葛玉魁,王成善,,李亚林,张玉修
(1.中国地质大学 地质过程与矿产资源国家重点实验室,北京100083;2.中国地质大学 地球科学与资源学院,北京100083)
松潘地区尕海盆地上白垩统热鲁组物源分析及其意义
葛玉魁1,2,王成善,1,2,李亚林1,2,张玉修2
(1.中国地质大学 地质过程与矿产资源国家重点实验室,北京100083;2.中国地质大学 地球科学与资源学院,北京100083)
运用Dickinson三角图解和碎屑锆石年龄分析方法,对松潘地区白龙江隆起西段尕海盆地上白垩统热鲁组物源及沉积背景进行了研究。热鲁组砂岩岩屑以变质岩为主,碎屑物质成分和结构成熟度较低;Dickinson三角图解显示热鲁组砂岩物源主要来自再旋回造山带的石英再旋回和过渡再旋回带;碎屑锆石分析显示最新年龄为137 Ma,指示该地层时代应晚于早白垩世早期;碎屑锆石U-Pb年龄基本上继承了区域上三叠纪地层的碎屑锆石年龄分布特征,说明热鲁组碎屑物质主要来自于区域上三叠纪地层,较少或几乎没有来自前三叠纪地层,而现今展布于盆地周围的下伏前三叠纪地层,晚白垩世时期尚未出露遭受剥蚀,同时这一结论也与松潘地区的热年代学数据揭示的构造背景相一致。
碎屑锆石U-Pb年龄;物源分析;松潘地体;白龙江隆起
物源分析已成为研究沉积盆地与造山带关系的纽带,为学者提供了一个研究盆山相互作用的有效切入点(Dickinson,1985)。砂岩碎屑组分与所受大地构造背景密切相关,尤其是对碎屑锆石U-Pb年龄的研究(Howard et al.,2009;Chew et al.,2010;Duan et al.,2010),通过物源分析了解物源区的大地构造背景,将沉积岩的成分、结构、构造与所处的大地构造背景联系在一起,对重建古地理面貌具有重要的意义(汪正江和陈洪德,2000;王成善和李祥辉,2003;赵红格和刘池洋,2003)。因此,本文选用晚白垩世沉积砂岩作为研究对象,研究盆地物源及沉积背景。松潘地区几乎全部为三叠系复理石所覆盖(Dickinson et al.,1983;孟庆任等,2007;张季生等,2007),区域上前白垩纪地层尤其是三叠系复理石前人已做过大量的研究工作,因白垩纪地层发育局限,地层零星分布,对白垩纪地层的沉积特征、物源情况及区域沉积背景研究较少。位于白龙江隆起之上的尕海盆地,发育白垩系陆相碎屑岩沉积地层,为研究该区构造、地层演化提供了有利条件。因此,对该盆地白垩系碎屑沉积的详细研究,对理解松潘-甘孜地区晚中生代演化具有重要意义。本文对研究区内上白垩统热鲁组沉积砂岩碎屑成分、碎屑锆石年龄等进行了系统分析,进而对尕海盆地沉积砂岩物源性质、沉积特征及其所处的大地构造背景进行了系统的研究。
松潘-甘孜和西秦岭地处中国西部,是中国大陆重要的基本构造单元(杨逢清和杨恒书,1994;张国伟等,2004;Weislogel et al.,2006)。三叠纪之前,松潘-甘孜和西秦岭地区为多个有限洋盆(Chang,2000),中-晚三叠世洋壳消减俯冲,形成一个三面围限的残余洋盆,广泛发育巨厚复理石沉积(Yin and Nie,1993;王志鹏,2009)。下三叠统菠茨沟组、日拉沟组,局限分布于炉霍、九寨沟地区,沉积厚度相对薄;中三叠统杂谷脑组分布最为广泛;上三叠统的扎尕山组、侏倭组、新都桥组、瓦多组、两河口组、雅江组分布广,厚度大,各地层之间均呈整合接触关系(Yin,2003;苏本勋等,2006;范晓,2009)。晚三叠世末,扬子板块持续向北俯冲,松潘-甘孜复理石在北、西南和东侧挤压作用下,广泛发生强烈的褶皱变形,奠定了现今松潘-甘孜褶皱带的基本构造格架(许志琴,1992;Harrowfield and Wilson,2005)。热年代学数据表明晚三叠世的印支运动导致松潘地区广泛发育断层和褶皱,直到30 Ma左右的古近纪变形,大约100 Ma时间内,该区保持相对稳定,构造变形较弱(Roger et al.,2011)。
尕海盆地(图1)位于四川省若尔盖和甘肃省玛曲县(西部)及迭部县(东部)接壤带,南邻松潘-甘孜,北接西秦岭。区域上位于阿尼玛卿断裂以北,白龙江隆起之上,北部控制边界为迭山断裂,南部为玛曲断裂。松潘地块北缘和西秦岭造山带深地震反射探测表明,松潘地区和西秦岭造山带同属一个稳定的大陆地块——松潘甘孜地块,白龙江隆起的大地构造属性应归属于松潘甘孜地块(高锐等,2006;牛新生等,2010)。
研究区出露震旦系至古生界,白龙江隆起两侧坳陷内大面积分布强烈变形、变质的三叠纪地层(Huang et al.,2003;Ratschbacher et al.,2003),白垩系较为分散,现今孤立展布(图2)。上白垩统热鲁组为一套紫红色陆相粗碎屑岩组合,具有下粗上细的韵律结构,划分为下部砾岩组和上部砂泥岩组。
图1 研究区大地构造位置图Fig.1 Geotectonic map showing the location of the Gahai basin
图2 尕海盆地地质图Fig.2 Simplified geologic map of the Gahai basin in Songpan-Ganze region
热鲁组以陆源碎屑岩为主,含少量泥岩和石膏岩。碎屑岩以中粒砂岩为主,次为砾岩。由于碎屑岩的碎屑成分可以直接反应物源区岩石性质,碎屑结构可以揭示物源区构造活动特征,因此,碎屑岩物源区分析一直是沉积盆地分析的主要内容(Dickinson,1985;Miall,2000)。
热鲁组砾岩为一套砖红色厚层-块状中-粗砾岩。砾石成分以棕色、灰色灰岩、紫色泥灰岩、砂岩和石英岩为主,少量火山凝灰岩、粉砂岩等。砾径以0.2~12 cm为主,含砾约为60%,次圆-次棱角状,分选差,多为钙质和铁质基底式胶结,填隙物主要为细砾、砂质和泥质。砾岩物源区岩性以变质石英砂岩、硅质岩、灰岩为主。
砂岩多呈透镜状产出,紫红色、紫灰色,中-细粒,以岩屑砂岩主,少量石英岩屑砂岩和岩屑石英杂砂岩。岩屑砂岩碎屑物质成分和结构成熟度较低,碎屑含量88%~95%,以变质岩岩屑为主,伴有沉积岩和岩浆岩岩屑,岩屑含量20%~40%,结构以次棱角、次圆状为主,石英和长石的磨圆度比岩屑好,颗粒支撑,钙质胶结(图3)。
碎屑含量的统计采用数点法,即在显微镜下对砂岩薄片中的石英、长石、岩屑颗粒个数分别进行统计,单个薄片统计总数在400颗以上。每个薄片以统计碎屑颗粒总数为总体,对石英、长石、岩屑相对比例进行换算,获得碎屑颗粒实际百分含量。之后利用TriPlot三角图软件,将碎屑颗粒实际百分含量投点到Dickinson 1983年修改版三角图图解和Dickinson 1985年辅助三角图图解之上(Dickinson et al.,1983;Dickinson,1985),从而获得物源区的岩石类型以及构造背景信息。虽然岩石存在成岩作用的改造,但这并不影响碎屑含量的统计,误差小于3%(魏玉帅等,2006)。投影结果显示碎屑组分主体落在再旋回造山带的石英再旋回和过渡再旋回区域(图4)。
图3 热鲁组岩屑砂岩典型显微照片(放大倍数5×10)Fig.3 Representative micrographs of the Relu Formation sandstones
图4 尕海盆地热鲁组砂岩碎屑成分三角图解(Dickinson et al.,1983;Dickinson,1985)Fig.4 Triangular Qm-F-L and Qm-F-Lt plots for the sandstones from the Relu Formation of Gahai basin
本区晚白垩世热当坝剖面位于若尔盖县红星乡北(图2),起点距红星乡塔玛村南4 km左右,终点为热当坝砖瓦厂。本文研究碎屑砂岩样品(K2)取自该剖面。锆石分析在河北区调队(廊坊)完成,约5 kg的中粒砂岩样品,经淘洗、电磁选和重液分选后,在双目镜下随机选取大小和形态各异的锆石颗粒。锆石制靶和锆石阴极发光(CL)图像的拍摄在中国地质科学院完成。碎屑锆石U-Pb年龄测定在西北大学大陆动力国家重点实验室激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)上完成。标样采用91500std、GJ-1 和 GSE-1G;pulse=350;rep rate=8 HZ;激光斑束直径为35 μm。首先要进行样靶(a771、a772)的安装,在完成样靶的清洗后,用酒精溶液将样靶表面的镀金拭去,然后等待LA-ICP-MS仪预热完毕,最后安装样靶。实验流程为每测定5个样品点测定一次锆石标准(Wiedenbeck et al.,1995),每测定20个样品测定一次GSE、GJ。试验中采用He作为剥蚀物质的载气,用标准参考物质NIST SRM610进行仪器最佳化,使仪器达到最大灵敏度、最小氧化物产率、最低背景值和稳定的信号。采样方式为单点剥蚀,信号采集选用快速跳峰方式(Peak jumping),接收物质有202Hg、204Pb(204Hg)、206Pb、207Pb、和238U。
样品选取85颗锆石点采集数据。对于碎屑锆石年龄大于1000 Ma的样品,由于大量放射性成因Pb的存在因而采用207Pb/206Pb表面年龄,而对于小于1000 Ma的样品,由于可用于测量的放射性成因Pb含量较低和普通Pb校正的不确定性,因而采用更为可靠的206Pb/238U表面年龄(柳小明和袁洪林,2002)。
图5 部分碎屑锆石阴极发光图片(图片所标数值为分析点号及对应年龄)Fig.5 Cathodoluminscence images of analyzed zircons(the figures in circles denote spot numbers and ages)
锆石阴极发光不仅对锆石的成因、内部结构、环带发育有重要指示作用,而且在测年及同位素测试过程中起着重要的参考作用(闫义等,2003;Yuan et al.,2004)。测试所选锆石环带发育良好,代表自岩浆活动形成后没有遭受足以影响锆石封闭系统受到破坏的构造热事件。个别锆石具有典型核-幔-边环带特点,核部代表成岩过程中锆石结晶年龄,而边部则代表变质年龄。锆石整体呈现以下几点特征(图5):(1)锆石的发光程度不均一,部分锆石发光较差;(2)锆石环带发育,部分锆石核-幔-边较明显;(3)具有复杂的成因构造,以岩浆成因锆石为主,极少数可能受到变质干扰。(4)锆石颗粒形态不一,部分磨圆较差,有明显的棱角状,并且受到一定的机械破坏,呈碎屑状,可能时代较老造成的。(5)颗粒粒度较大。
共选取85颗锆石进行LA-ICP-MS U-Pb测年,获得78个谐和数据点(表1)。这些数据点均分布在谐和线附近,表明U-Pb同位素体系基本上保持封闭状态,受岩浆活动或者变质作用导致的定年系统破坏扰动微弱或不存在。利用Isoplot绘出年龄分布频率直方图(图6)。
图6 尕海盆地晚白垩世碎屑沉积岩锆石U-Pb年龄分布频率图Fig.6 Zircon U-Pb age distributing frequency diagram for the Late Cretaceous clastic sedimentary rocks in the Gahai basin
最古老锆石年龄为(2575±10)Ma、(2575±12)Ma,编号分别为K2-13,K2-19。最新年龄(137±2)Ma,为早白垩世,编号为K2-24。表明该套地层时代应晚于早白垩世。盆内早白垩世财宝山组发育一套灰-灰白色中酸性流纹质英安岩及英安质流纹岩,可能是早白垩世碎屑物质的主要来源。年龄直方图(图6)显示碎屑锆石具有从2575~137 Ma很大的年龄谱范围,年龄总体分布于两个区间,为220~480 Ma(共29粒)和1600~2575 Ma(共44粒),没有具有绝对优势的峰值年龄,相对较强的峰值出现在226 Ma、1786 Ma和1995 Ma附近。曲线特征表明尕海盆地锆石年龄具有年龄跨度大的特点,很难从单个年龄段分析其物源。
表1 松潘地区尕海盆地上白垩统热鲁组碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb定年结果Table 1 LA-ICP-MS U-Pb results of the detrital zircons from the Upper Cretaceous series in the Gahai basin of the Songpan region
(续表1)
据前人古生物研究结果及下伏地层中火山岩年龄为(112±27)Ma,热鲁组属晚白垩世-古近纪(何萌,2009)。碎屑锆石测年最新年龄为137 Ma,指示该地层时代应晚于早白垩世早期。
岩石成分和结构成熟度较低,推断岩石搬运距离近或者来自地形高处。岩屑抗风化能力弱,其大量出现反映当时干燥的气候条件和快速的剥蚀堆积环境,碎屑物离开源区后近源快速堆积。Dickinson三角图解结果表明上白垩统热鲁组物源区主要为再旋回造山带,反映物源区以沉积岩和变质岩为主。但是碎屑锆石年龄曲线表明尕海盆地锆石具有年龄跨度大的特点,很难从单个年龄段分析其物源。
前人对松潘甘孜地区三叠纪的沉积碎屑物物源进行了大量的研究工作,这为本文的研究奠定了基础。尽管前人对松潘-甘孜地区碎屑锆石研究数据各有不同的解释,但碎屑锆石年龄分布基本一致。Weislogel等(2006)认为松潘-甘孜三叠系复理石分为南部沉降中心和北部沉降中心。晚侏罗世早期南部沉降中心主要接受秦岭-大别造山带碎屑物,之后接受秦岭-大别造山带和华北地块碎屑物质,晚侏罗世晚期以秦岭-大别造山带、华北地块和华南地块作为物源区。北部沉降中心主要以秦岭-大别造山带和华北地块作为物源区。隆升前两者又被后期的构造作用混合,使其具有基本一致的碎屑锆石年龄分布特征。
将前人研究成果与尕海盆地碎屑锆石年龄分布进行对比,整体分析碎屑锆石年龄曲线特征,总结出尕海盆地物源特征。图7为碎屑锆石年龄分布曲线对比图。其中主要与Weislogel等(2006)、王伟等(2007)和刘飞等(2006)、陈岳龙等(2008)在该区所做研究结果进行对比,Weislogel等(2006)研究的新都桥组和雅江组样品取自阿坝-壤塘一线。阿坝-壤塘一线三叠纪复理石砂岩碎屑组分来源与瓦切-川主寺一线相似(王志鹏,2009);卡车组样品位于白龙江隆起北部的洮河坳陷(Weislogel et al.,2006),卡车组为若尔盖地区一套上三叠统(Yin,2003),王伟等(2007)和刘飞等(2006)的样品均取自白龙江隆起南部的若尔盖坳陷;陈岳龙等(2008)的样品取自松潘-甘孜东北合作地区。尽管前人的研究区地理位置与本文研究区关系并不大,但样品均采自松潘-甘孜中-上三叠统,且中-上三叠统在该区域分布广,厚度大(Yin,2003;范晓,2009)。
本文所得年龄分布曲线与前人研究结果对比(图7)显示,碎屑锆石年龄谱总体分布非常吻合。如图6,尕海盆地碎屑锆石年龄存在五个峰值,分别为 230 Ma、300 Ma、440 Ma、1700~2000 Ma 和2520~2500 Ma,中-上三叠统碎屑锆石年龄数据也具有相同的峰值分布特点。尕海盆地碎屑锆石年龄在800 Ma和1000 Ma附近也有少量分布,在中-上三叠统中如图7所示,杂谷脑组、新都桥组、雅江组均有少量分布。尽管对比数据采集位置与研究区相差甚远,但尕海盆地也广泛发育中-上三叠统,扎尕山组、杂谷脑组、新都桥组、侏倭组等正好为晚白垩世盆地提供物质来源。说明尕海盆地物源主要来自该区内三叠纪地层,较少或几乎没有来自前三叠纪地层。
图7 尕海盆地晚白垩世碎屑沉积岩锆石U-Pb年龄与三叠纪碎屑锆石年龄对比图Fig.7 Comparison of zircon age distribution for the Late Cretaceous clastic sedimentary rocks in the Gahai basin and other sedimentary rocks in the region
晚三叠世以来松潘-甘孜造山带形成,区域地层开始抬升剥蚀(Sengr,1987;饶荣标,1987;杨逢清和杨恒书,1994)。晚燕山期,西秦岭-松潘一带又发生了一次伸展作用而形成广泛分散的白垩纪到古近纪断陷红色陆相盆地,并常沿走滑断裂呈拉分盆地型斜列分布(郭福祥,1999;苏本勋等,2006;王清晨和蔡立国,2007)。热年代学数据显示该区所有岩体冷却历史相似,侏罗纪和白垩纪非常缓慢有规律地冷却,表明在该时期无重要的构造事件,松潘-甘孜地区经历了晚三叠世末期快速隆升之后,在很长一段时间内保持相对稳定(Roger et al.,1995,2000,2011)。晚白垩世,盆地周围地层遭受剥蚀,盆地接受沉积,测年结果显示碎屑锆石继承了三叠纪地层的碎屑锆石年龄分布特征,指示沉积物源主要为遭受了区域变质作用的三叠系,而受前三叠系影响较小,较少或几乎没有来自前三叠纪地层。说明尕海盆地热鲁组主要接受区域上三叠系的剥蚀物。盆地周围物源区均出露三叠系,而现今展布于盆地周围的前三叠系,晚白垩世还未出露遭受剥蚀。由于地形相对变化不大,盆地周围整体以出露三叠系为主,松潘地区整体隆升以后,白龙江地区前三叠系还未剥露,表明白龙江地区在晚白垩世还未隆起。对于松潘-甘孜地区白垩纪整体的地貌形态和构造背景的确定还需要进一步研究。
(1)尕海盆地上白垩统热鲁组砂岩碎屑与区域三叠系岩石成分特征相似,成分和结构成熟度较低,显示短距离搬运沉积的特点。热鲁组碎屑成分三角图解投点主要落在再旋回造山带的石英再旋回和过渡再旋回范围,物源主要来自松潘-甘孜褶皱带的再旋回沉积。
(2)碎屑锆石年龄显示该地层晚于早白垩世,碎屑锆石U-Pb年龄基本继承了三叠纪地层的碎屑锆石年龄分布特征,指示热鲁组沉积物主要来自于松潘-甘孜和西秦岭三叠纪地层,较少或几乎没有来自前三叠纪地层,说明晚白垩世尕海盆地主要接受三叠纪地层剥蚀物质,而现今展布于盆地周围的下伏前三叠纪地层,晚白垩世时尚未出露遭受剥蚀,与前人热年代学数据所得出的晚白垩世该区处于相对稳定构造背景相一致。
致谢:真诚感谢中国地质大学(武汉)马昌前教授、李方林教授提出的宝贵意见,在写作和修改过程中得到魏玉帅教授、戴紧根博士的热心帮助和宝贵建议,在此表示衷心感谢!
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GE Yukui1,2,WANG Chengshan1,2,LI Yalin1,2and ZHANG Yuxiu2
(1.State Key Laboratory of Geological Process and Mineral Resources,China University of Geosciences,Beijing100083,China;2.School of Earth Sciences and Mineral Resources,China University of Geosciences,Beijing100083,China)
The Songpan-Ganzi fold belt in central China is located in the junction of the Qiangtang Block,North China Block and Yangtze Block.In this region,the the pro-Triassic sequences are well developed,while the sediments of Jurassic and Cretaceous are rare.The research of the Gahai basin provides significant information about the evolution of the Jurassic and Cretaceous sedimentation.Using detrital zircon geochronology and Dickinson triangular plots,distinct sediment sources of the Relu Formation can be distinguished in the Gahai basin which is in the Bailongjiang uplift of Songpan-Ganze block.The types of detritus and quartz indicate that the provenance is mainly metamorphic rocks,with low compositional and textural maturities.The source originates from the quartzose recycled origin and transitional recycled origin as exhibited in the Dickinson triangular plots.The youngest concordant age of the detrital zircons from the Relu Formations is 137 Ma,which indicates that the Relu Formation was developed in Late Cretaceous.The results show that the detrital zircons in the Relu Formation were inheritance from the Triassic strata in Songpan-Ganze area.It suggests that the provenance of the Relu Formation was mainly derived from recycled Triassic sedimentary of the Songpan-Ganze complex near Bailongjiang uplift.Actually,the underlying pre-Triassic strata occurring around the basin were not uplifted as denudation areas and provided sediment material to the Gahai basin in Late Cretaceous,which is also supported by the thermochronological results.
detrital zircon;U-Pb ages;provenance analysis;Songpan block;Bailongjiang uplift
P597;P588.2
A
1001-1552(2012)02-0301-011
2011-05-22;改回日期:2011-10-31
项目资助:本文由“松潘地区构造-地层格架与油气远景”项目资助。
葛玉魁(1986-),男,硕士研究生,主要从事含油气盆地分析研究。Email:yukuige@126.com
王成善,Email:chshwang@cugb.edu.cn