内蒙古索伦地区晚古生代沉积构造背景——来自上二叠统哲斯组碎屑锆石年代学的制约

李雨柯，张德军，韩科胤，曹 会，温秋园，任传涛，邹常伟，王 群

1.中国地质调查局 牡丹江自然资源综合调查中心，黑龙江 牡丹江 157000；2.中国地质调查局 沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034

作为油气勘探的新领域，东北地区南部上古生界越来越受到地学界的重视［1-4］.目前对该时期重要地层哲斯组沉积环境一直存在较大争议：一种观点认为该时期发育构造裂谷带，为古亚洲洋闭合造山后伸展的活动产物［5-6］；一种认为受古亚洲洋南支双向俯冲作用影响显著［7］；或认为哲斯组应形成于古亚洲洋南支向佳蒙地块俯冲形成的弧后或弧间盆地环境［8］；还有一种观点认为中二叠世该地区存在一个足够宽的深海洋盆，具有稳定的陆缘沉积环境［4］.本文选取内蒙古索伦地区哲斯组为研究对象，通过获取年龄谱信息限定哲斯组的沉积时代，进而讨论该沉积岩的物源区性质，以期为研究区哲斯组沉积环境研究提供科学依据.

1 地质概况及样品采集

研究区位于内蒙古自治区东部索伦地区.区内石炭系—二叠系地层广泛发育，自下而上依次为本巴图组（C2b）、阿木山组（C2－P1a）、大石寨组（P1d）、哲斯组（P2z）和林西组（P3l）.本巴图组主要出露于锡林浩特至磐石一带，岩性包括杂砂岩、长石砂岩和石英砂岩以及板岩夹钙质和凝灰质组分.阿木山组在阿鲁科尔沁旗南部、西乌珠穆沁旗南部、阿巴嘎旗南部等地区大范围出露，为一套碳酸盐岩和碎屑岩组合.大石寨组在乌兰浩特、锡林浩特、扎鲁特旗等地呈带状分布，为一套基性、中酸性火山岩和凝灰岩夹酸性火山熔岩组合.作为本文的研究对象哲斯组，传统上认为该组地层呈面形分布在西乌珠穆沁旗至锡林浩特一带，包括西乌珠穆沁旗、索伦、东乌珠穆沁旗和乌兰浩特等地，岩石主体由碎屑岩和碳酸岩组成，典型剖面见西乌珠穆沁旗和索伦地区，分为上下两段，分别代表不同的沉积旋回，时代被定为中二叠世，与下伏的林西组碎屑岩不整合接触.

样品采自科尔沁右翼前旗索伦镇好仁乡小三家子－哈拉根台哲斯组剖面（图1）.该区包括完整的哲斯组层位，分为上下段：下段自下而上由厚层的灰岩、泥岩过渡到砂岩和薄层的含砾砂岩，反映沉积环境从浅海碳酸盐台地到三角洲的变化；上段包括粉砂岩、页岩、泥岩和灰岩，与下段相同，也构成由浅海相碎屑岩、碳酸盐岩到三角洲相碎屑岩沉积的大旋回，同样反映了海平面进一步下降的过程.同时在剖面上发现有代表性的Yakovlevia和Recharewia等腕足动物化石，这些都与前人资料相当.

图1 内蒙古索伦地区地质构造及剖面图Fig.1 Geological structure and profile of Suolun area，Inner Mongolia

用于测年的样品岩性为中粗粒长石岩屑砂岩（ZJB－5）和中细粒长石砂岩（ZJB－7），分别采自剖面的上段（46°33.283′N，121°21.928E）和下段（46°31.488′N，121°23.350′E）.岩石样品ZJB－5呈黄绿色，中粗粒碎屑结构，主要由长石（约占40%）、岩屑（约30%）和石英（约30%）组成.长石类型包括可见聚片双晶的斜长石和发育条带的条纹长石，呈次棱角状—次圆状，部分长石有裂纹，少数边部出现绢云母化，粒度0.2～0.5 mm.岩屑成分复杂，主要为安山质碎屑，有少量凝灰质岩屑，粒度多集中在0.3～0.7 mm，少数可达到1 mm，矿物形态各异，棱角鲜明.石英粒度介于0.2～0.5 mm之间，部分可见波状消光.岩石整体为颗粒支撑，泥质、钙质胶结，矿物分选和磨圆较差，且长石和岩屑成分复杂，显示出近源快速堆积和物源区多样的特征.测年样品ZJB－7呈现土黄色，中细粒结构，成分为长石（约40%）、石英（约40%）和岩屑（约20%），长石少数晶形较好，呈长柱状，整体分选较好，磨圆为次圆状—次棱角状，颗粒支撑，胶结物为黏土矿物，相对上一样品碎屑的搬运距离明显变远（图2）.

图2 样品显微特征（正交偏光）Fig.2 Microphotographs of samples under cross-polarized light

2 分析方法

样品破碎后手工淘洗分离出重矿物，经磁选和重磁选后，在双目镜下挑出裂缝和包裹体相对较少、透明干净的锆石颗粒，制作锆石环氧树脂样品靶，然后在中国地质科学院北京离子探针中心完成锆石的阴极发光图像，最终样品的LA－MS－ICP锆石U－Pb测年在中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室完成.实验应用GeoLas2005准激光剥蚀系统和Aglient 7500a型ICP－MS，激光剥蚀过程中采用氦气作载气，氩气为补偿气，以调节灵敏度，二者在进入ICP之前通过一个T型接头混合.在等离子体中心气流（Ar＋He）中加入了少量氮气，以提高仪器的灵敏度、降低检出限和改善分析精密度［10］.每个时间分辨分析数据包括20～30 s的空白信号和50 s的样品信号.对分析数据的离线处理（包括对样品和空白信号的选择，仪器灵敏度漂移校正，元素含量、U－Th－Pb同位素比值、年龄计算）采用软件ICPMSDataCal等［11-12］完成.详细的仪器操作条件和数据处理方法见文献［11-13］.锆石微量元素含量利用多个USGS参考玻璃（BCR－2G，BIR－1G）作为多外标、Si作内标的方法进行定量计算.这些USGS玻璃中元素含量的推荐值根据GeoReM数据库（http：//georem.mpch-mainz.gwdg.de/）的数据.U－Pb同位素定年中采用锆石标准91500作外标进行同位素分馏校正，每分析5个样品点，分析2次91500.对于与分析时间有关的U－Th－Pb同位素比值漂移，利用91500的变化采用线性内插的方式进行了校正.锆石标准91500的U－Th－Pb同位素比值推荐值据文献［14］.锆石U－Pb谐和图绘制采用Isoplot/Ex＿ver3 Ludwig［15］完成.

3 测试结果

样品ZJB－5和ZJB－7代表性锆石的阴极发光图像见图3，分析结果如表1（扫描首页OSID二维码可见）.

图3 哲斯组锆石阴极发光图像Fig.3 CL images of selected zircons from Zhesi Formation

对样品ZJB－5进行了50个测试点分析，显微镜下锆石主要为无色，少数为黄褐色，粒径多为50～150 μm，个别锆石可达200 μm，长宽比介于1∶1～1∶2.5.部分锆石表面粗糙，少数可见裂纹和包裹体，反映锆石在形成后受到过地质活动改造.CL图像和测试结果显示样品锆石可分为3类.第一类为半自形—他形，具有清晰的振荡环带，数量众多，约占70%.第二类为自形，可辨认出四方双锥或复四方双锥的晶形，数量较少，占总数的10%左右.这两类锆石的Th/U值介于0.41～1.55.剩余锆石组成第三类，多为他形，呈浑圆粒状，少数为半自形，无明显的韵律构造，其Th/U值介于0.19～0.35.可见锆石主体显示岩浆成因，少数为变质成因.采用LA－ICP－MS的方法进行分析，剔除其中3颗年龄谐和度较低的锆石（不谐和度大于10%），其余均分布在谐和线附近，锆石年龄出现在（266±5）～（2 150±13）Ma，主要集中在266～298 Ma，主峰值为292 Ma，次峰值为510 Ma，剩余4个数据分散较远（图4）.依据样品碎屑锆石的206Pb/238U年龄和分布特征可以将其划分为4组：（266±5）～（348±8）Ma，峰值年龄为292±2 Ma，加权平均值为310 Ma（n＝21）；（358±3）～（449±8）Ma，峰值年龄为358±3 Ma，加权平均值为399 Ma（n＝5）；（470±6）～（550±8）Ma，峰值年龄为511±3 Ma，加 权 平 均 值509 Ma（n＝17）；693±7 Ma、1 440±8 Ma、1 748±17 Ma和2 150±13 Ma（n＝4）（图5）.

对样品ZJB－7也进行了50个测试点的分析，锆石以无色透明为主，少数呈红褐色，粒度在70～180 μm，大部分大于100 μm，主体为半自形—他形晶，多数形状不规则，部分呈浑圆粒状，具有清晰的震荡环带，少数环带不明显，推测经历过较长距离搬运.Th/U值集中在0.34～1.99，基本都大于0.4，为岩浆成因.个别锆石发育增生边，可能与后期遭受过蚀变有关.结果显示，3个锆石的年龄偏离谐和线，其余47个点均分布在谐和线上及其附近，锆石年龄介于（265±2）～（1 175±7）Ma，主要集中在265～299 Ma，主峰值为272 Ma，次峰值为399 Ma和515 Ma（图4）.可分为4组：（265±2）～（337±2）Ma，峰值年龄为（272±2）Ma，加权平均值为286 Ma（n＝27）；（364±4）～（453±4）Ma，峰值年龄为（399±2）Ma，加权平均值为410 Ma（n＝7）；（491±3）～（555±4）Ma，峰值年龄为（515±4）Ma，加权平均值为520 Ma（n＝9）；剩余测点年龄为（834±9）Ma，（854±6）Ma，（886±5）Ma和（1 175±7）Ma（n＝4）（图5）.

图4 哲斯组锆石U－Pb年龄谐和图Fig.4 Concordia diagrams for zircon U-Pb isotopes of Zhesi Formation

图5 哲斯组锆石样品U－Pb年龄相对频率图Fig.5 Relative frequency diagram for zircon U-Pb isotopes of Zhesi Formation

4 讨论

4.1 哲斯组形成时代

锆石U－Pb年代学测试数据结果表明，样品ZJB－5年龄主要集中在266～298 Ma，并在292 Ma有明显的年龄峰值，其Th/U值介于0.30～1.03，绝大多数大于0.4，显示岩浆锆石的特征.其中最年轻一颗锆石（ZJB－5－12）年龄为266 Ma，Th/U值0.59，锆石颗粒长约150 μm，宽约80 μm，具明显的韵律环带构造，晶体完整，晶形为长条柱状，棱角鲜明.样品ZJB－7年龄集中在265～299 Ma，峰值年龄为272 Ma，Th/U值为0.34～1.99，多数大于0.8，也显示了岩浆锆石的特征.其中最年轻锆石ZJB－7－07（265 Ma）的长约120 μm，宽约70 μm，其Th/U值0.83，振荡环带发育，锆石较为完整，略有磨圆，显示有较短距离的搬运.以上数据表明哲斯组的沉积时代在265 Ma之后，为中二叠世后期，这与王成源等［16］得出的中二叠世Wordian晚期到Canpitanian早期一致.而292 Ma和272 Ma的年龄峰值暗示地层确切时代可能开始于晚二叠世.

4.2 哲斯组物源区特征

2个样品合并后的相对频率见图6，测点共计100个，其中94个处于谐和线附近，大致可以划分为4个年龄区间：（265±2）～（348±8）Ma，峰值年龄为272±2 Ma（n＝48），占有效测点数的51%；（358±3）～（453±4）Ma，峰值年龄为403±3 Ma（n＝12），占有效测点数的12%；（470±6）～（555±4）Ma，峰值年龄为511±3 Ma（n＝26），占有效测点数的27%；693±7 Ma、834±9 Ma、854±6 Ma、886±5 Ma、1 175±7 Ma、1 440±8 Ma、1 748±17 Ma和2 150±13 Ma（n＝8），离散分布，占有效测点数的8%.

图6 哲斯组碎屑锆石年龄相对频率分布图Fig.6 Relative frequency distribution of detrital zircons from Zhesi Formation

1）265～348 Ma：该组年龄的碎屑锆石数量众多，占测试锆石总量的一半以上.2个样品具有明显的270～290 Ma和315～330 Ma的峰期年龄，其Th/U值为0.19～0.81，绝大多数大于0.4，且CL图像中显示清晰的振荡环带，反映出岩浆锆石的特征，同时也指示了对应的岩浆事件的时间.其中270～290 Ma的峰值年龄与研究区附近的大石寨组火山岩一致，如内蒙古林西地区钙碱性火山岩（270 Ma）［17］，锡林浩特一带双峰式火山岩（281 Ma）［18］和苏尼特左旗东北达尔罕敖包地区安山岩（281 Ma）［19］等.315～330 Ma的峰值年龄与内蒙古苏尼特左旗花岗岩（310 Ma与俯冲和碰撞有关）［20］，白音高勒地区石英闪长岩（313～323 Ma）［21］以及西乌旗南部石英闪长岩（320 Ma）［22］吻合.以上研究表明研究区附近的石炭纪—二叠纪岛弧岩浆岩是哲斯组的主要物源区.此外，在CL图像中该组年龄锆石晶体形态较为完整，多为次棱角状，少数为棱角状，也反映了岩浆岩近源堆积的特点.综上所述，研究区附近的岛弧岩浆岩是哲斯组的主要物源区，包括北侧的苏尼特左旗－锡林浩特－西乌旗岩浆弧和大石寨组火山岩.

2）358～453 Ma：该组年龄岩浆锆石占有效测点数的12%，Th/U值为0.83～1.00，时间与松嫩地块晚泥盆纪—志留纪的岩浆活动对应，如盆地南部的闪长岩（394 Ma）、钾长花岗岩（361 Ma）［23］和黑云母阳起石石英片岩中的岩浆锆石（427和455 Ma）［24］.揭示了松嫩地块基底是哲斯组物源区之一.

3）470～555 Ma：该组年龄锆石是哲斯组重要组成部分，占有效测点数的27%.锆石形态多数呈长柱状，次棱角状居多，棱角状次之，偶见粒状，表明搬运距离有限.其Th/U值全部大于1.00，且锆石的韵律环带清晰，充分显示了岩浆锆石的特征，证明了加里东期岩浆岩是哲斯组重要的物源区.此年龄与佳木斯地块虎头杂岩（515 Ma）［25］、片麻状花岗岩（486 Ma）［26］及兴华渡口群和扎兰屯群变质杂岩（506～547 Ma）［27］一致，也与佳木斯地块麻山群的岩浆锆石年龄吻合［28-30］.此外在研究区附近的松嫩地块南部也存在相似的年龄（490 Ma）［24］.500 Ma的年龄在额尔古纳地块、松嫩地块、佳木斯地块都有出现［31］，意味着该区在此时已经形成统一的块体，并具有共同的动力学背景.结合锆石的CL图像，推测松嫩地块基地可能是其中最主要的物源区.

4）693～2 150 Ma：该组锆石数量最少，占有效分析锆石的8%，且年龄跨度很大，贯穿了整个元古宙.锆石多具有磨圆，个别呈浑圆粒状，证明搬运距离较远.大部分锆石震荡环带清晰，且Th/U值集中在0.19～0.73，多数大于0.5，显示出岩浆锆石的特性.这些年龄在东北地区均有出露：如虎头群夕线石榴片麻岩（678～1 373 Ma）［32］、塔河花岗岩（830 Ma）［33］、佳木斯地块中的蓝片岩（670～910 Ma）［34］、黑龙江东南穆棱地区麻山群（843～1 004 Ma）［26］、兴华渡口群变碎屑岩中的碎屑锆石（1 600～1 800和2 500～2 600 Ma）［27］、麻山副片麻岩（1 900 Ma）［34］.因此元古宙变质基底可能是哲斯组古老物源区.

综上所述，东北地区二叠系哲斯组的主要物源区包括邻近区域的早二叠世大石寨组火山岩和北侧苏尼特左旗－锡林浩特－西乌旗一带的岛弧岩浆岩，少量来自相邻地区的结晶基底，显示物源区均来自东北地区.王成文等［4］、张兴洲等［31］，周建波等［35］分别就东北地区上古生界进行了研究，表明：1）哲斯组分布在内蒙古西乌旗、索伦、东乌旗、乌兰浩特以及长春、铁力、安图等东北南部的广大地区，呈近东西向条带状展布，主体岩性为海相碳酸岩和碎屑岩，没有明显遭受变质作用改造的迹象；2）地层中存在腕足、三叶虫、腹足、苔藓虫等海相古生物化石，数量巨大，门类众多，保存完好，其中以哲斯腕足动物群为显著标志；3）地层处于晚古生代佳蒙地块构造背景之下，具有准盖层性质，沉积环境稳定.结合本研究野外实测剖面显示的浅海相－三角洲相沉积组合和古生物化石以及锆石U－Pb年代测试结果，上二叠统哲斯组不可能形成于大陆裂谷环境，地层应属大陆边缘沉积建造.同时，哲斯组暗色泥岩发育，累计厚度达到1 900 m以上，有机碳含量（质量分数）一般为0.16%～1.0%，最高达1.3%，达到中等—好烃源岩标准［36］，为东北地区油气勘探的新层系，具有潜在的油气地质研究意义.

5 结论

1）索伦地区哲斯组碎屑锆石均为岩浆锆石，其测试结果显示的年龄区间分别为：（265±2）～（348±8）Ma，峰值年龄为272±2 Ma；（358±3）～（453±4）Ma，峰值年龄为403±3 Ma；（470±6）～（555±4）Ma，峰值年龄为511±3 Ma；剩余的前寒武纪锆石为693±7 Ma、834±9 Ma、854±6 Ma、886±5 Ma、1 175±7 Ma、1 440±8 Ma、1 748±17 Ma和2 150±13 Ma.这些数据表明哲斯组物源区主要为邻近区域的石炭—二叠纪大石寨组火山岩和岛弧岩浆岩以及变质基底.

2）哲斯组的物源区均为来自邻近的火山岩和变质基底.这些特征与前人在地层学领域研究的岩石组合、古生物化石以及沉积背景一致，表明哲斯组应为大石寨组沉积之后较为稳定的大陆边缘沉积，且暗色泥岩发育，可作为东北地区油气勘探的新层系.