內(nèi)蒙古索倫地區(qū)晚古生代沉積構(gòu)造背景
——來自上二疊統(tǒng)哲斯組碎屑鋯石年代學(xué)的制約

李雨柯，張德軍，韓科胤，曹 會(huì)，溫秋園，任傳濤，鄒常偉，王 群

1.中國地質(zhì)調(diào)查局 牡丹江自然資源綜合調(diào)查中心，黑龍江 牡丹江 157000；2.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034

作為油氣勘探的新領(lǐng)域，東北地區(qū)南部上古生界越來越受到地學(xué)界的重視［1-4］.目前對該時(shí)期重要地層哲斯組沉積環(huán)境一直存在較大爭議：一種觀點(diǎn)認(rèn)為該時(shí)期發(fā)育構(gòu)造裂谷帶，為古亞洲洋閉合造山后伸展的活動(dòng)產(chǎn)物［5-6］；一種認(rèn)為受古亞洲洋南支雙向俯沖作用影響顯著［7］；或認(rèn)為哲斯組應(yīng)形成于古亞洲洋南支向佳蒙地塊俯沖形成的弧后或弧間盆地環(huán)境［8］；還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為中二疊世該地區(qū)存在一個(gè)足夠?qū)挼纳詈Ｑ笈?，具有穩(wěn)定的陸緣沉積環(huán)境［4］.本文選取內(nèi)蒙古索倫地區(qū)哲斯組為研究對象，通過獲取年齡譜信息限定哲斯組的沉積時(shí)代，進(jìn)而討論該沉積巖的物源區(qū)性質(zhì)，以期為研究區(qū)哲斯組沉積環(huán)境研究提供科學(xué)依據(jù).

1 地質(zhì)概況及樣品采集

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部索倫地區(qū).區(qū)內(nèi)石炭系—二疊系地層廣泛發(fā)育，自下而上依次為本巴圖組（C2b）、阿木山組（C2－P1a）、大石寨組（P1d）、哲斯組（P2z）和林西組（P3l）.本巴圖組主要出露于錫林浩特至磐石一帶，巖性包括雜砂巖、長石砂巖和石英砂巖以及板巖夾鈣質(zhì)和凝灰質(zhì)組分.阿木山組在阿魯科爾沁旗南部、西烏珠穆沁旗南部、阿巴嘎旗南部等地區(qū)大范圍出露，為一套碳酸鹽巖和碎屑巖組合.大石寨組在烏蘭浩特、錫林浩特、扎魯特旗等地呈帶狀分布，為一套基性、中酸性火山巖和凝灰?guī)r夾酸性火山熔巖組合.作為本文的研究對象哲斯組，傳統(tǒng)上認(rèn)為該組地層呈面形分布在西烏珠穆沁旗至錫林浩特一帶，包括西烏珠穆沁旗、索倫、東烏珠穆沁旗和烏蘭浩特等地，巖石主體由碎屑巖和碳酸巖組成，典型剖面見西烏珠穆沁旗和索倫地區(qū)，分為上下兩段，分別代表不同的沉積旋回，時(shí)代被定為中二疊世，與下伏的林西組碎屑巖不整合接觸.

樣品采自科爾沁右翼前旗索倫鎮(zhèn)好仁鄉(xiāng)小三家子－哈拉根臺哲斯組剖面（圖1）.該區(qū)包括完整的哲斯組層位，分為上下段：下段自下而上由厚層的灰?guī)r、泥巖過渡到砂巖和薄層的含礫砂巖，反映沉積環(huán)境從淺海碳酸鹽臺地到三角洲的變化；上段包括粉砂巖、頁巖、泥巖和灰?guī)r，與下段相同，也構(gòu)成由淺海相碎屑巖、碳酸鹽巖到三角洲相碎屑巖沉積的大旋回，同樣反映了海平面進(jìn)一步下降的過程.同時(shí)在剖面上發(fā)現(xiàn)有代表性的Yakovlevia和Recharewia等腕足動(dòng)物化石，這些都與前人資料相當(dāng).

圖1 內(nèi)蒙古索倫地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及剖面圖Fig.1 Geological structure and profile of Suolun area，Inner Mongolia

用于測年的樣品巖性為中粗粒長石巖屑砂巖（ZJB－5）和中細(xì)粒長石砂巖（ZJB－7），分別采自剖面的上段（46°33.283′N，121°21.928E）和下段（46°31.488′N，121°23.350′E）.巖石樣品ZJB－5呈黃綠色，中粗粒碎屑結(jié)構(gòu)，主要由長石（約占40%）、巖屑（約30%）和石英（約30%）組成.長石類型包括可見聚片雙晶的斜長石和發(fā)育條帶的條紋長石，呈次棱角狀—次圓狀，部分長石有裂紋，少數(shù)邊部出現(xiàn)絹云母化，粒度0.2～0.5 mm.巖屑成分復(fù)雜，主要為安山質(zhì)碎屑，有少量凝灰質(zhì)巖屑，粒度多集中在0.3～0.7 mm，少數(shù)可達(dá)到1 mm，礦物形態(tài)各異，棱角鮮明.石英粒度介于0.2～0.5 mm之間，部分可見波狀消光.巖石整體為顆粒支撐，泥質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，礦物分選和磨圓較差，且長石和巖屑成分復(fù)雜，顯示出近源快速堆積和物源區(qū)多樣的特征.測年樣品ZJB－7呈現(xiàn)土黃色，中細(xì)粒結(jié)構(gòu)，成分為長石（約40%）、石英（約40%）和巖屑（約20%），長石少數(shù)晶形較好，呈長柱狀，整體分選較好，磨圓為次圓狀—次棱角狀，顆粒支撐，膠結(jié)物為黏土礦物，相對上一樣品碎屑的搬運(yùn)距離明顯變遠(yuǎn)（圖2）.

圖2 樣品顯微特征（正交偏光）Fig.2 Microphotographs of samples under cross-polarized light

2 分析方法

樣品破碎后手工淘洗分離出重礦物，經(jīng)磁選和重磁選后，在雙目鏡下挑出裂縫和包裹體相對較少、透明干凈的鋯石顆粒，制作鋯石環(huán)氧樹脂樣品靶，然后在中國地質(zhì)科學(xué)院北京離子探針中心完成鋯石的陰極發(fā)光圖像，最終樣品的LA－MS－ICP鋯石U－Pb測年在中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成.實(shí)驗(yàn)應(yīng)用GeoLas2005準(zhǔn)激光剝蝕系統(tǒng)和Aglient 7500a型ICP－MS，激光剝蝕過程中采用氦氣作載氣，氬氣為補(bǔ)償氣，以調(diào)節(jié)靈敏度，二者在進(jìn)入ICP之前通過一個(gè)T型接頭混合.在等離子體中心氣流（Ar＋He）中加入了少量氮?dú)?，以提高儀器的靈敏度、降低檢出限和改善分析精密度［10］.每個(gè)時(shí)間分辨分析數(shù)據(jù)包括20～30 s的空白信號和50 s的樣品信號.對分析數(shù)據(jù)的離線處理（包括對樣品和空白信號的選擇，儀器靈敏度漂移校正，元素含量、U－Th－Pb同位素比值、年齡計(jì)算）采用軟件ICPMSDataCal等［11-12］完成.詳細(xì)的儀器操作條件和數(shù)據(jù)處理方法見文獻(xiàn)［11-13］.鋯石微量元素含量利用多個(gè)USGS參考玻璃（BCR－2G，BIR－1G）作為多外標(biāo)、Si作內(nèi)標(biāo)的方法進(jìn)行定量計(jì)算.這些USGS玻璃中元素含量的推薦值根據(jù)GeoReM數(shù)據(jù)庫（http：//georem.mpch-mainz.gwdg.de/）的數(shù)據(jù).U－Pb同位素定年中采用鋯石標(biāo)準(zhǔn)91500作外標(biāo)進(jìn)行同位素分餾校正，每分析5個(gè)樣品點(diǎn)，分析2次91500.對于與分析時(shí)間有關(guān)的U－Th－Pb同位素比值漂移，利用91500的變化采用線性內(nèi)插的方式進(jìn)行了校正.鋯石標(biāo)準(zhǔn)91500的U－Th－Pb同位素比值推薦值據(jù)文獻(xiàn)［14］.鋯石U－Pb諧和圖繪制采用Isoplot/Ex＿ver3 Ludwig［15］完成.

3 測試結(jié)果

樣品ZJB－5和ZJB－7代表性鋯石的陰極發(fā)光圖像見圖3，分析結(jié)果如表1（掃描首頁OSID二維碼可見）.

圖3 哲斯組鋯石陰極發(fā)光圖像Fig.3 CL images of selected zircons from Zhesi Formation

對樣品ZJB－5進(jìn)行了50個(gè)測試點(diǎn)分析，顯微鏡下鋯石主要為無色，少數(shù)為黃褐色，粒徑多為50～150 μm，個(gè)別鋯石可達(dá)200 μm，長寬比介于1∶1～1∶2.5.部分鋯石表面粗糙，少數(shù)可見裂紋和包裹體，反映鋯石在形成后受到過地質(zhì)活動(dòng)改造.CL圖像和測試結(jié)果顯示樣品鋯石可分為3類.第一類為半自形—他形，具有清晰的振蕩環(huán)帶，數(shù)量眾多，約占70%.第二類為自形，可辨認(rèn)出四方雙錐或復(fù)四方雙錐的晶形，數(shù)量較少，占總數(shù)的10%左右.這兩類鋯石的Th/U值介于0.41～1.55.剩余鋯石組成第三類，多為他形，呈渾圓粒狀，少數(shù)為半自形，無明顯的韻律構(gòu)造，其Th/U值介于0.19～0.35.可見鋯石主體顯示巖漿成因，少數(shù)為變質(zhì)成因.采用LA－ICP－MS的方法進(jìn)行分析，剔除其中3顆年齡諧和度較低的鋯石（不諧和度大于10%），其余均分布在諧和線附近，鋯石年齡出現(xiàn)在（266±5）～（2 150±13）Ma，主要集中在266～298 Ma，主峰值為292 Ma，次峰值為510 Ma，剩余4個(gè)數(shù)據(jù)分散較遠(yuǎn)（圖4）.依據(jù)樣品碎屑鋯石的206Pb/238U年齡和分布特征可以將其劃分為4組：（266±5）～（348±8）Ma，峰值年齡為292±2 Ma，加權(quán)平均值為310 Ma（n＝21）；（358±3）～（449±8）Ma，峰值年齡為358±3 Ma，加權(quán)平均值為399 Ma（n＝5）；（470±6）～（550±8）Ma，峰值年齡為511±3 Ma，加 權(quán) 平 均 值509 Ma（n＝17）；693±7 Ma、1 440±8 Ma、1 748±17 Ma和2 150±13 Ma（n＝4）（圖5）.

對樣品ZJB－7也進(jìn)行了50個(gè)測試點(diǎn)的分析，鋯石以無色透明為主，少數(shù)呈紅褐色，粒度在70～180 μm，大部分大于100 μm，主體為半自形—他形晶，多數(shù)形狀不規(guī)則，部分呈渾圓粒狀，具有清晰的震蕩環(huán)帶，少數(shù)環(huán)帶不明顯，推測經(jīng)歷過較長距離搬運(yùn).Th/U值集中在0.34～1.99，基本都大于0.4，為巖漿成因.個(gè)別鋯石發(fā)育增生邊，可能與后期遭受過蝕變有關(guān).結(jié)果顯示，3個(gè)鋯石的年齡偏離諧和線，其余47個(gè)點(diǎn)均分布在諧和線上及其附近，鋯石年齡介于（265±2）～（1 175±7）Ma，主要集中在265～299 Ma，主峰值為272 Ma，次峰值為399 Ma和515 Ma（圖4）.可分為4組：（265±2）～（337±2）Ma，峰值年齡為（272±2）Ma，加權(quán)平均值為286 Ma（n＝27）；（364±4）～（453±4）Ma，峰值年齡為（399±2）Ma，加權(quán)平均值為410 Ma（n＝7）；（491±3）～（555±4）Ma，峰值年齡為（515±4）Ma，加權(quán)平均值為520 Ma（n＝9）；剩余測點(diǎn)年齡為（834±9）Ma，（854±6）Ma，（886±5）Ma和（1 175±7）Ma（n＝4）（圖5）.

圖4 哲斯組鋯石U－Pb年齡諧和圖Fig.4 Concordia diagrams for zircon U-Pb isotopes of Zhesi Formation

圖5 哲斯組鋯石樣品U－Pb年齡相對頻率圖Fig.5 Relative frequency diagram for zircon U-Pb isotopes of Zhesi Formation

4 討論

4.1 哲斯組形成時(shí)代

鋯石U－Pb年代學(xué)測試數(shù)據(jù)結(jié)果表明，樣品ZJB－5年齡主要集中在266～298 Ma，并在292 Ma有明顯的年齡峰值，其Th/U值介于0.30～1.03，絕大多數(shù)大于0.4，顯示巖漿鋯石的特征.其中最年輕一顆鋯石（ZJB－5－12）年齡為266 Ma，Th/U值0.59，鋯石顆粒長約150 μm，寬約80 μm，具明顯的韻律環(huán)帶構(gòu)造，晶體完整，晶形為長條柱狀，棱角鮮明.樣品ZJB－7年齡集中在265～299 Ma，峰值年齡為272 Ma，Th/U值為0.34～1.99，多數(shù)大于0.8，也顯示了巖漿鋯石的特征.其中最年輕鋯石ZJB－7－07（265 Ma）的長約120 μm，寬約70 μm，其Th/U值0.83，振蕩環(huán)帶發(fā)育，鋯石較為完整，略有磨圓，顯示有較短距離的搬運(yùn).以上數(shù)據(jù)表明哲斯組的沉積時(shí)代在265 Ma之后，為中二疊世后期，這與王成源等［16］得出的中二疊世Wordian晚期到Canpitanian早期一致.而292 Ma和272 Ma的年齡峰值暗示地層確切時(shí)代可能開始于晚二疊世.

4.2 哲斯組物源區(qū)特征

2個(gè)樣品合并后的相對頻率見圖6，測點(diǎn)共計(jì)100個(gè)，其中94個(gè)處于諧和線附近，大致可以劃分為4個(gè)年齡區(qū)間：（265±2）～（348±8）Ma，峰值年齡為272±2 Ma（n＝48），占有效測點(diǎn)數(shù)的51%；（358±3）～（453±4）Ma，峰值年齡為403±3 Ma（n＝12），占有效測點(diǎn)數(shù)的12%；（470±6）～（555±4）Ma，峰值年齡為511±3 Ma（n＝26），占有效測點(diǎn)數(shù)的27%；693±7 Ma、834±9 Ma、854±6 Ma、886±5 Ma、1 175±7 Ma、1 440±8 Ma、1 748±17 Ma和2 150±13 Ma（n＝8），離散分布，占有效測點(diǎn)數(shù)的8%.

圖6 哲斯組碎屑鋯石年齡相對頻率分布圖Fig.6 Relative frequency distribution of detrital zircons from Zhesi Formation

1）265～348 Ma：該組年齡的碎屑鋯石數(shù)量眾多，占測試鋯石總量的一半以上.2個(gè)樣品具有明顯的270～290 Ma和315～330 Ma的峰期年齡，其Th/U值為0.19～0.81，絕大多數(shù)大于0.4，且CL圖像中顯示清晰的振蕩環(huán)帶，反映出巖漿鋯石的特征，同時(shí)也指示了對應(yīng)的巖漿事件的時(shí)間.其中270～290 Ma的峰值年齡與研究區(qū)附近的大石寨組火山巖一致，如內(nèi)蒙古林西地區(qū)鈣堿性火山巖（270 Ma）［17］，錫林浩特一帶雙峰式火山巖（281 Ma）［18］和蘇尼特左旗東北達(dá)爾罕敖包地區(qū)安山巖（281 Ma）［19］等.315～330 Ma的峰值年齡與內(nèi)蒙古蘇尼特左旗花崗巖（310 Ma與俯沖和碰撞有關(guān)）［20］，白音高勒地區(qū)石英閃長巖（313～323 Ma）［21］以及西烏旗南部石英閃長巖（320 Ma）［22］吻合.以上研究表明研究區(qū)附近的石炭紀(jì)—二疊紀(jì)島弧巖漿巖是哲斯組的主要物源區(qū).此外，在CL圖像中該組年齡鋯石晶體形態(tài)較為完整，多為次棱角狀，少數(shù)為棱角狀，也反映了巖漿巖近源堆積的特點(diǎn).綜上所述，研究區(qū)附近的島弧巖漿巖是哲斯組的主要物源區(qū)，包括北側(cè)的蘇尼特左旗－錫林浩特－西烏旗巖漿弧和大石寨組火山巖.

2）358～453 Ma：該組年齡巖漿鋯石占有效測點(diǎn)數(shù)的12%，Th/U值為0.83～1.00，時(shí)間與松嫩地塊晚泥盆紀(jì)—志留紀(jì)的巖漿活動(dòng)對應(yīng)，如盆地南部的閃長巖（394 Ma）、鉀長花崗巖（361 Ma）［23］和黑云母陽起石石英片巖中的巖漿鋯石（427和455 Ma）［24］.揭示了松嫩地塊基底是哲斯組物源區(qū)之一.

3）470～555 Ma：該組年齡鋯石是哲斯組重要組成部分，占有效測點(diǎn)數(shù)的27%.鋯石形態(tài)多數(shù)呈長柱狀，次棱角狀居多，棱角狀次之，偶見粒狀，表明搬運(yùn)距離有限.其Th/U值全部大于1.00，且鋯石的韻律環(huán)帶清晰，充分顯示了巖漿鋯石的特征，證明了加里東期巖漿巖是哲斯組重要的物源區(qū).此年齡與佳木斯地塊虎頭雜巖（515 Ma）［25］、片麻狀花崗巖（486 Ma）［26］及興華渡口群和扎蘭屯群變質(zhì)雜巖（506～547 Ma）［27］一致，也與佳木斯地塊麻山群的巖漿鋯石年齡吻合［28-30］.此外在研究區(qū)附近的松嫩地塊南部也存在相似的年齡（490 Ma）［24］.500 Ma的年齡在額爾古納地塊、松嫩地塊、佳木斯地塊都有出現(xiàn)［31］，意味著該區(qū)在此時(shí)已經(jīng)形成統(tǒng)一的塊體，并具有共同的動(dòng)力學(xué)背景.結(jié)合鋯石的CL圖像，推測松嫩地塊基地可能是其中最主要的物源區(qū).

4）693～2 150 Ma：該組鋯石數(shù)量最少，占有效分析鋯石的8%，且年齡跨度很大，貫穿了整個(gè)元古宙.鋯石多具有磨圓，個(gè)別呈渾圓粒狀，證明搬運(yùn)距離較遠(yuǎn).大部分鋯石震蕩環(huán)帶清晰，且Th/U值集中在0.19～0.73，多數(shù)大于0.5，顯示出巖漿鋯石的特性.這些年齡在東北地區(qū)均有出露：如虎頭群夕線石榴片麻巖（678～1 373 Ma）［32］、塔河花崗巖（830 Ma）［33］、佳木斯地塊中的藍(lán)片巖（670～910 Ma）［34］、黑龍江東南穆棱地區(qū)麻山群（843～1 004 Ma）［26］、興華渡口群變碎屑巖中的碎屑鋯石（1 600～1 800和2 500～2 600 Ma）［27］、麻山副片麻巖（1 900 Ma）［34］.因此元古宙變質(zhì)基底可能是哲斯組古老物源區(qū).

綜上所述，東北地區(qū)二疊系哲斯組的主要物源區(qū)包括鄰近區(qū)域的早二疊世大石寨組火山巖和北側(cè)蘇尼特左旗－錫林浩特－西烏旗一帶的島弧巖漿巖，少量來自相鄰地區(qū)的結(jié)晶基底，顯示物源區(qū)均來自東北地區(qū).王成文等［4］、張興洲等［31］，周建波等［35］分別就東北地區(qū)上古生界進(jìn)行了研究，表明：1）哲斯組分布在內(nèi)蒙古西烏旗、索倫、東烏旗、烏蘭浩特以及長春、鐵力、安圖等東北南部的廣大地區(qū)，呈近東西向條帶狀展布，主體巖性為海相碳酸巖和碎屑巖，沒有明顯遭受變質(zhì)作用改造的跡象；2）地層中存在腕足、三葉蟲、腹足、苔蘚蟲等海相古生物化石，數(shù)量巨大，門類眾多，保存完好，其中以哲斯腕足動(dòng)物群為顯著標(biāo)志；3）地層處于晚古生代佳蒙地塊構(gòu)造背景之下，具有準(zhǔn)蓋層性質(zhì)，沉積環(huán)境穩(wěn)定.結(jié)合本研究野外實(shí)測剖面顯示的淺海相－三角洲相沉積組合和古生物化石以及鋯石U－Pb年代測試結(jié)果，上二疊統(tǒng)哲斯組不可能形成于大陸裂谷環(huán)境，地層應(yīng)屬大陸邊緣沉積建造.同時(shí)，哲斯組暗色泥巖發(fā)育，累計(jì)厚度達(dá)到1 900 m以上，有機(jī)碳含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）一般為0.16%～1.0%，最高達(dá)1.3%，達(dá)到中等—好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)［36］，為東北地區(qū)油氣勘探的新層系，具有潛在的油氣地質(zhì)研究意義.

5 結(jié)論

1）索倫地區(qū)哲斯組碎屑鋯石均為巖漿鋯石，其測試結(jié)果顯示的年齡區(qū)間分別為：（265±2）～（348±8）Ma，峰值年齡為272±2 Ma；（358±3）～（453±4）Ma，峰值年齡為403±3 Ma；（470±6）～（555±4）Ma，峰值年齡為511±3 Ma；剩余的前寒武紀(jì)鋯石為693±7 Ma、834±9 Ma、854±6 Ma、886±5 Ma、1 175±7 Ma、1 440±8 Ma、1 748±17 Ma和2 150±13 Ma.這些數(shù)據(jù)表明哲斯組物源區(qū)主要為鄰近區(qū)域的石炭—二疊紀(jì)大石寨組火山巖和島弧巖漿巖以及變質(zhì)基底.

2）哲斯組的物源區(qū)均為來自鄰近的火山巖和變質(zhì)基底.這些特征與前人在地層學(xué)領(lǐng)域研究的巖石組合、古生物化石以及沉積背景一致，表明哲斯組應(yīng)為大石寨組沉積之后較為穩(wěn)定的大陸邊緣沉積，且暗色泥巖發(fā)育，可作為東北地區(qū)油氣勘探的新層系.