黑龙江省老黑山盆地下白垩统穆棱组砂岩地球化学特征及其地质意义

徐银波，李 锋，张家强，孙平昌，毕彩芹，仝立华，李 昭

(1.中国地质调查局 油气资源调查中心，北京 100083；2.吉林大学 地球科学学院，吉林 长春 130061)

0 引 言

在区域构造位置上，老黑山盆地位于张广才岭—太平岭边缘隆起带[1-2]。该构造带西以方正—横道河子—长汀岩石圈断裂为界，与丰茂—亚布力地槽褶皱带相连，东以牡丹江岩石圈断裂为界，与佳木斯—布列亚地块相接[3]。该盆地前期主要开展了煤田勘探工作，结合从煤田收集的资料，2003—2006年吉林大学对本区开展了油页岩的初步评价[4]，总体上该区油页岩勘探程度很低，研究薄弱。为进一步开展油页岩勘探工作，2014年中国地质调查局油气资源调查中心在该盆地部署了一口全取心油页岩勘探井宁油页1井。笔者在对岩心详细的观察和系统测试分析的基础上，对穆棱组砂岩的地球化学特征进行分析，探讨其物源属性及大地构造背景，以期对盆地的进一步研究提供基础性依据。

1 地质背景

老黑山盆地位于我国东北地区兴凯地块之内[5-7](图1)。在古生代期间，兴凯地块主要受古亚洲洋构造域演化的影响，闭合地点多趋向于晚二叠世沿索伦—西拉木伦—长春—延吉一线[8-10]，之后古亚洲洋构造域向滨太平洋构造域构造体制开始转变，使本区经历了较为复杂的构造活动和岩浆活动，形成了一系列大的构造断裂，老黑山盆地便形成于这些断裂带之中。

图1 老黑山盆地大地构造位置(据文献[10])Fig.1 Tectonically location of the Laoheishan Basin(from reference [10])

老黑山盆地位于黑龙江省东宁县境内，为一含煤小型山间断陷盆地，面积约为400 km2(图1)。构造上处于新华夏系第二隆起东缘，盆地的产出位置和形态受北北东向的六道崴子—十八盘山断裂带和煤窑山—九佛沟地堑式断层控制[4]。

盆地充填地层由老到新分别为下白垩统穆棱组(K1ml)、东山组(K1ds)，古近系船底山组玄武岩(βN2c)、新近系更新统(Q3)和全新统(Q4)以及第四系。本区煤和油页岩赋存于下白垩统穆棱组，该地层地表出露较少，与上覆东山组呈平行不整合接触[4]。

穆棱组可进一步划分为2个段，底部为砾岩段，整体为灰绿色砾岩，属于冲积扇沉积，上部为含煤段，主要为泥岩、粉砂岩、细砂岩，以扇三角洲沉积为主，局部发育湖泊沉积。

2 取样分析

本文样品采自宁油页1井(图2)，该井钻穿了穆棱组地层，具有很好的研究价值。由于该井穆棱组砾岩段主要为灰绿色砾岩，故所选取的15块砂岩样品全部采自含煤段。每块样品间隔范围16.3～20.55 m(图3)，平均为17.8 m，所取样品岩性为中砂岩、细砂岩。样品测试分析由吉林大学实验测试中心完成，主量元素分析依据GB/T14506.28，运用熔片法X-射线荧光光谱(XRF)，分析误差小于1%。微量元素和稀土元素依据Q/JUTC010—2007，主要采用等离子体质谱法(ICP-MS)，分析误差小于5%。

图2 老黑山盆地地质图(据文献[11])Fig.2 Geological map of the Laoheishan Basin(from reference [11])

图3 老黑山盆地宁油页1井取样位置图Fig.3 Sampling location of NY-1 well in the Laoheishan Basin

3 镜下特征及地球化学特征

3.1 镜下特征

本次在宁油页1井穆棱组含煤段采集砂岩样品10块，进行磨片分析。运用面积法，在薄片不同区域选取10个观察区域，运用显微镜携带的统计软件进行大体的单颗粒面积圈定，进而统计各种颗粒类型的面积相对含量。统计结果表明，该组砂岩主要由石英(平均含量为62.7%)和长石(平均含量为21.0%)组成(图4(a))，岩屑平均含量为5.3%，并含有少量的黑云母，为长石中细砂岩。长石成分中钾长石含量(平均含量为11.5%)大于钠长石含量(平均含量为9.5%)。岩屑主要为花岗岩岩屑、脉石英岩屑、变质石英岩岩屑、火山岩岩屑等(图4(b))。因此，其母岩为多种岩性，且源岩的岩性也决定了砂岩组成成分中石英含量偏高。砂岩中填隙物含量比较高，多以钙质胶结物为主(图4(c))，呈点接触，孔隙式胶结，砂岩颗粒分选中等到差，磨圆以次棱角状—次圆状为主(图4(d))，属于短距离搬运的近源沉积物。

3.2 地球化学特征

3.2.1 主量元素特征

老黑山盆地穆棱组砂岩主量元素(表1)显示主要组成成分为SiO2、Al2O3和K2O。其中SiO2含量最高，分布区间较集中，为53.56%～72.14%，平均含量65.41%。

老黑山盆地砂岩Fe2O3的含量(平均1.36%)小于FeO的含量(平均1.83%)，而CaO的含量(平均1.38%)大于MgO的含量(平均0.69%)，这与一般的沉积岩特征正好相反。而K2O的含量(平均为3.02%)大于Na2O的含量(平均为2.10%)，Al2O3含量(平均为16.4%)大于K2O+Na2O+CaO含量之和(均值之和为7.06%)，又与一般沉积岩特征相符。这种现象应为由物源岩性引起，同时反映出物源距离较近。

3.2.2 微量元素特征

老黑山盆地穆棱组砂岩微量元素UCC标准化蛛网图(图5)显示所有样品的B、Sc、V、Co、Ni、Rb、Nb、Cs元素都表现为相对亏损的特征；除个别样品外多数样品中Li、Cr、Cu、Zn、Y、Zr、Mo元素相对富集，但其含量普遍低于UCC页岩；而Ga、Sr元素在部分样品中较为富集，部分样品则呈现出亏损特征。整体来说，各样品间的元素富集、亏损规律并不一致，此外，从图5中可以看出各样品之间各元素的相对含量差异很大，从而判断该区可能存在多种类型的物源。

图4 宁油页1井穆棱组砂岩镜下照片Fig.4 Microscope pictures of sandstones in Muling Formation of NY-1 Well

样品SiO2Al2O3Fe2O3FeOCaOMgOK2ONa2OTiO2P2O5MnO烧失量N153.5610.621.221.8812.780.842.902.000.350.040.4113.04N265.4514.282.942.451.411.393.652.720.370.070.085.11N369.8015.280.111.961.070.943.802.820.630.100.032.98N470.0115.151.031.151.160.943.852.890.490.090.032.72N569.1915.472.510.671.922.810.471.080.160.050.015.48N672.1414.500.531.230.950.773.783.000.490.100.032.26N766.9918.061.260.741.211.253.412.540.510.100.023.85N866.8117.031.061.670.931.003.432.550.720.120.044.38N971.7915.230.531.230.520.503.842.150.460.040.033.22N1059.5422.090.971.470.590.832.401.120.830.020.019.86N1167.0515.520.851.721.100.782.961.980.550.070.027.27N1264.4218.252.060.901.831.913.182.690.530.200.023.77N1363.3116.181.812.942.051.373.122.470.650.140.075.56N1460.9522.151.511.720.610.782.541.270.850.060.037.06N1560.2016.241.985.790.931.192.000.230.850.030.0710.23

图5 穆棱组砂岩微量元素UCC标准化蛛网图(UCC数据引自文献[12])Fig.5 UCC-normalized spider diagram of sandstones in Muling Formation (UCC data according to reference [12])

3.2.3 稀土元素特征

从表2可以看出：砂岩的ΣREE含量在69.58×10-6～172.75×10-6之间，平均为115.68×10-6；δEu在0.49～1.04之间，部分样品负异常明显，少量样品不存在负异常；w(La)N/w(Yb)N比值为3.23～19.56，平均值为8.83，并结合w(LREE)/w(HREE)分布于4.37～14.82之间，平均值为8.22，表明多数样品为轻稀土富集。进一步根据老黑山盆地穆棱组砂岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(图6)可以看出，总体而言，各样品都表现出右倾的趋势，即轻稀土元素与重稀土元素分异明显。

图6 穆棱组砂岩稀土元素球粒陨石标准化配分模式图(球粒陨石数据引自文献[13])Fig.6 Chondrite-normalized REE distribution patterns of sandstones in Muling Formation (Chondrites data according to reference [13])

4 地质意义

4.1 风化作用及沉积分选

由于氧化作用和U的丢失，w(Th)/w(U)值随着风化程度的增加而增加，当w(Th)/w(U)>4时表明与风化作用有关[13]。老黑山盆地穆棱组砂岩w(Th)/w(U)-w(Th)图解(图7)显示，w(Th)/w(U)值总体处于上地壳w(Th)/w(U)=3.8之下，表明老黑山盆地的物源区处于弱到中等风化程度，也呈现出老黑山盆地物源快速隆起剥蚀、近距离搬运埋藏的特征。

图7 穆棱组砂岩w(Th)/w(U)-w(Th)图解(底图据文献[14]) Fig.7 Diagram of Th/U-Th of sandstones in MulingFormation (base map from reference [14])

沉积分选与再循环往往会造成重矿物的富集，从而引起某些元素的富集[14]。锆石是Zr元素主要赋存的矿物，同时矿物稳定性很强，会随着沉积再循环而富集在沉积物中。Th通常在酸性岩中赋存，相反Sc赋存在基性岩中，w(Th)/w(Sc)值在沉积再循环过程中不会发生改变，因此常被用来进行物源化学成分变化的研究[15]；而w(Zr)/w(Sc)值往往因沉积再循环过程中锆石的富集而增大，且不受后期热液稀释等作用的影响[15]。因此，w(Zr)/w(Sc)和w(Th)/w(Sc)值是反映沉积物成分变化、分选程度、重矿物富集程度的重要指标。老黑山盆地穆棱组砂岩w(Zr)/w(Sc)-w(Th)/w(Sc)图解(图8)显示砂岩样品点群分布在该图解中上地壳区域周围，表明这套砂岩没有经历沉积再循环，为近源沉积，源岩主要为长英质岩石。

4.2 砂岩源岩属性

稀土元素的地球化学特征对于指示源岩具有重要意义[16]。一般Sc、Ni、Cr、Ni、Cr、Co倾向于在基性岩石中富集，而La、Th、Hf、Zr和REE倾向富集于酸性岩石[17]。本区样品的轻稀土较为富集，La等元素的相对含量也较高，表明本区砂岩物源主要来自于酸性岩石。但是在部分样品中Eu负异常不明显，而砂岩中未发现玄武岩等基性岩岩屑，说明Eu的含量受其他因素的影响。根据本区δEu与w(LREE)/w(HREE)呈现较为明显的正相关性(图9)，说明在长英质岩石为主的物源中Eu含量相对较高，这可能与砂岩中存在较多的长石有关。

表2 老黑山盆地穆棱组砂岩微量稀土元素数据(wB/10-6)

图8 穆棱组砂岩w(Zr)/w(Sc)-w(Th)/w(Sc)图解(底图据文献[14])Fig.8 Diagram of Zr/Sc-Th/Sc of sandstones in Muling Formation(base map from reference [14])

图9 穆棱组砂岩δEu-w(LREE)/w(HREE)相关性图解Fig.9 Diagram of δEu-LREE/HREE of sandstones in Muling Formation

w(La)/w(Th)-w(Hf)图解(图10)显示,老黑山盆地穆棱组含煤段砂岩源岩可能来自长英质、基性岩混合物源，酸性岛弧物源。

图10 穆棱组砂岩w(La)/w(Th)-w(Hf)图解(底图据文献[18])Fig.10 Diagram of La/Th-Hf of sandstones in Muling Formation(base map from reference [18])

w(Co)/w(Th)-w(La)/w(Sc)图解(图11)显示，老黑山盆地穆棱组含煤段砂岩源岩主要来自长英质火山岩，其他来源包括花岗岩和安山岩。这两个图解均表明该套砂岩物源除了主要来自长英质火山岩外还存在其他类型的物源，和微量元素富集亏损及岩屑类型所反映出的物源信息一致。

图11 穆棱组砂岩w(Co)/w(Th)-w(La)/w(Sc)图解(底图据文献[19])Fig.11 Diagram of Co/Th-La/Sc of sandstones in Muling Formation (base map from reference [19])

4.3 物源区大地构造背景

4.3.1 地球化学

图12 穆棱组砂岩沉积构造环境判断图(底图据文献[20])Fig.12 Tectonic setting discrimination diagram of sandstones in Muling Formation (base map from reference[20])

部分微量元素在岩石中是不活泼的，在搬运和沉积过程中表现出微弱变化，能很好地反映物源区的源岩形成时的构造环境[20]。在微量元素w(Th)-w(Co)-w(Zr)/10、w(Th)-w(Sc)-w(Zr)/10、w(La)-w(Th)-w(Sc)构造环境判别图解(图12)中显示，老黑山盆地穆棱组含煤段砂岩投点主要落在大陆岛弧和活动大陆边缘两个区。

4.3.2 镜下鉴定

图13 穆棱组砂岩组分Dickinson图解(底图据文献[22])Fig.13 Dickinson diagram of sandstones in Muling Formation(base map from reference [22])

通过对样品粒度统计分析,发现砂岩碎屑并没有受到成岩作用和后期变质作用改造，各种颗粒基本完整，几乎没有影响碎屑含量及类型。通过镜下统计并在Dickinson三角图解[21-23]中投点，从而获得物源区大地构造背景信息。在Dickinsion 的Q-F-L、Qm-F-Lt、Qm-P-K和Qp-Lv-Ls三角图解(图13)中显示老黑山盆地穆棱组砂岩的物源组分主要落在再旋回造山源区，成熟度和稳定性为中等到差。由镜下组分分析知道，物源以长英质岩石为主，可能源自基底隆起的花岗岩剥蚀和弧造山等。

5 讨 论

综上所述，微量元素、稀土元素地球化学特征及岩屑类型表明：老黑山盆地下白垩统穆棱组砂岩的源岩以长英质火山岩、花岗岩等为主，主要来自再旋回火山造山带和基底隆起区。源岩区构造背景主要为活动大陆边缘，这与吉黑东部中生代岩浆活动所反映的构造背景基本相吻合[24-25]。通过对吉黑东部晚三叠世—早中侏罗世岩浆活动的研究可知：在黑龙江省东宁、绥芬河、鸡东以及吉林省汪清、珲春一带有晚三叠世—早中侏罗世火山岩系分布，同时亦有更为广泛分布的印支晚期花岗岩类侵入体，二者属同源同期不同相的产物。该岩浆带多分布在敦化—密山深断裂的东南侧，整个岩带的延伸方向大体与亚洲东缘的深海沟相平行[24]。通过对东宁地区晚三叠世末期花岗岩地球化学特征研究，花岗岩主要属于中钾钙碱性系列，具有活动大陆边缘花岗岩的特征[26]。通过对火山岩岩石学和地球化学性质分析，火山岩以钙碱性火山岩为主，与安第斯型活动大陆边缘的火山岩的岩石组合和地球化学特征相似，反映这一地区在晚三叠世—早中侏罗世处于安第斯型活动大陆边缘[25]。这与文中砂岩物源区构造背景类似。前人研究[25,27-29]表明：晚三叠世—早中侏罗世时期，在印支运动作用下，太平洋板块向欧亚板块开始俯冲，太平洋与亚洲大陆之间沿西太平洋贝尼奥夫带发生强烈挤压，使中国东部滨太平洋构造域强烈活动，导致亚洲东部的稳定大陆边缘转变为活动大陆边缘，强烈的大陆边缘造山运动形成岩浆侵入或碰撞带火山系等再旋回造山源区。上述吉黑东部晚三叠世大规模岩浆喷发和侵入活动正是这一构造的产物。本次研究所揭示的老黑山盆地下白垩统穆棱组碎屑沉积组分的源区构造背景为活动大陆边缘环境，并结合研究区及周围地质图中老黑山盆地西部太平沟—北部九佛沟中生代岩体分布图分析认为，其源岩主要来自于晚三叠世的长英质火山岩和印支晚期侵入岩，而少量可能来自于晚二叠世的变质岩。

上述研究表明，晚三叠世—早中侏罗世，当太平洋板块向欧亚板块俯冲时，吉黑东部大陆边缘地带，即太平岭、长白山一带发生活化，形成造山后的伸展环境，促进了包括老黑山盆地、东宁盆地在内的小型山间断陷盆地的发育，并有强烈的岩浆喷溢—侵入活动，这些喷溢和侵入的火山岩快速抬升隆起，经剥蚀和搬运，充填在这些盆地中[26]。

6 结 论

(1)老黑山盆地下白垩统穆棱组砂岩微量元素、稀土元素和显微镜下特征表明，其源岩具有多种岩性，岩石类型以长英质火山岩为主，含少量变质岩，经历了弱到中等风化，分选磨圆较差，为近源搬运，快速沉积。

(2)穆棱组碎屑组分源岩主要形成于印支运动晚期活动大陆边缘构造背景下的再旋回岛弧造山源区和陆块物源基底隆起区。

(3)穆棱组源岩主要来自于晚三叠世的长英质火山岩和侵入岩，而少量可能来自于晚二叠世的变质岩。