大学毕业论文-—湘鄂西花岗岩体磷灰石裂变径迹年龄设计.doc
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1、2004.05 中国地质大学硕士学位论文 45 前 言一、选题依据1.研究现状裂变径迹是指含铀矿物中的铀裂变产生的高能量碎片使矿物晶格产生辐射损伤,从而留下裂变的痕迹。1965年,美国通用电气研究发展中心的Fleischer等(1964)通过研究径迹的蚀刻特性,发现自发裂变径迹数与径迹积累的时间和矿物中铀的含量成正比,基于这一原理,他们测定了矿物的年龄,并提出了裂变径迹定年法(Fleischer et al.,1964)。裂变径迹定年法是利用统计矿物(锆石、磷灰石)238U裂变产物裂变径迹数来测定矿物年龄的。由于磷灰石的裂变径迹具有较低的封闭温度70-120(Gleadow et al.,19
2、87),1980年代以来广泛应用于揭示山脉地区晚近地质时期的隆升剥露史。国外最早运用裂变径迹定年法研究造山带构造隆升史始于1978年,当时Wagner(1978)用这种方法对中阿尔卑斯山进行了系统研究,所测得的磷灰石的FT年龄为2.2-17.4m.y.,并发现这些年龄随海拔高度的增高而增大。Gleadow et al.(1984)利用磷灰石裂变径迹分析技术对南极的Transantartic Mountains(TAM)地区进行了系统研究,作出年龄-高程图。近年来,随着对磷灰石裂变径迹退火特征的进一步研究,有关磷灰石裂变径迹定年法在山脉隆升剥露史方面的应用又有新的进展。Wagner(1988)建
3、立了新的投影裂变径迹长度分布温度时间之间的联系,使之对抬升剥露冷却历史的制约更为精确。运用此方法,Wagner et al.(1989)对南极横断山北维多利亚地区、Fitzgerald et al.(1988)和Fitzgerald(1992)对南极的TAM地区进行了研究,均取得了一些新的非常有意义的成果。Thomson等(2000)利用Ruhla结晶杂岩体的裂变径迹热年代学证据对欧洲大陆的Saxo-Bohemian地块的热演化史进行了新的限制。Mitchell等(2002)利用磷灰石裂变径迹分析方法对澳大利亚南部的Mt Painter 区的剥露史进行了分析,得出重要结论。国内早期利用磷灰石裂
4、变径迹法研究隆升速率多集中在青藏高原及其邻近地区。刘顺生等(1987)对西藏的拉萨、康马和告乌3个岩体利用年龄-高差法进行了隆升速率的计算,得到了较好的线形关系;丁林等(1995)通过磷灰石裂变径迹分析方法给出了东喜马拉雅构造结上新世以来快速隆升的证据;江万等(1998)在研究青藏高原的隆升速率时,利用测出的裂变径迹数据直接计算地质体的平均隆升速率。近年来,应用磷灰石裂变径迹年龄分析,B.L. Chen等(2001)对秦岭造山带、王国灿等(2002,2003)对东昆仑东段、万景林等(2002)对西昆仑北部山前普鲁地区、吴堑虹等(2002)对东大别地区岩体的隆升剥露史和构造意义进行了深入的分析,
5、取得重要成果,同时,他们对裂变径迹分析技术也进行了有益的探讨,为今后我们应用裂变径迹定年法进行研究提供了参考。综上,随着裂变径迹分析技术的发展,国内外学者应用磷灰石裂变径迹法研究造山带隆升剥露机制已取得重大进展,主要体现在通过裂变径迹分析可以为研究造山带隆升提供隆升时间、隆升幅度、隆升速率、隆升方式以及地温热历史等比较全面的山脉隆升史资料。2.研究目标近年来,随着对磷灰石矿物的退火规律的深入研究(Fleischer et al.,1975,康铁笙,1991),发现磷灰石裂变径迹的退火与油气生成密切相关。磷灰石裂变径迹发生退火的温度范围(退火带)为70-120,而烃成熟度与温度的关系表明,石油大
6、量生成所需要的温度范围与上述退火带刚好重合(Gleadow et al.,1983)。据此,我们认为可以通过磷灰石裂变径迹分析反映含油气盆地经历的地质背景,进而对含油气盆地的构造破坏条件作出评价。本课题属于夏文臣教授主持的中石化重大基础项目“鄂西渝东海相油气的构造控制与保存条件研究(2002-2004)”的下属子项目“扬子板块东北缘晚古生代以来隆升过程的精细同位素冷却速率响应与储油层稳定性研究”,主要通过对湘鄂西一带近南北向分布的花岗岩体自印支期以来的冷却抬升剥露史进行研究,以查明构造非平稳运动的期次和作用时间,为鄂西渝东盆地石炭系及其稍晚以来成烃层的可能的破坏事件分析提供一个方面的约束。二、
7、研究内容和研究方法1.主要的研究内容:(1)湘鄂西地区存在的重要构造活动期厘定(2)湘鄂西地区典型侵入体的岩石学特征和构造环境分析(3)典型岩体的平均古剥露速率研究(4)印支期以来的冷却速率和剥露速率研究(5)基底剥露速率与盆地油气藏保存条件和破坏条件分析2.研究方法目前,研究山脉隆升剥露速率的研究方法主要有古生物-古气候法、古地理法、地质压力计法、热年代学方法及变质作用P-T-t轨迹法(王国灿,1995)。其中,(1)古生物-古气候法适用的前提是气候条件随高程而变化,不同高程有其相适应的气候条件及与该气候条件相适应的生物组合;(2)古地理法是利用能确定古高程的岩相古地理标志来确定隆升的幅度和
8、过程;(3)地质压力计法是通过对某一时代形成的矿物的压力估算或流体包裹体的压力测定,判断其形成深度,进而分析其隆升历史;(4)热年代学方法的核心理论是封闭温度理论(Doddson,M.H.,1973),理论的核心是认为造山带中深成岩矿物或变质矿物给出的年龄并不是原始结晶年龄,而是反映了它的冷却年龄,如果冷却年龄是由于正常地温梯度下地质体隆升或剥蚀作用所引起,那么冷却史就是隆升史的反映。利用冷却史探讨隆升史的方法可概括为以下三个方面:矿物对封闭温度年龄法、单矿物封闭温度年龄法、多重扩散域的40Ar/39Ar年龄谱法;(5)变质作用P-T-t轨迹法是地质压力计法与热年代学方法的综合,主要通过研究P
9、-T-t轨迹中的抬升段(减压过程)的P-T变化,进而估算抬升速率。可以看出,以上5种估算山脉隆升剥露速率的方法中,热年代学方法是研究冷却速率的,其他几种是研究隆升速率的。基于地表效应的影响,目前讨论的隆升程度实际上是指剥露程度,我们所称的隆升即与剥露相当。综合这几种方法的适用条件,并针对区内基底变质岩变质程度低和破坏事件主要发生在印支期以来的特点,本文将采用地质压力计方法和热年代学方法来研究岩体的隆升剥露速率,热年代学方法采用多重扩散域的40Ar/39Ar年龄谱法和磷灰石裂变径迹年龄高程法。 三、技术路线1.选择采样剖面以往研究资料表明,海拔高并且绝对高程大的山体,用于年龄高程法测定隆升速率时
10、,其数据效果更为理想,因此,我们通过分析盆地周缘岩体的图形资料后,最终选择了位于盆地东缘的鄂西黄陵岩体和湘西白马山岩体和近怀化市中华山岩体进行研究(图0-1)。图0-1 湘鄂西研究区岩体分布图2.采样要求用GPS和1:5万地形图作为参考,按每100米高程差间隔一个岩样的要求进行采取岩石新鲜样和风化样,风化样用于挑选磷灰石,新鲜样作探针分析。3.样品分离样品人工粉碎和淘洗后,自然风干,用双目镜挑出磷灰石、锆石和钾长石。4.送样磷灰石、锆石和钾长石样品送到国家地震局地质研究所进行处理。5.数据处理对测出的数据进行分析,作出年龄-高程的隆升曲线和温度-年龄的冷却曲线,计算隆升速率和冷却速率。6.结论
11、解释根据岩体隆升速率和冷却速率的快慢解释油气藏可能受到的破坏影响,主要提供地质上的参考依据。四、工作安排与工作量1.开展野外工作开展野外工作8次,共计46天,考察点包括陕西安康(2002/7/177/23)、湖南新化(2002/7/257/31,2002/11/111/6,2003/10/1110/15)、湖北宜昌(2002/8/108/15,2002/10/1110/17,2002/10/2410/27,2003/10/1810/22)等地区,主要涉及鄂西渝东区东部的湘西白马山岩体、中华山岩体和鄂西黄陵岩体,对上述岩体进行详细的野外调查,共采集样品100余件。2.室内工作主要包括:磨制岩石薄
12、片、探针片共20片,分选锆石、磷灰石29件,完成18个磷灰石裂变径迹年龄和长度测定,3个磷灰石年龄-高程图示,3个样品的钾长石Ar-Ar年龄测定。表0-1 学位论文期间主要完成的工作量简表工作内容工作量工作内容工作量野外考察46天矿物电子探针分析10点路线剖面6条磷灰石、锆石裂变径迹年龄测定18件采集标本100件裂变径迹长度测定18件样品预处理40天钾长石Ar-Ar年龄3个薄片鉴定20片磷灰石年龄-高程图示3个矿物分选29件野外照片20张五、取得的主要认识1.矿物地质压力计法揭示湘西白马山岩体和鄂西黄陵岩体自侵位结晶至第一次剥露出地表的平均古剥露速率均为0.23mm/a。2.黄陵岩体和白马山岩
13、体的磷灰石裂变径迹同位素热年代计揭示鄂西渝东盆地东缘在80-60Ma间存在较慢速的构造抬升过程,剥露速率0.025mm/a,而80Ma和60Ma左右可能分别是该过程中的两个快速隆升幕。中华山岩体钾长石MDD模拟结果则揭示在130-140Ma存在一次快速的构造抬升或剥露。 3.据唐俊红等(2003)对川西南震旦系储集层不同期次充填矿物中的有机包裹体的研究,表明在220Ma、135Ma和70Ma分别存在三个重要的油气运移期,其中以70Ma时的运移规模最大。后两期的时间与本研究揭示的140-130Ma和60Ma的两个快速构造隆升期一致。由此看来,构造抬升既可能对储油层产生破坏作用,也可以使上覆生烃层
14、形成可观的微裂隙,从而成为油气运移的重要通道。第一章 区域地质鄂西渝东区地处重庆、湖北两省市交界之处,东起湖北建始重庆彭水、西至长江、乌江,面积20200km2,构造上处于四川盆地川东褶皱带与湘鄂西褶皱带的结合部位。鄂西渝东区自雪峰运动形成统一的变质基底之后,先后经历了澄江加里东、海西印支、燕山喜山期三大沉积构造旋回。雪峰古陆在加里东形成之后,印支期发生自南东向北西的逆冲,东部由于逆冲抬升而缺失中三叠统,西部下降接受连续沉积(中三叠统巴东组)。因此,印支期的强烈构造运动发生在中三叠世(235220Ma),在雪峰山中南部有大量的印支期花岗岩岩体(240189Ma)。燕山期雪峰山继续由南东向北西挤
15、压逆冲,变形强度加大。强烈活动发生在晚侏罗世(150130Ma),一直延续至早白垩世(100Ma)。图1-1 研究区地质简图(改自李献华,2003)本研究区地处湘鄂西边区,从构造位置上看,主要位于华南板块的大陆区扬子地块之上,包括湘鄂褶断带的大部分、东北部跨黄陵隆起带和江南中生代基底拆离隆起区的一部分(图1-1)。鄂西黄陵地区以发育黄陵断穹为重要的地质特征(图1-2)。黄陵断穹南北长73km,东西宽36km,呈北北东向卵形产出;具有地台型双层结构及后地台型上叠构造层特征,皆以明显的区域性角度不整合分界。湘西白马山地区在大地构造位置上处于扬子准地台与华南褶皱带接壤部位的雪峰山弧性构造带的东南缘,
16、而雪峰山弧性构造带又位于“江南古陆”的西南段,处于华南两个级大地构造单元的分界线附近(图1-3)。1.1 黄陵地区图1-2 黄陵地区地质简图1.1.1 地层横贯东西的青峰-襄广断裂将全省划分成南、北两个地层区:南部为扬子区,元古界及古生界总厚约30000m,下-中元古界为地槽型沉积,上元古界-古生界为地台型沉积;北部为秦岭区,元古界及古生界总厚约60000m,全属地槽型沉积。本工作区在扬子区内。全省中-新生界总厚约27000m,三叠系与侏罗系仅分布于扬子区,白垩系-第四系则在两区均有分布,尤以扬子区发育最好。省内上三叠统-第四系及扬子区的上元古界下部与下震旦统为陆相地层,其余均为海相地层。扬子
17、区的崆岭群、杨坡群是湖北省内最古老的地层,共同构成湖北陆壳最早的结晶基底。综合地层资料可知,本区存在Pt1-Z、S2-D2、T3-K1三个角度不整合接触面,O3-S1之间为平行不整合接触关系(表1-1)。表1-1 鄂西区地层简表地层接触关系年代界限(Ma)地层特征中生界白垩系上统角度不整合142下统底下部为类磨拉石建造,下统上部以及上统为内陆河湖相红色建造及内陆盐湖含盐建造,夹少量火山岩。下统三叠系中统巴东组整合接触250早期以碳酸盐岩沉积为主,中晚期逐渐过渡以碎屑岩为主夹碳酸盐岩的沉积,厚1100-3300m,主要含有双壳类、菊石、植物、牙形石和少量爬行动物、鱼类、轮藻、叶肢介等化石。下统嘉
18、陵江组大冶组古生界二叠系上统大隆组整合接触292赋存煤、铝、锰、铁、硫、稀土及粘土矿、石灰岩等矿产,以浅海陆棚碳酸盐岩为主要沉积特征,全系厚度为300-580m。龙潭组下统茅口组栖霞组石炭系上统船山组整合接触354以碎屑岩、灰岩沉积为主,主要含有珊瑚、腕足类、植物及少量牙形石等。厚度为6-156m 。黄龙组下统和州组高骊山组金陵组长阳组泥盆系上统写经寺组不整合接触417以碎岩夹灰岩为特征,厚度1-160m。主要化石有腕足、珊瑚、牙形石、介形类、植物及少量双壳、鱼类等。黄家磴组中统云台观组志留系中统纱帽组平行不整合440复理石建造,厚910-1500m,化石丰富,主要含有笔石、腕足类、三叶虫、珊
19、瑚、层孔虫以及少量头足类等。下统罗惹坪组龙马溪组奥陶系上统五峰组整合接触495由灰岩、泥灰岩及页岩组成,厚度一般为300-500m,各门类化石都十分丰富,其组合以介壳相与笔石相混合交替为特征。临湘组中统宝塔组大田坝组庙坡组下统牯牛潭组大湾组红花园组分乡组南津关组西陵峡组寒武系上统雾渡河组整合接触545发育完全,是我国标准剖面之一,早寒武世主要为浅海相黑色页岩、砂岩及石灰岩,最底部为含磷白云岩沉积,生物丰富,其中以较多的古盘古类、原油栉虫科三叶虫及古杯类为特征。中、晚寒武世的沉积主要是浅海和浅海近岸的白云岩和灰岩,化石较为稀少。中统新坪组覃家庙组下统石龙洞组天河板组石牌组水井坨组天柱山组前寒武系
20、震旦系上统灯影组不整合接触760由一套碎屑岩、冰绩岩、泥质岩及硅质碳酸盐、碳酸盐岩等组成,其中陡山沱组的磷矿已构成大型工业矿床。陡山沱组下统南坨组大塘坡组古城组莲坨组崆岭群低压区域动力热流变质岩系,未见底,顶被震旦系不整合覆盖。1.1.2岩浆岩本省岩浆岩形成时代有早元古代大别期、中元古代扬子期、早古生代加里东期和中新生代燕山-喜马拉雅四个主要时期。大别期基性、超基性侵入岩主要出露于大别山和黄陵两个地区。扬子期岩浆岩在扬子地台区仅出露于神农架、大洪山和黄陵三个地区,其中神农架、大洪山地区以基性火山岩为主,局部有酸性火山岩产出,并有相应的浅成辉绿岩相伴生,分布也很局限。黄陵地区则发育有中酸性侵入岩
21、,其成因类型可能属构造重熔型花岗岩,并可能形成于扬子末期。本省加里东期岩浆活动不很发育,本区没见分布。燕山-喜马拉雅期是我省岩浆活动最发育的一个时期,并以中酸性岩浆的侵入和喷发为主要特征,岩体多集中在鄂东地区。1.2白马山地区图1-3 白马山地区地质简图1.2.1地层湖南省地层分布广泛,约占全省面积的91.7%;发育较全,从中元古界至第四系均有存在。省内各系大部分层序完整、出露良好、化石丰富,加之地跨古生代扬子和华南两个海域的交界处,横向变化明显,沉积类型较多,是研究中国南方古生代地层不可缺少的地区。综合地层资料可知,湘西区存在S1-D1、T1-J1、J2-K1三个不整合接触面(表1-2)。1
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