瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組堿湖沉積時限厘定

摘 要 【目的】早二疊世的準噶爾盆地是古亞洲洋閉合之后形成的一個陸內繼承性斷陷盆地。同斷陷階段，在準噶爾盆地西北緣瑪湖凹陷充填了最重要的烴源巖層系——下二疊統(tǒng)風城組堿湖烴源巖，但是尚不明確其沉積年齡。【方法】通過掃描電鏡和能譜分析對一件凝灰質巖屑砂巖開展了詳細的巖石學分析。【結果與結論】該樣品包含大量的凝灰?guī)r巖屑和火山玻璃（52%）、中—酸性巖漿巖巖屑（38%），以及少量石英、長石和角閃石礦物（10%），報道的最年輕五顆碎屑鋯石年齡平均值及最年輕年齡圖譜一致，年齡為282±4 Ma，指示早二疊世的同沉積火山活動是主要物源區(qū)，西準噶爾山系和中拐—陸梁凸起是次要物源區(qū)。結合堿湖沉積底部和頂部報道的兩件凝灰?guī)r樣品鋯石U-Pb結果，最年輕的五顆碎屑鋯石平均年齡分別為284±4 Ma和279±4 Ma。從底部到頂部年齡逐漸變年輕，是同斷陷階段幕式火山噴發(fā)的同沉積記錄，表明下二疊統(tǒng)風城組堿湖的沉積年齡為284-279？Ma。

關鍵詞 風城組；沉積年齡；鋯石U-Pb測年；堿湖；下二疊統(tǒng)；瑪湖凹陷

第一作者簡介 唐文斌，男，1990年出生，博士，研究員，沉積學、構造地質學和石油地質學，E-mail： wbtang@cdut.edu.cn

中圖分類號 P512.2 文獻標志碼 A

0 引言

在巖漿活動頻繁的地質環(huán)境中，火山噴發(fā)、沉積過程（化學風化、機械破碎、搬運、沉積和成巖）和構造作用（斷裂帶活動）都可以產(chǎn)生碎屑。這些碎屑沿著火山斜坡，由水系搬運至不同類型的沉積盆地，或者與其他來源的沉積物發(fā)生不同比例的混合堆積和相互作用，形成火山碎屑巖、熔積巖、凝灰?guī)r、巖屑砂巖等[1?2]。這些火山碎屑物質不僅攜帶了巖漿活動背景信息，而且可以對攜帶的鋯石進行放射性年代學分析[3?4]。在測試獲得的年齡直接解釋最大的沉積年齡之前，必須證明兩個先決條件：（1）測試的礦物結晶時間為最后一次噴發(fā)或者略早于最后一次噴發(fā)之前；（2）火山活動必須與沉積過程是同時發(fā)生的[5?6]。

由于準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組堿湖沉積缺乏直接的巖漿活動記錄，所以導致以往風城組的沉積年齡數(shù)據(jù)和地質意義存在爭議。最初學者基于風城組與上覆和下伏地層的疊置關系，以及相關古生物證據(jù)，將風城組的沉積時限厘定為早二疊世晚期，但是尚不明確其準確年齡[7?9]。Wang etal.[10]對堿湖沉積序列底部的蝕變凝灰?guī)r進行LAICP-MS 鋯石U-Pb 定年，得出304～296 Ma 的年齡區(qū)間，認為風城組堿湖序列是300 Ma左右冰期事件的沉積響應[11]。也有學者對風城組堿湖沉積層段的凝灰質巖屑砂巖和凝灰?guī)r開展了LA-ICP-MS 鋯石U-Pb 定年，得出的最年輕年齡峰值為～280 Ma[12?14]。準確的年齡時限對于約束瑪湖凹陷早二疊世盆地構造演化的動力學機制、古氣候背景和油氣成藏過程具有重要意義。在收集3件凝灰質巖屑砂巖和凝灰?guī)r樣品鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)的基礎上，本文對其中一件凝灰質巖屑砂巖樣品進行了詳細的巖石學特征分析。通過物源分析確定下二疊統(tǒng)風城組堿湖沉積具有用沉積火山活動的物質來源，并且碎屑鋯石U-Pb年齡由底部向頂部逐漸變年輕，指示堿湖同沉積期的火山幕式噴發(fā)，更準確地厘定了風城組堿湖的沉積時限。

1 地質概況

瑪湖凹陷是準噶爾盆地最重要的生烴凹陷[15]。現(xiàn)今瑪湖凹陷呈北東—南西向展布（圖1a），西北緣為扎伊爾山和哈拉阿拉特山，西南緣為中拐凸起、達巴松凸起和陸梁凸起。紅車斷裂帶、克百斷裂帶和烏夏斷裂帶控制著二疊系—三疊系的傾斜和剝蝕，以及大型油氣系統(tǒng)的分布規(guī)律[16]。二疊紀的瑪湖凹陷為繼承性斷陷盆地—坳陷盆地，在晚二疊世—早三疊世發(fā)生構造反轉[17]。瑪湖凹陷充填了超過8 000 m的陸相沉積序列（圖1b），其中二疊系風城組是瑪湖凹陷的主力烴源巖層系，不僅為上覆源外砂礫巖“大油區(qū)”提供物質基礎，而且在源內常規(guī)砂礫巖油藏和頁巖油有序共生，形成全油氣系統(tǒng)[18?19]。風城組充填了斷陷盆地同斷陷階段的沉積序列，自下而上分為三段：風一段（P1 f1）、風二段（P1 f2）和風三段（P1 f3）。瑪湖凹陷西北緣邊緣相主要為扇三角洲砂礫巖，沉積中心為湖相沉積。風一段主要由底部的中—基性火山巖過渡為白云質泥巖和頂部的富有機質泥巖。風二段主要由富有機質泥巖、白云質泥巖和濁積砂巖組成。風三段由白云質泥巖和富有機質泥巖過渡為扇三角洲砂礫巖[20]（圖1c）。大量的地球化學研究表明，風一段的古氣候條件由半干旱變潮濕，風二段由潮濕變干旱，風三段又轉變?yōu)榘敫珊礫21]。

西準噶爾分為三個構造單元：西準噶爾北部、西準噶爾中部和西準噶爾南部（圖1a）。西準噶爾北部包括志留紀—石炭紀博什庫爾—成吉思弧和扎瑪爾—薩烏爾弧組成。西準噶爾中部泥盆紀—石炭紀海相沉積序列組成。西準噶爾南部寒武紀—早志留世的洋內島弧和蛇綠混雜巖帶組成。整個西準噶爾廣泛出露大量的晚石炭世—早二疊世的A型花崗巖[22]。西準噶爾三個構造單元的不同構造背景，以及大量的巖石學和熱年代學數(shù)據(jù)，為早二疊世瑪湖凹陷的潛在物源區(qū)分析提供了有利條件。

2 材料與方法

本文選取位于扇三角洲前緣濁積巖中的凝灰質巖屑砂巖樣品，進行了詳細的巖石學特征分析，樣品位置見圖1c。在河北廊坊宇能巖石礦物分選技術服務有限公司完成了探針片的磨制，在加拿大圣瑪麗大學的電子顯微鏡中心完成SEM掃描電鏡觀察以及單礦物的能譜分析。拋光樣品在鍍碳之后，進行掃描電子顯微鏡觀察（Tescan Mira 3 FESEM）和能譜儀分析（30 kV，Oxford Instrument X-Max 80 mm2）。

瑪湖凹陷西斜坡報道的3件碎屑鋯石U-Pb年代學數(shù)據(jù)均來源于筆者已發(fā)表的文獻[12?13]，取樣位置見圖2。取自Jl17井的樣品位于風二段中部的前扇三角洲的濁積砂體（圖1c），取自Fn4井的樣品位于風一段頂部的凝灰?guī)r層，取自X40井的樣品位于風二段頂部的凝灰?guī)r層。風二段堿湖的沉積中心位于Fn4井附近，厚度向瑪湖凹陷西斜坡北東—南西向的湖盆邊緣逐漸減薄。由于北東緣的X40井頂部主要為凝灰?guī)r，而沉積中心主要為白云質泥巖，兩者不能通過巖性和測井曲線進行對比，所以不能確定是否為風二段頂界。盡管如此，三件年代學樣品的取樣位置垂向覆蓋了風二段堿湖沉積的頂?shù)捉纾虼丝梢宰鳛榧s束風二段堿湖沉積時限的關鍵證據(jù)。

3 巖石學特征與碎屑鋯石U?Pb測年

3.1 巖石學特征

從Jl17井獲取的砂巖樣品為凝灰質巖屑砂巖，分選較差。隨機對116個巖屑和單礦物進行了掃描電鏡觀察和能譜分析，陸源碎屑成分主要包括凝灰?guī)r巖屑和火山玻璃（52%）、中—酸性巖漿巖巖屑（38%），以及少量長石、石英和角閃石（10%）（圖3）。

碎屑組分超過50%為凝灰?guī)r巖屑和火山玻璃，粒度介于100～600 μm，棱角狀—次棱角狀。石英和長石礦物呈他形，指示快速結晶，可見玻屑，鋯石發(fā)育（圖4）。礦物組合指示為中—酸性巖漿噴發(fā)的產(chǎn)物，鉀長石發(fā)生了一定程度的鈉長石化（圖4b，d，e）。

巖漿巖巖屑主要包括中性和酸性巖漿巖巖屑（38%）。酸性巖漿巖巖屑主要為流紋巖巖屑，礦物組分主要為石英、鉀長石和鈉長石（圖4h，i）。粒度介于50～500 μm，次圓—次棱角狀，鉀長石發(fā)生了一定程度的鈉長石化。中性巖漿巖巖屑主要包括閃長巖巖屑、粗面巖巖屑和安山巖巖屑，礦物組分包括鈉長石和角閃石（圖4h），粒度介于100～600 μm，次圓—次棱角狀。巖屑中的縫洞均被方解石充填（圖4h）。

碎屑顆粒間的膠結物主要為鈉長石和方解石，鈉長石呈自形—半自形，早于方解石充填孔隙（圖4g，h）。

3.2 碎屑鋯石與U?Pb 測年

碎屑鋯石形態(tài)呈自形—半自形，長邊介于60～200 μm，短邊介于60～200 μm，見明顯的環(huán)帶結構，Tang et al.[13]對外側環(huán)帶開展了LA-ICP-MS定年（圖5a）。Th/U比值大于0.2，指示為巖漿鋯石（圖5c）[13]。碎屑鋯石年齡圖譜顯示，主要峰值集中在石炭紀330～302 Ma，次要峰值出現(xiàn)在二疊紀284 Ma，以及少量志留紀和泥盆紀年齡（圖5b）。其中最年輕的五顆鋯石的平均年齡為282±4 Ma，與最小年齡峰值一致（圖5d）。

4 討論

4.1 物源分析

樣品的組分主要為巖漿巖巖屑，并且充填了大量的凝灰?guī)r巖屑和火山玻璃，分選磨圓較差，較低的結構和成分成熟度表明為近源、快速堆積（圖4）。西準噶爾中部廣泛出露石炭系海相沉積序列和花崗巖巖體（圖1a），并且準噶爾盆地內部的中拐凸起和陸梁凸起為石炭紀島弧（330～320 Ma）[23]。廣泛出露的花崗巖巖體（330～290 Ma）[22]，指示流紋巖巖屑可能是巖體侵入同時期的火山噴發(fā)產(chǎn)物，而中性巖漿巖屑為島弧風化產(chǎn)物（圖4）。碎屑鋯石年齡圖譜顯示的石炭紀主要峰值與巖體和島弧活動年齡一致，表明瑪湖凹陷西北緣的西準噶爾中部以及陸梁凸起和中拐凸起為潛在物源區(qū)（圖5b）。志留系—泥盆系主要出露在西準噶爾北部和西準噶爾中部北緣，表明碎屑鋯石年齡圖譜中出現(xiàn)的少量志留紀—泥盆紀鋯石可能來源于這兩個相對較遠的物源區(qū)（圖1a、圖5b）。

西準噶爾哈拉阿拉特山殘余的玄武巖（283 Ma）和區(qū)域廣泛剝露的基性巖脈（～280 Ma），反映了早二疊世晚期頻繁的巖漿活動[24?25]。樣品中出現(xiàn)的凝灰?guī)r巖屑和火山玻璃呈棱角狀—次棱角狀（圖4），指示短距離搬運和快速沉積。凝灰?guī)r巖屑和火山玻璃中出現(xiàn)了大量的鋯石，碎屑鋯石年齡圖譜顯示次要峰值年齡為284 Ma，表明來源于早二疊世晚期的同火山活動（圖5b）。

5.2 風城組堿湖沉積時限

凝灰質巖屑砂巖中出現(xiàn)的大量火山玻璃和凝灰?guī)r巖屑分選差，呈棱角狀和次棱角狀，其礦物組分自形程度低，指示快速結晶（圖4）。雖然鉀長石受埋藏作用影響，發(fā)生了一定程度的鈉長石化（圖4b，d），但是沒有經(jīng)歷再旋回。鋯石年齡圖譜的最小峰值以及最年輕的五顆鋯石的加權平均值與早二疊世的同沉積火山活動一致（～280 Ma），表明風城組堿湖沉積作用與火山活動等時（圖1c）。

雖然前人在風城組底部的凝灰?guī)r序列中，報道了～300 Ma的鋯石LA-ICP-MS測試年齡[7]，但可能是與花崗巖巖體侵位同時期火山活動相關的凝灰?guī)r。報道的凝灰?guī)r蝕變嚴重，而且風城組的孢粉組合特征指示為早二疊世晚期[9]，所以不能確定風城組底部以下的凝灰?guī)r層是否與堿湖沉積存在沉積間斷。堿湖沉積中心發(fā)育凝灰?guī)r，在風一段底部（Fn4）和風二段頂部（X40）報道了兩件樣品的碎屑鋯石年代學結果，顯示物源與本文測試樣品的結果一致，并且最年輕的五顆碎屑鋯石平均年齡分別為284±4 Ma 和279±4 Ma[12]。三件樣品最年輕的五顆碎屑鋯石平均年齡由底部向頂部逐漸變年輕，指示早二疊世的火山幕式噴發(fā)（圖6）。

在早二疊世的干旱氣候條件下，具有半地塹結構的湖盆發(fā)生擴張，并且充填了湖侵序列，指示正斷層活動創(chuàng)造的可容納空間大于沉積物供給速率，在湖盆的欠充填階段以堿湖沉積為特征[17，21]。在堿湖沉積序列中識別了大量橫向可追蹤、垂向重復出現(xiàn)的軟沉積物變形構造，認為是邊界正斷層誘發(fā)地震活動的沉積響應[20]。因此，堿湖沉積的構造背景為斷陷盆地的同斷陷階段，構造活動異常活躍。大量的研究表明，在同斷陷階段往往頻繁發(fā)生火山活動，并且鋯石的結晶時間與噴發(fā)時間相近[26]。因此，這三件樣品獲得的最年輕的五顆碎屑鋯石平均年齡可以作為堿湖的沉積年齡，時間跨度大約為5 Ma，與旋回地層學標定的天文時間尺度吻合[27]。綜上所述，瑪湖凹陷風城組堿湖沉積的時限為284～279？Ma。

6 結論

（1） 瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組的凝灰質巖屑砂巖樣品的組分包括凝灰?guī)r巖屑和火山玻璃（52%）、中—酸性巖漿巖巖屑（38%），少量石英、長石和角閃石礦物（10%），表明早二疊世同斷陷演化階段的同沉積火山活動為主要物源區(qū)，西準噶爾北部、中拐凸起和陸梁凸起的島弧序列，以及西準噶爾中部的泥盆系—石炭系海相火山—沉積序列為次要物源區(qū)。

（2） 三件凝灰?guī)r樣品最年輕的五顆碎屑鋯石平均年齡由底部向頂部逐漸變年輕，并且與區(qū)域巖漿活動的時限一致，表明巖漿幕式噴發(fā)的時間與沉積年齡一致，風城組堿湖沉積的時限為284～279？Ma。

（3） 在利用火山碎屑巖或者凝灰質巖屑砂巖中最年輕的五顆碎屑鋯石平均年齡約束沉積年齡之前，必須滿足兩個先決條件：①可以確定火山幕式噴發(fā)的時限；②火山活動和沉積作用是等時的。風城組是實踐該理論的天然實驗室，具有廣泛應用價值。

致謝 感謝國家自然科學基金委重大項目課題“陸相富有機質細粒沉積巖形成演化與有效儲集空間發(fā)育模式”（42090021） 及國家自然科學青年基金（42202188） 的資助。感謝Georgia Pe?Piper 和David J.W. Piper 教授的指導和幫助，以及三位審稿專家的寶貴修改意見和建議。

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