盆地断层活动定年技术进展及发展趋势_沈传波.pdf

第 48 卷 第 2期2 0 2 3 年 2 月Vol.48 No.2Feb.2 0 2 3地球科学 Earth Sciencehttp:/https:/doi.org/10.3799/dqkx.2022.401盆地断层活动定年技术进展及发展趋势沈传波1，2，葛翔1，2，吴阳2，曾小伟2，刘昭茜1，21.中国地质大学构造与油气资源教育部重点实验室，湖北武汉 4300742.中国地质大学资源学院，湖北武汉 430074摘要：断层的活动期次对盆地的形成与演化及油气运移成藏起着重要的控制作用，精确厘定断层活动期次及其年龄是盆地构造及油气成藏研究中的一项必不可少的工作，也一直是研究中的一个难点.针对这一问题，论文基于断层带内部结构的分析及前人研究成果，简要评述了常用的自生伊利石 KAr/ArAr定年法和石英电子自旋共振 ESR（electron spin resonance）定年技术，重点综述了方解石激光原位 UPb定年、石英流体包裹体40Ar/39Ar定年和低温热年代学技术应用于断层活动时间研究的基本原理、实验方法和典型实例，并探讨了存在的问题，分析了发展的趋势，指明了下一步研究的方向.认为这些技术对断层活动期次和油气勘探研究具有重要指导意义，未来将在盆地断裂研究中发挥重要作用，有着广阔的应用前景.关键词：断层；方解石 UPb定年；流体包裹体40Ar/39Ar定年；低温热年代学；赤铁矿（UTh）/He定年；石油地质.中图分类号：P618.13 文章编号：1000-2383(2023)02-735-14 收稿日期：2022-12-07Progress and Development Trends of Fault Activities Dating Technologies in BasinsShen Chuanbo1，2，Ge Xiang1，2，Wu Yang2，Zeng Xiaowei2，Liu Zhaoqian1，21.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources，Ministry of Education，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China2.School of Earth Resources，China University of Geosciences，Wuhan 430074，ChinaAbstract:Fault activities play an important role in the formation and evolution of the basin and the petroleum migration and accumulation.Accurately determining the ages and active period of the fault is an indispensable work in the study of basin tectonics and petroleum accumulation,and has always been a difficult work in the geological study.In view of this problem,based on the analysis of the internal structure of the fault zone and previous research results,the commonly used authigenic illite KAr/ArAr dating method and quartz ESR dating technology were briefly reviewed in this study.And this paper mainly focuses on discussing the basic principles,experimental methods and typical examples of laser in situ calcite U Pb dating,quartz fluid inclusions 40Ar/39Ar dating and lowtemperature thermochronology technology which applied to the study of fault activity time.The presently existing problems and development trends were analyzed,and the next research direction was pointed out.It is believed that laser in situ calcite U Pb dating,quartz fluid inclusions 40Ar/39Ar dating and low temperature thermochronology techniques have important guiding significance for the study of fault activities and petroleum exploration,and will play an important role in the study of basin faults in the future,with broad application prospects.Key words:fault;calcite UPb dating;fluid inclusions 40Ar/39Ar dating;lowtemperature thermochronology;hematite(UTh)/He dating;petroleum geology.基金项目：国家自然科学基金(Nos.41972152,42272168);湖北省自然科学创新群体项目(No.2021CFA031).作者简介：沈传波（1979-），男，教授，主要从事构造-成藏年代学的研究工作.ORCID：0000000156419714.Email：引用格式：沈传波，葛翔，吴阳，曾小伟，刘昭茜，2023.盆地断层活动定年技术进展及发展趋势.地球科学，48（2）：735-748.Citation：Shen Chuanbo，Ge Xiang，Wu Yang，Zeng Xiaowei，Liu Zhaoqian，2023.Progress and Development Trends of Fault Activities Dating Technologies in Basins.Earth Science，48（2）：735-748.第 48 卷地球科学 http:/0 引言 断层作为盆地构造主要类型之一，在油气形成、运移、聚集以及保存等过程中发挥着关键作用，并最终控制了油气的分布，因此断层的分析一直是盆地构造及油气成藏研究的热点，是油气勘探开发中一项必不可少的工作（罗群和白新华，1998；吕延防等，2002）.盆地中的断层主要是浅层低温的脆性断裂，常常具有性质多样、组合多样以及多期次活动的特点，由于这类断裂活动难以有新的变质矿物生成，因此断层活动期次及其年龄的直接精确确定一直是盆地构造研究中的一个难点（Davids et al.，2013，2018；赵 子 贤 和 施 炜，2019；郑 勇 等，2019；McDermott et al.，2021；赵奇和闫义，2021）.传统断层构造活动时代限定主要通过相关地层或岩体年龄，结合区域不整合关系与区域构造解析开展定性约束（Zhang et al.，2003；朱光等，2016）；也常基于盆地中大量的井-震资料，利用生长指数法、古落差法、断层活动速率法和断层位移-长度关系分析法等研究断层的活动性（雷宝华，2012；冉伟民等，2019），定性分析为主.我国各大盆地在中生代以来构造活跃，形成了大量的浅层脆性断裂，这些断裂的年龄仍没有得到很好地确定（杨坤光等，2006），极大地影响了对盆地形成演化及油气运移成藏的认识.近年来，随着同位素化学分离方法和样品制备水平的提高，以及电子探针技术、激光微区微量纯化系统和高精度、高灵敏度质谱仪的应用（沈传波等，2019，2020），同位素定年技术得到了快速地发展，使直接测定断层活动年代成为了可能.基于此，本文在断层带内部结构分析及前人研究成果的基础上，综述近年来国内外利用同位素定年技术开展断层活动研究的新进展，分析其发展趋势，以促进盆地断层活动期次和年龄的定量化研究.1 断层带内部结构及定年的常用方法大量野外露头及钻井岩心分析证实：断层并非简单的一个平面，而是具有一定厚度的和复杂内部结构的三维地质体（陈伟等，2010；Pei et al.，2015；Peacock et al.，2017；吕海涛等，2021；苏圣民和蒋有录，2021），常由大量次级断层、裂缝、断层角砾岩和断层泥构成（Caine et al.，1996）.通常一个较为完整的断层带包括强烈变形的断层核、断层破碎带及其周围未变形的围岩（Choi et al.，2016）；断层核系断层多期活动变形的产物，由滑动面、断层泥、构造透镜体和断层角砾岩等构成；断层破碎带发育在断层核两侧连接核部与围岩带，包括局部的次级小断层和诱导裂缝等（图 1）.断层带的这些组成物质是断层活动的产物，对断层活动进行定年主要是在断层带中挑选合适的物质进行定年，或者通过约束断层两侧围岩的错动变化时间来限定断层的活动.断层泥中自生伊利石十分发育，因为与断层活动相关的水热蚀变极其易于自生伊利石的生长，确定这些自生伊利石的形成年龄就可以直接限定断层活动的时间，常用 KAr/ArAr 定年的方法（van der Pluijm et al.，2001，2014；Zwingmann et al.，2010a，2010b；Rahl et al.，2011；郑勇等，2019）.但是，争议一直很大，主要原因是自生伊利石的分选和提纯十分困难.微米级的黏土矿物很难在双目镜下挑纯，在制样阶段也难以排除石英、长石等矿物的细小碎片的污染，更无法排除碎屑伊利石的干扰.尽管许多文章讨论了自生伊利石 KAr/ArAr年龄中污染影响，尝试使用数学方法外推计算没有碎屑污染时的纯自生伊利石的年龄（rodo，1999；Pevear，1999；Wang et al.，2018），但这些方法只有在假设自生组分和碎屑组分都各自具有固定年龄时 才 成 立（Meunier et al.，2004；Clauer et al.，2012）.显然，断层泥的成分复杂，这一假设并不容易被验证；这就可能导致获得的年龄是一个混合年龄（Vrolijk et al.，2018），难以反映断层真实的活动时间，这也可能是自生伊利石 KAr定年获得的年龄往往分布区间很大的原因.ArAr阶段加热法由低图 1断裂带内部结构单元分布模式Fig.1Structural units distribution mode in the fault zone据苏圣民和蒋有录（2021）修改736第 2 期沈传波等：盆地断层活动定年技术进展及发展趋势温至高温对样品逐步加热，可能使自生伊利石混合物不同矿物相在不同温度阶段分步释气，获得更有意义的坪年龄（Yun et al.，2010）.断层的强烈活动会伴有流体活动，流体溶液所含的 SiO2或 CaCO3析出结晶会形成同构造的石英或方解石脉体，或者胶结岩石碎块形成断层角砾岩和碎裂岩，或者随着断层位移不断进行，在断层滑动面形成纤维状滑抹晶体.这些物质发育在断层核和断层破碎带中，对这些物质进行测年就能直接确定断层活动的时间.石英电子自旋共振 ESR（electron spin resonance）测年是常用的方法，其原理是断