新疆蒙其古尔地区八道湾组沉积岩碎屑锆石年代学特征及地质意义

黄广文 潘家永 黄广楠 夏菲 吴德海 钟福军

摘   要：在详细观察描述含砾砂岩宏观特征基础上，利用偏光显微镜和LA-ICP-MS对蒙其古尔地区八道湾组出露的含砾砂岩开展碎屑骨架组分及碎屑锆石U-Pb定年分析，初步解析岩石学、年代学及物源特征等信息。结果表明：碎屑锆石多具良好的振荡韵律环带，Th/U值大于0.1，为岩浆成因锆石;样品中最年轻的碎屑锆石年龄为（289±4） Ma，可限定八道湾组砂岩沉积下限为早二叠世;初步将碎屑锆石年龄分为3组，分别为1588～807 Ma、603～410 Ma、350～289 Ma，该年龄区间与已知构造-岩浆事件时间（晋宁期、加里东期和印支-海西期）基本对应，表明研究区构造岩浆活动与中国大地构造运动基本一致。据QFL与QmFLt图解，结合构造背景及盆地演化过程，认为八道湾组砂岩物源经历了由相对稳定的石英再旋回造山带区向过渡再旋回造山带，再向岩屑再旋回造山带区演变的过程。碎屑物源可能主要来源于南部乌孙山、那拉提山出露的石炭—奥陶纪火山岩及中酸性侵入岩。

关键词：蒙其古尔;碎屑锆石U-Pb定年;砂岩;物源;八道湾组

物源分析是确定源区母岩性质的重要依据之一，是沉积盆地分析的重要组成部分[1-2]。碎屑锆石具较高稳定性，能全面记录和反映源区所经历的相关地质事件[3-4]。前人利用碎屑锆石同位素测年方法，判别碎屑物源、源区母岩性质及对应的大地构造背景等特征，进一步推动了构造沉积学等多学科发展[3-10]。

伊犁盆地是我国重要产煤、石油及天然气盆地之一，同时也是可地浸砂岩型铀矿的重要产铀盆地[1]。目前盆地内已探明多个铀矿床，如蒙其古尔、扎吉斯坦、乌库尔其、库捷尔太、洪海沟等[1，11-15]，其中蒙其古尔位于伊犁盆地南缘，是目前盆地内规模最大的铀矿床，也是我国首个建设千吨级可地浸砂岩型产铀基地[4]。八道湾组为区内最主要含煤地层之一，广泛分布于盆地南北缘，该地层于1985年新疆地矿局第一地质大队命名并沿用至今。前人对其开展了部分研究工作，如刘家铎、孟万斌通过对伊犁盆地南北缘侏罗纪地层进行详细对比及采集孢粉样品分析[16]，认为八道湾组划分归属于下侏罗统水西沟群，与下伏三叠纪地层呈整合接触。施哈宁等研究得出八道湾组为一套温暖潮湿气候条件下形成的以湖泊、三角洲-沼泽相为主的含煤碎屑岩建造[17]。上述研究多集中于地层沉积特征、沉积环境及沉积相等，对八道湾组碎屑岩相关的岩石学特征、年代学特征及物源研究等方面鲜见报道。本文在野外地质调查基础上，从室内详细岩石学特征入手，结合LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb年代学研究，初步解析八道湾组碎屑岩的年代学特征，在此基础上探讨其物质来源。

1  地质概况

伊犁盆地位于哈萨克斯坦板块与塔里木板块夹持的伊犁微地块之上，是在石炭—二叠纪弧间裂陷槽基础上发展演变形成的内陆中新生代大型山间裂陷-坳陷复合型盆地，盆地总体呈近EW向狭长带状分布[1，4，18-19]。研究区位于伊犁盆地南缘斜坡带东部构造活动区与西部构造稳定区过渡带上，隶属次级构造單元NE向扎吉斯坦屉型向斜东南翼组成部分，该向斜整体上呈东、西、南三面翘起[4，20]。研究区发育有多条逆冲断层、走滑断层及逆断层等断裂构造，其中F1逆冲断裂位于研究区东南部，为伊犁盆地南缘逆冲控盆断裂带组成部分（图1）; F2断裂为F1断裂的分支部分，位于矿区西南部。研究区出露地层主要为中下侏罗统水西沟群、中上侏罗统头屯河组、上白垩统东沟组、新近系及第四系。其中三工河组和西山窑组为蒙其古尔砂岩型铀矿床含矿目的层。研究区南部为蒙其古尔铀矿床蚀源区，出露一套二叠系乌郎组中酸性火山岩、火山碎屑岩（图1）。

中下侏罗统水西沟群主要由下统八道湾组、三工河组及中统西山窑组构成。三工河组在沉积相方面显示为三角洲平原亚相，砂体厚46～82 m。中统西山窑组依次分为下段、中段及上段，沉积体系分别为三角洲平原亚相、三角洲前缘亚相及曲流河沉积体系，岩性组合以砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层为主，整体出露厚度大于102 m。蒙其古尔地区目前共揭露4层砂岩型工业铀矿化，分别为三工河组下段、三工河组上段、西山窑组下段和西山窑组上段[1，4]。

八道湾组为伊犁盆地主要含煤地层之一，广泛出露于盆地南北缘，整体为一套潮湿背景下的冲积扇沉积体系。其中，盆地南缘出露的八道湾组整体厚度略薄，沉积中心位于阿克巴斯达吾及霍洛斯太地带，平均厚201 m，向东延伸至达拉地一带，厚92～192 m，西至郎卡凹陷一带，平均厚80 m。岩性组合主要为砾岩、砂岩、粉砂岩、泥岩及少量煤层。目前共划分为4个沉积旋回，岩性为由粗到细递变过程，发育扇-三角洲-沼泽-湖泊沉积组合。盆地北缘沉降幅度相对南缘较大，平均厚310 m，岩性组合以细碎屑岩为主（如粉砂岩、泥岩及煤层等），岩性变化由细至粗，发育三角洲-沼泽-湖泊沉积组合[16-17]。盆地南北缘在演化过程中的明显差异，表明八道湾组含煤性北缘优于南缘[16]。据中核216队最新勘探资料，蒙其古尔地区八道湾组中下部Ⅱ旋回中新发现铀矿化线索，为区内重要铀矿化层。

2  样品采集与分析方法

2.1  样品采集与岩相学特征

本次测试样品采自伊犁盆地南缘蒙其古尔铀矿区八道湾组（图1）。样品岩性为土黄色含砾岩屑砂岩，发育含砾砂状结构，块状构造（图2-a，b）。该碎屑岩矿物成分及含量统计数据详见表1。碎屑由石英、长石及岩屑组成。砾石主要为石英岩、凝灰岩及单晶钾长石，粒径2.00～3.04 mm。岩石胶结物为钙质（方解石），杂基见粘土物质及细粉砂颗粒。重矿物见不透明金属矿物及碎屑锆石。碎屑胶结类型为基底式-孔隙式胶结，岩石整体分选性及磨圆度差，结构成熟度及成分成熟度低。

石英碎屑含量51%～75%，平均62.3%，多以单晶石英为主，Qm/Q为0.75～0.89（Qm为单晶石英颗粒，Q为总石英质颗粒），呈次棱角-次圆状，粒径0.45～1.68 mm，最大1.85 mm，局部见单晶石英晶体边部被溶蚀，呈港湾状，发育明显“炸裂纹”（图2-c），说明该部分石英主要来源于中酸性火山岩;多晶石英见石英岩、燧石及梳状石英，Qp/Q为0.11～0.25（Qp为多晶石英颗粒）。长石碎屑含量4%～8%，多为钾长石，次为酸性斜长石。钾长石呈次棱角-次圆状，粒径0.48～1.75 mm，整体表面“脏杂”，粘土化强烈;斜长石呈次棱角状，粒径0.34～0.79 mm，隐约见聚片双晶发育，双晶单体宽细不等，可能来源于盆地南部出露的中酸性火山岩及侵入岩。岩屑含量20%～44%，多为石英片岩、石英岩、燧石及凝灰岩等。石英片岩呈次圆状，粒径0.62～1.10 mm，粒状变晶结构，主要由石英及绢云母组成，整体定向排列;燧石呈次圆状，重结晶作用多向微晶石英岩过渡;凝灰岩呈次棱角-次圆状，发育脱玻化向长英质微晶转变，局部微晶石英呈球粒状展布。岩石中长石、岩屑及泥质等不稳定组分多向叶片状高岭石（图2-d）、伊利石及绿泥石过渡。

2.2  分析方法

本次共采集样品约3 kg，送至廊坊市诚信地质服务公司进行锆石分选处理，锆石制靶在北京锆年领航科技有限公司完成，CL图像在东华理工大学核资源与环境国家重点实验室生成，结合偏光显微镜图像及CL图像，尽可能避开发育有裂纹及包裹体的锆石部位，最终确定合适测点部位。锆石U-Pb同位素测年采用南京大学内生金属矿床成矿机制研究国家重点实验室，带激光熔蚀装置的Agilent HP 7500 ICP-MS分析仪进行测定，以国际标准锆石91500作为U-Pb年龄测定的标准样品，所测锆石为测定样品，用人工合成硅酸盐玻璃NIST610进行仪器最佳化[4，21]。仪器工作参数为：波长213 nm，激光脉冲重复频率5 Hz，脉冲能量为10～20 J/cm2，熔蚀直径为32 μm，剥蚀时间60 s，背景测量时间40 s[4]。样品同位素比值及元素含量计算采用GLITTER（ver4.0，Macquarie University）程序获得，普通Pb校正采用Andersen的方法进行[22]。由于部分锆石内存在大量放射性成因Pb，故碎屑锆石U-Pb年龄大于1 000 Ma以上的，采用207Pb/206Pb表面年龄，相反，锆石U-Pb年龄小于1 000 Ma的，采用206Pb/238U表面年龄[10，23]。最终校正后的年龄加权平均计算及年龄协和图的绘制采用Isoplo程序完成[24]。锆石U-Th-Pb同位素比值、年龄数据的单次测量的标准偏差为1σ，加权平均年龄采用1σ[3]。

3  结果与讨论

3.1  碎屑锆石U-Pb测年结果

八道湾组碎屑岩中分选出的碎屑锆石大多为无色透明，仅个别颗粒具浅棕色，粒径多为50～100 μm，呈自形-半自形它形柱状（个别呈自形长柱状，晶棱锋锐清晰）、浑圆状分布，少数晶体表面无裂纹及无包裹体发育，指示它们经历了风化、搬运及磨蚀改造[25]。分选出的碎屑锆石多数晶形较好，说明源区相对较近。从锆石阴极发光图像中发现，绝大部分锆石具清晰的韵律环带结构（图3），Th，U含量及Th/U比值变化区间较大（表2），其中Th含量23×10-6～529×10-6，U含量54×10-6～637×10-6，Th/U比值0.23 ～1.46（图4），大多具岩浆成因锆石特征[26]。少量碎屑锆石具不规则面状、扇状或无分带变质结构特征（图3中44号），Th/U比值变化较大，可能代表存在不同时期岩浆和变质锆石，其次还有少量锆石Th/U比值介于岩浆成因与变质成因锆石之间（Th/U比值0.2～0.4），推測可能其变质重结晶作用不彻底[25]。

本次测试的砂岩样品中共获得88个LA-ICP-MSU-Pb同位素测年有效数据点（以不谐和度10%为标准遴选U-Pb年龄），具体测年数据见表2。结果显示，88粒锆石年龄分布具一定分组集中特征，整体谐和度较高，在U-Pb年龄谐和图中分布于一致线上或附近（图5-a）。从年龄直方图中可看出（图5-b），锆石U-Pb峰值年龄为300～350 Ma，共计27粒，占总有效测点数的31%，Th/U比值大于0.4（区间为0.42～1.46）;次峰年龄为410～450 Ma，共计20粒，占总有效测点数的23%，Th/U比值0.26～1.16。测试的锆石中分布有10粒元古代碎屑锆石，年龄分别为603～840 Ma（n=8，新元古代）、1 158～1 588 Ma（n=2，中元古代）。

3.2  源区大地构造性质及岩

石类型判别

砂岩是陆源碎屑岩主要岩石类型之一，碎屑物主体为临近物源区母岩风化、机械破碎后产物。陆源碎屑岩在沉积建造过程中占绝对优势，岩石内所含各类碎屑组分充分反映物源区母岩性质，是判别物源区母岩类型的重要证据之一[1，27]。通过应用Dickinson和 Suczek、Dickinson等先后提出的两套碎屑成分物源区定量分析图解（QFL、QmFLt图解），及Ingersoll等进一步阐述的砂岩中碎屑组分对判别砂岩大地构造环境中的作用[28-30]，对研究区八道湾组含砾岩屑砂岩样品中长石、石英及岩屑含量进行定量统计（表1），并以 QFL和QmFLt3个端员成分进行三角图投点得到图6。在上述基础上，对蒙其古尔地区八道湾组碎屑岩进行物源与板块构造关系的分析和讨论。

分析结果显示，QFL图解中样点均落入再旋回造山带区域内（图6-a），样品落入重心偏向大陆物源区，同时，碎屑岩中长石含量低，石英（包括燧石等）含量增加，表明其物源区主要来自于再旋回造山带。QmFLt图解中样品主要分布于石英再旋回和过渡再旋回物源区内（6-b），多接近于岩浆弧物源区，初步推断源区分布有大量火山岩及中酸性侵入岩。QFL图解和QmFLt图解指示其物源区基本属再旋回造山带，表明源区属碰撞缝合带或褶皱逆冲带。结合研究区区域地质背景及样点落入位置看，区内物源为相对稳定的石英再旋回造山带（不排除稳定的克拉通内部物源）向过渡再旋回造山带、再向岩屑再旋回造山带区（碰撞造山带）的一个演变过程。前人研究发现，石炭纪受古南天山洋向伊犁-中天山微地块俯冲作用影响，伊犁盆地及南缘地区处于活动大陆边缘岛弧环境[31]，此时火山及岩浆活动较活跃，南缘火山岩形成后遭不同程度风化-剥蚀作用，就近搬运堆积形成碎屑岩。侏罗纪时期，该套碎屑岩及周缘火山碎屑岩被抬升至地表后再次经风化剥蚀，成为侏罗系碎屑岩物源区的母岩[31]。进入侏罗纪后，受古特提斯洋关闭，新特提斯洋打开影响，中国西部地区及中亚均处于盆地扩展断陷阶段。该背景下，盆地南缘物源区察布查尔山于早侏罗世（年龄180～200 Ma）快速隆升，发育山盆，落差较大[18，32-33]，为区内提供了成熟度很低的碎屑物质。沉积阶段长石含量逐渐降低，岩屑含量递增，沉积早期盆地内冲积扇-河流（湖泊）相层序处于发育阶段，最终在下侏罗统水西沟群内沉积了一套厚层状砂砾岩、含砾粗砂岩。

3.3  物源判别及地质意义

伊犁盆地是在伊犁微地块基础上发展起来的内陆中新生代山间裂陷-坳陷复合型盆地，石炭—二叠纪和侏罗纪为盆地主造山成盆期，439～409 Ma伊犁地块造山运动强烈[1，4，18]。早石炭世时期，南北天山洋盆在造山带开始收缩，大洋板块向伊犁地块下俯冲，在盆地南北缘形成岩浆弧。岩浆及火山活动活跃，乌孙山及那拉提山南缘发育大量中酸性侵入岩。晚泥盆—早石炭世时期，随着板块俯冲作用加剧，形成大量沿那拉提山北缘和科古琴山等地呈带状分布的一套晚泥盆—早石炭世大哈拉军山组中酸性火山碎屑岩[1，4，31]。本次研究碎屑锆石中，最年轻锆石年龄为（289±4） Ma，表明研究区测试样品成岩年龄不晚于289 Ma。通过对研究区八道湾组砂岩样品中获得碎屑锆石年龄进行统计，初步将锆石年龄分为3组，即1588～807 Ma、603～410 Ma、350～289 Ma。据锆石CL图像特征、Th/U 比值等，确定大部分碎屑锆石为岩浆成因锆石，每个区间段碎屑锆石均可代表对应的岩浆构造事件。在中国大地构造期次上，上述3组区间年龄分别对应晋宁期（1 000～800 Ma）、加里东期（600～400 Ma）和印支—海西期（355～200 Ma）等构造活动阶段，指示研究区构造岩浆活动与中国大地构造运动基本一致。西天山在晚泥盆—早石炭世之后开始进入后碰撞裂谷伸展演化阶段，表明大哈拉军山组石炭—二叠系火山碎屑岩形成于后碰撞伸展构造环境[31，34]。前人得出西天山造山带主要形成阶段为新远古代晚期—石炭纪（700～350 Ma）天山洋盆演化阶段[35]，本文获得的43粒碎屑锆石年龄与西天山造山带主形成阶段相一致，进一步佐证了前人提出的上述观点。

前人对伊犁盆地周缘和乌孙山出露的大哈拉军山组火山岩、南部那拉提山中酸性侵入岩做了大量年代学研究，如白建科等、安芳和朱永峰得出伊犁地块北缘出露的大哈拉军山组火山岩年龄介于345.9～386.4 Ma[34，36]，李注苍等得出盆地内部火山岩年龄为321.2～337 Ma[37]，朱永峰等得出盆地南部出露火山岩年龄为326.8～368.3 Ma[38]，茹艳娇等得出西天山乌孙山出露的大哈拉军山组火山岩年龄分别为（353.9±6.5） Ma、（356.3±4.4） Ma[39];乌孙山地区及南部那拉提山地区出露的晚古生代侵入岩时代为310～370 Ma。早古生代侵入岩年龄多集中于（407±12） Ma～（466±8） Ma[40-41]。将本次测试的锆石年龄与上述年代学资料对比认为，研究区八道湾组U-Pb测年获取的27粒碎屑锆石主峰年龄（300～350 Ma）和20粒次峰年龄（410～450 Ma）基本与乌孙山、那拉提山出露的大哈拉军山组火山岩及中酸性侵入岩年龄吻合，表明蒙其古尔地区八道湾组碎屑岩物源主体可能来源于上述地区。

4  结论

（1） 碎屑锆石年代学结果表明，最年轻锆石年龄为（289±4） Ma，表明八道湾组砂岩沉积下限为早二叠世。

（2） 碎屑锆石年龄初步分为3组，即1 588～807 Ma、603～410 Ma、350～289 Ma，在中国大地构造期次上分别对应晋宁期、加里东期和印支—海西期构造活动阶段，指示研究区构造岩浆活动与中国大地构造运动基本一致。

（3） 據QFL与QmFLt图解，结合构造背景及盆地演化过程，推断八道湾组含砾砂岩物源经历了由相对稳定的石英再旋回造山带区向过渡再旋回造山带、再向岩屑再旋回造山带区一个演变的过程。综合岩相学及年代学对比研究，初步认为八道湾组砂岩的物源可能主要来源于南部乌孙山、那拉提山出露的石炭—奥陶纪火山岩及中酸性侵入岩。

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