内蒙古大兴安岭中南段土城子组形成的沉积环境与构造背景

陈 彪 曲洪祥, 贾 彬 仲米山 曹元宝 刘 君 刘兴国 薛彦萍

(1.中国人民武装警察部队黄金第四支队；2.辽宁省地质勘查院)

近年来，在内蒙古大兴安岭地区中国地质大学(北京)开展的乌兰浩特市1∶25万区域地质调查(修侧)、武警黄金第四支队开展的复兴屯等4幅和特莫牧场等4幅1∶5万区域地质矿产调查工作均发现了土城子组[1-5]，加之曲洪祥等[6]对区内土城子组的深入研究，认为该区完全可以与燕辽地区的土城子组对比。但由于该区处于大兴安岭中生代火山带，沉积岩不甚发育，导致区内沉积学研究相对薄弱，尤其是土城子组。本研究对区内土城子组形成的沉积环境与构造背景进行分析，为大兴安岭地区沉积学研究提供可靠依据。

1 研究区地质概况

研究区位于内蒙古东部大兴安岭东南段，处于华北板块与西伯利亚两大板块的汇聚带，即西伯利亚板块南缘增生带与华北板块北缘增生带交汇处[6]。中生代以来，研究区便进入了欧亚板块构造演化阶段，主要受滨太平洋构造域和特提斯构造域的影响。前中生代时期，区内地层区划属北疆—兴安地层大区、兴安地层区、乌兰浩特—哈尔滨地层分区。区内仅出露石炭纪—二叠纪地层，该期地层均遭受了区域浅变质变形作用。中生代—新生代时期，地层区划则隶属于滨太平洋地层区、大兴安岭—燕山地层分区、乌兰浩特—赤峰地层小区，该期地层变质变形相对较弱[6]。土城子组下部岩性为灰紫色厚层砂砾岩夹粉砂岩；中部为砂砾岩夹流纹岩、安山岩及暗灰色安山质含角砾晶屑凝灰岩；中上部为凝灰质砂砾岩、长石砂岩，夹沉角砾凝灰岩。该组以灰色复成分砾岩与下伏上二叠统林西组碳质板岩分界，两者为角度不整合接触。该组以上为侏罗系满克头鄂博组流纹岩、玛尼吐组安山岩或白垩系白音高老组流纹岩分界，两者为不整合接触关系。该厚度变化较大，出露厚度为9.6～1 325 m。该组碎屑锆石U-Pb年龄分别为(163.1±1.6)Ma、(154.9±1.5)Ma，安山岩锆石U-Pb年龄为(158.0±1.8)Ma，其地质年代应为晚侏罗世[6-7]。

2 土城子组沉积环境

土城子期正值晚侏罗世欧亚大陆内部干旱的鼎盛时期，整个冀北—辽西—研究区均处于大面积的干旱气候带[8-13]。土城子期为一套陆相沉积，沉积相类型复杂。冀北—辽西地区主要发育河流相、冲积扇相和湖相沉积，少量为沙漠相、沼泽相沉积。研究区土城子组沉积相类型较简单，仅见河流相长石杂砂岩、冲积扇相复成分砂砾岩沉积。该组砂岩粒度频率累积曲线是由跳跃次总体(78.80%～91.57%)和悬浮次总体(8.44%～21.21%)组成，跳跃次总体与悬浮次总体之间的交截点φ值为2.75～3.0，跳跃次总体直线段的斜率为65°，显示河流相沉积的特点。标准偏差(σ)为0.9～0.93，表明砂岩粒度分选中等。偏度(Sk)值为1.17～1.67，为正偏度，峰度偏向粗粒度一侧，说明沉积物以粗组分为主，细粒一侧表现为较低的尾部，为双峰态频率曲线。尖度或峰度(Kg)值为0.95～1.15，显示中等(正态)。标准偏差(σ)、偏度(Sk)及尖度或峰度(Kg)值均显示河流相沉积的特征。综合分析认为，研究区土城子组形成的沉积环境为冲积扇相和河流相，未见湖相和沙漠相沉积。

3 土城子组沉积盆地构造背景

3.1 岩 相

研究区土城子组砂砾岩较发育，粒度和成分成熟度较低，有细粒长石杂砂岩夹层，河流相“二元结构”不明显。该组上部单元较薄或不发育，呈块状层理，或具有不明显的平行层理、大型板状交错层理。砂岩属河流相形成的产物；砂砾岩形成于冲积扇相，多为扇根亚相泥石流筛状物沉积、扇中和扇端漫流及河道沉积。土城子期沉积盆地处于坳陷幅度较大、坳陷速率较快的构造背景，显示了地壳升降较频繁的山前坳陷的特点，与贺根山断裂带有密切关联。

3.2 地层厚度

研究区土城子组厚度变化剧烈，科右前旗胡尔勒—德兴屯一带，土城子组发育较全，顶、底界限清楚，基本代表了该组的原始沉积厚度，胡尔勒(厚度1 157 m)、德兴屯(厚度1 325 m)两地相距仅25 km，厚度却相差了168 m，表明区内地壳坳陷的幅度有较大差异。科右前旗树木沟—满族屯—草根台沟一带，一方面受贺根山断裂带不均匀升降运动的影响，该期盆地多显示了各自孤立的盆地群，如满族屯一带该组出露厚度为419.2 m，草根台沟厚度为356.4 m，而树木沟出露厚度仅10余米；另一方面由于受贺根山断裂带后期下沉的影响，造成该盆地地层均发育不全(未见底)。中生代晚期，该盆地除满克头鄂博期、玛尼吐期、白音高老期及梅勒图期出现大规模火山喷发活动以外，其实，土城子期火山活动便已开始，强度相对较弱，火山活动规模不大，火山岩呈夹层产出。新生代时期，火山活动也时有发生，发育有新近纪火山岩(五叉沟组玄武岩)和第四纪火山岩(西口组玄武岩)，均反映了贺根山断裂带多期火山活动的特点。

3.3 沉积岩成分

3.3.1 砂岩矿物成分

据杂砂岩成分与大陆边缘类型的关系(表1)[7]，可知研究区土城子组的构造背景主要显示为安第斯型主动大陆边缘。

表1 杂砂岩成分与大陆边缘类型的关系

3.3.2 化学成分

3.3.2.1 主量元素

通过将研究区土城子组与各类构造环境(大洋岛弧、大陆岛弧、安第斯大陆边缘、被动大陆边缘)砂岩化学成分进行对比可知，研究区土城子组蚀源区的构造环境主要为大陆岛弧(期望值53.3%)，也有来自安第斯大陆边缘(33.3%)、大洋岛弧(6.7%)、被动大陆边缘(6.7%)，反映了该组为非稳定型建造的砂岩化学成分特征，进而说明该组蚀源区具有复杂的构造环境。土城子组砂岩主量元素w(Na2O)/w(K2O)-w(SiO2)构造环境判别图解(图1)显示构造环境为活动大陆边缘。微量元素w(Ti)/w(Zr)-w(La)/w(Sc)构造环境判别图解(图2)显示构造环境主要为活动大陆边缘，次为大陆岛弧。w(TiO2)-w(Fe2O3(T)+MgO)构造环境判别图解(图3)显示构造环境为大陆边缘弧。综合分析认为研究区土城子组物蚀源区应来自活动大陆边缘，反映了该组蚀源区与二叠纪古亚洲洋的俯冲作用有关。

图1 w(Na2O)/w(K2O)-w(SiO2)构造环境判别图解

图2 w(Ti)/w(Zr)-w(La)/w(Sc)构造环境判别图解

图3 w(TiO2)-w(Fe2O3(T)+MgO)构造环境判别图解

3.3.2.2 微量元素

研究区土城子组砂岩的稀土元素球粒陨石标准化曲线与安第斯型主动大陆边缘和大陆岛弧球粒陨石标准化曲线相似，反映出区内土城子组源区类型主要为切割的岩浆弧，个别物源来自于未切割的岩浆弧区(图4)。

图4 土城子组砂岩稀土元素球粒陨石标准化曲线

综上分析，土城子期沉积盆地的蚀源区构造环境主要为安第斯型主动大陆边缘和大陆岛弧，土城子组物源区类型主要为切割的岩浆弧，个别物源来自于基底隆起区；土城子组蚀物源区的构造环境具有与安第斯型主动大陆边缘和大陆岛弧型物源区的特点，反映了该组物源区与二叠纪时期古亚洲洋的俯冲作用有关，又受后期滨太平洋构造域的影响。

4 结 语

结合岩体取样分析结果，对大兴安岭中南段土城子组形成的沉积环境和构造背景进行了详细分析。研究表明：区内土城子组的积环境为冲积扇相—河流相；土城子组蚀源区的构造背景主要为安第斯型主动大陆边缘，次为大陆岛弧，源区类型主要为切割的岩浆弧，少量来自于基底隆起区。