大興安嶺中段索倫地區中侏羅統萬寶組沉積環境及地球化學特征

施璐，唐振，張渝金，楊柳，杜玉春

1.中國地質調查局 沈陽地質調查中心，遼寧 沈陽 110034；2.東北大學 資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110004

0 前言

以往松遼盆地及外圍的油氣勘探工作主要集中在白堊系和古近系等已知目的層系，近年來侏羅系地層也作為主要生烴層系成為油氣勘探工作的新目標［1-4］，在突泉盆地突參1井侏羅系萬寶組也發現了輕質原油［3］.由于大面積的上侏羅統—下白堊統火山巖覆蓋，侏羅系沉積地層出露面積較少，制約了對于侏羅系沉積地層沉積環境、物源特征和構造背景等特征的認識.中侏羅統萬寶組作為潛在的烴源巖層位之一，是侏羅系主要的陸相沉積地層，確定其巖性組合特征、產出狀況、沉積環境、物源特征等就顯得尤為重要［5-6］.區域上萬寶組巖性可分為上、下兩部分，下部為灰、灰白、灰綠色礫巖夾砂巖和凝灰巖，上部為灰黑色泥巖、灰與灰黑色砂巖和粉砂巖夾凝灰巖及煤層，含植物化石.萬寶組通常以底部礫巖與下伏紅旗組呈角度不整合接觸，其上被塔木蘭溝組火山巖不整合覆蓋.筆者在大興安嶺中段索倫地區阿拉達爾吐等地發現了一套陸相火山沉積碎屑巖，通過孢粉化石、巖石組合等特征將其厘定為中侏羅統萬寶組（圖1）.本文以索倫地區萬寶組為研究對象，通過巖石地層層序、巖石地球化學等研究，確定萬寶組的沉積環境，探討其物源屬性和大地構造背景，為松遼盆地進一步的油氣勘探工作提供地質依據.

圖1 大興安嶺中段索倫地區地質簡圖Fig.1 Geological map of Suolun area in middle Daxinganling Mountains

1 區域地質背景

索倫地區位于松遼盆地西緣大興安嶺中段，大地構造位置處于賀根山－黑河斷裂以北的興安地塊東南緣（圖1a），經歷了古生代古亞洲洋構造域和中新生代蒙古－鄂霍次克洋及環太平洋構造域演化和疊加改造［7-10］.索倫地區晚古生代以淺變質的海相－陸相沉積作用為主，產出地層有下二疊統大石寨組（P1d）、中二疊統哲斯組（P2z）海相沉積地層和上二疊統林西組（P3l）湖沼相沉積地層.中生代以陸相火山沉積作用為主，產出地層有中侏羅統萬寶組（J2wb），上侏羅統滿克頭鄂博組（J3mk）、瑪尼吐組（J3mn），下白堊統白音高老組（K1b）、龍江組（K1l）、光華組（K1g）（圖1b）.

索倫地區萬寶組主要分布在冬省達坂、巴彥烏蘭、阿拉達爾吐等地，總體以條帶狀出露于研究區晚中生代火山噴發盆地的底部和盆緣一帶（圖1b）.該組為一套分布于山間斷陷盆地的陸相火山沉積碎屑巖建造，主要巖性為凝灰質砂礫巖、砂巖、粉砂巖及火山碎屑巖.筆者在該地區萬寶組砂巖中獲得大量孢粉化石，孢粉組合以Cyclogranisporites-Protopinus-Pristinuspollenites（圓形粒面孢-原始松粉－原始雙囊粉）為代表，孢子類型以侏羅紀常見孢粉化石為主，確認索倫地區萬寶組形成時代應為中侏羅世［11-13］.

2 巖石地層層序

本次研究在索倫地區冬省達坂實測了萬寶組地層剖面（PM111，圖2），剖面走向166°，長度1.83 km，地層層序自上而下如下.

圖2 索倫地區冬省達坂萬寶組地層實測剖面（PM111）Fig.2 Stratigraphic profile PM111 of Wanbao Formation at Dongshengdaban in Suolun area

該剖面顯示萬寶組為一套以凝灰質細砂巖、粉砂巖為主夾少量凝灰質中細砂巖的沉積巖建造.根據剖面圖整體進行分析，可劃分出4個沉積韻律，由上到下依次為：①凝灰質粉砂細砂巖－粉砂巖沉積韻律；②凝灰質中細粒砂巖－泥巖沉積韻律；③細砂巖－細砂粉砂巖沉積韻律；④細砂粉砂巖－細砂巖沉積韻律.①—③沉積韻律向上變細，表現出水進過程（即退積）；而④沉積韻律向上變粗，則表現出水退過程（即進積）.

在阿拉達爾吐地區實測萬寶組地層剖面（PM511，圖3），剖面走向88°，長度1.27 km，地層層序自上而下如下.

圖3 索倫地區阿拉達爾吐萬寶組地層實測剖面（PM511）Fig.3 Stratigraphic profile PM511 of Wanbao Formation at Alada’ertu in Suolun area

該剖面顯示萬寶組為一套以粗砂巖、中細粒長石巖屑砂巖及復成分礫巖為主，夾少量粉砂巖的沉積建造，含植物化石（未定種）.根據實測剖面綜合分析，可劃分為4個沉積韻律，由下到上依次為：①灰綠色粉砂巖－灰黃色含礫粗砂巖－粉砂巖沉積韻律；②粗粒長石巖屑砂巖－中粒長石巖屑砂巖沉積韻律；③砂礫巖－粉砂巖沉積韻律；④復成分礫巖－含礫中細粒長石巖屑砂巖－細砂巖沉積韻律.①④沉積韻律為一套相對完整的V級沉積體系；②③則表現為水進過程（即退積）.

3 沉積相分析

綜合分析兩條剖面，可將索倫地區萬寶組地層沉積相劃分為辮狀河三角洲相，形成于辮狀河體系前積到停滯水體中富含砂和礫石的三角洲沉積環境，沉積水動力環境介于粗碎屑為主的扇三角洲和細碎屑為主的正常三角洲之間［14］.

PM111剖面中，根據巖石組合與基本層序特征自下而上可劃分為兩個亞相：辮狀河前三角洲亞相（1—7層）——以淺灰色—深灰色凝灰質粉砂巖、細粒凝灰質砂巖互層為主體，局部發育中細粒凝灰質砂巖或凝灰質粉砂質泥巖夾層；辮狀河三角洲前緣亞相（8—10層）——深灰色中厚層狀細粒凝灰質砂巖、凝灰質細砂粉砂巖夾薄層狀凝灰質粉砂巖.

PM511剖面中根據巖石組合與基本層序特征自下而上可劃分為兩個亞相：辮狀河三角洲前緣亞相（1—3層）——底部以薄層狀粉砂巖為主，中部為灰紫色薄層狀粉砂巖與細粒凝灰質砂巖互層為主體，至頂部出現灰紫色含礫細砂巖與灰黃色砂質礫巖夾層，呈現逆粒序特征；辮狀河三角洲平原亞相（4—18層）——由多個向上變細的正粒序沉積韻律組成，每個韻律底部為灰色－灰黃色砂礫巖、凝灰質含礫粗砂巖，中部為灰黃色灰綠色中細粒凝灰質砂巖，頂部為灰紫色－灰綠色粉砂巖、粉砂質泥巖.

4 巖石地球化學特征

本次工作對索倫地區萬寶組砂巖樣品進行的主量、微量、稀土元素分析在自然資源部東北礦產資源監督檢測中心完成，分析結果見表1.將新鮮未風化的樣品洗凈、烘干后研磨至小于200目的粉末，用于主、微量元素分析.主量元素采用X射線熒光光譜法（XRF）分析，微量和稀土元素采用等離子質譜法（ICP－MS）分析.

由表1可知，萬寶組砂巖SiO2含量為61.81%～71.72%，說明物源可能為酸性巖區.Al2O3含量為13.37%～19.63%，CaO為0.31%～4.29%，Na2O為0.77%～4.19%，K2O為2.23%～5.69%，MgO為0.51～2.55%，Fe2O3為0.21～1.92%，FeO為2.34～5.17%，Mg、Fe含量普遍較低，推測母巖主要來自上地殼.根據微量元素蛛網圖（圖4）可知，萬寶組砂巖相對富集大離子親石元素（如Th、U、LREE）和Zr、Hf元素，虧損高場強元素（如Nb、Ta、P、Ti）和Ba、Sr元素，該特征也與大陸上地殼相似.巖石的稀土元素總量（ΣREE）介于133.15×10－6～225.64×10－6之間，輕重稀土元素比值（LREE/HREE）為7.29～9.00，輕重稀土分餾系數（La/Yb）N介于7.62～10.70之間.δEu為0.45～0.93，具有中等到弱的負Eu異常，δCe為0.87～1.03，異常不明顯.在球粒隕石標準化的稀土元素配分曲線（圖5）上具有輕稀土富集的右傾特征，相對富集輕稀土元素，虧損重稀土元素.

圖4 萬寶組砂巖原始地幔標準化微量元素蛛網圖（據文獻［15］）Fig.4 Primitive mantle-normalized trace element spidergram of the sandstones from Wanbao Formation（After Reference［15］）

圖5 萬寶組砂巖球粒隕石標準化稀土元素配分模式圖（據文獻［16］）Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of the sandstones from Wanbao Formation（After Reference［16］）

表1 索倫地區萬寶組砂巖主量元素及微量元素分析結果Table 1 Contents of major and trace elements in the sandstones from Wanbao Formation

5 物源屬性

沉積物的地球化學組成主要取決于源區的成分或不同源區成分的混合比例，因此碎屑巖的地球化學特征可以反映沉積物源的屬性［17-18］.Roser等［19］以砂－泥巖中的幾種氧化物為變量，建立了砂－泥巖物源區性質多變量判別圖解.利用萬寶組樣品的主量元素測試結果進行投圖（圖6）［19］，樣品投點落入酸性和中性火山巖區，暗示萬寶組的沉積物源主要來自中酸性火山巖源區.REE、Zr、Th、Sc等微量元素在巖石風化、搬運和成巖過程中相對穩定，能夠較好地提供物源區的成分信息.在（La/Th）－Hf圖解（圖7）［20］中，萬寶組砂巖主要落入長英質物源區，位于上地殼平均成分附近.在（Co/Th）－（La/Sc）圖解（圖8）［17，20］中，萬寶組樣品投點也落在長英質火山巖物源區，更靠近活動構造型碎屑物源.

圖6 索倫地區萬寶組砂巖物源區性質函數判別圖解（據文獻［19］）Fig.6 Function discrimination diagram of provenance property for sandstones from Wanbao Formation（After Reference［19］）

圖7 萬寶組砂巖La/Th－Hf沉積物源判別圖解（據文獻［20］）Fig.7 The La/Th-Hf discrimination diagram of sediment source for sandstones from Wanbao Formation（After Reference［20］）

圖8 萬寶組砂巖Co/Th－La/Sc沉積物源判別圖解（底圖據文獻［20］；虛線據文獻［17］）Fig.8 The Co/Th-La/Sc discrimination diagram of sediment source for sandstones from Wanbao Formation（After References［17，20］）

6 構造背景

研究表明砂－泥巖中一些化學性質不活潑的微量元素（如La、Th、Sc、Zr、Ti）及其比值較穩定，能夠判定沉積時期的構造背景，主要包括大洋島弧、大陸島弧、主動大陸邊緣和被動大陸邊緣4種構造背景［21］.在萬寶組砂巖微量元素構造環境判別圖解（圖9）中，樣品投點幾乎全部落入大陸島弧區域，判斷中侏羅統萬寶組物源區為大陸島弧環境.依據Bhatia［22］歸納總結的不同構造背景下的砂巖REE特征值，將研究區沉積巖的有關參數與各種構造背景下的砂巖參數進行對比（表2）發現，研究區中侏羅統萬寶組砂巖化學成分也多與大陸島弧背景相似.

圖9 索倫地區萬寶組砂巖微量元素構造環境判別圖解（據文獻［21］）Fig.9 Tectonic setting discrimination diagrams for the sandstones from Wanbao Formation in Suolun area（After Reference［21］）

表2 索倫地區萬寶組碎屑巖與各種構造背景下砂巖的有關參數對比Table 2 Comparison of parameters between clastic rocks from Wanbao Formation in Suolun area and sandstones under various tectonic settings

從侏羅紀開始，中國東北地區的構造格架由古亞洲洋構造體系轉變為蒙古－鄂霍次克構造體系和環太平洋構造體系的演化階段［23-26］，構造線也由東西向構造轉變為北東和北北東向構造.年代學研究顯示，中侏羅世—早白堊世早期（164～140 Ma）的火山巖主要分布于松遼盆地以西地區，而在吉黑東部尚未發現［25］，這也暗示了松遼盆地西緣中侏羅世—早白堊世早期的構造環境可能與古太平洋板塊的俯沖作用無關.近年來，眾多學者確定了蒙古－鄂霍次克洋存在向南的俯沖作用［27-28］.因此研究區中侏羅統萬寶組沉積巖地球化學特征顯示的大陸島弧背景更可能與蒙古－鄂霍次克洋的南向俯沖弧后伸展作用有關.

7 結論

1）索倫地區萬寶組為一套分布于山間斷陷盆地的陸相沉積碎屑巖建造，主要巖性為凝灰質砂礫巖、砂巖、粉砂巖及火山碎屑巖，沉積相為辮狀河三角洲相.

2）地球化學特征指示索倫地區萬寶組沉積物源主要來自中酸性巖漿巖源區，具有大陸島弧構造背景特征，可能與蒙古－鄂霍次克洋的南向俯沖弧后伸展作用有關.