魯西隆起區(qū)晚中生代地層碎屑石榴石分析及物源區(qū)構造演化示蹤①

卜香萍 石永紅 李 忠

(1.安徽省地球物理地球化學勘查技術院 合肥 230022;2.合肥工業(yè)大學資環(huán)學院 合肥 230009;3.中國科學院地質與地球物理研究所巖石圈演化國家重點實驗室 北京 100029)

華北東部中生代構造體制的重大轉折事件一直為人們所關［1～7］。魯西隆起作為華北板塊東部的最重要的組成單元，對其詳細的地質學研究將是透視華北東部中生代構造轉折事件的重要場所。目前，對于魯西隆起的研究多集中在構造、巖石地球化學和年代學方面［8～14］，進而探討該地區(qū)中生代的演化歷史。由于研究的角度和方法差異，人們對于魯西地塊中生代的構造階段劃分及其成因認識并不統(tǒng)一。翟明國等［15，16］對此曾做過系統(tǒng)論述，并提出中生代構造轉折事件起始于晚侏羅世，結束于早白堊世晚期，并認為這種構造體制的轉折是陸內構造運動的結果，是中國陸塊(華南—華北—蒙古)與西部特提斯洋閉合、北部西伯利與中國陸塊的碰撞，以及東部的古太平洋閉合共同作用下形成的;李三忠等［17］從構造角度則劃分了5個構造階段，強調這種構造轉折是由于太平洋板塊持續(xù)俯沖的結果;張錫明等［12］則依據沉積—巖漿—構造演化序列認為魯西地塊經歷了6個構造事件，并認為其是受大別—蘇魯碰撞造山和太平洋板塊俯沖所致;王先美等［13］則根據構造地質學和年代學的研究傾向于將魯西隆起晚中生代劃分3期構造階段。李臨華［18］則從盆地沉積角度分析認為魯西地塊中生代的構造活動發(fā)生于中—晚侏羅世、早白堊世早期和早白堊世晚期。

本文期望通過對魯西隆起區(qū)中生代盆地中的碎屑石榴石的高分辨率分析研究，從沉積學角度客觀地再現魯西地塊中生代構造演化過程，進而探討魯西隆起晚中生代構造轉折機制。

1 地質背景

魯西地區(qū)主要是指山東省濰坊—臨沂一線以西的地區(qū)，東以郯廬(郯城—廬江)斷裂為界(圖1);西以聊考(聊城—蘭考)斷裂為界;北以齊廣(齊河—廣饒)斷裂為界［9］。魯西地區(qū)中部主要為魯西隆起基巖出露區(qū)，其外圍則多為斷陷盆地。魯西中生代斷陷盆地主要形成于侏羅—白堊紀，出露地層較為齊全(表1)。侏羅系主要有坊子組和三臺組，坊子組由一套灰色長石砂巖、粉砂巖及炭質頁巖組成，三臺組為磚紅色、雜色砂巖夾礫巖。白堊紀時期主要發(fā)育蒙陰組、青山組、王氏組，蒙陰組為灰綠色砂巖夾頁巖，青山組是一套中基性火山熔巖、火山碎屑巖，青山組又分為下段、中段、上段，王氏組為紫紅色砂礫巖、砂巖夾頁巖，分為下段、中段、上段。

圖1 魯西盆地及周邊地區(qū)地質簡圖Fig.1 Geological sketch map of Luxi Basin

表1 魯西盆地中生代地層及樣品層位簡表Table 1 Mesozoic strata and sampling horizons of Luxi basin

魯西地區(qū)基底由新太古代泰山巖群、TTG巖系和古元古代花崗質巖石組成;其中泰山巖群主要由斜長角閃巖和黑云變粒巖組成;花崗質巖體主要由片麻狀二長花崗巖、閃長巖—花崗閃長巖系列組成［19］。位于魯西隆起東側的膠東地區(qū)主體為蘇魯造山帶，主要由花崗片麻巖、榴輝巖、麻粒巖、負片麻巖、片巖以及低級變質沉積巖系構成［20，21］。

2 碎屑石榴石礦物學特征及精確成分研究

本次分析樣品取自魯西隆起區(qū)的平邑、蒙陰、淄博、臨朐、沂水等斷陷盆地(圖1)，共采集了110個樣品，均為中生界砂巖，分離出砂巖中的石榴石，從中挑選了15個樣品進行電子探針分析。侏羅系坊子組和三臺組各2個樣品，白堊紀蒙陰組2個樣品，青山組下段3個樣品，青山組中段2個樣品，王氏組下段、中段各2個樣品。青山組上段因火山巖較發(fā)育，未采集到砂巖樣品，王氏組上段出露地區(qū)很少［22］，故王氏組上段樣品也未采集(表1)。砂巖中碎屑石榴石的分離與選取參照李任偉等［36］的方法，通過淘洗、重液、精淘分離和電磁分離挑選出碎屑石榴石，共獲得了600多粒石榴石的化學成分，代表性石榴石成分見表2，每一層位中選取的石榴石總數均在50顆以上(表3)。

2.1 碎屑石榴石礦物學分析

根據礦物學分析顯示，魯西隆起區(qū)斷陷盆地中砂巖所含的碎屑石榴石主要有兩類:一種碎屑石榴石多呈黃紅色—淺粉色(圖2a)，顆粒粒徑較大，多在0.2～0.5 mm之間，呈次棱角狀;另一種石榴石多為淡黃色—淺灰色(圖2b)，粒徑相對較小，約 0.1～0.3 mm，為棱角至次棱角狀。總體而言，這兩類石榴石表面均較為粗糙，凹凸較為顯著，顆粒的棱角分明，暗示暗示了近源堆積特征。對比前人在魯西地區(qū)和膠東地區(qū)的石榴石礦物學研究看［23～26］，前者石榴石多與魯西地區(qū)的石榴石類似，后者則與膠東地區(qū)石榴石礦物特征相近。而根據統(tǒng)計分析結果分析，黃紅色—淺粉色石榴石在侏羅系坊子組中含量最多，在三臺組中這兩種石榴石含量大致相等，至白堊紀時，則淡黃色—淺灰色含量占據主導地位。

表2 魯西盆地代表性石榴石成分Table 2 Composition of representative garnet in Luxi basin

表3 魯西盆地各物源含量Table 3 The content of all provenance in Luxi basin

圖2 典型石榴石鏡下照片(單偏光)Fig.2 Microscopic picture of representative garnet

2.2 碎屑石榴石精確成分確定

碎屑石榴石的成分分析由由中國科學院地質與地球物理研究所電子探針分析室完成，探針儀型號為CAMECA SX51，加速電壓和電流分別為15 kV和20 nA，代表性分析數據見表2。為確保石榴石分析數據的客觀性和統(tǒng)計性，本次研究對各時代地層選取了2個以上的碎屑砂巖樣品，每個層位分析的石榴石顆粒數在50個以上。為了進行物源分析和對比，前人收集了魯西及膠東地區(qū)的石榴石成分，并建立了可供對比的源區(qū)標尺［27］。按照物源區(qū)產出位置，劃分出魯西石榴石單元、郯廬石榴石單元和膠東石榴石單元。根據巖性的差異，各單元分別劃分出三個亞單元。根據魯西斷陷盆地中砂巖的石榴石成分分析與源區(qū)對比可以看出(圖3，表3):

(1)早—中侏羅世期坊子組:共采SD090-1和SD086-1兩個樣品(圖3a，表3)?？傤w粒數為95粒，SD090-1和SD086-1分別為10顆與85顆，其中落入LX-Ⅰ區(qū)域為 50%～82.4%(平均 66.2%);沒有石榴石落入LX-Ⅱ和LX-Ⅲ內。落入JD-Ⅰ區(qū)域的石榴石為0顆;位于JD-Ⅱ區(qū)域的也為0顆;落入JD-Ⅲ區(qū)域的則為 8.2%～30%(平均 19.1%)。落入 TL-Ⅰ區(qū)域的石榴石為0顆;位于TL-Ⅱ區(qū)域的為4.7%～10%(平均 7.4%);TL-Ⅲ區(qū)域則為 TL-Ⅱ和 JD-Ⅲ區(qū)域的總和，約12.9%～40%(約26.5%)。落入外圍石榴石的顆粒約4.7%～10%(平均7.4%)。

(2)中—晚侏羅世期三臺組:共采SD092-1和SD089-1兩個樣品(圖3b，表3)?？傤w粒數為122粒，SD092-1和SD089-1分別為37與85顆，其中落入LX-Ⅰ區(qū)域為 43.5%～54.1%(平均 48.8%);沒有石榴石落入LX-Ⅱ和LX-Ⅲ內。落入JD-Ⅰ區(qū)域的石榴石為0顆;位于 JD-Ⅱ區(qū)域為0%～8.2%(平均4.1%);落入 JD-Ⅲ區(qū)域的則為 19%～20%(平均19.5%)。落入TL-Ⅰ區(qū)域的石榴石為0顆;位于TL-Ⅱ區(qū)域的為 14.1%～24.3%(平均 19.2%);TL-Ⅲ區(qū)域則為 TL-Ⅱ和 JD-Ⅲ區(qū)域的總和，約 34.1%～43.2%(約 38.7%)。落入外圍石榴石的顆粒約2.7%～14.1%(平均 8.4%)。

(3)白堊紀早期蒙陰組:共采SD003-1和SD026-2兩個樣品(圖3c，表3)?？傤w粒數為84粒，SD003-1和SD026-2分別為24顆和60顆，其中落入LX-Ⅰ區(qū)域為 29.2%～31.7%(平均 30.5%);沒有石榴石落入LX-Ⅱ和LX-Ⅲ內。落入JD-I區(qū)域的石榴石為6.7%～8.3%(平均 7.5%);位于 JD-Ⅱ區(qū)域的為8.3%～18.3%(平均 13.3%);落入 JD-Ⅲ區(qū)域的則為20%～33.3%(平均 26.7%)。落入 TL-Ⅰ區(qū)域的石榴石為0顆;位于TL-Ⅱ區(qū)域的為6.7%～16.7%(平均11.7%);TL-Ⅲ區(qū)域則為TL-Ⅱ和JD-Ⅲ區(qū)域的總和，約26.7%～50%(約38.3%)。落入外圍石榴石的顆粒約4.2%～16.7%(平均10.4%)。

(4)白堊紀早期青山組下段:共采了SD020-1、SD020-3、SD021-2三個樣品(圖3d，表3)?？傤w粒數為55粒，樣品 SD020-1、SD020-3、SD021-2顆粒數分別為 13、16、26，其中落入 LX-Ⅰ區(qū)域為 3.8%～7.7%(平均 5.9%);沒有石榴石落入 LX-Ⅱ和 LX-Ⅲ內。落入JD-Ⅰ區(qū)域的石榴石為6.3%～42.3%(平均26.4%);位于 JD-Ⅱ區(qū)域的為 7.7%～19.2%(平均15.2%);落入 JD-Ⅲ區(qū)域的則為 7.7%～12.5%(平均9.3%)。落入TL-Ⅰ區(qū)域的石榴石為0顆;位于TL-Ⅱ區(qū)域的為0%～25%(平均10.9%);TL-Ⅲ區(qū)域則為 TL-Ⅱ和 JD-Ⅲ區(qū)域的總和，約 7.7%～37.5%(約 20.2%)。落入外圍石榴石的顆粒約19.2%～38.5%(平均29.6%)。

(5)白堊紀早中期青山組中段:共采SD016-1和SD025-2兩樣品(圖3e，表3)。總顆粒數為69粒，SD016-1和SD025-2分別為44、25顆，其中落入LX-Ⅰ區(qū)域為11.4%～56%(平均33.7%);沒有石榴石落入LX-Ⅱ和LX-Ⅲ內。落入JD-Ⅰ區(qū)域的石榴石為0～2.3%(平均1.1%);位于 JD-Ⅱ區(qū)域的為 13.6%～20%(平均16.8%);落入JD-Ⅲ區(qū)域的則為0顆。TL-Ⅲ區(qū)域則為TL-Ⅱ和JD-Ⅲ區(qū)域的總和，約4%～38.6%(約21.3%)。落入 TL-Ⅰ區(qū)域的石榴石為0顆;位于 TL-Ⅱ區(qū)域的為4%～38.6%(平均21.5%);落入外圍石榴石的顆粒約 20%～34.1%(平均27%)。

(6)白堊紀早中期王氏組下段:共采SD080-1和SD080-2兩樣品(圖3f，表3)。總顆粒數為68粒，共采SD080-1和 SD080-2分別為40、28顆，其中落入LX-Ⅰ區(qū)域為5%～7.1%(平均6.1%);沒有石榴石落入LX-Ⅱ和LX-Ⅲ內。落入JD-Ⅰ區(qū)域的石榴石為0～10%(平均5%);位于 JD-Ⅱ區(qū)域的為10.7%～17.5%(平均14.1%);落入JD-Ⅲ區(qū)域的則為0%～10%(平均5%)。落入TL-Ⅰ區(qū)域的石榴石為0顆;位于 TL-Ⅱ區(qū)域的為14.3%～22.5%(平均18.4%);TL-Ⅲ區(qū)域則為TL-Ⅱ和JD-Ⅲ區(qū)域的總和，約14.3%～32.5%(約23.4%)。落入外圍石榴石的顆粒約35%～67.9%(平均51.4%)。

(7)白堊紀早中期王氏組中段:共采SD070-1和SD074-2兩個樣品(圖3g，表3)?？傤w粒數為114粒，SD070-1和SD074-2分別為53、61顆，其中落入LX-Ⅰ區(qū)域為 13.2%～14.8%(平均 14%);沒有石榴石落入LX-Ⅱ和LX-Ⅲ內。落入JD-I區(qū)域的石榴石為7.5%～16.4%(平均 12%);位于 JD-Ⅱ區(qū)域的為17%～24.6%(平均 20.8%);落入 JD-III區(qū)域的則為 8.2%～18.9%(平均 13.5%)。落入 TL-Ⅰ區(qū)域的石榴石為0顆;位于TL-Ⅱ區(qū)域的為4.7%～10%(平均 7.4%);TL-Ⅲ區(qū)域則為 TL-Ⅱ和 JD-Ⅲ區(qū)域的總和，約23%～32.1%(約27.5%)。落入外圍石榴石的顆粒約19.7%～22.6%(平均 21.2%)。

3 高分辨率石榴石分析及對魯西隆起構造演化的啟示

目前，石榴石成分示蹤物源的方法在國內外沉積學研究中已逐漸廣泛應用，并獲得了較好的效果［27～38］。由于石榴石比較穩(wěn)定，在風化、搬運、沉積和成巖作用過程中不容易發(fā)生變化，且各時代地層中均有大量產出。加之石榴石成分具有顯著的專屬性，即不同源區(qū)的石榴石成分差異顯著。因此，無論是統(tǒng)計性，時代的連續(xù)性，還是沉積物源準確判別方面，從沉積學角度都能連續(xù)地、客觀地反演盆山耦合過程。

從圖3a可以看出，在下—中侏羅統(tǒng)坊子組砂巖中，碎屑石榴石主要來自魯西地區(qū)，兩個樣品(SD86-1和SD090-1)的石榴石平均含量為66.2%，而膠東地區(qū)的石榴石含量僅為26.5%，礦物學研究也顯示黃紅色—淺粉色石榴石(魯西地區(qū))占據大多數。相反，在中—上侏羅統(tǒng)的三臺組砂巖中(圖3b)，碎屑石榴石含量發(fā)生顯著變化，樣品SD089-1和SD092-1的石榴石分別來自魯西地區(qū)和膠東地區(qū)，兩者含量相近，魯西為48.8%，膠東為42.8%。這意味著在早—中侏羅世和中—晚侏羅世之間，物源源區(qū)發(fā)生了明顯改變，由魯西地區(qū)逐漸轉為膠東地區(qū)。從地質背景上分析，膠東地區(qū)屬于大別—蘇魯碰撞造山帶的最東端，進而暗示了蘇魯碰撞造山帶于中—晚侏羅世已抬升至地表并開始遭受剝蝕、搬運和沉積。根據沉積地層的產出時代和碎屑鋯石的初步分析［39］、李雙應等［40］、Li等［41］和 Wang 等［42］在大別碰撞造山帶北緣的合肥盆地中的中—上侏羅統(tǒng)的毛坦廠組和鳳凰臺組中確證了榴輝巖的存在，這表明該造山帶已在中—晚侏羅世折返并抬升至地表，這一結果與此次確定的蘇魯造山帶抬升時間是一直的。

在整個白堊紀期間，碎屑石榴石的含量變化主體表現為來自膠東地區(qū)。從圖3c至圖3g可以看出，來自膠東地區(qū)的碎屑石榴石含量在39.5%～61.9%，魯西地區(qū)的碎屑石榴石含量在5.9%～33.7%。這表明蘇魯造山帶在白堊紀期間是魯西斷陷盆地的主要物源區(qū)，整個構造格局受該造山帶的制約和控制，古地理構造特征顯示東高西低的形態(tài)。然而，我們注意到在下白堊統(tǒng)下段蒙陰組(圖3c)、下白堊統(tǒng)中—上部青山組中段(圖3e)和上白堊統(tǒng)上部王氏組中段(圖3g)，來自魯西地區(qū)的碎屑石榴石含量相對而言較高，分別為 30.5%、33.7%和 18.6%。對于這些變化或異動，我們認為可能與環(huán)太平洋板塊持續(xù)北西向的俯沖和造山后的沉積延續(xù)效應相關。就下白堊統(tǒng)下部蒙陰組而言，來自魯西地區(qū)的碎屑石榴石含量相對最高，這可能是由于蘇魯造山帶初時抬升至地表，并沒有完全控制魯西斷陷盆地的沉積，致使魯西地區(qū)物源還有一定量的沉積所致。直至早白堊世早—中期的青山組下段，來自魯西地區(qū)的碎屑石榴石含量銳減至5.9%，此時，蘇魯造山帶完全控制了盆山構造格局。

至早白堊世中—晚期，來自魯西地區(qū)的碎屑石榴石含量則開始增高，達到33.7%。根據翟明國等15－16的論述，這一時期為中國東部區(qū)域性的伸展變形高峰期(130 Ma)，從而使魯西地塊活動，導致魯西物源增多。這一過程可能與太平洋板塊的北西向的俯沖相關［17］，直至晚白堊世早期構造活動轉入平靜期。在晚白堊世晚期王氏組中段，魯西地區(qū)的碎屑石榴石含量有一次增高，達到18.6%，這暗示了魯西又經歷了一次的構造活動的疊加。李三忠等［17］認為在白堊紀晚期，隨著太平洋板塊北北西向的擠壓增強，郯廬斷裂再次出現左旋走滑作用，致使魯西地塊擠壓隆起。若如此，來自魯西地區(qū)的物源將肯定增多。

然而，縱觀整個白堊紀期間，魯西地區(qū)的物源盡管有局部時段增多現象，但總體而言，膠東地塊即蘇魯造山帶的物源始終占據主導位置，古地理格架顯示東高西低的特征。當然，依據碎屑石榴石含量的變化探討源區(qū)的性質也有一些不確定的因素。在圖3中可以看出，有許多石榴石落入未知區(qū)域，且含量變化較大，由7.4%至51.4%，對于這部分石榴石的歸屬，目前并沒有很好的資料加以限定。造成這一不確定的原因，我們認為可能有兩種:一是現階段的背景資料不豐富或前人還沒有發(fā)現這一源區(qū);二是探針分析的誤差導致成分分析的不確定性。根據分析，這兩種因素可能都存在。例如，李忠等［46］在新生代沉積地層中確定了藍閃石存在，而區(qū)域地質背景并沒有藍閃石的源區(qū)確證。而根據石榴石的礦物學特征可以看出(圖2)，石榴石表面較為粗糙，有凹凸不平現象，從而造成探針分析的一些誤差。但是，從石榴石的成分演化來看，位于外圍的石榴石多在虛線以內(圖3)，整個成分趨勢演變是與膠東地區(qū)的石榴石相關的。換言之，這部分石榴石可能是膠東地區(qū)的。設若如此，膠東的物質含量應當進一步較大。而變化最明顯的應當是早白堊世的青山組和晚白堊世的王氏組，膠東的物源分別增至為 94.1%、66.3%、93.9% 和81.4%。相反，早—中侏羅世坊子組、中—晚侏羅世三臺組和早白堊世蒙陰組的膠東物質含量變化并未有較大影響?；趯ν鈬鷧^(qū)域碎屑石榴石的認識，我們可以認為魯西地區(qū)的碎屑石榴石含量并未受到任何影響，總體變化規(guī)律不變。

結合前人對中國東部構造演化的認識［46～49］，根據本次研究結果，我們認為魯西地區(qū)的重要轉折事件發(fā)生于中—晚侏羅世時期，此時蘇魯造山帶已折返抬升至地表，并形成東高西低的地形，直至白堊紀末古地理構造格架沒有任何改變，即蘇魯造山帶的構造控制著魯西地區(qū)的構造格局。盡管，在白堊紀有兩次魯西抬升的表現，但從碎屑石榴石含量變化來看，這兩次抬升規(guī)模非常小，可能是受到環(huán)太平洋板塊北西向的俯沖影響所致。

4 結論

早中侏羅世時期，給魯西盆地提供物源的主要是魯西隆起。中晚侏羅世時期，物源發(fā)生了明顯變化，由魯西地區(qū)逐漸轉變?yōu)槟z東地區(qū)。早白堊世時期，蘇魯造山帶控制了魯西斷陷盆地的沉積，為魯西盆地提供了大量的物源，魯西隆起提供的物源占的比例較小，且變化不大，只在早白堊世中期和晚白堊世晚期有小幅的增加。

從盆地物源的變化折射出源區(qū)的構造演化歷程。侏羅紀時期魯西盆地物源變化暗示著蘇魯造山帶中晚侏羅世時期已經抬升至地表。侏羅紀時期，受早白堊世中國東部區(qū)域性伸展變形和晚白堊世郯廬斷裂左旋走滑影響，魯西盆地物源出現小幅變動，魯西隆起可能在早白堊世中晚期和晚白堊世中期經歷過抬升。

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