渤海東部蓬萊15-2構造東營組、館陶組砂巖碎屑鋯石定年及物源示蹤*

趙 夢 杜曉峰 王清斌 趙 婧 郝軼偉

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

沉積巖中的碎屑鋯石U-Pb年齡幾乎不受搬運過程及成巖過程的影響，最大限度地保留了母巖的信息，因此被廣泛地應用于國內外的沉積巖物源示蹤研究中[1-7]。目前，已在渤海西部海域的石臼坨凸起、沙壘田凸起及其圍區一帶開展了沉積巖碎屑鋯石年代學物源示蹤研究，并結合相關沉積研究成果實現了對渤西部分區域的古源匯體系精細刻畫和母巖示蹤[7-10]。然而，渤海東部海域僅有少量花崗巖潛山鋯石U-Pb定年數據發表，集中在蓬萊9-1構造區域[11-12]，尚無沉積巖碎屑鋯石U-Pb年齡數據發表。

本文首先在渤海東部開展了蓬萊15-2構造東營組、館陶組砂體的碎屑鋯石年代學分析，發現該構造不同部位鉆井在不同時期的沉積物碎屑鋯石年齡組分存在差異性，分別代表了廟西北凸起上不同的母巖類型和盆地外部物源的影響，繼而對研究區周邊陸上潛在物源區展開調研，收集、對比了上述區域太古界—元古界的鋯石年齡數據，整理出渤東地區的各物源的碎屑鋯石年齡譜特征，確定外部物源的陸上分布范圍，為深入認識蓬萊15-2構造東營組、館陶組沉積期的古物源體系提供了新的證據。

1 研究區地質概況

廟西北凸起位于渤海東部地區(圖1)，面積約242 km2，呈北東走向，東臨廟西北洼，其東南部邊界斷層(廟西1號斷裂)控制了廟西北洼的形成與演化。鉆井資料揭示，廟西北凸起西南、北東兩端潛山高點的巖性為千枚巖、片巖、石英巖、變質砂巖及少量動力變質巖，變質巖中裂縫并不發育，中間鞍部巖性為花崗閃長巖和二長花崗巖，侵位于變質巖體中，侵位年齡為160～165 Ma，屬于高鉀鈣堿性系列，具有Eu弱正異常特征，巖體發育大量裂縫[11-17]。廟西北凸起潛山頂部發育不整合面，上覆地層自下至上依次為新近系館陶組、明化鎮組下段、明化鎮組上段及平原組碎屑巖[18-20]。廟西北洼新生界最大沉積厚度約4 800 m，自下而上分別為古近系沙河街組、東營組，新近系館陶組、明化鎮組，以及第四系平原組，其中沙河街組直接沉積于前古近系基底之上，湖泊初始發育;東營組三段、東二下段發育大套半深湖—深湖相暗色泥巖;東二上段湖泊萎縮并進入濱湖環境，發育辮狀河三角洲[21-23]。

蓬萊15-2 構造背靠廟西北凸起，位于廟西北凸起東南側邊界斷層下降盤(圖1)。前人研究表明，東營組二段沉積時期，廟西北凸起出露地表，是廟西北洼的物源區之一，直至18 Ma之后才停止剝蝕并接受沉積[18,23]；新近紀館陶組沉積時期，膠遼隆起等盆外物源區通過復州河水系和廟島-蓬萊水系為渤海東部淺海地區提供沉積物[24-25]，但這些認識主要依據巖屑類型及古地貌恢復的研究方法獲得的。因此，為了更準確地示蹤、明確渤東地區古物源體系，在蓬萊15-2構造的2口井中進行了鉆井取樣，開展了東營組與館陶組碎巖鋯石U-Pb定年分析及物源示蹤，為深入認識研究區的不同物源區和沉積過程提供了新的證據。

圖1 渤海東部廟西北凸起地質圖與鉆井位置(據趙國祥 等[12]修改)Fig.1 Geology map of the Miaoxibei uplift of the eastern Bohai sea and the location of the wells(revised after Zhao Guoxiang et al.[12])

2 材料方法

研究中對PL15-2-7井東營組二段(Ed2)及PL15-2-12d井館陶組(N1g)的砂巖巖屑取樣，共采集4個巖屑樣品(取樣層位深度如圖2所示)，進行碎屑鋯石U-Pb定年分析。PL15-2-7井樣品巖性為含礫中砂巖、高嶺石質粉砂巖，PL15-2-12d井樣品巖性為含礫中砂巖、細砂巖。樣品的預處理、陰極發光(CL)圖像拍攝和LA-ICP-MS定年均在中國地質大學(武漢)地質過程與礦產資源國家重點實驗室(GPMR)完成，激光剝蝕系統為GeoLas 2005，ICP-MS為Agilent 7500a。

對每顆鋯石進行U-Pb定年，最終獲得3組年齡：207Pb/206Pb、207Pb/235U、206Pb/238U。對于封閉體系，U-Pb年齡是諧和的，反映出鋯石的結晶年齡。而在實際情況下，由于熱液或變質作用的影響，鋯石有可能會Pb污染或丟失，導致U-Pb年齡不諧和[10]。在數據處理中，對206Pb/238U年齡小于1 000 Ma的鋯石選取206Pb/238U年齡，并以100×(207Pb/235U)/(206Pb/238U)計算諧和度；對206Pb/238U年齡大于1 000 Ma的鋯石選取207Pb/206Pb年齡并以100×(207Pb/206Pb)/(206Pb/238U)計算諧和度[26]。結合樣品數據情況，選取諧和度大于90%的鋯石U-Pb年齡，并根據Kernel Density Estimation(KDE)方法繪制鋯石年齡譜圖[27-29]。

圖2 PL15-2-7井東二段(Ed2)、PL15-2-12d井館陶組(N1g)巖性剖面Fig.2 Ed2 lithology of Well PL15-2-7 and N1g lithology of Well PL15-2-12d

3 碎屑鋯石U-Pb年齡特征

測年數據經過預處理，共計獲得158個諧和年齡(諧和度>90%)，僅有2顆Th/U<0.1的變質成因鋯石(圖3)，說明樣品鋯石以巖漿成因為主。圖4為蓬萊15-2構造樣品部分鋯石CL圖像，砂巖樣品鋯石粒度多在60～120 μm，整體柱狀特征明顯，巖漿生長振蕩環帶明顯，僅少量鋯石晶形完整，晶體棱角已有一定程度磨圓，說明具有一定搬運距離。樣品碎屑鋯石年齡從太古代到新生代都有分布(圖5)，最年輕年齡為151 Ma(PL15-2-12d井，館陶組N1g)，最古老年齡為2 961 Ma(PL15-2-7井，東營組二段Ed2)。

PL15-2-7井東營組二段(Ed2)含礫中砂巖及含礫細砂巖樣品共測得84個諧和鋯石U-Pb年齡點。樣品富含大量元古代(Pt)鋯石，其中中元古代(Pt2)鋯石含量為8.3%，古元古代(Pt1)鋯石含量為71.4%，其余為太古代(Ar)鋯石，含量為20.2%;不含中生代(Mz)、古生代(Pz)及新元古代(Pt3)鋯石(圖5)。該井東營組二段砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜的主要峰值年齡為1 863 Ma，并具有2 478 Ma次要峰值(圖5)。

圖3 蓬萊15-2構造東營組、館陶組砂巖碎屑鋯石Th/U比值Fig.3 Th/U ratio of the detrital zircons of Ed2 and N1g sandstones in PL15-2 structure

圖4 蓬萊15-2構造樣品部分鋯石CL圖像Fig.4 CL images of the sandstones of PL15-2 structure

注：n為年齡點個數。

圖5 蓬萊15-2構造東營組、館陶組砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜圖
Fig.5 U-Pb age spectra of the detrital zircons of Ed2and N1gsandstone in PL15-2 structure

PL15-2-12d井館陶組(N1g)含礫中砂巖樣品共測得74個諧和鋯石U-Pb年齡點。樣品的中生代(Mz)鋯石全部為侏羅紀(J)鋯石，含量為39.2%，不含白堊紀(K)、三疊紀(T)鋯石，也不含古生代(Pz)鋯石。樣品含有大量的元古代(Pt)鋯石，含量為52.7%，其中新元古代(Pt3)鋯石含量為2.7%，中元古代(Pt2)鋯石占25.7%，古元古代(Pt1)鋯石占24.3%。另外，樣品的太古代(Ar)鋯石含量為8.1%(圖5)。該井館陶組砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜的主要峰值年齡為159 Ma，并具有1 486 Ma和2 373 Ma兩個次要峰值(圖5)。

周心懷 等[11]和趙國祥 等[12]對廟西北凸起鞍部中生代花崗巖侵入體的定年研究均表明該巖體的鋯石U-Pb年齡組成以侏羅紀(J)為主，部分鋯石測得太古代(Ar)—古元古代(Pt1)的核部年齡。PL15-2-7井東營組二段(Ed2)沉積物僅含有太古代(Ar)—古元古代(Pt1)碎屑鋯石，具有突出的1 863 Ma峰值，不含中生代鋯石，說明該井在東二段沉積時期不受中部的中生代花崗巖影響，其沉積物完全由廟西北凸起南部的古元古代變質巖提供，樣品的碎屑鋯石年齡特征也代表了該元古界潛山的鋯石年齡特征。

而PL15-2-12d井在館陶組(N1g)沉積物中含有39.2%的侏羅紀(J)鋯石和24.3%的古元古代(Pt1)鋯石，具有159 Ma的主峰值和2373 Ma次要峰值，其母巖為廟西北凸起鞍部的中生代花崗巖，并且館陶組(N1g)沉積物并不具有約1 800 Ma的古元古代峰值，說明該井不受廟西北凸起的古元古代變質巖影響，但還受到其他物源影響，物源區母巖為該井館陶組(N1g)砂巖提供了富含中元古代(Pt2)鋯石的沉積物，并具有1 486 Ma的峰值。

4 館陶組(N1g)砂巖物源示蹤

前人研究表明，在館陶組(N1g)沉積初期，廟西北凸起仍作為盆內物源區遭受剝蝕，而盆外的膠遼隆起等地區也通過復州河水系、廟島-蓬萊水系等古河流體系為渤海東部地區提供沉積物[18,24-25]。然而，受到礦區范圍限制，目前研究區東側、南側海域缺乏鉆井樣品或鋯石年齡數據，因此對遼東半島陸上部分和廟島群島展開了區域地層調研，收集、對比了上述區域太古界—元古界的鋯石年齡數據[30-33]，并結合廟西北凸起的相關數據[11-12]，系統地梳理了渤東地區各物源的碎屑鋯石年齡特征，為研究區的物源分析提供了證據。

1) 廟西北凸起元古界潛山。廟西北凸起元古界潛山巖性為千枚巖、片巖、石英巖、變質砂巖及少量動力變質巖，自古近紀至新近紀館陶組沉積初期都作為盆內物源區遭受剝蝕，為研究區提供沉積物[13,18-19]。PL15-2-7井東營組二段(Ed2)沉積物完全受控于廟西北凸起南部的元古界潛山，因此其碎屑鋯石的年齡組分即代表了廟西北凸起的元古界潛山的鋯石年齡組分，由此可知廟西北凸起元古界潛山的鋯石年齡譜具有1 863 Ma主峰值和2 478 Ma次峰值，其剝蝕沉積物中含有大量古元古代(Pt1)鋯石，其次為太古代(Ar)鋯石，中元古代(Pt2)鋯石較少，不含中生代(Mz)鋯石。

2) 廟西北凸起中生界潛山。廟西北凸起中間鞍部發育一套中侏羅系花崗巖侵入體(圖1)，鋯石U-Pb年齡為 160～165 Ma，測年結果亦顯示部分鋯石具有古元古代(Pt1)的繼承核[11-12]。PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物富含侏羅紀(J)鋯石，并具有159 Ma峰值年齡，指示其沉積物主要來自廟西北凸起鞍部的侏羅系潛山，但該井同時還受到其他物源影響，沉積物具有獨特的1 484 Ma峰值特征，并含有25.7%的中元古代(Pt2)鋯石，這與PL15-2-7井東營組二段(Ed2)沉積物所反映出的廟西北凸起南部的元古界潛山鋯石年齡特征不符。因此，廟西北凸起的元古界潛山無法為PL15-2-12d井館陶組(N1g)砂巖提供富含中元古代(Pt2)鋯石的沉積物，該部分沉積物應來自于其他物源區。

3) 遼東半島老鐵山地區(老鐵山水系)。在遼東半島南端老鐵山地區，Yang等[32]在旅順西南約5 km處上元古界釣魚臺組石英砂巖中取樣(取樣位置見圖6)，發現樣品中的碎屑鋯石全部為中元古代(Pt2)鋯石，不含其它年齡段鋯石，鋯石年齡譜具有突出的約1 500 Ma峰值，以及約1 600 Ma、約1 700 Ma和約1 200 Ma等次要峰值年齡(圖7a)，其主峰值年齡完全符合PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物特征(圖5)，因此認為該上元古界釣魚臺組石英砂巖是研究區的母巖之一，老鐵山地區在館陶組(N1g)沉積時期位于研究區的物源范圍內。值得注意的是，由于PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物主要來自于廟西北凸起鞍部的中生代花崗巖，因此旅順老鐵山地區釣魚臺組石英砂巖的次要峰值年齡在PL15-2-12d井館陶組(N1g)砂巖中并未明確體現出來，僅表現為1 484 Ma峰值右側的低矮緩峰(圖5)。

4) 遼東半島南部大連-金州地區。在遼東半島南部大連-金州地區，Yang等[32]在大連市東北約12 km處上元古界興民村組石英砂巖中取樣(取樣位置見圖6)，發現樣品的中元古代(Pt2)鋯石含量高達64.4%，鋯石年齡譜具有突出的約1 600 Ma峰值，以及約1 800 Ma和約900 Ma等次要峰值年齡(圖7b)。上述特征峰值均未出現在PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物碎屑鋯石年齡譜圖中(圖5)，故認為大連-金州地區此時并未處于研究區的物源范圍內。

5) 遼東半島西部復州地區(復州河水系)。如圖6所示，在遼東半島西部，中、上元古界沉積巖廣泛分布，在多地角度不整合于太古界混合巖之上或平行不整合于下元古界之上[35]。在復州地區，高林志 等[31]在長興島西側上元古界青白口系細河群釣魚臺組中薄層砂巖夾粉砂巖和灰色泥巖露頭處取樣(取樣位置見圖6)，發現沉積巖樣品鋯石年齡譜具有突出的約1 600 Ma峰值，以及約1 800 Ma和約1 100 Ma等次要峰值年齡(圖7c)，中元古代(Pt2)鋯石含量高達87.5%。雖然該上元古界釣魚臺組砂巖樣品中富含中元古代(Pt2)鋯石，但其年齡峰值均未出現在PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物碎屑鋯石年齡譜圖中(圖5)，故認為復州地區此時并非PL15-2-12d井的物源區。

6) 遼東半島東部地區。如圖6所示，以瓦房店為界，遼東半島東部地區巖性以太古界變質巖及中生界巖漿巖為主[35]，該地區元古界具有顯著的約1 900 Ma主峰值年齡[30]，而PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物并不具有該峰值(圖5)，故認為遼東半島東部地區并非研究區的物源區。

7) 山東長島地區(廟島-蓬萊水系)。在山東蓬萊長島地區，諸島上主要出露上元古界蓬萊群輔子夼組巨厚層狀變質石英砂巖[36]。初航 等[33]在長島地區大黑山島北部、長山島北部九丈崖和月牙灣等地取得3個上元古界蓬萊群輔子夼組淺變質沉積巖樣品(取樣位置見圖6)，發現該變質石英砂巖樣品的中元古代(Pt2)鋯石含量高達87.5%，鋯石年齡譜具有突出的約1 600 Ma峰值，以及約1 500 Ma、約1 700 Ma和約1 200 Ma等次要峰值年齡(圖7d)。雖然該輔子夼組變質石英砂巖樣品富含中元古代(Pt2)鋯石，并且具有與PL15-2-12d井館陶組(N1g)砂巖樣品相同的約1 500 Ma峰值年齡，但該套砂巖的主峰值仍為約1 600 Ma，若其作為母巖遭受剝蝕為研究區提供沉積物時，則該沉積物必然也將具有約1 600 Ma的峰值年齡，而PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物不具有該峰值年齡，因此認為山東長島地區并非PL15-2-12d井館陶組(N1g)的物源區。

圖6 遼東半島地質圖(據1∶1 000 000中國地質圖[34])Fig.6 Geology map of the Liaodong Peninsula(modified after 1∶1 000 000 geology map of China[34])

注：長興島數據引自高林志 等[31]；山東長島數據引自初航 等[33]；大連、旅順地區數據引自Yang 等[32]；n為年齡點個數。

圖7 潛在陸上源區的中—上元古界砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜圖
Fig.7 U-Pb age spectra of the detrital zircons ofMesoproterozoic—Neoproterozoic sandstones of thepotential source areas

綜上所述，在館陶組(N1g)沉積時期，PL15-2-12d井主要受控于廟西北凸起鞍部中生界潛山，另一次要物源區旅順地區的上元古界沉積巖，經老鐵山水系搬運至研究區再沉積，沉積物富含中元古代(Pt2)鋯石，具有約1 500 Ma主峰值年齡。復州、大連及山東長島地區雖然同樣大面積分布上元古界沉積巖，且地層中富含中元古代(Pt2)鋯石，但這些區域的上元古界沉積巖以約1 600 Ma主峰值為特征，并不符合PL15-2-12d井館陶組(N1g)砂巖的鋯石年齡譜峰值特征，因此認為復州、大連及山東長島地區當時并未處于PL15-2-12d井的物源區范圍內。

5 結論

1) PL15-2-7井東營組二段(Ed2)砂巖僅含有太古代(Ar)—古元古代(Pt1)碎屑鋯石，具有突出的1 863 Ma峰值，不含中生代鋯石，母巖為廟西北凸起南部元古界潛山，不受凸起鞍部的侏羅系潛山影響。

2) PL15-2-12d井館陶組(N1g)砂礫巖的侏羅紀(J)鋯石含量高達39.2%，并具有突出的159 Ma峰值，其母巖為廟西北凸起鞍部的侏羅系潛山，但該井還受到盆外物源影響，沉積物富含中元古代(Pt2)和古元古代(Pt1)鋯石，并具有獨特的1 486 Ma峰值，其母巖為旅順地區的上元古界沉積巖，經老鐵山水系搬運至研究區再沉積。

3) 長興島-復州地區、大連-金州地區以及山東長島地區雖然大面積出露中—上元古界沉積巖，沉積物富含中元古代(Pt2)鋯石，但其峰值年齡為約1 600 Ma，在本研究PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積時期并未處于該井的物源區范圍內。