地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (2): 271-284
引用本文
李长海, 李刚, 王师捷, 邵学峰, 王颖, 文恺, 刘正宏. 内蒙古林西—乌兰浩特地区二叠系极低级变质作用与生烃潜力[J]. 地质力学学报, 2020, 26(2): 271-284.
LI Changhai, LI Gang, WANG Shijie, SHAO Xuefeng, WANG Ying, WEN Kai, LIU Zhenghong. Permian very low-grade metamorphism and its potential for hydrocarbon generation in the Linxi-Wulanhaote Area, Inner Mongolia, China[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(2): 271-284.
内蒙古林西—乌兰浩特地区二叠系极低级变质作用与生烃潜力
李长海1,2, 李刚1,2, 王师捷1,2, 邵学峰3, 王颖1,2, 文恺1,2, 刘正宏1,2    
1. 吉林大学 地球科学学院, 吉林 长春 130000;
2. 吉林大学自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室, 吉林 长春 130000;
3. 辽宁省地质勘查院有限责任公司, 辽宁 大连 116100
摘要:极低级变质作用对年轻造山带构造演化和油气勘探有重要意义,近年来成为地质学家探讨的热点领域。文章以中国东北地区南缘石炭—二叠系为研究对象,探讨了其极低级变质作用的特征。通过对兴蒙造山带东段林西—乌兰浩特地区二叠纪地层的伊利石结晶度、b0值和多型等参数进行测试分析发现,伊利石结晶度Kübler指数在0.175~0.47之间,大多数集中于0.25~0.35,平均值为0.30;样品b0值主要在9.0155~9.0316 Å之间,平均值为9.0249 Å;伊利石多型主要为2M1。以上结果表明研究区二叠系林西组和哲斯组主要经历了葡萄石-绿纤石相的极低级变质作用,变质温度200~370 ℃,压力为中压,同时表明其具有较高的生烃潜力。结合二叠系生烃期研究和区内广泛发育的白垩纪侵入体推测,二叠系极低级变质作用可能发生在早白垩世,且与岩体侵入导致的地温梯度升高有关。
关键词极低级变质作用    伊利石    二叠系    兴蒙造山带    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.02.026     文章编号:1006-6616(2020)02-0271-14
Permian very low-grade metamorphism and its potential for hydrocarbon generation in the Linxi-Wulanhaote Area, Inner Mongolia, China
LI Changhai1,2, LI Gang1,2, WANG Shijie1,2, SHAO Xuefeng3, WANG Ying1,2, WEN Kai1,2, LIU Zhenghong1,2    
1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130000, Jilin, China;
2. Key Laboratory of Mineral Resources Evaluation in Northeast Asia, Ministry of Natural Resources, Changchun 130000, Jilin, China;
3. Liaoning Geological Exploration Institute, Dalian 116100, Liaoning, China
Abstract: The very low-grade metamorphism has been the focus of research in recent years and has great significance for the study of structural evolution of young orogenic belt and petroleum exploration. The recent studies revealed that the Carboniferous Permian strata in the northeastern part of China mainly underwent very low-grade metamorphism and gradually became a new petroleum exploration layer. This paper launched studies on the illite crystallinity, illite polytype and illite b0 dimension of the Permian System in the Linxi-Wulanhaote Area. The illite crystallinity ranges from 0.175 to 0.47, mainly clustering between 0.25 and 0.35 with an average of 0.30. Illite b0 ranges from 9.0155 to 9.0316 Å, with an average of 9.0249 Å. Illite polytype is predominantly 2M1. Based on the above data, the Permian System in the study area mainly experienced the prehnite-pumpellyite facies very low-grade metamorphism under medium-pressure with metamorphic temperature at 200~370℃, indicating its potential for hydrocarbon generation. Together with the hydrocarbon generation history of the Permian strata and the widespread Cretaceous granites in the study area, the very low-grade metamorphism might occurred during the early-Cretaceous, related to the increase of geothermal gradient caused by the intrusion of granite.
Key words: very low-grade metamorphism    illite    Permian    Xing'an-Mongolia Orogenic Belt    
0 引言

极低级变质作用作为一种极端变质作用,逐渐成为地质学和变质岩石学研究的热点领域。Kübler et al. (1967)Frey and Robinson(1999)等学者在极低级变质作用领域率先做出开创性研究。20世纪80年代,国际地球科学计划委员会(IGCP)分别设立了IGCP-235(变质带演化)和IGCP-294项目(极低级变质作用),以加强极低级变质作用的研究和国际合作(Wu et al., 1994)。第29届国际地质大会及1990年于曼彻斯特召开的“作为极低级变质作用和成岩作用标志的层状硅酸盐矿物”会议将极低级变质作用作为议题进行了讨论(Merriman, 1991),这些国际会议的召开进一步建立了地质学界对极低级变质作用的共识。近年来,更多的相关学术会议相继在法国、匈牙利、土耳其和德国等地举办,将极低级变质作用的研究推向了新的高潮(安佳丽等,2018)。

极低级变质作用变质温度不超过350 ℃ (Ferreiro Mählmann et al., 2012),变质矿物肉眼细小难辨,多借助X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)等仪器设备对岩石中粘土矿物比如伊利石、绿泥石等进行矿物学研究,在此基础上探讨变质温压条件。Kübler (1967)提出以伊利石结晶度为基础的Kübler指数,并以0.42和0.25为界,将极低级变质作用划分为成岩作用(沸石相<200 ℃)、近变质作用(葡萄石-绿纤石相,200~370 ℃)和浅变质作用(绿片岩相>370 ℃),该方案得到了地质学家的广泛认可和使用。同时,伊利石等矿物学、结晶学指数在极低级变质作用研究中也扮演着越来越重要的角色(王河锦和周健,1998)。

极低级变质作用的研究在造山带新构造活动和油气勘探领域起着关键作用。中国极低级变质带广泛分布在年轻造山带如特提斯构造带、伸展盆地等各大构造单元中,目前对这些极低级变质带的研究方兴未艾(沈其韩等,2018),比如桂西右江盆地、中国东南沿海、陕北鄂尔多斯盆地和青藏高原可可西里等地的极低级变质作用研究,为上述地区成岩和地质构造演化史提供了重要依据(索书田等,1998袁晏明等,2008段政等,2018)。近年来,松辽盆地及其周缘地区石炭—二叠纪地层极低级变质作用也取得了重要进展,揭示了石炭—二叠纪地层具有较大的生烃潜力,这对松辽盆地深部油气资源勘探具有重要意义(张兴洲等,2008于介江等,2012张健等,2013)。同时,相关学者对文中研究区林西—乌兰浩特地区上古生界极低级变质作用也展开了相关研究,但大多集中在极低级变质作用自生伊利石的矿物学特征上(胡大千和于介江,2009胡大千等, 2010b, 2012),对极低级变质作用的原因和变质时间讨论较少。基于此,本文通过野外地质调查、剖面测量、镜下分析和伊利石结晶度、b0值及多型分析,对林西—乌兰浩特地区二叠系变质-变形特征,极低级变质作用机制和发生时间进行研究,并对区内二叠系生烃可能性进行探讨。

1 区域地质背景

中国东北地区由额尔古纳、兴安、松嫩、佳木斯和兴凯等多个微陆块碰撞拼贴而成(Wu et al., 2011)。其中额尔古纳-兴安地块和松嫩地块在晚古生代碰撞形成了统一的佳-蒙地块(张兴洲等, 2011, 2012)。佳-蒙地块形成后呈现出北陆南海的构造格局,南部与古亚洲洋南支相邻,形成海相沉积盆地,在晚古生代期间发育一套海相沉积,以暗色泥岩和碳酸盐岩为主(王成文等,2008)。

文中讨论的林西—乌兰浩特地区位于中国东北地区南缘(图 1)。研究区内出露的二叠系在地层分区上属于佳-蒙地层大区中的内蒙古草原-松花江地层区(王成文等,2009),从下到上主要有大石寨组、哲斯组和林西组。大石寨组为一套浅海相喷发的中、酸性熔岩及凝灰岩,局部夹有正常沉积碎屑岩、灰黄色凝灰质砂岩、凝灰质板岩和细砂岩。哲斯组为覆盖在大石寨组之上的一套富含腕足类、珊瑚化石、局部含有植物化石的海相、海陆交互相的碳酸盐岩、碎屑岩组合。哲斯组的岩石组合、沉积序列表现出多个海进、海退序列,但整体表现出海退序列的特征。林西组为平行不整合于哲斯组之上的一套陆相碎屑岩局部夹碳酸盐岩的沉积组合,岩性为砂砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩(板岩)、页岩和泥灰岩等,其中泥灰岩、碳质泥页岩是重要的疑似烃源岩层位且具有良好的页岩气勘探前景(苏飞等,2017)。根据生物标志化合物特征,林西县官地地区及扎鲁特盆地林西组烃源岩可能形成于微咸水—半咸水环境中(唐友军等,2013孙鹏等,2016)。长期复杂的构造演化过程,在研究区形成了大量的褶皱、断裂和侵入体,使二叠系发生了大面积的变质作用(董申保等,1986),局部变质程度较高,达到低角闪岩相,并且可能与早三叠世有限洋盆的闭合有关(Chu et al., 2013; Zhang et al., 2015, 2016, 2018)。这些变质作用的类型、变质程度、分布范围等成为二叠系是否能成为烃源岩的重要参考要素。

图 1 研究区二叠系区域分布图(据胡大千和于介江,2009李娟等,2011修改) Fig. 1 Distribution of the Permian System in the study area (modified after Hu and Yu, 2009; Li et al., 2011)
2 研究区二叠系变质类型

通过野外工作发现,研究区二叠系变质类型以动力变质作用和接触变质作用为主,两类变质带宽度有限,分布在未发生明显变质作用的地层区之间。下面针对二叠系的两种变质类型特征进行详细叙述。

2.1 二叠系动力变质作用

研究区改造二叠系的构造变形以脆性断裂、褶皱和脆-韧性剪切带为主,其次为上述构造变形的次级-派生构造,如:劈理、节理等。文中着重对可能引起岩石成分变化(生成新生矿物)的、变形温度相对较高的韧性剪切带和褶皱构造进行分析,通过典型剖面测制,探讨这些动力变质作用的级别和影响范围。

2.1.1 韧性剪切带

研究区二叠系中发育的韧性剪切带多位于西拉沐伦构造带、贺根山构造带、二道井构造带、大兴安岭主脊断裂和嫩江—八里罕断裂等区域性深大断裂带内或附近。这些地区发育的韧性剪切带宽度较大、变形较强,多见绿片岩相变形带,局部与构造混杂岩相接。但是,由于这些韧性剪切带发育位置较为集中,影响范围局限在区域性构造带附近,基本未对远离构造带的大面积二叠系造成影响。

相较于上述中、大型韧性剪切带,研究区内的小型韧性剪切带分布范围更加广泛。这些小型韧性剪切带的走向以北东向、北西向、东西向为主,多与同期断裂相伴生。虽然这些韧性剪切带的分布范围广,变形温压条件与大、中型剪切带基本一致,但是其宽度和延伸范围均远小于后者。以乌兰浩特地区保门屯以东的北西向低温韧性剪切带为例,该韧性剪切带发育在二叠纪的一套酸性火山岩及凝灰质砂岩、粉砂岩和板岩中(图 2)。剪切带内仅在含角砾凝灰岩、砂岩的露头和手标本上中可见明显的剪切变形组构和糜棱叶理,其他细碎屑岩仅可确定发生了变质作用。显微镜下可见定向组构,石英、长石形成旋转残斑并与绢云母、绿帘石等变质矿物定向排列形成糜棱叶理(图 3)。石英具有不均匀消光、动态重结晶和定向拉长现象,但是动态重结晶仅发育在个别层位的大颗粒斑晶的边缘,形成压力影或核幔结构,这些特点表明变形温度低于350 ℃ (胡玲等,2009)。剖面两侧距剪切带核部较远层位的变质矿物(绢云母、绿帘石)较少,逐渐过渡为未变质岩石,该动力变质带宽度小于600 m。

图 2 保门屯韧性剪切带 Fig. 2 Baomentun ductile deformation belt

Qtz—石英;Srt—绢云母
a—变质凝灰质粉砂岩;b—石英绢云千枚岩,绢云母定向排列形成千枚理S1;c—变质流纹质含岩屑晶屑凝灰岩,石英旋转残斑指示右行剪切;d—变质流纹质含岩屑晶屑凝灰岩,绢云母定向形成片理S1
图 3 保门屯韧性剪切带样品典型镜下照片 Fig. 3 Representative photomicrographes of samples from the Baomentun ductile shear belt
2.1.2 褶皱构造

褶皱构造是研究区内二叠系的主要变形构造之一,黄岗梁—乌兰浩特复式褶皱带是区内规模最大、影响所有二叠系层位改造的褶皱构造。野外观察发现,该复式褶皱具有多期叠加变形的特点,文章不对褶皱的形成过程进行探讨,主要分析褶皱作用对地层变质程度的影响。林西县三七地村附近林西组中的褶皱构造属于黄岗梁复式褶皱南段的一部分,该地区的褶皱构造对林西组变质作用的影响程度可以在一定程度上反映区内褶皱作用与二叠系变质作用之间的关系。

林西县三七地林西组构造剖面中岩性主要为岩屑长石砂岩、细砂岩、灰黑色粉砂质泥岩、泥岩等,剖面上可见林西组发生了强烈褶皱并且被后期多条断层所切割(图 4)。剖面东侧起始位置是被多条断层截断的向斜构造,其中走滑断层断层面产状185°∠81°,擦痕产状275°∠2°。剖面中段的背斜两翼发育密集劈理,背斜南西翼劈理产状140°~190°∠60°~70°,北东翼劈理产状310°~320°∠65°~80°,两翼劈理与层理呈小角度斜交、核部劈理平行于层理。两翼劈理和层理产状显示,劈理为轴面劈理。野外宏观露头及手标本特征显示岩石基本未发生变质作用,显微镜下可见胶结物变质生成细小绢云母和绿帘石,变质矿物含量小于5%~10%,且不具定向生长特点。上述特点表明,变质作用(新生变质矿物)与褶皱作用并非同时发生,褶皱作用使地层变形并发育劈理构造。

图 4 林西县三七地林西组剖面 Fig. 4 Profile of the Linxi Formation in Sanqidi, Linxi County

科右前旗前锋村林西组褶皱剖面反映了黄岗梁—乌兰浩特褶皱带北段二叠系的变质-变形特征(图 5)。剖面范围内二叠系发生了强烈的褶皱,形成了一个层理产状普遍较陡、轴面近直立、枢纽高角度倾伏的直立倾伏褶皱,褶皱翼间夹角普遍较大形成宽缓或开阔褶皱褶皱构造被后期的各类断裂所切割,是剖面位置的最早一期构造变形。剖面东侧宽缓褶皱转折端发育顺层劈理,劈理与层理同时褶皱弯曲;剖面中段和西段发育切层劈理,劈理产状与逆冲断层平行或近平行,且切割褶皱两翼。由此可知,前一种劈理形成于褶皱过程中的层间滑动,后一种劈理形成于后期挤压-逆冲相关的剪切作用。断层带内的岩石表现出强烈的碎裂化、绢云母化,且发育石英脉,是剖面中变质程度最高的区域。断层带两侧岩石未发生明显变质作用。综上所述,剖面中林西组在早期的褶皱过程中,发生了明显的形变,但未发生明显变质作用。

图 5 科右前旗前锋村林西组剖面 Fig. 5 Profile of the Linxi Formation in Qianfeng, Horqin Right Wing Front Banner

由此可知,动力变质作用是研究区二叠系的主要变质作用类型之一,但该类变质作用影响范围有限。

2.2 接触变质作用及其特征

结合野外调查及李娟等(2011)的研究成果发现,研究区二叠系接触变质作用的变质级别普遍较低,变质带宽度较窄。特别是林西及邻区大面积二叠系发生了低级变质作用,形成了角岩、板岩等保留原生沉积构造的变质沉积岩。现以巴林右旗的呼都格绍荣岩体为例,通过典型剖面和收集的固体矿产勘查钻孔资料,分析林西及邻区二叠系接触变质作用特征。

呼都格绍荣岩体是一个早白垩世岩体(李鹏川等,2016),出露于巴林右旗索博日嘎镇海苏坝村以北(图 6)。围岩是二叠纪的寿山沟组、大石寨组、哲斯组和林西组,岩体就位之前围岩受区域挤压应力的影响形成了强烈的褶皱,属黄岗梁复式褶皱的一部分。剖面测量过程中发现寿山沟组地层的变质程度基本一致,均发生角岩化,没有明显分带性(图 7a)。而大石寨组与该岩体的接触变质带具有明显分带性,自岩体边部由内而外依次为黑云母化-绿帘石化带、硅化带、黑云母化-绿帘石化带、绿帘石化带、绢云母化-绿帘石化带、石榴-绿帘矽卡岩带、绿泥-绿帘石化带、角岩化带等(图 7b)。整体而言靠近岩体变质程度高,绢云母、黑云母、绿帘石等变质矿物含量高,可依据变质矿物分带;远离岩体变质程度低,绢云母、绿帘石含量低、颗粒小,露头及手标本表现出硬度及密度增大,泥岩(或粉砂岩)原生构造不清(或消失),无法依据变质矿物准确分带,统一定为角岩化带。虽然接触变质带可以区分出多条次级变质带,但从剖面可以看出变质级别不高于低绿片岩相。

图 6 胡都格绍荣岩体地质简图(据李鹏川等,2016修改) Fig. 6 Geological sketch map of the Hudugeshaorong rock mass. (modified after Li et al., 2016)

a—寿山沟组接触变质带剖面;b—大石寨组接触变质带剖面 图 7 巴林右旗呼都格绍荣岩体接触变质带实测剖面图 Fig. 7 Profile of the contact metamorphic zone of the Hudugeshaorong rock mass in Bairin Right Banner

虽然剖面中显示岩体的接触变质带宽度较窄,但是岩体周围的角岩化带宽度较大。根据收集的距该岩体北侧边缘约2 km的固体矿产勘查钻孔资料(图 8),可以看出变质地层之下均为花岗岩体,地表以下约600 m出现花岗岩体(图 8)。据不完全统计,林西地区燕山期岩体接触变质带宽度较大的区域,二叠系下方均为深成侵入体。

图 8 巴林右旗呼都格绍荣岩体北侧钻孔柱状图(钻孔位置见图 6) Fig. 8 Drill geological record of the Permian System, north of Hudugeshaorong rock mass in Bairin Right Banner (positions of drills are shown in Fig. 6)

由此可知,研究区二叠系的接触变质强度和变质带宽度各处不一。接触变质级别普遍较低,主要表现为使岩石发生角岩化、斑点板岩化、硅化、绢云母化、绿帘石化、矽卡岩化,局部出现红柱石、堇青石等特征变质矿物。但是,这些接触变质带内绝大多数岩石变质作用不彻底,仍保留原生构造,胶结物部分生成变质矿物。接触变质带宽度普遍小于300 m,少量可达500~1000 m,大于1000 m的很少见。

3 二叠系极低级变质作用特征

由于研究区内二叠系的变质程度低、变质带宽度窄,因此可利用这些区域的二叠系泥质岩石中伊利石的结晶程度来分析二叠系主体岩石的变质程度。

3.1 样品采集与实验方法

为了解研究区二叠系变质程度,本次工作采集标本进行伊利石结晶度、b0值和伊利石多型的测试。采样范围主要集中在林西地区,样品岩性以粉砂岩、泥岩为主。共采集样品24件,主要采样层位为二叠系地层,其中林西组样品12件,哲斯组样品12件。

伊利石结晶度、多型以及b0值均在吉林大学实验测试中心进行。将样品粉碎后,使用尼高力380型红外光谱仪的KBr压片法分析粘土矿物基本组成,扫描范围4000~400 cm-1,扫描速度36次/30 s。然后用DX-2700 X射线衍射仪对伊利石结晶度,多型及b0值进行分析。其中结晶度和多型测试条件为Cu靶,管电流30 mA,管电压40 kV,扫描范围5°~60°,扫描步宽0.05,采样时间0.5 s;b0值测试条件为Cu靶,管电流30 mA,管电压40 kV,扫描范围58°~63°,扫描步宽0.05,采样时间0.5 s。

3.2 分析结果 3.2.1 样品矿物组成

实验结果表明泥质岩石矿物组成主要为石英、长石和粘土矿物以及少量的碳酸盐(表 1);其中粘土矿物中有伊利石、伊利石/蒙皂石混层、绿泥石、蒙脱石和高岭石。石英平均含量约32.7%,长石平均含量约14.5%,粘土矿物平均总量约49.6%。伊利石约占粘土矿物总量的50%,伊利石/蒙皂石混层约20%,绿泥石约10%,高岭石约2.4%。

表 1 样品矿物含量/% Table 1 Mineral contents of the samples
3.2.2 伊利石结晶度

伊利石结晶度是描述伊利石晶体结构中原子或离子规则排列延伸的一种状态,可以视为其晶体的大小和完整性。Kübler (1967)研究了近变质带内伊利石结晶度,奠定了极低级变质作用研究的基础。目前利用伊利石结晶度Kübler指数表征成岩—极低级变质作用程度,已经成为成岩—极低级变质作用研究中的必要手段。

研究区整体的伊利石结晶度Kübler指数在0.175~0.47之间,大多数集中于0.25~0.35,平均值为0.30。其中林西组12个伊利石样品结晶度Kübler指数0.175~0.388之间,平均值为0.30;哲斯组12个伊利石样品结晶度Kübler指数在0.21~0.47之间,平均值为0.31(表 2)。

表 2 样品伊利石结晶度Kübler指数、b0值和多型 Table 2 Kübler Index, b0 and polytype of the illite samples
3.2.3 伊利石多型与b0

伊利石(白云母)多型是其晶体结构单元层沿C轴方向堆垛的差异的一种体现,伊利石(白云母)多型与形成时的温度、压力等有关。研究区样品只呈现一种多型,即2M1多型(表 2)。

伊利石(白云母)的单位晶胞结构参数b0值作为地质体形成压力的函数,在成岩—极低级变质作用研究中广泛使用,是一个良好的地质压力计。此次采集样品中除有两个样的b0值小于9.0000 Å外,其余样品的b0值在9.0155~9.0316 Å之间,平均值为9.0249 Å(表 2)。

4 讨论 4.1 林西地区二叠系变质级别

Kübler (1967)应用伊利石结晶度Kübler指数将甚低级变质从低到高划分为3个等级带,即成岩带(diagenetic zone)、近变质带(anchizone)和浅变质带(epizone)。Kübler指数大于0.420时为成岩带(沸石相<200 ℃),其相当于早—中成岩阶段环境;Kübler指数在0.250~0.42时为近变质带(葡萄石-绿纤石相,200~370 ℃),对应于埋藏变质条件或晚成岩阶段;当Kübler指数小于0.25时为浅变带(绿片岩相,>370 ℃),近变质带到浅变质带的转变是以绿片岩相矿物组合出现为标志的。Kübler (1967)所划分的这3个低级变质等级带在国际上已被广泛地承认和采用。根据以上划分标准,研究区绝大多数样品的Kübler指数在0.25~0.42之间,只有一个采自哲斯组的样品Kübler指数大于0.42,为0.47。这一数据分布特征表明研究区二叠系林西组、哲斯组均属于近变质带,相当于葡萄石-绿纤石相变质作用。

Frey and Robinson (1999)研究表明:伊利石(白云母) 1Md多型,经常出现在晚期成岩带,形成温度一般<200 ℃;2M1多型,多为极低级变质作用的产物,形成温度一般>200 ℃。Guidotti and Sassi (1986)根据伊利石(白云母) b0值的大小,将压力划分成3个系列:b0<9.0000 Å,为低压相;9.0000 Å<b0<9.0400 Å,属中压相;b0>9.0400 Å,是高压相。此次样品的伊利石多型均为2M1b0值介于9.0000~9.0400 Å,表明岩石变质温度>200 ℃,并且形成于中压相。综上,林西地区二叠系林西组和哲斯组主要经历了葡萄石-绿纤石相变质作用,变质温度200~370 ℃,压力为中压。

4.2 研究区二叠系生烃潜力

在地质力学理论体系中,东北地区尤其是松辽盆地是属于新华夏构造系控制的油区(康玉柱等,2019张林炎等,2019),文中研究区位于上述东北地区南缘。以往认为东北地区石炭—二叠系为中新生代盆地结晶基底并广泛经历绿片岩相变质作用,是油气勘探开发的禁区(董申保等,1986)。近年来随着这一区域研究的深入进行,发现该区石炭—二叠纪地层未经历绿片岩相区域变质作用,局部与岩体接触的部位形成堇青石角岩带、红柱石角岩带,变质程度也仅是沸石相或葡萄石-绿纤石相,并且变质带宽度不超过1000 m (李娟等,2011)。

以往学者对东北地区二叠系地层极低级变质作用和生烃潜力做了不少研究,其中伊利石结晶度Kübler指数、b0值、多型和镜质体反射率的研究表明该区石炭—二叠系普遍遭受了成岩—极低级变质作用,变质程度属近变质带(anchizone),泥质岩有机质演化处于成熟—过成熟阶段,表明其具有生烃的能力并且有潜力形成油气资源(胡大千和于介江,2009胡大千等, 2010b, 2012)。内蒙古锡林郭勒地区上古生界地层中伊利石结晶度平均值为0.40,以2M1多型为主,伊利石(白云母) b0值平均值9.019 Å,计算的古地温平均值为245 ℃,这表明上古生界该区遭受了成岩—极低级变质作用,变质程度属近变质带(anchizone),具有较好的生烃潜力(胡大千等,2012)。张健等(2013)对内蒙古扎鲁特地区上二叠统林西组的有机质丰度、类型和成熟度研究表明烃源岩演化达到了过成熟阶段,具备较好的生气潜力。胡大千等(2015)对松辽盆地北部石炭—二叠系镜质体反射率的研究表明,该地层在上覆地层沉积之前有巨大的生烃量,其对深层天然气资源有重要贡献。黑龙江上古生界伊利石矿物学特征研究表明该地区晚古生代泥质岩主体属于中—低压相晚期成岩带(late diagenetic zone)—低级近变质带(low epizone)范畴,且变质作用与成岩作用可能是一个连续统一的过程(于介江等,2012)。大兴安岭北部上古生界泥质岩碳质物拉曼光谱研究显示变质温度为270~320 ℃,也表明研究区上古生界遭受了极低级变质作用,变质程度属近变质带(epizone)(胡大千等,2015)。吉林东部石炭—二叠系伊利石矿物学研究表明石炭系是低级近变质带(low epizone)的产物;而二叠系主要为晚期成岩带(late diagenetic zone)的产物(胡大千等,2010a)。内蒙古索伦地区中二叠统哲斯组泥质岩中有机质的激光拉曼光谱特征揭示其经历的极低级变质温度可能<250 ℃ (姚杰等,2016)。结合已有研究与文中的测试数据显示,虽然东北地区二叠系局部经历了低角闪岩相变质作用(Zhang et al., 2015, 2016, 2018),但研究区二叠系整体变质程度较低,处于近变质带,变质程度在葡萄石-绿纤石相,研究区二叠系仍具有较大的生烃潜力。

4.3 研究区二叠系极低级变质作用机制与时间

研究区二叠系主要经历了极低级变质作用,而极低级变质作用是以接触变质作用为主导还是动力变质作用在起着主要作用,这也是文章要探讨的问题。

通过野外观察发现,二叠系变形形迹多以地表浅层次的断层、褶皱等脆性变形为主,并且在软弱层中发育劈理,但没有新生变质矿物的形成。文中获得的林西地区林西组伊利石结晶度Kübler指数的平均值为0.33,与胡大千等(2012)获得的林西等地二叠系伊利石结晶度Kübler指数结果一致(0.3左右),这可能反映了构造变形对结晶度的影响,但是构造应力对伊利石结晶度的影响还存在一定争议(Kisch, 1991)。Kübler (1967)提出片理的形成受控于动力因素,但是应力对伊利石结晶度的影响甚微以至于难以验证。正如上文所提及的,研究区动力变质作用影响范围有限,韧性变形带仅分布在区内大型断裂带附近,因此研究认为动力变质作用可能不是二叠系极低级变质作用的主导因素。

近几年松辽盆地石炭—二叠系烃源岩生烃史研究表明,该地层存在两期生烃史,分别在晚二叠世和早白垩世晚期(余和中等,2003)。研究区林西等地广泛发育了早白垩世花岗岩,花岗岩的侵位为石炭—二叠纪地层生烃提供了重要热源,同时也为极低级变质作用的发生和伊利石生长提供了重要温度条件(张立飞, 1994, 2007)。相关学者在松辽盆地石炭—二叠系地层中获得的自生伊利石K-Ar定年结果为144.4~131.4Ma,代表了一次油气充注时间(任战利等,2006),同时也表明石炭—二叠系在早白垩世经历了一次热事件。因此,结合区域上的岩浆岩分布,这次热事件很可能与早白垩世花岗岩体侵位有关,研究区石炭—二叠系极低级变质作用的原因可能是岩体侵位导致的地热梯度增加,同时该变质作用可能发生在早白垩世。

5 结论

通过对内蒙古林西—乌兰浩特地区二叠系伊利石结晶度Kübler指数、多型和b0值的研究,得出以下结论:

(1) 研究区二叠系伊利石结晶度Kübler指数平均值为0.30,b0值平均值为9.0249 Å,多型以2M1为主,反映了二叠系经历了极低级变质作用,属于近变质带,相当于葡萄石-绿纤石相变质作用,变质温度200~370 ℃,压力为中压,表明二叠系有较高的生烃潜力;

(2) 研究区二叠系地层褶皱、断层较为发育,但是对极低级变质作用影响甚微,结合区域上岩浆作用发育情况,研究认为极低级变质作用主要发生在早白垩世,早白垩世岩体侵位导致地热梯度增加为引起极低级变质作用的主导因素。

致谢: 吉林大学实验测试中心张培萍老师、李文庆老师在伊利石测试过程中给予了大力帮助,在此表示衷心感谢!

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