李蒙, 赵红格, 李文厚, 任战利, 卓鱼周, 付星辉. (2018)贺兰山地区中晚三叠世物源分析及其时空演化过程* [J]. 古地理学报, 20(6): 1068-1085
Li Meng, Zhao Hong-Ge, Li Wen-Hou, Ren Zhan-Li, Zhuo Yu-Zhou, Fu Xing-Hui. (2018)Provenances of the Middle-Late Triassic in the Helan Mountain and its temporal-spatial evolution[J]. Journal Of Palaeogeography, 20(6): 1068-1085.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2018.06.079
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贺兰山地区中晚三叠世物源分析及其时空演化过程*
李蒙1,2, 赵红格1,2, 李文厚1, 任战利1, 卓鱼周1, 付星辉1
1 西北大学地质学系,陕西西安 710069
2 大陆动力学国家重点实验室,西北大学,陕西西安 710069
通讯作者简介 赵红格,女,1975年生,博士,教授,主要从事沉积盆地分析及油气地质研究。E-mail: zhaohg-75@sina.com。

第一作者简介 李蒙,男,1989年生,博士研究生,主要从事沉积盆地物源研究及沉积学研究。E-mail: limengdzxr@sina.com。

收稿日期:2018-01-10
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41330315,40902032),国家科技重大专项(编号: 2011ZX05023-001-002),中国地质调查局矿产资源调查评价项目(编号: 121201011000150014)和西北大学大陆动力学国家重点实验室科技部专项项目(编号: BJ08133-14,BJ081334-2)联合资助
摘要

系统分析物源的时空演化过程,必将为判断当时的盆地构造背景和盆地属性提供佐证。文中运用重矿物分析方法,结合砾石岩性组成、地层厚度变化及沉积相分布规律,对贺兰山地区中晚三叠世沉积物源进行系统分析。结果表明: 贺兰山地区中晚三叠世沉积物具有多源、混源以及上下层段时空演化差异明显的特点。中三叠世纸坊期物源主要来自盆地西北部和西部;晚三叠世延长期 T3y 1、 T3y 2段沉积时期,物源主要来自盆地西北部、西部、南部; T3y 3至 T3y 5段沉积时期,盆地东部物源开始出现,并分布于贺兰山汝箕沟沟口至鬼头沟一线,此时汝箕沟—香棒子沟一带是沉积混源中心。西部物源主要为阿拉善地块之上的沉积地层,但西部南段受南部物源控制,与西部北段的物源岩性有较明显不同;西北部物源主要是孔兹岩带、前寒武纪变质岩及古生代岩浆岩;东部地区物源可能为现今银川地堑及其东部的沉积地层。贺兰山地区中晚三叠世物源时空演化的转折期,主要在纸坊期至延长期 T3y 1段沉积时期之间和延长期 T3y 2段至 T3y 3段沉积时期之间, 2次明显的物源演化反映了贺兰山盆地构造动力学机制的重大转变。

关键词: 贺兰山; 三叠系; 重矿物; 物源时空演化
中图分类号:P56 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)06-1068-18
Provenances of the Middle-Late Triassic in the Helan Mountain and its temporal-spatial evolution
Li Meng1,2, Zhao Hong-Ge1,2, Li Wen-Hou1, Ren Zhan-Li1, Zhuo Yu-Zhou1, Fu Xing-Hui1
1 Depertment of Geology,Northwest University,Xi'an 710069,Shaanxi;
2 State Key Laboratory of Continental Dynamics,Northwest University,Xi'an 710069,Shaanxi;
About the corresponding author Zhao Hong-Ge,born in 1975,is a professor and director of Ph.D. candidate. She is mainly engaged in analysis of sedimentary basins and oil and gas geology. E-mail: zhaohg-75@sina.com.

About the first author Li Meng,born in 1989,is a Ph.D. candidate at Northwest University. He is mainly engaged in research of sedimentology and provenance analysis. E-mail: limengdzxr@sina.com.

Fund:[Co-Funded by the National Natural Science Foundation of China(Nos. 41330315,40902032),National Science and Technology Major Project(No.2011ZX05023-001-002),Mineral Resources Survey and Evaluation Project of the China Geological Survey(No.121201011000150014),and special project of the Ministry of Science and Technology of the State Key Laboratory of Continental Dynamics,Northwest University(No. BJ08133-14,BJ081334-2)]
Abstract

Combined with conglomerate composition,strata thickness and sedimentary facies,heavy mineral compositions were firstly used to study the provenances of the Middle-Late Triassic in the Helan Mountain. Results showed that the provenance of the Middle-Late Triassic sediments in the Helan Mountain were characterized by multiple and mixed sources,and were varied greatly. Sediments of the Middle Triassic Zhifang Formation were mainly from northwest and west. However,sediments of the Late Triassic Yanchang Formation changed. During deposition of the lower two members T3 y1 and T3 y2,sediments were mainly derived from the northwest,west and south. During deposition of the upper three members T3 y3 to T3 y5,eastern sources appeared,which were distributed in the Ruqigou to Xiangbangzigou. The western provenance was mainly in the sedimentary strata on the Alxa Block. Sediments of northwestern part were mainly from the Precambrian metamorphic rocks and Paleozoic magmatic rocks in the Paleoproterozoic Khondalite Belt,which was different from the southwestern part. Sediments in its eastern part were sourced from the sedimentary strata of Yinchuan graben and areas to its east. Provenance transformation of the Middle-Late Triassic strata in the Helan basin occurred twice: One from the Zhifang to Yanchang formations T3 y1,and the other from the T3 y2 to T3 y3.These two prominent transitions suggested significant transformation of the dynamic mechanism in the Helan basin.

Key words: Helan Mountain; Triassic; heavy mineral; temporal-spatial provenance evolution

贺兰山中北部中上三叠统物源研究, 是分析鄂尔多斯盆地西北部中晚三叠世原型盆地边界和沉积演化及盆地周边构造演化的重要方法之一。目前, 贺兰山地区中三叠统的物源研究很少, 而上三叠统物源研究主要集中在砾石成分、古流向(魏红红等, 2001; Ritts et al., 2004; 苏春乾等, 2004; 白云来等, 2006; 王锋, 2006; 赵文智等, 2006; 张义楷, 2007; 李元昊, 2008; 杨华等, 2011; 赵红格等, 2012)、少量重矿物(杨华等, 2011)、地球化学分析(赵红格等, 2012)以及锆石定年(付星辉, 2017)等方面。通过上述研究, 基本确定了贺兰山地区中晚三叠世存在西部、西北部和北部3个物源区, 其中西北部物源区岩性主要是来自贺兰山西北部阿拉善地块海西晚期— 印支期的花岗岩和晚三叠世之前的沉积地层(赵红格等, 2012), 北部物源源岩为正谊关断裂以北的贺兰山群古老变质岩, 西部物源主要来自于阿拉善古陆(苏春乾等, 2004)。

目前, 对贺兰山地区存在西部、西北部和北部物源的认识比较统一, 但对于东部物源、南部物源的认识分歧较大。鄂尔多斯盆地东部物源是否存在, 与贺兰山地区晚三叠世盆地和鄂尔多斯盆地二者的连通关系以及现今银川地堑所处区域在晚三叠世的隆起状况密切相关。部分学者认为, 贺兰山地区晚三叠世盆地和鄂尔多斯盆地为相变连续、相互连通的(孙国凡和刘景平, 1983; 叶连俊, 1983; Liu, 1998; Ritts et al., 2004; 苏春乾等, 2004; 刘池洋等, 2006; 王锋等, 2006b; 赵文智等, 2006; 侯旭波, 2014), 但也有学者持相反意见(柯保嘉等, 1992; 高山林, 2001; 魏红红等, 2001)。对于银川地堑所处区域的隆起状况, 也分为印支期已经隆起(孙国凡和刘景平, 1983)和晚三叠世— 早中侏罗世并未隆起(宁夏回族自治区地质矿产局, 1990; 柯保嘉等, 1992; 汤锡元等, 1992; 杨俊杰和李克勤, 1992)2种观点。

贺兰山地区中晚三叠世沉积物源的时空演化过程, 与该地区的构造演化密切相关, 后者直接决定着研究区周边的古地貌演化, 进而影响物源的时空演化。由于针对贺兰山地区中三叠世的构造研究较少, 而中三叠统纸坊组顶部的物源研究, 是详细分析贺兰山盆地中上三叠统物源演化的必要条件, 因此可通过物源分析等手段推动该问题的解决。贺兰山地区晚三叠世的构造研究颇多, 主要认识包括伸展构造背景 (柯保嘉等, 1992; 刘少锋等, 1997; 赵红格, 2003; 苏春乾等, 2004; 张进等, 2004; 王锋等, 2006a; 张岳桥等, 2006; 杨华等, 2010; 刘化清等, 2013)和挤压构造背景(汤锡元等, 1990; 何自新, 2003), 盆地属性的认识主要有挤压前陆盆地(陈刚, 1999; 贾承造等, 2000)和走滑拉分盆地(张进等, 2009)2种。

文中进一步对贺兰山地区中三叠统纸坊组、上三叠统延长组各段进行系统物源研究, 这将为确定东部物源、南部物源的有无提供重要证据, 同时也有助于探讨贺兰山地区晚三叠世盆地与鄂尔多斯盆地的连通关系。而系统分析物源的时空演化过程, 必将为判断当时的盆地构造背景和盆地属性提供佐证。

1 区域地质概况

研究区位于鄂尔多斯地块西北部, 北起呼鲁斯太、沙巴台, 南至苏峪口、炭井沟, 东临银川地堑, 西接阿拉善地块, 是贺兰山北部沉积地层出露的最主要地区。贺兰山处于鄂尔多斯地块、走廊过渡带、阿拉善地块和兴蒙造山带之间, 具有明显的多期次改造的特征, 经过晚侏罗世逆冲推覆作用和新生代断陷隆升塑造了现今贺兰山北部的主体地貌形态(图 1)。

图 1 贺兰山地区及周边地质概况(地震测线具体资料见李蒙, 2015)Fig.1 Geology of the Helan Mountain and adjacent areas(seismic line after Li, 2015)

贺兰山西北部狼山、巴彦乌拉山地区主要发育古元古代阿拉善群(吴泰然和何国琦, 1993; 陈志勇等, 2004; 彭润民等, 2007; 包创等, 2013), 中— 新元古界狼山群(扎尔泰山群)和新太古界乌拉山群(彭润民等, 2007, 2015; Hu et al., 2014; 公王斌等, 2016), 以及吕梁期、加里东期、海西期、印支期及燕山期的岩浆岩(李俊建, 2006; 沈存利等, 2009)。古元古代阿拉善群主要为石榴子石黑云斜长片麻岩、黑云角闪斜长片麻岩、斜长角闪岩及少量的大理岩夹层(杨福新, 1998), 狼山群(扎尔泰山群)为一套绿片岩相变质的碎屑岩、碳酸盐岩及少量变火山岩夹层。

东北部阴山地区主要为新太古界乌拉山群和中元古界白云鄂博群(彭润民等, 2015), 其中乌拉山群主要由黑云斜长片麻岩夹黑云角闪斜长片麻岩、黑云斜长角闪片麻岩夹二云石英片岩、黑云钾长片麻岩夹石墨二云片麻岩组成, 白云鄂博群主要由浅变质陆源碎屑岩— 碳酸盐岩组成。

此外, 在贺兰山北部千里山、大青山、乌拉山地区还广泛出露孔兹岩系, 主要为角闪岩相— 麻粒岩相的高级区域变质岩系, 时代主要为古元古代(胡能高等, 1994; 周喜文和耿元生, 2009; 李黎明等, 2014); 另含有部分太古代岩石(万渝生等, 2000; 周喜文和耿元生, 2009; 董春艳等, 2007; Dong et al., 2014), 主要岩性为富铝片麻岩、石榴黑云变粒岩、石榴黑云斜长变粒岩和大理岩(胡能高等, 1994; 卢良兆等, 1996)。

贺兰山南部出露地层主要为古元古界赵池沟群(白生明等, 2009)和黄旗口花岗岩, 前者主要出露于炭井沟南部赵池沟地区, 岩性以黑云斜长片麻岩、黑云母二长片麻岩为主(霍福臣等, 1987), 后者主要分布于插旗口南部黄旗口地区, 呈南北向分布, 主要岩性为黑云母英云闪长岩、花岗闪长岩和二长花岗岩, 岩体中普遍含深灰色细粒黑云母变粒岩、暗灰色黑云斜长片麻岩等变质岩捕掳体, 且有伟晶岩、辉绿岩脉体大量发育(王成等, 2012)。

研究区周边三叠纪之前沉积地层同样广泛分布, 包括中— 新元古界长城系滨浅海石英岩状砂岩、蓟县系碳酸盐岩, 古生界寒武系碳酸盐岩、奥陶系碳酸盐岩及砂泥岩、志留系灰岩及砂岩、泥盆系砂岩及泥岩、石炭系砂岩、泥页岩及灰岩, 中生界二叠系砂岩及泥岩, 主要分布于研究区中部、北部、西北部和南部地区。

以上时代的沉积地层和岩浆岩、变质岩, 均是研究区中晚三叠世的潜在物源。

2 贺兰山及周边地区中上三叠统分布特征

文中以中三叠统纸坊组和上三叠统延长组为研究对象。根据钻井资料(上三叠统延长组地层厚度图参考46口钻井资料, 中三叠统纸坊组地层厚度图参考31口钻井资料)、地震资料(10条, 见李蒙, 2015)以及地层出露情况, 绘制了贺兰山及周边地区纸坊组、延长组地层厚度分布图(图 2)。可以看出, 研究区及周边中三叠统纸坊组、上三叠统延长组只在贺兰山北部地区及桌子山东部出露, 阿拉善地块北部和银川地堑及其东部均缺失。研究区纸坊组厚度在700~1400im之间, 而鄂尔多斯盆地西部纸坊组厚度在100~1000im之间, 2个地区纸坊组厚度均有自北西向南东减薄的趋势(图 2)。研究区延长组厚度在2000~2500im之间, 鄂尔多斯盆地西部延长组厚度在500~1000im之间, 二者厚度相差很大, 且贺兰山地区残留延长组由西向东厚度减薄, 而鄂尔多斯盆地西部延长组厚度自西向东逐渐加厚, 表明二者厚度变化规律并不一致。

图 2 贺兰山及周边地区中三叠统纸坊组(a)和上三叠统延长组(b)地层厚度分布图Fig.2 Isopach map of the Middle Triassic Zhifang Formation(a)and the Upper Triassic Yanchang Formation(b)in the Helan Mountain and adjacent areas

根据1︰20万地质报告①, ②和野外观测, 绘制了贺兰山东西两侧中上三叠统地层柱状图(图 3)。可以看出, 纸坊组除研究区西北部之外均有出露, 西部哈拉乌沟和东北部韭菜沟一带沉积粒度自下而上均有逐渐变粗的趋势, 总体岩性为长石石英砂岩、硬砂岩和部分石英砂岩, 成熟度较低。空间上, 自鬼头沟向磨盘山方向由浅紫红色中细粒长石石英砂岩渐变为灰绿色砂岩, 插旗口、哈拉乌沟、水磨沟地区地层主体为黄绿色砂岩。纸坊组主体为湖泊沉积, 后期由于地壳运动的加强和物源供给的增加, 砂砾岩、砾岩沉积逐渐增加。

图 3 贺兰山西部(a)和东部(b)中上三叠统地层对比Fig.3 Measured sections of the Middle-Upper Triassic between western (a) and eastern (b) Helan Mountain

延长组自下而上分为T3y1至T3y5共5段, 研究区延长组的层位连续性和空间可对比性均较好(图 3)。西部延长组主要观测点出露于水磨沟、古拉本和白芨芨沟一带, 东部主要出露于插旗沟、大水沟、汝箕沟、鬼头沟和韭菜沟一带。总体上看, 东西两侧延长组沉积粒度自下而上逐渐变细, 下部主要为黄绿色厚层砾岩、含砾砂岩和中粗粒长石石英砂岩, 具有自东向西变粗的趋势; 上部总体为中细粒长石石英砂岩、黑色粉砂岩和灰黑色— 黑色页岩。西部不同位置沉积粒度差异明显, 相同层位古拉本地区粒度最大, 而东部沉积粒度总体差异较小。延长组沉积早期, 研究区主要发育冲积扇、辫状河沉积, 后期逐渐演化为湖泊沉积。

3 物源分析

本次物源研究主要采用砾石成分分析、重矿物分析和古流向分析。采样位置和观测位置主要位于纸坊组顶部和延长组各段顶、底部, 以尽量保证采样层位的空间一致。研究剖面和观测点主要位于汝箕沟至塔尔岭一线、大水沟、插旗口、韭菜沟和鬼头沟, 同时也结合了前期北寺、水磨沟和哈拉乌沟的部分研究成果(赵红格等, 2012)。

3.1 砾石成分分析

贺兰山地区延长组T3y1段和T3y2段是砾石主要发育的层段, 纸坊组主要为含砾砂岩, 且含砾砂岩遍布整个研究区。砾石成分统计以野外观察为基础进行, 延长组T3y1段和T3y2段观测点主要分布在汝箕沟、插旗口、大哈拉乌沟和塔尔岭, 每个观测点统计砾石数量在400~600个之间。

3.1.1 延长组T3y1段砾岩特征

汝箕沟砾岩成分主要为石英岩、岩浆岩和变质岩, 含有少量燧石和砂岩, 砾石分选、磨圆总体较好, 砾径主要在3~8icm之间(图 4-a)。插旗口地区砾石主要成分为岩浆岩、变质岩和石英岩, 还有少量燧石和砂岩砾石, 砾径主要在2~8icm之间, 个别可达20icm, 整体色调为黄绿色(图 4-b)。哈拉乌沟砾石成分主要为石英岩、岩浆岩和变质岩, 砾径在3~10icm之间, 分选、磨圆总体较好, 砾岩主要色调为灰绿色(图 4-c)。鬼头沟地区砾石成分主要为石英岩、岩浆岩和变质岩, 含少量砂岩和燧石砾石。黑白岭地区砾石成分主要为砂岩、石英岩、岩浆岩及变质岩(图 5)(Ritts et al., 2004)。

图 4 贺兰山地区上三叠统延长组T3y1和T3y2段砾石成分组成
a— 砾岩, 成分主要为石英岩、岩浆岩和变质岩, 含有少量燧石和砂岩, 分选、磨圆总体较好, 砾径主要在3~8icm之间, T3y1段, 汝箕沟; b— 砾岩, 主要成分为岩浆岩、变质岩和石英岩, 含有少量燧石和砂岩, 砾径主要在2~8icm之间, 个别可达20icm, 整体色调为黄绿色, T3y1段, 插旗口; c— 砾岩, 成分主要为石英岩、岩浆岩和变质岩, 砾径在3~10icm之间, 分选、磨圆总体较好, 主要色调为灰绿色, T3y1段, 哈拉乌沟; d— 砾岩, 成分主要为砂岩, 含少量石英岩及泥岩, 分选较差, 磨圆度相对较好, T3y2段, 塔尔岭; e— 砾岩, 成分以砂岩为主, 碳酸盐岩成分明显增多, 还有少量岩浆岩、变质岩及石英岩, 砾径为5~10icm, 分选较差, T3y2段, 北寺; f— 砾岩, 成分主要为岩浆岩、变质岩和石英岩, 有少量的燧石和砂岩, 分选、磨圆非常差, 砾径主要为2~6icm, T3y2段, 水磨沟Fig.4 Gravel composition of the Upper Triassic Yanchang Formation T3y1 and T3y2 in Helan Mountain

图 5 贺兰山北部上三叠统延长组T3y1段砾石成分组成(据Ritts et al., 2004)
1— 黑白岭地区; 2— 鬼头沟西部; 3— 鬼头沟东部Fig.5 Gravel composition of the Upper Triassic Yanchang Formation T3y1 in northern Helan Mountain (after Ritts et al., 2004)

对比来看, 砾径上插旗口、汝箕沟和西部哈拉乌沟大致在同一尺度上, 砾岩成分组成上汝箕沟与鬼头沟西部最为相似, 分选程度插旗口、汝箕沟比较相似, 但插旗口砾石石英岩比例要比汝箕沟低很多, 可能是母岩组分有差异。插旗口地区砾石中岩浆岩结晶颗粒非常巨大, 在1~4imm之间, 这是研究区其他地区没有见到的现象, 反映其物源区的特殊性, 推测是来自于南部黄旗口花岗岩。哈拉乌沟与插旗口地区砾岩色调相差较大, 前者分选相对较好, 从空间位置上推测二者为不同物源沉积的产物。黑白岭与鬼头沟相比砂岩含量明显增加, 但总体组成相差不大, 可能物源区比较相似。

3.1.2 延长组T3y2段砾岩特征

塔尔岭地区T3y2段砾岩表面均为暗红色, 敲开的新鲜面呈灰绿色, 成分主要为砂岩, 含少量石英岩及泥岩; 砾石的分选较差, 较大砾石直径可达30icm, 主要砾径范围为5~15icm, 磨圆度相对较好(图 4-d)。北寺T3y2段砾石成分同样以砂岩为主, 但是碳酸盐岩的成分明显增多, 此外还有少量岩浆岩、变质岩及石英岩, 砾径为5~10icm, 分选较差(图 4-e)。水磨沟T3y2段砾岩成分主要为岩浆岩、变质岩和石英岩, 有少量的燧石和砂岩, 整体上分选、磨圆非常差, 棱角砾石随处可见, 具有明显短距离搬运的特征, 主要砾径为2~6icm(图 4-f)。

对比来看, 塔尔岭以东地区石英岩成分有明显增多的趋势, 越靠近西部边界砾岩的成分越单一, 且主要为砂岩砾石。北寺小砾石比例相较塔尔岭地区明显增多, 且分选较差, 岩浆岩、变质岩和碳酸盐砾石的出现也区别于塔尔岭地区, 二者虽相距较近, 但物源母岩存在一定差异。北寺和水磨沟地区砾石成分组成较为相似, 水磨沟地区砾石砾径明显大于北寺, 说明二者物源相同且水磨沟更靠近物源区。

综合来看, 贺兰山地区延长组T3y1段和T3y2段砾石组成主要分为5个区域:南部石英岩— 岩浆岩— 变质岩组合区; 西部中段石英岩— 岩浆岩— 变质岩— 灰岩组合区; 西北部砂岩— 泥岩— 石英岩组合区; 北部石英岩— 岩浆岩— 变质岩— 砂岩— 燧石组合区; 东北部砂岩— 石英岩— 岩浆岩组合区。延长组T3y1段和T3y2段主要是冲积扇沉积, 近源特征明显。从砾径来看, 塔尔岭T3y2段是研究区出露砾径最大的地区, 应是非常靠近冲积扇扇口位置。距离较近的北寺和水磨沟, 根据出露的砾石大小和分选磨圆情况判断, 也是比较近源的沉积物, 应该处于扇中或扇缘亚相, 或者是小的冲积扇体。而西南部的哈拉乌沟, 砾石成分发生明显变化, 与水磨沟、塔尔岭地区对比, 几乎见不到砂岩砾石, 碳酸盐岩砾石也未见, 表明其母岩岩性与西北部相差较大; 和研究区东南部插旗口对比, 二者母岩岩性亦明显不同。汝箕沟地区的砾石组成和鬼头沟地区非常相似, 说明二者物源区很可能比较一致, 而研究区东北部黑白岭地区的砂岩砾石比例明显高于汝箕沟和鬼头沟地区, 可能是近缘原因或者母岩区沉积岩比例较高。

3.2 重矿物分析

目前, 重矿物组成物源分析在单矿物地球化学和定年研究方面已经有了较大发展(Mange-Rajetzky, 1981; Henry, 1985; Cawood, 1990; Takeuchi, 1994; Sabeen et al., 2002; Morton et al., 2005)。由于经费和实验条件的限制, 笔者并没有进行单矿物的研究, 主要根据矿物组合方式进行定性和半定量分析。本次共分析样品38件, 其中研究区东部汝箕沟一线延长组T3y2至T3y5段进行了重复测试, 测试分2次采样送样。样品均为中粗砂岩, 重量在3~5ikg之间, 全部在廊坊“ 诚信地质服务有限公司” 完成测试。样品经过重选、强磁选、电磁选、重液三溴甲烷分离等步骤取得重矿物, 由不同分析员进行重矿物挑选分析, 分析的重矿物颗粒在700~1500粒之间。分析测试结果在同一层位具有较好的一致性, 保证了测试结果的科学和准确。

依据ZTR指数和主要重矿物的组成分布, 对样品进行重矿物分析。在分析的过程中, 考虑了水力分选的差异性、搬运距离及母岩岩性的差异等因素。ZTR指数是指锆石、金红石、电气石占透明、非云母碎屑重矿物的比例(Hubert, 1962), 具体数据见表 1。

表 1 贺兰山地区中上三叠统样品透明重矿物百分含量(%)及ZTR指数(%) Table1 Percentage of transparent heavy minerals(%)and ZTR index(%)of samples from the Middle-Upper Triassic in Helan Mountain

3.2.1 纸坊组重矿物分析

从图 6主要重矿物组成和图 7重矿物ZTR指数可以看出, 样品GTG-07比较特殊, 其不含绿帘石, 且ZTR指数最高; 同时, 该地区纸坊组的岩性有明显的相变①, 这与其独特的重矿物组成也相吻合, 表明样品GTG-07以及其西部地区很可能主要受阿拉善古陆早期沉积地层的影响, 并由其提供主要物源。样品GTG-14、RJG-02、RJG-18和CQG-04的重矿物组成具有很大的相似性, 含有非常高的绿帘石和石榴子石, ZTR指数相对较低, 说明其物源区主要为变质岩; 南部3个样品的电气石含量较高, 区别于样品GTG-14; 在样品CQG-04中发现独居石, 这与该样品的采样地点南部出露大量花岗岩和花岗伟晶岩相吻合。

图 6 贺兰山地区中上三叠统重矿物组成与古流向(部分古水流数据据张义楷, 2007; 李元昊, 2008)
a— 纸坊组; b— 延长组T3y1段; c— 延长组T3y2段; d— 延长组T3y3段; e— 延长组T3y4段; f— 延长组T3y5段Fig.6 Heavy mineral compositions and palaeocurrents of the Middle-Upper Triassic in Helan Mountain(some palaeocurrent data from Zhang(2007)and Li(2008))

图 7 贺兰山地区中上三叠统重矿物ZTR指数Fig.7 Heavy mineral ZTR index of samples from the Middle-Upper Triassic in Helan Mountain

3.2.2 延长组T3y1段

延长组一段样品CQG-03的 ZTR指数最高, 3个样品的成熟度整体较纸坊组低。从样品中白钛石含量显著增加来看, 其源区岩性出现了新的变化, 可能是剥蚀地层的改变或者有新的物源区出现。

3.2.3 延长组T3y2段

北部样品JCG-02、GTG-06的重矿物组合继承了延长组T3y1段的特征, 石榴子石的比例明显变小, 绿帘石的比例明显增加。对比纸坊组GTG-07重矿物组成, GTG-06有明显的变化, 说明了物源区岩性发生了较明显的变化。结合周围岩性出露的情况, 说明该地区在延长组T3y2段受西北部变质岩物源的影响越来越大。南部样品RJG-04、HCT-03与CQK-07整体ZTR指数不高, 磷灰石和磁铁矿比例开始明显增加。T3y2段在研究区中南部缺少电气石以及磁铁矿的显著增加, 是区别于纸坊组和延长组上部层段的重要特征。

3.2.4 延长组T3y3段

北部样品GTG-03和GTG-15的重矿物组成相似性较高, 总体继承了延长组T3y1段、T3y2段的重矿物组成特征。相较于RJG-20、RJG-16, RJG-08和HCT-04的ZTR指数非常高, 所含石榴子石、磷灰石的比例明显低于西部RJG-20、RJG-16。这反映了东西物源区岩性的差别明显, 说明东部地区很可能有东部物源的输入。

3.2.5 延长组T3y4段

北部样品GTG-10和GTG-12重矿物组成仍然继承了延长组T3y1至T3y3段的特征。对比GLB-13、RJG-21、RJG-15和RJG-10, 可见RJG-15和RJG-10的重矿物组成相差较大, 后者和GLB-13、RJG-21的重矿物组成具有很好的一致性, 东西两侧ZTR指数较高, 中部样品RJG-15 ZTR指数较低, 同样反应了东西侧和中部物源区的明显不同。单看样品RJG-15, 其重矿物组成与北部2个样品及南部DSG-02更为接近, 三者的源区岩性应该大致相同, RJG-15所在区域很可能就是当时北部物源和东西两侧物源的混源区域。

3.2.6 延长组T3y5段

由于汝箕沟地区侏罗纪后期经历了广泛的热液活动, 导致很多地区热液型脉体非常发育, 而且分布位置不均。RJG-22测试分析得出其中的蚀变矿物含量达到了90%, 蚀变影响明显, 故该样品仅作分析参考之用。

5段样品的重矿物组成特征总体分为北部的GTG-09区域和中部、南部2个区域。GTG-09的ZTR指数相对中南部样品明显较低, 具有较高的绿帘石、石榴子石含量, 这仍然继承了前几段的特征, 唯一含有的独居石, 说明此时有来自花岗岩及花岗伟晶岩的物源。RJG-12白钛石含量较高, 中部 ZTR指数东西两侧高, GLB-01地区较低, 仍然表现出了东西差异。从整个研究区看, GLB-01、DSG-04重矿物组成和北部的GTG-09比较相似, 这些现象可能是北部物源和东西部物源混源的结果。研究区延长组T3y5段是整个延长组沉积粒度最细、水深最大的时期, 从区域沉积特征来看香棒子沟地区大致为当时的深水沉积区①②, 推断香棒子沟及其以北地区可能为当时的混源中心。

3.2.7 重矿物组成整体分析

从重矿物的整体分布来看(图 8), 贺兰山西部古拉本一带重矿物主要组成为锆石— 金红石— 电气石— 磷灰石— 白钛石; 汝箕沟一带和汝箕沟沟口主要重矿物组成为锆石— 石榴子石— 绿帘石— 白钛石— 磷灰石; 荒草滩地区主要重矿物组成为锆石— 白钛石— 金红石— 电气石— 金红石; 北部鬼头沟和南部插旗口一带重矿物组成组主要是石榴子石— 绿帘石— 锆石— 电气石— 磷灰石; 大水沟一带主要重矿物组成为锆石— 金红石— 电气石— 石榴子石— 绿帘石— 磷灰石— 白钛石。

图 8 贺兰山地区中上三叠统重矿物组成分布Fig.8 Heavy mineral composition and palaeocurrent of the Middle-Upper Triassic in Helan Mountain

研究区北部(图 7, 图 8)从纸坊组至延长组T3y5段ZTR指数均较低, 除GTG-07比较特殊外, 不稳定矿物绿帘石和中等稳定矿物石榴子石一直为主要组成, 推断其母岩主要为变质岩及少量的岩浆岩。但从延长组T3y1段到T3y5段ZTR指数整体呈升高的趋势, 同时从现今周围出露的岩性(图 1)来看, 北部的孔兹岩带含有大量的石榴子石, 且是大范围分布的变质岩带, 在时空位置上可满足大量物源供给的条件, 而且北部重矿物组成主要为不稳定和中等稳定矿物, 反映了短距离的搬运特征, 也与北部孔兹岩带相距不远相吻合。

研究区中部地区延长组从T3y1段到T3y5段ZTR指数有逐渐增高的趋势, 中西部古拉本一带T3y2段、T3y3段砾石非常发育, 砾径在整个研究区最大, 但该处T3y4段、T3y5段的ZTR指数很高, 反映了再循环物源的特征, T3y5段GLB-11相较于T3y4段GLB-13的ZTR指数有明显的降低趋势, 说明中西部古拉本一带在T3y1段到T3y4段物源主要来自西部早期的晚古生代地层, T3y5段ZTR指数降低很可能是T3y5段时西北部物源中岩浆岩、变质岩的组分增加造成的。汝箕沟地区延长组T3y1至T3y4段的ZTR指数均较低, 尤其是T3y4段ZTR指数相较于两侧相同地层明显较低, 而且重矿物组成和北部鬼头沟地区更为相似, 此外, 东部荒草滩一带延长组从T3y2至T3y5段ZTR指数逐渐增高, 这与西部古拉本一带延长组后期ZTR指数降低的趋势也不一致, 这都反映出东西不同源的特征。纵观整个研究区, 汝箕沟与北部鬼头沟最有可能是同源的, 结合后文古水流分析的结果, 研究区西北部古流向一直以南东向为主, 荒草滩一带延长组T3y4段T3y5段古流向由东向西, 所以荒草滩地区的物源最有可能来自东部地区。

研究区南部插旗口一带重矿物组成与北部鬼头沟和汝箕沟比较统一, 主要为石榴子石和绿帘石, 但南北方向延长组相同层位ZTR指数并没有统一的升降趋势, 结合古流向和南北方向砾石分析, 排除了南部物源来自北部的可能, 而从古拉本一带输入就更不可能了, 所以推测其可能来自南部或者西南部的岩浆岩和变质岩物源区。大水沟地区ZTR指数明显高于南部插旗口, 重矿物组成与汝箕沟地区更为相似, 因基本不含白钛石而与荒草滩地区物源有较大不同, 推测主要物源应为西北古拉本— 汝箕沟地区物源的东南延伸。

3.3 古流向分析

古流向分析是判断物源方向最为重要的传统方法之一, 大量的古流向数据是判断物源方向非常可靠的基础资料。研究区中晚三叠世沉积相主体为冲积扇、辫状河以及湖相沉积, 搬运距离较短, 相对于曲流河来讲上述沉积物古流向在反映物源的搬运方向上更为准确。本次在延长组T3y1-T3y5段均进行了大量古流向测量, 延长组T3y1— T3y2段的古流向主要以砾石的最大扁平面的倾向、辫状河底部冲刷面的方向为主; 延长组T3y3— T3y5段的古流向主要以交错层理的优选方向、波痕的凹面倾向为主。此外, 对于野外中可以观察到砂体展布方向的地区, 以砂体展布方向为主要参考依据, 并修正古流向数据。

前人对贺兰山和桌子山地区纸坊组进行过古流向分析, 认为沙巴台地区古水流方向为南东向, 黑白岭地区古水流方向基本为南向, 桌子山地区相同层位的铜川组和二马营组主体方向为东向, 此外也有北西西向古水流。该地区从晚古生代以来的古流向主体均为东向(Ritts et al., 2004, 2006), 中三叠世北北西向古水流的出现, 说明此时的古地理面貌有一个比较明显的改变。

从整个地区来看, 随时间的演化古流向变化明显(图 6):贺兰山西部地区延长组T3y1段、T3y2段主要方向为向东; 北部塔塔沟地区延长组T3y1段的古水流方向为南东向, 总体偏向于南南东; 鬼头沟地区延长组T3y3段的古水流方向为南东; 汝箕沟地区延长组T3y3段的古水流方向整体为南南东。到了延长组T3y4段和T3y5段, 整个研究区古水流方向开始发生明显变化:贺兰山西部地区, 古流向由原来T3y2段的北东东以及南东方向转变为T3y5段的南东方向; 在T3y4段东部汝箕沟地区古水流方向由原来的南南东方向转变为比较复杂的各方向的古水流; 荒草滩地区延长组T3y4段则近乎出现了相反的东向古水流, T3y5段水流方向变得复杂, 但总体为自东向西, 这与该处重矿物分析的结果相互吻合; 鬼头沟延长组T3y5段的古流向在保持了原来南东方向的情况下, 也出现了自东向西的古流向。说明当时东部物源的影响范围较广, 总体反映了延长组后期东部古地理面貌的显著改变。

4 讨论

贺兰山地区延长期物源分析必须考虑后期改造对地层空间位置及保存的影响, 对研究区地层空间位置影响最大的是晚侏罗世的东西向逆冲推覆运动和新生代银川地堑、河套盆地的断陷运动。晚侏罗世的构造事件使贺兰山地区北段孔兹岩带发生明显水平位移, 北部正谊关断裂东西平移10ikm左右(Darby and Ritts, 2002; Darby, 2003), 研究区沉积地层发生大幅度褶皱隆升, 鄂尔多斯西缘断褶带上覆地层明显剥蚀。结合区域地震资料(李蒙, 2015), 可知研究区东部鄂尔多斯西缘断褶带石炭系— 二叠系之上主要为新生代地层, 根据周围的沉积地层状况, 剥蚀最有可能发生在晚侏罗世或者晚三叠世。新生代断陷事件使孔兹岩带北部和贺兰山东部地层断陷深埋, 研究区北部和东部地层抬升并发生大范围的剥蚀(赵红格等, 2007; 刘建辉等, 2010)。整体而言, 新生代断陷事件对早期地层的整体状况影响不大。以现今地貌来看, 贺兰山褶皱的挤压方向和断层位移方向主要为东西向, 且西北部最为强烈, 南部相对较弱, 对古流向的影响主要在西北部, 经过测量古流向方位角所受影响在5° 左右, 对物源方向的判断整体影响不大。

综合地层厚度变化及周缘地质情况, 结合砾石组成分析、古流向分析和重矿物组成分析可以看出, 整个研究区大致分为4个物源区:西部北段阿拉善地块的沉积岩再循环物源区、西北部孔兹岩系为主体的岩浆岩和变质岩物源区、南部岩浆岩和变质岩物源区、东部沉积岩再循环物源区。对于物源区岩性, 苏春乾等(2004)认为贺兰山北部的物源主要来自正谊关断裂之北的贺兰山群古老变质岩, 盆地西缘主要来自于阿拉善古陆; 赵红格等(2012)认为物源主要来自西北部阿拉善— 兴蒙造山带太古代— 古元古宙变质岩和岩浆岩, 部分为周邻寒武纪— 早中三叠世的沉积岩及岩浆岩。通过笔者研究, 结合阿拉善地块的最新研究成果, 认为现今研究区西部和西北部中三叠统之下为石炭系, 其经历了明显的剥蚀作用, 且西北部察哈尔地区在经历了新生代断陷活动之后现今仍然是隆起区, 而且石炭系在该处剥蚀更为明显(图 1), 反映了西北部、西部作为物源区的合理性。此外, 桌子山东部中下三叠统均有发育, 但是桌子山西部和贺兰山北部乌海至乌达周边地区, 晚二叠纪至早白垩世地层均缺失, 同样反映了研究区北部作为物源区的可能性。依据延长组和纸坊组在研究区和鄂尔多斯地区的厚度变化规律(图 2), 可知中三叠世至晚三叠世之间银川地堑区域古地理面貌发生了明显的改变, 晚三叠世研究区东部很可能存在古隆起, 并提供部分物源。结合物源综合分析, 笔者认为贺兰山西北段物源在纸坊晚期主要来自阿拉善古陆三叠纪纸坊期之前的沉积地层和兴蒙造山带变质岩和岩浆岩。到了延长期早期, 西北段物源主要是来自阿拉善古陆三叠纪延长期之前的沉积地层, 西部南段物源主要为贺兰山西南部岩浆岩、变质岩, 南部主要受贺兰山插旗口以南赵池沟群、黄旗口花岗岩或类似岩性隆起区的控制。延长期晚期, 西北部物源加入了兴蒙造山带变质岩和岩浆岩物源。物源分段研究、地层厚度变化规律和地震资料分析表明, 延长期晚期出现了东部隆起, 存在东部物源, 母岩主要为现今银川地堑及其以东地区的早期沉积地层。

中三叠世纸坊期至晚三叠世延长期T3y1段沉积早期, 沉积粒度自下而上由细变粗, 物源搬运距离由远及近, 此时西部及南部断陷开始发育, 沉积相由辫状河沉积转变为冲积扇沉积, 反映了构造演化的一次重大转变。这次构造事件使得贺兰山地区和阿拉善地块的相对高差发生明显变化, 沉积物源供给量也发生了“ 瞬时” 激增, 从而在贺兰山西缘、南缘堆积了大量的冲积扇体, 各冲积扇体由于西部断陷的落差差异、阿拉善地块及黄旗口、赵池沟一带岩体分布的差异使得沉积物砾石大小和成分存在较大不同。上三叠统延长组T3y1至T3y5段沉积粒度自下而上由粗变细, 搬运距离由近及远, 沉积相由冲积扇、辫状河转变为湖相沉积, 说明晚三叠世总体上构造活动相对平静。T3y2至T3y3段沉积时期东部物源的出现, 很可能是西部延长早期断裂形成之后, 由于沉积的加积作用导致地壳持续断陷下沉并引起东部发生断裂, 进而在断裂的东部发生隆起并提供部分物源(图 9)。因此, 中晚三叠世贺兰山盆地与鄂尔多斯盆地并不是一个简单的隔离与连通关系, 中三叠世纸坊期至晚三叠世延长期T3y1至T3y2段沉积时期, 贺兰山盆地与鄂尔多斯盆地是相互连通的, 到了延长期T3y3至T3y5段沉积时期, 贺兰山盆地与鄂尔多斯盆地由东部隆起阻隔, 但此时2个盆地并不是完全阻隔, 很可能在贺兰山大水沟一带连通。

图 9 贺兰山地区中晚三叠世古地貌图
a— 纸坊期; b— 延长期T3y1— T3y2段沉积时期; c— 延长期T3y3— T3y5段沉积时期Fig.9 The Middle-Late Triassic geomorphologic map in Helan Mountain

通过系统分析, 认为中晚三叠世贺兰山地区大地构造背景总体为伸展背景。根据汝箕沟玄武岩的发育来看, 伸展作用很可能持续到中晚侏罗世。至于南北向的走滑断层是否发育, 以目前的研究程度还不好判断。中三叠世纸坊期与晚三叠世延长期之交是伸展作用最强烈的时期, 之后伸展作用持续减弱, 沉积加积作用产生的地壳弯曲很可能是延长期T3y3段沉积时期东部断裂形成的主要动力。西部断裂和东部断裂的形成是决定当时古地貌格局转变的2次重大构造事件, 进而主导着物源演化的时空过程(图 9)。

5 结论

1)贺兰山中晚三叠世沉积物源演化具有明显的时空差异性。空间上, 主要分为西北部物源区、西部物源区、南部物源区和东部物源区。西北部物源在延长期T3y1— T3y3段沉积时期更多来自于孔兹岩带, 到了T3y4— T3y5段沉积时期西北部东段物源可能开始受贺兰山东部隆起区的影响。西部物源主要受阿拉善地块的控制, 南部物源可能受贺兰山南部赵池沟群和黄旗口花岗岩或类似岩性隆起区的控制。东部荒草滩地区在T3y1— T3y2段沉积时期主要受西部和北部物源的影响, T3y3— T3y5段沉积时期开始受东部物源的控制。

2)贺兰山中晚三叠世沉积混源特征明显, 主要的混源区域在汝箕沟、荒草滩与香棒子沟一带。

3)中晚三叠世贺兰山盆地与鄂尔多斯盆地之间并不是简单的相互孤立或者连通。纸坊期至延长期T3y2段沉积时期, 贺兰山地区与鄂尔多斯盆地互相连通, T3y3至T3y5段沉积时期, 贺兰山盆地与鄂尔多斯盆地之间可能存在南北向的隆起区, 一定程度上阻隔了贺兰山盆地与鄂尔多斯盆地的连通性。

4)贺兰山地区中晚三叠世大地构造背景总体为伸展背景, 该过程很可能持续到中晚侏罗世。

致谢 此文修改过程中, 罗静兰教授和2位审稿专家提出了很多宝贵意见和修改建议, 在此表示衷心感谢!

作者声明没有竞争性利益冲突.

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