松辽盆地北部三叠纪重要火山－岩浆事件<br/>——对晚古生代地层时限的约束

松辽盆地北部三叠纪重要火山－岩浆事件
——对晚古生代地层时限的约束

2021-06-22张海华陈树旺郑月娟卞雄飞李晓海张德军雷中国地质调查局沈阳地质调查中心辽宁沈阳110034

地质与资源 2021年3期

张海华，张健，陈树旺，郑月娟，苏飞，卞雄飞，黄欣，李晓海，张德军，孙雷中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳110034

0 前言

松辽盆地位于中国东北地区，北与西伯利亚板块相邻，南部与华北板块相接，是一个构造演化的叠合区域.自晚古生代起，松辽盆地可能经历了多期次、多方向的板片俯冲及火山－岩浆事件等复杂的构造演化影响.与白垩系基础地质研究相比，盆地前中生代地层、岩浆事件、构造演化及盆地基底的研究明显薄弱，同时松辽盆地覆盖严重，基岩较少出露（图1），这给盆地内火山－岩浆事件的研究带来较大的困难，也致使以往晚古生代以来的岩浆作用及构造演化的调查工作多集中于松辽盆地的外围露头区，针对松辽盆地内的研究和调查十分薄弱和缺乏.

松辽盆地是大型的含油气盆地，富含石油及天然气等沉积矿产.在以往的油气勘探中，松辽盆地主要的勘探目的层为白垩系，在经历了多年的勘探开发后，如今已经进入了寻找新的油气藏和盆地深层系油气资源的阶段.近年来松辽盆地及外围石炭系—二叠系油气基础地质调查工作表明，松辽盆地上二叠统具有良好的油气资源前景，松辽盆地四深1井见多层石炭系—二叠系天然气显示，肇深8井营城组所产天然气来源于石炭系—二叠系［1］，松辽盆地深层系石炭系—二叠系见丰富的油气资源［2-3］.但关于二叠系地层的确认，在盆地内大多只是依据局部钻孔的古生物化石以及岩石组合和地层对比［4］，而基于岩浆岩、碎屑岩同位素年代学的研究鲜有报道，对于地质条件和构造演化复杂的大型盆地而言，地层时代的研究缺乏精确的同位素年代学证据.

近年来，中国地质调查局沈阳地质调查中心在松辽盆地北部开展了石炭系—二叠系油气地质调查工作，进行了地质调查井钻探，对所取岩心进行了系统的描述和取样分析.本文旨在对松辽盆地北部黑富地3井井段侵入到碎屑岩中的脉岩样品进行同位素锆石U－Pb年代学分析，结合区域已有的研究成果，确定侵入岩的时代，探讨侵入岩的期次及构造演化特征，同时对碎屑岩地层进行时代约束，以期为松辽盆地基础地质研究及油气资源调查提供基础资料.

1 区域地质概况

研究区位于松辽盆地北部齐齐哈尔市富裕县.松辽盆地处于西伯利亚板块、华北板块和太平洋板块挟持的构造复合部位，动力学背景十分复杂，基底由上古生界石炭系—二叠系和不同期次的花岗岩组成（图1）.盆地面积约26×104km2，是中国油气资源最为丰富的大型陆相含油气盆地.松辽盆地在三叠纪—早侏罗世时期，地幔物质大量上涌引起地壳隆起，盆地整体呈现上升隆起状态；中侏罗世至早白垩世早期，盆地中部区域莫霍面隆起使地幔作用进一步加剧，形成大规模的拉张，并产生以北北东向为主的张性构造带，同时伴随火山喷发，盆地进入断陷发育阶段；早白垩世晚期至晚白垩世嫩江期，大范围张性断裂发育使地壳塌陷，形成统一的湖盆，在青山口组至嫩江组时期，达到最大湖泛期，盆地进入了陆内拗陷发育阶段；晚白垩世嫩江组沉积之后，喜马拉雅运动时期地壳加剧抬升，受挤压构造作用盆地开始隆升，湖盆逐渐收缩，盆地进入了褶皱萎缩期［5-6］.

图1 研究区地质略图Fig.1 Geological sketch map of the study area

研究区实施的黑富地3井位于松辽盆地北部的富裕构造带（图2）.前人研究表明，研究区基底为石炭系—二叠系，盖层主要发育有下白垩统的火石岭组（K1h）、沙河子组（K1sh）、营城组（K1yc）、登娄库组（K1d）、泉头组（K1q），上白垩统青山口组（K2qn）、姚家组（K2y）、嫩江组（K2n）、四方台组（K2s）、明水组（K2m），古近系（E）和新近系（N）［7］.

图2 松辽盆地北部地区构造单元划分图（据文献［8］修编）Fig.2 Tectonic division of northern Songliao Basin（Modified from Reference［8］）

黑富地3井揭示的地层自上而下为第四系（0～210 m）、明水组（210～495 m）、四方台组（495～550 m）、嫩江组（550～910 m）、姚家组（910～1010 m）、青山口组（1010～1190 m）、泉头组（1190～1342 m）、林西组（1342～2749 m）.该井脉岩发育，主要为灰色二长斑岩和灰褐色闪长玢岩.本次研究样品为侵入到林西组碎屑岩中的闪长玢岩（图3），对其进行同位素年代学分析.

2 样品特征与分析方法

图3 黑富地3井下部柱状图及采样位置Fig.3 Stratigraphic column and sampling location of HFD-3 well

侵入岩锆石测年样品采自黑富地3井2 712.7 m井段岩心（图3、4a），岩性为灰褐色闪长玢岩.岩石呈灰褐色，斑状结构，基质呈显微晶质结构，块状构造.薄片样品镜下特征、成分特征及其变化如下.

岩石主要由斑晶和基质组成.斑晶主要为斜长石、角闪石和黑云母，少数斑晶聚集在一起呈聚斑和连斑结构.斜长石多呈半自形板柱状，少数呈他形粒状，矿物粒径大小一般为0.2～3.2 mm，多发育聚片双晶和环带结构，多发生土化和绢云母化，部分表面发生较强烈的土化和绢云母化；角闪石多呈他形粒状，少数呈半自形柱状，矿物粒径大小一般为0.2～1.2 mm，单偏光下呈浅黄绿—浅蓝绿多色性，正交光下呈Ⅱ级蓝绿干涉色，多数局部被透闪石交代，部分被黑云母交代；黑云母多呈他形片状，片径大小一般为0.4～0.6 mm，单偏光下呈浅黄—黄褐多色性，正交光下呈Ⅲ级红干涉色，多发生褪色，部分发生绿泥石化.

图4 闪长玢岩岩心及镜下特征Fig.4 Core and microphotograph of diorite porphyrite

基质主要是斜长石、石英、角闪石、黑云母和不透明矿物.斜长石多呈半自形板柱状，少数呈他形粒状，矿物粒径多小于0.1 mm，部分可见聚片双晶，表面多发生较轻微土化和绢云母化；石英多呈他形粒状，矿物粒径多小于0.1 mm，表面较干净，多同斜长石呈集合体分布；角闪石多呈他形粒状，矿物粒径多小于0.2 mm，单偏光下无色，正交光下呈Ⅱ级蓝绿干涉色，局部发生绿帘石化；黑云母多呈他形片状，片径多小于0.1 mm，单偏光下呈浅黄—浅黄褐多色性，正交光下呈Ⅲ级红干涉色，部分发生绿泥石化.不透明矿物多呈粉末状集合体，黑色不透明，可能为一些铁质（图4b）.

样品锆石分选在廊坊市诚信地质服务有限公司进行.首先将样品进行粉碎分选，分选出的锆石在双目镜下挑选，选择透明度较高、晶形较完好且内部无裂隙具有代表性的锆石进行制靶.制靶后用阴极发光、透射和反射光对锆石样品进行照相.锆石阴极发光图像在北京大学电镜室完成.制靶、透射和反射光图像制备及LA－ICP－MS U－Pb测试在中国地质大学（北京）地学实验中心元素地球化学研究室完成.通过反射光、透射光及阴极发光图像综合分析，选择晶形好、环带清晰的锆石样品，用激光剥蚀等离子体质谱仪（LA－ICPMS）进行锆石U－Pb同位素测试.锆石靶的制备过程与SHRIMP方法相似［9］.锆石U－Pb测试的仪器为美国New Wave Research Inc.公司生产的激光剥蚀进样系统（UP 193SS）和美国Agilent科技有限公司生产的Agilent 7500a型四级杆等离子质谱仪联合构成的激光等离子质谱系统（LA－ICP－MS）.实验用36μm的激光束斑直径和10 Hz的激光频率，激光取样过程采用5 s的预剥蚀时间、20 s的冲洗样品池时间以及40 s的剥蚀取样时间.实验采用人工合成硅酸盐玻璃NIST610作为外标［10］，Si作为内标进行元素校正，采用标准锆石91500作为外标进行U－Pb同位素分馏效应的校正计算，澳大利亚锆石标样TEM［11］和QH［12］作为监控盲样来监视测试过程中的稳定性和数据质量.数据处理采用澳大利亚Glitter软件（ver.4.4，Macquarie University）完成，普通铅校正方法同文献［13］.

3 同位素年龄分析结果

本研究对黑富地3井闪长玢岩样品（2712.7TWS）进行了锆石LA－ICP－MS U－Pb同位素分析，对样品进行了25个点测试分析.从阴极发光图（图5）上可见，锆石为自形—半自形，大多锆石保留了岩浆结晶锆石的晶体形态，呈现长柱状和短柱状，粒径主要集中在80～150μm之间，长宽比多数为2∶1，具有清晰的岩浆震荡环带，少部分锆石有不同程度破碎，Th/U介于1.96～8.94间.以上特征表明样品锆石为岩浆成因锆石.

锆石样品测试结果（表1、图6）显示，25个点数据均在谐和线上及其附近，均为谐和年龄，其中有1个测试点的数据年龄偏小（点18，188±5 Ma），可能为混入的锆石.其余的年龄可以分为3组：第一组年龄介于（242±6）～（247±6）Ma，加权平均值为245.5±1.9 Ma（MSWD＝0.44，n＝8），应为闪长岩的结晶年龄；第二组269～295 Ma，6个测试点，年龄的加权平均值为289.0±6 Ma；第三组313～353 Ma，9个测试点，年龄的加权平均值为338.0±3 Ma.后两组应为岩浆捕获较老的基底的年龄.结合上述分析可知，245.5±1.9 Ma代表了脉岩的形成年龄，该脉岩为早中三叠世侵入岩.

图5 闪长玢岩样品（2712.7TWS）阴极发光图像和年龄Fig.5 CL images and U-Pb ages of the zircons in diorite porphyrite sample

图6 闪长玢岩样品（2712.7TWS）锆石U－Pb年龄谐和图Fig.6 Zircon U-Pb concordia diagram of diorite porphyrite sample

4 讨论

4.1 岩浆岩年龄及地质意义

本次研究的脉岩样品具体可归纳为3个年龄区间：242～247 Ma，年龄的加权平均值为245.5±1.9 Ma；269～295 Ma，加权平均值为289.0±6 Ma；313～353 Ma，加权平均值为338.0±3 Ma.还有一颗较老的年龄为390.0±5 Ma.245.5±1.9 Ma的结晶年龄代表本次岩浆热事件——闪长玢岩的形成年龄，后两组较老的年龄应为早期次岩浆作用所形成的锆石，后被早中三叠世火山岩浆作用捕获.

242～247 Ma的年龄为中三叠世早期.侯贺晟等［14］在松辽盆地中央凹陷区深部科学钻探井松科2井获得安山岩的锆石U－Pb年龄为242.6±0.77 Ma；余星等［15］在松辽盆地徐家围子断陷区获得了252～237 Ma火山岩的年龄；裴福萍等［16］在松辽盆地南部取得了火山岩218～236 Ma、254 Ma的年龄；陈树旺等［17］针对松辽盆地西斜坡区地质井火山岩样品进行同位素测年分析，年龄介于224.7～234.0 Ma之间，时代为晚三叠世.在松辽盆地周边地区也发现有大量的三叠纪火山事件.在科尔沁右翼前旗索伦镇的下三叠统哈达陶勒盖组（T1h），岩性主要为深灰及杂色安山岩夹流纹岩、页岩、凝灰质细砂岩及紫色砂岩、粉砂岩等，其同位素年龄为250～245 Ma（K－Ar法）［18］；司秋亮等［19］对大兴安岭中段蘑菇气地区哈达陶勒盖组火山岩进行的同位素年代学研究，结果显示火山岩形成于234～244 Ma的中三叠世；张海华等［20］报道了内蒙古科尔沁右翼中旗花岗岩的形成年龄为242.6±2.5 Ma；在乌兰浩特－索伦地区获得的中晚三叠世岩浆岩的侵位年龄为235～225 Ma［21］；小兴安岭东部发育的清水岩体的结晶年龄为222±5 Ma［22］.以上研究成果表明，三叠纪侵入岩及火山岩在东北地区广泛发育，而以上三叠纪火山岩的年龄研究表明，在松辽盆地内三叠系地层亦是存在的，导致三叠纪岩浆活动的构造体制应为较大范围和规模的应力作用——即应与古亚洲洋构造体制转换有关.松辽盆地及周边三叠纪火山－岩浆事件与西伯利亚板块与华北板块在二叠纪末期的碰撞拼合相关，应形成于造山后的伸张构造背景［23］.

捕获锆石的两组年龄269～295 Ma、313～353 Ma，应反映松辽盆地早期岩浆事件的形成时代.269～295 Ma反映松辽盆地存在早—中二叠世（海西期）的岩浆事件，在松辽盆地南部营城组存在254 Ma、294 Ma火山岩［16］，松辽盆地南部团山子基性脉岩中获得291 Ma的锆石年龄［24］，松辽盆地北部早白垩世营城组火山岩捕获的锆石年龄显示有290～297 Ma的年龄［15］，海西期捕获锆石所指示的岩浆活动应与华北板块和西伯利亚板块的俯冲碰撞及造山作用相关.

表1 闪长玢岩锆石U－Pb定年数据Table 1 Zircon U-Pb dating results of diorite porphyrite

313～353 Ma时期（石炭纪）捕获的锆石年龄在松辽盆地鲜有报道.周长勇等［25］对大兴安岭北部地区塔河辉长岩体研究表明，塔河地区约在330 Ma存在板块的消减过程，这可能与兴安地块与松嫩地块的拼合有关.同时该组年龄与内蒙古苏尼特左旗－锡林浩特－西乌旗岩浆弧的年龄相吻合［26-33］.

综合上述表明，松辽盆地北部存在中三叠世早期岩浆热事件.捕获锆石年龄进一步证明松辽盆地至少还经历了石炭纪、早—中二叠世等多次火山活动及岩浆侵位等增生作用.

4.2 对地层时代的约束

松辽盆地晚古生代的研究近年来取得了诸多进展，尤其是深层系油气资源的发现［1-2］.但对于晚古生代地层的确定，前人的研究多停留在岩相学描述和地层对比方面，时代的确定大多依据岩石组合特征和区域地层对比，一直缺少地层年代学资料，古生物年代学等资料也缺少，尤其是同位素年代学资料缺乏，这将影响从总体上把握松辽盆地晚古生代地层的分布规律和区域构造演化历史的研究及探讨，也将严重阻碍盆地油气资源的评价和生烃层系的认识分析等.本次所取得的闪长玢岩的岩浆年龄为245.5±1.9 Ma，时代为中三叠世早期，指示其是在中三叠世早期侵位、侵入到碎屑岩地层中，即确定了该套碎屑岩的沉积上限年龄——碎屑岩是在245.5±1.9 Ma之前沉积成岩的.结合古生物化石证据（另文发表）和岩石组合特征等，表明脉岩所侵入的这套碎屑岩地层为晚二叠世林西组.这为在松辽盆地进行深层系油气资源调查提供了有意义的基础数据.