三叠纪鄂尔多斯盆地东南边缘的扩张——来自南召地区沉积及碎屑锆石年代学的证据

刘 溪, 李艳广,杨喜彦,韩 伟，马 瑶，张 乔，李文厚

(1.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室,陕西 西安 710069;2.中国地质调查局 西安地质调查中心,陕西 西安 710054;3.青海油田公司气田开发处，甘肃 敦煌 736202;4.西安石油大学 地球科学与工程学院/陕西省油气成藏地质学重点实验室,陕西 西安 710065)

鄂尔多斯盆地位于华北板块西部,南邻秦岭造山带,是中国仅次于塔里木盆地的第二大沉积盆地。三叠纪华南板块与华北板块全面碰撞拼接,造成秦岭造山带的强烈隆升。鄂尔多斯盆地的性质在这一时期也发生了重大改变,由前中生代大华北陆相沉积盆地的一部分演化为中新生代独立的大型内陆盆地[1]；且盆地内部在晚三叠世广泛发育一套河流—湖泊相为主的碎屑岩地层,被命名为延长组,这套地层既是盆地中生界最重要的含油层系,更是鄂尔多斯盆地中生代早期湖盆范围界定的重要标志。尤其是深湖相中发育的重力流砂体,已成为盆地致密油重点研究的对象[2-3]。然而，由于受到三叠纪时期华南板块向华北板块的深俯冲作用,以及晚中生代古太平洋板块向华北板块下的俯冲的影响,鄂尔多斯盆地东南部强烈抬升,该区广泛发育的延长组地层被剥蚀并大面积缺失,造成三叠纪鄂尔多斯盆地的范围难以准确确定。有学者认为，三叠系鄂尔多斯盆地的范围可向东扩至吕梁地区[4-6],有学者认为南缘可一直扩大至北秦岭商丹带以北的柳叶河地区[7-8],但南缘东段的位置无法确定。

要确定鄂尔多斯盆地南缘东段的位置,就需要对鄂尔多斯盆地周缘,特别是其南缘的三叠系开展详细的年代学和沉积学研究,通过详细的沉积地层对比、精细的年代学和沉积物源分析,识别周缘三叠系与鄂尔多斯同期地层的亲缘性。

研究认为，紧邻鄂尔多斯盆地南缘的北秦岭带东段南召地区,其存在三叠纪地层。虽然目前有一些学者对其进行了沉积、构造等方面的研究,但仍然缺乏系统的沉积地层对比和年代学制约[9-12]。因此，本文从沉积学、层序地层学、年代学的角度对北秦岭带东段的南召地区三叠系地层开展研究,探讨其与鄂尔多斯盆地的相关性,从而为鄂尔多斯盆地三叠系湖盆展布的范围提供新的证据，并为以后的油气勘探提供新的思路。

1 研究区概况

南召地区位于现今鄂尔多斯盆地东南部,行政区划上位于河南省西南部南阳市,区域构造上位于商丹断裂带和洛南—栾川断裂带之间的北秦岭造山带东段,面积约为280 km2,是一个北西西—南东东走向的狭长区域[10](见图1)。

前人研究认为，该地区基底主要由中元古代宽坪群斜长角闪片岩、云英片岩、大理岩及早古生代二郎坪群的细碧岩、石英角斑岩、大理岩组成,沉积盖层主要为三叠系太山庙组及太子山组的碎屑岩[9-10],且周围多出露晋宁期—海西期花岗岩侵入体[13-14]。

本文选取南召地区太山庙剖面进行沉积剖面实测,在此基础上,通过层序地层学分析和碎屑岩锆石定年技术重新厘定太山庙组和太子山组碎屑岩地层的岩性段,识别沉积特征，探究地层沉积年龄,重新划分沉积相并与鄂尔多斯盆地本部进行对比,进一步探讨鄂尔多斯盆地三叠系沉积展布的范围。

2 层序地层划分及特征

2.1 层序地层划分

三叠系在鄂尔多斯盆地分布广泛,中晚三叠世延长组构成5个沉积旋回(T3y1～ T3y5),分别代表大型淡水湖盆形成、发展、鼎盛、萎缩、消亡的完整演化历史,后被进一步被分为10个油层组,自底至顶分别为长10～长1[15-17]。南召一带的沉积特征与本部存在一定的差异。本文通过对研究区太山庙剖面的详细观察和实测,识别出5层较为明显的泥岩段,认为其代表了三叠纪沉积时期5个湖平面的相对高点,即湖泛面,并划分出1个Ⅱ级层序与5个Ⅲ级层序(自下而上命名为SQ1～SQ5)，这与鄂尔多斯盆地本部延长组层序地层研究结果有较好的对应。

2.2 层序沉积特征

从太山庙剖面上看,南召地区三叠系为一套陆相碎屑岩沉积,总体厚度约1 100 m,地层陡立,主体向南倾斜。自南向北,地层由老到新出露,各Ⅲ级层序岩性特征如下(见图2)。

图1 鄂尔多斯盆地及南召地区区域地质图Fig.1 Regional geological map of Ordos Basin and Nanzhao Area

1)SQ1厚度约为122 m,底部为紫红色砾岩及含砾砂岩,与元古代片岩断层接触,砾石成分主要为片岩及花岗质岩石；据砾石最大扁平面测量古水流方向为285°～300°,表明有来自东南方向的物源。向上岩性逐渐过渡为中—厚层石英砂岩，并与中部的中厚层泥页岩组成上升半旋回。顶部为中—薄层泥岩与薄层石英砂岩、沉凝灰岩的互层。中部与顶部构成的下降半旋回与上升半旋回具有较好的对称性。根据底部砾岩的出现以及砾石成分,判断其主要为近源堆积,且砾石来自底部元古代片岩及周边加里东期的侵入体。结合前人研究认为，其主要为冲积扇相。下降半旋回中的砂岩中可见粒序层理及滑塌构造,应为重力流沉积特征,故而判断其为半深湖—深湖相沉积。沉凝灰岩及重力流的出现说明此时期南召地区处于构造活动背景下。

2)SQ2厚度约144 m,中部的深灰色泥岩夹粉砂质泥岩为本层序组的湖泛面,与底部的厚层细粒石英砂岩及顶部薄层泥岩夹细砂岩共同构成了一个完整的中级沉积旋回。上升半旋回略长于下降半旋回。上升半旋回粉砂岩及泥岩中发育垂直虫孔和植物碎片化石,故判断其为浅湖沉积；下降半旋回砂岩底部可见重力流成因的槽模,代表深湖相浊流沉积。

图2 南召地区与鄂尔多斯东南部三叠系地层对比柱状图[18-19]Fig.2 Stratigraphic correlation column of Nanzhao Area and Southeastern Ordos Basin in Triassic

3)SQ3厚度约144 m,中部及底部主要由黑色炭质泥页岩加薄层凝灰岩及钙质泥岩组成,为本Ⅲ级层序的湖泛面,亦为Ⅱ级层序的最大湖泛面。顶部出现薄层细砂岩夹黑色泥页岩,与中下部共同组成完整的沉积旋回,上升半旋回与下降半旋回基本对等。底部凝灰岩层与其上下泥岩层共同发生软沉积变形,顶部砂岩底面发育槽模构造，这些均代表了深湖相重力流沉积。本层序组无论是岩性组合特征还是沉积相均与鄂尔多斯盆地东南部长7段有很好的对应。

4)SQ4厚度约为310 m,中部发育中层暗色泥岩,为本层序组的湖泛面,其上下均由不等厚细粒石英砂岩与暗色泥岩互层组成,为一个完整的沉积旋回。整体上与SQ3相比,本层序组显示出湖退的特征,中部的暗色泥岩推断为整体湖退过程中的一次短期湖进,可与鄂尔多斯东南部长4+5段对比；然而，其并不同于鄂尔多斯本部长4+5段(多为河流三角洲、浅湖相沉积),研究区此段部分石英砂岩底部通常可见小型滑塌变形,较大规模的侵蚀面及槽模等代表深湖相重力流的沉积构造。

5)SQ5厚度约为430 m,主要发育中—厚层细粒石英砂岩与薄层暗色粉砂岩或泥岩互层。本段中并没有明显的厚层状暗色泥岩,砂岩厚度也无显著变化,但在中部发育一层深灰色泥岩,因而认为其也可识别为Ⅲ级层序湖泛面,与其上下岩层组成完整的沉积旋回。由于部分砂岩底部仍可见到粒序层理、侵蚀面及槽模,因此认为本段也应为深湖相沉积。根据槽模测量古水流方向，约为155°,表明可能有来自西北方向的物源。

2.3 凝灰岩特征及其意义

SQ3层序组底部出现的多层凝灰岩夹层,呈现3种不同的沉积状态:①层状凝灰岩,厚度稳定,多为1～10 cm,没有明显变形并与泥岩或页岩频繁互层;②变形凝灰岩,通常与其上下泥岩形成软沉积变形,如包卷层理或结核状沉积;③纹层状凝灰岩,在细砂岩及粉砂岩层中极为发育。据观察,层状凝灰岩在镜下具有流纹构造,其中，石英、长石等颗粒呈棱角状,未见磨圆,且锆石定年数据集中(加权平均年龄234.6 Ma±1.5 Ma,待发表)；未呈现碎屑锆石的年龄特征,说明该类凝灰岩为空降型凝灰岩,未经过水流搬运,快速沉积,因此火山活动应距离研究区不远；又因南召地区构造位置位于北秦岭带内,三叠系为勉略洋闭合,华南板块向秦岭板块下俯冲,最终与华北板块碰撞的转折期,因而推断本层序组中的凝灰岩应是俯冲-碰撞期火山活动发育的产物。结合前人对鄂尔多斯盆地南部长7段凝灰岩夹层的研究结果可知[20-21],南召地区SQ3层序组中凝灰岩的沉积形态、成因、年龄等特征均与长7段一致,根据2017年国际地层年代表,SQ3亦为中晚三叠世分界,故而将SQ3，SQ4，SQ5划分为太子山组,底部SQ1，SQ2划分为太山庙组。

3 碎屑锆石U-Pb同位素年龄测试

3.1 样品描述及测试方法

样品NZ4采自SQ3段上部, 坐标东经112°39′34.7″,北纬33°23′50.5″,地层产状355°∠40°,岩性为深褐色细砂岩,单层厚度20 cm。阴极发光照片上看,锆石颗粒较小,多小于100 μm,晶体形态较为多样,以次圆—次棱为主,说明经历了一定程度的沉积搬运过程；部分样品有明显的振荡环带,是典型的岩浆锆石,部分锆石颗粒有明显的增生边,整体上看,样品呈现出碎屑锆石的特点(见图3)。

图3 南召地区太山庙剖面砂岩中碎屑锆石U-Pb谐和图及阴极发光图像Fig.3 U-Pb concordia diagram and CL images of detrital zircon in sandstone from Taishanmiao profile in Nanzhao Area

本次锆石U-Pb定年测试采用激光剥蚀等离子质谱分析方法(LA-ICP-MS),选用91500和GJ-1作为标样,在西安地质矿产研究所实验测试中心完成。数据处理采用 Glitter 4.4 程序,置信度95%,误差为1σ。

3.2 测试结果及物源分析

本次测试结果锆石年龄介于230～1 654 Ma(见图3), 可分为4个年龄段: ①200～334 Ma， 峰值238 Ma, 占总锆石颗粒的19%; ②400～550 Ma, 存在2个峰值412 Ma及464 Ma, 占比42%; ③640～1 100 Ma, 峰值为991 Ma, 占比26%; ④1 400～1 600 Ma,峰值1 649 Ma,占比13%。

200～334 Ma年龄对应晚海西期—印支期构造热事件,约占总锆石颗粒的19%,其中晚海西期锆石数量较少,只占6%,与北秦岭秦岭群斜长角闪岩年龄对应[22]。印支期为勉略洋壳向南秦岭板块俯冲到洋壳闭合时间段[23-26],在南秦岭中记录了一系列与俯冲相关的变形及碰撞花岗岩,如东江口—柞水岩体[27-30]、五龙岩体[31-32]、光头山岩体[33- 34]等。且北秦岭、华北板块南、北缘也有此期年龄的岩体记录[35-37]。

400～550 Ma年龄代表加里东期碰撞造山事件,此时商丹洋俯冲于北秦岭之下,引发大规模的基性岩与花岗岩侵入,如北秦岭灰池子、红花铺、西峡、王家庄等[38-41]。北秦岭东段二郎坪群火山岩、松树沟榴闪岩[42-43]、南召地区宽坪群及二郎坪群中侵入的黑云母花岗岩、花岗闪长岩、石英闪长岩及花岗斑岩[13, 42, 44- 45]，均与此期年龄有很好的对应性。

640～1 100 Ma的年龄段代表新元古代晋宁期构造运动[46],北秦岭宽坪群云母石英片岩(600～1 200 Ma)、绿片岩(943 Ma)、松树沟蛇绿岩、丹凤地区秦岭群片麻岩(850～950 Ma)[47]及一些侵入的基性—中酸性岩体均含有此段年龄[48-49]。

1 400～1 600 Ma 年龄是本次测试的最老年龄段,与北秦岭秦岭群副变质岩(1 500～1 900 Ma)、丹凤地区片麻岩(1 400～1 600 Ma)对应[47]。

以上结果表明,南召地区砂岩的碎屑锆石年龄谱与北秦岭地区的秦岭群、宽坪群、二郎坪群、丹凤群及侵入其中的花岗岩体有较好的对应。此外，印支期锆石应该来自于南秦岭印支期花岗岩。

3.3 碎屑年龄与鄂尔多斯东南部碎屑锆石年龄对比

前人研究认为,三叠纪鄂尔多斯盆地的范围应该向东扩展至吕梁地区[5],向南包含现今商丹断裂以北的北秦岭柳叶河地区[7-8]。为了探讨南召地区与鄂尔多斯的空间关系，对南召地区及鄂尔多斯东南缘的金锁关地区上三叠统的砂岩碎屑锆石年龄结构进行对比(见图4)。

图4 三叠系南召地区与金锁关地区及柳叶河盆地碎屑锆石年龄结构对比Fig.4 Age structure comparison between Nanzhao, Jinsuoguan and Liuyehe Basin in Triassic

对比结果表明,南召地区与金锁关地区的碎屑锆石均具有古生代、新元古代年龄,不同的是，南召地区具有中生代年龄,不具有古元古代及太古代年龄,而金锁关地区最小年龄为晚古生代,最大峰值位于古元古代。由于太古代是古微陆块拼合、华北克拉通基底基本形成的时期[50],而古元古代是华北克拉通东西部陆块拼合期[51],该年龄在华北板块南缘及吕梁地区均有出现,因此这两段年龄的缺失,说明南召地区三叠纪没有来自华北克拉通内部及南缘的物源；而古元古代年龄为金锁关地区碎屑锆石的主要峰值年龄,说明金锁关地区三叠系主要物源来自于华北克拉通内部。据以上分析可知，南召地区中生代碎屑锆石应是来自南秦岭中生代的花岗岩体,而金锁关地区此年龄的缺失,可推测此时秦岭造山带只是略微隆升,南秦岭的物质还无法提供到鄂尔多斯内部。

图5 三叠系南召地区构造格局示意图(据参考文献[22]修改)Fig.5 Sketch map of tectonic framework of Triassic Nanzhao Area

南召地区与金锁关地区均具有新元古代年龄的碎屑锆石,而与南召地区同在北秦岭造山带内、金锁关以西的三叠纪柳叶河盆地中却没有此期年龄。据任军锋、李侃等人的研究认为,三叠纪之前,柳叶河盆地以北存在一个以宽坪群为主体的东西向隆起带,介于北秦岭带和华北板块南缘之间,并向其南北两侧提供物源,但在三叠纪几近于消失。由于南召地区与柳叶河盆地一样位于北秦岭带内,且其南侧发育秦岭群、二郎坪群,北侧以宽坪群为主[13],因此可以推测在三叠系时期，这一隆起带在南召至金锁关范围内仍旧隆起并向南北两侧提供物源(见图5)。南召地区古水流方向数据与此推测相符,这也解释了华北克拉通内部物源无法到达[22]南召地区的原因。根据此年龄在碎屑锆石年龄谱中所占比例可判断，其隆起程度自东部南召地区向西部金锁关地区逐渐降低,又因为金锁关地区还有一定比例的早古生代加里东期碎屑锆石,因此判断此隆起区在金锁关附近即消失,并没有阻挡北秦岭向金锁关地区提供碎屑物,且鄂尔多斯地区湖盆与北秦岭一线三叠纪沉积盆地从此连通,向东延伸至南召地区。

4 结 论

1)南召地区三叠系一共可识别出1个Ⅱ级层序与5个Ⅲ级层序,自下而上Ⅲ级层序命名为SQ1～SQ5,可与鄂尔多斯东南部延长组地层对比。其中，SQ1对应长10油层组,SQ2对应长9—长8油层组中下部,SQ3对应长8油层组上部—长7油层组,SQ4对应长6—长3油层组,SQ5对应长2—长1油层组。除SQ1层序组下部发育砾石沉积,为冲积扇相及SQ2下段为浅湖沉积外,其他层序组中均可见深水重力流成因的底模构造及软沉积变形构造,因此均为深湖相沉积。

2)南召地区SQ3层序组中，砂岩LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb同位素定年结果显示为4个年龄段:1 400～1 600 Ma,640～1 100 Ma,400～550 Ma,200～334 Ma。其中，1 400～1 600 Ma碎屑锆石物源区主要为北秦岭秦岭群副变质岩及丹凤地区片麻岩;640～110 Ma年龄代表北秦岭新元古代晋宁期构造热事件,因此物源主要来自北秦岭秦岭群、宽坪群及部分基性中酸性侵入岩;400～550 Ma年龄代表加里东期碰撞造山事件,物源主要来自北秦岭带内以及南召地区周边的基性—中酸性侵入岩;200～334 Ma年龄段碎屑锆石主要来自南秦岭印支期花岗岩。

3)将南召地区三叠纪砂岩碎屑锆石年龄结构与鄂尔多斯东南部金锁关地区延长组及北秦岭柳叶河盆地三叠纪砂岩碎屑锆石对比,推测出三叠纪在北秦岭北部存在一个以宽坪群为主体的隆起,向南北两侧提供物源；该隆起自东部南召地区向西部逐渐降低,至金锁关地区附近消失。因此，三叠纪鄂尔多斯盆地南缘可扩张至北秦岭带内，西至柳叶河,东至南召地区。