碎屑重矿物分析对内蒙古西乌旗早二叠世寿山沟组的物源指示及构造意义

张英利，郭现轻，孙立新，马收先，施立志

(1. 中国地质科学院 矿产资源研究所 自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室， 北京 100037； 2. 中国地质调查局 天津地质调查中心， 天津 300170)

内蒙古西乌旗早二叠世为兴蒙造山带的组成部分。前人研究表明，兴蒙造山带是中亚造山带的重要组成部分，受古亚洲洋的影响经历了复杂的演化过程(李锦轶等， 2019； Xiaoetal., 2020)。对于早二叠世古亚洲洋关闭与否一直存在争论： ① 认为古亚洲洋在早二叠世已经关闭(徐备等， 2014； Zhaoetal.， 2017； 张焱杰等， 2018)， 形成了大陆裂谷相关的沉积物和岩浆岩等，早二叠世沉积记录反映大陆裂谷环境，西乌旗南的辉绿岩地球化学特征也支持这一认识(Zhuetal.， 2017)； ② 认为古亚洲洋在早二叠世未关闭(Luetal., 2020； Wangetal.， 2020； Xiaoetal.， 2020)。随着研究的进一步深入，又有复式增生造山的模式提出(Xiaoetal.， 2018， 2020)。Xiao等(2003， 2018)将古生代兴蒙造山带划分出多个岛弧-增生杂岩单元，将西乌旗地区确定为宝力道岛弧-增生杂岩大地构造单元(图1)。受早二叠世古亚洲洋俯冲影响，西乌旗为弧后盆地(Xiaoetal.， 2003； 张晓飞等， 2018； Wangetal.， 2020)。与此同时，西乌旗地区侵入岩的地球化学特征呈现出岛弧特征(刘锐等， 2016； 刘敏等， 2017； 王金芳等， 2018)。

西乌旗地区早二叠世寿山沟组因发育油气较好的烃源岩——深灰色厚层泥岩受到关注(公繁浩等， 2013a)。目前，对寿山沟组的物源已有大量研究，但仍存在不同观点： ① 碎屑锆石U-Pb年龄表明寿山沟组的物源来自南侧和北侧，即主要来自于苏尼特左旗—锡林浩特—西乌旗一带早石炭世末—晚石炭世岩浆弧及贺根山—东乌旗一带(张晓飞等， 2018)； ② 碎屑锆石U-Pb年龄表明其源自南侧，即主要来自于苏尼特左旗—锡林浩特—西乌旗一带早石炭世晚期—晚石炭世岩浆弧，部分来自乌兰浩特地区大石寨组火山岩(郑月娟等， 2013)； ③ 碎屑锆石U-Pb年龄结果表明，物源来自南侧岛弧岩浆岩(Wangetal.， 2020)； ④ 碎屑岩的地球化学分析结果，寿山沟组沉积物主要来源于长英质岩石，并混有少量铁镁质火山岩，岩浆岩年龄几乎接近沉积时代(Luetal.， 2020)，源岩构造背景为大陆岛弧(Lietal.， 2012； Luetal.， 2020)。

物源分析是盆地分析的重要内容(Walsh， 2016； Chewetal.， 2020)，可以获取源区母岩、构造单元特征和构造环境等相关资料，尤其是碎屑重矿物，例如电气石、尖晶石和石榴子石等(Henry and Guidotti， 1985； Arai， 1992； Yanetal.， 2014， 2019； Chewetal.， 2020)，由于其相对稳定，已成为沉积物源分析的重要手段之一。通过碎屑重矿物的物源分析，可以判断沉积期的构造背景。

本文以西乌旗寿山沟组碎屑岩为研究对象，详细分析其重矿物特征，恢复古水流方向，确定沉积物搬运方向，以阐明西乌旗地区寿山沟组的物源特征，探讨寿山沟组形成的构造环境，分析古亚洲洋关闭的时限，进而为区域构造演化提供基础。

1 区域地质背景

研究区位于贺根山断裂以南，西拉木伦河断裂以北，属于宝力道岛弧-增生杂岩构造单元(图1a; Xiaoetal.， 2003)。宝力道岛弧-增生杂岩构造单元中岛弧主要由晚石炭世不同程度变形的花岗闪长岩、石英闪长岩和花岗闪长岩等组成(Chenetal.， 2000； Xiaoetal.， 2003)。宝力道岛弧南侧(苏尼特左旗附近)原前寒武纪岩石构成增生杂岩，在岛弧北侧与岛弧同时的火山-沉积岩形成于岛弧和弧后环境(Xiaoetal.， 2003)。

西乌旗地区主要出露锡林郭勒杂岩、蛇绿岩、石炭-二叠纪以及中新生代地层(图1b)。锡林郭勒杂岩由中元古代-古生代不同变质程度的黑云片麻岩、变粒岩、石英岩、花岗片麻岩以及斜长角闪岩等组成(孙俊俊等， 2012； 周文孝等， 2013； Lietal.， 2014)。蛇绿岩分布在北部的梅劳特乌拉和南部的迪彦庙，梅劳特乌拉蛇绿岩形成于晚石炭世(李英杰等， 2015)，迪彦庙蛇绿岩形成于早石炭世—晚石炭世(Songetal.， 2015； Lietal.， 2018)。晚石炭世地层主要出露本巴图组和阿木山组，本巴图组为玄武岩、安山岩和英安岩夹碎屑岩，阿木山组为一套海相碳酸盐岩夹碎屑岩(内蒙古自治区地质矿产局， 1996)。二叠纪地层主要出露寿山沟组、大石寨组和哲斯组。寿山沟组主要为一套碎屑岩，可分为一段和二段。一段为黄灰色、灰色黑色砾岩、含砾砂岩、细砂岩、粉砂岩等(图2a)。在哈日根台以东的罕乌拉，寿山沟组一段见有凝灰岩(Wangetal.， 2020)，根据哈日根台南的寿山沟组一段砂岩交错层理恢复的古水流指示物源来自于南部(图1b)。寿山沟组二段以灰黑色粉砂质泥岩、泥岩和粉砂岩为主(图2b)，局部夹安山岩(施立志等， 2020)或流纹岩和火山碎屑岩(Wangetal.， 2020)。寿山沟组上覆的大石寨组由玄武岩、安山岩、流纹岩等组成。哲斯组下部为厚层灰岩，上部为碎屑岩夹灰岩透镜体等(内蒙古自治区地质矿产局， 1996)。中新生代地层主要为酸性火山熔岩、火山碎屑岩和碎屑岩(内蒙古自治区地质矿产局， 1996)。

研究区寿山沟组主体为一套陆源碎屑岩。BY剖面位于啥日根台(图1b)， 为寿山沟组一段(图2a)， 主要由深灰色砂岩和薄层粉砂岩、泥岩组成。底部由灰色块状颗粒支撑砾岩组成， 砾岩局部为基质支撑。砾径较大， 从几厘米至米级。砾石分选较差， 磨圆较好， 呈次圆状。颗粒间无定向排列， 主要是颗粒流搬运过程中携带高浓度颗粒的流体快速分散所致(Mutti and Ricci Lucchi， 1978； Stowetal.， 1982； Lowe， 1982)。深灰色砂岩发育平行层理和正粒序层理。粉砂岩、泥岩发育水平层理， 可见遗迹化石和自形较好的黄铁矿。深灰色砂岩和粉砂岩、泥岩等构成鲍玛序列的不同层段。剖面下部砂岩为块状， 为不同高密度流体转换过程的产物(Haughtonetal.， 2003)。剖面顶部由灰色、灰白色基质支撑砾岩(Gmm)组成， 分选较差， 磨圆度较好， 呈次圆状， 为碎屑流成因(Nemec and Steel， 1984)。YJ剖面位于西乌旗东北(图1b)， 为寿山沟组二段(图2b)， 以灰绿色薄层泥岩为主， 夹灰绿色薄层粉砂岩。泥岩呈现弱水平层理。

图2 内蒙古西乌旗寿山沟组沉积序列图(a、b)、交错层理(c)和样品显微特征(d、e)

岩相分析表明， 寿山沟组整体沉积环境为半深海-深海环境， 与前人分析塔宾庙林场的沉积环境基本一致(公繁浩等， 2013b)， 且符合遗迹化石指示的环境特征(黄欣等， 2013)。显微镜下显示， 砂岩碎屑颗粒主要由次棱角状石英和岩屑组成， 长石较少， 其中岩屑主要由火山岩岩屑组成(图2d)。泥岩碎屑颗粒磨圆度较差(图2e)， 石英颗粒较大。

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2 样品采集和分析方法

2.1 样品采集

根据寿山沟组的区域分布和岩性特点进行了采样， 其中寿山沟组一段砂岩样品BY1和BY2采自哈日根台BY剖面(44°35′41″， 118°30′40″)， 二段粉砂岩样品YJ1和YJ2采自西乌旗东北YJ剖面(44°38′16″， 117°38′13″)， 具体位置见图1和图2。4个样品均进行了重矿物鉴定分析， 另在此基础上， 又对在BY1和YJ1两个样品中挑选出的电气石、尖晶石和石榴子石单矿物进行了电子探针成分分析。

2.2 电子探针

电子探针测试分析在中国地质科学院地质研究所重点实验室电子探针实验室完成， 仪器型号为JXA-8230， 测试加速电压为20 kV， 电流为20 nA， 束斑直径为5 μm。测试使用的标样为天然样品和人工合成氧化物， 包括石英(Si)、斜长石(Na)、硬玉(Al)、赤铁矿(Fe)、金红石(Ti)、红钛锰矿(Mn)、镁铝榴石(Mg)、磷灰石(Ca)、钾长石(K)等。所有数据经过ZAF法校正。

基于31个氧原子(Henryetal.， 2011)采用Excel经验公式对电气石数据进行了处理。尖晶石数据采用CALCMIN excel程序(Brandelik， 2009)进行处理。基于8个阳离子和12个氧原子， 对石榴子石进行数据处理， 将其划分为6个端员， Fe2+和Fe3+的含量根据石榴子石的公式计算。

3 重矿物分析结果

3.1 重矿物组成

寿山沟组一段砂岩重矿物主要由赤-褐铁矿、尖晶石和锆石组成， 其余为磷灰石、电气石、磁铁矿等。寿山沟组二段砂岩重矿物主要为尖晶石和锆石， 其余包括磷灰石、赤褐铁矿和石榴子石(表1)。尖晶石、磁铁矿等指示母岩为基性岩， 石榴子石指示母岩为变质岩。重矿物CZi指数[CZi=100×尖晶石/(锆石+尖晶石)]很高， 介于59～81之间， 表明基性岩的物源占主导(Morton and Hallsworth， 1994)。因此， 寿山沟组一段和二段砂岩物源区以岩浆岩和变质岩为主。一段至二段砂岩重矿物组成变化明显， 锆石、尖晶石和石榴子石的含量增多， 而赤-褐铁矿的含量减少。重矿物组成除了主要受物源区的岩石类型控制之外， 也可能与样品的粒度、沉积环境及成岩作用有关(Morton and Hallsworth， 2007； Garzantietal.， 2009)。

表1 内蒙古西乌旗早二叠世寿山沟组重矿物组成 wB/%

3.2 电子探针测试

3.2.1 电气石

电气石样品的电子探针成分分析结果列于表2。从图像可以看出， 寿山沟组一段砂岩(BY1)中电气石主要呈黄色和褐黄色(图3a)， 指示其可能来自不同类型的岩石。电气石呈棱角状-次棱角状， 表明为近源沉积。背散射图像表明其没有明显的成分分带。电气石探针结果显示， 其主要为碱性系列(图3b)， 成分主要为黑电气石和镁电气石， 且两种类型的电气石个数比基本相当(图3c)。

图3 内蒙古西乌旗寿山沟组一段砂岩碎屑电气石BSE图像(a)、主量元素三元分类(b)和二元分类(c)图(底图据Henry et al.， 2011)

表2 内蒙古西乌旗早二叠世寿山沟组砂岩电气石电子探针数据表 wB/%

3.2.2 尖晶石

尖晶石样品的电子探针成分分析结果列于表3。由图4a、4b可见， 尖晶石呈次棱角状-次圆状， 表明部分源岩经历了一定距离的搬运。电子探针分析结果显示，Cr#>0.5， Mg#介于0.02～0.78之间。寿山沟组 TiO2的含量变化较大， 一段为0.22%～1.08%， 二段为0.23%～0.75%， 大多数超过0.2%， 为火山岩成因(图4c)。

表3 内蒙古西乌旗早二叠世寿山沟组砂岩尖晶石电子探针数据表 wB/%

图4 寿山沟组砂岩碎屑尖晶石背散射图像(a、b)和成因类型[c， 据Lenaz等(2000)]

3.2.3 石榴子石

表4 内蒙古西乌旗早二叠世寿山沟组砂岩石榴子石电子探针数据表 wB/%

图5 西乌旗寿山沟组二段砂岩碎屑石榴子石背散射图像(a)和成分三角图(b、c， 据Mange和Morton， 2007)

4 物源区及构造意义

基于交错层理的古水流分析可以指示沉积物的供给方向(Potter and Pettijohn， 1977； Miall， 2000)。校正后寿山沟组一段砂岩发育的交错层理(图2c)指示其物源主要来自于南侧(图1b)。

4.1 源区岩石类型

黑电气石(锂电气石系列)源自花岗岩， 以富铁为特征， 电气石形成于岩体分异演化的晚期阶段； 镁电气石主要来自于变沉积岩(Henry and Guidotti， 1985)， 在粗粒碎屑岩的成岩过程中， 变质作用使得流体进入颗粒孔隙中， 形成电气石。根据Al-Fe-Mg图解划分， 寿山沟组一段电气石物源以贫锂花岗岩类伴生伟晶岩和细晶岩(B区域)、变质板岩和变质砂岩(D和E区域)为主(图6a)。Ca-Fe-Mg图解则表明主要来自于贫锂花岗岩类伴生伟晶岩和细晶岩(区域2)、贫钙变质板岩、变质砂岩和电气石石英岩(区域4)(图6b)。

图6 内蒙古西乌旗寿山沟组砂岩碎屑电气石成分划分图解(底图据Henry和Guidotti， 1985)

根据尖晶石中TiO2、Cr和Al的相互关系， 划分出不同岩浆岩的TiO2和Cr/(Cr+Al)特征(图7a)， 寿山沟组一段和二段尖晶石位于岛弧玄武岩和洋中脊玄武岩区域。受熔岩成分、八面体占位和冷却速率影响， 不同环境的尖晶石特征明显， 而尖晶石中的TiO2和Al2O3含量与熔岩成分具有很好的相关性(Kamenetskyetal.， 2001)。在以TiO2和Al2O3含量为标准的判别图解中， 寿山沟组一段和二段尖晶石主要位于岛弧玄武岩， 少量位于洋中脊玄武岩区域(图7b)。Fe3+-Cr-Al图解则显示， 大部分尖晶石落于岛弧玄武岩、洋中脊和大洋溢流玄武岩以及大陆溢流玄武岩的叠合区域(图7c)。

基于石榴子石的物源区判别图解(图8)， 寿山沟组二段样品YJ1主要来自于高级变基性岩， 少部分为麻粒岩相和角闪岩相的变沉积岩和中酸性火山岩。

图8 西乌旗寿山沟组砂岩碎屑石榴子石物源岩石判别图解(Mange and Morton， 2007)

4.2 源岩

猴头庙附近的花岗岩、闪长岩等年龄为330～295 Ma(刘建峰等， 2009； 刘锐等， 2016； 刘敏等， 2017； Liuetal.， 2018)， 前进场西部花岗岩的侵入年龄为320～287 Ma(Wuetal.， 2011； 王新宇等， 2013)，迪彦庙蛇绿岩中斜长花岗岩年龄为328.6±2.1 Ma和327.1±2.1 Ma (Lietal.， 2018)。 这些花岗岩类可能为寿山沟组一段的物源区。同时阿木山组、本巴图组以及下伏锡林郭勒杂岩中分布的变沉积岩也可能是电气石的来源。

由于尖晶石主要来自于基性-超基性岩浆岩， 且呈次棱角状-次圆状， 说明部分经历搬运。根据研究区的区域岩石类型分布， 研究区南的迪彦庙蛇绿岩包括白音布拉拉和南部孬来可吐蛇绿岩， 主要由橄榄岩、玄武岩、细碧岩、角斑岩等组成(李英杰等， 2013)， 其具有MORB特征， 为寿山沟组的物源区岩石(图7b)。西乌旗本巴图组的玄武岩(刘建峰， 2009； 李瑞杰， 2013)形成于岩浆弧环境。另外， 锡林郭勒杂岩中发育的斜长角闪岩(原岩为变基性火山岩)形成于岛弧环境(Lietal.， 2014； 康健丽等， 2016)。这些基性岩浆岩都可能是寿山沟组的物源区。

图7 西乌旗早二叠世寿山沟组尖晶石源岩构造背景判别图

石榴子石指示物源主要来自于高级变基性岩， 少量为变沉积岩。根据研究区岩石地层， 本巴图组和阿木山组岩石轻微变质。而锡林浩特杂岩由一套片麻岩夹层状斜长角闪岩、磁铁石英岩和变粒岩等变质岩组成， 变质程度达到角闪岩相， 其原岩包括基性火山岩(玄武岩)、杂砂岩等(葛梦春等， 2011； 孙俊俊等， 2012； 周文孝等， 2013)。因此， 石榴子石主要来自于锡林郭勒杂岩。

寿山沟组的电气石、尖晶石和石榴子石物源区岩石类型表明， 研究区南部的花岗岩类、阿木山组沉积岩、本巴图组的基性火山岩和沉积岩、蛇绿岩和锡林郭勒杂岩等为潜在的物源区。但阿木山组发育的基性火山岩形成于大陆裂谷环境(Zhuetal.， 2017)， 未为尖晶石提供物源， 故寿山沟组的物源区不包括阿木山组。因此， 寿山沟组物源来自南部的花岗岩类、本巴图组、锡林郭勒杂岩和迪彦庙蛇绿岩等。根据寿山沟组重矿物组成和物源分析结果， 从寿山沟组一段至二段， 物源区岩石从花岗岩、迪彦庙蛇绿岩、本巴图组玄武岩和锡林郭勒杂岩逐渐转变为迪彦庙蛇绿岩、本巴图组玄武岩和锡林郭勒杂岩， 且锡林郭勒杂岩的含量逐渐增加。

4.3 构造意义

关于早二叠世西乌旗地区的构造环境一直存在争议：根据沉积序列和岩石组合判断其属于裂谷环境(徐备等， 2014； Zhaoetal.， 2017； 张焱杰等， 2018)， 辉绿岩地球化学特征指示其为裂谷环境(Zhuetal.， 2017)， 花岗岩等地球化学特征指示其为古亚洲洋向北俯冲的岛弧环境(王新宇等， 2013； 刘锐等， 2016； 刘敏等， 2017； 王金芳等， 2018)， 西乌旗猴头庙和前进场花岗岩指示其为后碰撞伸展环境(Wangetal.， 2018)， 根据寿山沟组砂岩碎屑锆石U-Pb年龄及物源分析推测其为弧后盆地(Wangetal.， 2020)。

根据上述物源区岩石类型的成因分析， 寿山沟组物源区猴头庙部分花岗岩(年龄为330～282 Ma)形成于岛弧(刘建峰等， 2009； 王新宇等， 2013， 刘敏等， 2017)。迪彦庙蛇绿岩主要包括白音布拉拉和南部孬来可吐蛇绿岩， 主要由橄榄岩、玄武岩、细碧岩、角斑岩等组成(李英杰等， 2013)， 蛇绿岩中达哈特玄武岩锆石U-Pb年龄为333.4±8.5 Ma， 蛇绿岩中辉长岩和玄武岩的锆石U-Pb年龄为346±2 Ma和304±4 Ma(Songetal.， 2015)。白音布拉格蛇绿岩中辉长岩、玄武岩岩石地球化学特征指示达哈特玄武岩兼具洋中脊和岛弧双重特征， 更像洋中脊， 与马里亚纳前弧玄武岩相一致(李英杰等， 2013， 2018； Lietal.， 2018)。西乌旗本巴图组火山岩由玄武岩、安山岩和流纹岩等组成， 形成时代为336±2 Ma(李瑞杰， 2013)或318±3 Ma(刘建峰， 2009)， 形成于岩浆弧环境。另外， 锡林郭勒杂岩中发育斜长角闪岩(原岩为变基性火山岩)年龄为334～319 Ma， 形成于岛弧环境(Lietal.， 2014， 2017； 康健丽等， 2016)。

从寿山沟组一段至二段的物源区岩石成因分析， 源区岩石形成于岛弧环境或弧前环境， 源区岩石年龄330～282 Ma。西乌旗东部寿山沟组下部凝灰岩年龄为320.1±0.82 Ma， 上部流纹岩年龄为280.15±0.76 Ma(Wangetal.， 2020)， 寿山沟组沉积物年龄与部分物源区的年龄重叠， 因此寿山沟组沉积物形成于岛弧相关盆地。寿山沟组沉积物来源于南部的岛弧和弧前构造单元， 同时根据研究区地质图中蛇绿岩、锡林郭勒杂岩以及花岗岩的时空配置关系(图1)， 认为寿山沟组沉积物形成于弧后盆地(图9)， 为宝力道岛弧-增生杂岩的重要组成部分。

图9 西乌旗寿山沟组原型盆地示意图

区域资料显示， 西乌旗东北蒙西地1井寿山沟组发育近50 m安山岩(施立志等， 2020)， 哈日根台以东50 km的罕乌拉地区寿山沟组一段发育凝灰岩， 寿山沟组二段发育流纹岩和火山碎屑岩(Wangetal.， 2020)，可见寿山沟组的岩石组合除了陆源碎屑岩之外， 还发育一定比例的熔岩和火山碎屑岩。根据塔宾庙林场剖面遗迹化石的组合、种属等， 确定寿山沟组沉积环境为半深海环境(黄欣等， 2013)。根据塔宾庙林场剖面的岩石类型、沉积构造以及化石组合， 确定寿山沟组的海底扇沉积环境， 并根据岩层厚度和砂泥比等将寿山沟组的沉积环境划分为内扇、中扇和外扇亚相(公繁浩等， 2013b)。因此， 寿山沟组的岩石组成和沉积岩相古地理等特征与日本弧后盆地、西太平洋Lau弧后盆地等类似(Masuda， 1994； Rothwelletal.， 1994； Sierra-Rojasetal.， 2016)。

古亚洲洋的闭合时限争论已久， 一种观点认为在晚泥盆世关闭， 之后发育陆内裂谷等沉积物(徐备等， 2014； Zhaoetal.， 2017； 张焱杰等， 2018)； 另外一种观点则认为古亚洲洋在晚二叠世—早三叠世俯冲结束(Luetal., 2020； Wangetal.， 2020； Xiaoetal.， 2020)。寿山沟组重矿物为近源搬运， 尖晶石主要来自岛弧环境和弧前环境岩浆岩， 石榴子石主要来自岛弧性质的岩石。根据区域对比， 源区的岩石时代为早石炭世—早二叠世， 而且寿山沟组形成于弧后盆地， 这进一步说明古亚洲洋在早石炭世—早二叠世尚未闭合， 这为研究古亚洲洋的演化提供了有利的证据。

5 结论

西乌旗早二叠世寿山沟组砂岩的重矿物主要由锆石、尖晶石和石榴子石等组成， 其特征以及构造指示意义为：

(1) 电气石主要来自于贫锂花岗岩和变沉积岩， 物源区为周缘花岗岩和下伏地层的变沉积岩； 尖晶石主要来自于岛弧和洋中脊玄武岩类(蛇绿岩、锡林郭勒杂岩和本巴图组)； 石榴子石主要源自高级变基性岩， 少量来自变沉积岩和变火山岩， 主要来自锡林郭勒杂岩；

(2) 重矿物综合分析表明， 西乌旗早二叠世寿山沟组形成于弧后盆地， 说明古亚洲洋在早二叠世尚未闭合。

致谢本文电子探针测试分析在中国地质科学院地质研究所重点实验室完成， 感谢毛小红老师的帮助！同时对提出修改意见的匿名评审专家也表示感谢！