2023, Vol. 42
2. 中国地质调查局呼和浩特自然资源综合调查中心, 内蒙古 呼和浩特 010013;
3. 中国地质调查局应用地质研究中心, 四川 成都 610036;
4. 中国地质调查局乌鲁木齐自然资源综合调查中心, 新疆 乌鲁木齐 830057
2. Hohhot Center for Integrated Natural Resources Survey, China Geological Survey, Hohhot 010013, Inner Mongolia, China;
3. Applied Geological Research Center, China Geological Survey, Chengdu 610036, Sichuan, China;
4. Urumqi Center for Integrated Natural Resources Survey, China Geological Survey, Urumqi 830057, Xinjiang, China
漠河盆地位于兴蒙造山带北东端额尔古纳地块北部，北部紧邻蒙古-鄂霍茨克造山带的俄罗斯上阿穆尔盆地，二者在中生代为同一盆地(和政军等，2003；张顺等，2003)。前人对漠河组沉积时代、盆地构造背景和类型、碎屑物质来源、古生物特征、地层层序等取得了一定认识，但也存在一定争议，包括：①漠河组形成时代有中白垩世(下伏二十二站组碎屑锆石最小年龄134±1 Ma，王远超等，2020)，晚侏罗世(下伏二十二站组碎屑锆石最小年龄152±3 Ma，李良等，2017)，中侏罗世(漠河组碎屑锆石最小年龄170±1 Ma，王少轶等，2015)；漠河组发育中侏罗世的Quadraeculina-Cyathidites(四字粉-桫椤孢)孢粉组合(肖云鹏等，2018)和Coniopteris-Phoenicopsis植物群晚期的Coniopterisburejensis-Cladophlebis cf. asiatica亚组合(肖传桃等，2015)，早侏罗世晚期—中侏罗世(漠河组糜棱岩化砂岩内顺层侵入的糜棱岩化微晶黑云母石英闪长岩锆石U-Pb年龄加权平均值为182.8±1.8 Ma，赵书跃等，2016)和晚侏罗世(组内发育晚侏罗世腹足类、双壳类、介形类和孢粉化石组合，吴河勇等，2003)；②碎屑物质来源有盆地南部额尔古纳地块中变质岩、中酸性火成岩和沉积岩(和钟铧等, 2008a, b；侯伟等, 2010a, b；王少轶等，2015)和主要来自北侧造山带酸性火山岩、部分南侧大陆内部沉积岩(和政军等，2003)2种观点。
基于上述争议，本文在前人研究成果的基础上，依托黑龙江省大兴安岭十五里桥等9幅1∶5万区域地质矿产调查项目成果，通过对漠河组砂岩岩相学、碎屑锆石年龄、岩石地球化学、重矿物和古生物分析，对漠河组沉积时代、物质来源和大地构造背景进行了初步探讨，为区域地质调查和地质找矿工作提供参考。
1 地质背景研究区位于漠河前陆盆地东部，盆地基底由古元古界兴华渡口群、寒武系兴隆群、泥盆系泥鳅河组和霍龙门组，以及古生代花岗岩组成，盖层为侏罗纪陆相碎屑岩和白垩纪火山岩(和钟铧等, 2008a, b)。研究区出露的地层主要为中生界和新生界(图 1)。中生界侏罗系的沉积岩地层在全区分布广泛，自下而上为上侏罗统开库康组(J3k)砾岩、含砾砂岩、砂岩，局部夹泥岩、粉砂岩，二十二站组(J3er)细砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩，局部夹含砾砂岩及砂砾岩，漠河组(J3m)粗—中粒岩屑长石砂岩、细砂岩、粉砂岩，局部含砾岩；火山岩主要分布在南侧和东南侧，由老到新为下白垩统龙江组(K1l)气孔杏仁状安山岩、角闪安山岩、安山质角砾熔岩，部分安山质凝灰岩、玄武岩，含沉积夹层砂岩和沉凝灰岩，光华组(K1gn)流纹岩、流纹质凝灰岩为主，含沉积夹层，九峰山组(K1j)砂岩、含砾砂岩、(含集块)沉火山角砾岩，夹粉砂岩、泥岩，夹多层煤线，甘河组(K1g)安山岩、玄武岩、安山质角砾岩，少量安山质玄武岩；新生界主要分布在黑龙江沿岸、西尔根气河及其支流河谷中，发育新近系中新统—上新统孙吴组(N1-2s)弱胶结(或半胶结)的砂砾、砂夹砂质粘土，第四系冲洪积层松散的卵石、砂、粘土和富含植物根系的泥炭、泥炭层，含砂砾的淤泥沉积物的沼泽；侵入岩以早白垩世中深成花岗岩为主，岩性以中粒二长花岗岩(mπγK1)、似斑状二长花岗岩(pηγK1)、花岗闪长岩(γδK1)和花岗闪长斑岩(γδπK1)为主，岩体受滨太平洋构造域控制，呈北北东向展布于秀水山-西尔根气河两侧；研究区北侧由于秀水山岩体的侵入展现隆起特征，南侧受构造控制发育大型向斜，表现为拗陷区。
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图 1 研究区地质图 Fig.1 Geological map of the study area 1—第四系；2—早白垩世甘河组；3—早白垩世九峰山组；4—早白垩世光华组；5—早白垩世龙江组；6—晚侏罗世漠河组二段；7—晚侏罗世漠河组一段；8—晚侏罗世二十二站组三段；9—晚侏罗世二十二站组二段；10—晚侏罗世二十二站组一段；11—晚侏罗世开库康组三段；12—晚侏罗世开库康组二段；13—晚侏罗世开库康组一段；14—早白垩世二长花岗岩体；15—地质界线；16—断层；17—推测断层；18—典型剖面 |
漠河组主要分布在研究区中部，沿十五里桥—双河林场—绥安站一带分布，岩层产状倾向以北西向为主，次为北西西向，倾角主要为35°~55°，局部受脉岩侵入、构造影响，产状发生变化。主要控制剖面为PM3(图 2-a)。该组下部岩性主要为粗中粒岩屑长石砂岩、中粗粒岩屑长石砂岩，局部含砾，夹粉砂岩、粉砂质泥岩；基本层序主要为二元、多元向上变细型，局部为向上变细再变粗型；上部岩性为粗中—中细粒岩屑长石砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩，局部含砾石，偶夹砾岩；基本层序以向上变细型为主，次为互层韵律型，局部发育向上变粗型(图 2-b)。
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图 2 塔河县腰站林场-金沙河上侏罗统漠河组地层剖面图(a)和地层柱状图(b) Fig.2 Stratigraphic profile of the Upper Jurassic Mohe Formation (a) and stratigraphic column in Yaozhanlinchang- Jinsha river, Tahe (b) 1—粉砂岩；2—细砂质粉砂岩；3—细砂岩；4—细粒长石砂岩；5—细粒岩屑长石砂岩；6—中细粒岩屑长石砂岩；7—细中粒岩屑长石砂岩；8—中粒长石砂岩；9—中粒岩屑长石砂岩；10—粗中粒岩屑长石砂岩；11—中粗粒岩屑长石砂岩；12—粗粒长石砂岩；13—粗粒岩屑长石砂岩；14—粗中粒含砾岩屑长石砂岩；15—粗粒含砾岩屑长石砂岩；16—砾岩；17—中细粒花岗闪长岩；18—细粒黑云母闪长岩；19—闪长玢岩；20—黑云母闪长岩；21—地质界线；22—产状；23—植物化石及碎片；J3m1—上侏罗统漠河组一段；J3m2—上侏罗统漠河组二段；γδ—花岗闪长岩脉；γπ—花岗斑岩；δβ—黑云母闪长岩；δμ—闪长玢岩 |
样品采自塔河县十五里桥、双河林场和腰站林场漠河组典型剖面PM3(图 2)。岩性主要为长石砂岩和杂砂岩。
长石砂岩：风化面呈黄褐色、黄褐色—黑褐色、灰褐色、土黄色等，新鲜面多呈灰黄色、灰色、浅灰绿色、土灰色，砂状结构，韵律层理构造、层理构造、块状构造。矿物成分：碎屑为石英、钾长石、斜长石，部分岩屑、黑云母，少量白云母、角闪石、方解石等，多数呈次棱角状—次圆状，少数呈棱角状。其中，石英呈无色透明，含量25%~40%；钾长石为正长石、条纹长石、微斜长石，颗粒晶面泥化而稍微—较混浊，含量20%~30%；斜长石为更—中长石，颗粒晶面因泥化、绢云母化而稍微—较混浊，细而密的聚片双晶清晰—模糊显示，部分具环带，含量为5%~40%；岩屑为硅质岩、泥岩、花岗岩、安山岩、玄武岩，少量千枚岩、变质粉砂岩、石英岩等，含量为2%~10%；黑云母呈不规则片状，黄褐色—浅褐黄色多色性显著，均压弯变形，多数定向分布，含量多为1%~5%，少数为5%~10%；方解石呈无色透明，闪突起显著，角闪石少量；角闪石为普通角闪石，绿色—浅黄绿色多色性显著，角闪石少量；白云母少量，呈不规则片状，无色透明，闪突起显著，碎屑磨圆度中等—较好，分选性中等—较好。填隙物主要由粘土矿物及少量重结晶生成的显微鳞片状绢云母、黑云母等组成，以混晶集合体充填于碎屑物之间，含量为10%。胶结类型属接触式—孔隙式胶结(图 3-a、b)。
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图 3 漠河组砂岩典型手标本及镜下照片 Fig.3 Typical hand specimens and microscopic photos of sandstone of Mohe Formation a—漠河组长石砂岩手标本；b—漠河组长石砂岩镜下照片(正交偏光)；c—漠河组杂砂岩手标本；d—漠河组杂砂岩显微照片(单偏光)；Q—石英；Pl—斜长石；Kfs—钾长石；Bt—黑云母；Det—岩屑 |
杂砂岩：风化较严重，多呈细小破碎残块状，新鲜面呈灰色、灰黄色、灰绿色，质地较软，手触摸有粗糙感。岩石具粉砂—细粒砂状结构、不等粒结构，块状构造，粒度多为中粒—细粒。粉砂成分肉眼难以辨别。碎屑成分为石英、长石、岩屑及少量黑云母，多呈次棱角状—次圆状，少数棱角状。石英含量15%~30%；长石含量40%~50%，为斜长石(多为中—更长石)和钾长石(多为正长石，部分条纹长石、微斜长石)。岩屑多为硅质岩、泥质岩、粉砂岩、花岗岩、流纹岩，含量15%~20%。黑云母呈不规则片状少量分布。填隙物成分多为粘土矿物(部分重结晶成显微鳞片状黑云母和少量绢云母、绿泥石)，少量钙质、泥质、砂质，含量15%~25%。胶结类型多为基底式胶结和孔隙式胶结(图 3-c、d)。
3 分析方法锆石挑选和制靶在河北省区域地质矿产调查研究所进行。对经过机械破碎后的样品进行浮选和重磁法分选后，在双目镜下依据锆石形态、自形程度等特征挑选出晶形较好、有代表性的锆石。将待测锆石贴在环氧树脂表面制成样品靶，待其固结干燥后，打磨抛光至露出锆石表面，然后对锆石样靶进行透射光、反射光和阴极发光(CL)照相。锆石CL照相和微区原位U-Pb定年在天津地质矿产研究所同位素实验室完成。锆石U-Pb定年实验采用激光烧蚀多接收器等离子体质谱法(LA-MC-ICP-MS)，多接收器电感耦合等离子体质谱仪为Neptune，激光器为UP193-FX ArF准分子接收器，激光波长193 nm，脉冲5 ns，束斑直径32 μm，激光能量密度13~14 J/cm2，频率8~10 Hz，氦为载气，以TEMORA为外部锆石年龄标准，NIST612玻璃标样为外标计算Pb、U和Th含量(李怀坤等，2009)。数据处理采用ICPMSDataCal和Isoplot程序(Ludwig, 2003; Liu et al., 2008)。碎屑锆石年龄的计算有2种系统：206Pb/238U和207Pb/206Pb。太古宙和古中元古代锆石中含大量放射性成因铅，因此207Pb/206Pb年龄更可靠。随着年龄减小，到新元古代—古生代，可供测量的放射性成因铅量也随之减少，一般无Pb丢失，207Pb/206Pb年龄误差较大，故采用206Pb/238U年龄。本次研究根据锆石年龄分布情况，对大于1000 Ma的样品，采用207Pb/206Pb年龄，对小于1000 Ma的样品采用206Pb/238U年龄(Compston et al., 1992；Sircombe, 1999；Cawood et al., 2000)。
本次砂岩样品主量和微量元素分析在河北省区域地质矿产调查研究所完成。11件样品采用XRF法(Liang et al., 2000)测试主量元素，分析仪器为Axios X射线荧光光谱仪，分析偏差优于2%；3件样品采用Thermo Fisher Scientific公司的X Series Ⅱ型等离子体质谱仪(ICP-MS)测试微量和稀土元素，分析误差优于5%。
本次9件砂岩样品重矿物分析在河北省区域地质矿产调查研究所完成。实验流程(王国茹等，2011)：①将样品放入去离子水和双氧水中浸泡2 h，然后通过筛子(0.125~0.063 mm)筛选，再用去离子水冲洗2~3遍，最后将筛选好的样品放入恒温箱内烘干、称重；②将烘干好的样品放入装有三溴甲烷的分离器中，经充分搅拌、静置后，取出上部轻矿物和下部重矿物，经酒精清洗后，烘干、称重；③用薄纸包好的磁铁在重矿物表面移动，分离出磁性矿物，将磁性矿物和非磁性矿物分别称重；④对每个样品中所筛选出的轻矿物和重矿物(包括磁性和非磁性矿物)分别进行镜下观察，计算每种矿物的质量百分含量。
4 分析结果 4.1 碎屑锆石U-Pb定年本次选取2件漠河组砂岩样品进行碎屑锆石U-Pb定年分析，年龄结果见表 1。样品中碎屑锆石多呈棱角状、次棱角状，少部分呈次圆状、柱状和长柱状，长度为80~200 μm，宽度为50~150 μm。2组锆石大部分具有振荡环带特征，少量显示弱分带、无分带和“暗核亮边”(图 4)。本次测试的108颗锆石中，85颗锆石的Th/U>0.4，4颗小于0.1。
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表 1 漠河盆地漠河组砂岩碎屑锆石LA-ICP-MS U-Th-Pb分析结果 Table 1 LA-ICP-MS U-Th-Pb dating of detrital zircons from Mohe Formation sandstones in Mohe Basin |
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图 4 漠河组碎屑锆石阴极发光图像及年龄 Fig.4 Cathodoluminescence images and ages of detrital zircons from Mohe Formation |
108颗锆石的谐和度均大于90%，因此本次获得的年龄均为有效年龄。2件样品所获年龄范围为156~2462 Ma(图 4、图 5；表 1)，其中侏罗纪(n=56)分布最多，其次为三叠纪(n=2)、石炭纪(n=8)、泥盆纪(n=45)、志留纪(n=1)、奥陶纪(n=2)、古元古代(n=4)。峰期为156~242 Ma、311~480 Ma，峰期年龄为180 Ma和380 Ma。156±3 Ma为本次捕获的最新年龄，为晚侏罗世。捕获的最老锆石年龄为2462±29 Ma，是古元古代和新太古代的界线。
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图 5 漠河组砂岩碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb谐和年龄及频谱图 Fig.5 U-Pb concordia diagrams and histograms of detrital zircons in Mohe Formation sandstones |
漠河组砂岩主量元素测定结果见表 2。砂岩SiO2含量为61.76%~75.44%，平均66.89%；Al2O3含量为13.06%~15.71%，平均14.63%；Fe2O3含量为1.27%~3.71%，平均2.19%；K2O含量为1.90%~3.17%，平均2.50%；CaO、MgO和Na2O含量分别为0.30%~3.72%(平均2.32%)、0.62%~4.03%(平均2.16%)、3.04%~4.22%(平均3.58%)。Fe2O3/K2O值为1.72~0.49(平均0.91)，较高。样品点在岩石分类图中落到长石砂岩和杂砂岩区域(图 6-a)。
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表 2 漠河组砂岩主量元素含量 Table 2 Content of major elements in Mohe Formation sandstones |
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图 6 漠河组砂岩岩石地球化学分类图(a)、稀土元素球粒陨石标准化图解(b)、稀土元素全球平均上地壳标准化图解(c)和微量元素原始地幔标准化蛛网图(d) (球粒陨石和原始地幔标准化值及全球平均上地壳标准化值据Sun et al., 1989) Fig.6 Geochemical classification diagrams (a), chondrite-normalized REE diagram(b), UCC-normalized REE diagram (c), and primitive mantle-normalized trace elements diagram (d) of Mohe Formation sandstones |
本次研究所测微量和稀土元素结果见表 3。稀土元素总量∑REE变化范围为91.37×10-6~148.03× 10-6，平均122.57×10-6，整体变化较小。LREE/HREE值为9.88~18.96，平均12.56。在稀土元素球粒陨石标准化图解(图 6-b)上，轻、重稀土元素显示出一定的同位素分馏。δEu=0.71~0.87，平均0.81，具有明显负Eu异常特征。δCe=0.87~1.13，平均1.00，未显示出Ce异常；(La/Yb)N=9.70~14.10，平均11.93；(La/Yb)ucc=0.87~1.27，平均1.07，(Eu/Eu*)ucc=1.04~1.27，平均1.16。样品全球平均上地壳(UCC)标准化稀土元素配分曲线整体趋势较平缓，显示弱重稀土元素富集，大部分具负Eu异常，个别显示正Eu异常(图 6-c)。这与全球平均上地壳稀土元素含量相似(Rudnick et al., 2014)。样品微量元素原始地幔标准化蛛网图显示(图 6-d)：漠河组砂岩富集大离子亲石元素Rb和K，高场强元素Th、Zr、Hf、Y、Yb、Lu和轻稀土元素La、Ce、Sm、Nd；亏损大离子亲石元素Ba和Sr，以及高场强元素U、Ta、Nb、Ti和P。
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表 3 漠河组砂岩微量和稀土元素含量 Table 3 Content of trace and rare elements in Mohe Formation sandstones |
9件样品共鉴定出16种矿物(表 4)，其中锆石、绿帘石、石榴子石、赤褐铁矿和磁铁矿含量较高，几乎在每个样品中均有出现，其他矿物如金红石、锐钛矿、角闪石等在部分样品中含量较低或不出现。依据对重矿物的初步分析，将本次漠河组砂岩重矿物划分为以下组合(划分方案据王国茹等，2011；曾方侣等，2020)。稳定矿物组合为二氧化钛矿物(金红石、锐钛矿和白钛矿)、锆石、榍石、电气石、石榴子石和磷灰石，其中，锆石含量为5.22%~41.35%，平均14.90%；电气石含量为0.00%~0.15%，平均0.02%；金红石含量为0.00%~6.10%，平均0.77%；锐钛矿含量为0.00%~0.29%，平均0.03%；白钛矿含量为0.00%~5.34%，平均0.60%；石榴子石含量为0.00%~41.11%，平均10.80%；磷灰石含量为0.00%~5.34%，平均1.43%。稳定矿物总量为8.89%~84.87%，平均32.36%；不稳定矿物组合：绿帘石含量为0.00%~60.52%，平均38.10%；辉石含量为0.00%~0.48%，平均0.09%，角闪石含量为0.00%~6.94%，平均0.85%；指相矿物组合：黄铁矿含量为0.00%~0.91%，平均0.13%，仅见于ARZ15010和ARZ15011两个样品中；赤褐铁矿含量为0.00%~ 64.30%，平均8.60%，指示水体富氧的沉积环境；金属热液重矿物组合：方铅矿、钛铁矿、磁铁矿含量为0.04%~55.56%，平均8.64%。其中，方铅矿仅在ARZ15011中出现。钛铁矿在除ARZ15011外其他样品中均有出现，含量为0.00%~11.14%，平均2.62%；磁铁矿在每个样品中均有出现，含量为0.04%~55.56%，平均8.64%。
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表 4 漠河组砂岩重矿物组成及含量 Table 4 Heavy minerals compositions and proportions in Mohe Formation sandstones |
沉积物的粒度往往可以反映源区岩石的风化程度，碎屑沉积物粒度较小且较多的粘土含量通常反映源区母岩遭受强烈风化，反之亦然(Cullers et al., 1988；Cox et al., 1995)。根据砂岩地球化学分类图解(Herron, 1988)(图 6-a)，本文样品点落在杂砂岩和长石砂岩范围，与野外和镜下观察结果一致。研究区岩石类型反映，源区岩石未经过充分搬运，磨圆度和分选性较低，显示近源搬运特征。岩石的Fe2O3/K2O值能够反映风化作用过程中镁铁矿物的稳定度(Herron, 1988)。漠河组砂岩的Fe2O3/K2O值(1.72~0.49，平均0.91)较高，反映镁铁矿物在搬运沉积成岩过程中经历了较弱的风化和淋滤，暗示漠河组碎屑物质具有近源沉积特征。在A-CN-K图解(图 7-a)上，理想情况下风化作用会向箭头方向进行，但实际上漠河组沉积物风化趋势为沿虚线变化。因此，漠河组碎屑沉积岩可能来自英云闪长岩和花岗闪长岩。
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图 7 漠河组砂岩风化特征图解 Fig.7 Weathering characteristics diagrams of Mohe Formation sandstones a—A-CN-K图解(Nesbitt et al., 1982)；b—CIA-ICV图解(Nesbitt et al., 1982)；c—Th-Th/U(Mclennan et al., 1993)；Gr—花岗岩；To—英云闪长岩；Gd—花岗闪长岩；PAAS—澳大利亚后太古宙平均页岩；上地壳和平均页岩数据据Condie(1993) |
化学蚀变指数(CIA，chemical index of alteration)可以有效指示源区母岩的风化程度(Nesbitt et al., 1982)，成分变化指数(ICV，index of compositional variability) 可以有效指示沉积再循环作用对沉积物的改造程度。粘土矿物中Al2O3含量较高，具有较低的ICV值和高成熟度，较低的ICV值反映较强风化作(Goldich, 1938；Cox et al., 1995)。本次样品的CIA值为50.35~60.37(平均53.50)，ICV值为0.91~ 1.79(平均1.40)，反映岩石具有较低的粘土含量，指示母岩经历了较弱的化学风化作用(图 7-b)。全岩微量元素Th/U值会随风化作用增强而增加，可有效反映岩石遭受的风化作用特征(McLennan et al., 1980)，样品Th/U值为5.05~5.81，平均5.55，高于上地壳3.8(图 7-c)，指示源区母岩经历了较弱—中等程度风化；Rb/Sr值可以有效反映母岩经历风化和后期成岩作用，Rb+相比Sr2+具有较大的离子半径，在风化作用过程中更容易保留在矿物中(Mclennan et al., 1993)，样品的Rb/Sr值变化较小(0.08~0.67)，反映母岩经历了较弱的风化作用。综上所述，漠河组源区母岩遭受了较弱的风化作用。
5.2 形成时代漠河组形成时代一直存在争议。漠河组下伏二十二站组碎屑锆石最小年龄(134±1 Ma)，以及绣峰组岩浆锆石蒸发年龄(354~164 Ma)、全岩Rb-Sr等时线年龄(177~191 Ma)和黑云母Ar-Ar年龄(171~175 Ma)表明，漠河组沉积时代应为早白垩世(李锦轶等，2004；王远超等，2020)；而根据下伏二十二站组流纹质凝灰岩岩浆锆石年龄加权平均值和碎屑锆石最小年龄推断，漠河组沉积时代应为晚侏罗世(赵立国等，2014；李良等，2017)；漠河组内顺层侵入的糜棱岩化微晶黑云母石英闪长岩锆石和组内古植物Phoenicopsis属反映，漠河组碎屑物在早侏罗世晚期—中侏罗世期间沉积(赵书跃等，2016)；漠河盆地碎屑锆石最小年龄和孢粉证据指示，漠河组沉积时代为中侏罗世(王少轶等，2015；肖传桃等，2015；肖云鹏等，2018)。
中国科学院南京地质古生物研究所对本次漠河组中采集的古植物化石印痕标本鉴定结果为，该植物组合是由3种真蕨类的Coniopteris cf.arctica (Prynata) Samylina、Onychiopsis elongate和Sphenopteris boliensis，1种苏铁类的Nilssonia cf.sinemsis，1个化石果Carpolithus sp. 共5个属组成(图 8)。在该组合中，部分属种在整个中生代都可见，如Carpolithus sp.。苏铁类的中国尼尔桑(Nilssonia cf.sinemsis)常见于东北地区早白垩世沉积岩中(沈阳地质矿产研究所，1980)。3种真蕨类主要见于东北地区的早—中侏罗世沉积岩中(斯行健等，1962)。本次漠河组2件砂岩样品108颗碎屑锆石，大部分具有岩浆锆石典型的振荡环带(图 4；表 1)且Th/U>0.4(Belousova et al., 1998；Rubatto et al., 2000；Hermann et al., 2001；Corfu et al., 2003；Tomaschek et al., 2003；吴元保等，2004；李亚萍等，2007)。捕获最小年龄为156±3 Ma(表 1)，与前人获得的漠河组最小碎屑年龄一致(157±2 Ma，周传芳等，2021)。综合分析认为，漠河组沉积时代上限为晚侏罗世。
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图 8 漠河组典型古植物化石 Fig.8 Typical paleoplant fossils of Mohe Formation a—Onychiopsis elongate (Geyler) Yokayama; b—Sphenopteris boliensis Zheng et Zhang; c—Carpolithus sp.; d—Nilssonia cf.sinensis Yabe et Oishi |
碎屑物源有来自盆地南部额尔古纳地块中的变质岩、中酸性火成岩、沉积岩(和钟铧等, 2008a, b；侯伟等, 2010a, b；王少轶等，2015)，以及主要来自北侧造山带的酸性火山岩和部分南侧大陆内部的沉积岩(和政军等，2003)2种观点。鉴于漠河组沉积岩经历了较弱的风化过程，其化学组分和性质取决于源区母岩的组分，故对沉积物的化学分析能够有效地反映源区母岩的信息。
岩石稀土元素特征可以有效指示母岩特征(刘俊海等，2003)。岩石母岩为基性岩，其稀土元素具有低的LREE/HREE值，且无Eu异常。而源于长英质的岩石，其稀土元素具有较高的LREE/HREE值和明显的负Eu异常(王远超等，2020)。漠河组砂岩具有较高的LREE/HREE值(9.88~11.50，平均10.42)，以及明显的负Eu异常(δEu=0.71~0.87，平均0.79，图 6-b)，指示其源岩主要来自上地壳；在全球平均上地壳标准化图解(图 6-c)中，漠河组砂岩标准化稀土元素配分曲线较平缓，部分显示出正Eu异常，反映漠河组碎屑物物源不仅有上地壳成分，还可能有下地壳或地幔成分的加入；在F1-F2物源分析图解(图 9-a)上，漠河组岩石样品点主要落入P4区(古老沉积体系或克拉通/再旋回造山带的长英质沉积岩物源区)，表明长英质沉积岩物源区为漠河组沉积物的重要供给；岛弧火山岩Th/U值为2.5~3，沉积岩为4.5，再旋回沉积岩为6(Bhatia et al., 1981)。漠河组砂岩Th/U值为5.05~5.81，平均5.55，表明漠河组沉积岩源岩介于沉积岩和火山碎屑岩之间；在Rb-K2O图解(图 9-b) 上，样品点落入上地壳区域，与稀土元素指示结果一致；La、Th和Hf不活泼，在风化和成岩作用过程中不易分馏，能有效指示源区特征(Floyd et al., 1987)，样品点主要落入酸性岛弧区(图 9-c)，反映物源为岛弧地区的酸性岩浆岩；Cr/Zr值可以有效指示基性岩和酸性岩对沉积物源的贡献，重矿物中铬铁矿和锆石的相对含量也可以反映Cr/Zr值的相对大小(Wronkiewicz et al., 1989)，样品中Cr/Zr值为0.12~0.34，平均0.19，远低于1，反映漠河组沉积岩的物源组分很大程度上来自酸性岩；La/Sc-Co/Th值可以指示物源成分，漠河组沉积岩Co/Th值为0.31~1.03，平均0.55，介于长英质火成岩和花岗岩之间(图 9-d)。
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图 9 漠河组砂岩源区物质组成图解 Fig.9 Diagrams of provenance material compositions for Mohe Formation sandstones a—F1-F2判别图解(Roser et al., 1988)；b—K2O-Rb判别图解(Floyd et al., 1987)；c—Hf-La/Th判别图解(Floyd et al., 1987)；d—La/Sc-Co/Th判别图解(杨雪等，2020；火山岩平均组分据Condie, 1993) |
近年，利用碎屑锆石年代学(碎屑锆石年龄谱线揭示岩石源区特征)进行物源分析在全球范围内得到了广泛应用(Moecher et al., 2006)。漠河组碎屑锆石年龄反映，沉积物主要形成于3个时期：①156~242 Ma(n=48)，主要发育漠河富源沟林场二长花岗岩(202±1 Ma)(胡军海等，2018)，壮志林场糜棱岩化花岗岩绢云母Ar-Ar韧性变形(151.5±1.2 Ma)(杜兵盈等，2019)，大兴安岭北部塔木兰沟组中的中基性火山岩(于跃江等，2019)，北大关地区流纹岩(185~190 Ma)(李研等，2017)，这些火成岩可能形成于蒙古-鄂霍茨克洋向额尔古纳地块俯冲的背景环境(Wu et al., 2011)；②311~480 Ma(n=56)，主要发育塔河岩体正长花岗岩(480±4 Ma)(葛文春等，2005)，查拉班河岩体斑状黑云母二长花岗岩(481±3 Ma)(结晶年龄)，片麻岩中粒黑云母花岗闪长岩(475±2 Ma)(结晶年龄)，细粒角闪黑云母花岗闪长岩(465±1 Ma)(结晶年龄)，斑状黑云母花岗闪长岩(460±1 Ma)(结晶年龄)(葛文春等，2007)，大兴安岭北段漠河地区黑云母二长花岗岩(481±5 Ma)(早奥陶世)(吴琼等，2019)，这些岩石均处于早加里东期后造山阶段，额尔古纳地块与西伯利亚板块拼合造山后的伸展背景(吴琼等，2019)；③1841~2462 Ma(n=4，古元古代)，额尔古纳地块内发育大量古生代花岗岩和中生代火山岩，绿片岩相-低角山岩相兴华渡口群变质岩和少量新元古代花岗岩构成该地块的结晶基底(表尚虎等，2012)。目前，兴华渡口群的形成年龄为新元古代，2500 Ma、2200 Ma和1800 Ma碎屑锆石年龄峰值反映其母岩区存在新太古代—古元古代古老结晶基底(武广，2006；苗来成等，2007；表尚虎等，2012)。本次研究的漠河组碎屑锆石1841±50 Ma、1888±27 Ma、1925±50 Ma和2462±29 Ma，以及下伏二十二站组发现的最古老碎屑锆石年龄2711±10 Ma(王远超等，2020)也都支持额尔古纳地块存在新太古代—古元古代结晶基底。将漠河组显生宙碎屑锆石年龄数据分布与额尔古纳地块侵入岩年龄统计对比，在260 Ma以前二者具有相似的年龄峰值，但260 Ma之后存在偏差，指示漠河组物源部分来自盆地南部额尔古纳地块中酸性侵入岩(图 10)。
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图 10 漠河组碎屑锆石与额尔古纳地块显生宙岩浆锆石U-Pb年龄对比 Fig.10 Comparison between the U-Pb ages of detrital zircons from the Mohe Formation, and magmatic zircons from the Erguna block a—漠河组碎屑锆石年龄频谱图；b—额尔古纳地块显生宙火成岩年龄频谱图(数据据Wu et al., 2011) |
砂岩重矿物组成特征能够很好地指示母岩信息，但其含量和种类受母岩类型、风化搬运、沉积成岩等作用影响，单一重矿物不能准确反映源区信息，因此重矿物组合分析近年得到了广泛应用(Morton et al., 1994；Garzanti et al., 2012；2013；蔡芃睿等，2019)。不同母岩类型具有不同的重矿物组合(曾方侣等，2020)。各样品中因含有大量不稳定矿物(绿帘石)、指相矿物(赤/褐铁矿)和金属热液矿物(磁铁矿和钛铁矿)，使稳定矿物含量较低。该区较低的稳定重矿物含量说明离物源区较近(表 5)。根据重矿物分析结果(表 4)，可以认识到：①漠河组砂岩重矿物中少量的辉石、磁铁矿和钛铁矿反映母岩具有基性岩特征，且少量基性岩碎屑补充到沉积物中；②反映变质母岩特征的绿帘石、石榴子石等矿物在漠河组砂岩重矿物中占有较高的比例，指示源区变质岩碎屑参与到漠河组沉积物的比重较大；③榍石、磷灰石、金红石等是中酸性岩浆岩的特征重矿物，它们在漠河组砂岩重矿物中占有一定比例，指示中酸性岩浆岩碎屑对漠河组沉积物有一定参与；④白钛石、金红石、锆石和赤褐铁是沉积岩的特征重矿物，较高的含量反映沉积岩碎屑对漠河组沉积物贡献较大。
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表 5 漠河组砂岩重矿物特征指数 Table 5 Heavy minerals characteristic index in Mohe Formation sandstones |
重矿物组合ATi指数用于判断风化程度和指示中酸性岩浆岩物源参与程度，GZi指数指示源区为角山岩或麻粒岩等变质岩的存在，ZTR指数反映重矿物的成熟度及搬运距离(刘易斯，1989)。漠河组砂岩重矿物组合ATi指数较高，为89.51~100.00(平均98.69)，反映源区中酸性岩浆岩加入程度较大；GZi指数为39.76~100.00(平均64.50)，反映源区存在变质岩组分；ZTR指数为7.69~81.76(平均25.26)，反映漠河组重矿物成熟度较低，具有近源沉积特征(表 5)。
综上所述，漠河组碎屑沉积岩母岩主要为以绿帘石+石榴子石为代表的变质岩和以白钛石+金红石+锆石(次圆状)+赤褐铁矿为代表的沉积岩，部分以榍石+磷灰石+金红石为代表的中酸性岩浆岩夹少量以辉石+钛铁矿+ 磁铁矿为代表的基性岩浆岩组成的混合岩。与区域岩石对比，变质岩可能为兴华渡口群和兴隆群(黑龙江省地质矿产局，1993；孙广瑞等，2002)；中酸性岩可能为一系列产于额尔古纳地块北缘、早—中新生代及古生代同碰撞和后碰撞背景的花岗质岩石(葛文春等，2005；武广等，2005)；源区基性岩很可能为早古生代后碰撞的辉长岩(葛文春等，2005)。
5.4 大地构造背景构造环境和物源特征对碎屑沉积中元素在表生环境下的地球化学行为有强烈影响，“解读”保存在沉积物中的元素化学信息有助于恢复大地构造性质和碎屑物源(Bhatia, 1983；Roser et al., 1988；和政军等，2003)。漠河组砂岩在主量元素SiO2-K2O/Na2O、(Fe2O3+MgO)-Al2O3/(CaO+Na2O)和(Fe2O3+MgO)-Al2O3/SiO2构造判别图解(Bhatia, 1983；Roser et al., 1986)(图 11-a~c)上，主要集中在活动陆缘和大陆岛弧区。稀土元素和Th在风化和沉积成岩过程中具有低溶解度特征，可以有效识别源区。弧缘杂砂岩具有低La=(9.2±1.7)×10-6、Th=(1.4±0.6)×10-6、U=(0.52±0.2)×10-6和Hf=(2.1±0.6)×10-6特征，大陆裂谷缘和陆缘盆地具有高La=(39±9.9)×10-6、Th=(16±0.6)×10-6、U=(3.40±0.5)×10-6和Hf=7.9×10-6特征，而弧间盆地沉积岩中的这些元素含量特征介于弧缘和陆缘之间(Bhatia et al., 1981)。漠河组样品4种元素平均值为La=24.40×10-6，Th=8.69×10-6，U=1.56×10-6，Hf=4.18×10-6(表 3)，均介于陆缘和弧缘之间。一些迁移能力较弱的微量元素，如La、Th、Zr、Nb、Y和Sc，可以有效识别砂岩的源区、反映大陆边缘或大洋盆地的性质(Bhatia et al., 1986)。漠河组砂岩样品在La-Th-Sc判别图解(图 11-d)中主要落入主动/被动陆缘区。此外，将漠河组砂岩稀土元素特征值与不同构造背景下的沉积盆地杂砂岩稀土元素特征值对比(Bhatia, 1985)，漠河组砂岩稀土元素特征与活动大陆边缘和大陆岛弧背景相似(表 6)。综合岩石地球化学特征和各类判别图解，漠河组物源区的构造背景为活动大陆边缘和大陆岛弧环境。
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图 11 漠河组砂岩源区构造环境判别图解 Fig.11 Tectonic setting discrimination diagrams for the provenance of Mohe Formation sandstones a—SiO2-K2O/Na2O判别图解(Roser et al., 1986)；b—(Fe2O3+MgO)-Al2O3/(CaO+Na2O)判别图解(Bhatia, 1983)；c—(Fe2O3+MgO)-Al2O3/SiO2判别图解(Bhatia, 1983)；d—La-Th-Sc判别图解(Bhatia et al., 1986) |
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表 6 不同构造背景下砂岩稀土元素特征 Table 6 Characteristics of rare earth elements in sandstone from different tectonic setting |
(1) 漠河盆地塔河地区漠河组砂岩碎屑锆石以岩浆锆石为主，少部分为变质锆石。碎屑锆石最小年龄为156±3 Ma，结合古植物化石时代特征，限定漠河组形成时代为晚侏罗世。
(2) 漠河组源区母岩经历了较弱程度的风化作用，且为近源沉积。
(3) 漠河组沉积物母岩主要为中酸性岩浆岩、变质岩，少部分沉积岩和基性岩；源区变质岩可能为兴华渡口群和兴隆群，额尔古纳地块北缘的早—中新生代及古生代同碰撞和后碰撞中酸性火成岩可能为盆地中酸性物源，源区基性岩很可能为早古生代后碰撞辉长岩。
(4) 漠河组物源区大地构造背景为活动大陆边缘和大陆岛弧。
致谢: 在野外工作期间得到原武警黄金第三支队李向文总工程师和杨吉波高级工程师的大力支持和悉心指导，在文章撰写期间得到中国地质大学(北京)孙思辰博士的帮助，在此一并感谢。
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