鄂尔多斯盆地东部紫金山岩体特征与形成的动力学环境——盆地热力-岩浆活动的深部作用典型实例剖析

杨兴科,晁会霞,张哲峰,姚卫华,董敏

(1.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,陕西西安710054;2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安710021)

鄂尔多斯盆地东部紫金山岩体特征与形成的动力学环境
——盆地热力-岩浆活动的深部作用典型实例剖析

杨兴科1,晁会霞1,张哲峰1,姚卫华2,董敏1

(1.长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室,陕西西安710054;2.中国石油长庆油田分公司勘探开发研究院,陕西西安710021)

在鄂尔多斯盆地动力学和热力作用讨论基础上,以紫金山岩体为代表,进行了鄂尔多斯盆地东部岩浆活动的深部地质背景、岩石学、地球化学、同位素年代学和构造演化等研究。认为盆地热力作用是盆地动力学研究的弱点和难点,盆地热力作用具明显非均一性,热力盆地特征复杂、类型多样,盆地热力构造可分为五类。针对盆地热力作用研究的薄弱性和其与深部圈层活动的复杂性及特殊性,提出了未来研究应注意的要点。中生代鄂尔多斯盆地为克拉通内改造叠合型盆地,盆地的形成演化和区域岩石圈深部具有明显多阶段或多世代沉降更替、演变迁移特点。紫金山岩体具有富碱、较富铁、贫镁、钙,SiO2不饱和,属碱性-过碱性系列;稀土元素含量高,无负铕异常;碱性岩微量元素构造环境判别属于大陆板内拉张区;岩浆活动有多期性;锶(87Sr/86Sr)、钕(143Nd/144Nd)同位素比值落入EMⅠ型地幔,岩浆物质来源较深;单颗粒锆石SHR IM P测年数据表明岩浆活动主期在125～132M a间,为早白垩世。侏罗纪-白垩纪盆地东部及周缘存在着丰富的深部岩浆活动-热力作用,并发生了岩浆侵入或喷发活动。中生代深部背景是处于吕梁软流圈上涌区,在吕梁软流圈上涌柱软块区与西侧厚硬块区相间的上涌热浮物质聚集处,岩石圈破裂,造成盆地东部出现软流圈热浮物质底侵和岩石圈局部减薄,底侵物质再熔融上侵,形成了紫金山幔源岩浆侵入和火山喷发构成的碱性复式岩体,代表鄂尔多斯盆地与华北陆块在早白垩世经受过一期重要的热力构造事件,它是该盆地东部吕梁软流圈上涌、盆地东翼大面积抬升隆起、断隆带翘倾的表现,此与盆地构造动力体制转换期及岩浆活动-热事件对应。中生代是该盆地油气煤铀等多种能源矿产形成的重要时期。构造过程是:古生代属于大鄂尔多斯盆地,与华北地区一同升降;中生代早期(T-J)为连续沉积区,晚期(J3-K1)发生较强烈的构造转换,岩石圈减薄,地壳拉张伸展变形,伴随岩浆侵入和火山喷发,形成紫金山复式岩体;新生代为整体抬升剥蚀期。

盆地动力学;热力作用;岩浆活动;构造热事件;深部作用;鄂尔多斯盆地;紫金山岩体

1 热力构造的研究现状和构造热事件特点

1.1 盆地热力作用是盆地动力学研究的难点

当代大陆动力学研究已经进入到建立东亚大陆中新生代演化的动力学模型及其深部过程阶段(邓晋福等,2003)。大陆沉积盆地因盆地所蕴藏丰富的多种矿产资源,在大陆动力学研究中地位重要(刘池洋,2005,2008)。

盆地热力作用和热力构造是盆地动力学研究中的弱点和难点(邓晋福等,2003;刘池洋,2005,2008;何登发和李德生,1995;马宗晋等,2003;杨兴科等,2005)。盆地热力沉降成因的动力来源为中下地壳-地幔或其下,热力作用为明显非均一性,热力盆地特征复杂、类型多样(刘池洋,2008)。按岩浆-热力作用影响深度分为五类(杨兴科等,2005):(古)地热异常群集断裂带、火山热液活动带(表浅层火山喷发-热液活动-浅成斑岩侵入型)、热力背斜(热穹隆)型、中深层侵入型(含壳内热异常柱型)、地幔热柱型。

1.2 盆地热力作用研究的薄弱性和复杂性

盆地岩浆活动和热力作用是近年来研究的热点之一,经资料查询检索,以往对陆内构造-岩浆活动及盆地热力作用研究重视不够(马宗晋等,2003;杨兴科等,2005;杨兴科,2003;刘池洋和孙海山,1999)。对鄂尔多斯盆地岩浆活动-热力作用研究更是相对较弱(杨兴科等,2005,2006)。

沉积盆地动力学研究说明,大中型沉积盆地的形成、发展、演化和改造,总体受地球深部系统内动力地质作用的控制(刘池洋,2008),即多种能源矿产盆地的形成发展、演化和改造的根本原因在于深部作用,尤其是热力作用。近年来研究揭示许多盆地深部存在大量的热力作用及相应的热力构造(杨兴科等,2005;杨兴科,2003),使热力作用研究取得了较大进展。

现多认为热力作用是多种能源盆地发育、发展及动力学演化的主要改造方式之一,其占有重要位置。全球各构造活动区或如大型盆地周缘断陷区发现的低阻高导层,应是地壳内的构造活动软弱带。多与热力作用和深部地幔热流体上升有关,是深部岩浆活动、部分熔融水气流体及高温塑性物质流动的会聚点,直接引发深部岩浆活动和热力作用,引发浅表层的盆地沉降沉积和热力-构造改造。

近年研究已认识到部分盆地深部热力作用的相对活动性、强烈性和复杂性。热力作用在盆地周缘地表已有众多表现,如盆地周缘地热田和地热断裂带、壳下部分熔融层或壳内热流体层。加强盆地热力作用、热力构造及其相关特征与盆地形成、周缘隆升剥蚀、盆地热力改造等研究,是大陆动力学研究的一个重要方面。大陆地壳更为复杂的多层次变形和热流体作用下的多方式陆壳结构的循环转化过程、大陆地壳特殊的热力构造及多旋回演化、壳内低速层和地壳热异常柱的普遍存在、与深部作用相关的火山-岩浆-热力构造的复合作用等问题都将迫使我们面对各区地质构造史,在盆地动力学的深化研究中提出相应的具体对策和新思路。

1.3 盆地属性和构造热事件特点

鄂尔多斯盆地位于华北地块中西部(图1),是华北(中朝)地块内印支期和其后的沉积盆地,中生代处于东部伸展和西部挤压构造区的多期反复交替影响区,为残延克拉通内盆地(赵重远,1992)或板内复合克拉通盆地(李思田,1997)或易延叠合型盆地或归为改造叠合型盆地(刘池洋等,2006),由于中生代该盆地的多期演化和后期改造,造成古生界天然气和中生界油气煤铀聚集成藏定位,构成一个多种能源矿产同盆共存的重要盆地(刘池洋等,2006)。侏罗纪-白垩纪的多能源矿产盆地的形成演化过程中至少发生了4次明显的构造变动或划分为4个阶段(刘池洋等,2006;张泓,2005),也可从盆地的沉降演替和发育规模、沉积古地理变更、沉积中心迁移、构造热事件或岩石圈减薄变化、局部点式岩浆活动(杨兴科等,2005)、周缘断陷和地震、软流圈上涌等重要地质事件分析判断其深部构造-岩浆活动特点或动力学背景。

前人研究已发现在该盆地的西部、南西部、北部或东部、南东部不同构造部位均发现有规模不大的燕山期侵入岩或火山岩(杨兴科等,2006,2008;赵重远,1992;刘池洋等,2006;张泓,2005;宁夏回族自治区地质矿产局,1990;山西省地质矿产局,1989;杨俊杰,2002;何自新,2003;白斌等,2008;邹和平等,2008;国家地震局《鄂尔多斯活动断裂系》课题组,1988)。如该盆地东部晋西挠褶带中段和南段均出露规模不大的燕山期侵入岩或火山岩,但却蕴涵着丰富的盆地深部岩浆活动-热力作用的重要信息,有其重要的特殊性,对其进行研究将有助于深化了解该盆地演化和多种能源矿产形成的内外动力学联系及其重要科学价值。随着近年对该盆地东缘深部构造背景和成矿成藏规律研究,已认识到该盆地东部及周缘存在着深部岩浆活动-热力作用(杨兴科等,2006,2008),因此该盆地部分地段后期改造过程中存在热力改造,也可划归板内克拉通盆地的热力改造-叠合型盆地。

鄂尔多斯盆地中生代尤其是三叠纪-侏罗纪,盆地分布范围较广,许多研究结论趋向认为鄂尔多斯盆地可越过吕梁山、晋中-临汾断陷到太行山一带(赵重远,1992;李思田,1997;刘池洋等,2006;张泓,2005),且多称为广义的大鄂尔多斯盆地(李思田,1997;刘池洋等,2006)。在中生代该盆地东部到太行山一带浅表部处于总体伸展应力场、深部处于总体挤压应力场的构造背景区。这类背景区容易造成岩石圈局部减薄(罗照华等,2006)和岩浆活动-热力作用。因此,与华北地区一样,容易发生燕山期岩石圈减薄(杨起等,1988;孙少华和李小明,1997;郑建平,1999;林舸等,2008)或中生代华北克拉通破坏(翟明国,2008)及深部作用相关的构造热事件(杨兴科等,2006,2008)。

图1 鄂尔多斯盆地和紫金山岩体构造位置及相带划分图(据吴利仁,1966和相关图件综合修编)Fig.1 Tectonic loca tion of the Ordos basin and Zijishan com plex and rock phase subd iv iding of Zijin shan complex(comp rehensively amended byW u,1966 and correlativemaps)

2 盆地东部热力作用——岩浆活动的特征

2.1 盆地东部岩浆活动的广泛性

华北大陆内部古生代和三叠纪相对比较稳定,这种相对稳定的状态直到中生代中晚期燕山运动发生了显著的改变,侏罗纪-白垩纪期间盆地东部的岩浆活动相对广泛而强烈,在盆地内部和东缘沿断裂发生多种类型的岩浆侵入(杨起等,1988)。如太原西山煤田西部狐偃山碱性二长岩体侵入年龄139～125M a,南部清交区钻探揭示隐伏花岗闪长斑岩岩株侵入年龄为105M a(杨起等,1988)。晚侏罗世-早白垩世这期岩浆活动代表了鄂尔多斯盆地与华北陆块在中生代中晚期统一经受了一期重要而广泛的热力构造事件。前人对吕梁山北侧的锆石裂变径迹测年数据所反映的地层抬升冷却年龄与华北陆块构造热事件之后的降温期略晚。采用裂变径迹结合热释光研究表明鄂尔多斯盆地自晚古生代以来,至少发生过三次构造热事件或其后的抬升降温过程,年龄大致为215M a、135M a和72M a(孙少华和李小明,1997)。对该盆地岩浆-热力作用的区域动力学背景,李思田(1997)认为可能与中朝地块侧向挤出构造有关,刘池洋等(2006)认为与周缘相邻造山带(中东亚兴蒙构造带、秦岭-大别构造带、特提斯-青藏构造带等)之间的相互作用,或与古太平洋向今太平洋构造动力学体制转换及特提斯构造动力体制的演变等密切相关。

2.2 紫金山岩体特征——盆地东部岩浆活动的代表

在对鄂尔多斯盆地东部岩浆岩体进行相应研究基础上,依据主要岩体地质地球化学特征、活动期次等,发现该盆地东部存在一类中深成岩浆侵入及相应的热力构造类型。同位素测年证明主期岩浆活动时代为早白垩世。前人对该盆地东部岩浆岩已进行过部分研究(山西省地质矿产局,1989;黄锦江,1991;汤达祯等,1992;罗照华等,1999;周玲棣等,1996;Y ing etal.,2007;牟保磊等,2001)。早期测年法精度不高,数据较分散,近年来新的测试方法不断发现一些新现象,如近年来相继进行的岩浆岩体锆石U-Pb SHR IM P和LA-ICPM S及A r-A r测年,取得了一批同位素测年数据(杨兴科等,2006,2008;刘池洋等,2006;肖媛媛等,2007;邹和平等,2008)和构造背景研究的新认识。

紫金山岩体作为该盆地东部岩浆岩体的代表,位于晋西挠褶带内中部,出露在山西省临县北西部的紫金山一带,呈岩筒、岩床状侵入于中三叠世二马营组(T2er)灰绿色长石砂岩夹红色泥岩,多被第四系覆盖(图1)。以紫金山北部山神庙梁1767m高程点为中心,呈放射状、半环带状分布。复式碱性岩体由外向内大致分五个环带(山西省地质矿产局,1989)(图1),可侵入到奥陶系-三叠系(山西省地质矿产局,1989;黄锦江,1991),区域上处于近东西向吴堡隐伏断裂(F1)和近南北向离石断裂(F2)交会处。

2.3 紫金山岩体的岩石学及岩石化学特征

对紫金山岩体挑选3件样品进行多项测试(杨兴科等,2006,2008),采样位置见图1,Z1坐标:东经110°52′,北纬38°07′。样品的化学成分测试在中国科学院地质与地球物理研究所实验室完成,由XRF1500 X光荧光光谱仪、OES、AAS;微量元素和稀土元素用ICP-MS,经国标(GSR-1、2、3)监控,误差小于5%。Sm、Nd、Rb、Sr同位素测试在该所固体同位素实验室完成。样品用HF+HC lO4在Teflon密闭容器中低温溶解一星期,采用AG50W×8(H+)阳离子交换柱和P507萃淋树脂分离出纯净的Sm和Nd,在VG354质谱计测量。年龄用Isop lot法计算,衰变常数λ147Sm=6.54×10-12a-1(牟保磊等,2001)。

样品岩石化学分析结果投点于TAS图解定为粗面安山岩、响岩质碱玄岩及响岩;火山岩投点定为粗面岩、安粗岩、响岩及似长岩(杨兴科等,2008)。岩石化学特征是:SiO2不饱和或极不饱和,含量在48.44%～61.81%。根据碱度率图解,判别该岩体属碱性-过碱性系列。具有富碱、较富铁、贫镁、钙等。从A l2O3-SiO2变异图显示,为低铝质区,铝含量稍低。主要岩石类型是:Z1-霓辉正长岩、Z4-粗面斑岩、Z5-粗面安山岩。

2.4 紫金山岩体地球化学和岩浆源区信息特征

本次稀土元素测试结果另见文献(杨兴科等,2008)细述。综合前人和本次测试结果共13件样品,经重新计算后的REE各参数特征是:(1)稀土元素总量高,达45.50～270.20μg/g,是球粒陨石13.70～81.39倍;(2)轻稀土富集,达41.94～249.92μg/g,是球粒陨石19.75～117.66倍;(3)ΣLREE>ΣHREE,轻重稀土元素比值范围在3.94～19.69,表明轻重稀土元素发生了较强烈的分馏,具富集型稀土配分模式;(4)(La/Yb)N达3.25～55.04,说明曲线具负斜率,具有略向右倾的分布型式;(5)(La/Sm)N,(Gd/Yb)N值变化大,分别为1.49～12.06和0.42～0.80,表明轻稀土分馏程度和重稀土分馏程度有较大的差别;(6)δEu=0.94～1.27,无明显负Eu异常。

碱性岩微量元素测试结果见表1。其构造环境判别如Th/Zr-Nb/Zr图(图2)表明,该岩体为大陆板内拉张环境,与大陆板内地幔岩石圈源区信息相近。

表1 紫金山碱性岩微量元素测试结果及相关参数Tab let 1 Trace element results and related parameters of the Zijin shan alka line rock

图2 紫金山岩体大地构造环境的Th/Zr-Nb/Zr双对数判别图(底图据孙书勤等,2007)Fig.2 Th/Zr and Nb/Zr double logarithmic plot for identification of tectonic settings for the Zijin shan complex

根据对该岩体全岩氧同位素分析(阎国翰等,1988),各期岩石δ18O变化范围较窄,为7.9‰～9.2‰,平均8.4‰。一般认为源于地幔的超镁铁质岩及基性岩,其氧同位素变化在5.5‰～9.0‰,碱性岩略高(李兆鼐,2003)。即氧同位素δ18O数据说明其与地幔岩浆来源的岩石氧同位素数据一致。

碱性岩同位素Rb、Sr、Sm、Nd分析结果见表2。依据公式:(87Sr/86Sr)0=87Sr/86Sr-87Rb/86Sr(eλt-1),计算得各样的锶同位素初始值(87Sr/86Sr)0为0.70422～0.70512,进而计算得ISr值为0.704528～0.706399。而幔源岩石Sr同位素初始比值范围为0.702～0.706,可见其落入了幔源范围;EMⅠ型地幔87Sr/86Sr现代值为0.7050～0.7055(任康绪等,2004),根据87Sr/86Sr现代值看,多数落入了EMⅠ型地幔范围内(图3a)。说明盆地东部紫金山碱性岩体的岩浆源区为下地壳或具有富集地幔的特点。此与近年来的最新研究认识基本一致(马宗晋等,2003;杨兴科等,2008;杨永恒,2006;胡建勇,2007)。

根据钐、钕同位素数据,143Nd/144Nd初始值为0.512457～0.512516,εNd(t)为-5.93～-10.90,显示富集地幔特点(143Nd/144Nd的现今值为0.512638),接近I型岩浆岩,向EMⅠ型区靠近(图3b)。故该岩体物质来源较深,源于下地壳或上地幔。

罗照华(1988)研究认为中国东部地幔中占主导的岩石是尖晶石二辉橄榄岩,胡建勇(2007)认为紫金山碱性岩体的重稀土元素间分馏不显著,揭示其源区可能不存在石榴石而是来自尖晶石地幔,且在二长岩中发现尖晶石橄榄岩包体。

表2 紫金山岩体Sm、Nd、Rb、Sr同位素分析结果Table 2 Com position of Sm,Nd,Rb and Sr isotopes of the Zijin shan complex

图3 紫金山岩体Sr-Nd同位素和岩浆源区判别图Fig.3 Sr-Nd isotope of the Zijinshan complex and discrimination of magma source

2.5 岩体锆石SHRIMP测年和岩浆活动时代

在野外调研、采样分析基础上,挑选3件锆石样按常规方法先分选约数百粒锆石,在双目镜下挑选出晶型完好、具代表性的锆石颗粒制成样品靶并抛光,然后进行可见光和阴极发光(CL)照相(杨兴科等,2008),再选定待测年龄的锆石点位,在北京离子探针中心SHRI MP-Ⅱ上进行测试。在测定过程中,锆石样和与置于同一样品靶上的澳大利亚地调局标准锆石TEM的测定交替进行,每测定4个样品,测定一次标准锆石。每次分析记录7次扫描的平均值。用标准锆石TEM(417M a)(B lack et al.,2003)进行元素间的分馏校正。Pb/U校正公式用Pb/U=A(UO/U)2(C laoue-Long et al.,1995)。应用置于调试靶上的另一标准锆石SL13(年龄:572 M a;U含量:238μg/g)标定锆石的U,Th和Pb含量。用PRAWN程序(Wiliiams and Buick,1996)进行数据处理。普通铅根据实测204Pb校正。所测Z4和Z5锆石年龄数据经重新计算后列于表3和图4。

Z4样分析了10个点,锆石为长条形和短柱状,色深、棱角明显、环带清晰。年龄值在119～139M a间,平均(132.0±2.1)M a(图4a)(杨兴科等,2008),MSWD=1.6。Th/U值在1.297～2.346之间,平均为1.598,具有岩浆锆石的特点。Z5样分析了12个点,锆石为不规则短柱状,晶形好,色深。年龄集中于两个区段,有6个点平均为(125.0±6.7)M a(图4b),M SWD=0.079;有5个点平均为(293±17)M a,M SWD=1.7,后者可能为捕获的锆石(杨兴科等,2008)。Th/U值在0.691～1.738之间,平均为1.186。

统计表明,粗面斑岩(Z4)和粗面安山岩(Z5)锆石SHR IM P测年在(132.0±2.1)M a～(125.0±6.7)M a,相当于早白垩世,由浅成侵入或火山喷发作用形成,代表了吕梁山地区软流圈上涌事件,是该盆地东部和吕梁地区盆山转换的深部岩浆活动的显示,与华北陆块早白垩世发生的较普遍的构造转换、岩石圈减薄和软流圈上涌底侵及构造热事件有一致性。其中捕获有早期293M a或更早的岩浆锆石。

3 构造背景和深部岩浆活动——热力作用过程

3.1 构造背景

古生代鄂尔多斯盆地与华北地区一同整体抬升,前人所称的大鄂尔多斯盆地(赵重远,1992;李思田,1997;刘池洋等,2006;张泓,2005),均为岩石圈厚块区。三叠纪-侏罗纪,该盆地东部及吕梁山一带为连续沉积区,深部构造环境一致。晚侏罗世-白垩纪,盆地及周缘区发生强烈的构造转换,盆地周缘区地层变形较强烈。早白垩世,构造应力状态和地壳变形样式发生了重大变化、岩石圈引张伸展和减薄,导致裂陷盆地发育及岩浆侵入与火山喷发,形成了紫金山岩体等,这是盆地内油气煤铀等多种能源矿产形成的重要阶段。喜马拉雅期以来,本区

一直处于整体抬升、剥蚀状态。

表3 紫金山岩体锆石SHRIMPU-Pb年龄Table 3 SHRIMP zircon U-Pb age for the Zijinshan complex

图4 紫金山岩体锆石SHRIM PU-Pb年龄图Fig.4 Concordia diagram of SHRIMP zircon U-Pb age of the Zijnshan complex

3.2 岩石圈减薄与深部作用过程

鄂尔多斯盆地作为一板内复合克拉通盆地,位于华北陆块中西部(图1),中生代浅表部处于总体伸展应力场、深部处于总体挤压应力场的构造背景区。这类背景区容易造成岩石圈局部减薄(罗照华等,2006)。

岩石圈减薄的后果是:(1)热软流圈取代了被拆沉下去的岩石圈,使上伏地壳快速加热,产生大范围岩浆活动;(2)引起上伏地壳快速抬升;(3)下地壳被快速加热流变,转换为伸展体制。在盆地周缘断陷区的地震层析成像揭示上地幔或地壳内有大量低速体,这是由于软流圈上涌并取代岩石圈引起的。

邢集善等(2007)以地震层析分析数据为基础,结合大地电磁测深和热流值,对中国东部上地幔岩石圈-软流圈构造及其变异进行研究,认为中生代较大型深部构造(如软流圈上涌体)的地震层析影象可存留至今,中生代软流圈上涌是相应浅表燕山期花岗质岩形成的根源,与许多金属矿集区密切相关,而新生代软流圈上涌是大陆裂谷(如汾渭裂谷)、玄武岩喷发和大型油气田形成的基础(邢作云等,2005)。中生代华北陆块软流圈柱状上涌一般可至70km深,在鄂尔多斯盆地为相对岩石圈厚硬块区,在该盆地东部和吕梁山区存在深约75km的吕梁软流圈上涌柱区(图5),中生代其浅表部对应晋中-临汾断陷和鄂尔多斯盆地东部先坳后隆的演化历程。当深部热浮物质上涌至岩石圈底界时,遇阻而沿岩石圈之间的相对薄弱带侧涌,形成面积型柱头,柱身则与西侧的鄂尔多斯岩石圈厚区形成陡接触带,由于热力集中,易使该处岩石圈破裂,热浮物质快速上涌至地壳底部(底侵),再注入浅表形成一套偏碱性侵入杂岩或出现铁矿区(邢作云等,2006;郑建平,1999)。有多种形式和不同程度的软流圈上涌及岩石圈减薄。因此,在鄂尔多斯盆地东部和吕梁山地区及晋中-临汾断陷的下部发生了较显著的岩石圈减薄及软流圈上涌。以紫金山碱性岩体为代表的复式岩体应是该期软流圈上涌、热浮物质底侵和岩石圈减薄事件的产物。

图5 华北大陆地区中生代38.7°N东西向地震层析成像和深部构造综合研究剖面(据邢作云等,2006;郑建平,1999综合修编)Fig.5 EW trend ing 38.7°N seism ic tom ography and com prehen sive study profile of deep structures of the Nor th Ch ina con tinen t in M esozo ic era(comp rehensively am ended by X ing et al.,2006 and Zheng,1999)

由于岩石圈减薄后,深部岩浆因快速上侵而伴随快速冷却,吕梁构造带岩石圈下部物质的密度变小使地壳产生均衡调整,从而出现地壳大面积快速抬升,使原有挤压能量释放完毕,此后吕梁构造带进入伸展跨塌阶段。由于高地势的重力能,在地壳上部发生地壳应力状态总体由挤压转为伸展,这种岩石圈整体的伸展则主要与岩石圈减薄(郑建平,1999)引起的热地幔上涌导致上部岩石圈加热相关(图5)。

中国东部岩石圈减薄或华北地区岩石圈大规模减薄作用的时间可能主要在早白垩世(陈根文等,2008;吴福元等,2003),即130M a。这是减薄事件的主要峰期,代表了鄂尔多斯盆地东部与华北地区一同经受了中生代大规模岩石圈减薄。

3.3 深部岩浆活动——热力作用的地质意义

前人对该盆地东部及东邻区沁水盆地晚侏罗世-早白垩世古地温梯度和古大地热流值进行测定,确定在中生代晚期存在一期强烈的构造热事件。沁水盆地内岩体同位素年龄和其周边地区岩浆活动年龄表明这次构造热事件发生在晚侏罗世至早白垩世(任战利,1997;任战利等,1999)。

紫金山位于鄂尔多斯硬块东侧与吕梁软块陡接触带,其深部构造呈现软流圈上涌柱(软块)与岩石圈厚区(硬块)相间的格局。上涌之热浮物质聚集处,岩石圈破裂,热浮物质(热流体)便沿此破裂处上涌并底侵下地壳,然后再熔融上侵,在浅部形成一套碱性岩体(邢作云等,2006),从而形成紫金山幔源型岩体(图5)。表明鄂尔多斯盆地东部具有发生深部岩浆活动和热力作用的条件。

已有研究表明,在早白垩世发生过一次强烈的构造热事件,盆地东部出现了幔源岩浆侵入和火山喷发,即形成紫金山岩体。在鄂尔多斯北部杭锦旗黑石头沟下白垩统砂岩之上发现的玄武岩层,经A r-A r测年为(126.2±0.4)M a(邹和平等,2008);而东北部同期有张家口组流纹岩喷发(126±1M a)(杨进辉等,2006),这些均是华北岩石圈强烈减薄和部分壳幔物质混合的结果。早白垩世盆地东部出现的深源岩浆侵入这一构造-热事件应是该盆地东部吕梁软流圈上涌、盆地东翼大面积抬升隆起、断隆带翘倾的表现。说明当时的盆地东部存在有特殊的区域深部热力构造事件发生的背景条件。

4 结论与讨论

(1)盆地热力作用是盆地动力学研究的弱点和难点,有重要意义,热力作用研究具有薄弱性、复杂性、特殊性,研究应注重要点。

(2)鄂尔多斯盆地构造位置特殊,中生代盆地东部岩浆活动-热力作用较特殊,为小规模的复式碱性岩体,深部活动信息丰富。

(3)紫金山碱性岩体是鄂尔多斯盆地东部岩浆活动的代表,富碱,低铝,稀土元素总量较高,轻稀土富集,无明显负铕异常。87Sr/86Sr、143Nd/144Nd比值落入EMⅠ型地幔,岩浆来源较深。碱性岩微量元素构造环境判别属于大陆板内拉张区。

(4)单颗粒锆石SHR IM P测年厘定紫金山岩体晚期岩浆活动主要在125～132M a,属早白垩世。

(5)盆地东部早白垩世中深成岩浆侵入型-喷出型热事件,代表了吕梁山区软流圈上涌事件,是盆地东部盆山转换的深部显示,与华北陆块早白垩世岩石圈减薄热事件具有一致性。

(6)构造背景和演变过程是:古生代为大鄂尔多斯盆地与华北地区一同升降;中生代为连续沉积区;中生代晚期(J3-K1)发生较强烈的构造转换,岩石圈减薄,地壳拉张伸展,随岩浆侵入和火山喷发,深部出现有吕梁软流圈上涌柱,热浮物质上涌至鄂尔多斯岩石圈厚区的陡接触带,发生底侵和再熔融上侵,形成紫金山碱性复式岩体;其与深部软流圈上涌、盆地东部先坳后隆、周邻矿集区和油气煤铀多能源矿产的形成阶段对应。

中国沉积盆地因其区域构造位置特殊,盆地热力作用的表现方式极为复杂和特殊,常难以直接查明,故多有被忽略之势。故对盆地热力作用研究应注意要点:(1)由于热力作用的复杂性和特殊性,应不断完善盆地热力作用研究内容和体系;(2)需要结合当代地球系统科学进行盆地多种地质-地球物理-地球化学等综合研究,确认盆地深部是否存在热力作用;(3)盆地深部常出现地壳结构的不均一,不但浅表部,而且深部均存在此类结构不均一现象,即盆地深部结构为各向异性。盆地各向异性,表现出相当特殊的深部热力作用。由于盆地经历过一定程度的构造应力和热力改造作用,多造成盆地原貌与现今面貌差别较大,对其中油气和多种能源矿产评价影响较大。经常会增加油气勘探的复杂性。应注意地质与地球物理和地球化学综合研究,将地表、中浅层与深层构造和热力作用的各类迹象紧密结合。

致谢:感谢刘池阳教授在盆地热力作用分析和973项目研究中的指导和帮助、以及对本文的详细审阅并提出建议性修改意见,使本文的论证组织更加严密和逻辑化。同时感谢邢集善教授级高工在华北和山西深部构造特征研究资料的提供和有益讨论、李有柱教授在岩石学和地球化学方面的撰文修改帮助,郑孟林博士、杨明慧副教授、杨永恒、陈虹硕士在野外采样和室内样品加工测试中的帮助!

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Abstract:In the study of tectonic kinetics of basins,thermal process and thermal structure are the weakness and difficulty.In recent years,according to the influencing depth of magma-therm alaction,there are five types of thermal tectonic units:(ancient)geothermal anomaly gathered fault zone,volcanic hydrothermal active zone(volcanic eruption of shallow layer-hydrothermal action-hypabyssal porphyry intrusion),thermaldome,intermediate-deep intrusion(including intercrustal thermal anomaly plume)and mantle thermalplume.

The Ordos basin is not only one of the basin in which oil fields were found earliest,it is also the second biggest petrolifer ous basin.It is located in the middle-west of the north China b lock,which is in the binding dom =ain of east and west tectonic regions influenced by multistage repeated extension and compressions,and it is a composite craton basin form ed by over lapping of multi-stage andmulti-system structures on the basisof the originalO rdos basin,belongs to interior intracrat on basin.In the eastern Ordosbasin,more attention was paid in the past to study earth-quake and magma activity on the basin margin such as the Fen(river)-Wei(river)rift in the southeast margin part of the basin.In the eastern part of the basin,westpart of the Shanxi flexural fold belt is a large monoc line stratum,which is sloping from east to west.There are a series of open and flat meridional,latitudinal extending sub-folds and a nearly east-westward fracture named the Wubu Fracture(F1)which developed w ell.In the east of study area,there isa fracture named the Lishi Fracture(F2)in south and north direction.Most folds and fractures belong to semi concealed style.Along with the study of tectonic background,mineralization and petroleum accumulation in the basin,we have recognized that there exists point type of thermal process from deep sourced magma in the eastern basin and its periphery.

By field investigation,sample analysis,SHRIMP age determination and implication for magma source,and according to the characteristics of geology and geochemistry,the stage and sequence of magmatic activity and latest SHRIMP chronology were discussed,which led to a suggestion that there would have been a type of middle-deep sourced magma intruding in the eastern partof the basin,China.The main period of a magma thermal process by SHRIMP chronology is early Cretaceous,and then the magma activity sequence can be determined.The acquisition of geochemical and dating data has an important significance to analyze the tectonic evolution and its background of the study area.

Based on the discussion of the dynamic process and thermodynamic effect of the Ordos basin,as rep resented by the Zijinshan complex,the magma activity in the eastern part of the O rdosbasin with the respect of deep geological background,petrology,geochemistry,isotopic dating and tectonic evolution is studied.The research holds the view that the thermodynamic process is weakness and difficulty in the light of study on tectonic kinetics of basins.The thermodynamic process of the basin is evidently inhomogenous and the characteristics of the thermal basin are complicated and diverse.The basin thermal structure can be summarized into 5 categories.Aiming at weak researches of thermodynamic process and complication and specialty with deep lithosphere activity,them a in points needing attention for future research are put forward.In the Mesozoic,the Ordos basin belonged to intracratonic reform ed superposition basin.The development and evolution of the basin as well as the deep of regional lithosphere have the obvious characteristics of multi-stage or multi-generation settlement alteration,evolution and migration.The Zijinshan complex is rich in alkali,relatively rich in iron,poor in magnesium and calcium and unsaturated in SiO2,belonging to an alkaline-peralkaline series.The complex has high content of rare earth elem en ts,without negative Euabnormal.Tectonic setting discrimination of trace elements of the alkaline rock belongs to an extension area of the continental intraplate.The magmatic intrusion has many stages.The rate of87Sr/86Sr and143Nd/144Nd are fallen into the range of EMⅠ lithospheric mantle,which show s that the igneous material com es from a deeper source.The SHRIMP chronology of single-grain zircon show s that the main stage o fmagmatic activity is in 125～132Ma,is equal to early Cretaceous.In the Jurassic-Cretaceous,a large amount of deep magma activity and thermodynamic process took p lace in the eastern basin and its periphery,along with mag a intrusion and eruption.The deep background of the region in the Mesozoic was the upwelling area of Lüliang asthenosphere.The lithosphere broke in the spot where the interphase between the Lüliang asthenosphere soft block and western masshard block,in which the thermal up welling material aggregated.A s the result,there occurred intrusion of thermal material of asthenosphere and partly lithospheric thinning and then the underplating materials melted and intruded upward,form ed the alkali composite body,which is composed of the Zijinshanm antle-source magma intrusion and volcanoeruption.The complex rep resents that in early C retaceous Ordos basin and the No rth China p late experienced a stage of significant therm al structural events,w hich is the rep resentative of the Lüliang asthenosphere up welling in eastern basin,large-scale up liftelevation and tilting of a fault-up liftzone in the east limb of the basin.These features are consistent with the transition of tectonic and dynamic regime and magma activity-thermalevent.The Mesozoic is the significant period in which multi-energy resource mineral deposits(oil-gas-coal-uranium,etc)of the basin w ere form ed.

Itwas comparatively steady in the Paleozoic and Triassic inside the North China b lock and such state of steadychanged obviously at Yanshanian Movement in middle-late Mesozoic.Magmatic activity was relatively strong in the period of the Jurassic-Cretaceous,and accordingly many kinds of magmas intruded through faults inside the basin and in its east margin.

This stage of deep magmatic activity from late Jurassic to early Cretaceous rep resented that there experienced one significant and extensive tectonic thermal event in the Ordos basin associated with the North China b lock in middle-late Mesozoic.The tectonic thermal event experienced tectonic inversion in early Cretaceous(135～125M a),in them idd le-later stage of basin evolution,and the time of initial up welling of the basin is correspond to that of tectonic inversion and coincides with the tectonic thermal even t in North China.

The Zijinshan area is located in the steeply contact belt between the east of the Ordos lump and Lüliang soft b lock.In the deep,up welling plume of asthnosphere(softb lock)and thickening area of lithosphere(hard b lock)was in interval location.In the point of hot up welling materials assembled,the lithosphere broke,the hot liquid up welled and basal eroded the lower crustalong the fracture,then liquation,form ed a set of alkaline and alkali complex,so that form ed the Zijinshanm antle-derived comp lex.

The research show s that from late Jurassic to early Cretaceous,there happened a stage of strong tectonic events in the North China block in which the Ordosbasin was located.Therefore,magma intrusion orvolcaniceruption activity happened in the Mesozoic in the east part of the basin and the area of the Taihang Mountains,led to form the Zijinshan comp lex.Inside the basin,there existed point deep-sourced intrusive rocks in the range of cover.A ll these show that the setting of the regional thermal process was special at that time,and that there existed definite setting conditions of the regional thermal process in the depth of the basin.The thermal process of this stage gave rise to upwelling of the Lüliang b lock dome,tilting of fault-up lift zone and large-scale up lift elevation of the east limb of the basin.

The sequence of tectonic evolution of magmatic-thermalactivity in the study area is listed as follow s:Firstly,in the Early Paleozoic,the area along with the North China b lock was up lifted in mass which indicated by absence of late Ordovician-early Carboniferous sediment.Secondly,the deep magma intruded and monzonite and aegirine-augite syenite formed in the study area.In the further east of the basin around the Taihang Mountains,there existed amagmatic intrusion process in the dep th.According to SHRIMP chronology we find that the magmatic zircons were well developed in 343M a and 287～293M a,which imp lies that a series of magma thermal events happened at that time.Thirdly,from the Triassic to Jurassic,east part of the basin and around the Lüliang Mountains was in the section of continuously sedimentary sequence.Finally,the Yanshanian tectonic activity w as very intense in the basin and its neighborhood with violent deformation in the strata,and intense structuralactivity manly occurred in latter Jurassic.In Cretaceous period,tectonic stress and crust deformation pattern in North China had been greatly changed:the main structure activity is the tension of the lithosphere with weak comp ression,and the lithosphere became thinning and thinning violently,while the crust endured extensional deformation.Then the riftbasin and riftvalley developed well,along with widespread magmatism and volcanism:141～154M a,125～132M a.In the study area,there formed trachyte porphyry,trachyandesite,trachytic volcanic breccia and phonolitic volcanic breccia,partly malignite and nepheline syenite and so on.Them agmatic pluton formed in the period is the primary type in the surface and shallow well in the basin margin now a days and also is the concentrating section of numerous dating data.From Himalayan period late-recentperiod,this area was in the state of up lift in mass and denudation atall times.

The main tectonic processesare:In Paleozoic Era,the basin originated from the great O rdosbasin,ascending and descending along with the North China region accordingly.In early M esozoic(T-J),the basinwas in the section of continuously sedimentary sequence.Duringlate Mesozoic(J3-K1),drastic tectonic transformation occurred,lithosphere became thinner,mantle stretched and deform ed,accompanied by magma intrusion and volcano eruption,then Zijinshan complex was form ed.In Neozoic Era,the whole basin experienced up lift and erosion.

Keyword s:basin dynamics;thermodynamic process;magma activity;thermal structuralevent;deep process;Ordos basin;Zijinshan complex

Character is tics of the Zijinshan complex and Its Dynamic Environment in the East of theO rdos Basin—Analysis of a Classic Example on the Deep Processes of Thermal-Magma Activity in the Basin

YANG Xingke1,CHAO Hu ix ia1,ZHANG Zhefeng1,YAO Weihua2and DONGM in1
(1.MOE Key Laboratory of Western Mineralization Resources and Geologica l Engineering,Chang′an University,X i′an 710054,Shaanxi,China;2.Changqing Oilfield Company of PetroChina,X i′an 710021,Shaanxi,China)

P542;P313;P314;P 611.1

A

1001-1552(2010)02-0269-13

2009-07-26;改回日期:2009-12-01

国家973项目(编号:2003CB214601)资助。

杨兴科(1961-),男,教授,博士生导师,矿产普查与勘探专业,研究方向:构造地质与矿产及盆地分析。