灰岩互层,夹少量砂质泥质条带;
其浪组厚度大约150m,暗色泥灰岩、泥质灰岩及钙质页岩和粉砂质页岩呈韵律性互层;
坎岭组厚度大约20m,为紫红色薄层状泥质灰岩。
中奥陶统,包括萨尔干组和大湾沟组两套地层。
前者厚约8m,为黑色页岩夹泥灰岩;后者厚约25m,为泥质灰岩。
下奥陶统有鹰山组和蓬莱坝组两套地层,鹰山组上段为砂质灰岩与泥灰岩互层,厚约80m,下段以含藻灰岩为主,厚约82m;蓬莱坝组厚约120m,以浅灰色白云岩为主,夹亮晶灰岩。
志留系:
上统为克孜尔塔格组。
中统,依木干他乌组,地层厚度约600m,上部为紫红色泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹灰绿色薄层状粉-细砂岩;下部为紫红色中层-厚层状泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩与灰绿色薄层粉砂岩、细砂岩不等厚互层。
下统,包括塔塔埃尔塔格组和柯坪塔格组。
塔塔埃尔塔格组层厚约200m上部是薄层-中层状细砂岩、粉砂岩,夹紫红色泥页岩;下部是紫红色薄层状粉砂岩、泥质粉砂岩与紫红色泥岩、粉砂质泥岩等厚互层。
柯坪塔格组,层厚约500m,包括下伏的上奥陶统顶部,该组上部为暗色厚层状粉-细砂岩、薄层状泥质粉砂岩及页岩;中部为灰绿色泥页岩、粉砂质泥页岩、为主;下部为粉细砂岩与泥质粉砂岩、泥页岩互层。
泥盆系:
上泥盆统缺失。
中-下泥盆统至志留顶部主要发育克孜尔塔格组地层,层厚大约1200-1300m,上部,厚层-块状含砾砂岩,细-中砂岩,细砂岩及细粒杂砂岩不等厚互层;下部,厚层-块状细砂岩,粉砂岩,泥质粉砂岩不等厚互层。
石炭系:
该地区缺失大部分石炭系地层。
上石炭统-下二叠统,发育康克林组地层,岩性以浅色灰岩为主,夹砂砾岩及泥页岩。
厚度约80-170m。
二叠系:
上统,发育沙井子组地层单元,累积厚度达480-500m,深色泥岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及粉砂岩为主,夹薄层石膏和砾岩。
中统,主要发育开派兹雷克组地层,地层厚度大约为1100m,该组上部以灰绿色、灰黄色火山碎屑岩和黑褐色玄武岩为主;下部主要是深色含钙泥岩,砂纸泥岩及细砂岩。
中下统,发育库普库兹满组地层,层厚约200m,上部为火山碎屑岩及玄武岩;下部为深色钙质泥岩及泥灰岩。
中生代:
柯坪地区未见中生界地层,第三系地层直接不整合上覆在二叠系地层之上。
古近系:
柯坪地区古近系地层仅有零星露头,代表性喀什群地层,它代表了滨海-泻湖相沉积环境。
新近系:
上新统发育阿图什组,中新统发育乌恰组和帕卡布拉克组地层,在中晚新近世,柯坪地区处于陆相环境,发育河流相为主的河湖相沉积,属于氧化环境,岩性主要为红褐色砂砾岩。
下中新统发育的安居安祖和克孜洛依组两套地层为滨浅湖相沉积。
第四系:
柯坪地区第四系地层普遍分布,以陆相沉积为主要特征,发育典型的新疆群、乌苏群、以及西域组地层,发育多套洪积层、冲积层、风积层、多套砾岩沉积。
2.3研究区构造演化特征
该地
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