东海陆架盆地椒江凹陷锆石U-Pb定年及意义

2019-06-27高顺莉王建强侯凯文李宣玥

石油实验地质 2019年3期

高顺莉，赵洪，王建强，徐曦，侯凯文，李宣玥

(1.中海石油(中国)有限公司上海分公司，上海 300451；2.西北大学大陆动力学国家重点实验室，西安 710069； 3.中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

丽水—椒江凹陷是东海陆架盆地[1-2]西部坳陷带的重要组成部分，亦是目前油气勘探的重点地区之一。前人对丽水—椒江凹陷进行过大量的研究[3-18]，对其基底性质及古新统物源也多有涉及，但多数研究是针对椒江凹陷西南部的丽水凹陷[4-5，12，14]。碎屑锆石U-Pb定年方法是近年来兴起的地层年代确定和物源示踪方法，在东海陆架盆地得到了一定的应用[16-19]。丽水—椒江凹陷近年来也开展了利用碎屑锆石U-Pb定年判断地层年龄及物源的研究工作，但得出的年龄各不相同[16-18]。

本文研究发现，前人对丽水—椒江凹陷锆石U-Pb定年研究工作多集中在丽水凹陷，且研究较多的是古新世时期，缺少对椒江凹陷的综合研究和分析。本文通过碎屑锆石U-Pb定年方法，选取椒江凹陷内典型钻井，重点对椒江凹陷前新生代沉积基底和断陷末期古新统明月峰组沉积地层的碎屑锆石开展分析测试，并在调研前人研究成果基础上，和邻区丽水凹陷进行对比，分析了椒江凹陷前新生代沉积基底以及断陷末期地层性质及其物源，以期为东海陆架盆地新生代基底特征、物源体系及构造演化的系统研究提供依据。

1 地质概况及样品描述

丽水—椒江凹陷位于东海陆架盆地西南部，是在中生代残留盆地基础上发育而来的陆壳边缘盆地，其西侧和南侧为闽浙隆起区，东部以雁荡低凸起与福州凹陷相隔，北与钱塘凹陷相连(图1a)，呈北东走向，面积约20 000 km2。凹陷内可进一步划分为椒江凹陷、丽水西次凹、丽水东次凹及灵峰凸起4个次级构造单元(图1b)。前人研究表明丽水—椒江凹陷经历了晚白垩世—古新世裂陷、始新世拗陷、晚始新世—渐新世的抬升与中新世—第四纪区域沉降等4个构造演化阶段[7,10]，具典型的东断西超半地堑结构特征[10]。沉积环境从老到新由陆相到海陆过渡相、再逐渐到海相环境演变[14]；主体发育了上白垩统石门潭组，古新统月桂峰组、灵峰组、明月峰组，始新统瓯江组、温州组，中新统、上新统及第四系，缺失始新世晚期沉积的平湖组(图1c)。中生界、新生界沉积厚度可达9 000 m，凹陷基底为中生代喷出岩、侵入岩及元古代变质岩，还可能存在晚古生代变质岩等[9]。

图1 东海陆架盆地丽水—椒江凹陷构造位置、采样井及地层结构示意

本次分析测试样品主要取自位于椒江凹陷中南部与丽水凹陷东次凹的A、B二口典型井(图1b)，分别是A井前新生代基底(A1样品)以及A井和B井的明月峰组沉积岩岩屑(A2样品和B1样品)。针对二口井岩屑样品进行取样、清洗并筛选，遴选粒径大于0.5 cm的岩石颗粒。其中A1样品岩屑观察表明，其主要有3种岩石类型：黑色泥质岩屑、灰绿色至深绿色的岩屑及浅色—肉红色岩屑颗粒。对其磨取薄片进行观察分析，结果表明样品总体以基性岩类(辉长岩—玄武岩类)、酸性喷出岩为主，其中侵入岩与喷出岩包括玄武岩(图2a)、二长花岗岩(图2b)、辉长岩(图2c)、凝灰岩(图2d)、流纹岩(图2e)等。岩屑样品分析发现成岩后期普遍发生局部蚀变，出现了绢云母化(图2e)、碳酸盐胶结(图2f)等特征。

2 样品分析及测试方法

在对二口钻井岩心、岩屑观察的基础上，选取了数件岩屑样品，每件样品重约1 kg。矿物分选之前首先对岩屑样品进行预处理，主要是对岩屑样品进行了洗涤，剔除泥砾及钻井泥浆凝固物等杂质后晾干，再将其置于放大镜下进一步筛选出颜色、岩性较为均一、占主体比例的砂岩岩屑颗粒进行测试分析，目的是尽可能地减少混杂，提高实验结果的可靠性。

样品由河北廊坊地质研究院进行锆石矿物的分选，最终选取的3件样品获得了足够进行U-Pb定年的锆石矿物。锆石U-Pb年代学分析测试在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行。实验首先将已分离好的锆石颗粒在双目镜下随机挑选并粘至玻璃板上，再用环氧树脂固定后抛光；分别用透射光和阴极发光(CL)对锆石颗粒进行照相，分析锆石的形态及内部结构。定年所用的ICP-MS为Agilent公司的Agilent 7500a，采用的激光剥蚀系统为德国MicroLas公司生产的GeoLas200M。在年龄测定前用3%的稀HNO3清洗样品表面，测点尽量避开锆石内部的裂纹和包裹体，有关实验过程可具体参见文献[20]。数据处理采用GLITTER (ver 4.0)程序，各样品的加权平均年龄计算及谐和图的绘制采用Isoplot(ver 3.0)获得[21]，元素浓度计算采用NIST610 作外标，Si作内标。

3 碎屑锆石U-Pb测年分析结果

3.1 锆石形态和内部结构

光学显微镜下，3个样品的碎屑锆石颗粒多呈无色透明到半透明，部分锆石颗粒呈浅黄色及灰黄色；锆石颗粒长度介于80～240μm之间，宽度介于50～120 μm之间(图3)。

A1样品锆石颗粒切面主要呈次棱角状到次圆状，部分锆石明显遭受了磨蚀，表明经历了一定距离的搬运。CL图像显示锆石晶形总体完好，呈六方柱状，大部分锆石显示规律的、以岩浆锆石为特征的韵律生长振荡环带；存在少量颗粒环带结构不明显，呈面状、斑杂分带或无分带。另外有些颗粒可见明显的残留核，核幔结构清楚(图3a)。此外大部分锆石颗粒可能U含量较高而导致在阴极发光下呈现较暗色调，同时边部一般发育有明显的浅色增生边。该锆石样品总体形态特征较为复杂。

图2 东海陆架盆地椒江凹陷A井A1部分样品镜下特征

图3 东海陆架盆地椒江凹陷砂岩碎屑锆石CL图像

A2样品锆石颗粒切面呈自形—半自形棱柱状，几乎没有磨圆；CL图像显示锆石晶形完好，几乎所有的锆石均显示规则的韵律生长振荡环带，且锆石颗粒多存在溶蚀孔洞和白色杂斑(图3b)，其中少量锆石颗粒破损残缺。在阴极发光下锆石主要呈浅色调，该样品锆石形态总体特征较为简单。B1号样品与A2号的锆石形态、结构基本类似(图3c)。

锆石形态和内部结构特征显示，上述2个时代的样品锆石颗粒存在比较显著的差别，主要体现在锆石的磨圆度、CL图像色调、环带结构及面部特征等，暗示着可能具不同的物质来源。

3.2 锆石Th、U含量及其比值特征

A1样品所测的77颗锆石的Th含量介于(6.18～770.57)×10-6(平均137.26×10-6)；U含量变化较大，介于(84.82～5 266.63)×10-6(平均533.52×10-6)；Th/U比值介于(0.031～1.345)之间。剔除年龄不谐和的测试点后，60颗锆石中有13颗锆石Th/U比值小于0.1，26颗Th/U比值介于0.1～0.4之间，21颗大于0.4(图4a)。

A2样品所测的80颗锆石的Th含量介于(10.85～486.17)×10-6(平均163.53×10-6)；U含量介于(19.27～906.39)×10-6(平均185.20×10-6)；Th /U比值介于0.046～2.554之间，其中77颗锆石的Th /U比值大于0.4，2颗锆石Th /U比值介于0.4～0.1之间，仅1颗小于0.1(图4b)

B1样品所测的81颗锆石的Th含量介于(17.45～812.05)×10-6(平均166.05×10-6)；U含量介于(22.55～708.11)×10-6(平均194.97×10-6)；Th /U比值介于0.45～18.54之间，所有锆石的Th /U比值均大于0.4(图4c)。

图4 东海陆架盆地椒江凹陷碎屑锆石Th/U比值与U-Pb年龄关系

通过3个样品Th、U含量及比值表明，A1样品与A2、B1样品具有不同的特征，A1样品锆石U含量明显高于后两者，后者Th/U比值明显高于前者(图4)。前人研究表明Th/U比值是判别锆石成因重要的参考依据，岩浆成因的锆石Th/U值大于0.1, 而变质成因的锆石Th/U值小于0.1。根据Th/U值测试结果，结合岩浆锆石所具有的典型生长环带等结构特征，表明古新统明月峰组碎屑锆石均来源于岩浆母源，而前新生代样品中碎屑锆石除岩浆岩外，亦存在部分来自变质岩的数据。

3.3 锆石U-Pb年龄谱特征

A1样品共测试了77颗锆石，删除谐和度低于90% 的数据后获得谐和年龄有60组，符合概率统计样本要求。谐和锆石年龄介于111.7～1 050.1 Ma，由新到老分布区间为111.7～113.3 Ma(2颗)、172～193.7 Ma(6颗)、210.8～258.6 Ma(21颗)、277.9～358.1 Ma(9颗)、370.6～497.7 Ma(15颗)及758.2～1 050.1 Ma(7颗)6个年龄组段，这些年龄分布特点大致可以代表锆石的年龄组分。除2颗锆石外，其余测量样品年龄均大于170 Ma，主峰值年龄约为227 Ma及395 Ma(图5a)。

A2样品共测试了80颗锆石，删除谐和度低于90% 的数据后获得谐和年龄63组，其年龄介于58.1～1 876.9 Ma之间，由新到老分布区间为58.1～58.5 Ma(3颗)、71.3～94.6 Ma(6颗)、100.5～136.6 Ma(50颗)、147.1～166.1 Ma(3颗)及1 876.9 Ma(1颗)5个年龄组段。除1颗锆石年龄为1 876.9 Ma之外，其余锆石年龄均小于170 Ma，主要集中在90～137 Ma年龄段，主峰值年龄约为110 Ma(图5b)。

B1样品共测试了81颗锆石，删除谐和度低于90% 的数据后获得谐和年龄60组，年龄分布在84.9～1 892.7 Ma之间，主要分布区间为84.9～99.5 Ma(9颗锆石)、100.4～142.4 Ma(46颗)、160.8～164.1 Ma(2颗)及1 843.4～1 892.7 Ma(3颗)，除3颗古元古代年龄锆石之外，其余锆石年龄均小于170 Ma，主要集中在92～140 Ma年龄段，主峰值年龄约为114 Ma(图5c)。

3.4 元素地球化学特征

砂岩氧化物质量分数分析表明(表1)，所分析的前新生代基底样品(A1样品)的SiO2质量分数较低，为54.36%，Al2O3次之，为15.66%，Fe2O3为6.26%；CaO(5.73%)、MgO(3.26%)含量较高，说明样品中碳酸盐岩的含量较高；同时，还含有少量的MnO及P2O5，推断砂岩中存在少量的磷灰石、绿帘石等重矿物。而所有新生界明月峰组砂岩样品(A2和B1样品)中SiO2质量分数较高，为72.3%～83.28%，平均为77.79%；Al2O3次之，介于5.96%～8.56%之间，平均为7.26%；Fe2O3介于2.46%～2.52%之间，平均为2.49%；CaO、MgO含量不同钻井之间虽存在差别，但较前新生代地层明显降低，说明样品重碳酸盐岩含量较低；此外MnO及P2O5质量分数则远远低于前新生代地层。从上述主量元素质量分数分析可以看到，研究区前新生代样品与新生代砂岩存在着显著的差别。

图5 东海陆架盆地椒江凹陷碎屑锆石U-Pb年龄谱峰图及谐和图

样品号地层Al2O3CaOFe2O3K2OMgOMnONa2OP2O5SiO2TiO2LOITotalA1基底15.665.736.263.133.260.112.890.2154.360.737.1999.53A2明月峰组8.564.142.523.090.490.041.570.0472.300.236.2499.22B1明月峰组5.960.442.462.590.230.020.770.0283.280.163.3499.27

图6 东海陆架盆地椒江凹陷样品主量元素化学成分的构造环境判别图解红色为前新生代样品，蓝色为明月峰组样品

基于岩石中的化学成分是矿物成分的反映，岩石中的主要化学成分可作为构造背景分析的标志。利用主量元素等可以判断其形成的大地构造环境。通过计算投图(图6)，可以看出研究区前新生代样品主体分布于大洋岛弧环境，而明月峰组砂岩样品主体落入了大陆边缘环境。

4 讨论

4.1 椒江凹陷前新生代基底特征

丽水—椒江凹陷前新生代基底特征复杂，岩性组合上有变质岩、火山岩、沉积岩及火山岩—沉积岩互层等，被多口钻井证实[4]。前人通过大量地质、地球物理及钻井资料分析表明，东海大陆架盆地区是我国东南大陆的自然延伸，为华南褶皱系的重要组成部分，存在着华南褶皱系海西期和印支期的基底[3]，并进一步指出了东海陆架盆地的基底为中生代岩浆岩、元古代变质岩及古生界所组成[4,9]。其中，灵峰凸起灵峰1井元古代片麻岩(1.68 Ga)的揭示明确了东海陆架元古代变质岩基底的存在。丽水西次凹东北部、丽水东次凹钻遇的多为白垩纪火成岩，较少见到印支期的记录；椒江凹陷前新生代基底火成岩年龄未有确切测试结果。

本文通过对椒江凹陷A井前新生代基底碎屑锆石U-Pb测年分析，显示其包括变质岩及岩浆岩2种类型，且锆石具有多期次演化特征。根据本次测试分析的锆石峰值年龄特征，前新生代样品的锆石谐和年龄介于111.7～1 050.1 Ma，由新到老含6个年龄组段，除2颗年龄较小外，其余测量样品年龄均大于170 Ma，其中210.8～258.6 Ma(21颗)为主要分布区间，主峰值年龄约为227 Ma。证实本区基底中广泛存在海西—印支期、加里东期岩浆及变质锆石，其次为晋宁期，燕山期岩浆岩锆石相对缺乏。这些时期均为我国东南部华夏古陆及周缘一带主要岩浆岩发育的重要时期[5-6]。其中印支晚期年龄记录基本代表了该层段花岗岩的形成年龄。根据以往研究结果[5]，对于丽水东次凹靠近东侧凸起的B井基底侵入岩样品曾开展过锆石U-Pb定年分析，显示其年龄主要集中在194～243 Ma，大致可分为205 Ma和220 Ma两期，证实雁荡凸起存在晚三叠世—早侏罗世的岩体，亦表明东海陆架盆地存在印支期的岩浆活动，这和本次的分析结果相对一致。

4.2 古新统明月峰组物源特征

古新统明月峰组是丽水—椒江凹陷主要勘探目的层段，研究程度相对较高。前人普遍认为丽水—椒江凹陷古新统主体经历了三角洲—湖泊—扇三角洲向三角洲—滨海—浅海环境的演化过程。前人采用岩心、稀土元素、测井、地震与古生物多种资料，运用不同方法研究了明月峰组物源特征[12-14]，总体认为古新统物源主要以中生代中酸性火成岩及火山碎屑岩为主，其次为元古代与古生代的变质岩，其物源方向有西部闽浙隆起带、东部雁荡低凸起及中部灵峰凸起。但是中生代以来我国东部岩浆活动强烈、活动期次多且分布广泛，究竟是哪些时代岩体为丽水—椒江凹陷古新统的主要物源，前人并未明确。

本文研究的明月峰组砂岩碎屑锆石主要为岩浆岩锆石(图3)，且具近距离剥蚀搬运沉积的特点；同时锆石年龄主要集中在170 Ma以来，峰值年龄段为137～90 Ma(图5)。丽水—椒江凹陷的东侧为渔山低凸起区，其上的福州凹陷内广泛发育上白垩统闽江组火山碎屑岩系，二者在时空上具有非常好的耦合关系，表明椒江凹陷东侧早白垩世岩浆岩区可能是明月峰组沉积时期的主要物源区。此外，两样品中均出现了大于1.8 Ga的锆石，这与浙西及闽西北的华夏最古老基底的花岗岩和变质成角闪岩的玄武岩(1.9～1.8 Ga)相一致；另外椒江凹陷A井样品中还存在年龄介于58～71 Ma的锆石(图5)，这与东海陆架盆地中部晚白垩世—古新世岩浆活动在年代上具有一定的联系，表明可能有少量的物源来自椒江凹陷周缘其他局部隆起区。

4.3 古新统不同组段物源对比分析

丽水—椒江凹陷为晚白垩世—新生代的弧后裂陷盆地，古新统为主体断陷期沉积，从下至上发育月桂峰组、灵峰组和明月峰组，椒江凹陷和丽水凹陷在构造成因、地层发育序列和时代上均具有一致性。从构造位置和构造特征来看(图1)，椒江凹陷和丽水东次凹均受控于东侧大断裂的活动，发育东断西超的箕状断陷。二者东侧均紧邻雁荡低凸起，后者为其断陷期的主要物源区。本次仅对椒江凹陷和丽水东次凹钻井内的明月峰组层段选取砂岩样品进行了断陷期物源测试分析，月桂峰组和灵峰组的碎屑物源特征可以参考前人丽水凹陷的研究成果做类比。根据陈春峰等研究成果[18]，丽水东次凹月桂峰组—灵峰组上段沉积物源无明显差异，沉积物中锆石以125～74 Ma的岩浆锆石为主，分析物源来自其东侧的雁荡低凸起区；丽水西次凹灵峰组岩浆锆石峰值年龄为140.8 Ma和110 Ma，对应于其西侧闽浙隆起带中生代中期的火山岩，其物源可能来源于其西侧闽浙隆起区。根据陈国俊等研究成果[13]，丽水东次凹明月峰组碎屑锆石年龄最明显峰值在110 Ma，这和本次A2及B1明月峰组测试样品分析结果一致，而丽水西次凹明月峰组碎屑锆石年龄分布稍微变老，在140～100 Ma。

根据本次测试结果，明月峰组物源的时代特征指示，在古新世晚期雁荡低凸起早白垩世岩浆岩已广泛出露地表，成为椒江和丽水东次凹的主要物源区。综合本文分析测试结果和前人研究成果，表明椒江凹陷古新统月桂峰组、灵峰组和明月峰组沉积层段在物源组分上差异不大，且与丽水东次凹具有较大可对比性，说明椒江凹陷与丽水东次凹在古新统沉积时期物源来源相对单一，多来自于其东侧的雁荡低凸起。可以推测，在古新世主体断陷期，雁荡低凸起为椒江凹陷和丽水东次凹持续提供物源。椒江凹陷测试结果与丽水西次凹相差较大，后者物源来自于西侧闽浙隆起区的可能性较大。