渤海东部蓬莱15-2构造东营组、馆陶组砂岩碎屑锆石定年及物源示踪*

赵 梦 杜晓峰 王清斌 赵 婧 郝轶伟

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

沉积岩中的碎屑锆石U-Pb年龄几乎不受搬运过程及成岩过程的影响，最大限度地保留了母岩的信息，因此被广泛地应用于国内外的沉积岩物源示踪研究中[1-7]。目前，已在渤海西部海域的石臼坨凸起、沙垒田凸起及其围区一带开展了沉积岩碎屑锆石年代学物源示踪研究，并结合相关沉积研究成果实现了对渤西部分区域的古源汇体系精细刻画和母岩示踪[7-10]。然而，渤海东部海域仅有少量花岗岩潜山锆石U-Pb定年数据发表，集中在蓬莱9-1构造区域[11-12]，尚无沉积岩碎屑锆石U-Pb年龄数据发表。

本文首先在渤海东部开展了蓬莱15-2构造东营组、馆陶组砂体的碎屑锆石年代学分析，发现该构造不同部位钻井在不同时期的沉积物碎屑锆石年龄组分存在差异性，分别代表了庙西北凸起上不同的母岩类型和盆地外部物源的影响，继而对研究区周边陆上潜在物源区展开调研，收集、对比了上述区域太古界—元古界的锆石年龄数据，整理出渤东地区的各物源的碎屑锆石年龄谱特征，确定外部物源的陆上分布范围，为深入认识蓬莱15-2构造东营组、馆陶组沉积期的古物源体系提供了新的证据。

1 研究区地质概况

庙西北凸起位于渤海东部地区(图1)，面积约242 km2，呈北东走向，东临庙西北洼，其东南部边界断层(庙西1号断裂)控制了庙西北洼的形成与演化。钻井资料揭示，庙西北凸起西南、北东两端潜山高点的岩性为千枚岩、片岩、石英岩、变质砂岩及少量动力变质岩，变质岩中裂缝并不发育，中间鞍部岩性为花岗闪长岩和二长花岗岩，侵位于变质岩体中，侵位年龄为160～165 Ma，属于高钾钙碱性系列，具有Eu弱正异常特征，岩体发育大量裂缝[11-17]。庙西北凸起潜山顶部发育不整合面，上覆地层自下至上依次为新近系馆陶组、明化镇组下段、明化镇组上段及平原组碎屑岩[18-20]。庙西北洼新生界最大沉积厚度约4 800 m，自下而上分别为古近系沙河街组、东营组，新近系馆陶组、明化镇组，以及第四系平原组，其中沙河街组直接沉积于前古近系基底之上，湖泊初始发育;东营组三段、东二下段发育大套半深湖—深湖相暗色泥岩;东二上段湖泊萎缩并进入滨湖环境，发育辫状河三角洲[21-23]。

蓬莱15-2 构造背靠庙西北凸起，位于庙西北凸起东南侧边界断层下降盘(图1)。前人研究表明，东营组二段沉积时期，庙西北凸起出露地表，是庙西北洼的物源区之一，直至18 Ma之后才停止剥蚀并接受沉积[18,23]；新近纪馆陶组沉积时期，胶辽隆起等盆外物源区通过复州河水系和庙岛-蓬莱水系为渤海东部浅海地区提供沉积物[24-25]，但这些认识主要依据岩屑类型及古地貌恢复的研究方法获得的。因此，为了更准确地示踪、明确渤东地区古物源体系，在蓬莱15-2构造的2口井中进行了钻井取样，开展了东营组与馆陶组碎岩锆石U-Pb定年分析及物源示踪，为深入认识研究区的不同物源区和沉积过程提供了新的证据。

图1 渤海东部庙西北凸起地质图与钻井位置(据赵国祥 等[12]修改)Fig.1 Geology map of the Miaoxibei uplift of the eastern Bohai sea and the location of the wells(revised after Zhao Guoxiang et al.[12])

2 材料方法

研究中对PL15-2-7井东营组二段(Ed2)及PL15-2-12d井馆陶组(N1g)的砂岩岩屑取样，共采集4个岩屑样品(取样层位深度如图2所示)，进行碎屑锆石U-Pb定年分析。PL15-2-7井样品岩性为含砾中砂岩、高岭石质粉砂岩，PL15-2-12d井样品岩性为含砾中砂岩、细砂岩。样品的预处理、阴极发光(CL)图像拍摄和LA-ICP-MS定年均在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)完成，激光剥蚀系统为GeoLas 2005，ICP-MS为Agilent 7500a。

对每颗锆石进行U-Pb定年，最终获得3组年龄：207Pb/206Pb、207Pb/235U、206Pb/238U。对于封闭体系，U-Pb年龄是谐和的，反映出锆石的结晶年龄。而在实际情况下，由于热液或变质作用的影响，锆石有可能会Pb污染或丢失，导致U-Pb年龄不谐和[10]。在数据处理中，对206Pb/238U年龄小于1 000 Ma的锆石选取206Pb/238U年龄，并以100×(207Pb/235U)/(206Pb/238U)计算谐和度；对206Pb/238U年龄大于1 000 Ma的锆石选取207Pb/206Pb年龄并以100×(207Pb/206Pb)/(206Pb/238U)计算谐和度[26]。结合样品数据情况，选取谐和度大于90%的锆石U-Pb年龄，并根据Kernel Density Estimation(KDE)方法绘制锆石年龄谱图[27-29]。

图2 PL15-2-7井东二段(Ed2)、PL15-2-12d井馆陶组(N1g)岩性剖面Fig.2 Ed2 lithology of Well PL15-2-7 and N1g lithology of Well PL15-2-12d

3 碎屑锆石U-Pb年龄特征

测年数据经过预处理，共计获得158个谐和年龄(谐和度>90%)，仅有2颗Th/U<0.1的变质成因锆石(图3)，说明样品锆石以岩浆成因为主。图4为蓬莱15-2构造样品部分锆石CL图像，砂岩样品锆石粒度多在60～120 μm，整体柱状特征明显，岩浆生长振荡环带明显，仅少量锆石晶形完整，晶体棱角已有一定程度磨圆，说明具有一定搬运距离。样品碎屑锆石年龄从太古代到新生代都有分布(图5)，最年轻年龄为151 Ma(PL15-2-12d井，馆陶组N1g)，最古老年龄为2 961 Ma(PL15-2-7井，东营组二段Ed2)。

PL15-2-7井东营组二段(Ed2)含砾中砂岩及含砾细砂岩样品共测得84个谐和锆石U-Pb年龄点。样品富含大量元古代(Pt)锆石，其中中元古代(Pt2)锆石含量为8.3%，古元古代(Pt1)锆石含量为71.4%，其余为太古代(Ar)锆石，含量为20.2%;不含中生代(Mz)、古生代(Pz)及新元古代(Pt3)锆石(图5)。该井东营组二段砂岩碎屑锆石U-Pb年龄谱的主要峰值年龄为1 863 Ma，并具有2 478 Ma次要峰值(图5)。

图3 蓬莱15-2构造东营组、馆陶组砂岩碎屑锆石Th/U比值Fig.3 Th/U ratio of the detrital zircons of Ed2 and N1g sandstones in PL15-2 structure

图4 蓬莱15-2构造样品部分锆石CL图像Fig.4 CL images of the sandstones of PL15-2 structure

注：n为年龄点个数。

图5 蓬莱15-2构造东营组、馆陶组砂岩碎屑锆石U-Pb年龄谱图
Fig.5 U-Pb age spectra of the detrital zircons of Ed2and N1gsandstone in PL15-2 structure

PL15-2-12d井馆陶组(N1g)含砾中砂岩样品共测得74个谐和锆石U-Pb年龄点。样品的中生代(Mz)锆石全部为侏罗纪(J)锆石，含量为39.2%，不含白垩纪(K)、三叠纪(T)锆石，也不含古生代(Pz)锆石。样品含有大量的元古代(Pt)锆石，含量为52.7%，其中新元古代(Pt3)锆石含量为2.7%，中元古代(Pt2)锆石占25.7%，古元古代(Pt1)锆石占24.3%。另外，样品的太古代(Ar)锆石含量为8.1%(图5)。该井馆陶组砂岩碎屑锆石U-Pb年龄谱的主要峰值年龄为159 Ma，并具有1 486 Ma和2 373 Ma两个次要峰值(图5)。

周心怀 等[11]和赵国祥 等[12]对庙西北凸起鞍部中生代花岗岩侵入体的定年研究均表明该岩体的锆石U-Pb年龄组成以侏罗纪(J)为主，部分锆石测得太古代(Ar)—古元古代(Pt1)的核部年龄。PL15-2-7井东营组二段(Ed2)沉积物仅含有太古代(Ar)—古元古代(Pt1)碎屑锆石，具有突出的1 863 Ma峰值，不含中生代锆石，说明该井在东二段沉积时期不受中部的中生代花岗岩影响，其沉积物完全由庙西北凸起南部的古元古代变质岩提供，样品的碎屑锆石年龄特征也代表了该元古界潜山的锆石年龄特征。

而PL15-2-12d井在馆陶组(N1g)沉积物中含有39.2%的侏罗纪(J)锆石和24.3%的古元古代(Pt1)锆石，具有159 Ma的主峰值和2373 Ma次要峰值，其母岩为庙西北凸起鞍部的中生代花岗岩，并且馆陶组(N1g)沉积物并不具有约1 800 Ma的古元古代峰值，说明该井不受庙西北凸起的古元古代变质岩影响，但还受到其他物源影响，物源区母岩为该井馆陶组(N1g)砂岩提供了富含中元古代(Pt2)锆石的沉积物，并具有1 486 Ma的峰值。

4 馆陶组(N1g)砂岩物源示踪

前人研究表明，在馆陶组(N1g)沉积初期，庙西北凸起仍作为盆内物源区遭受剥蚀，而盆外的胶辽隆起等地区也通过复州河水系、庙岛-蓬莱水系等古河流体系为渤海东部地区提供沉积物[18,24-25]。然而，受到矿区范围限制，目前研究区东侧、南侧海域缺乏钻井样品或锆石年龄数据，因此对辽东半岛陆上部分和庙岛群岛展开了区域地层调研，收集、对比了上述区域太古界—元古界的锆石年龄数据[30-33]，并结合庙西北凸起的相关数据[11-12]，系统地梳理了渤东地区各物源的碎屑锆石年龄特征，为研究区的物源分析提供了证据。

1) 庙西北凸起元古界潜山。庙西北凸起元古界潜山岩性为千枚岩、片岩、石英岩、变质砂岩及少量动力变质岩，自古近纪至新近纪馆陶组沉积初期都作为盆内物源区遭受剥蚀，为研究区提供沉积物[13,18-19]。PL15-2-7井东营组二段(Ed2)沉积物完全受控于庙西北凸起南部的元古界潜山，因此其碎屑锆石的年龄组分即代表了庙西北凸起的元古界潜山的锆石年龄组分，由此可知庙西北凸起元古界潜山的锆石年龄谱具有1 863 Ma主峰值和2 478 Ma次峰值，其剥蚀沉积物中含有大量古元古代(Pt1)锆石，其次为太古代(Ar)锆石，中元古代(Pt2)锆石较少，不含中生代(Mz)锆石。

2) 庙西北凸起中生界潜山。庙西北凸起中间鞍部发育一套中侏罗系花岗岩侵入体(图1)，锆石U-Pb年龄为 160～165 Ma，测年结果亦显示部分锆石具有古元古代(Pt1)的继承核[11-12]。PL15-2-12d井馆陶组(N1g)沉积物富含侏罗纪(J)锆石，并具有159 Ma峰值年龄，指示其沉积物主要来自庙西北凸起鞍部的侏罗系潜山，但该井同时还受到其他物源影响，沉积物具有独特的1 484 Ma峰值特征，并含有25.7%的中元古代(Pt2)锆石，这与PL15-2-7井东营组二段(Ed2)沉积物所反映出的庙西北凸起南部的元古界潜山锆石年龄特征不符。因此，庙西北凸起的元古界潜山无法为PL15-2-12d井馆陶组(N1g)砂岩提供富含中元古代(Pt2)锆石的沉积物，该部分沉积物应来自于其他物源区。

3) 辽东半岛老铁山地区(老铁山水系)。在辽东半岛南端老铁山地区，Yang等[32]在旅顺西南约5 km处上元古界钓鱼台组石英砂岩中取样(取样位置见图6)，发现样品中的碎屑锆石全部为中元古代(Pt2)锆石，不含其它年龄段锆石，锆石年龄谱具有突出的约1 500 Ma峰值，以及约1 600 Ma、约1 700 Ma和约1 200 Ma等次要峰值年龄(图7a)，其主峰值年龄完全符合PL15-2-12d井馆陶组(N1g)沉积物特征(图5)，因此认为该上元古界钓鱼台组石英砂岩是研究区的母岩之一，老铁山地区在馆陶组(N1g)沉积时期位于研究区的物源范围内。值得注意的是，由于PL15-2-12d井馆陶组(N1g)沉积物主要来自于庙西北凸起鞍部的中生代花岗岩，因此旅顺老铁山地区钓鱼台组石英砂岩的次要峰值年龄在PL15-2-12d井馆陶组(N1g)砂岩中并未明确体现出来，仅表现为1 484 Ma峰值右侧的低矮缓峰(图5)。

4) 辽东半岛南部大连-金州地区。在辽东半岛南部大连-金州地区，Yang等[32]在大连市东北约12 km处上元古界兴民村组石英砂岩中取样(取样位置见图6)，发现样品的中元古代(Pt2)锆石含量高达64.4%，锆石年龄谱具有突出的约1 600 Ma峰值，以及约1 800 Ma和约900 Ma等次要峰值年龄(图7b)。上述特征峰值均未出现在PL15-2-12d井馆陶组(N1g)沉积物碎屑锆石年龄谱图中(图5)，故认为大连-金州地区此时并未处于研究区的物源范围内。

5) 辽东半岛西部复州地区(复州河水系)。如图6所示，在辽东半岛西部，中、上元古界沉积岩广泛分布，在多地角度不整合于太古界混合岩之上或平行不整合于下元古界之上[35]。在复州地区，高林志 等[31]在长兴岛西侧上元古界青白口系细河群钓鱼台组中薄层砂岩夹粉砂岩和灰色泥岩露头处取样(取样位置见图6)，发现沉积岩样品锆石年龄谱具有突出的约1 600 Ma峰值，以及约1 800 Ma和约1 100 Ma等次要峰值年龄(图7c)，中元古代(Pt2)锆石含量高达87.5%。虽然该上元古界钓鱼台组砂岩样品中富含中元古代(Pt2)锆石，但其年龄峰值均未出现在PL15-2-12d井馆陶组(N1g)沉积物碎屑锆石年龄谱图中(图5)，故认为复州地区此时并非PL15-2-12d井的物源区。

6) 辽东半岛东部地区。如图6所示，以瓦房店为界，辽东半岛东部地区岩性以太古界变质岩及中生界岩浆岩为主[35]，该地区元古界具有显著的约1 900 Ma主峰值年龄[30]，而PL15-2-12d井馆陶组(N1g)沉积物并不具有该峰值(图5)，故认为辽东半岛东部地区并非研究区的物源区。

7) 山东长岛地区(庙岛-蓬莱水系)。在山东蓬莱长岛地区，诸岛上主要出露上元古界蓬莱群辅子夼组巨厚层状变质石英砂岩[36]。初航 等[33]在长岛地区大黑山岛北部、长山岛北部九丈崖和月牙湾等地取得3个上元古界蓬莱群辅子夼组浅变质沉积岩样品(取样位置见图6)，发现该变质石英砂岩样品的中元古代(Pt2)锆石含量高达87.5%，锆石年龄谱具有突出的约1 600 Ma峰值，以及约1 500 Ma、约1 700 Ma和约1 200 Ma等次要峰值年龄(图7d)。虽然该辅子夼组变质石英砂岩样品富含中元古代(Pt2)锆石，并且具有与PL15-2-12d井馆陶组(N1g)砂岩样品相同的约1 500 Ma峰值年龄，但该套砂岩的主峰值仍为约1 600 Ma，若其作为母岩遭受剥蚀为研究区提供沉积物时，则该沉积物必然也将具有约1 600 Ma的峰值年龄，而PL15-2-12d井馆陶组(N1g)沉积物不具有该峰值年龄，因此认为山东长岛地区并非PL15-2-12d井馆陶组(N1g)的物源区。

图6 辽东半岛地质图(据1∶1 000 000中国地质图[34])Fig.6 Geology map of the Liaodong Peninsula(modified after 1∶1 000 000 geology map of China[34])

注：长兴岛数据引自高林志 等[31]；山东长岛数据引自初航 等[33]；大连、旅顺地区数据引自Yang 等[32]；n为年龄点个数。

图7 潜在陆上源区的中—上元古界砂岩碎屑锆石U-Pb年龄谱图
Fig.7 U-Pb age spectra of the detrital zircons ofMesoproterozoic—Neoproterozoic sandstones of thepotential source areas

综上所述，在馆陶组(N1g)沉积时期，PL15-2-12d井主要受控于庙西北凸起鞍部中生界潜山，另一次要物源区旅顺地区的上元古界沉积岩，经老铁山水系搬运至研究区再沉积，沉积物富含中元古代(Pt2)锆石，具有约1 500 Ma主峰值年龄。复州、大连及山东长岛地区虽然同样大面积分布上元古界沉积岩，且地层中富含中元古代(Pt2)锆石，但这些区域的上元古界沉积岩以约1 600 Ma主峰值为特征，并不符合PL15-2-12d井馆陶组(N1g)砂岩的锆石年龄谱峰值特征，因此认为复州、大连及山东长岛地区当时并未处于PL15-2-12d井的物源区范围内。

5 结论

1) PL15-2-7井东营组二段(Ed2)砂岩仅含有太古代(Ar)—古元古代(Pt1)碎屑锆石，具有突出的1 863 Ma峰值，不含中生代锆石，母岩为庙西北凸起南部元古界潜山，不受凸起鞍部的侏罗系潜山影响。

2) PL15-2-12d井馆陶组(N1g)砂砾岩的侏罗纪(J)锆石含量高达39.2%，并具有突出的159 Ma峰值，其母岩为庙西北凸起鞍部的侏罗系潜山，但该井还受到盆外物源影响，沉积物富含中元古代(Pt2)和古元古代(Pt1)锆石，并具有独特的1 486 Ma峰值，其母岩为旅顺地区的上元古界沉积岩，经老铁山水系搬运至研究区再沉积。

3) 长兴岛-复州地区、大连-金州地区以及山东长岛地区虽然大面积出露中—上元古界沉积岩，沉积物富含中元古代(Pt2)锆石，但其峰值年龄为约1 600 Ma，在本研究PL15-2-12d井馆陶组(N1g)沉积时期并未处于该井的物源区范围内。