济源盆地中晚三叠世地层沉积学、年代学研究及其对于恢复鄂尔多斯原型盆地的意义

刘 溪

(中煤能源研究院有限责任公司,陕西 西安 710054)

鄂尔多斯盆地是在华北克拉通残延收缩的背景之下发育形成的大型能源盆地[1],其形成以来,经历了中晚三叠世延长期和早中侏罗世延安期两个鼎盛时期,孕育了丰富的生油和成煤岩系。近年来，围绕鄂尔多斯盆地中南部延长期富烃凹陷的研究使鄂尔多斯盆地三叠纪含油气系统进一步完善。然而,从该富烃凹陷以及延长期沉积相的展布可发现，其在东南方向存在沉积突变,即在旬邑—宜君—黄龙一带沉积相带由深湖相(沉降中心)直接尖灭为盆地边缘,在铜川一带也可见延长期地层被抬升至地表,再向南即进入渭河地堑系的渭北隆起,而整个渭河地堑系并未见延长期沉积[2-3],这种沉积相突变对在有着克拉通收缩背景的鄂尔多斯盆地来说显得极为不正常。因此,三叠纪时期的鄂尔多斯原型盆地始终是学者关注的热点之一。学者研究认为，其向东可扩至吕梁地区[4-5],向西边界位于六盘山西缘大断裂和贺兰山西缘断裂附近[6],向南可扩至北秦岭商丹带以北的柳叶河地区[7-8],东南可至河南南召一带[9-10]。

由于多种因素的制约,有关鄂尔多斯盆地南部的研究多开展于盆地的西南部及其外围,而盆地东南部的研究相对薄弱。通过前期研究，在河南南召、伊川等地区发现了可与鄂尔多斯盆地内部三叠系延长组长7油层组底部相对比的一套凝灰岩,并且通过对凝灰岩所在地层开展沉积相分析及年代学研究,发现南召地区凝灰岩与铜川等地的三叠系有良好的对应关系[9]。因此认为，这些现象可以佐证鄂尔多斯盆地三叠纪原型盆地东南可扩展至河南南召一带,且该区当时也属于深水沉积环境。后来受秦岭碰撞造山的影响,鄂尔多斯盆地东南的秦岭地区的构造格局发生巨变,自三叠纪以来持续抬升至今,在东秦岭一带分割形成了多个小型山间盆地,如南召盆地、伊川盆地等。

本研究对南召、伊川北部的河南济源地区开展野外调查,并在该区西承留中三叠世剖面开展碎屑锆石同位素研究,探讨其与鄂尔多斯盆地在中晚三叠世的关联性,从而为研究该时期原始盆地的沉积范围提供依据。

1 研究区概况

济源盆地地理位置上位于河南省西部,构造位置上介于中条山、太行山和嵩萁隆起之间,是在早中三叠世华北沉积盆地的基础上继承而来,沉积盖层主要为中三叠统—中侏罗统,包括二马营组、油坊庄组、椿树腰组和谭庄组,侏罗系主要为义马组和马凹组[11-14](见图1)。

图1 研究区位置图Fig.1 Location map of study area

本研究选取济源盆地西承留剖面中晚三叠世地层进行沉积剖面实测,在此基础上，通过岩石学、沉积学分析和碎屑岩锆石定年技术,识别沉积特征,讨论碎屑物源并与鄂尔多斯盆地东南缘三叠系剖面进行对比,探讨鄂尔多斯盆地三叠系东南部的沉积展布范围。

2 沉积特征

根据河南省地质志(1985)记载,河南省华北地层分区，中晚三叠世与鄂尔多斯盆地延长组同期地层为中三叠统油坊庄组,中上三叠统椿树腰组和谭庄组。

中三叠统油坊庄组在济源地区内的整体岩性为：下段为黄绿色长石砂岩与紫灰色细砂岩、黏土岩呈不等厚互层,上段为杏黄色厚层中粗粒长石砂岩、中细粒长石砂岩夹紫红色黏土岩。研究认为，其化石组合与鄂尔多斯盆地本部及陕西省铜川组相近,与延长植物群或河南省椿树腰组、谭庄组所含中晚三叠世的植物群相比有明显差异,因此将其归为中三叠统。然而从岩性上看,本组标志为顶部的紫红色泥岩,与盆地本部铜川组有较大差异,与纸坊组可对比,河南省区调队将本组与下部二马营组均划为中三叠世早中期,与盆地本部纸坊组的时代一致。椿树腰组与下伏油坊庄组整合接触,下部岩性为灰黄色细粒长石砂岩、粉砂岩夹浅黄色、黄绿色粉砂质泥岩、泥岩,中部出现灰色、灰绿色泥岩夹薄层粉砂岩,上部为厚层灰黄色粉—细砂岩,从岩性变化上与盆地本部延长组早期T3y1+2(长10～长8油层组)可对比。谭庄组与椿树腰组整合接触,与上覆中侏罗统马凹组平行不整合接触,从岩性及颜色上,自下而上可分为两段,下段为浅黄色、黄绿色泥岩夹薄层黄绿色、灰黄色细—粉砂岩,上段岩性仍为泥岩夹薄层细粉砂岩,但地层颜色变为以深灰色、灰绿色为主,代表水体整体变深。本组下部岩性段可与鄂尔多斯盆地本部延长组中期T3y3(长7～长4+5油层组)对比, 上段岩性可与延长组晚期长3～长1油层组对比。

西承留剖面位于河南省济源市承留镇,剖面上，中上三叠统底部与下伏中三叠统油房庄组紫红色泥岩整合接触,顶部与中侏罗统马凹组不整合接触。通过研究，可进一步将中上三叠统整体划分为3段,从下向上可分别对应中晚三叠世早期、中期和晚期,其中,中晚三叠世早期沉积地层以土黄色、灰黄色细砂岩为主,夹有粉砂岩及泥岩,厚约430 m,为水动力较强的动荡沉积环境,但水深较浅,本研究将其划分为三角洲前缘沉积亚相;中晚三叠世中期沉积地层以灰黄色—灰色粉砂岩、泥岩为主,夹有薄层细砂岩,厚约380 m,并见薄层灰黑色泥岩、粉砂质泥岩,水动力条件较早期较弱,且水体有变深的趋势,依据泥岩与砂岩比例将其划分为三角洲前缘和浅湖沉积亚相;中晚三叠世晚期，沉积地层以灰色、深灰色及灰绿色泥岩、粉砂质泥岩为主,夹有细砂岩,厚约470 m,且自下而上，细砂岩厚度有所增加,显示水体存在由浅变深又由深变浅的变化过程,水动力条件也逐渐变强,因此将其划分为三角洲前缘、浅湖和深湖沉积亚相(见图2)。

整体上看,西承留剖面延长组地层发育完整,早期为三角洲前缘相沉积,表现为砂体较厚但粒度较细,部分层段与泥岩互层较频繁;中期浅湖沉积和三角洲前缘沉积交互出现,以浅湖沉积为主,表现为泥岩中夹多层砂岩薄层;晚期仍以三角洲前缘和浅湖交替出现为特征,但上部层位出现深湖沉积。本区延长组由底至顶,泥质含量逐渐增高,砂体逐渐变薄,且地层颜色逐渐加深,表现为湖进的单旋回。

3 碎屑锆石U-Pb同位素年龄测试

本研究共采集3件碎屑锆石样品,覆盖了西承留剖面上油坊庄组、椿树腰组和谭庄组,通过对这几个样品的碎屑锆石开展同位素研究,可探讨其与鄂尔多斯盆地在中晚三叠世的关联性,从而为研究该时期原始盆地的沉积范围提供依据。

3.1 样品描述及测试方法

本研究3个碎屑锆石样品JY-2、JY-3、JY-4分别采自济源西承留剖面油坊庄组灰绿色长石中砂岩、椿树腰组土黄色长石中砂岩和谭庄组土黄色长石砂岩。从阴极发光照片上看(见图3),3个样品锆石颗粒整体磨圆较好,说明经历了搬运再沉积作用,个别年轻锆石晶形较好,呈短柱状,颗粒粒径在100 μm左右。锆石颗粒上可以见到清晰的振荡环带,部分锆石环带较弱,但呈现明显的核幔结构,说明研究区锆石整体以岩浆锆石为主,但也受到后期地质事件的影响发生了变质。由于锆石形态多样,因此样品整体呈现碎屑锆石的特点。

图2 济源西承留剖面中晚三叠世综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of sedimentary facies of Middle-Upper Triassic in Xichengliu profile, Jiyuan City, Henan Province

由于不同成因的锆石Th、U含量不同,因此通常情况下Th/U比值能在一定程度上作为锆石成因的判定标志,即岩浆锆石Th/U>0.4,变质锆石Th/U<0.1。虽然目前部分学者研究发现这个标准并不绝对,但仍可以作为参考[15-16]。研究区锆石Th/U比值绝大多数大于0.1,均为岩浆成因(见图4)。

本次碎屑锆石样品U-Pb同位素定年测试采用激光剥蚀等离子质谱分析方法(LA-ICP-MS),激光剥蚀系统为GeoLas Pro,ICP-MS为Agilent 7700x。选用91500和GJ-1作为标样,数据处理采用 Glitter 4.4 程序,置信度95%,误差为1σ。实验在中国地质调查局西安地质调查中心国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成。

3.2 U-Pb同位素年龄特征

本研究对3个样品的分析测试,共获得了283颗碎屑锆石的U-Pb同位素年龄数据,在协和度取值90%～110%的前提下,共有253个数据可靠,这些年龄基本位于协和线上(见图5)。样品的年龄分布特征如表1。

由表1可以看出,研究区3个碎屑锆石样品的谐和年龄范围大致相同(220～2 600 Ma),从分布频率直方图上可以看出3个年龄组:220～330 Ma(JY-2样品38颗,峰值254 Ma;JY-3样品25颗,峰值254 Ma;JY-4样品11颗,峰值246 Ma); 1 600～2 100 Ma(JY-2样品12颗,未见明显峰值;JY-3样品17颗,峰值1 859 Ma;JY-4样品38颗,峰值1 836 Ma);2 300～2 600 Ma(JY-2样品35颗,峰值2 517 Ma;JY-3样品38颗,峰值2 494 Ma;JY-4样品36颗,峰值2 486 Ma)。另在JY-4样品中出现一颗加里东期(452 Ma±12 Ma)和一颗晋宁期(980 Ma±21 Ma)年龄锆石(见图6)。

3.3 测年结果讨论

3.3.1 2 300～2 600 Ma 此组年龄锆石颗粒最多,样品峰值集中在2 500 Ma左右,对应于太古代—古元古代微陆块拼合的华北克拉通开始形成的时代,是华北克拉通变质结晶基底的年龄。在华北板块北缘,此组年龄主要包括年龄为2.6～2.5 Ga的TTG片麻岩、镁铁质-超镁铁质侵入岩、少量表壳岩等。在华北板块南缘记录为太华群和铁铜沟群的角闪岩相变质结晶基底(2.3 Ga～2.8 Ga),其中太华群岩体有熊耳山斜长角闪岩(2.5～2.3 Ga)、小秦岭黑云母片麻岩(2.5～2.3Ga)[17]、闪长质片麻岩(2 338 Ma)[18]等,登封群为花岗-绿岩体(2.5～2.6 Ga)[19]。

图4 锆石样品Th/U与年龄分布图Fig.4 Th/u vs. Age distribution diagram of zircon samples

图5 锆石样品U-Pb协和图Fig.5 U-Pb concordia diagram of zircon samples

表1 研究区锆石样品年龄结构分布频率表Tab.1 Distribution frequencyTable of age structures of zircon samples in the study area

注：北秦岭、阴山地块、孔兹岩带数据来自文献[20]；南秦岭、华北板块南缘数据来自文献[21]图6 济源西承留剖面中晚三叠世碎屑锆石U-Pb年龄及周缘岩体锆石年龄图谱Fig.6 The atlas of U-Pb ages of Middle-Late Triassic detrital zircons from Xichengliu section of Jiyuan region and zircons from peripheral rocks

3.3.2 1 600～2 100 Ma 此组年龄为古元古代年龄,在研究区3个样品中,占比最小,峰值集中在1 800 Ma左右,JY-2样品未见明显峰值。该组年龄为东西部陆块沿中部造山带拼合并使华北克拉通最终形成的时代。在华北板块北缘,古元古代主要以沿集宁、大青山—乌拉山、千里山—贺兰山自东向西分布的孔兹岩系、TTG片麻岩和麻粒岩为代表。在华北板块南缘表现为中元古代熊耳群轻微变质或未变质的火山岩(1.9～1.7 Ga)[22]、汝阳群和洛峪群的凝灰岩(1 750～1 600 Ma)[23]以及中元古代和太古代的变沉积岩(1 850，2 500 Ma)[24]。

3.3.3 220～330 Ma 此段年龄在研究区样品中占比较高,含量自JY-2向JY-3、JY-4递减,3个样品峰值均在250 Ma左右,并在JY-3中出现330 Ma次峰,整体对应海西—印支期运动。由于早石炭世晚期—中二叠世(330～265 Ma)为古亚洲洋板块向华北板块北缘的俯冲运动,在乌拉山地区发育年龄约330 Ma的二长花岗岩、正长花岗岩、辉长闪长岩等[25],大青山同盛茂地区发育晚石炭世火山岩(305 Ma)[26],小井沟发育花岗岩(275 Ma±1 Ma)[27],另外代表岩体有乌拉特中旗花岗闪长岩(291 Ma±4 Ma)、石兰哈达石英闪长岩(299 Ma±4 Ma)、乌梁斯太花岗岩(277 Ma±3 Ma)、乌拉特中旗石英闪长岩(276 Ma±4 Ma)等;二叠纪末—三叠纪(250～200 Ma)为古亚洲洋闭合、西伯利亚板块与华北板块拼合碰撞期间,整个华北板块北缘自东向西发育印支期花岗岩体(207～227 Ma)[28]。同时,南秦岭勉略地区蛇绿岩中发育锆石U-Pb年龄为(300±6)Ma的斜长花岗岩,南平地区安山岩LA-ICPMS年龄为(246±3)Ma,代表勉略洋壳的俯冲年龄[29]。南秦岭西段发育大量与勉略洋俯冲-闭合有关的三叠纪花岗岩类岩体,西部冶力关、夏河花岗岩年龄分别为(245±6)Ma和(238±4)Ma[30]，“东江口花岗闪长岩(247～223 Ma)[31-33]等为南秦岭造山带在237～210 Ma由俯冲向同碰撞转换背景的响应[29]”。

3.4 物源区限定

从上述分析可以看出,研究区中晚三叠世主要的潜在物源区包括华北板块北部阴山地块、南部华北板块南缘、南秦岭以及华北板块沉积盖层。JY-2中的三叠世样品中，印支期—海西期年龄的锆石(220～271 Ma,峰值254 Ma)可对应阴山—大青山地区、秦岭造山带勉略缝合带岩体及华北板块南缘盖层再旋回。高频峰值区古元古代早期—新太古代(2 427～2 626 Ma,峰值2 517 Ma)可对应阴山地块孔兹岩系与华北板块沉积盖层。古元古代年龄(1 695～1 894 Ma)颗粒较少(15%)且年龄值分散,不形成峰值年龄。由于样品中不含加里东期和晋宁期年龄,因此判断JY-2的物源为华北北缘阴山地块与华北板块再旋回物质。

JY-3延长组早期样品印支期年龄和海西期年龄锆石(222～336 Ma,峰值254 Ma,次峰330 Ma)比JY-2有所减少。古元古代早期—新太古代年龄(2 303～2 695 Ma,峰值2 494 Ma)和古元古代年龄(1 673～1 947 Ma,峰值1 859 Ma)相比于JY-2均增加,可能为阴山地块地层随着剥蚀程度的增加,新地层逐渐减薄,老地层出露。

JY-4延长组中期样品中，印支期与海西期年龄锆石(230～332 Ma,峰值246 Ma)继续降低,出现了1颗加里东期452 Ma和1颗晋宁期980 Ma年龄的锆石,这两个年龄均为北秦岭造山带的代表年龄,在华北板块南缘中也存在一定数量；同时，古元古代锆石(1 680～2 078 Ma,峰值1 836 Ma)数量显著增加,古元古代早期—新太古代年龄(2 298～2 668 Ma,峰值2 486 Ma)数量相对JY-3有所降低,但与JY-2基本相等。由于北秦岭带锆石结构中，古元古代及古元古代早期—新太古代区间的年龄有限,因此这样的变化说明新增加的物源区可能为华北板块南缘而非北秦岭。从沉积时代上看,从延长组中期开始,济源地区的物源在华北板块北缘的阴山地区及华北板块沉积盖层再旋回物质的基础上,增加了华北板块南缘的供给。

4 讨论

本研究结果表明,研究区中晚三叠世早期沉积以灰黄色厚层砂岩、粉砂岩夹泥岩为主；中期砂体变薄,与泥岩频繁互层；晚期砂体进一步变薄,泥岩层增厚,呈现泥岩中夹薄砂层的状态,砂泥岩颜色从灰黄色逐渐过渡为灰绿色、灰色,地层保存完整。整体上讲，其呈现出水体由浅入深的变化,表现为湖进的单旋回,虽无法与鄂尔多斯盆地本部完整的水进、水退旋回完全对应,但二者对应性较好。从河南省地质志(1985)记载可知,研究区油坊庄组顶部标志性的紫红色泥岩可与鄂尔多斯盆地本部中三叠统纸坊组对应,椿树腰组与盆地本部延长组早期T3y1+2(长10～长8油层组)可对比,谭庄组下部岩性段可与鄂尔多斯盆地本部延长组中期T3y3(长7～长4+5油层组)对比,上段岩性可与延长组晚期T3y4+5(长3～长1油层组)对比。同时，济源地区椿树腰组和谭庄组的古生物组合与鄂尔多斯盆地延长组基本一致,说明为中晚三叠世同期地层。

本研究将鄂尔多斯盆地东部外围宁武杜家村—榆社辉教村—济源西承留—南召太山庙剖面建立沉积相对比图(见图7)。从图7中可以看出,中晚三叠世，地层厚度自北向南明显增厚,符合构造背景,并与鄂尔多斯盆地本部自北向南地层厚度递增趋势一致。延长组早期，由辫状河经辫状河三角洲、三角洲向浅湖和深湖相过渡,延长组中期由辫状河经曲流河三角洲和浅湖向深湖相过渡,延长组晚期宁武和榆社剖面几乎被剥蚀殆尽,济源剖面以深湖相沉积为主,南召剖面为典型深湖相沉积。

从济源西承留—韩城薛峰川—铜川漆水河—麟游澄水河剖面可以看出,延长组早期从澄水河向薛峰川方向由三角洲平原经三角洲前缘相向浅湖相过渡,从济源剖面至薛峰川方向由三角洲前缘相向浅湖相变化。延长组中期，从澄水河向漆水河方向由三角洲相、浅湖相向深湖相过渡,从济源向漆水河方向由浅湖相向深湖相变化。延长组晚期，由于澄水河剖面缺少地层记录,从漆水河向济源方向由三角洲平原经由三角洲前缘向深湖相过渡(见图8)。

图7 宁武杜家村—榆社辉教村—济源西承留—南召太山庙剖面中晚三叠世延长期沉积相对比剖面图Fig.7 Correlation section of sedimentary facies in the Middle-Late Triassic of Ningwu-Yushe-Jiyuan

图8 济源西承留—韩城薛峰川—铜川漆水河—麟游澄水河剖面中晚三叠世延长期沉积相对比剖面图Fig.8 Correlation section of sedimentary facies in the Middle-Late Triassic of Jiyuan-Hancheng-Tongchuan-Linyou

由此可见,济源地区无论是与鄂尔多斯盆地东部外围剖面还是与盆地南部剖面对比,沉积相变在空间上和时间上均符合瓦尔特相律,且地层沉积厚度变化符合中晚三叠世鄂尔多斯盆地古地貌北高南低,沉积厚度北薄南厚的特征。

同时,由本次碎屑锆石年代学研究结果可知,济源地区中晚三叠世碎屑物源主要来自华北板块北部阴山地块、华北板块南缘以及华北板块沉积盖层再旋回。其中，华北板块北部、沉积盖层再旋回物源与前人对鄂尔多斯盆地东北部延长组地层以及榆社地区中晚三叠世碎屑物源的研究结果一致[34],中晚三叠世晚期增加的华北板块南缘物源与南召地区物源一致。因此推测，在中晚三叠世，研究区应与现今鄂尔多斯盆地属于同一沉积盆地,且在三叠纪晚期位于该大型沉积盆地的湖盆中心附近。

5 结论

1)济源地区中晚三叠世早期岩性以灰黄色细粒长石砂岩夹黄绿色粉砂岩、泥岩为主,中期以黄绿色泥岩夹粉砂岩为主,晚期为深灰色、灰绿色泥岩夹粉砂岩为主。沉积相自三角洲前缘相经浅湖相向深湖相演变,展现了一个单向湖进旋回,与鄂尔多斯盆地延长组湖盆演化过程基本一致。

2)济源地区中晚三叠世3个碎屑锆石样品U-Pb同位素年龄主要显示为3段:2 300～2 600 Ma、1 600～2 100 Ma、220～330 Ma,另有两颗单颗粒锆石年龄分别为(452±12)Ma和(980±21)Ma。通过源区对比分析可知，中晚三叠世早中期物源主要来自华北板块北缘阴山地块与华北板块沉积盖层,中晚三叠世晚期物源在华北板块北缘阴山地块与华北板块沉积盖层的基础上增加了华北板块南缘的供给。

3)根据沉积学与年代学分析结果认为，济源地区中晚三叠世无论是地层厚度变化还是沉积相时空演变,均与鄂尔多斯盆地具有一致性,且符合当时的构造背景,因此推测中晚三叠世济源盆地与鄂尔多斯盆地属于同一个大型沉积盆地。