北黄海盆地上侏罗统–下白垩统火山岩形成时代:锆石LA-ICP-MS U-Pb定年证据

王嘹亮, 许中杰, 程日辉, 胡小强, 刘红艳

(1.广州海洋地质调查局 国土资源部海底矿产资源重点实验室, 广东 广州 510075； 2.吉林大学 地球科学学院,吉林 长春 130061)

北黄海盆地上侏罗统–下白垩统火山岩形成时代:锆石LA-ICP-MS U-Pb定年证据

王嘹亮1, 许中杰2, 程日辉2, 胡小强1, 刘红艳2

(1.广州海洋地质调查局 国土资源部海底矿产资源重点实验室, 广东 广州 510075； 2.吉林大学 地球科学学院,吉林 长春 130061)

北黄海盆地X钻井岩心揭示了中生界两套碎屑岩系: 下部的暗色岩系和上部的红色岩系。暗色岩系底部和顶部存在两层火山岩。下层火山岩的岩石学鉴定为粗面英安岩, 化学成分位于英安岩–流纹岩分区, 靠近粗面英安岩分区。上层火山岩的岩石学鉴定为碎屑碎斑英安岩, 化学成分位于英安岩分区。下层和上层火山岩锆石的阴极发光图像显示出自形–半自形柱状的晶形和韵律环带结构, 下层粗面英安岩中22颗锆石的206Pb/238U年龄介于141～151 Ma之间, 其加权平均年龄为145±2 Ma。上层碎屑碎斑英安岩中 18颗锆石的206Pb/238U年龄介于139～149 Ma之间, 其加权平均年龄为141±2 Ma。反映X井火山岩属于晚侏罗世晚期–早白垩世早期, 因此这套暗色岩系应为晚侏罗世–早白垩世地层。对比山东半岛中生代岩浆作用的年代学和地球化学资料发现, 北黄海盆地与胶莱盆地火成岩可能具有相同的动力学机制, 形成于与俯冲有关的火山弧或弧后伸展环境背景。

北黄海盆地； 火山岩； 中生代； LA-ICP-MS锆石U-Pb定年

北黄海盆地位于中朝板块东南部, 属于胶辽地块和朝鲜半岛北部狼林地块上发育的中–新生代盆地(图1), 是由一系列地堑、半地堑式坳陷组成的拉张断陷盆地(何将启等, 2007)。中‒新生代是北黄海盆地构造运动频繁和剧烈变化时期, 印支、燕山和喜山运动对其现今构造格局起到决定性作用。三叠纪的印支运动形成了由南东向北西逆冲、逆掩的大型拆离断层, 对构造格局及后来的多期裂陷伸展和构造反转等产生了深刻影响(李丕龙, 2003)。磁力资料显示, 北黄海盆地内火山岩发育, 盆地中存在一条规模较大的深大断裂, 火成岩沿断裂上涌, 形成了一连串高磁异常(马文涛等, 2005； 李文勇, 2007)。

中生界是北黄海盆地油气勘探的目的层, 朝鲜钻井已证实西朝鲜湾盆地具有工业性油气流(金仁植等, 2006； 龚建明等, 2007； 刘振湖等, 2007)。北黄海盆地因与西朝鲜湾盆同属一个盆地, 应具有良好油气潜力和勘探前景(李廷栋等, 2002； 冯志强等, 2002；赖万忠, 2002)。近年来我国在这一区域进行勘探与钻探, 获得了宝贵的岩心资料。钻井岩心揭示存在中生界, 包括下部暗色碎屑岩系和上部红色碎屑岩系。X井显示出暗色岩系的底部和顶部存在有两层火山岩(图2)。暗色岩系中的黑色泥岩是北黄海盆地中生界主要烃源岩(刘振湖等, 2007)。这套暗色岩系被认为是中‒下侏罗统(蔡峰, 1997), 但缺少测年数据支持,两层火山岩为此提供可行的测年样品。火山岩中还保存有岩浆源区和构造背景等信息(肖龙等, 2006； 夏换等, 2011), 这也为今后对北黄海盆地火山岩进行细致深入的地球化学研究, 探讨盆地发育机制、区域岩浆活动和大地构造运动特征提供了可能。

本文主要对北黄海盆地中生界暗色岩系中的火山岩进行岩石学和锆石U-Pb年代学研究, 为北黄海盆地地层年代提供测年证据, 为盆地演化动力学过程提供约束。

1 岩石学特征及分析方法

1.1 样品采集及岩石学特征

X井岩心的火山岩发育在3760.0～3780.0 m井段(下层)和2594.0～2675.0 m井段(上层), 厚度分别是20 m和81 m(图2)。前期工作中, 作者在X井下层和上层火山岩中分别采集了2块样品进行了元素地球化学分析和构造背景探讨(王嘹亮等, 2013)。为提高研究深度和精度, 本次研究在下层火山岩中又采集3块, 上层火山岩中又采集5块样品。样品重新统一编号, 下层样品6块, 上层样品7块, 取样位置和深度如图2和表1所示。

1.2 岩性及岩相

图1 北黄海盆地构造位置图(何将启等, 2007)Fig.1 Tectonic location of the North Yellow Sea basin

表1 火山岩样品的采集深度和岩性Table 1 The type of volcanic rocks and the depths of the samples collected from X well

图2 北黄海盆地X井综合柱状图及取样位置Fig.2 Integrated columnar section and the sampling locations of the X well in the North Yellow Sea basin

根据岩心观察和显微镜鉴定, 两层火山岩岩性的一个突出特点是具有斑状结构, 且基质中有微晶甚至发育细晶。下层火山岩粗面结构明显, 斑晶多为斜长石和正长石且有熔蚀, 基质呈玻晶交织结构及长石定向性明显, 反映流动特征(图3a～d)。下层火山岩综合定名为粗面英安岩, 由于其偏碱和偏中性,黏性较流纹岩低, 流动性较好, 基质结晶程度较好,为溢流相。上层火山岩虽然有花岗斑岩的面貌, 具有石英(熔蚀港湾状)、长石和黑云母(黏土蚀变和碳酸盐化)斑晶和玻璃质‒微晶基质, 但含有大量的以角砾级为主的流纹岩碎屑。这些棱角明显的流纹岩碎屑有较规则轮廓, 呈方形或多边形, 也有因熔蚀而成的弧形弯曲边缘, 同时碎屑内部流纹构造发育, 并含有熔蚀的石英晶屑(图3e～j)。综合分析定名为含碎屑碎斑英安岩(或英安质角砾熔岩), 为侵出相外带。侵出相为岩浆喷发后期的产物, 岩浆较缓慢的侵出地表, 在有限范围内流动。先前形成的已经冷却收缩形成规则裂缝(与柱状节理类似)的流纹岩, 被侵出的岩浆撕裂并裹挟。裹挟了流纹岩碎屑的岩浆在地表有限的流动后冷却成岩, 位于侵出相的外带, 而侵出相的内带可能出现花岗斑岩(潜火山岩)。X井上层火山岩位于侵出相外带, 稍偏离火山通道中心, 揭露的岩层相比厚度不很大。推测在岩浆侵出通道的中心附近, 厚度将明显加大, 且有侵出相内带花岗斑岩发育。

X井有两层火山岩发育的暗色岩性段中砂岩地层中不仅发育正常砂岩, 而且发育凝灰质砂岩和凝灰岩(图3k)。而且在正常砂岩中含有大量流纹岩屑,杂基中凝灰物质富集, 起到胶结作用(图3l)。这也说明晚侏罗世‒早白垩世期间有火山喷发活动。

1.3 分析方法

选取B2-3和B5-3两块火山岩样品各0.5～1.5 kg,进行锆石U-Pb年龄测试。在河北省廊坊市区域地质调查研究所实验室进行锆石分选。先将样品粉碎至80～100目, 并用淘选和电磁选方法进行分离。在双目镜下挑选出晶形较好的无明显裂痕和包裹体的锆石颗粒, 将其粘贴在环氧树脂表面, 打磨抛光后露出锆石表面。之后进行透射光、反射光和阴极发光(CL)图像采集。CL图像采集在 CAMECASX51 型电子探针仪器上完成, 分析电压为 50 kV, 电流15 nA。锆石制靶和显微图像采集, 以及锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素分析在中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。选择锆石吸收程度均匀的位置进行定年分析, 分析时光斑直径为30 μm,激光剥蚀样品的深度为20～40 μm。实验中采用He作为剥蚀物质的载气。锆石年龄采用国际标准锆石91500作为外标标准物质, 元素含量采用NISTSRM 610作为外标,29Si作为内标。所测单点的同位素比值及元素含量采用ICPMSDataCal程序进行计算,最后应用 Isoplot3(2006)程序进行年龄计算和谐和图绘制。单个分析点的同位素比值和同位素年龄的误差(标准偏差)为1σ。详细的实验分析步骤和数据处理方法见文献Yuan et al. (2004)。

2 锆石U-Pb年代学

下层火山岩B5-3样品中锆石CL图像显示, 锆石以自形长柱状和短柱状为主, 裂隙发育较少, 部分颗粒含有包体, 粒径介于50～200 μm之间, 长宽比介于1∶1～4∶1之间。锆石内部结构清晰, 振荡生长环带发育明显(图4)。锆石的Th、U 含量分别为27×10–6～155×10–6和92×10–6～216×10–6, Th/U比值介于0.3～0.99之间(表2), 有岩浆成因特点, 锆石年龄可以反映此粗面英安岩形成的年龄。22个测点的206Pb/238U年龄介于141～151 Ma之间, 其加权平均年龄为145±2 Ma, MSWD=0.25(表2, 图6a)。此锆石年龄显示下层的粗面英安岩形成的时代为晚侏罗世晚期‒早白垩世早期。

图3 北黄海盆地X井火山岩样品显微照片Fig.3 Microphotographs of the volcanic rocks from the X well in the North Yellow Sea basin

上层火山岩B2-3样品中锆石CL图像显示, 锆石呈自形长柱状、短柱状和粒状, 裂隙发育较少, 部分颗粒含有包体。粒径介于50～300 μm之间, 长宽比介于1∶1～6∶1之间, 内部结构清晰, 振荡生长环带也发育明显(图5), 具有岩浆锆石的特点。锆石的Th含量在6×10–6～109×10–6之间, U含量较高在227×10–6～778×10–6之间, 锆石的Th/U比值介于0.02～0.32之间(18个测点的206Pb/238U表面年龄介于139～149 Ma之间, 其加权平均年龄为141±2 Ma, MSWD=0.39(表2, 图6b)。此锆石年龄显示上层的碎屑碎斑英安岩形成的时代为早白垩世早期。

X井下层火山岩形成时间为145±2 Ma, 上层火山岩形成时间为141±2 Ma。上层火成岩形成的时间要晚于下层火成岩, 是晚侏罗世晚期–早白垩世早期两次火山喷发过程中形成的。火山岩的年龄值表明暗色岩系为上侏罗统–下白垩统。

3 讨 论

图4 B5-3样品部分锆石CL图像Fig.4 CL images of the zircons from the B5-3 sample

中生代火山岩在胶莱盆地和郯庐断裂带两侧都有发育。牟平‒即墨断裂带是郯庐走滑断裂系统的主要组成之一, 向海域延伸正好经过北黄海盆地中部断陷带, 再向NE延伸与鸭绿江断裂带相连。牟平‒即墨断裂带引张伸展控制了胶莱盆地东部断陷的形成和发展, 青山期该断裂带成为火山活动中心(张岳桥等, 2007)。北黄海盆地X井两层火山岩形成于141±2～145±2 Ma, 晚于胶莱地区的玲珑花岗岩和滦家河花岗岩(155～160 Ma), 与苏鲁造山带北部的文登和豆古山花岗岩体锆石年龄142～160 Ma相近似(罗镇宽和苗来成, 2002), 早于青山组火山岩年龄(Ar-Ar法年龄113～122 Ma, 匡永生等, 2012； K-Ar法年龄98～138 Ma, 杨宝俊等, 2009； K-Ar法年龄93～118 Ma, 唐嘉锋等, 2008； Ar-Ar年龄107～120 Ma,张岳桥等, 2007)。张岳桥等(2007)和匡永生等(2012)的青山组Ar-Ar年龄与牟平‒即墨断裂带以东海阳地区的招虎山岩体、海阳岩体、崂山岩体的(单颗粒锆石U-Pb和Rb-Sr年龄110～126 Ma, 赵广涛等, 1997)基本一致。

图5 B2-3样品部分锆石 CL 图像Fig.5 CL images of zircons from the B2-3 sample

图6 X井暗色火山岩中锆石U-Pb年龄谐和图Fig.6 U-Pb concordia diagrams for zircons from the volcanic rocks in X well

表2 北黄海盆地火山岩LA-ICP-MS锆石U-Pb定年结果Table 2 LA-ICP-MS U-Pb dating results of zircons rom the volcanic rocks in the North Yellow Sea basin

北黄海盆地钻井也揭示有花岗斑岩的发育, 其年龄也为早白垩世晚期(作者另文发表), 与之对应。北黄海盆地及其邻近的胶莱盆地和苏鲁造山带在晚侏罗世到早白垩世期间发生大规模岩浆活动, 主要集中在晚侏罗世晚期‒早白垩世早期和早白垩世晚期两个阶段。胶莱盆地青山组火山岩以中性‒中酸性钙–碱性系列为主, 火山岩起源于深俯冲的扬子地壳, 可能为下地壳的部分熔融, 岩石富集大离子亲石元素Ba、Th, 亏损高场强元素Nb等(Fan et al., 2001； Guo et al., 2005； 闫峻和陈江峰, 2007； 杨宝俊等, 2009)。北黄海盆地火山岩的地球化学特征(以中酸性为主, 钙–碱性系列, 岩浆源于地壳熔融, 明显富集Sr、Ba、U, 亏损高场强元素Nb、Ta等。王嘹亮等, 2013)与之相似, 因此北黄海盆地与胶东半岛的胶莱盆地火成岩可能是有相同的动力学机制。

许文良等(2004)认为胶莱地区花岗岩形成于造山后的伸展环境。张岳桥等(2008)认为在晚侏罗世‒早白垩世, 太平洋板块沿北西方向俯冲于欧亚板块,是北黄海盆地伸展变形的主要动力机制。断层运动学也证实早白垩世北黄海盆地的构造应力体制以伸展作用为主(李文勇, 2007), 在苏鲁造山带北侧的北黄海盆地与胶莱盆地是与俯冲后应力释放相关的裂谷盆地(吴琳等, 2004)。太平洋板块俯冲可能引起中国大陆东部边缘地壳增厚和地壳深熔作用发生, 同时增厚地壳的重力垮塌、岩石圈拆沉, 使得中国东部大陆边缘发生区域性弧后拉张(李文勇, 2007； 张岳桥等, 2008)。俯冲之后加厚的岩石圈应力释放, 导致地层伸展、塌陷。也导致了板块俯冲碰撞之后, 加厚地壳垮塌引起的与盆地地层的伸展垮塌相关的岩浆作用。北黄海盆地X井火山岩是不同深度的地壳局部熔融产生的(王嘹亮等, 2013), 反映了该裂陷盆地岩浆源由深部到浅部的发展。由太平洋板块俯冲作用导致的地壳深部物质部分熔融形成深源的岩浆, 扬子板块与华北板块碰撞造山期后的加厚岩石圈的垮塌不但使盆地不断裂陷, 同时为深部岩浆上涌和喷发提供了通道。深部岩浆产生的热流作用, 导致地壳浅部物质部分熔融形成浅部岩浆,其喷发的通道是盆地裂陷过程中发育的系列断裂。研究区火山岩可能形成于与俯冲带相关的火山弧或弧后伸展环境, 是板块俯冲和弧后拉张的岩浆活动产物。

4 结 论

(1) 北黄海盆地X井下层火山岩为粗面英安岩,化学成分为英安岩–流纹岩。22颗测试锆石的206Pb/238U年龄介于141～151 Ma之间,加权平均年龄为145±2 Ma, 代表其形成时代为晚侏罗世晚期–早白垩世早期。

(2) 上层火山岩为碎屑碎斑英安岩, 化学成分为英安岩, 18颗测试锆石的206Pb/238U年龄介于139～149 Ma之间,加权平均年龄为141±2 Ma, 代表其形成于早白垩世早期。

(3) 锆石LA-ICP-MS U-Pb测年数据反映, X井上层火成岩形成的时间要晚于下层火成岩, 是晚侏罗世晚期–早白垩世早期两次火山喷发过程中形成的。中生界暗色碎屑岩系地层形成时代应为晚侏罗世–早白垩世。

致谢: 在论文修改中两位审稿老师和编辑部老师提出了建设性的修改意见, 在此表示衷心的感谢。

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Zircon U-Pb Geochronology of Early Jurassic-Late Cretaceous Volcanic Rocks in North Yellow Sea Basin

WANG Liaoliang1, XU Zhongjie2, CHENG Rihui2, HU Xiaoqiang1and LIU Hongyan2
(1. Guangzhou Bureau of Marine Geology Survey, Guangzhou 510075, Guangdong, China; 2. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China)

The X-drilling cores of the North Yellow Sea basin reveal two sets of Mesozoic clastic rocks, which are the dark rocks in lower part and the red rocks in upper part, respectively. There are two layers of volcanic rocks at the bottom and the upper part of the dark rock unit. The volcanic rocks at the bottom part are trachytic dacite while rocks at the upper part are clastic dacite. The zircon grains from the upper and lower units of volcanic rocks are euhedral-subhedral columnar crystals and show oscillatory zoning on cathodoluminescence images. 22 tests of zircons in the trachytic dacite from the bottom part yield an age of 141–151 Ma, with weighted mean206Pb/238U age of 145±2 Ma. Whereas 18 tests of zircons from the sample at the upper part give206Pb/238U ages around 139–149 Ma with weighted mean206Pb/238U age of 141±2 Ma, which implies that the X well volcanic rocks belong to Late Jurassic-Early Cretaceous. Comparing with the age and geochemical characteristics of the Mesozoic igneous rocks in Shandong peninsula, we suggest that the igneous rocks from both the North Yellow Sea basin and Jiaolai basin were formed under same dynamic setting, i.e., the subduction related volcano arc and back-arc extension.

North Yellow Sea basin； volcanic rock； Mesozoic； LA-ICP-MS zircon U-Pb dating

P597

A

1001-1552(2015)01-0179-008

2013-04-14； 改回日期: 2013-07-30

项目资助: 国家重大专项(编号: GZH200700405)和国家自然科学基金(批准号: 41402087、41030853)联合资助。

王嘹亮(1964–), 男, 博士, 教授级高级工程师, 主要从事沉积学和石油地质学研究。Email: liaoliangwang@163.com

许中杰(1984–), 男, 博士, 主要从事沉积学和海洋地质学研究。Email: zhongjiexu@jlu.edu.cn