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  地质通报  2018, Vol. 37 Issue (9): 1682-1692  
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张渝金, 张超, 郭建刚, 李伟, 郭威, 王青召, 郭佳, 汪岩, 张立东. 大兴安岭南段阿鲁科尔沁旗坤都地区林西组碎屑锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其地质意义[J]. 地质通报, 2018, 37(9): 1682-1692.
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Zhang Y J, Zhang C, Guo J G, Li W, Guo W, Wang Q Z, Guo J, Wang Y, Zhang L D. U-Pb dating of detrital zircons and geochemical characteristics of Linxi Formation in the Kundu area of Ar Horqin Banner, southern Da Hinggan Mountains, and their geological significance[J]. Geological Bulletin of China, 2018, 37(9): 1682-1692.
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基金项目

中国地质调查局项目《内蒙古1:5万陶海营子等四幅区域地质调查》(编号:DD20160048-04)和国家自然科学基金项目《大兴安岭中段龙江盆地中侏罗统地层新研究》(批准号:41702032)

作者简介

张渝金(1984-), 男, 博士, 高级工程师, 从事地层学、沉积环境等研究。E-mail:syzhangyujin@163.com

文章历史

收稿日期: 2018-01-18
修订日期: 2018-03-13
大兴安岭南段阿鲁科尔沁旗坤都地区林西组碎屑锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其地质意义
张渝金1,2 , 张超1,2 , 郭建刚1 , 李伟1 , 郭威1 , 王青召1 , 郭佳1 , 汪岩1 , 张立东1     
1. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034;
2. 吉林大学地球科学学院, 吉林 长春 130021
摘要: 大兴安岭南段阿鲁科尔沁旗坤都地区乔洛吐山林西组剖面,岩性为一套黄绿色岩屑长石细砂岩、黄绿色岩屑粉砂岩、灰黑色泥质粉砂岩等细碎屑岩组合,含丰富的双壳类、植物化石,指示时代为晚二叠世。用LA-ICP-MS测得乔洛吐山林西组下部黄绿色岩屑长石细砂岩样品中的碎屑锆石206Pb/238U年龄主要集中于267Ma、299Ma、484Ma、726Ma和933Ma五个峰值,最年轻的206Pb/238U锆石年龄为256Ma,最年轻的峰值年龄为267±2Ma,表明该地区林西组的最大沉积年龄不早于晚二叠世吴家坪期。林西组砂岩地球化学特征显示,乔洛吐山林西组物源具有长英质物源特性,沉积时期的水体为陆相开阔的淡水环境。结合古生物学、岩石学、地球化学和同位素年代学研究,推测研究区内古亚洲洋在晚二叠世已经闭合,林西组沉积环境为陆相湖盆,沉积物源显示出复杂性和多样性特点,反映物源区主要来自于兴蒙造山带,少量可能来自于华北板块。
关键词: 林西组    晚二叠世    碎屑锆石U-Pb年龄    LA-ICP-MS    沉积环境    坤都地区    大兴安岭南段    
U-Pb dating of detrital zircons and geochemical characteristics of Linxi Formation in the Kundu area of Ar Horqin Banner, southern Da Hinggan Mountains, and their geological significance
ZHANG Yujin1,2, ZHANG Chao1,2, GUO Jian'gang1, LI Wei1, GUO Wei1, WANG Qingzhao1, GUO Jia1, WANG Yan1, ZHANG Lidong1     
1. Shenyang Center of Geological Survey, China Geological Survey, Shenyang 110034, Liaoning, China;
2. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130021, Jilin, China
Abstract: The Qiaoluotu geological section of the Linxi Formation in the Kundu area of Ar Horqin Banner in Da Hinggan Mountains is a set of yellowish green debris feldspar fine sandstone, yellowish green lithic siltstone, grayish black siltstone crust rock assemblage. The age of the section is the Late Permian according to rich bivalves and plant fossils. According to the study of LA-ICP-MS detrital zircon U-Pb in the lower sandstone of the Qiaoluotu geological section of the Linxi Formation, the authors hold that the ages of 206Pb/238U zircons are mainly concentrated at 267Ma, 299Ma, 484Ma, 726Ma and 933Ma, with the youngest 206Pb/238U zircon age being 256Ma, which indicates that the maximum deposition age of Linxi Formation in this area was not earlier than that of Late Permian Wujiaping period. Geochemical characteristics of sandstone in Linxi Formation show that the source of the Qiaoluotu geological section was characterized by the felsic materials, and the water body during the sedimentary period was a freshwater environment. Combined with paleontology, petrology, geochemistry and isotopic chronology research, it is inferred that the ancient Asian Ocean in the study area was closed in the Late Permian, the sedimentary environment of Linxi Formation was continental lake basin, and the sedimentary source had complex and diversity characteristics, suggesting that the main source area was from the Xingmeng orogenic belt, with a small amount probably from the North China plate.
Key words: Linxi Formation    Late Permian    debris zircon U-Pb age    LA-ICP-MS    depositional environment    Kundu area    southern Da Hinggan Mountains    

大兴安岭位于华北与西伯利亚板块之间的兴蒙造山带,长期以来被认为是古亚洲洋最后消亡的关键地段[1-2],但其最后缝合位置与时代长期存在分歧,有多种不同意见。关于缝合带最终位置的讨论主要存在以下观点:①主流意见认为西拉木伦-长春-延吉缝合带为最终缝合线位置[3-5];②一部分学者认为贺根山-黑河缝合带应为最终缝合线[6-7];③另一部分学者则认为古亚洲洋最后沿索伦—苏尼特左旗—林西一线最终闭合[8-10]。关于缝合时间也存在:①中泥盆世[8, 11-12];②晚泥盆世—早石炭世[13-14];③晚二叠世—早中三叠世[3-4, 15-18]等不同认识。以上问题严重制约了该区域的构造演化和基础地质研究,林西组作为一套承前启后的地层,成为研究该地区构造演化和沉积环境的关键突破点。近年来对林西组的基础地质研究和油气资源评价取得了很大的进展,特别是在林西组年代学研究方面,基于沉积物中碎屑锆石U-Pb年龄谱具有丰富的年代学信息,不仅是限定沉积岩形成时代下限的有力工具[19],而且可以根据年龄谱的特征,对物源区的性质进行判别,限定测年地层的构造属性,已经积累了较多研究成果。但由于林西组分布广泛,厚度大,不同地区的林西组碎屑锆石年龄存在较大的差异。本次选择大兴安岭南段阿鲁科尔沁旗坤都地区的林西组碎屑岩进行分析,旨在通过碎屑锆石U-Pb年龄判断林西组形成的构造背景、沉积物质来源,同时通过地层地球化学分析,探讨林西组形成的沉积环境,为研究古亚洲洋闭合提供基础地质资料。

1 地质概况

研究区位于大兴安岭南段,同时介于西拉木伦-长春-延吉缝合带和贺根山-黑河缝合带之间(图 1-a)。阿鲁科尔沁旗坤都地区林西组比较发育,1:20万协力府幅将该套地层划分为上三叠统,内蒙古自治区地质矿产局将该套地层划归为上二叠统林西组[20]。本次研究所测制剖面位于阿鲁科尔沁旗坤都镇西7km的乔洛吐山(图 1-b),其岩性为一套黄绿色岩屑长石细砂岩、黄绿色岩屑粉砂岩、灰黑色泥质粉砂岩等细碎屑岩组合,剖面长度3760m,厚度大于1300m,在剖面14层和15层采集到丰富的双壳类和植物化石,时代指示为晚二叠世[21],剖面未见底,上部被新民组砂砾岩角度不整合覆盖(图 2)。在剖面下部的第7层中采集黄绿色岩屑长石细砂岩样品,对其进行LA-ICP-MS锆石U-Pb同位素测定。

图 1 研究区大地构造位置(a)及研究区地质简图(b) Fig.1 Geological structure of the study area (a) and geological map of the study area (b)
图 2 坤都镇乔洛吐山上二叠统林西组实测剖面(A-B) Fig.2 Measured geological section of the Upper Permian Linxi Formation in Qiaoluotu Mountain, Kundu Town
2 样品特征与测试方法

锆石U-Pb年龄样品采自乔洛吐山林西组剖面下部,为黄绿色岩屑长石细砂岩,采样点为北纬44°14°20′、东经119°53′47″,野外露头见图 3-a。岩石风化面呈灰绿色,陆源碎屑结构,层状构造。岩石由长石(35%)、岩屑(30%)、石英(20%)及填隙物(15%)组成(图 3-b)。碎屑分选性较好,磨圆度中等,成熟度较低,颗粒以次棱角、次圆状为主,平均粒径约为0.15mm。颗粒支撑,孔隙式胶结。矿物成分主要为斜长石,少量钾长石,长石表面发生高岭土化和绢云母化;岩屑主要为硅质岩,少量泥质岩;石英磨圆度中等-差,表面干净,均匀消光;填隙物主要为白云母、黏土物质和铁质成分。

图 3 林西组细砂岩野外露头(a)和镜下(b)照片 Fig.3 The fine sandstone field outcrop(a)and microscopic photographs of Linxi Formation Q—石英;Ser—绢云母;Pl—斜长石

锆石单矿物的分选工作由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成,样品制靶和锆石阴极发光图像在北京中兴美科科技有限公司获取。LA- ICP-MS(激光剥蚀电感耦合等离子体质谱)锆石U-Pb同位素测定在中国科学院海洋研究所大洋岩石圈与地幔动力学实验室进行,锆石U-Pb年龄测试结果见表 1

表 1 林西组砂岩(PM415TW09)碎屑锆石LA-ICP-MS U-Th-Pb分析结果 Table 1 LA-ICP-MS U-Th-Pb analyses of sandstone detrital zircons (PM415TW09) in Linxi Formation

本次在剖面上选取了5件砂岩样品进行主量、微量和稀土元素测试,测试结果见表 2。样品测试在自然资源部东北矿产资源监督检测中心完成,整个过程均在无污染设备中进行。主量元素采用X射线荧光光谱法,微量、稀土元素分析采用电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)完成。主量元素分析精度和准确度优于5%,微量和稀土元素的分析精度和准确度优于10%。

表 2 研究区林西组砂岩岩石地球化学分析结果 Table 2 Geochemical analyses of sandstone rocks in Linxi Formation in the study area
3 测试结果 3.1 锆石U-Pb测年

本次选取阿鲁科尔沁旗坤都镇乔洛吐山林西组的岩屑长石细砂岩(PM415TW09)为研究对象,对其进行了碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素测试,测定了70个数据(表 1)。阴极发光图像显示,锆石多呈自形-半自形,少量浑圆状,多为短柱状,粒径90~120μm,长宽比值多为3:2,具有清晰的振荡环带(图 4),具有较高的Th/U值(0.12~1.67),锆石稀土元素(表略)配分曲线呈重稀土元素富集、轻稀土元素亏损的左倾型特点(图 5),具有明显的负Eu异常(δEu=0.03~0.29),以上特征反映,该样品具有岩浆成因锆石的特点[22]

图 4 林西组细砂岩部分碎屑锆石阴极发光(CL)图像及年龄 Fig.4 CL images and ages of detrital zircons in sandstone from the Linxi Formation
图 5 砂岩锆石稀土元素配分曲线 Fig.5 REE patterns of zircons in sandstone

锆石样品测试结果显示,除1个点的年龄为139Ma,可能受后期热事件影响外,其他碎屑年龄介于256~1411Ma之间,且这69个点均在谐和线上或其附近(图 6)。按照年龄及频率分布特征大致可以划分出5个组:第1组206Pb/238U年龄集中在256~280Ma,峰值年龄为267±2Ma(n=36,MSWD=1.3);第2组206Pb/238U年龄集中在283~317Ma,峰值年龄为299 ± 11Ma(n=8,MSWD=4.1);第3组206Pb/238U年龄集中在458~508Ma,峰值年龄为484±27Ma(n=5,MSWD=4.2);第4组206Pb/238U年龄集中在703~53Ma,峰值年龄为726±64Ma(n=3,MSWD=2.9);第5组206Pb/238U年龄集中在881~993Ma,峰值年龄为933±55Ma(n=5,MSWD=7.6)。另外2个测试点207Pb/206Pb年龄分别为1010Ma和1411Ma,锆石具有明显环带结构,可能为古老捕获锆石。以上碎屑锆石年龄反映,林西组沉积物具有多种物源供应的特点。

图 6 阿鲁科尔沁旗坤都地区碎屑锆石谐和图和年龄直方图 Fig.6 Concordant and frequency diagrams of detrital zircons in Kundu area of Ar Horqin Banner a、b—全部锆石年龄;c、d—显生宙锆石年龄
3.2 地球化学特征

地层地球化学不仅可以分析沉积环境,也可以进行构造判别。林西组砂岩主量和微量元素分析见表 2。SiO2含量为63.43% ~73.19%;Al2O3含量为13.55%~17.25%;Na2O含量为1.03%~4.09%;K2O含量为1.84%~3.88%;CaO含量为0.53%~1.15%;MgO含量为0.67%~1.41%。岩石具有高Si、Al,低P、Mn的特点,微量元素蛛网图显示具有高Pb、U、Th、Nd,低Nb、Sr、Ti的特点(图略),稀土元素δEu值介于0.92~1.16之间,平均值为1.06,具有弱正Eu异常;δCe值介于0.84~0.94之间,平均值为0.88,具有弱负Ce异常。在SiO2/Al2O3-Na2O/K2O图解(图 7)中,样品点均落在岩屑(长石)砂岩区(与薄片鉴定一致),表明源区岩石没有经历充分的搬运与分选,成熟度较低。

图 7 SiO2/Al2O3-Na2O/K2O图解 Fig.7 SiO2/Al2O3-Na2O/K2O diagram
4 讨论 4.1 林西组沉积时限

剖面14层和15层采集到木贼类的Paracala⁃mites frigidus Neub.、真蕨类的Pecopteris(Asterotheca) cyatheca(Schloch.) Brongn.和Pecopteris unita Brong⁃niart植物化石,以及淡水双壳类Palaeonodonta-Pal⁃aeomutela组合化石。其中寒带副芦木(Paracala⁃ mites frigidus)主要见于林西组[23],时代为晚二叠世;而联合栉羊齿(Pecopteris unita)主要见于山西太原上石盒子组[24]、内蒙古大青山太原群[25]、内蒙古索伦林西组[26],时代为晚石炭世—晚二叠世。桫椤栉羊齿(星囊蕨)(Pecopteris(Asterotheca)cyathea)广布于华北的太原组和山西组[24-25]、在吉林浑江、内蒙古敖汉旗、克什克腾旗下二叠统黄岗梁组[24-25]、伊春上二叠统红山组[27],时代为晚石炭世—晚二叠世。双壳类主要为Palaeonodonta-Palaeomutela组合的分子,与新疆北部梧桐沟组和锅底坑组的双壳类化石类似[28],也常见于大兴安岭中段林西组(原孙家坟组)[20]。综上所述,从植物化石和双壳类化石组合特征分析,乔洛吐山林西组剖面的时代指示为晚二叠世。

该剖面采集的碎屑岩样品,最年轻的206Pb/238U锆石年龄为256Ma,最年轻的峰值年龄为267±2Ma,表明该地区林西组的最大沉积年龄不早于晚二叠世吴家坪阶,与该剖面上古生物化石的时代一致。

4.2 林西组沉积环境与物源信息

微量元素对古沉积环境恢复和沉积物源判别具有重要的指示意义,前人通过大量研究得出一系列用微量元素判别沉积环境和物源的指标[29-31]

(1)B含量:对沉积环境具有明显的指示意义,常用来指示古盐度[32-34]。一般在咸水环境下B含量为80×10-6~125×10-6,在淡水环境下B含量小于60×10-6。研究区B含量为21.65×10-6~72.65×10-6,平均为44.11×10-6,说明乔洛吐山林西组沉积环境为淡水环境。

(2)Sr含量:可以判别沉积地层的古盐度[35],在咸水环境Sr含量为800×10-6~1000×10-6,淡水环境Sr含量为100×10-6~300×10-6,研究区Sr含量为84.3×10-6~226×10-6,平均为133.28×10-6,说明乔洛吐山林西组沉积环境为淡水环境。

(3)Sr/Ba和B/Ga值:这2个比值同样是判别沉积地层古盐度的重要指标[36-38],用其判断海陆沉积环境。Sr/Ba >1时,为海相环境;Sr/Ba <0.6时,为陆相环境。B/Ga >4.5时,为海相环境;B/Ga <3.3时,为陆相环境。研究区林西组Sr/Ba值介于0.16~0.42之间,平均为0.24,属陆相环境;B/Ga值为1.04~3.33,平均为2.13,也属陆相环境。

(4)Rb/K值:可以判断水体的开阔程度[39],Rb/ K >2时,为闭塞环境;Rb/K <2时,为开阔环境。研究区林西组Rb/K值介于0.0048~0.0052之间,平均为0.0049,说明林西组沉积地层为开阔环境。

(5)V/(V+Ni)和Ce/Ce*值:V/(V+Ni)可判断地层的沉积环境的含氧量[40-41],当V/(V+Ni) >0.46时,为还原环境;当V/(V+ Ni) <0.46时,为氧化环境。Ce/Ce*值(Ce/Ce*=Cen/(Lan×Prn1/2)能灵敏地反映沉积环境的氧化还原条件,当Ce/Ce* >1时,为正异常,为还原环境;当Ce/Ce* <0.95时,为负异常,为氧化环境。研究区林西组V/(V+Ni)值介于0.80~0.84之间,平均为0.82,属还原环境;Ce/Ce*值介于3.88~4.29之间,平均为4.04,属还原环境。

根据微量元素综合判别分析(表 3),乔洛吐山林西组沉积时期的水体为陆相开阔的淡水环境,推测古亚洲洋已经闭合,该时期林西组沉积环境为陆相湖盆。

表 3 研究区林西组沉积环境判别结果 Table 3 Discrimination of the sedimentary environment of Linxi Formation in the study area

利用La/Th-Hf和Co/Th-La/Sc源岩属性判别图解可以进行物源分析[31]。在La/Th-Hf图解(图 8-a)中,研究区林西组砂岩落在长英质和长英质、基性岩混合物源区,且位于上地壳平均成分附近;在La/Sc-Co/Th图解(图 8-b)中,研究区林西组砂岩的Co/Th值较低,投点落在长英质火山岩和花岗岩之间,并靠近长英质火山岩附近。综合分析反映,林西组沉积物物源具有长英质物源特性。

图 8 研究区林西组碎屑岩物源判别图[31] Fig.8 Discrimination of the source of clastic rocks in Linxi Formation in the study area
4.3 林西组碎屑锆石年龄谱及其物源区信息

沉积岩中的碎屑锆石,由于自身的稳定性,记录了丰富的物源母岩年龄信息,可为分析物源、探讨区域构造演化提供可靠证据[42]。本次对林西组碎屑岩进行了LA-ICP-MS U-Pb同位素分析测试,共获得70粒碎屑锆石年龄,主要体现5组年龄峰值。

(1)第1组206Pb/238U年龄集中在256~280Ma,峰值年龄为267±2Ma(n=36,MSWD=1.3)。该组年龄占绝对优势,结合地球化学分析,物源具有长英质特性,说明该组年龄值主要来自中—晚二叠世火成岩,与大兴安岭南段普遍发育的岩浆事件吻合,包括西拉木伦河缝合带北部的岩浆事件[7, 43-45]及华北板块北缘的岩浆活动事件[46-47]

(2)第2组206Pb/238U年龄集中在283~317Ma,峰值年龄为299±11Ma(n=8,MSWD=4.1)。该年龄峰值普遍认为与锡林浩特—西乌旗—索伦一带晚古生代岩浆弧的年龄一致[48-50]。如宝力高庙组火山岩年龄为305~320Ma[51];本巴图组火山岩年龄为304Ma等[52],另外,华北板块北缘也存在这组年龄值[53]

(3)第3组206Pb/238U年龄集中在458~508Ma,峰值年龄为484±27Ma(n=5,MSWD=4.2)。这组年龄峰值记录了锡林浩特地块基底变质岩[54]和嫩江—扎兰屯—大石寨一带的奥陶纪—泥盆纪岩浆岩[55]的年龄信息,与内蒙古中部温都尔庙—苏尼特左旗一带的岩浆作用时间吻合[43, 56-57]

(4)第4组206Pb/238U年龄集中在703~753Ma,峰值年龄为726±64Ma(n=3,MSWD=2.9)。这组新元古代年龄在华北地区少有报道,而在西乌旗上石炭统本巴图组碎屑岩中常见[58],另外,锡林浩特杂岩中变质辉长岩也见740Ma年龄值[59]

(5)第5组206Pb/238U年龄集中在881~993Ma,峰值年龄为933±55Ma(n=5,MSWD=7.6)。该组锆石年龄也在东北地区广泛存在,其中,锡林浩特岩群存在880~950Ma的锆石[60],西乌旗本巴图组存在720~1000Ma的碎屑锆石[58]、哲斯组存在660~980Ma[61]年龄,郑月娟[62]在阿旗陶海营子地区也发现大量的850~980Ma的锆石年龄。本次研究样品的地球化学和薄片分析均显示为岩屑长石砂岩,磨圆度中等,成熟度较低,表明物源未发生长距离搬运过程,推测该地区附近可能存在尚未发现的800~900Ma的地块,本次研究也证实了这种推测。

阿旗坤都地区林西组还存在2个测试点,207Pb/206Pb年龄分别为1010Ma和1411Ma,这2个古老年龄峰值常见于锡林浩特岩群,存在大量的1000~1500Ma的年龄[59];在华北板块北缘长城系和蓟县系也存在1300~1500Ma的锆石[63-65]

综上所述,阿鲁科尔沁旗坤都地区乔洛吐山林西组的物源可能主要来自于兴蒙造山带的信息,少量可能来自于华北板块的信息。

5 结论

(1)坤都地区乔洛吐山林西组砂岩最年轻的206Pb/238U锆石年龄为256Ma,最年轻的峰值年龄为

(2)坤都地区乔洛吐山林西组物源具有长英质物源特性,沉积时期的水体为陆相开阔的淡水环境,推测古亚洲洋在晚二叠世已经闭合,林西组沉积环境为陆相湖盆。

(3)坤都地区乔洛吐山林西组206Pb/238U锆石年龄主要集中于267Ma、299Ma、484Ma、726Ma和933Ma五个峰值,反映沉积物源具有多时代物源特点,主要来自于兴蒙造山带的信息,少量可能来自于华北板块的信息。

致谢: 植物大化石经沈阳地质矿产研究所郑少林研究员鉴定,审稿专家提出的宝贵建议,在此表示感谢。

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