地质通报  2019, Vol. 38 Issue (9): 1484-1500  
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张海华, 张健, 黄欣, 邱亮, 苏飞, 郑月娟, 张德军. 大兴安岭中部乌兰浩特地区林西组碎屑岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其构造意义[J]. 地质通报, 2019, 38(9): 1484-1500.
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Zhang H H, Zhang J, Huang X, Qiu L, SU F, Zheng Y J, Zhang D J. Zircon U-Pb age, geochemical characteristics and tectonic implications of detrital zircon from Linxi Formation in the Wulanhaote area, central Da Hinggan Mountains[J]. Geological Bulletin of China, 2019, 38(9): 1484-1500.
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基金项目

中国地质调查局项目《松辽外围西部盆地油气基础地质调查》(编号:DD20160163)和《松辽盆地北部及外围石炭—二叠系油气地质调查》(编号:DD20190097)

作者简介

张海华(1986-), 男, 硕士, 工程师, 从事岩石学、大地构造学研究。E-mail:zhanghaihua311@163.com

通讯作者

黄欣(1985-), 女, 硕士, 工程师, 从事地层古生物、古生态研究。E-mail:158776077@qq.com

文章历史

收稿日期: 2018-05-10
修订日期: 2018-08-22
大兴安岭中部乌兰浩特地区林西组碎屑岩锆石U-Pb年龄、地球化学特征及其构造意义
张海华1 , 张健1 , 黄欣1 , 邱亮2 , 苏飞1 , 郑月娟1 , 张德军1     
1. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034;
2. 中国地质大学(北京)地球科学与资源学院, 北京 100083
摘要: 内蒙古乌兰浩特地区出露一套缺少化石、遭受接触变质作用的厚层碎屑岩。在该套地层采集碎屑锆石样品,进行碎屑锆石U-Pb测年研究。80个锆石分析点的年龄可分为3个主要年龄区间:242~294Ma,年龄加权平均值为263.6±3.3Ma(n=50,MSWD=4.9),峰值年龄为261Ma;301~381Ma,峰值年龄为348Ma;454~530Ma,峰值年龄为487Ma。另有7个锆石分析点的年龄分别为824Ma、836Ma、859Ma、867Ma、1279Ma、1556Ma、2447Ma。261Ma的峰值年龄限定了该地层的沉积下限,即属晚二叠世林西组。主量元素SiO2含量为67.81%,Al2O3为18.22%,MgO为1.44%,CaO为0.41%,Na2O为1.54%,K2O为3.90%,K2O/Na2O为1.15~10.21;A12O3/(CaO+Na2O)为4.87~26.38;稀土元素总量介于162.39×10-6~223.46×10-6之间,平均值为200.88×10-6,负Eu异常,Ce为1.00~1.05,轻稀土元素富集,重稀土元素亏损,微量元素以亏损Nb、Ta、Sr,富集Rb、Ba、La、Ce、Pb、Nd、Sm为特征。以上分析表明,林西组形成于活动大陆边缘构造背景。依据碎屑锆石年龄谱值信息,林西组沉积物源具多样性和复杂性,除东北各地块,同时存在华北板块和西伯利亚板块的物源信息,说明林西组沉积时期华北板块与西伯利亚板块可能已经开始俯冲碰撞过程。
关键词: 碎屑锆石U-Pb年龄    林西组    晚二叠世    地球化学    构造意义    
Zircon U-Pb age, geochemical characteristics and tectonic implications of detrital zircon from Linxi Formation in the Wulanhaote area, central Da Hinggan Mountains
ZHANG Haihua1, ZHANG Jian1, HUANG Xin1, QIU Liang2, SU Fei1, ZHENG Yuejuan1, ZHANG Dejun1     
1. Shenyang Center of Geological Survey, China Geological Survey, Shenyang 110034, Liaoning, China;
2. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences(Beijing), Beijing 100083, China
Abstract: There are a set of thick layers of rocks in Wulanhaote of Inner Mongolia which are lack of fossil and suffered from contact metamorphism. LA-ICP-MS U-Pb isotope test was performed on the zircons from the clastic rock samples. The concordant-near concordant ages of 80 zircons were obtained. The 80 detrital zircons can be divided into three groups according to age and frequency distribution characteristics:242~294Ma with peak age at 261 Ma; 301~381Ma with peak age at 348, and 454~530Ma with peak age at 487Ma. In addition, other 7 zircons have ages of 824Ma, 836Ma, 859Ma, 867Ma, 1279Ma, 1556Ma and 2447Ma. The weighted average age for the youngest age group is 263.6±3.3Ma (MSWD=4.9, n=50), consistent with the minimum peak age of 261 Ma. It is inferred that the maximum deposition age of the Linxi Formation is 261 Ma. The major chemical composition of these rocks is SiO2 67.81%, Al2O3 18.22%, MgO 1.44%, CaO 0.41%, Na2O 1.54% and K2O 3.90%, with K2O/Na2O between 1.15 and 10.21, A12O3/(CaO + Na2O) between 4.87 and 26.38. The value of rare earth element ΣREE is in the range of 162.39×10-6~223.46×10-6, averagely 200.88×10-6. δEu is in the range of 0.58~0.71, averagely 0.64. δCe is between 1.00 and 1.05. The clastic rocks are characterized by LREE enrichment and HREE depletion. Trace elements are characterized by depletion of Nb, Ta, Sr and enrichment of Rb, Ba, La, Ce, Pb, Nd, Sm.These data show that the Linxi Formation was formed in an active continental marginal structural background. Based on detrital zircon age profile information, the authors hold that sediment sources in Linxi Formation were diverse and complex, in addition to blocks in the northeast, there existed provenance information for the North China plate and the Siberia plate at the same time, suggesting that the North China plate and the Siberia plate probably began the subduction collision process during the deposition period of the Linxi Formation.
Key words: detrital zircon U-Pb ages    Linxi Formation    Late Permian    geochemistry    tectonic significance    

内蒙古乌兰浩特地区位于华北板块与西伯利亚板块的构造拼合部位,为中亚造山带东部的兴蒙造山带组成部分。两板块的拼合位置和时限仍存在争议,大多数学者将西拉木伦至长春—延吉一线作为华北板块与西伯利亚板块的构造拼合带[1-6],也有学者认为板块拼合带位于贺根山-黑河断裂带[7-10]。拼合时间的认识也存在差异,部分学者认为在中泥盆世[8, 11]、晚泥盆世—早石炭世[12-13],多数学者倾向于中晚二叠世—早中三叠世[6, 14-18]

晚二叠世林西组的形成时代是古亚洲洋构造域与滨太平洋构造域构造转换的重要时期,林西组形成的构造背景和沉积环境具有板块碰撞拼合的讯息。鉴于此,林西组的沉积时代、构造环境、沉积环境等长期以来一直受到中国地质学者的广泛关注,不同学者对内蒙古地区晚二叠世林西组的时代、古生物特征、沉积环境、构造环境等进行了分析[19-28],为东北地区林西组的研究做出了重要贡献。但相对于内蒙古西部地区,内蒙古东部地区林西组的研究仍不足,碎屑锆石年龄报道较少,且缺乏系统的研究,阻碍了整体上把握林西组的沉积时限、形成环境、构造背景等,关于林西组的时代、物源区特征、沉积环境、构造背景等方面仍存在不同的认识,且差异较大。

近年来,碎屑锆石U-Pb测年研究为地层年代、物源信息、构造属性等的分析提供了新的思路。锆石具有高的U-Th-Pb同位素封闭温度,且分布广泛,易分选,在剥蚀搬运过程中可以保持稳定的状态。本文在地质调查研究的基础上,对采自乌兰浩特大石寨地区的碎屑岩样品进行了锆石U-Pb测年和岩石地球化学分析。碎屑锆石年龄对限定该区缺少古生物化石证据的地层时代具有重要意义。笔者在碎屑锆石年龄谱值特征和岩石地球化学特征分析的基础上,结合已有的地质、古生物化石、区域地质、构造演化等资料,对林西组的时代、沉积特征、源区特征、构造环境等进行综合分析,对研究兴蒙造山带的构造演化及华北板块与西伯利亚板块的最终碰撞拼合的时限等具有重要意义,并为松辽盆地及其外围上古生界油气勘探提供基础地质数据支撑。

1 区域地质概况

研究区位于大兴安岭中部、乌兰浩特大石寨镇地区,研究区晚古生代地层出露较广泛。出露的地质体主要包括晚古生代大石寨组、哲斯组、林西组。大石寨组发育中性熔岩、火山碎屑岩及砂板岩;哲斯组主要为板岩、变质凝灰岩及砂岩;林西组在研究区分布广泛,主要为接触变质的千枚状浅灰黑色-灰黑色(局部可见灰绿色)粉砂质板岩、斑点板岩、细砂岩等组合。中生代地层在研究区大面积出露,上侏罗统满克头鄂博组(J3mk)、玛尼吐组(J3mn)和白音高老组(J3b)发育(图 1)。

图 1 研究区地质略图 Fig.1 Geological sketch map of the study area F1—德尔布干断裂;F2—贺根山黑河断裂;F3—牡丹江断裂;F4—依兰伊通断裂;F5—西拉木伦河断裂;F6—敦化密山断裂;F7—延吉断裂;F8—跃进山断裂

该区出露中生代岩浆岩,岩性组合主要为黑云母花岗岩、二长花岗岩、花岗闪长岩、斜长花岗岩等。岩体大多被风化,覆盖严重,侵入二叠纪沉积地层,局部被晚侏罗世火山岩不整合覆盖。

2 样品特征与分析测试

碎屑岩锆石测年样品和岩石地球化学分析样品采自大石寨附近的林西组,坐标为北纬46°13′ 52.2"、东经121°30′41.2",测年样品编号为D1142TWS,地球化学分析样品编号为D1141HX1- 3和D1142HX1-2,岩性为绢云砂板岩。

样品D1142TWS:绢云砂板岩,岩石呈灰黑色,变余砂状-显微鳞片变晶结构,板状构造,由砂级碎屑、炭质及填隙物组成。砂级碎屑主要为长石、石英、岩屑,次棱角状-次圆状,大小一般为0.05~0.25mm(细砂),部分为0.25~0.5mm(中砂),部分介于0.5~0.75mm(粗砂)之间,定向分布。长石为斜长石,岩屑已变为长英质集合体、炭质长英质集合体及绢云长英质集合体,部分界线模糊不清或消失,炭质呈黑色尘点状,细分散状分布。长石含量1%~ 5%,石英10%~15%,岩屑65%~70%,炭质1%~5%。填隙物为粘土杂基,含量为20%~25%。粘土杂基变为绢云母,直径一般为0.001~0.02mm,部分为0.02~ 0.05mm,少量介于0.05~0.1mm之间,填隙状定向分布,部分集合体条痕状定向分布(图 2)。

图 2 林西组碎屑岩宏观(a)及镜下特征(b,正交偏光)照片 Fig.2 Macroscopic (a) and microscopic (b) photos of clastic rocks from the Linxi Formation Qz—石英;Pl—斜长石

锆石分选在廊坊市诚信地质服务有限公司进行,首先将样品进行粉碎分选,再在双目镜下选择透明度高、晶形完好且无裂隙的锆石进行制靶。制靶后用阴极发光(CL)、透射光、反射光对锆石样品进行照相,锆石阴极发光图像拍摄在北京大学电镜室完成,制靶、透射光、反射光图像拍摄和LA-ICPMSU-Pb测试在中国地质大学(北京)地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。通过反射光、透射光及阴极发光图像综合分析,选择晶形好、环带清晰的锆石样品,用激光剥蚀等离子体质谱仪(LAICP-MS)进行锆石U-Pb同位素测试。锆石靶的制备过程见参考文献[29]。锆石U-Pb测试的仪器为美国NewWaveResearchInc.公司生产的激光剥蚀进样系统(UP193SS)和美国AGILENT科技有限公司生产的Agilent7500a型四级杆等离子质谱仪联合构成的激光等离子质谱系统(LA-ICP-MS)。实验用36μm的激光束斑直径和10Hz的激光频率,激光取样过程采用5s的预剥蚀时间、20s的冲洗样品池时间及40s的剥蚀取样时间。实验采用人工合成硅酸盐玻璃NIST610为外标[30],Si为内标进行元素校正,采用标准锆石91500为外标进行U-Pb同位素分馏效应的校正计算,澳大利亚锆石标样TEM[31]和QH[32]为监控盲样监视测试过程的稳定性和数据质量。数据处理采用澳大利亚Glitter(ver.4.4, MacquarieUniversity)程序完成,普通铅校正方法同Anderson[33-34]

样品主量、微量元素测试在自然资源部东北矿产资源监督检测中心完成,整个测试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(XRF),微量、稀土元素采用电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)完成。

3 同位素年龄分析结果

本次对乌兰浩特地区林西组样品(D1142TWS)进行了碎屑锆石LA-ICP-MSU-Pb同位素分析,共测试80个点。样品锆石为自形-半自形,大多保留岩浆结晶锆石的形态,大部分为长柱状,少数为短柱状,粒径主要集中在90~150µm之间,长宽比大多为2:1。阴极发光图像显示,大部分锆石具清晰的岩浆振荡环带,少部分可见不同程度的溶蚀、破碎、磨圆,主体显示为岩浆成因锆石。个别锆石可见增生边及残留的晶核结构,说明锆石在沉积之前经历了构造改造、变质事件或被岩浆捕获,具有沉积再旋回锆石的特征(图 3)。

图 3 林西组(D1142TWS)碎屑锆石阴极发光(CL)图像和年龄 Fig.3 CL images and 206Pb/238U ages of detrital zircons from the Linxi Formation (小于1000Ma者采用206Pb/238U年龄,大于1000Ma者采用207Pb/206Pb年龄)

从锆石的稀土元素分析结果可以看出(图 4表 1),稀土元素配分曲线呈重稀土元素明显富集,轻稀土元素明显亏损形式,总体左倾。锆石稀土元素具有明显负Eu异常,δEu值介于0.023~0.718之间,平均值为0.256;正Ce异常明显,具有高的δCe值(除1个数据较小外),δCe值介于1.11~65.83之间,平均值为14.80;Th/U值介于0.11~1.28之间,平均值为0.61,绝大部分大于0.4。以上说明锆石为岩浆成因。

图 4 林西组(D1142TWS)碎屑锆石稀土元素配分曲线 Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns of the zircons from the Linxi Formation (D1142TWS)
表 1 林西组碎屑岩锆石原位微区稀土元素分析测试结果 Table 1 REE analyses of the detrital zircons from Linxi Formation

锆石样品测年结果(表 2)显示,3个测试点(10、57和79点)偏离谐和线,其余数据均在谐和线上及其附近。测试结果按年龄值和频率分布特征可大致分为3组:①样品锆石206Pb/238U年龄介于242~294Ma之间,年龄加权平均值为263.6±3.3Ma(n=50,MSWD= 4.9),峰值年龄为261Ma;②206Pb/238U年龄介于301~ 381Ma之间,峰值年龄为348Ma;③锆石206Pb/238U年龄集中在454~530Ma(10颗,12.5%),峰值年龄为487Ma;另有7个测试点的年龄分别为824Ma、836Ma、859Ma、867Ma、1279Ma、1556Ma、2447Ma(图 5图 6)。

表 2 林西组碎屑锆石LA-ICP-MS U-Th-Pb分析结果 Table 2 LA-ICP-MS U-Th-Pb isotope composition of the detrital zircons from the Linxi Formation
图 5 林西组碎屑锆石U-Pb年龄频率分布图 Fig.5 Relative probability plot of detrital zircons from the Linxi Formation (年龄大于1000Ma采用207Pb/206Pb,年龄小于1000Ma采用206Pb/238U)
图 6 林西组碎屑岩锆石U-Pb谐和图 Fig.6 U-Pb concordia plots of detrital zircons from the Linxi Formation
4 地球化学特征 4.1 主量元素

地球化学分析样品均采自乌兰浩特大石寨地区林西组,样品测试数据中的烧失量已经扣除,并进行了重新换算(表 3)。研究区林西组砂板岩中SiO2含量为64.12%~71.78%,平均为67.81%;Al2O3含量较高,介于16.16%~20.74%之间,平均为18.22%;TiO2含量为0.72%~0.84%,平均为0.76%;FeO含量为1.16%~4.46%,平均为2.85%;Fe2O3含量为1.75%~ 4.01%,平均为2.79%;MgO含量为0.87%~1.81%,平均为1.44%;K2O/Na2O值为1.15~10.21;A12O3/ (CaO+Na2O)值为9.32~26.38。

表 3 林西组样品主量、微量和稀土元素分析结果 Table 3 Major, trace and rare earth element composition of clastic rocks from Linxi Formation
4.2 微量元素

砂板岩微量元素分析数据见表 3。由表 3图 7-a可知,碎屑岩样品中微量元素Rb、Ba、Th、K、Pb、Nd、Zr等含量较高,一般达100×10-6以上,与大陆上地壳微量元素相比,乌兰浩特地区林西组样品微量元素大离子亲石元素Rb、Ba含量较高,且远高于下地壳。高场强元素Nb、Zr、Ta,Nb、Zr略高于上地壳,远高于下地壳,Ta含量略低于上地壳,略高于下地壳,即介于上地壳与下地壳之间。低场强元素Th、U、Sr,Th绝大部分略高于上地壳,高于下地壳;U相对于上地壳含量略低,而高于下地壳;Sr则低于上下地壳(可能与Sr离子半径较小有关,易以游离态的形式被地下水及地表水带走)。

图 7 微量元素蛛网图(a)及稀土元素配分模式图(b) Fig.7 Trace elements distribution patterns(a)and chondrite- normalized REE patterns(b)
4.3 稀土元素

碎屑岩稀土元素含量、平均值及参数计算结果见表 3。由表 3图 7-b可看出,林西组样品稀土元素含量变化不大,均表现为轻稀土元素(REE)富集、重稀土元素(HREE)平坦,且具较显著的负Eu异常特征。林西组样品的稀土元素总量(ΣREE)为162.39×10-6~223.46×10-6,平均值为200.87×10-6。LREE/HREE值介于7.49~9.12之间,平均值为8.41,高于北美页岩的值[35],(La/Yb)N值在7.38~9.16之间,指示轻、重稀土元素分异程度较高,轻稀土元素相对富集;指示轻稀土元素分异程度的(La/Sm)N值变化较小,介于3.27~3.70之间,平均值为3.50,表明轻稀土元素分馏中等;衡量重稀土元素分异程度的(Gd/Yb)N值介于1.41~1.52之间,平均值为1.45,表明重稀土元素分馏较低,曲线较平坦。负Eu异常较显著,δEu值介于0.58~0.71之间,平均值为0.64。

5 讨论 5.1 林西组沉积时限

林西组在大兴安岭地区广泛分布,近年来生物地层学研究对其沉积时限做了进一步划分。郑月娟等[21]研究了阿鲁科尔沁旗地区陶海营子剖面中下部的叶肢介、孢粉等化石,认为该剖面发育的林西组可与新疆吉木萨尔地区发育的大龙口剖面梧桐沟组和锅底坑组中下部对比,大致相当于吴家坪(Wuchiapingian)晚期—长兴期(Changhsingion),与张永生等[23]报道的林西组官地剖面(含晚二叠世叶肢介化石)中上部大致相当,时代为晚二叠世晚期;张兴洲等[36]在内蒙古蘑菇气地区砂岩中发现了相当于华北地区晚二叠世早期的上石盒子组孢粉化石。上述古生物地层学研究结果表明,大兴安岭地区林西组沉积时代应为晚二叠世。

本次对乌兰浩特地区采集的碎屑锆石测年,D1142样品80颗锆石测试点中,76颗锆石(3颗为不谐和年龄,1颗应为混入锆石)分析点的年龄都位于或基本位于谐和线上,均为有效年龄。年龄值分布在242~2447Ma之间,最年轻的一组锆石年龄介于242~294Ma之间,该年龄段的锆石数量占总碎屑锆石数量的67.5%,峰值年龄为261Ma,年龄加权平均值为263.6±3.3Ma(n=50,MSWD=4.9)(图 5),该年龄段的最大峰值年龄和加权平均值在误差范围内基本一致。

由以上年龄数据可知,该套地层的沉积下限年龄应为261Ma;即中二叠世后期的沉积。结合区域上的资料,郑月娟等[22]在内蒙古阿鲁科尔沁旗陶海营子地区林西组测得最年轻的碎屑锆石年龄峰值为261Ma;王丹丹等[37]对阿鲁科尔沁旗陶海营子剖面长石岩屑砂岩进行SHRIMP锆石U-Pb测年,得到林西组253~257Ma的沉积下限;韩国卿[16]等对克旗和林西地区碎屑岩锆石进行研究,分别获得250Ma和278Ma的沉积下限年龄值;韩杰等[18]对林西地区林西组砂岩进行锆石U-Pb测年,限定林西组的沉积时限不老于256Ma;宋卫卫等[38]对内蒙古西乌旗地区发育的哲斯组砂岩进行碎屑锆石年代学分析,确定地层的沉积年龄应晚于263Ma;张海华等[34]对巴林左旗晚二叠世林西组进行碎屑锆石测年,得到最小峰值年龄266Ma;陈树旺等[39]对内蒙古科尔沁右翼中旗地区发育的沉积地层进行锆石年代学分析,确定地层沉积下限年龄应为263Ma。综上所述,乌兰浩特地区碎屑锆石的年龄与区域上阿鲁科尔沁旗、林西、科尔沁右翼中旗等地区的林西组同位素年龄在误差范围内吻合。综合以上研究,261Ma的峰值年龄应为乌兰浩特地区林西组的沉积下限年龄。

综上所述,古生物化石年代和碎屑锆石测年及区域地质成果表明,乌兰浩特地区林西组的时代应为晚二叠世,沉积下限为261Ma,应为晚二叠世沉积。

5.2 碎屑锆石年龄指示的物源区特征及地质意义

(1) 通过LA-ICP-MS锆石U-Pb测年,研究区林西组碎屑岩最年轻的一组年龄为242~294Ma,占锆石总量的67.5%,存在261Ma的最小峰值年龄。内蒙古林西县发育花岗质片麻岩,李益龙等[14]测得的岩体锆石U-Pb年龄为264.8±1.8Ma、271.9± 1.6Ma,林西地区发育的闪长岩锆石年龄为286± 1Ma[15],郑月娟等[22]在内蒙古巴林右旗地区发育的凝灰岩中获得250Ma的锆石年龄;研究数据中大量存在250~280Ma的锆石年龄,这与林西地区大量发育的大石寨组火山岩年龄吻合[40]。以上年龄资料说明,该区存在中、晚二叠世的岩浆、火山事件。

古生物学资料表明,二叠纪末期西拉木伦河以北的安加拉型植物群入侵到南部华夏植物群[41];张永生等[23]通过对林西地区发育的林西组剖面中叶肢介化石的研究表明,发育在华北与西伯利亚地台的动植物化石于晚二叠世发生了混生;郑月娟等[21]对内蒙古巴林右旗地区早三叠世孢粉化石的研究表明,该地区同样发生了安加拉与华夏两大植物群的混生。古地磁研究表明[42-43],华北板块与西伯利亚板块在晚二叠世已经发生碰撞拼合。

以上研究成果表明,华北板块和西伯利亚板块在晚二叠世—早三叠世于西拉木伦缝合带发生碰撞拼合,本次研究的碎屑锆石年龄谱特征显示,242~294Ma阶段的锆石占锆石总量的67.5%,并与西拉木伦缝合带附近与板块俯冲、碰撞有关的火山、岩浆事件吻合,表明该阶段的岩石为主要物源,也说明该时期物源区发生了较强烈的隆升。综合以上分析,该套地层的物源区应主要沿西拉木伦碰撞拼合带分布。

(2) 301~381Ma阶段的年龄与内蒙古苏尼特左旗地区—锡林浩特—西乌旗地区岩浆弧的年龄吻合[38, 44-48],西乌旗地区石英闪长岩的年龄在322~ 325Ma之间[48],锡林浩特—西乌旗地区花岗岩的年龄为300~330Ma[49-50],宝力高庙组火山岩年龄介于305~320Ma之间[51], 本巴图火山岩年龄为304~337Ma之间[48, 52],表明该年龄段物源应来自苏尼特左旗-锡林浩特-西乌旗岩浆弧带。

(3) 碎屑锆石454~530Ma的年龄与松辽盆地、额尔古纳地块等年龄相符,如松辽盆地基底变质岩中碎屑锆石的峰期年龄为427Ma和455Ma[53]。Liu等[54]对伊春片麻岩及张广才岭地区发育的碱长花岗岩进行同位素年代学研究,获得了508Ma和471Ma年龄;Zhou等[55]获得额尔古纳地块基底变质岩的年龄为496Ma;Miao等[56]测得兴安地块兴华渡口群变质杂岩的年龄为506~547Ma。

内蒙古温都尔庙地区发育的图林凯蛇绿混杂岩也存在该期年龄[57-58],如测得英云闪长岩年龄为497±7Ma,变辉长岩侵位年龄为480±2Ma,石英闪长岩和奥长花岗岩年龄为454±3Ma和472±2Ma,英安岩年龄为458±3Ma;苏尼特左旗的石英闪长岩、英云闪长岩和辉长岩形成年龄分别为480±2Ma、471±2Ma和483±2Ma[58];白音宝力道英云闪长岩的侵位年龄为498~461Ma[58-59]

综合上述材料,研究区417~523Ma锆石的物源应该来自松辽盆地基底、额尔古纳地块等,同时内蒙古温都尔庙、白乃庙、索伦山、白音宝力道等地区也可能提供物源。

(4) 碎屑锆石中824Ma、836Ma、859Ma、867Ma等年龄在东北地区有较多的报道,如额尔古纳变质杂岩具有相似的年龄[55],西伯利亚板块南部存在700~850Ma的岩浆岩年龄[60],佳木斯地体麻山群变质沉积岩也具有相近的碎屑锆石年龄[61]

1279Ma、1556Ma、2447Ma的年龄与松辽盆地北部营城子组火山岩所捕获的锆石年龄接近(1293Ma、1600Ma、1848Ma)[62]。目前研究表明,在华北板块还没有发现约800Ma和900Ma的岩浆岩火山事件,而华北板块与西伯利亚板块以发育2.5Ga和1.8Ga的岩浆事件为典型[63-64]。由此可以看出,本次研究的林西组可能主要由额尔古纳地块、兴安地块、松嫩地块和佳木斯地块提供物源,但同时存在一个2447Ma的年龄,表明此时林西沉积时期可能接受了华北板块和西伯利亚板块的物源。

综合林西组碎屑锆石年龄谱值信息可知,该区林西组沉积物源具多样性和复杂性,具有多物源供给的特点,但主体应来自东北各地块,同时存在2.5Ga的锆石年龄信息,说明林西组沉积时期华北板块与西伯利亚板块可能较接近或已经开始俯冲碰撞过程。

5.3 岩石地球化学特征反映的物源信息、沉积环境和构造背景 5.3.1 物源区性质

碎屑岩中稀土元素的含量和组成主要由源区岩石成分决定,稀土元素具有不可溶性,在水体中含量极低,主要以碎屑颗粒方式进行搬运,且受成岩作用影响较小,稀土元素配分模式可客观反映沉积物源区性质,可作为物源区的重要示踪[65-67]。泥板岩稀土元素经球粒陨石标准化后,表现为轻稀土元素富集、重稀土元素均一(轻度亏损)、具有较明显的负Eu异常特点,与上地壳中稀土元素的配分形式吻合,说明研究区碎屑岩的原始物质应来自上地壳。

稀土元素、Th及Sc和高场强元素在水中停留的时间较短,几乎都进入沉积物中,而这些相容及不相容元素的比例特征能够区分碎屑岩中长英质、镁铁质来源的成分,根据这些元素特征,Allegre[68]提出了ΣREE-La/Yb的源区属性判别图(图 8),从该图可以看出,研究区林西组泥岩以沉积岩钙质泥岩、碱性玄武岩及花岗岩的混合物源为主,但更偏向于沉积岩钙质泥岩及碱性玄武岩物源;沉积物中主量元素Al2O3/TiO2值小于14时,物源可能来自镁铁质岩石,Al2O3/TiO2值在19~28之间时,物源可能来源于花岗闪长质和英云闪长质(或流纹质和安山质)岩石[69-70],研究区Al2O3/TiO2值介于21.85~25.62之间,表明物源主要为花岗闪长岩和英云闪长岩;从微量元素蛛网图可以看出,泥板岩样品具有相似的微量元素分布形式(图 7-a),均以亏损Nb、Ta、Sr,富集Rb、Ba、La、Ce、Pb、Nd、Sm等为特征。从上述微量元素特征可看出,乌兰浩特地区林西组沉积物主要来自上地壳的长英质岩石。

图 8 林西组碎屑岩物源属性判别 Fig.8 Discrimination diagram for provenance attribute of clastic rocks from the Linxi Formation

综上所述,研究区林西组碎屑岩地层母岩源区物质较复杂,但主要为长英质岩石经过剥蚀、搬运、沉积的产物。

5.3.2 构造背景

Roser等[71]通过对各地区已知构造背景的砂岩、泥岩和现代砂泥岩沉积物的主量元素特征分析,认为K2O/Na2O值可以反映构造背景,是判断构造环境的有效指标,并提出K2O/Na2O-SiO2/Al2O3的构造背景图解(图 9-a)。从图 9-a可以看出,林西组碎屑岩样品点主要落在活动大陆边缘区和被动大陆边缘区,表明研究区沉积物的物源区背景受主动大陆边缘和被动大陆边缘构造环境及源区共同影响。

图 9 林西组碎屑岩构造背景判别 Fig.9 Discrimination diagrams for tectonic setting of clastic rocks from the Linxi Formation

Roser等[71]认为,主量元素K2O/Na2O值同样可以反映构造环境。在SiO2-K2O/Na2O构造背景判别图上,乌兰浩特地区林西组碎屑岩样品主要落在活动大陆边缘区域和被动大陆边缘区域(图 9-b),同样表明沉积物的物源区背景受主动大陆边缘和被动大陆边缘构造环境及物源区共同影响。

陆源碎屑中的微量元素与主量元素相比稳定性较好,Th、Cr、Sc、Co、La和Zr在沉积环境中能保持稳定,可用于判定源区性质及构造环境。在ThCo-Zr/10构造判别图解上,数据点都落在大陆岛弧范围(图 10-a),反映源区应为大陆岛弧构造背景;在Th-Sc-Zr/10构造判别图解上,数据点均落在大陆岛弧范围(图 10-b),综合反映源区应为大陆岛弧构造背景。

图 10 林西组碎屑岩构造背景判别 Fig.10 Discrimination diagrams for tectonic setting of clastic rocks from the Linxi Formation A—大洋岛弧;B—大陆岛弧;C—活动大陆边缘;D—被动大陆边缘

稀土元素特征常被用来判断沉积物的物源区性质和构造背景。Murry等[72]的研究显示,Ce异常与盆地的构造环境有关,以北美页岩为标准化值,距洋脊400km内的扩张脊附近具有明显的负Ce异常,δCe值为0.29;大洋盆地具有中等的负Ce异常,δCe值为0.55;大陆边缘区的Ce异常逐渐消失或为正异常,δCe值为0.9~1.30。研究区所采林西组泥岩样品δCe值介于1.00~1.05之间,为很弱的正异常,表明当时的沉积环境应为靠近大陆边缘区域,类似于大陆边缘环境。

综合地球化学研究结果,研究区林西组碎屑岩的沉积物可能主要形成于靠近大陆岛弧的活动大陆边缘构造环境,还可能受到被动大陆边缘环境的影响。

5.3.3 古环境

微量元素V/(V+Ni)值可以反映沉积介质氧化还原特征,V/(V+Ni)>0.46为还原环境,V/(V+ Ni)<0.46为氧化环境[73]。研究区林西组碎屑岩的V/(V+Ni)值介于0.69~0.78之间,平均0.73,远大于0.46,表明林西组形成于还原环境,这对有机质保存较有利。

根据沉积岩中MgO的亲海性质及Al2O3的亲陆性质,可建立镁铝比值(b)进行判断水体盐度的咸淡[74]。沉积环境水体由淡水向海水过渡时,b(b= 100×(MgO/Al2O3))值会随水体盐度的增大而增大,淡水环境中b<1,陆海过渡沉积环境中b值介于1~ 10之间,海水沉积环境中b值介于10~500之间,陆表海环境(或碳酸盐岩沉积环境)中b>500。研究区林西组的b值在5.38~9.69之间,说明它们属陆海过渡沉积环境。

综合上述资料,通过碎屑锆石年代学分析,261Ma为乌兰浩特地区林西组的沉积下限年龄。岩石地球化学分析表明,林西组可能形成于活动大陆边缘的构造背景(同时可能还受被动大陆边缘环境的影响),源区类型属于俯冲碰撞再造山旋回带,母岩源区物质较复杂,以长英质岩石源区为主,受岛弧俯冲和碰撞造山作用的影响,陆壳抬升,由海相逐渐转变为海陆过渡相环境。本次获得碎屑锆石最年轻的峰值年龄为261Ma,说明华北板块与西伯利亚板块的最终拼合时间应在晚二叠世或之后。

6 结论

(1) 地球化学分析表明,研究区林西组碎屑岩地层母岩源区物质复杂,但沉积物质以长英质岩石源区为主。

(2) 源区类型属于俯冲碰撞再造山旋回带,林西组形成于活动大陆边缘构造背景,可能还受被动大陆边缘环境的影响。

(3) 乌兰浩特地区林西组碎屑岩中最年轻的一组锆石年龄介于242~294Ma之间,年龄加权平均值为263.6±3.3Ma(n=50,MSWD=4.9),峰值年龄为261Ma,表明该套地层的沉积时限不老于261Ma。结合生物地层学及区域地质资料,认为林西组的形成时代应为晚二叠世。

(4) 林西组碎屑锆石年龄变化于242Ma~ 2447Ma,碎屑锆石年龄集中在242~294Ma、301~ 381Ma、454~530Ma和824~2447Ma年龄段,沉积物源具有多样性和复杂性,主体应来自东北各地块,同时存在1颗2447Ma较老的年龄,表明林西组沉积时期可能接受了华北板块和西伯利亚板块的物源。

(5) 本次获得的砂岩碎屑锆石年龄集中在242~ 294Ma之间,年龄加权平均值为263.6±3.3Ma,与西拉木伦缝合带附近与板块俯冲碰撞相关的岩浆事件吻合;地球化学信息显示,林西组形成于活动大陆边缘构造背景,表明林西组沉积时期华北板块与西伯利亚板块比较接近或可能已经开始俯冲碰撞过程,最终闭合时间应该在晚二叠世之后。

致谢: 样品测试过程中得到吉林大学葛文春老师的大力帮助,审稿专家提出了宝贵的修改意见和建议,在此表示衷心的感谢。

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