渤海南部垦利6-6构造东二下段、馆陶组砂岩碎屑锆石定年及物源示踪*

赵 梦 庞小军 金小燕 冯 冲 王茂桢

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 天津 300459)

沉积岩碎屑锆石年代学是我国边缘海含油气盆地沉积学研究中的热门研究手段，主要用于重建盆地源汇体系、示踪沉积砂体从物源区到沉积区的搬运路径及搬运距离[1-14]。目前已先后在渤海西部沙垒田凸起围区、石臼坨凸起QHD29-2构造、CFD6-4构造、渤海东部LD29-1构造、蓬莱15-2构造等区域开展了碎屑锆石年代学源汇研究，用于重建研究区源汇体系及示踪沉积物来源[11-15]。本文是在渤海南部庙西凹陷南洼开展系统的沉积岩碎屑锆石年代学物源示踪研究，对垦利6-6构造东二下段、馆陶组砂体的碎屑锆石年代学和晶体形态学进行分析，识别出研究区的物源体系，结合围区的相关地质研究，为认识、理解垦利6-6构造东二下段、馆陶组沉积期的古物源体系提供新的证据。

1 地质概况

庙西凹陷位于渤海东南部海域，与庙西南凸起、渤南低凸起、黄河口凹陷、莱北低凸起、莱州湾凹陷和胶辽隆起相邻，并被郯庐断裂带东支贯穿(图1a)，是西断东超的箕状断陷湖盆[16-18]。钻井资料显示，庙西凹陷基底类型包括中生界白垩系莱阳组—青山组火山岩和元古界荆山群石英岩[19]，上覆地层从下向上依次发育古近系孔店组灰绿色泥岩夹泥质灰岩，沙河街组四段灰褐色泥岩夹灰岩，沙河街组三段深色泥岩夹浅灰色砂岩、粉砂岩，沙河街组二段浅灰色砂岩，沙河街组一段深灰色泥岩夹白色砂岩，东营组三段深灰色泥岩夹砂岩，东营组二段深灰色泥岩夹浅色砂岩，东营组一段灰绿色、紫红色泥岩、砂质泥岩夹白色砂岩，新近系馆陶组灰白色厚层块状含砾砂岩、砂砾岩，明化镇组和第四系平原组[18-20]。庙西凹陷的新生代构造演化可以分为3个阶段：①断陷期，庙西凹陷受断裂的强烈拉张活动影响，孔店组沉积时期形成庙西南洼，沉积厚度约1 400 m；沙四沉积时期沉积面积扩大，南洼最大沉积厚度约1 200 m；沙三沉积时期沉积中心从南洼南部向北迁移；沙一、沙二段主要发育于庙西南洼北部。②断拗期，庙西凹陷形成统一的沉积中心，东营组沉积中心位于庙西北洼。③坳陷期，庙西凹陷各次洼发育演化差异较小，沉积中心在庙西北洼[16-18,21]。垦利6-6构造小型挤压断裂型沟谷十分发育，控制着庙西南洼不同层段的近源碎屑沉积体展布，东营组沉积时期研究区碎屑物质顺着沟谷前积，发育辫状河三角洲沉积(图1b)[19-21]。

图1 垦利6-6构造地质概况图

2 材料方法

本次研究中对KL6-6-A井东二下段、馆陶组砂岩取样，共采集2个岩屑样品(图2)，进行碎屑锆石U-Pb定年分析，样品岩性为辫状河三角洲含砾细砂岩。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。

图2 KL6-6-A井东二下段、馆陶组岩性剖面

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。因此，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[23]。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[24-26]。

3 碎屑锆石U-Pb年龄及形态特征

3.1 碎屑锆石U-Pb年龄特征

测年数据经过预处理，共计获得211个谐和年龄(谐和度>90%)，其中87%的锆石样品Th/U>0.3，说明锆石晶体以岩浆成因为主；仅2%的锆石样品Th/U<0.1，为变质成因(图3)。样品碎屑锆石年龄分布宽泛(图4)，主要为中生代、元古代、太古代锆石，测得最年轻的晶体年龄为110 Ma(1 095～1 105 m，馆陶组)，最古老年龄为3 389 Ma(1 095～1 105 m，馆陶组)。

图3 KL6-6-A东二下段、馆陶组砂岩碎屑锆石Th/U比值

KL6-6-A井馆陶组砂岩样品共测得116个谐和锆石U-Pb年龄点。样品不含新生代锆石；中生代锆石含量为31.9%，其中白垩纪锆石含量高达27.6%，侏罗纪锆石含量为3.4%，仅有0.9%的三叠纪锆石；古生代锆石含量为4.3%，其中二叠纪锆石含量为1.7%，石炭纪锆石含量为2.6%，不含泥盆纪、志留纪、奥陶纪或寒武纪锆石；富含元古代锆石，含量为35.3%，其中新元古代锆石含量为1.7%，中元古代锆石含量为6.9%，古元古代锆石含量为26.7%；太古代(Ar)锆石含量为28.4%(图4a)。该井馆陶组砂岩碎屑锆石U-Pb年龄谱的主要峰值为114 Ma，次要峰值为2 485、2 559 Ma(图4a)。

注：n为年龄点个数。

图4 KL6-6-A井东二下段、馆陶组砂岩碎屑锆石U-Pb年龄谱图

Fig .4 U-Pb age spectra of the detrital zircons of theEd2Land Ngsandstones,Well KL6-6-A

KL6-6-A井东二下段砂岩样品共测得95个谐和锆石U-Pb年龄点。样品不含新生代锆石;中生代锆石含量为33.7%，其中白垩纪锆石含量高达30.5%，侏罗纪锆石含量为3.2%，不含三叠纪锆石;古生代锆石含量仅为3.2%，二叠纪锆石含量为1.1%，石炭纪锆石含量为2.1%，不含泥盆纪、志留纪、奥陶纪或寒武纪锆石；富含元古代(Pt)锆石，含量为36.8%，以古元古代锆石为主，含量为29.5%，中元古代锆石含量为7.4%，不含新元古代锆石；太古代(Ar)锆石含量为26.3%(图4b)。该井东二下段砂岩碎屑锆石U-Pb年龄谱的主要峰值为114 Ma，次要峰值为2 500 Ma(图4b)。

可以看出，KL6-6-A井东二下段与馆陶组砂岩样品中的中生代、古生代、元古代和太古代锆石含量近似，中生代锆石都以白垩纪锆石为主，二者不但砂岩中不同年龄锆石组分含量相似，并且其碎屑锆石年龄谱也都具有114 Ma主峰值和约2 500 Ma的次要峰值(图4)，因此，认为KL6-6-A井东二下段砂岩与馆陶组砂岩母岩类型相同，母岩中富含大量白垩纪锆石。

3.2 碎屑锆石形态特征

利用锆石CL图像，对KL6-6-A井东二下段、馆陶组砂岩样品进行了锆石形态学分析。受篇幅限制，仅列出部分样品锆石CL图像进行讨论。如图5、6所示，KL6-6-A井东二下段、馆陶组砂岩样品锆石CL图像具有相同特征，晶体颗粒都较大，多数锆石粒度在100～200 μm，部分晶体超过200 μm。整体上，锆石以长柱状、短柱状晶体为主，岩浆生长振荡环带发育，具有明显的核-边结构，无论晶形是否完整，晶体边缘均呈棱角状，破碎晶体断边明显，未见典型磨圆形态。因此，认为KL6-6-A井东二下段、馆陶组砂岩具有近源沉积特征，未经历过长距离搬运。

图5 KL6-6-A井馆陶组样品部分锆石CL图像

图6 KL6-6-A井东二下段样品部分锆石CL图像

综上所述，根据KL6-6-A井东二下段、馆陶组砂岩样品的碎屑锆石U-Pb年龄特征和锆石形态特征分析，发现二者母岩类型相同，母岩应富含白垩纪、元古代和太古代锆石，以114 Ma主峰和约2 500 Ma的次峰为特征，并且锆石晶体颗粒大、棱角分明、断边锋利，为近源搬运沉积特征，研究区不受远距离物源影响。

4 物源区讨论

如图1b所示，在东二下段沉积时期，研究区东部的胶辽隆起缓慢抬升，研究区所有碎屑物质都来自东部，顺着沟谷向西前积，发育辫状河三角洲沉积[19-21]。为了进一步示踪、恢复研究区的物源范围，对研究区东侧及南侧的潜在陆上物源区进行了调研，收集、比较不同岩体、地层锆石U-Pb年龄数据。

4.1 相邻陆上源区

在胶北地区，前寒武纪和中、新生代地层发育，缺乏古生代沉积[27]。如图1a所示，太古—元古界变质基底主要岩性为大面积出露的太古代花岗质片麻岩、长石石英片岩、变质岩闪长岩等，古元古代荆山群、粉子山群、芝罘群主要岩性为变粒岩、大理岩、石英岩、片岩等，其锆石U-Pb谐和年龄对应多期岩浆、变质事件，集中在约2 900、2 700、2 500、2 100和1 900 Ma；新元古代蓬莱群发育千枚岩、斑岩、石英岩、大理岩等，被中生代三叠纪二长花岗岩、晚侏罗世玲珑黑云母花岗岩以及早白垩二长花岗岩侵入，其中晚侏罗世玲珑黑云母花岗岩在胶北地区分布范围最广，其锆石U-Pb年龄160～141 Ma[28-35]。然而，在KL6-6-A井东二下段、馆陶组砂岩样品中，侏罗纪锆石含量有限，也并未出现多期次太古代锆石年龄峰值(图4)，上述在胶北地区广泛分布的岩体并不符合研究区的母岩年龄特征。

蓬莱长岛地区位于研究区正东方向(图1a)。姜培海 等[36]认为该地区曾发育蓬莱-庙岛古水系，为盆地提供沉积物。该地区各岛屿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[27]；初航 等[37]发现长岛地区的变质砂岩富含中元古代锆石(Pt2)，含量高达87.5%，样品的锆石年龄谱具有突出的约1 600 Ma峰值，以及约1 500、1 700和1 200 Ma等次要峰值(图7a)。而KL6-6-A井东二下段、馆陶组砂岩样品的中元古代锆石含量有限，并且不具有约1 600 Ma峰值，故认为研究区未受蓬莱长岛地区水系供源。

龙口屺坶岛地区位于研究区东南方向，是距离研究区最近的陆地源区。刘丽萍 等[35]对屺坶岛的一套下白垩统石英粉砂岩进行碎屑锆石U-Pb定年分析，发现样品中富含中元古代锆石，含量高达86.7%，年龄谱具有约1 600 Ma主峰值和约1 100 Ma次峰值(图7b)， 与KL6-6-A井东二下段、馆陶组砂岩样品特征不符，故认为屺坶岛也并非研究区的主要物源区。

注：长岛数据引自初航 等[37]；屺坶岛数据引自刘丽萍 等[35]；n为年龄点个数。

图7 砂岩碎屑锆石U-Pb年龄谱图

Fig .7 U-Pb age spectra of the detrital zircons of the sandstones

通过上述调研，认为在东二下段、馆陶组沉积时期，胶北地区、蓬莱长岛地区、龙口屺坶岛地区等现今陆上地区均不是该构造的物源区，垦利6-6构造的近源物源区应局限于现今渤海水域范围，当时并未拓展至陆上区域。

4.2 盆内基底源区

如图1b所示，紧邻研究区三角洲沉积的基底类型包括中生界白垩系莱阳组—青山组火山岩和元古界荆山群石英岩基底[19]，但尚未有钻井钻至基底，缺乏基底的年龄数据。曹光跃[34]曾对山东省郯庐断裂带内发育的中生代白垩系青山组火山岩做过大量定年工作，指出受次级断裂控制的火山岩U-Pb年龄分布为129～97 Ma，加权年龄约120 Ma，并含有部分太古代、古元古代继承或捕获锆石。本研究中KL6-6-A井东二下段和馆陶组砂岩样品的锆石U-Pb年龄以白垩纪锆石和太古代、古元古代锆石为主，与陆上青山组火山岩特征一致，因此认为其母岩以被沟谷切割的中生界白垩系火山岩基底为主。Wan等[28]发表了山东莱阳的荆山群碎屑沉积岩的锆石U-Pb年龄，尽管该样品全部为太古代和古元古代锆石，其太古代锆石中的2 850～2 950 Ma组分较多，体现出约2 900 Ma的次要峰值年龄；而本研究中样品不具有该峰值年龄(图4)，因此认为元古界荆山群基底在东二下段及馆陶组沉积时期并非垦利6-6构造的主要物源区，该基底虽然被一条沟谷切割，但沉积物顺沟谷向北侧三角洲提供沉积物(图1b)，并未影响KL6-6-A井区。

综上所述，垦利6-6构造东二下段及馆陶组砂岩样品富含白垩纪、古元古代和太古代锆石，具有114 Ma和约2 500 Ma峰值，锆石晶体棱角发育，断边明显，近源沉积，该构造物源区范围十分有限，仅局限于相邻的中生界白垩系青山组基底，样品中古元古代和太古代锆石来自于中生界母岩所含的继承锆石，而胶北地区、蓬莱长岛地区、山东龙口地区广泛分布的富含中元古代锆石的元古界砂岩不符合垦利6-6构造沉积物特征，当时并未向该构造提供沉积物。

5 结论

1) 研究测得211个谐和年龄点， KL6-6-A井东二下段、馆陶组砂岩样品中白垩纪锆石含量分别为27.6%和30.5%，并都具有114 Ma主峰值和约2 500 Ma的次要峰值年龄，二者母岩类型相同。样品锆石以100～200 μm的长柱状、短柱状晶体为主，岩浆生长振荡环带发育，具有明显的核-边结构，晶体边缘均呈棱角状，破碎晶体断边明显，为近源沉积。

2) 在东二下段至馆陶组沉积时期，KL6-6-A井接受来自相邻的中生界白垩系青山组基底的剥蚀沉积，元古界荆山群基底向北侧三角洲提供沉积物，不影响KL6-6-A井区，垦利6-6构造源区范围仅限于相邻基底，当时并未拓展至胶北地区、蓬莱长岛地区、龙口屺坶岛地区等陆上地区。