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  地质通报  2017, Vol. 36 Issue (6): 1010-1021  
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李行, 吕海涛, 蒲仁海. 塔里木盆地中部辉绿岩脉LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及其地质意义[J]. 地质通报, 2017, 36(6): 1010-1021.
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LI Hang, LÜ Haitao, PU Renhai. LA-ICP-MS zircon U-Pb age of dykes from central Tarim Basin and its geological significance[J]. Geological Bulletin of China, 2017, 36(6): 1010-1021.
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基金项目

中国石化西北油田分公司勘探开发研究院协作项目《顺南1井区三维工区海西期断裂与火山活动机制研究》(编号:KY2013-S-033)

作者简介

李行(1988-), 男, 在读硕士生, 从事地震解释方面的研究。E-mail:871258599@qq.com

通讯作者

蒲仁海(1962-), 男, 博士, 教授, 从事沉积和地震资料解释研究。E-mail:purenhai@126.com

文章历史

收稿日期: 2015-12-09
修订日期: 2017-01-03
塔里木盆地中部辉绿岩脉LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及其地质意义
李行1, 吕海涛2, 蒲仁海1    
1. 西北大学地质学系, 陕西 西安 710069;
2. 中国石化西北油田分公司, 新疆 乌鲁木齐 830011
摘要: 塔里木盆地塔中地区地震资料显示,寒武系、奥陶系、二叠系中发育大量辉绿岩岩脉,在塔中隆起断裂带附近采集了侵入到志留系与奥陶系中的辉绿岩脉样品(中1井、中16井岩心)。用LA-ICP-MS测定技术,测定了其中锆石的U-Pb年龄和微量元素。锆石U-Pb年龄显示,这些辉绿岩岩脉形成于早二叠世(273~296 Ma);测得的700~930 Ma(新元古代)、396~544 Ma(古生代)年龄显示,盆地早期有构造岩浆活动;121.0±8.5 Ma(早白垩世)锆石存在,显示其形成与盆地内部同期热液活动有关。
关键词: 塔里木盆地    辉绿岩    热液活动    白垩纪    LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄    
LA-ICP-MS zircon U-Pb age of dykes from central Tarim Basin and its geological significance
LI Hang1, LÜ Haitao2, PU Renhai1    
1. Department of Geology, Northwest University, Xi'an 710069, Shaanxi, China;
2. Sinopec Northwest Oilfield Branch, Urumqi 830011, Xinjiang, China
Abstract: Seismic data obtained from the central Tarim Basin show that lots of diabase dykes are developed in Cambrian, Ordovician and Permian strata.Diabase dykes that invaded into Silurian and Ordovician strata were collected near the fault zone (Zhong 1 well, Zhong 16 well core).Using LA-ICP-MS determination technology, the authors determined U-Pb age and trace elements in zir-con.Zircon U-Pb age shows that the diabase dykes were formed in the Early Permian period of 273~296 Ma.Measured 700~930 Ma (Late Proterozoic) and 396~544 Ma (Paleozoic) show the tectonic-magmatic activity when basin was formed.121.0±8.5 Ma (Early Cretaceous) zircon indicates that the formation was related to hydrothermal activities in the same period.
Key words: Tarim Basin    diabase    hydrothermal activity    Early Cretaceous    LA-ICP-MS zircon U-Pb dating    

塔里木盆地位于中国西北部,被天山造山带、昆仑造山带和阿尔金造山带环绕,面积约56×104km2图 1)。近年中国石油化工总公司在塔里木盆地顺南4井奥陶系灰岩钻遇工业气流,该灰岩储层的溶洞与附近的断裂、岩脉关系密切,其成因可能与热液有关。前人通过对塔里木盆地柯坪地区肖而布拉克剖面晚震旦世(古生物定年)[1]玄武岩进行40Ar/39Ar同位素定年及年龄谱分析,认为塔里木盆地发育4期主要的地质热事件,分别为震旦纪—寒武纪、早中奥陶世、早二叠世、白垩纪的地质热事件[2]。其中早二叠世,受北面古天山褶皱带形成及南缘古特提斯洋俯冲活动的影响,塔里木盆地发生伸展作用,处于大陆裂谷型的构造环境,导致盆地中部、西部及北部地区出现大范围岩浆侵入及火山喷发活动[3-5]。其中二叠纪岩浆作用最强烈,在塔里木盆地分布最广泛,影响也最大[6-13];前人认为,白垩纪热事件规模不大,主要局限于塔里木盆地周边地区,具有热液蚀变特征,在盆地内部未有这期地质热事件的显示[2]。近年来,对于盆地内部是否存在白垩纪的热液活动存在分歧,多数学者认为,塔中45井萤石的成因与二叠纪强烈的岩浆活动有关[14-16],但是新的研究认为,塔中地区萤石形成于晚燕山期—喜马拉雅期,与海西期岩浆期后热液无必然联系[17]。另外,白垩纪是塔里木盆地一个重要的晚期生油和成藏阶段,晚期生油和成藏可能与热液活动有关。白垩纪热液活动年代的确定,对油气运移储存等地质研究有重要的意义。

图 1 研究区位置图 Fig.1 Location of the study area in Tarim Basin

为此,本文以塔里木盆地中央隆起带塔中隆起中1井、中16井为研究对象,以奥陶系及志留系中的辉绿岩脉锆石U-Pb定年分析为主要研究手段,力图获得更多的有关该区岩浆或热液活动期次的信息。

1 样品的采集与实验分析

中1井钻在近直立的断裂带杂乱反射中,断裂自下而上切穿奥陶系、志留系和二叠系,附近断层都具有双层特征,即下古生界与基底关系密切的早期断层和上古生界与火成岩活动有关的晚期断层,早期断层形成于加里东中—晚期,在基底隆起的背景下形成,以逆断层形式存在,晚期断层主要是火成岩事件的产物,也不否认后期构造运动的影响,大部分存在于火山口附近。中1井取样层位塔塔埃尔塔格组主要为灰色、浅灰色火山角砾岩、凝灰质砾岩、细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩与灰色、深灰色泥岩、粉砂质泥岩呈不等厚互层,夹厚层状深灰色、灰色辉绿岩、凝灰岩。样品编号、岩性、产状见表 1。深电阻率曲线呈不规则齿状,一般为10~80Ω·m,局部高达500Ω·m;自然电位呈平直曲线,电位值为50~70mV;自然伽玛值曲线呈细齿状、锥状夹齿化箱状,火山岩段值最低,为35~40API,泥岩段值较高为100~120API,砂岩段值为45~100API;声波时差曲线呈齿状、锥状,值为55~80μs/ft,底部与下伏奥陶系顶部深灰色灰岩呈角度不整合接触(图 2-A图 3-A)。

表 1 测定锆石U-Pb年龄的辉绿岩样品岩心特征(中1井和中16井) Table 1 Diabase core characteristics of zircon U-Pb ages
图 2 过中1井、中16井北西向三维地震剖面(沿断裂带发育的岩脉呈杂乱反射,钻井正好钻在断裂带及岩脉之上) Fig.2 Northwestward 3D seismic profile through well Zhong 1 and Zhong 16 A—中1井北西向三维地震剖面;B—中16井北西向三维地震剖面;P2kpz—中二叠统开派雷兹克组;P1kpk—下二叠统库普库兹满组;S2y—中志留统依木干塔乌组;S1t—下志留统塔塔埃尔塔格组;O1y—下奥陶统鹰山组
图 3 中1井、中16井采样位置剖面 Fig.3 Sampling position in well Zhong 1 and Zhong 16 profile

中16井位于岩溶圈闭高部位,所在部位受北东向断层控制,岩脉沿直立的断裂带发育,断裂向上延伸至二叠系,岩脉发育在二叠系及其以下地层中,呈杂乱反射,越向下杂乱反射的宽度越大,宽度约1km,岩脉向上刺穿下二叠统库普库兹满组(P1kpk),但未刺穿上二叠统开派雷兹克组(P2kpz),故其可能与二叠系火山岩同期形成(图 2-B图 3-BC)。

样品编号、岩性、产状见表 1。手标本鉴定辉绿岩有一定的破裂、蚀变、溶蚀,被后期方解石充填。薄片下岩石裂缝被后期方解石所充填,辉石呈短柱状、蚀变严重,有一定的溶蚀,溶蚀形成的空隙被方解石充填(图版Ⅰ)。

图版Ⅰ   PlateⅠ   A.中1井志留系塔塔埃尔塔格组,辉绿岩发生破裂,裂缝被方解石充填;B.中16井奥陶系鹰山组,辉绿岩发生溶蚀,形成空隙,被后期方解石充填;C.中1井志留系塔塔埃尔塔格组,辉绿岩裂缝被后期方解石充填;D、E.中16井奥陶系鹰山组,辉绿岩发生严重蚀变,可见短柱状蚀变辉石;F.中16井奥陶系鹰山组,长石发生溶蚀,被方解石充填

本次工作还对辉绿岩锆石进行U-Pb定年。选取S-27、S-28、S-30、S-31、S-33共5个辉绿岩样品分选锆石单矿物,分选工作在河北廊坊地质勘察院完成。原岩破碎成粉末,使其全部通过200目的网筛,经淘洗、电磁选、重液分选等步骤得到含一定杂质的重砂试样,再在双目镜下挑选出锆石颗粒。在西北大学大陆动力学国家重点实验室制作锆石样品靶,在双目镜下选取包裹体少、无明显裂缝的颗粒粘贴在双面胶上,再用环氧树脂固定,固结后制成锆石靶,将靶打磨和抛光,至大多数锆石颗粒的中心部位暴露出来,然后拍摄锆石颗粒的可见光照片,使用Quanta 400 FEG扫描电镜拍摄锆石的阴极发光(CL)图像。锆石U-Pb年龄用交替测定的标准锆石91500外标校正,元素含量采用标准玻璃NIST 610为外标、29Si为内标校正。原始数据采用4.0版Glitter程序处理,选取谐和度在90~110之间的作为谐和年龄数据,其中对于年龄大于1000Ma的用207Pb/206Pb和1σ对应的年龄,对于小于1000Ma的用206Pb/238U和1σ对应的年龄;加权平均计算及U-Pb谐和图的绘制采用3.0版Isoplot程序完成[18-23]

2 锆石特征及U-Pb同位素测定结果 2.1 中1井辉绿岩脉锆石(围岩为志留系泥质粉砂岩)特征

中1井S-33样品中锆石多为无色透明-浅黄色、形态各异。锆石CL图像显示,结晶较小,部分有环带,且存在一定程度的破损,大小介于50~150μm之间(图 4)。对其中谐和度介于90%~110%的68个分析点进行年龄统计(表 2)。锆石年龄分布如图 5所示,这些分析点的年龄分布于新元古代930~700Ma、寒武纪—泥盆纪396~544Ma和早二叠世273~296Ma三个主要年龄组。3个年龄组内部的锆石绝大部分具有较明显的振荡环带,部分锆石核幔边界清晰,有部分破损。锆石Th、U含量变化幅度较大,仅少部分偏离3个年龄的锆石具有较低的Th、U含量,3个年龄组内的锆石具有较高的Th、U含量,分别为70×10-6~595×10-6和91×10-6~857×10-6,具有较好的正相关关系,Th/U值绝大部分大于0.4,仅有3颗锆石的Th/U值小于0.4,但仍大于0.1(图 6)。前人的研究表明,不同成因类型的锆石具有不同的Th、U含量及Th/U值,这是因为Th4+较U4+具有更大的离子半径,在锆石晶格中Th较U更不稳定,变质重结晶过程中,Th较U更容易被逐出锆石的晶格,造成重结晶变质锆石具有较低的Th/U值,所以岩浆锆石的Th/U值一般大于0.4;变质锆石的Th、U含量较低,Th/U值一般小于0.1。

图 4 中1井志留系塔塔埃尔塔格组泥质粉砂岩中辉绿岩岩脉(样品S-33)锆石CL图像及年龄 Fig.4 Zircon CL images and the age of diabase dyke (sample S-33) in the Silurian argillaceous siltstone, well Zhong 1
表 2 中1井辉绿岩样品(S-33)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb同位素数据 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb dating of diabase (sample S-33) in the Zhong 1 well
图 5 中1井S-33样品锆石年龄分布 Fig.5 The distribution of the ages of zircon sample S-33, well Zhong 1
图 6 中1井S-33样品锆石Th/U值 Fig.6 The ratio of Th/U from zircon sample S-33, well Zhong 1

测得的锆石年龄有多组,其中最年轻的一组有9个数据,其206Pb/238U年龄介于296±6~274±5Ma之间,给出的年龄加权平均值为286.2 ± 5.0Ma(MSWD=1.9)(图 7),应代表岩浆最后活动的时间。结合构造背景推断,岩脉是盆地内部早二叠世辉绿岩岩浆上侵形成的。新元古代700~930Ma年龄组的锆石年龄峰值为770~820Ma,可能代表在此期间盆地内部发生较强烈的构造运动和岩浆上涌、锆石结晶。古生代396~544Ma年龄组跨时较长,早寒武世—早石炭世都有分布,在440~465Ma(中、晚奥陶世)出现峰值(图 5-B)。在地震剖面上,塔中地区的3组不同方向的断裂最早在中寒武世已经形成,随后发生多起张扭或压扭性间歇性活动,所以岩脉中二叠纪以前形成的锆石可能与这些断裂带发生的较早的岩浆活动有关,反映在中晚奥陶世,盆地内部发生了强烈的构造运动和岩浆上涌、锆石结晶。

图 7 中1井二叠纪锆石U-Pb年龄谐和图及年龄 Fig.7 U-Pb plots and weighted average age of Permian zircon age in well Zhong 1
2.2 中16井辉绿脉(围岩为奥陶系灰岩)锆石特征

采集于中16井4747m处的志留系塔塔尔塔格组辉绿岩样品(S-28),测得的锆石年龄数据很少,其中最小的年龄为早二叠世。

中16井5590.5~5592m处奥陶系鹰山组的辉绿岩岩脉(S-27、S-30、S-31)中锆石结晶较好,环带清晰,棱角分明(图 8)。

图 8 中16井奥陶系鹰山组灰岩中辉绿岩岩脉样品锆石阴极发光图像及年龄 Fig.8 Zircon CL image and age of diabase dyke in the Ordovician Yingshan Formation limestone, well Zhong 16

在S-30样品中共计挑选70余颗锆石,从锆石的CL图像可以明显地看出,锆石被强烈溶蚀形成一些小的溶孔,仅能对其中的5颗锆石进行分析测试,且只有1颗锆石年龄结果符合精度要求。在S-27、S-31样品中共计挑选出30余颗锆石,但受到实验仪器精度、数据精度的约束,仅得到谐和年龄数据的锆石15颗(表 3)。

表 3 中16井辉绿岩(样品S-27、S-30、S-31)LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析结果 Table 3 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb dating of diabase (sample S-27、S-30、S-31) in the zhong 16 well

S-27、S-30和S31三个样品的15个锆石年龄分布如图 9所示。根据锆石年龄及锆石形态特征,其年龄分为3组进行讨论:元古宙、早二叠世、早白垩世。

图 9 中16井锆石年龄分布、早白垩世锆石U-Pb谐和图及年龄加权平均图 Fig.9 The distribution of the ages of zircon sample from well Zhong 16, and U-Pb plots and weighted average age of Early Cretaceous zircons

元古宙锆石共计3颗,可能来源于岩浆上涌过程中从周围岩体中捕获的早期结晶锆石。早二叠世锆石共计2颗,结合盆地的构造背景及盆地内部岩浆活动的特征,其可能代表该套岩浆岩上涌、冷凝、结晶的年代,与早中二叠世发生的大面积火山活动时间一致。

白垩纪锆石样品共计9颗,其年龄分布如图 9所示,年龄谐和度较高(图 9)。

3 白垩纪锆石成因浅析

S-27、S-30、S-31三个样品部分锆石的CL图像显示,锆石结晶较好、颗粒细小、环带清晰且多数呈柱状,但可以看到明显的溶蚀现象,显示锆石可能经历了热液改造作用。

不同成因锆石(岩浆锆石、变质锆石和热液锆石)具有特征各异的微量元素组成[24-26]。对白垩纪3个样品S-27、S-30、S-31锆石中的稀土元素进行分析,其稀土元素含量从La至Lu渐渐增高,具有Ce的正异常和Eu的负异常,与中1井新元古代、早中奥陶世及早二叠世的锆石稀土元素分布模式相同。对4个时代的锆石的89Y、178Hf元素分析表明,早白垩世锆石具有明显较高的89Y、178Hf含量(表 4),同时早白垩世锆石Th、U含量也较高。以上特征表明,白垩纪锆石受到后期热液活动蚀变或重结晶作用影响。

表 4 不同时代锆石89Y、178Hf含量 Table 4 89Y, 178Hf content of different ages of zircons

白垩纪是塔里木盆地一个重要的晚期生油和成藏阶段,晚期生油和成藏可能与热液活动有关。前人对塔中地区志留系油藏成藏期次的研究表明,在燕山运动末期存在第二期油气成藏[27]。张兴阳等[28]认为,晚燕山期—喜马拉雅期(110.4~30.8Ma)塔中地区发生了成矿热液与成藏流体的大规模运移事件,为重要的油气调整期。热液活动可以降低原油粘度、减小油水界面张力,减小油气运移阻力并能携带部分油气,从而促使油气沿断裂裂缝体系向浅部地层运移[29-30]

中16井辉绿岩内部早白垩世锆石可能为沿断裂活动的热液流体与辉绿岩发生交代或重结晶作用形成。

4 结论

(1)塔里木盆地塔中地区钻井在奥陶系—志留系中钻遇的辉绿岩岩脉存在4组锆石年龄,分别为新元古代、中晚奥陶世、早二叠世、早白垩世。其中新元古代及中晚奥陶世的锆石可能反映了盆地内部2期构造运动及岩浆活动。

(2)二叠纪岩脉中早白垩世锆石可能反映,塔里木盆地在早白垩世发生过一次热液改造作用。

(3)井下辉绿岩的多期锆石年龄测定结果反映,除二叠纪岩浆期后热液作用外,可能存在多期热液交代和溶蚀作用,它们对深部奥陶系碳酸盐岩热液储层的形成与改造具有重要意义。

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