濟源盆地中晚三疊世地層沉積學、年代學研究及其對于恢復鄂爾多斯原型盆地的意義

劉 溪

(中煤能源研究院有限責任公司,陜西 西安 710054)

鄂爾多斯盆地是在華北克拉通殘延收縮的背景之下發育形成的大型能源盆地[1],其形成以來,經歷了中晚三疊世延長期和早中侏羅世延安期兩個鼎盛時期,孕育了豐富的生油和成煤巖系。近年來，圍繞鄂爾多斯盆地中南部延長期富烴凹陷的研究使鄂爾多斯盆地三疊紀含油氣系統進一步完善。然而,從該富烴凹陷以及延長期沉積相的展布可發現，其在東南方向存在沉積突變,即在旬邑—宜君—黃龍一帶沉積相帶由深湖相(沉降中心)直接尖滅為盆地邊緣,在銅川一帶也可見延長期地層被抬升至地表,再向南即進入渭河地塹系的渭北隆起,而整個渭河地塹系并未見延長期沉積[2-3],這種沉積相突變對在有著克拉通收縮背景的鄂爾多斯盆地來說顯得極為不正常。因此,三疊紀時期的鄂爾多斯原型盆地始終是學者關注的熱點之一。學者研究認為，其向東可擴至呂梁地區[4-5],向西邊界位于六盤山西緣大斷裂和賀蘭山西緣斷裂附近[6],向南可擴至北秦嶺商丹帶以北的柳葉河地區[7-8],東南可至河南南召一帶[9-10]。

由于多種因素的制約,有關鄂爾多斯盆地南部的研究多開展于盆地的西南部及其外圍,而盆地東南部的研究相對薄弱。通過前期研究，在河南南召、伊川等地區發現了可與鄂爾多斯盆地內部三疊系延長組長7油層組底部相對比的一套凝灰巖,并且通過對凝灰巖所在地層開展沉積相分析及年代學研究,發現南召地區凝灰巖與銅川等地的三疊系有良好的對應關系[9]。因此認為，這些現象可以佐證鄂爾多斯盆地三疊紀原型盆地東南可擴展至河南南召一帶,且該區當時也屬于深水沉積環境。后來受秦嶺碰撞造山的影響,鄂爾多斯盆地東南的秦嶺地區的構造格局發生巨變,自三疊紀以來持續抬升至今,在東秦嶺一帶分割形成了多個小型山間盆地,如南召盆地、伊川盆地等。

本研究對南召、伊川北部的河南濟源地區開展野外調查,并在該區西承留中三疊世剖面開展碎屑鋯石同位素研究,探討其與鄂爾多斯盆地在中晚三疊世的關聯性,從而為研究該時期原始盆地的沉積范圍提供依據。

1 研究區概況

濟源盆地地理位置上位于河南省西部,構造位置上介于中條山、太行山和嵩萁隆起之間,是在早中三疊世華北沉積盆地的基礎上繼承而來,沉積蓋層主要為中三疊統—中侏羅統,包括二馬營組、油坊莊組、椿樹腰組和譚莊組,侏羅系主要為義馬組和馬凹組[11-14](見圖1)。

圖1 研究區位置圖Fig.1 Location map of study area

本研究選取濟源盆地西承留剖面中晚三疊世地層進行沉積剖面實測,在此基礎上，通過巖石學、沉積學分析和碎屑巖鋯石定年技術,識別沉積特征,討論碎屑物源并與鄂爾多斯盆地東南緣三疊系剖面進行對比,探討鄂爾多斯盆地三疊系東南部的沉積展布范圍。

2 沉積特征

根據河南省地質志(1985)記載,河南省華北地層分區，中晚三疊世與鄂爾多斯盆地延長組同期地層為中三疊統油坊莊組,中上三疊統椿樹腰組和譚莊組。

中三疊統油坊莊組在濟源地區內的整體巖性為：下段為黃綠色長石砂巖與紫灰色細砂巖、黏土巖呈不等厚互層,上段為杏黃色厚層中粗粒長石砂巖、中細粒長石砂巖夾紫紅色黏土巖。研究認為，其化石組合與鄂爾多斯盆地本部及陜西省銅川組相近,與延長植物群或河南省椿樹腰組、譚莊組所含中晚三疊世的植物群相比有明顯差異,因此將其歸為中三疊統。然而從巖性上看,本組標志為頂部的紫紅色泥巖,與盆地本部銅川組有較大差異,與紙坊組可對比,河南省區調隊將本組與下部二馬營組均劃為中三疊世早中期,與盆地本部紙坊組的時代一致。椿樹腰組與下伏油坊莊組整合接觸,下部巖性為灰黃色細粒長石砂巖、粉砂巖夾淺黃色、黃綠色粉砂質泥巖、泥巖,中部出現灰色、灰綠色泥巖夾薄層粉砂巖,上部為厚層灰黃色粉—細砂巖,從巖性變化上與盆地本部延長組早期T3y1+2(長10～長8油層組)可對比。譚莊組與椿樹腰組整合接觸,與上覆中侏羅統馬凹組平行不整合接觸,從巖性及顏色上,自下而上可分為兩段,下段為淺黃色、黃綠色泥巖夾薄層黃綠色、灰黃色細—粉砂巖,上段巖性仍為泥巖夾薄層細粉砂巖,但地層顏色變為以深灰色、灰綠色為主,代表水體整體變深。本組下部巖性段可與鄂爾多斯盆地本部延長組中期T3y3(長7～長4+5油層組)對比, 上段巖性可與延長組晚期長3～長1油層組對比。

西承留剖面位于河南省濟源市承留鎮,剖面上，中上三疊統底部與下伏中三疊統油房莊組紫紅色泥巖整合接觸,頂部與中侏羅統馬凹組不整合接觸。通過研究，可進一步將中上三疊統整體劃分為3段,從下向上可分別對應中晚三疊世早期、中期和晚期,其中,中晚三疊世早期沉積地層以土黃色、灰黃色細砂巖為主,夾有粉砂巖及泥巖,厚約430 m,為水動力較強的動蕩沉積環境,但水深較淺,本研究將其劃分為三角洲前緣沉積亞相;中晚三疊世中期沉積地層以灰黃色—灰色粉砂巖、泥巖為主,夾有薄層細砂巖,厚約380 m,并見薄層灰黑色泥巖、粉砂質泥巖,水動力條件較早期較弱,且水體有變深的趨勢,依據泥巖與砂巖比例將其劃分為三角洲前緣和淺湖沉積亞相;中晚三疊世晚期，沉積地層以灰色、深灰色及灰綠色泥巖、粉砂質泥巖為主,夾有細砂巖,厚約470 m,且自下而上，細砂巖厚度有所增加,顯示水體存在由淺變深又由深變淺的變化過程,水動力條件也逐漸變強,因此將其劃分為三角洲前緣、淺湖和深湖沉積亞相(見圖2)。

整體上看,西承留剖面延長組地層發育完整,早期為三角洲前緣相沉積,表現為砂體較厚但粒度較細,部分層段與泥巖互層較頻繁;中期淺湖沉積和三角洲前緣沉積交互出現,以淺湖沉積為主,表現為泥巖中夾多層砂巖薄層;晚期仍以三角洲前緣和淺湖交替出現為特征,但上部層位出現深湖沉積。本區延長組由底至頂,泥質含量逐漸增高,砂體逐漸變薄,且地層顏色逐漸加深,表現為湖進的單旋回。

3 碎屑鋯石U-Pb同位素年齡測試

本研究共采集3件碎屑鋯石樣品,覆蓋了西承留剖面上油坊莊組、椿樹腰組和譚莊組,通過對這幾個樣品的碎屑鋯石開展同位素研究,可探討其與鄂爾多斯盆地在中晚三疊世的關聯性,從而為研究該時期原始盆地的沉積范圍提供依據。

3.1 樣品描述及測試方法

本研究3個碎屑鋯石樣品JY-2、JY-3、JY-4分別采自濟源西承留剖面油坊莊組灰綠色長石中砂巖、椿樹腰組土黃色長石中砂巖和譚莊組土黃色長石砂巖。從陰極發光照片上看(見圖3),3個樣品鋯石顆粒整體磨圓較好,說明經歷了搬運再沉積作用,個別年輕鋯石晶形較好,呈短柱狀,顆粒粒徑在100 μm左右。鋯石顆粒上可以見到清晰的振蕩環帶,部分鋯石環帶較弱,但呈現明顯的核幔結構,說明研究區鋯石整體以巖漿鋯石為主,但也受到后期地質事件的影響發生了變質。由于鋯石形態多樣,因此樣品整體呈現碎屑鋯石的特點。

圖2 濟源西承留剖面中晚三疊世綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of sedimentary facies of Middle-Upper Triassic in Xichengliu profile, Jiyuan City, Henan Province

由于不同成因的鋯石Th、U含量不同,因此通常情況下Th/U比值能在一定程度上作為鋯石成因的判定標志,即巖漿鋯石Th/U>0.4,變質鋯石Th/U<0.1。雖然目前部分學者研究發現這個標準并不絕對,但仍可以作為參考[15-16]。研究區鋯石Th/U比值絕大多數大于0.1,均為巖漿成因(見圖4)。

本次碎屑鋯石樣品U-Pb同位素定年測試采用激光剝蝕等離子質譜分析方法(LA-ICP-MS),激光剝蝕系統為GeoLas Pro,ICP-MS為Agilent 7700x。選用91500和GJ-1作為標樣,數據處理采用 Glitter 4.4 程序,置信度95%,誤差為1σ。實驗在中國地質調查局西安地質調查中心國土資源部巖漿作用成礦與找礦重點實驗室完成。

3.2 U-Pb同位素年齡特征

本研究對3個樣品的分析測試,共獲得了283顆碎屑鋯石的U-Pb同位素年齡數據,在協和度取值90%～110%的前提下,共有253個數據可靠,這些年齡基本位于協和線上(見圖5)。樣品的年齡分布特征如表1。

由表1可以看出,研究區3個碎屑鋯石樣品的諧和年齡范圍大致相同(220～2 600 Ma),從分布頻率直方圖上可以看出3個年齡組:220～330 Ma(JY-2樣品38顆,峰值254 Ma;JY-3樣品25顆,峰值254 Ma;JY-4樣品11顆,峰值246 Ma); 1 600～2 100 Ma(JY-2樣品12顆,未見明顯峰值;JY-3樣品17顆,峰值1 859 Ma;JY-4樣品38顆,峰值1 836 Ma);2 300～2 600 Ma(JY-2樣品35顆,峰值2 517 Ma;JY-3樣品38顆,峰值2 494 Ma;JY-4樣品36顆,峰值2 486 Ma)。另在JY-4樣品中出現一顆加里東期(452 Ma±12 Ma)和一顆晉寧期(980 Ma±21 Ma)年齡鋯石(見圖6)。

3.3 測年結果討論

3.3.1 2 300～2 600 Ma 此組年齡鋯石顆粒最多,樣品峰值集中在2 500 Ma左右,對應于太古代—古元古代微陸塊拼合的華北克拉通開始形成的時代,是華北克拉通變質結晶基底的年齡。在華北板塊北緣,此組年齡主要包括年齡為2.6～2.5 Ga的TTG片麻巖、鎂鐵質-超鎂鐵質侵入巖、少量表殼巖等。在華北板塊南緣記錄為太華群和鐵銅溝群的角閃巖相變質結晶基底(2.3 Ga～2.8 Ga),其中太華群巖體有熊耳山斜長角閃巖(2.5～2.3 Ga)、小秦嶺黑云母片麻巖(2.5～2.3Ga)[17]、閃長質片麻巖(2 338 Ma)[18]等,登封群為花崗-綠巖體(2.5～2.6 Ga)[19]。

圖4 鋯石樣品Th/U與年齡分布圖Fig.4 Th/u vs. Age distribution diagram of zircon samples

圖5 鋯石樣品U-Pb協和圖Fig.5 U-Pb concordia diagram of zircon samples

表1 研究區鋯石樣品年齡結構分布頻率表Tab.1 Distribution frequencyTable of age structures of zircon samples in the study area

注：北秦嶺、陰山地塊、孔茲巖帶數據來自文獻[20]；南秦嶺、華北板塊南緣數據來自文獻[21]圖6 濟源西承留剖面中晚三疊世碎屑鋯石U-Pb年齡及周緣巖體鋯石年齡圖譜Fig.6 The atlas of U-Pb ages of Middle-Late Triassic detrital zircons from Xichengliu section of Jiyuan region and zircons from peripheral rocks

3.3.2 1 600～2 100 Ma 此組年齡為古元古代年齡,在研究區3個樣品中,占比最小,峰值集中在1 800 Ma左右,JY-2樣品未見明顯峰值。該組年齡為東西部陸塊沿中部造山帶拼合并使華北克拉通最終形成的時代。在華北板塊北緣,古元古代主要以沿集寧、大青山—烏拉山、千里山—賀蘭山自東向西分布的孔茲巖系、TTG片麻巖和麻粒巖為代表。在華北板塊南緣表現為中元古代熊耳群輕微變質或未變質的火山巖(1.9～1.7 Ga)[22]、汝陽群和洛峪群的凝灰巖(1 750～1 600 Ma)[23]以及中元古代和太古代的變沉積巖(1 850，2 500 Ma)[24]。

3.3.3 220～330 Ma 此段年齡在研究區樣品中占比較高,含量自JY-2向JY-3、JY-4遞減,3個樣品峰值均在250 Ma左右,并在JY-3中出現330 Ma次峰,整體對應海西—印支期運動。由于早石炭世晚期—中二疊世(330～265 Ma)為古亞洲洋板塊向華北板塊北緣的俯沖運動,在烏拉山地區發育年齡約330 Ma的二長花崗巖、正長花崗巖、輝長閃長巖等[25],大青山同盛茂地區發育晚石炭世火山巖(305 Ma)[26],小井溝發育花崗巖(275 Ma±1 Ma)[27],另外代表巖體有烏拉特中旗花崗閃長巖(291 Ma±4 Ma)、石蘭哈達石英閃長巖(299 Ma±4 Ma)、烏梁斯太花崗巖(277 Ma±3 Ma)、烏拉特中旗石英閃長巖(276 Ma±4 Ma)等;二疊紀末—三疊紀(250～200 Ma)為古亞洲洋閉合、西伯利亞板塊與華北板塊拼合碰撞期間,整個華北板塊北緣自東向西發育印支期花崗巖體(207～227 Ma)[28]。同時,南秦嶺勉略地區蛇綠巖中發育鋯石U-Pb年齡為(300±6)Ma的斜長花崗巖,南平地區安山巖LA-ICPMS年齡為(246±3)Ma,代表勉略洋殼的俯沖年齡[29]。南秦嶺西段發育大量與勉略洋俯沖-閉合有關的三疊紀花崗巖類巖體,西部冶力關、夏河花崗巖年齡分別為(245±6)Ma和(238±4)Ma[30]，“東江口花崗閃長巖(247～223 Ma)[31-33]等為南秦嶺造山帶在237～210 Ma由俯沖向同碰撞轉換背景的響應[29]”。

3.4 物源區限定

從上述分析可以看出,研究區中晚三疊世主要的潛在物源區包括華北板塊北部陰山地塊、南部華北板塊南緣、南秦嶺以及華北板塊沉積蓋層。JY-2中的三疊世樣品中，印支期—海西期年齡的鋯石(220～271 Ma,峰值254 Ma)可對應陰山—大青山地區、秦嶺造山帶勉略縫合帶巖體及華北板塊南緣蓋層再旋回。高頻峰值區古元古代早期—新太古代(2 427～2 626 Ma,峰值2 517 Ma)可對應陰山地塊孔茲巖系與華北板塊沉積蓋層。古元古代年齡(1 695～1 894 Ma)顆粒較少(15%)且年齡值分散,不形成峰值年齡。由于樣品中不含加里東期和晉寧期年齡,因此判斷JY-2的物源為華北北緣陰山地塊與華北板塊再旋回物質。

JY-3延長組早期樣品印支期年齡和海西期年齡鋯石(222～336 Ma,峰值254 Ma,次峰330 Ma)比JY-2有所減少。古元古代早期—新太古代年齡(2 303～2 695 Ma,峰值2 494 Ma)和古元古代年齡(1 673～1 947 Ma,峰值1 859 Ma)相比于JY-2均增加,可能為陰山地塊地層隨著剝蝕程度的增加,新地層逐漸減薄,老地層出露。

JY-4延長組中期樣品中，印支期與海西期年齡鋯石(230～332 Ma,峰值246 Ma)繼續降低,出現了1顆加里東期452 Ma和1顆晉寧期980 Ma年齡的鋯石,這兩個年齡均為北秦嶺造山帶的代表年齡,在華北板塊南緣中也存在一定數量；同時，古元古代鋯石(1 680～2 078 Ma,峰值1 836 Ma)數量顯著增加,古元古代早期—新太古代年齡(2 298～2 668 Ma,峰值2 486 Ma)數量相對JY-3有所降低,但與JY-2基本相等。由于北秦嶺帶鋯石結構中，古元古代及古元古代早期—新太古代區間的年齡有限,因此這樣的變化說明新增加的物源區可能為華北板塊南緣而非北秦嶺。從沉積時代上看,從延長組中期開始,濟源地區的物源在華北板塊北緣的陰山地區及華北板塊沉積蓋層再旋回物質的基礎上,增加了華北板塊南緣的供給。

4 討論

本研究結果表明,研究區中晚三疊世早期沉積以灰黃色厚層砂巖、粉砂巖夾泥巖為主；中期砂體變薄,與泥巖頻繁互層；晚期砂體進一步變薄,泥巖層增厚,呈現泥巖中夾薄砂層的狀態,砂泥巖顏色從灰黃色逐漸過渡為灰綠色、灰色,地層保存完整。整體上講，其呈現出水體由淺入深的變化,表現為湖進的單旋回,雖無法與鄂爾多斯盆地本部完整的水進、水退旋回完全對應,但二者對應性較好。從河南省地質志(1985)記載可知,研究區油坊莊組頂部標志性的紫紅色泥巖可與鄂爾多斯盆地本部中三疊統紙坊組對應,椿樹腰組與盆地本部延長組早期T3y1+2(長10～長8油層組)可對比,譚莊組下部巖性段可與鄂爾多斯盆地本部延長組中期T3y3(長7～長4+5油層組)對比,上段巖性可與延長組晚期T3y4+5(長3～長1油層組)對比。同時，濟源地區椿樹腰組和譚莊組的古生物組合與鄂爾多斯盆地延長組基本一致,說明為中晚三疊世同期地層。

本研究將鄂爾多斯盆地東部外圍寧武杜家村—榆社輝教村—濟源西承留—南召太山廟剖面建立沉積相對比圖(見圖7)。從圖7中可以看出,中晚三疊世，地層厚度自北向南明顯增厚,符合構造背景,并與鄂爾多斯盆地本部自北向南地層厚度遞增趨勢一致。延長組早期，由辮狀河經辮狀河三角洲、三角洲向淺湖和深湖相過渡,延長組中期由辮狀河經曲流河三角洲和淺湖向深湖相過渡,延長組晚期寧武和榆社剖面幾乎被剝蝕殆盡,濟源剖面以深湖相沉積為主,南召剖面為典型深湖相沉積。

從濟源西承留—韓城薛峰川—銅川漆水河—麟游澄水河剖面可以看出,延長組早期從澄水河向薛峰川方向由三角洲平原經三角洲前緣相向淺湖相過渡,從濟源剖面至薛峰川方向由三角洲前緣相向淺湖相變化。延長組中期，從澄水河向漆水河方向由三角洲相、淺湖相向深湖相過渡,從濟源向漆水河方向由淺湖相向深湖相變化。延長組晚期，由于澄水河剖面缺少地層記錄,從漆水河向濟源方向由三角洲平原經由三角洲前緣向深湖相過渡(見圖8)。

圖7 寧武杜家村—榆社輝教村—濟源西承留—南召太山廟剖面中晚三疊世延長期沉積相對比剖面圖Fig.7 Correlation section of sedimentary facies in the Middle-Late Triassic of Ningwu-Yushe-Jiyuan

圖8 濟源西承留—韓城薛峰川—銅川漆水河—麟游澄水河剖面中晚三疊世延長期沉積相對比剖面圖Fig.8 Correlation section of sedimentary facies in the Middle-Late Triassic of Jiyuan-Hancheng-Tongchuan-Linyou

由此可見,濟源地區無論是與鄂爾多斯盆地東部外圍剖面還是與盆地南部剖面對比,沉積相變在空間上和時間上均符合瓦爾特相律,且地層沉積厚度變化符合中晚三疊世鄂爾多斯盆地古地貌北高南低,沉積厚度北薄南厚的特征。

同時,由本次碎屑鋯石年代學研究結果可知,濟源地區中晚三疊世碎屑物源主要來自華北板塊北部陰山地塊、華北板塊南緣以及華北板塊沉積蓋層再旋回。其中，華北板塊北部、沉積蓋層再旋回物源與前人對鄂爾多斯盆地東北部延長組地層以及榆社地區中晚三疊世碎屑物源的研究結果一致[34],中晚三疊世晚期增加的華北板塊南緣物源與南召地區物源一致。因此推測，在中晚三疊世，研究區應與現今鄂爾多斯盆地屬于同一沉積盆地,且在三疊紀晚期位于該大型沉積盆地的湖盆中心附近。

5 結論

1)濟源地區中晚三疊世早期巖性以灰黃色細粒長石砂巖夾黃綠色粉砂巖、泥巖為主,中期以黃綠色泥巖夾粉砂巖為主,晚期為深灰色、灰綠色泥巖夾粉砂巖為主。沉積相自三角洲前緣相經淺湖相向深湖相演變,展現了一個單向湖進旋回,與鄂爾多斯盆地延長組湖盆演化過程基本一致。

2)濟源地區中晚三疊世3個碎屑鋯石樣品U-Pb同位素年齡主要顯示為3段:2 300～2 600 Ma、1 600～2 100 Ma、220～330 Ma,另有兩顆單顆粒鋯石年齡分別為(452±12)Ma和(980±21)Ma。通過源區對比分析可知，中晚三疊世早中期物源主要來自華北板塊北緣陰山地塊與華北板塊沉積蓋層,中晚三疊世晚期物源在華北板塊北緣陰山地塊與華北板塊沉積蓋層的基礎上增加了華北板塊南緣的供給。

3)根據沉積學與年代學分析結果認為，濟源地區中晚三疊世無論是地層厚度變化還是沉積相時空演變,均與鄂爾多斯盆地具有一致性,且符合當時的構造背景,因此推測中晚三疊世濟源盆地與鄂爾多斯盆地屬于同一個大型沉積盆地。