第一作者简介 张渝金,男,1984年生,高级工程师,从事地层学及沉积环境等研究。E-mail: syzhangyujin@163.com。
龙江盆地是新厘定的松辽盆地外围中新生代盆地之一。有关该盆地中的沉积物特征及物源区大地构造背景是亟待解决的问题之一。通过对龙江盆地中侏罗统万宝组碎屑岩的砂岩碎屑组分、重矿物组合、岩石地球化学及锆石 U- Pb年代学等进行研究,可以推测出物源的相关特征: ( 1)砂岩碎屑组分和重矿物组合反映了万宝组母岩以中酸性岩浆岩和中—低级变质岩为主、含有少量中基性岩浆岩的特点;( 2)地球化学特征显示,龙江盆地万宝组沉积物轻稀土元素富集、重稀土元素亏损,配分曲线表现出平缓的右倾模式,微量元素呈规律性变化,富集高场强元素( HFSE) Cs、 Th、 U,亏损 Nb、 P和 Ti,具有与上地壳相似的地球化学特征;( 3)碎屑锆石显示 4组年龄峰值,主要峰值为 167.5 Ma,次要峰值为 236.4 Ma、 309.1 Ma和 363.2 Ma,反映了万宝组沉积物具有多物源的特点,母岩主要来自于中侏罗世火山岩,其次来自于晚泥盆世—三叠纪的岩浆活动产物。综合分析认为,龙江盆地万宝组的物源具有长英质和中性火山岩特征,大部分来自于上地壳,原岩形成于活动大陆边缘背景下的大陆岛弧环境,中侏罗世沉积演化可能受到与古太平洋板块俯冲作用和蒙古—鄂霍茨克缝合带演化双重作用的影响。该研究成果可为龙江盆地沉积演化分析和古地理环境恢复提供重要依据。
About the first author: Zhang Yu-Jin,born in 1984,is a senior engineer in Shenyang Center of Geological Survey. He is mainly engaged in stratigraphy and sedimentary environment. E-mail: syzhangyujin@163.com.
Longjiang Basin is one of the newly established Meso-Cenozoic basins in the periphery area of the Songliao Basin. Analysis on clastic components of sandstones,heavy mineral combination,rock geochemistry and zircon U-Pb ages,and related comprehensive research of clastic rocks from the Middle Jurassic Wanbao Formation in Longjiang Basin,were carried out in this paper. The combination of sandstone clastic components and heavy minerals reflects that the mother rocks of the Wanbao Formation are mainly middle acid magmatic rocks and low grade metamorphic rocks,followed by a small number of medium basic magmatic rocks. Geochemical characteristics of sediment materials from the Wanbao Formation show that they are enriched in LREEs and depletion in HREEs,with a right-dipping signature. Meanwhile,they are enriched with(HFSE)Cs,Th,U,depletion of Nb,P,and Ti,which have similar geochemical characteristics of the Upper Crust. Detrital zircon shows four age peaks,the main peak is 167.5 Ma,the secondary peak ages are 236.4 Ma,309.1 Ma and 309.1 Ma,which reflect the multi-source characteristics of sediments in the Wanbao Formation. These sediments are mainly from the Middle Jurassic volcanic rocks,followed by products from the Late Devonian-Triassic magmatic activities. The comprehensive analysis shows that the sediments of the Wanbao Formation in the Longjiang basin have the characteristics of acid and neutral volcanic sources,most of which come from the upper crust. The primary rocks of the Wanbao Formation are formed in continental island arc environment under the background of active continental margin background. The Middle Jurassic of the Longjiang Basin may be affected by the dual effects of the subduction of the paleo-Pacific plate and the evolution of the Mongolian-Okhotsk suture zone.
龙江盆地位于内蒙古东部扎赉特旗与黑龙江西部龙江县交界, 是新厘定的松辽盆地外围中新生代盆地之一(陈树旺等, 2013; 丁秋红等, 2013)。目前, 有关龙江盆地沉积基底、盖层特点、沉积物特征及物源区大地构造背景等, 是亟待解决的科学问题。物源分析是盆地分析的重要组成部分, 不仅可为“ 解读” 沉积物搬运过程、源区特点、古气候、古地貌及岩石组合类型等提供依据(赵红格和刘池洋, 2003; 张志萍等, 2008; 杨仁超等, 2013), 而且是探索盆地演化及其动力学过程的一项重要内容。沉积岩地球化学和锆石U-Pb年代学分析作为物源分析的基本手段, 能够较好地揭示沉积物的沉积时代、物源性质、沉积环境以及构造背景(陈全红等, 2009; 杨梅等, 2018)。文中以龙江盆地西缘中侏罗统万宝组为研究对象, 通过岩相学、岩石地球化学及碎屑锆石U-Pb年代学研究, 揭示龙江盆地中侏罗世的沉积环境, 并探讨其物源特征和物源区大地构造背景, 从而为研究龙江盆地沉积演化及古地理环境恢复提供重要依据。
龙江盆地位于大兴安岭中段东坡, 处于兴安地块和松嫩地块的缝合区(贺根山— 扎赉特— 嫩江— 黑河缝合带)(图 1-a), 是古亚洲洋、蒙古— 鄂藿茨克海和环太平洋体系的转换地带(李永飞等, 2013)。该盆地是发育在海西期浅变质基底上、以中侏罗世生油层系为主的小型断陷湖盆(图 1-b), 长约110km, 宽15~40km, 平均宽为25km, 面积约1692km2, 其中盆地的南部坳陷区呈NNE向展布, 长约30km, 宽约20km。龙江盆地内断裂发育, 形成北东向正断层, 并呈阶梯状向盆地深凹方向倾斜, 造成盆地西缓东陡、南深北浅的构造格局(李永飞等, 2013)。古生代地层为龙江盆地的基底, 主要为一套浅变质的海相— 陆相沉积地层; 中生代地层为盆地盖层, 自下而上为下三叠统老龙头组(T1l), 中侏罗统万宝组(J2wb), 下白垩统龙江组(K1l)、光华组(K1gh)和甘河组(K1g)(图 1-c)。
龙江盆地西缘广泛发育的中侏罗统万宝组为本次研究的主要层位, 其岩石组合可分为下、中、上3段: 下段岩性为凝灰质砂砾岩、砾岩夹粉砂岩; 中段为火山碎屑岩和细碎屑岩互层, 含煤层和植物化石; 上段为粗碎屑岩夹煤线。与下伏晚古生代地层呈角度不整合接触(或断层接触), 上被下白垩统龙江组火山岩不整合覆盖。
岩石薄片样品采自于山泉林场、小湾四队和爱国村附近(图 1-c), 重矿物、地球化学和同位素样品主要采自于内蒙古扎兰屯市蘑菇气镇爱国村天然露头剖面(图 1-c; 图 2), 主要岩性为砂砾岩、细砂岩、粉砂岩等。岩石组合和沉积构造特征显示, 其发育由粗变细的序列, 每个层序下部均为复成分细砾岩, 向上逐渐变细, 上部为薄层粉砂岩或泥岩夹薄层凝灰岩, 推测为冲积扇沉积, 并伴随几次弱的火山喷发作用。测试样品岩性主要为细砂岩(图 3)。
在爱国村露头剖面共采集7件新鲜细砂岩作为重矿物样品。为了获得足够的重矿物数量, 每件样品重量均超过1.5kg。人工重砂样品在河北省区域地质矿产调查研究所实验室进行挑选分析, 破碎样品据重量分别采用摇床和手工淘洗, 选用了碰选、电碰选、重液选、介电选, 使其最大程度地分离和聚集, 然后在镜下提纯, 纯度达到98%以上。
主量元素、微量元素和稀土元素测试在国土资源部东北矿产资源监督检测中心完成, 整个过程均在无污染设备中进行。主量元素测试采用X射线荧光光谱法(XRF), 微量元素测试采用电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)。主量元素测试精度和准确度优于5%, 微量元素测试精度和准确度优于10%(张渝金等, 2015)。
样品的破碎和锆石的分选由河北省区域地质矿产研究所实验室完成。样品制靶和锆石阴极发光图像在中国地质科学院北京离子探针中心完成。LA-ICP-MS锆石U-Pb测年在中国科学院海洋研究所大洋岩石圈与地幔动力学实验室进行。本次实验所采用的仪器为Agilent 7900型电感耦合等离子质谱(ICP-MS)及与之配套的 Photon Machine激光剥蚀系统。激光剥蚀所用斑束直径为35μ m, 频率为8 Hz, 能量密度约为4.24 J/cm2, 以He为载气。以NIST610作为外部标准, 以29Si作为内部标准, 并采用哈佛大学国际标准锆石91500作为质量控制。
共选取12件细砂岩样品进行砂岩碎屑组分分析。分析结果(图 4)表明, 龙江盆地万宝组砂岩主要为岩屑砂岩, 含少量的长石岩屑砂岩。砂岩主要由岩屑、石英和长石组成, 岩屑含量较高, 为30%~45%, 石英含量为40%~45%, 长石含量较少, 为5%~10%, 填隙物的含量为 5%~15%。岩石分选性较好, 磨圆度较低— 中等, 少量次圆状, 杂基支撑, 泥质胶结, 砂岩成分成熟度及结构成熟度均较低, 搬运痕迹不明显, 推测龙江盆地万宝组砂岩距母岩区较近, 具近源沉积特征。镜下鉴定表明, 龙江盆地万宝组砂岩中的岩屑主要为流纹岩、石英岩、脉岩、玄武安山岩、安山岩及少量泥质岩和变质岩, 说明该地区砂岩具有较为复杂的母岩类型。
重矿物因其耐磨蚀并具有较高的稳定性、能够较多地保留母岩的特征, 所以在各时代沉积物物源分析研究中得到广泛应用(Dill, 1998; Damiani and Giorgetti, 2008; Giorgetti et al., 2009)。由于各种类型的母岩所含矿物组分不同, 经剥蚀之后的风化产物具有不同的重矿物组合, 因此根据重矿物的组合特征能有效地反映出母岩类型(闫臻等, 2008; 郑勇和孔屏, 2013; 李双应等, 2014; 朱志军和郭福生, 2017)。据Pettijohn(1975)分析, 重矿物大多具有某种特殊类型母岩的判断标志(表 1)。
重矿物统计结果显示, 研究区部分样品具有赤褐铁矿和黄铁矿, 主要为沉积成因, 应为沉积岩再旋回物源。其他碎屑重矿物主要为锆石、磷灰石、金红石和白钛石等(表 2)。锆石分布在所有的样品中, 含量平均为19.99%, 整体呈浅黄粉色— 黄粉色, 半自形、次圆柱状、断柱状、次圆柱粒状, 透明, 金刚光泽, 表面较光滑, 断口有溶磨痕迹, 磨圆度较低— 中等, 分选性好, 搬运痕迹不明显, 推测该类锆石距母岩区较近。磷灰石也基本分布在所有样品中, 无色, 半自形柱状、次滚圆柱状、粒状, 透明, 玻— 毛玻光泽, 中硬度, 粒径0.02~0.25mm。金红石和白钛石主要分布在MGQ04、MGQ05和AGTW01样品中, 前者整体呈棕红色, 次滚圆柱状、次棱角块状, 微透明, 油脂光泽, 高硬度, 粒径0.02~0.2mm; 后者整体呈灰色, 次滚圆状、滚圆状、扁粒状, 不透明, 瓷状光泽, 中硬度, 粒径0.02~0.2mm。
万宝组重矿物组合特征反映其母岩是以锆石、磷灰石、电气石为代表的中酸性岩浆岩和以绿帘石、石榴子石、绿泥石、白钛石组合为代表的中、低级变质岩为主, 含有少量以锐钛矿、磁铁矿、铬铁矿等矿物组合为代表的中— 基性岩浆岩。
3.3.1 主量元素
测试结果(表 3)表明, 研究区万宝组砂岩样品的SiO2含量在55.40%~78.40%之间, 平均为67.96%; Al2O3含量在11.40%~18.96%, 平均为15.83%; MgO含量在0.05%~0.56%之间, 平均0.32%; FeO含量在0.16%~0.28%之间, 平均0.21%; MgO和FeO的含量普遍较低。据上述结果, 推测母岩可能大部分来自于上地壳。
3.3.2 微量元素
万宝组碎屑岩微量元素测试结果见表 3。微量元素地壳标准化曲线(图 5-a)显示, 研究区微量元素呈规律性变化, 富集高场强元素(HFSE)Cs、Th、U, 亏损Nb、P和Ti。标准化曲线特征与大陆上地壳相似, 说明碎屑岩主要来自于上地壳。
3.3.3 稀土元素
由于稀土元素具有稳定性的特点, 且源区物质在搬运过程中主要呈颗粒状态搬运, 因此其与沉积环境和成岩作用等均无密切关系, 主要受物源区岩石成分的影响, 是示踪物源区构造背景的最好标志之一。万宝组碎屑岩稀土元素测试结果(表 3)和稀土元素配分模式(图 5-b)显示, 研究区万宝组沉积物轻稀土元素富集, 重稀土元素亏损, 配分曲线表现出平缓的右倾模式, 与上地壳稀土元素的富集特征相似。
笔者在万宝组上段采集了岩屑细砂岩(AGTW01)进行碎屑锆石U-Pb年代学分析。共获得70粒碎屑锆石年龄(表 4), 显示4组年龄峰值, 分别为167.5± 2.5Ma、236.4± 2.1Ma、309.1± 6.0Ma和363.2± 7.2Ma(图 6-a, 6-b), 反映出万宝组砂岩沉积物具有多物源的特点。单颗粒锆石分析和CL图像表明, 万宝组碎屑锆石整体表现为半自形、次圆柱状, 表面较光滑, 断口有溶磨痕迹, 磨圆度较低至中等, 分选性好, 搬运痕迹不大明显, 具有与母岩区较近的特点。
根据砂岩碎屑组分及重矿物组合分析可以看出, 万宝组的沉积物源具有以中酸性岩浆岩和中、低级变质岩为主以及含少量中基性岩浆岩的特点, 显示该地区砂岩具有较为复杂的母岩类型。综合分析碎屑岩的地球化学特征, 可以较好地反映沉积时期物源的特征(陈小双等, 2018)。碎屑岩的化学组分受到碎屑的粒级控制, 从砂岩到泥岩中, SiO2和Na2O含量减少, 而K2O的含量增加。将研究区的测试结果投在F1-F2判别图解上(Roser and Korsch, 1988), 可以看出物源主要为酸性火山岩源区, 少量为中性火山岩区(图 7), 表明中侏罗世研究区碎屑物质可能大部分来自于酸性火山岩物源区, 少数为中性火山岩物源区。砂岩的地球化学成分与构造环境有着很好的对应关系, 根据F1'-F2'构造环境判别图解(Bhatia, 1983), 万宝组碎屑岩原岩形成于大陆岛弧环境, 部分为被动陆缘环境和大洋岛弧(图 8), 表明中侏罗世研究区碎屑物质原岩大部分来自于大陆岛弧的构造背景。
利用La/Th-Hf和Co/Th-La/Sc源岩属性判别图解(田景春和张翔, 2016), 也可以进行物源分析。在La/Th-Hf图解(图 9-a)中, 龙江盆地万宝组砂岩主要位于长英质、基性岩混合物源区和长英质物源区, 并且处于上地壳平均成分附近; 在Co/Th-La/Sc图解(图 9-b)中, 万宝组砂岩的Co/Th值较低, 一部分投点位于长英质火山岩区, 并靠近长英质火山岩附近; 另一部分投点位于安山质区域, 偏中性火山岩区。
Bhatia和Crook(1986)通过对砂岩和泥岩地球化学特征的研究, 认为La、Th、Y、Zr、Co等不活泼微量元素比较稳定, 能够用来判别物源区的构造环境, 并归纳出多种判别图解。这种判别图解中, 一般将构造背景划分为大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘4种类型。在La-Th-Sc图解(图 10-a)和Th-Sc-Zr/10图解(图 10-b)上, 除个别样品偏离外, 绝大部分砂岩样品落入大陆岛弧区, 表明研究区物源主要来自于周边的大陆岛弧火山岩。
依据Bhatia(1985)归纳总结了不同构造背景下的砂岩REE特征值, 将研究区沉积岩的有关参数与各种构造背景下的砂岩参数进行对比(表 5)发现, 研究区中侏罗统万宝组砂岩化学成分多与大陆岛弧相似, 部分接近活动大陆边缘特征。
上述分析表明, 龙江盆地万宝组的沉积物物源具有长英质和中性火山岩物源特性, 大部分来自于上地壳, 原岩形成于活动大陆边缘背景下的大陆岛弧环境。
另外, 碎屑锆石物源分析也能反映出沉积物物源区特点。龙江盆地万宝组碎屑岩锆石U-Pb分析结果显示, 来自于古老基底的锆石较少, 大部分锆石U-Pb年龄与周边的中侏罗世火山岩以及三叠纪— 晚泥盆世的岩体时代一致。其中, 167.5± 2.5Ma年龄峰值占绝对优势, 表明中侏罗世火山作用比较强烈, 为万宝组沉积提供了充足的物源, 同时岩石地球化学分析也表明该期物源多来自于上地壳, 与突泉盆地万宝组一致(王杰等, 2013); 236.4± 2.1Ma年龄峰值应来自于周边哈达陶勒盖组中酸性火山岩(234.8— 240Ma)(杨雅军等, 2012), 该期火山岩喷发持续时间较长, 间歇时间相对短, 喷发范围广, 为万宝组提供了三叠纪中酸性沉积物源, 这与区域上巴林右旗岩浆活动(248.5Ma)(刘建峰等, 2013)一致; 309.1± 6.0Ma年龄峰值主要来自于周边的宝力高庙组和格根敖包组(303— 320Ma)(何付兵等, 2017; 张渝金等, 2015; 辛后田等, 2011), 主要为陆相中酸性火山熔岩和火山碎屑岩, 为万宝组提供了晚古生代中酸性沉积物源; 363.2± 7.2Ma年龄峰值应来自于周边大民山组变质中酸性火山岩(362.2± 3.3Ma)(张渝金等, 2016)和花岗岩类侵入岩(许文良等, 1999), 地球化学分析也显示其与区域上大兴安岭地区晚古生代火成岩所揭示构造环境一致(刘建峰等, 2009)。
龙江盆地处于中亚造山带的东段, 是古亚洲洋、蒙古— 鄂霍茨克海和环太平洋构造体系的叠加转换地带(李永飞等, 2013)。万宝组火山岩年龄为165.2~162.1Ma(张渝金等, 2018), 应形成于燕山运动第1幕, 当时强烈的构造活动伴以岩浆作用和火山喷发作用, 造成东北地区存在许多北北东或北东向小型断陷盆地, 龙江盆地即是其中之一。早、中侏罗世, 中亚造山带发生了重要转变, 即由古亚洲洋构造体系向古太平洋构造体系的转折(赵越等, 2004; 董树文等, 2008), 此时该区域地壳活动进入新一轮活跃期的早期, 受大陆边缘活动的影响显示出活化特征, 龙江盆地万宝组沉积物物源具有长英质和中性火山岩特性, 原岩形成于活动大陆边缘背景下的大陆岛弧环境。
侏罗纪, 大兴安岭地区主要受挤压作用的影响, 活动性显著增强, 在大兴安岭西部及周边地区发育少量中侏罗世大陆边缘型钙碱性火山岩(陈志广等, 2006; 孟恩等, 2011; 许文良等, 2013)及具有活动大陆边缘岩石组合特征的侏罗纪花岗岩 (苗来成等, 2003; 葛文春等, 2005; 隋振民等, 2007)。多数学者将这种挤压作用归结为古太平洋板块俯冲作用的影响(隋振民等, 2007; Wu et al., 2007; 张宏等, 2008), 认为大兴安岭中生代火山岩可能为古太平洋板块俯冲作用及后继作用的产物。而许文良(2013)研究认为, 中侏罗世大兴安岭西坡— 冀北— 辽西地区存在1次重要的陆壳加厚过程, 广泛发育的中晚侏罗世火山岩应与蒙古— 鄂霍茨克缝合带闭合有关; 李宇(2015)研究了孙吴地区中侏罗世白云母花岗岩, 认为其形成于新增生的加厚陆壳物质的部分熔融, 与蒙古— 鄂霍茨克缝合带闭合的陆— 陆碰撞有关。
本次研究的万宝组物源, 主要来自于中侏罗世的火山岩, 原岩形成于活动大陆边缘背景下的大陆岛弧环境。笔者前期研究了该地层中的火山岩, 其构造背景也表现出与俯冲作用有关的特点(张渝金等, 2018)。因此, 根据当前资料推测, 龙江盆地中侏罗世沉积演化可能与古太平洋板块俯冲和蒙古— 鄂霍茨克缝合带演化双重作用有关, 且与蒙古— 鄂霍茨克缝合带联系更为密切。
利用砂岩碎屑组成、重矿物、细碎屑岩地球化学特征和碎屑锆石年龄等多种手段, 综合分析了龙江盆地万宝组沉积物源, 结果表明:
1)依据岩屑及重矿物组合特征, 认为万宝组沉积物源具有以中酸性岩浆岩和中低级变质岩为主, 以及具少量中基性岩浆岩的特点, 显示该地区砂岩具有较为复杂的母岩类型。
2)万宝组碎屑锆石具有4组年龄峰值, 分别为167.5± 2.5Ma、236.4± 2.1Ma、309.1± 6.0Ma和363.2± 7.2Ma, 反映了万宝组砂岩具有多物源的特点, 主要来自于中侏罗世火山岩, 其他来自于晚泥盆世— 三叠纪的岩浆活动产物。
3)万宝组沉积物源具有长英质和中性火山岩特性, 原岩形成于活动大陆边缘背景下的大陆岛弧环境。龙江盆地中侏罗世沉积演化可能与古太平洋板块俯冲作用和蒙古— 鄂霍茨克缝合带演化双重作用的影响有关, 而与蒙古— 鄂霍茨克缝合带联系更为密切。
致谢 野外地质调查工作中得到了沈阳地质调查中心杨雅军教授级高级工程师,崔天日教授级高级工程师及张立东研究员的指导,薄片鉴定方面得到了钟辉教授级高级工程师的细心指导,在此表示感谢。同时对匿名审稿人表示感谢。
作者声明没有竞争性利益冲突.
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