地质通报  2020, Vol. 39 Issue (5): 659-669  
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李晓海, 陈树旺, 丁秋红, 李文博, 张健. 辽宁北部秀水盆地下白垩统义县组火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及其地质意义[J]. 地质通报, 2020, 39(5): 659-669.
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Li X H, Chen S W, Ding Q H, Li W B, Zhang J. LA-ICP-MS zircon U-Pb age of the volcanic rocks of the Lower Cretaceous Yixian Formation in the Xiushui basin of northern Liaoning Province and its geological significance[J]. Geological Bulletin of China, 2020, 39(5): 659-669.
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基金项目

中国地质调查局项目《松辽盆地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

李晓海(1982-), 男, 硕士, 高级工程师, 从事油气基础地质调查研究。E-mail:641426683@qq.com

文章历史

收稿日期: 2019-05-07
修订日期: 2019-12-27
辽宁北部秀水盆地下白垩统义县组火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb年龄及其地质意义
李晓海, 陈树旺, 丁秋红, 李文博, 张健    
沈阳地质矿产研究所/中国地质调查局沈阳地质调查中心, 辽宁 沈阳 110034
摘要: 为查明秀水盆地烃源岩层位形成时代,对侵位到秀D1井义县组三段沉积地层中的次火山岩样品和地表发育的义县组火山岩样品,分别进行LA-ICP-MS锆石U-Pb测年,获得火山岩同位素年龄值为121.5±1.2~121.3±3.5 Ma,时代为早白垩世。通过与区域相同时代火山岩同位素年代学对比研究表明,秀水盆地火山岩形成时期为义县组末期火山活动。秀水盆地义县组末期火山岩年龄的确定,不仅确定了义县组末期火山岩形成的上限年龄(121.3 Ma),同时也确定了秀水盆地主力烃源岩层位(义县组三段)的上限年龄(约121 Ma)。明确了义县组三段沉积层作为辽宁西北地区重要的油气勘探目的层系,为松辽盆地外围断陷盆地群油气勘探提供了新的目的层系。
关键词: 义县组    火山岩    U-Pb年龄    辽宁北部    秀水盆地    
LA-ICP-MS zircon U-Pb age of the volcanic rocks of the Lower Cretaceous Yixian Formation in the Xiushui basin of northern Liaoning Province and its geological significance
LI Xiaohai, CHEN Shuwang, DING Qiuhong, LI Wenbo, ZHANG Jian    
Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources, CGS, Shenyang 110034, Liaoning, China
Abstract: In order to ascertain the hydrocarbon source strata age of Xiushui basin, LA-ICP-MS zircon U-Pb dating was conducted on the sub-volcanic rocks that was emplaced in the third member of Yixian Formation sedimentary strata in Xiu-D1 well and developed on the surface, which yielded an age of 121.5±1.2~121.3±3.5 Ma, indicating that the sub-volcanic rocks were formed in Early Cretaceous.In comparison with the volcanic rocks in the surrounding areas, the study of isotopic chronology shows that the volcanic rocks in Xiushui basin were formed during the volcanic activity at the end of the formation of Yixian Formation.The determination of the age defines not only the upper age limit(121.3 Ma)of the formation of volcanic rocks but also the upper age limit(121 Ma)of the main hydrocarbon source rocks(the third member of Yixian Formation)in Xiushui basin.The third member of Yixian Formation is an important oil and gas exploration target series in northwest Liaoning Province.It provides a new target series for oil and gas exploration in the peripheral fault basin group of Songliao basin.
Key words: Yixian Formation    volcanic rocks    U-Pb age    northern Liaoning    Xiushui basin    

秀水盆地位于松辽盆地外围南部,发育大面积火山岩,地质构造复杂,是前人油气调查工作空白区。2015年以来,中国地质调查局沈阳地质调查中心实施的“松辽盆地外围油气基础地质调查”项目先后在秀水盆地开展了地表地质、物探、化探、钻探等油气地质调查工作,发现早白垩世义县组发育优质烃源岩,实施的秀D1井、辽法地1井、辽法地3井普遍见油气显示[1-3]。近年松辽盆地外围南部中小型断陷盆地油气勘探得到业界广泛重视,多个盆地获得油气突破,但关注的勘探目的层系主要集中在下白垩统九佛堂组、沙海组[4-9]。本文通过对秀水盆地义县组末期火山岩年龄的分析,探讨本区义县组火山岩的时代、岩浆活动结束时间,以及义县组三段沉积地层沉积上限等问题。秀水盆地义县组火山岩年龄的确定,为研究区与区域上义县组火山岩地层的年代对比及火山活动规律提供了重要的科学依据。同时,秀水盆地主力烃源岩层位义县组三段沉积上限年龄的确定,明确了义县组三段沉积层为辽宁西北地区重要的油气勘探目的层系,为松辽盆地外围断陷盆地群在新区新层系调查研究及油气勘探提供了新的突破方向。

1 地质概况

研究区位于华北板块北缘古生代陆缘活动带上,在中生代早白垩世—晚白垩世发育大规模的陆相火山岩浆活动,新生代火山活动较弱。自燕山期造山作用以来,研究区经历了多旋回多期次火山喷发作用,其中早白垩世义县组火山岩最发育,主要分布在秀水盆地的西部,受北东向断裂构造控制,多呈条带状展布。侵入岩主要有中二叠世、中侏罗世二长花岗岩,作为盆地基底主要分布在秀水盆地东部,早白垩世侵入岩主要岩性为安山玢岩、流纹斑岩,主要分布于秀水盆地东侧,侵位到义县组火山岩中。

秀水盆地是在海西褶皱基底和前寒武纪基底上发育起来的中生代断陷型盆地, 盆地受北东向构造控制, 呈近北东向条带状展布, 面积约710 km2,在早白垩世发育4期不同的构造演化阶段[2],盆地内部发育3个次一级凹陷,中生界主要发育下白垩统义县组、九佛堂组、沙海组[1](图 1)。在秀水盆地内实施的3口地质调查井(秀D1井、辽法地1井、辽法地3井)普遍见油气显示,根据区域地质调查及钻孔资料,结合岩石及孢粉化石特征,确定油气显示地层为义县组,并将秀水盆地义县组划分为4个岩性段:一段为基性火山岩段;二段为火山岩夹沉积-火山碎屑岩段;三段为沉积岩段;四段为酸性火山岩段[1]

图 1 秀水盆地地质图及采样位置[1] Fig.1 Geological map and sampling location of Xiushui basin

义县组三段岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩、粉砂岩,夹细砂岩、中砂岩。义县组三段发育的泥岩具有分布范围广、厚度大的特点,通过油源对比,确定义县组三段烃源岩为秀水盆地的主力烃源岩层[3]。义县组四段岩性为灰褐色粗安岩、灰色英安岩、紫灰色流纹岩、英安质凝灰岩。该套酸性火山岩在秀水盆地内部多以次火山岩相侵位到义县组三段及二段中,部分喷出地表不整合在义县组三段沉积地层之上,喷发厚度在区域上变化较大,分布不连续。

2 义县组火山岩年龄 2.1 样品采集

为确定侵位到秀D1井义县组三段沉积地层中次火山岩的年限和时代归属,对秀D1井中侵位到义县组三段沉积地层中的2层次火山岩和秀水盆地南部东蛇山发育的义县组火山岩分别采集样品(表 1图 1)。测年样品的破碎和锆石挑选在河北省地质测绘院岩矿实验测试中心完成。锆石制靶、阴极发光(CL)图像处理、锆石U-Pb同位素定年、岩石元素含量分析均在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)完成。

表 1 秀水盆地义县组同位素样品特征 Table 1 Characteristics of isotopic samples from the Yixian Formation in Xiushui basin
2.2 岩石学特征

BD01TW样品为灰紫色安粗岩, 斑状结构,基质具显微晶质结构。其中钾长石斑晶为无色,板状,平行消光,具卡氏双晶,粒径0.6~4.0 mm,体积分数15%左右;斜长石斑晶呈无色,板状,斜消光,聚片双晶较清晰,可见环带结构,绢云母星点状分布,粒径0.6~3.4 mm,体积分数约13%;黑云母斑晶为褐色,片状,平行消光,具暗化边结构,粒径0.2~1.2 mm,体积分数约7%。基质矿物由斜长石、钾长石和黑云母组成;显微晶质结构,体积分数约65%(图 2-A)。岩石绢云母化、粘土化、金属矿化作用明显。

图 2 秀水盆地义县组火山岩样品微观照片 Fig.2 Microscopic images of volcanic rock from the Yixian Formation in Xiushui basin

XD487.5TW样品为灰绿色安山玢岩,斑状结构,基质具显微晶质结构。其中斜长石斑晶为半自形,柱状,正低突起,一级灰最高干涉色,见聚片双晶,粒径0.8~2.4 mm,体积分数约15%;黑云母为绿色,已绿泥石化,粒径0.6~2.0 mm,体积分数约5%。基质矿物由斜长石、石英、黑云母、金属矿物组成,体积分数约80%(图 2-B)。岩石绿泥石化、碳酸盐化和绢云母化作用明显。

XD603TW样品为灰白色石英闪长玢岩, 斑状结构,基质具显微晶质结构。其中斜长石斑晶为半自形,柱状,正低突起,一级灰最高干涉色,见聚片双晶,粒径1.0~5.0 mm,体积分数约20%;黑云母为片状,已碳酸盐化,粒径0.4~1.6 mm,体积分数为5%。基质矿物由斜长石、石英、黑云母、金属矿物组成,体积分数约75%(图 2-C)。岩石金属矿化、绢云母化、碳酸盐化和硅化作用明显。

2.3 测年方法

将挑选好的晶形完好、透明度高、干净且无裂纹的锆石用环氧树脂固定,待环氧树脂充分固化后抛光至锆石露出核部,然后进行阴极发光(CL)照相及LA-ICP-MS分析。激光剥蚀系统为GeoLas 2005,激光束斑直径为32 μm,激光剥蚀过程中采用氦为剥蚀物质的载气,氩为补偿气以调解灵敏度;ICP-MS为Agilent 7500a,采用国际标准锆石91500作外标进行同位素质量分馏校正。锆石微量元素、同位素比值及年龄计算的处理采用软件ICPMSDataCal[10]完成。详细的仪器操作条件和数据处理方法同Liu等[11]。锆石标准样品91500的U-Th-Pb同位素比值推荐值据Wiedenbeck等[12],并运用Anderson[13]介绍的方法对铅同位素组成进行普通铅校正,锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isoplot4.0完成。本次实验对BD01TW、XD487.5TW、XD603TW三件样品,分别进行了30粒锆石分析(表 2)。

表 2 秀水盆地义县组火山岩LA-ICP-MS锆石U-Th-Pb分析结果 Table 2 LA-ICP-MS zircon U-Th-Pb data for volcanic rocks from the Yixian Formation in Xiushui basin
2.4 测年结果

BD01TW安粗岩样品锆石CL图像显示,锆石呈柱状、椭圆、不规则形状产出,锆石多具有不同程度的溶蚀、破碎,磨圆;锆石颗粒较小,多数分布在80~120 μm之间;多数具有明显的岩浆振荡环带,且Th/U值介于0.48~1.21之间,均大于0.4,说明绝大多数锆石为岩浆锆石(图 3)。岩浆锆石年龄谱显示:锆石年龄分布于116±2~130±2 Ma之间(表 2),其中BD01TW-21、BD01TW-23测点年龄谐和度较低,在谐和图中未包含(图 4-A)。所测样品年龄加权平均值为121.5±1.2 Ma(MSWD=2.1),确定安粗岩形成于早白垩世。

图 3 秀水盆地义县组火山岩锆石阴极发光(CL)图像及测点位置 Fig.3 Zircon CL images of volcanic rock from the Yixian Formation in Xiushui basin and measuring point position
图 4 秀水盆地义县组火山岩锆石U-Pb年龄谐和图 Fig.4 Zircon concordia diagram for volcanic rocks from the Yixian Formation in Xiushui basin

XD487.5TW安山玢岩样品锆石CL图像显示,锆石呈柱状、椭圆、不规则形状产出。锆石颗粒较小,长轴粒径多数在80~120 μm之间;具有明显的岩浆振荡环带,且Th/U值介于0.19~1.89之间,其中仅有1个测点XD487.5TW-29小于0.4,说明所测锆石绝大多数为岩浆成因(图 3)。样品所测定的30粒有效锆石206Pb/238U年龄有2处明显峰值:第一处206Pb/238U年龄加权平均值为121.3±8.5 Ma(MSWD=13)(表 2),结合锆石的CL图像特征、同位素含量及比值特征,以及各测点年龄数据在谐和图上的分布特征,这部分锆石的年龄代表了安山玢岩的形成时代,可以确定安山玢岩形成于早白垩世;第二处年龄加权平均值为243.3±4.2 Ma(MSWD=8.2)(表 2图 4-B),可能是捕获锆石,来自区内结晶基底;此外,还有一些测点206Pb/238U年龄零散的分布在335±4~2113±12 Ma之间,亦为捕获锆石,未参与年龄加权平均值计算。

XD603TW石英闪长玢岩样品锆石CL图像显示,锆石呈柱状、椭圆、不规则形状产出。锆石颗粒较小,长轴粒径多数在80~130 μm之间;具有明显的岩浆振荡环带,且Th/U值介于0.62~1.96之间,均大于0.4,说明所测锆石均为岩浆成因(图 3)。样品所测定的30粒有效锆石206Pb/238U年龄有2处明显峰值:第一处206Pb/238U年龄加权平均值为121.3±3.5 Ma(MSWD=4.8)(表 2),结合锆石的CL图像特征、同位素含量及比值特征及各测点年龄数据在谐和图上的分布特征,这部分锆石的年龄代表了闪长玢岩的形成时代,可以确定石英闪长玢岩形成于早白垩世;第二处年龄加权平均值为248.7±5.7 Ma(MSWD=4.9)(表 2图 4-C),可能是捕获锆石,来自区内结晶基底;此外,还有一些测点的206Pb/238U年龄零散的分布在1427±35~2318±46 Ma之间,亦为捕获锆石,未参与年龄加权平均值计算。

3 讨论 3.1 与相关地区同位素年代对比

秀水盆地义县组火山岩的研究相对薄弱,同位素测年资料更贫乏。本次对侵位到秀D1井义县组三段沉积地层中的2层次火山岩进行了U-Pb测年,其中XD487.5TW安山玢岩年龄为121.3±8.5 Ma,XD603TW石英闪长玢岩年龄为121.3±3.5 Ma,而在秀水盆地南部东蛇山采集的BD01TW安粗岩年龄为121.5±1.2 Ma。侵位到秀D1井义县组三段沉积地层中的次火山岩年龄,与秀水盆地南部东蛇山地表出露的义县组安粗岩年龄一致,表明该套次火山岩和地表出露的安粗岩为同一期岩浆活动的产物,均形成于早白垩世。

张家口组主要分布在冀北地区和辽西凌源地区,岩性以酸性火山碎屑岩、熔岩为主, 张家口地区张家口组火山岩的年龄范围为143~136 Ma[14-15],滦平、承德地区张家口组火山开始喷发的时代为136 Ma[16],辽西凌源地区张家口组火山岩顶界年龄为132.4~130.2 Ma[17]。由此看来,张家口组火山岩和秀水盆地义县组火山岩均形成于早白垩世早期,但二者在形成时间上有差异。

义县组主要分布在辽西阜新—义县、北票四合屯、朝阳、凌源、宁城、建昌等地[15],岩性以基性-酸性火山岩为主,夹沉积岩夹层。前人对义县组年代学研究取得了大量数据[16-24], 认为义县组火山岩的形成时限为133.6~114.9 Ma, 不同地区义县组岩浆活动结束时间也有很多数据[19-20, 24-27],普遍认为义县组末期火山岩上限年龄为122.0~114.9 Ma。由此可知,辽西地区义县组火山岩的结束时间与秀水盆地义县组的结束时间较一致,该年龄也被认为是中国东北地区早白垩世大规模岩浆活动结束的年龄[20]

3.2 与区域相关地层对比

义县组火山岩普遍认为形成于拉张环境[27-29], 130~120 Ma正是中国东部中生代岩浆作用的高峰期,该时期中国东部岩石圈已经发生明显减薄,与太平洋板块向欧亚板块俯冲作用有关[28, 30]。早白垩世的构造岩浆活动,在辽西及大兴安岭地区形成了大规模的火山喷发,包括辽西的义县组、松辽盆地的火石岭组、大兴安岭的梅勒图组、龙江组等火山岩均形成于太平洋板块向欧亚大陆俯冲后的伸展环境[18, 31-32]

本次在秀水盆地采集的3件火山岩年龄分别为121.3±8.5 Ma、121.3±3.5 Ma、121.5±1.2 Ma。从上述火山岩同位素年龄对比可知,秀水盆地义县组年龄晚于冀北—辽西地区张家口组的火山岩年龄,与辽西地区义县组末期的火山岩年龄结果一致。因此,秀水盆地侵位到秀D1井义县组三段沉积地层中的次火山岩及地表出露的火山岩,均属于早白垩世义县组末期火山岩。在区域上早白垩世义县组火山岩可以与松辽盆地断陷阶段火石岭组、大兴安岭东坡梅勒图组等地层进行对比[18, 31-32]

3.3 义县组三段沉积年龄上限

侵位到秀D1井义县组三段沉积地层中的安山玢岩年龄为121.3±3.5 Ma,石英闪长玢岩年龄为121.3±8.5 Ma,该组年龄可以限定秀水盆地主力烃源岩层义县组三段的上限年龄(约121 Ma)。从而排除秀水盆地主力烃源岩层不是区域上的下白垩统九佛堂组、沙海组。

4 结论

(1) 通过对秀水盆地火山岩进行锆石LA-ICP-MS定年,本区火山岩年龄为121.5±1.2~121.3±3.5Ma,形成时代为早白垩世,与前人所得区域上义县组末期火山岩年龄结果一致。

(2) 侵位到秀D1井义县组三段沉积地层中的安山玢岩年龄为121.3±3.5 Ma,石英闪长玢岩年龄为121.3±8.5 Ma。该组次火山岩年龄确定了秀水盆地主力烃源岩层义县组三段的上限年龄(约121 Ma)。

致谢: 数据处理过程中得到吉林大学地球科学学院王可勇教授、中国地质调查局武汉地质调查中心李剑锋博士后的帮助,在此一并表示感谢。

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