大兴安岭中段索伦地区中侏罗统万宝组沉积环境及地球化学特征

施璐，唐振，张渝金，杨柳，杜玉春

1.中国地质调查局 沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034；2.东北大学 资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110004

0 前言

以往松辽盆地及外围的油气勘探工作主要集中在白垩系和古近系等已知目的层系，近年来侏罗系地层也作为主要生烃层系成为油气勘探工作的新目标［1-4］，在突泉盆地突参1井侏罗系万宝组也发现了轻质原油［3］.由于大面积的上侏罗统—下白垩统火山岩覆盖，侏罗系沉积地层出露面积较少，制约了对于侏罗系沉积地层沉积环境、物源特征和构造背景等特征的认识.中侏罗统万宝组作为潜在的烃源岩层位之一，是侏罗系主要的陆相沉积地层，确定其岩性组合特征、产出状况、沉积环境、物源特征等就显得尤为重要［5-6］.区域上万宝组岩性可分为上、下两部分，下部为灰、灰白、灰绿色砾岩夹砂岩和凝灰岩，上部为灰黑色泥岩、灰与灰黑色砂岩和粉砂岩夹凝灰岩及煤层，含植物化石.万宝组通常以底部砾岩与下伏红旗组呈角度不整合接触，其上被塔木兰沟组火山岩不整合覆盖.笔者在大兴安岭中段索伦地区阿拉达尔吐等地发现了一套陆相火山沉积碎屑岩，通过孢粉化石、岩石组合等特征将其厘定为中侏罗统万宝组（图1）.本文以索伦地区万宝组为研究对象，通过岩石地层层序、岩石地球化学等研究，确定万宝组的沉积环境，探讨其物源属性和大地构造背景，为松辽盆地进一步的油气勘探工作提供地质依据.

图1 大兴安岭中段索伦地区地质简图Fig.1 Geological map of Suolun area in middle Daxinganling Mountains

1 区域地质背景

索伦地区位于松辽盆地西缘大兴安岭中段，大地构造位置处于贺根山－黑河断裂以北的兴安地块东南缘（图1a），经历了古生代古亚洲洋构造域和中新生代蒙古－鄂霍次克洋及环太平洋构造域演化和叠加改造［7-10］.索伦地区晚古生代以浅变质的海相－陆相沉积作用为主，产出地层有下二叠统大石寨组（P1d）、中二叠统哲斯组（P2z）海相沉积地层和上二叠统林西组（P3l）湖沼相沉积地层.中生代以陆相火山沉积作用为主，产出地层有中侏罗统万宝组（J2wb），上侏罗统满克头鄂博组（J3mk）、玛尼吐组（J3mn），下白垩统白音高老组（K1b）、龙江组（K1l）、光华组（K1g）（图1b）.

索伦地区万宝组主要分布在冬省达坂、巴彦乌兰、阿拉达尔吐等地，总体以条带状出露于研究区晚中生代火山喷发盆地的底部和盆缘一带（图1b）.该组为一套分布于山间断陷盆地的陆相火山沉积碎屑岩建造，主要岩性为凝灰质砂砾岩、砂岩、粉砂岩及火山碎屑岩.笔者在该地区万宝组砂岩中获得大量孢粉化石，孢粉组合以Cyclogranisporites-Protopinus-Pristinuspollenites（圆形粒面孢-原始松粉－原始双囊粉）为代表，孢子类型以侏罗纪常见孢粉化石为主，确认索伦地区万宝组形成时代应为中侏罗世［11-13］.

2 岩石地层层序

本次研究在索伦地区冬省达坂实测了万宝组地层剖面（PM111，图2），剖面走向166°，长度1.83 km，地层层序自上而下如下.

图2 索伦地区冬省达坂万宝组地层实测剖面（PM111）Fig.2 Stratigraphic profile PM111 of Wanbao Formation at Dongshengdaban in Suolun area

该剖面显示万宝组为一套以凝灰质细砂岩、粉砂岩为主夹少量凝灰质中细砂岩的沉积岩建造.根据剖面图整体进行分析，可划分出4个沉积韵律，由上到下依次为：①凝灰质粉砂细砂岩－粉砂岩沉积韵律；②凝灰质中细粒砂岩－泥岩沉积韵律；③细砂岩－细砂粉砂岩沉积韵律；④细砂粉砂岩－细砂岩沉积韵律.①—③沉积韵律向上变细，表现出水进过程（即退积）；而④沉积韵律向上变粗，则表现出水退过程（即进积）.

在阿拉达尔吐地区实测万宝组地层剖面（PM511，图3），剖面走向88°，长度1.27 km，地层层序自上而下如下.

图3 索伦地区阿拉达尔吐万宝组地层实测剖面（PM511）Fig.3 Stratigraphic profile PM511 of Wanbao Formation at Alada’ertu in Suolun area

该剖面显示万宝组为一套以粗砂岩、中细粒长石岩屑砂岩及复成分砾岩为主，夹少量粉砂岩的沉积建造，含植物化石（未定种）.根据实测剖面综合分析，可划分为4个沉积韵律，由下到上依次为：①灰绿色粉砂岩－灰黄色含砾粗砂岩－粉砂岩沉积韵律；②粗粒长石岩屑砂岩－中粒长石岩屑砂岩沉积韵律；③砂砾岩－粉砂岩沉积韵律；④复成分砾岩－含砾中细粒长石岩屑砂岩－细砂岩沉积韵律.①④沉积韵律为一套相对完整的V级沉积体系；②③则表现为水进过程（即退积）.

3 沉积相分析

综合分析两条剖面，可将索伦地区万宝组地层沉积相划分为辫状河三角洲相，形成于辫状河体系前积到停滞水体中富含砂和砾石的三角洲沉积环境，沉积水动力环境介于粗碎屑为主的扇三角洲和细碎屑为主的正常三角洲之间［14］.

PM111剖面中，根据岩石组合与基本层序特征自下而上可划分为两个亚相：辫状河前三角洲亚相（1—7层）——以浅灰色—深灰色凝灰质粉砂岩、细粒凝灰质砂岩互层为主体，局部发育中细粒凝灰质砂岩或凝灰质粉砂质泥岩夹层；辫状河三角洲前缘亚相（8—10层）——深灰色中厚层状细粒凝灰质砂岩、凝灰质细砂粉砂岩夹薄层状凝灰质粉砂岩.

PM511剖面中根据岩石组合与基本层序特征自下而上可划分为两个亚相：辫状河三角洲前缘亚相（1—3层）——底部以薄层状粉砂岩为主，中部为灰紫色薄层状粉砂岩与细粒凝灰质砂岩互层为主体，至顶部出现灰紫色含砾细砂岩与灰黄色砂质砾岩夹层，呈现逆粒序特征；辫状河三角洲平原亚相（4—18层）——由多个向上变细的正粒序沉积韵律组成，每个韵律底部为灰色－灰黄色砂砾岩、凝灰质含砾粗砂岩，中部为灰黄色灰绿色中细粒凝灰质砂岩，顶部为灰紫色－灰绿色粉砂岩、粉砂质泥岩.

4 岩石地球化学特征

本次工作对索伦地区万宝组砂岩样品进行的主量、微量、稀土元素分析在自然资源部东北矿产资源监督检测中心完成，分析结果见表1.将新鲜未风化的样品洗净、烘干后研磨至小于200目的粉末，用于主、微量元素分析.主量元素采用X射线荧光光谱法（XRF）分析，微量和稀土元素采用等离子质谱法（ICP－MS）分析.

由表1可知，万宝组砂岩SiO2含量为61.81%～71.72%，说明物源可能为酸性岩区.Al2O3含量为13.37%～19.63%，CaO为0.31%～4.29%，Na2O为0.77%～4.19%，K2O为2.23%～5.69%，MgO为0.51～2.55%，Fe2O3为0.21～1.92%，FeO为2.34～5.17%，Mg、Fe含量普遍较低，推测母岩主要来自上地壳.根据微量元素蛛网图（图4）可知，万宝组砂岩相对富集大离子亲石元素（如Th、U、LREE）和Zr、Hf元素，亏损高场强元素（如Nb、Ta、P、Ti）和Ba、Sr元素，该特征也与大陆上地壳相似.岩石的稀土元素总量（ΣREE）介于133.15×10－6～225.64×10－6之间，轻重稀土元素比值（LREE/HREE）为7.29～9.00，轻重稀土分馏系数（La/Yb）N介于7.62～10.70之间.δEu为0.45～0.93，具有中等到弱的负Eu异常，δCe为0.87～1.03，异常不明显.在球粒陨石标准化的稀土元素配分曲线（图5）上具有轻稀土富集的右倾特征，相对富集轻稀土元素，亏损重稀土元素.

图4 万宝组砂岩原始地幔标准化微量元素蛛网图（据文献［15］）Fig.4 Primitive mantle-normalized trace element spidergram of the sandstones from Wanbao Formation（After Reference［15］）

图5 万宝组砂岩球粒陨石标准化稀土元素配分模式图（据文献［16］）Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of the sandstones from Wanbao Formation（After Reference［16］）

表1 索伦地区万宝组砂岩主量元素及微量元素分析结果Table 1 Contents of major and trace elements in the sandstones from Wanbao Formation

5 物源属性

沉积物的地球化学组成主要取决于源区的成分或不同源区成分的混合比例，因此碎屑岩的地球化学特征可以反映沉积物源的属性［17-18］.Roser等［19］以砂－泥岩中的几种氧化物为变量，建立了砂－泥岩物源区性质多变量判别图解.利用万宝组样品的主量元素测试结果进行投图（图6）［19］，样品投点落入酸性和中性火山岩区，暗示万宝组的沉积物源主要来自中酸性火山岩源区.REE、Zr、Th、Sc等微量元素在岩石风化、搬运和成岩过程中相对稳定，能够较好地提供物源区的成分信息.在（La/Th）－Hf图解（图7）［20］中，万宝组砂岩主要落入长英质物源区，位于上地壳平均成分附近.在（Co/Th）－（La/Sc）图解（图8）［17，20］中，万宝组样品投点也落在长英质火山岩物源区，更靠近活动构造型碎屑物源.

图6 索伦地区万宝组砂岩物源区性质函数判别图解（据文献［19］）Fig.6 Function discrimination diagram of provenance property for sandstones from Wanbao Formation（After Reference［19］）

图7 万宝组砂岩La/Th－Hf沉积物源判别图解（据文献［20］）Fig.7 The La/Th-Hf discrimination diagram of sediment source for sandstones from Wanbao Formation（After Reference［20］）

图8 万宝组砂岩Co/Th－La/Sc沉积物源判别图解（底图据文献［20］；虚线据文献［17］）Fig.8 The Co/Th-La/Sc discrimination diagram of sediment source for sandstones from Wanbao Formation（After References［17，20］）

6 构造背景

研究表明砂－泥岩中一些化学性质不活泼的微量元素（如La、Th、Sc、Zr、Ti）及其比值较稳定，能够判定沉积时期的构造背景，主要包括大洋岛弧、大陆岛弧、主动大陆边缘和被动大陆边缘4种构造背景［21］.在万宝组砂岩微量元素构造环境判别图解（图9）中，样品投点几乎全部落入大陆岛弧区域，判断中侏罗统万宝组物源区为大陆岛弧环境.依据Bhatia［22］归纳总结的不同构造背景下的砂岩REE特征值，将研究区沉积岩的有关参数与各种构造背景下的砂岩参数进行对比（表2）发现，研究区中侏罗统万宝组砂岩化学成分也多与大陆岛弧背景相似.

图9 索伦地区万宝组砂岩微量元素构造环境判别图解（据文献［21］）Fig.9 Tectonic setting discrimination diagrams for the sandstones from Wanbao Formation in Suolun area（After Reference［21］）

表2 索伦地区万宝组碎屑岩与各种构造背景下砂岩的有关参数对比Table 2 Comparison of parameters between clastic rocks from Wanbao Formation in Suolun area and sandstones under various tectonic settings

从侏罗纪开始，中国东北地区的构造格架由古亚洲洋构造体系转变为蒙古－鄂霍次克构造体系和环太平洋构造体系的演化阶段［23-26］，构造线也由东西向构造转变为北东和北北东向构造.年代学研究显示，中侏罗世—早白垩世早期（164～140 Ma）的火山岩主要分布于松辽盆地以西地区，而在吉黑东部尚未发现［25］，这也暗示了松辽盆地西缘中侏罗世—早白垩世早期的构造环境可能与古太平洋板块的俯冲作用无关.近年来，众多学者确定了蒙古－鄂霍次克洋存在向南的俯冲作用［27-28］.因此研究区中侏罗统万宝组沉积岩地球化学特征显示的大陆岛弧背景更可能与蒙古－鄂霍次克洋的南向俯冲弧后伸展作用有关.

7 结论

1）索伦地区万宝组为一套分布于山间断陷盆地的陆相沉积碎屑岩建造，主要岩性为凝灰质砂砾岩、砂岩、粉砂岩及火山碎屑岩，沉积相为辫状河三角洲相.

2）地球化学特征指示索伦地区万宝组沉积物源主要来自中酸性岩浆岩源区，具有大陆岛弧构造背景特征，可能与蒙古－鄂霍次克洋的南向俯冲弧后伸展作用有关.