吐拉盆地侏罗系地层碎屑锆石U-Pb定年及其地质意义

2020-03-23吴友平谢成龙徐佑德余海洋

合肥工业大学学报（自然科学版） 2020年2期

吴友平, 谢成龙, 常森, 徐佑德, 余海洋

(1.合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥 230009; 2.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院,山东东营 257200)

吐拉盆地是位于青藏高原北缘的一个中新代盆地,位于阿尔金造山带与祁漫塔格山(东昆仑造山带的分支)之间,其东端与柴达木相连,吐拉盆地构造位置及构造单元如图1所示。文献[1]认为,吐拉盆地中生代时期和柴达木盆地是连为一体的,但该观点仅以有限的沉积对比为依据,缺乏有力的地质证据。现今仍在活动的阿尔金断裂带位于吐拉盆地北缘,是压扭背景下的左行走滑断裂[2-3],盆地南缘的昆中断裂及祁漫塔格北缘断裂也表现为左行压扭性质[2,4],三者均不是吐拉盆地的原始盆地沉积边界。因此,阿尔金造山带及祁漫塔格山在中生代时期是否作为盆缘隆起并为研究区提供了沉积物源,目前还缺乏充分的研究。

碎屑锆石具有较强的抗风化能力[5],是盆地沉积和源区构造演化的产物[6],且碎屑组分与年代记录是研究碎屑锆石及追踪物源区的重要手段[7]。碎屑锆石U-Pb定年目前已经广泛应用于沉积源区研究,它为反演源区古地理重建、地球历史演化等提供了有效的研究方法[6,8]。

目前对于阿尔金断裂及其周缘各种锆石U-Pb年龄的研究报道较多,而对位于阿尔金断裂西南方向的吐拉盆地锆石U-Pb年龄的研究成果较少。

本文对出露于吐拉盆地西部的吐拉牧场凹陷内侏罗统大煤沟组地层2件砂岩样品开展了碎屑锆石激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱仪(laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry,LA-ICP-MS)U-Pb定年研究,分析了其U-Pb年龄谱特征。2件样品年龄分布不一,对确定研究区侏罗世地层物源区具有重要的指示意义,对盆地构造演化也具有重要的示踪意义。

图1 吐拉盆地构造位置及构造单元

1 区域地质背景

阿尔金造山带分隔塔里木地块和柴达木地块,地理位置上是青藏高原的北界[9-10]。面积约8 200 km2的吐拉盆地位于阿尔金造山带南侧柴达木盆地以西,呈北东—南西向沿阿尔金造山带呈长条状展布[9]。吐拉盆地盖层内断裂十分发育,地层褶皱变形较普遍,具有显著的多期性构造活动特征。盆地西段以北东东向构造体系为主,而东段以南东东向构造体系为主,两者组成大型弧形构造体系。吐拉盆地总体上呈三凸三凹的格局,吐拉盆地凹陷凸起格局如图2所示，吐拉牧场凹陷呈狭长的三角形展布于吐拉盆地西侧,凹陷南缘为弧形构造边界。早侏罗世的原型盆地为北断南超的箕状坳陷[11]。青藏高原的隆升与阿尔金断裂的走滑造就了吐拉盆地的形成和演化[11]。

吐拉盆地基底岩石主要是石炭纪和奥陶纪火山岩、火山碎屑岩以及前寒武纪变质岩系;盆地内主要发育侏罗系、白垩系、第三系及第四系沉积层,其中,中、下侏罗统主要沿盆地北缘阿尔金断裂南侧出露,含若干层暗色泥岩和煤系。吐拉盆地侏罗系世沉积环境以冲积扇辫状河三角洲湖泊相沉积为主[11]。阿尔金造山带至今仍处于活动状态,对吐拉盆地的构造活动具有重要的影响[9],现今吐拉盆地为山间盆地,侏罗系地层遭受了严重的后期改造,盆地内侏罗系暴露较多但分布较为零散。吐拉牧场凹陷地质图及采样位置如图3所示。

图2 吐拉盆地凹陷凸起格局

图3 吐拉牧场凹陷地质图及采样位置

2 样品采集处理与结果分析

2.1 样品采集

吐拉牧场凹陷侏罗系由采石岭组和大煤沟组组成。采石岭组(J3c)底部以紫红色、紫灰色块状岩块质砾岩为主,下部为紫红色块状含钙质粉砂质泥岩、紫红色块状岩块质砾岩,中部主要为粉砂质泥岩与厚层状细中粒岩屑石英砂岩,上部以紫红色砾岩为主,主要为浅湖相、滨湖浅湖相、三角洲相及山麓冲洪积扇相沉积。大煤沟组分为上、下2段,大煤沟组上段(J1-2d2)为灰绿色、浅灰色块状岩块砾岩为主,夹深灰色厚层状细中粒长石砂岩、含砾粗粒长石砂岩、中细粒长石石英杂砂岩、粗中粒岩屑石英砂岩及少量灰黑色薄层状粉砂质泥岩与灰黑色炭质粉砂质页岩,以滨湖相粗碎屑沉积为主体,局部可见河流水道沉积,为伸展背景下的断陷湖盆;大煤沟组下段(J1-2d1)为灰绿色、灰黑色、灰褐色砂泥质沉积,为粗到细的旋回序列,主要为浅湖半深湖相、沼泽相沉积,也是伸展背景下的断陷湖盆。

用于定年研究的2件砂岩样品分别为灰绿色泥质粉砂岩TL14-27和灰绿色砂岩TL14-31。样品所在剖面分别位于吐拉牧场西南方向约25 km的克克嗯格南部吐拉牧场凹陷南缘地区和东南方向约20 km的克孜勒萨依地区。

2.2 样品处理与结果分析

样品经过碎样、重砂及磁性分选等一系列过程后锆石被分离出来,在双目显微镜下对锆石进行人工提纯分选。锆石分选在河北省廊坊市辰昌岩矿检测技术服务有限公司进行。挑选的锆石大于1 000颗,随机从中挑选200颗制成环氧树脂靶,磨至锆石颗粒中心部位后抛光。对样品靶显微照相(反射光和透射光)后进行喷碳和阴极发光照相。阴极发光图像在重庆宇劲科技有限公司完成,用于分析锆石内部结构特征、确定U-Pb年代学测试位置。2件样品的代表性阴极发光图像及测试位置如图4所示。

目前财政资金的使用已经比较规范，虽然在实践上预算绩效管理的工作已经展开。但是，在预算编制、预算控制、预算绩效评价及考核应用多方面仍有许多不足。

图4 吐拉盆地2件样品代表性碎屑锆石图像

LA-ICP-MS锆石U-Pb定年和微量元素分析在合肥工业大学资源与环境工程学院开展,由ICP-MS和激光剥蚀系统联机完成。样品TL14-27与TL14-31中分别选取8粒和100粒锆石进行LA-ICP-MS U-Pb定年分析,分别获得60个和95个测点谐和度大于等于95%的年龄数据(因篇幅限制,具体数据略)。

TL14-27中锆石的w(U)为55.8×10-6～749×10-6、w(Th)为13.7×10-6～413×10-6,w(Th)/w(U)介于0.09～1.23,w(Th)/w(U)大于0.4的有37个,多数为岩浆成因,并有变质成因及具有核幔结构的多期继承锆石,少数锆石具有增生壳;TL14-31中锆石的w(U)为94.6×10-6～4015×10-6,w(Th)为4.11×10-6～4164×10-6,w(Th)/w(U) 介于0.02～1.04,其中只有1组w(Th)/w(U)<0.1,具有变质锆石特征,w(Th)/w(U)>0.4的有53个,锆石晶体形态完整性优于TL14-27,多数为岩浆锆石,少量锆石阴极发光较暗,可能受到热液改造影响。吐拉盆地侏罗系碎屑锆石U-Pb年龄谐和图如图5所示。

从图5可以看出,除个别锆石点偏离谐和线,其他点都位于谐和曲线附近,表明样品数据谐和性较好,无明显Pb丢失或普通Pb混入,数据可靠性较高。

图5 吐拉盆地侏罗系碎屑锆石U-Pb年龄谐和图

3 碎屑锆石年龄的地质意义

3.1 样品锆石年龄特征

沉积盆地中的地层可能来源于同一物源区,也可能来自不同物源区。通过碎屑锆石分布特征与区域对比,可以确定沉积物的物质来源与类型。若沉积物具有不同源区且源区的物质年龄有明显差别,则在年龄频谱上呈现2个或2个以上的峰值区间,不同源区组成的样品之间往往不具有相似的年龄谱[12]。本文所测吐拉盆地2组侏罗纪碎屑锆石年龄分布区别较大,年龄频谱上峰值区间相似性极差,反映2件样品应具有不同的源区。

TL14-27砂岩碎屑锆石数据分布分散,峰值较多,物源具有多样性,锆石颗粒略小,磨圆较差,以岩浆锆石居多,如图6所示。

而TL14-31砂岩碎屑锆石年龄分布较集中,主要年龄值分布在373～493 Ma,且只含有1个最年轻年龄217 Ma和1个最老年龄2 640 Ma,锆石年龄分布相对集中,且锆石颗粒晶型类似、大小相近,表明具有较为一致的成因,反映物源较为单一,如图7所示。

图6 TL14-27碎屑锆石年龄谱

图7 TL14-31样品碎屑锆石年龄谱

TL14-31峰值区间与TL14-27 在0.40～0.50 Ga年龄区间有高度相似性,该年龄段可能具有相同的物源区。TL14-27锆石形态较为复杂多变,且年龄信息较为丰富,推测源区距离较远,为多物源搬运沉积的结果。

3.2 物源区讨论

表1 吐拉盆地周缘碎屑锆石LA-ICP-MS数据

从地理位置上看,北部的阿尔金山和南部的祁漫塔格山都是现今的隆起区,均可能为吐拉盆地提供物源。然而,阿尔金断裂在新生代发生了数百千米的左行平移,侏罗纪时期的区域构造与现今应具有巨大的差别,且当时的阿尔金可能还未隆起成山。因而,吐拉盆地侏罗纪时期的沉积物来源是个值得探讨的科学问题。

阿尔金喀腊大湾、柴达木盆地(干柴沟、冷湖五号、七个泉、大煤沟、鄂博梁、吾农山、牦牛山)、祁连造山带黑河、肃北盆地及河西走廊等地区在0.40～0.50 Ga区间与2件样品具有相同或相近的峰值或峰值区间,表明这些地区的物源在0.40～0.50 Ga之间具有同期或者相同的地质事件,即区域上普遍活跃的加里东运动。

进一步的分析表明,早古生代结晶岩中,阿尔金块体的年龄往往以500 Ma或450 Ma为峰值[21,34];东昆仑地区以450 Ma为峰值,且具有单峰的特征[35];祁连区块体则在400～500 Ma区间内分散分布[36],没有显著的主峰[21]。由图5可知,本次工作的2个样品在该年龄区间不具有单主峰的特征,其年龄谱与祁连块体结晶岩类似,因而两者的物源可能来自祁连块体。

样品TL14-27与东昆仑[26]、阿尔金喀腊大湾[13]碎屑锆石年龄谱对比如图8所示,样品TL14-27与中祁连[31]碎屑锆石年龄谱对比如图9所示。

图8 TL14-27与东昆仑、阿尔金喀腊大湾碎屑锆石年龄谱对比

图9 样品TL14-27与中祁连碎屑锆石年龄谱对比

由图8可知,尽管样品TL14-27与阿尔金及东昆仑块体碎屑锆石年龄区间类似,在0.40～2.60 Ga均有分布,但各年龄段的频谱特征差异显著。TL14-27在1.00～1.80 Ga分布频度最强且年龄相对分散,并在～1.10 Ga形成显著的峰值,这一特征与来自阿尔金喀腊大湾及东昆仑的物质特征明显不同[13, 26],阿尔金喀腊大湾或东昆仑碎屑锆石在该年龄段分布较为有限,峰值较少且分布不均匀[14-15]。

由图9可知,TL14-27的峰值特征与来自中祁连块体的锆石年龄谱高度相似,与祁连造山带早期基底信息相似[37-38],尤其与中祁连块体的碎屑锆石年龄信息相似[31],并与中祁连的托来南山碎屑锆石高度一致[39]。上述特征也反映其物源区应来自祁连块体。

柴达木都兰沙柳河变沉积岩和研究区样品TL14-27都广泛出现了1.00～1.80 Ga的年龄段,前者沉积物源属大陆内部接受结晶基底的剥蚀碎屑,该年龄段指示祁连洋的演化[17]。吐拉盆地内侏罗纪碎屑物质可能来源于上述同源物质的沉积再循环。

阿尔金区加里东期结晶岩具有多期发育的特征[40],分别为～500 Ma高压-超高压变质期、～450 Ma的后造山伸展期及～420 Ma后的造山后伸展期,几期岩浆活动的锆石年龄分布均不同于本次分析样品的加里东期碎屑锆石年龄谱,且岩体分布零散,不大可能同时为同一沉积区提供物源。因此,本文2件碎屑锆石年龄谱不具有阿尔金区物源特征。

文献[35]研究发现,东昆仑加里东期花岗岩年龄主要峰值约为420 Ma或450 Ma,具有单峰特征,并出现190、240 Ma 2个次峰值。该年龄频谱特征与研究区这种相对分散的年龄特征明显不一致。

物源分析表明,柴达木盆地在新生代时期物源主要来自阿尔金与东昆仑块体[19],其旁侧的苏北盆地物源区则为典型的阿尔金块体特征[28]。吐拉盆地在新近纪之后属阿尔金与祁漫塔格山之间的山间盆地,物源也属于典型的东昆仑或阿尔金块体。因此,吐拉盆地与柴达木盆地一样,新生代时期物源区由祁连块体转为阿尔金或东昆仑块体,物源区发生了巨大改变。

综上所述,本次工作的2个样品中,0.40～0.50 Ga年龄段频谱特征与祁连块体结晶岩类似,而明显有别于阿尔金及昆仑块体;1.00～1.80 Ga年龄段的频谱特征与中祁连块体高度一致,也明显有别于阿尔金及东昆仑块体。尽管本文2件样品的碎屑锆石年龄谱差别较大,指示同一套地层物源区曾发生过巨大变化,但物源分析指示两者的沉积物源均来自柴达木盆地东北侧的祁连造山带,表明吐拉盆地的盆缘格局在侏罗纪时期明显有别于现今状况。

3.3 源区构造事件

吐拉凹陷2件样品都具有相同低年龄段0.40～0.50 Ga与南祁连洋的向北俯冲时间一致。446～470 Ma间南祁连洋向北俯冲于祁连板块之下,在祁连板块南缘发生大规模的岩浆活动[29],与本文所测年龄接近。0.70～1.00 Ga年龄段样品TL14-27出现了3个年龄数据,与Rodinia超大陆碰撞与裂解相关的构造和岩浆活动对应[29]。1.00～2.00 Ga年龄段与祁连洋发生大规模的岩浆事件[31]有关,年龄特征反映吕梁期—晋宁期内祁连洋持续性的岩浆大量喷发,从图7中TL14-31年龄谱分布可以看出,岩浆喷发规模在1.00～1.50 Ga时间段比在1.50～2.00 Ga时间段小。在2.00～3.30 Ga之间,2件样品都有零散的数据,说明源区存在古元古代—太古代的结晶基底。

3.4 构造地质意义

本文的物源分析显示,吐拉盆地侏罗纪时期的沉积物源并非现今盆地旁侧的阿尔金或祁漫塔格隆起区。其碎屑锆石所指示的物源特征与中祁连块体高度一致,表明物源应来自柴达木盆地东北缘的祁连块体,这一事实与现今区域构造格局相矛盾。

文献[1]通过沉积对比分析,推测吐拉盆地在中生代时期可能为柴达木盆地的一部分,但该推测缺乏有力的地质证据支持。本次物源分析工作证实吐拉盆地侏罗纪物源在柴达木盆地北东侧,与柴达木盆地北缘同期沉积物源一致,为上述推测提供了有力的证据。

自新生代以来,阿尔金断裂在印度板块与欧亚大陆板块碰撞背景下发生大规模左旋走滑[9],走滑位移达数百千米,最大估计达900 km[41]。同时印度板块与欧亚板块碰撞迫使柴达木盆地向东北移动[2],造成柴达木盆地北缘—祁连山发生逆冲变形。在这种不均衡的走滑下,吐拉盆地的位移相对主体部分的柴达木盆地发生了滞后[1],形成了一个NNE向狭长山间盆地。现今的吐拉盆地是在阿尔金强烈走滑背景下从柴达木盆地拖拽分离出来的。