三疊紀(jì)鄂爾多斯盆地東南邊緣的擴(kuò)張
——來自南召地區(qū)沉積及碎屑鋯石年代學(xué)的證據(jù)

劉 溪, 李艷廣,楊喜彥,韓 偉，馬 瑤，張 喬，李文厚

(1.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069;2.中國地質(zhì)調(diào)查局 西安地質(zhì)調(diào)查中心,陜西 西安 710054;3.青海油田公司氣田開發(fā)處，甘肅 敦煌 736202;4.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院/陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065)

鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部,南鄰秦嶺造山帶,是中國僅次于塔里木盆地的第二大沉積盆地。三疊紀(jì)華南板塊與華北板塊全面碰撞拼接,造成秦嶺造山帶的強(qiáng)烈隆升。鄂爾多斯盆地的性質(zhì)在這一時(shí)期也發(fā)生了重大改變,由前中生代大華北陸相沉積盆地的一部分演化為中新生代獨(dú)立的大型內(nèi)陸盆地[1]；且盆地內(nèi)部在晚三疊世廣泛發(fā)育一套河流—湖泊相為主的碎屑巖地層,被命名為延長組,這套地層既是盆地中生界最重要的含油層系,更是鄂爾多斯盆地中生代早期湖盆范圍界定的重要標(biāo)志。尤其是深湖相中發(fā)育的重力流砂體,已成為盆地致密油重點(diǎn)研究的對象[2-3]。然而，由于受到三疊紀(jì)時(shí)期華南板塊向華北板塊的深俯沖作用,以及晚中生代古太平洋板塊向華北板塊下的俯沖的影響,鄂爾多斯盆地東南部強(qiáng)烈抬升,該區(qū)廣泛發(fā)育的延長組地層被剝蝕并大面積缺失,造成三疊紀(jì)鄂爾多斯盆地的范圍難以準(zhǔn)確確定。有學(xué)者認(rèn)為，三疊系鄂爾多斯盆地的范圍可向東擴(kuò)至呂梁地區(qū)[4-6],有學(xué)者認(rèn)為南緣可一直擴(kuò)大至北秦嶺商丹帶以北的柳葉河地區(qū)[7-8],但南緣東段的位置無法確定。

要確定鄂爾多斯盆地南緣東段的位置,就需要對鄂爾多斯盆地周緣,特別是其南緣的三疊系開展詳細(xì)的年代學(xué)和沉積學(xué)研究,通過詳細(xì)的沉積地層對比、精細(xì)的年代學(xué)和沉積物源分析,識(shí)別周緣三疊系與鄂爾多斯同期地層的親緣性。

研究認(rèn)為，緊鄰鄂爾多斯盆地南緣的北秦嶺帶東段南召地區(qū),其存在三疊紀(jì)地層。雖然目前有一些學(xué)者對其進(jìn)行了沉積、構(gòu)造等方面的研究,但仍然缺乏系統(tǒng)的沉積地層對比和年代學(xué)制約[9-12]。因此，本文從沉積學(xué)、層序地層學(xué)、年代學(xué)的角度對北秦嶺帶東段的南召地區(qū)三疊系地層開展研究,探討其與鄂爾多斯盆地的相關(guān)性,從而為鄂爾多斯盆地三疊系湖盆展布的范圍提供新的證據(jù)，并為以后的油氣勘探提供新的思路。

1 研究區(qū)概況

南召地區(qū)位于現(xiàn)今鄂爾多斯盆地東南部,行政區(qū)劃上位于河南省西南部南陽市,區(qū)域構(gòu)造上位于商丹斷裂帶和洛南—欒川斷裂帶之間的北秦嶺造山帶東段,面積約為280 km2,是一個(gè)北西西—南東東走向的狹長區(qū)域[10](見圖1)。

前人研究認(rèn)為，該地區(qū)基底主要由中元古代寬坪群斜長角閃片巖、云英片巖、大理巖及早古生代二郎坪群的細(xì)碧巖、石英角斑巖、大理巖組成,沉積蓋層主要為三疊系太山廟組及太子山組的碎屑巖[9-10],且周圍多出露晉寧期—海西期花崗巖侵入體[13-14]。

本文選取南召地區(qū)太山廟剖面進(jìn)行沉積剖面實(shí)測,在此基礎(chǔ)上,通過層序地層學(xué)分析和碎屑巖鋯石定年技術(shù)重新厘定太山廟組和太子山組碎屑巖地層的巖性段,識(shí)別沉積特征，探究地層沉積年齡,重新劃分沉積相并與鄂爾多斯盆地本部進(jìn)行對比,進(jìn)一步探討鄂爾多斯盆地三疊系沉積展布的范圍。

2 層序地層劃分及特征

2.1 層序地層劃分

三疊系在鄂爾多斯盆地分布廣泛,中晚三疊世延長組構(gòu)成5個(gè)沉積旋回(T3y1～ T3y5),分別代表大型淡水湖盆形成、發(fā)展、鼎盛、萎縮、消亡的完整演化歷史,后被進(jìn)一步被分為10個(gè)油層組,自底至頂分別為長10～長1[15-17]。南召一帶的沉積特征與本部存在一定的差異。本文通過對研究區(qū)太山廟剖面的詳細(xì)觀察和實(shí)測,識(shí)別出5層較為明顯的泥巖段,認(rèn)為其代表了三疊紀(jì)沉積時(shí)期5個(gè)湖平面的相對高點(diǎn),即湖泛面,并劃分出1個(gè)Ⅱ級(jí)層序與5個(gè)Ⅲ級(jí)層序(自下而上命名為SQ1～SQ5)，這與鄂爾多斯盆地本部延長組層序地層研究結(jié)果有較好的對應(yīng)。

2.2 層序沉積特征

從太山廟剖面上看,南召地區(qū)三疊系為一套陸相碎屑巖沉積,總體厚度約1 100 m,地層陡立,主體向南傾斜。自南向北,地層由老到新出露,各Ⅲ級(jí)層序巖性特征如下(見圖2)。

圖1 鄂爾多斯盆地及南召地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖Fig.1 Regional geological map of Ordos Basin and Nanzhao Area

1)SQ1厚度約為122 m,底部為紫紅色礫巖及含礫砂巖,與元古代片巖斷層接觸,礫石成分主要為片巖及花崗質(zhì)巖石；據(jù)礫石最大扁平面測量古水流方向?yàn)?85°～300°,表明有來自東南方向的物源。向上巖性逐漸過渡為中—厚層石英砂巖，并與中部的中厚層泥頁巖組成上升半旋回。頂部為中—薄層泥巖與薄層石英砂巖、沉凝灰?guī)r的互層。中部與頂部構(gòu)成的下降半旋回與上升半旋回具有較好的對稱性。根據(jù)底部礫巖的出現(xiàn)以及礫石成分,判斷其主要為近源堆積,且礫石來自底部元古代片巖及周邊加里東期的侵入體。結(jié)合前人研究認(rèn)為，其主要為沖積扇相。下降半旋回中的砂巖中可見粒序?qū)永砑盎鷺?gòu)造,應(yīng)為重力流沉積特征,故而判斷其為半深湖—深湖相沉積。沉凝灰?guī)r及重力流的出現(xiàn)說明此時(shí)期南召地區(qū)處于構(gòu)造活動(dòng)背景下。

2)SQ2厚度約144 m,中部的深灰色泥巖夾粉砂質(zhì)泥巖為本層序組的湖泛面,與底部的厚層細(xì)粒石英砂巖及頂部薄層泥巖夾細(xì)砂巖共同構(gòu)成了一個(gè)完整的中級(jí)沉積旋回。上升半旋回略長于下降半旋回。上升半旋回粉砂巖及泥巖中發(fā)育垂直蟲孔和植物碎片化石,故判斷其為淺湖沉積；下降半旋回砂巖底部可見重力流成因的槽模,代表深湖相濁流沉積。

圖2 南召地區(qū)與鄂爾多斯東南部三疊系地層對比柱狀圖[18-19]Fig.2 Stratigraphic correlation column of Nanzhao Area and Southeastern Ordos Basin in Triassic

3)SQ3厚度約144 m,中部及底部主要由黑色炭質(zhì)泥頁巖加薄層凝灰?guī)r及鈣質(zhì)泥巖組成,為本Ⅲ級(jí)層序的湖泛面,亦為Ⅱ級(jí)層序的最大湖泛面。頂部出現(xiàn)薄層細(xì)砂巖夾黑色泥頁巖,與中下部共同組成完整的沉積旋回,上升半旋回與下降半旋回基本對等。底部凝灰?guī)r層與其上下泥巖層共同發(fā)生軟沉積變形,頂部砂巖底面發(fā)育槽模構(gòu)造，這些均代表了深湖相重力流沉積。本層序組無論是巖性組合特征還是沉積相均與鄂爾多斯盆地東南部長7段有很好的對應(yīng)。

4)SQ4厚度約為310 m,中部發(fā)育中層暗色泥巖,為本層序組的湖泛面,其上下均由不等厚細(xì)粒石英砂巖與暗色泥巖互層組成,為一個(gè)完整的沉積旋回。整體上與SQ3相比,本層序組顯示出湖退的特征,中部的暗色泥巖推斷為整體湖退過程中的一次短期湖進(jìn),可與鄂爾多斯東南部長4+5段對比；然而，其并不同于鄂爾多斯本部長4+5段(多為河流三角洲、淺湖相沉積),研究區(qū)此段部分石英砂巖底部通?？梢娦⌒突冃?較大規(guī)模的侵蝕面及槽模等代表深湖相重力流的沉積構(gòu)造。

5)SQ5厚度約為430 m,主要發(fā)育中—厚層細(xì)粒石英砂巖與薄層暗色粉砂巖或泥巖互層。本段中并沒有明顯的厚層狀暗色泥巖,砂巖厚度也無顯著變化,但在中部發(fā)育一層深灰色泥巖,因而認(rèn)為其也可識(shí)別為Ⅲ級(jí)層序湖泛面,與其上下巖層組成完整的沉積旋回。由于部分砂巖底部仍可見到粒序?qū)永?、侵蝕面及槽模,因此認(rèn)為本段也應(yīng)為深湖相沉積。根據(jù)槽模測量古水流方向，約為155°,表明可能有來自西北方向的物源。

2.3 凝灰?guī)r特征及其意義

SQ3層序組底部出現(xiàn)的多層凝灰?guī)r夾層,呈現(xiàn)3種不同的沉積狀態(tài):①層狀凝灰?guī)r,厚度穩(wěn)定,多為1～10 cm,沒有明顯變形并與泥巖或頁巖頻繁互層;②變形凝灰?guī)r,通常與其上下泥巖形成軟沉積變形,如包卷層理或結(jié)核狀沉積;③紋層狀凝灰?guī)r,在細(xì)砂巖及粉砂巖層中極為發(fā)育。據(jù)觀察,層狀凝灰?guī)r在鏡下具有流紋構(gòu)造,其中，石英、長石等顆粒呈棱角狀,未見磨圓,且鋯石定年數(shù)據(jù)集中(加權(quán)平均年齡234.6 Ma±1.5 Ma,待發(fā)表)；未呈現(xiàn)碎屑鋯石的年齡特征,說明該類凝灰?guī)r為空降型凝灰?guī)r,未經(jīng)過水流搬運(yùn),快速沉積,因此火山活動(dòng)應(yīng)距離研究區(qū)不遠(yuǎn)；又因南召地區(qū)構(gòu)造位置位于北秦嶺帶內(nèi),三疊系為勉略洋閉合,華南板塊向秦嶺板塊下俯沖,最終與華北板塊碰撞的轉(zhuǎn)折期,因而推斷本層序組中的凝灰?guī)r應(yīng)是俯沖-碰撞期火山活動(dòng)發(fā)育的產(chǎn)物。結(jié)合前人對鄂爾多斯盆地南部長7段凝灰?guī)r夾層的研究結(jié)果可知[20-21],南召地區(qū)SQ3層序組中凝灰?guī)r的沉積形態(tài)、成因、年齡等特征均與長7段一致,根據(jù)2017年國際地層年代表,SQ3亦為中晚三疊世分界,故而將SQ3，SQ4，SQ5劃分為太子山組,底部SQ1，SQ2劃分為太山廟組。

3 碎屑鋯石U-Pb同位素年齡測試

3.1 樣品描述及測試方法

樣品NZ4采自SQ3段上部, 坐標(biāo)東經(jīng)112°39′34.7″,北緯33°23′50.5″,地層產(chǎn)狀355°∠40°,巖性為深褐色細(xì)砂巖,單層厚度20 cm。陰極發(fā)光照片上看,鋯石顆粒較小,多小于100 μm,晶體形態(tài)較為多樣,以次圓—次棱為主,說明經(jīng)歷了一定程度的沉積搬運(yùn)過程；部分樣品有明顯的振蕩環(huán)帶,是典型的巖漿鋯石,部分鋯石顆粒有明顯的增生邊,整體上看,樣品呈現(xiàn)出碎屑鋯石的特點(diǎn)(見圖3)。

圖3 南召地區(qū)太山廟剖面砂巖中碎屑鋯石U-Pb諧和圖及陰極發(fā)光圖像Fig.3 U-Pb concordia diagram and CL images of detrital zircon in sandstone from Taishanmiao profile in Nanzhao Area

本次鋯石U-Pb定年測試采用激光剝蝕等離子質(zhì)譜分析方法(LA-ICP-MS),選用91500和GJ-1作為標(biāo)樣,在西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所實(shí)驗(yàn)測試中心完成。數(shù)據(jù)處理采用 Glitter 4.4 程序,置信度95%,誤差為1σ。

3.2 測試結(jié)果及物源分析

本次測試結(jié)果鋯石年齡介于230～1 654 Ma(見圖3), 可分為4個(gè)年齡段: ①200～334 Ma， 峰值238 Ma, 占總鋯石顆粒的19%; ②400～550 Ma, 存在2個(gè)峰值412 Ma及464 Ma, 占比42%; ③640～1 100 Ma, 峰值為991 Ma, 占比26%; ④1 400～1 600 Ma,峰值1 649 Ma,占比13%。

200～334 Ma年齡對應(yīng)晚海西期—印支期構(gòu)造熱事件,約占總鋯石顆粒的19%,其中晚海西期鋯石數(shù)量較少,只占6%,與北秦嶺秦嶺群斜長角閃巖年齡對應(yīng)[22]。印支期為勉略洋殼向南秦嶺板塊俯沖到洋殼閉合時(shí)間段[23-26],在南秦嶺中記錄了一系列與俯沖相關(guān)的變形及碰撞花崗巖,如東江口—柞水巖體[27-30]、五龍巖體[31-32]、光頭山巖體[33- 34]等。且北秦嶺、華北板塊南、北緣也有此期年齡的巖體記錄[35-37]。

400～550 Ma年齡代表加里東期碰撞造山事件,此時(shí)商丹洋俯沖于北秦嶺之下,引發(fā)大規(guī)模的基性巖與花崗巖侵入,如北秦嶺灰池子、紅花鋪、西峽、王家莊等[38-41]。北秦嶺東段二郎坪群火山巖、松樹溝榴閃巖[42-43]、南召地區(qū)寬坪群及二郎坪群中侵入的黑云母花崗巖、花崗閃長巖、石英閃長巖及花崗斑巖[13, 42, 44- 45]，均與此期年齡有很好的對應(yīng)性。

640～1 100 Ma的年齡段代表新元古代晉寧期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[46],北秦嶺寬坪群云母石英片巖(600～1 200 Ma)、綠片巖(943 Ma)、松樹溝蛇綠巖、丹鳳地區(qū)秦嶺群片麻巖(850～950 Ma)[47]及一些侵入的基性—中酸性巖體均含有此段年齡[48-49]。

1 400～1 600 Ma 年齡是本次測試的最老年齡段,與北秦嶺秦嶺群副變質(zhì)巖(1 500～1 900 Ma)、丹鳳地區(qū)片麻巖(1 400～1 600 Ma)對應(yīng)[47]。

以上結(jié)果表明,南召地區(qū)砂巖的碎屑鋯石年齡譜與北秦嶺地區(qū)的秦嶺群、寬坪群、二郎坪群、丹鳳群及侵入其中的花崗巖體有較好的對應(yīng)。此外，印支期鋯石應(yīng)該來自于南秦嶺印支期花崗巖。

3.3 碎屑年齡與鄂爾多斯東南部碎屑鋯石年齡對比

前人研究認(rèn)為,三疊紀(jì)鄂爾多斯盆地的范圍應(yīng)該向東擴(kuò)展至呂梁地區(qū)[5],向南包含現(xiàn)今商丹斷裂以北的北秦嶺柳葉河地區(qū)[7-8]。為了探討南召地區(qū)與鄂爾多斯的空間關(guān)系，對南召地區(qū)及鄂爾多斯東南緣的金鎖關(guān)地區(qū)上三疊統(tǒng)的砂巖碎屑鋯石年齡結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比(見圖4)。

圖4 三疊系南召地區(qū)與金鎖關(guān)地區(qū)及柳葉河盆地碎屑鋯石年齡結(jié)構(gòu)對比Fig.4 Age structure comparison between Nanzhao, Jinsuoguan and Liuyehe Basin in Triassic

對比結(jié)果表明,南召地區(qū)與金鎖關(guān)地區(qū)的碎屑鋯石均具有古生代、新元古代年齡,不同的是，南召地區(qū)具有中生代年齡,不具有古元古代及太古代年齡,而金鎖關(guān)地區(qū)最小年齡為晚古生代,最大峰值位于古元古代。由于太古代是古微陸塊拼合、華北克拉通基底基本形成的時(shí)期[50],而古元古代是華北克拉通東西部陸塊拼合期[51],該年齡在華北板塊南緣及呂梁地區(qū)均有出現(xiàn),因此這兩段年齡的缺失,說明南召地區(qū)三疊紀(jì)沒有來自華北克拉通內(nèi)部及南緣的物源；而古元古代年齡為金鎖關(guān)地區(qū)碎屑鋯石的主要峰值年齡,說明金鎖關(guān)地區(qū)三疊系主要物源來自于華北克拉通內(nèi)部。據(jù)以上分析可知，南召地區(qū)中生代碎屑鋯石應(yīng)是來自南秦嶺中生代的花崗巖體,而金鎖關(guān)地區(qū)此年齡的缺失,可推測此時(shí)秦嶺造山帶只是略微隆升,南秦嶺的物質(zhì)還無法提供到鄂爾多斯內(nèi)部。

圖5 三疊系南召地區(qū)構(gòu)造格局示意圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[22]修改)Fig.5 Sketch map of tectonic framework of Triassic Nanzhao Area

南召地區(qū)與金鎖關(guān)地區(qū)均具有新元古代年齡的碎屑鋯石,而與南召地區(qū)同在北秦嶺造山帶內(nèi)、金鎖關(guān)以西的三疊紀(jì)柳葉河盆地中卻沒有此期年齡。據(jù)任軍鋒、李侃等人的研究認(rèn)為,三疊紀(jì)之前,柳葉河盆地以北存在一個(gè)以寬坪群為主體的東西向隆起帶,介于北秦嶺帶和華北板塊南緣之間,并向其南北兩側(cè)提供物源,但在三疊紀(jì)幾近于消失。由于南召地區(qū)與柳葉河盆地一樣位于北秦嶺帶內(nèi),且其南側(cè)發(fā)育秦嶺群、二郎坪群,北側(cè)以寬坪群為主[13],因此可以推測在三疊系時(shí)期，這一隆起帶在南召至金鎖關(guān)范圍內(nèi)仍舊隆起并向南北兩側(cè)提供物源(見圖5)。南召地區(qū)古水流方向數(shù)據(jù)與此推測相符,這也解釋了華北克拉通內(nèi)部物源無法到達(dá)[22]南召地區(qū)的原因。根據(jù)此年齡在碎屑鋯石年齡譜中所占比例可判斷，其隆起程度自東部南召地區(qū)向西部金鎖關(guān)地區(qū)逐漸降低,又因?yàn)榻疰i關(guān)地區(qū)還有一定比例的早古生代加里東期碎屑鋯石,因此判斷此隆起區(qū)在金鎖關(guān)附近即消失,并沒有阻擋北秦嶺向金鎖關(guān)地區(qū)提供碎屑物,且鄂爾多斯地區(qū)湖盆與北秦嶺一線三疊紀(jì)沉積盆地從此連通,向東延伸至南召地區(qū)。

4 結(jié) 論

1)南召地區(qū)三疊系一共可識(shí)別出1個(gè)Ⅱ級(jí)層序與5個(gè)Ⅲ級(jí)層序,自下而上Ⅲ級(jí)層序命名為SQ1～SQ5,可與鄂爾多斯東南部延長組地層對比。其中，SQ1對應(yīng)長10油層組,SQ2對應(yīng)長9—長8油層組中下部,SQ3對應(yīng)長8油層組上部—長7油層組,SQ4對應(yīng)長6—長3油層組,SQ5對應(yīng)長2—長1油層組。除SQ1層序組下部發(fā)育礫石沉積,為沖積扇相及SQ2下段為淺湖沉積外,其他層序組中均可見深水重力流成因的底模構(gòu)造及軟沉積變形構(gòu)造,因此均為深湖相沉積。

2)南召地區(qū)SQ3層序組中，砂巖LA-ICP-MS碎屑鋯石U-Pb同位素定年結(jié)果顯示為4個(gè)年齡段:1 400～1 600 Ma,640～1 100 Ma,400～550 Ma,200～334 Ma。其中，1 400～1 600 Ma碎屑鋯石物源區(qū)主要為北秦嶺秦嶺群副變質(zhì)巖及丹鳳地區(qū)片麻巖;640～110 Ma年齡代表北秦嶺新元古代晉寧期構(gòu)造熱事件,因此物源主要來自北秦嶺秦嶺群、寬坪群及部分基性中酸性侵入巖;400～550 Ma年齡代表加里東期碰撞造山事件,物源主要來自北秦嶺帶內(nèi)以及南召地區(qū)周邊的基性—中酸性侵入巖;200～334 Ma年齡段碎屑鋯石主要來自南秦嶺印支期花崗巖。

3)將南召地區(qū)三疊紀(jì)砂巖碎屑鋯石年齡結(jié)構(gòu)與鄂爾多斯東南部金鎖關(guān)地區(qū)延長組及北秦嶺柳葉河盆地三疊紀(jì)砂巖碎屑鋯石對比,推測出三疊紀(jì)在北秦嶺北部存在一個(gè)以寬坪群為主體的隆起,向南北兩側(cè)提供物源；該隆起自東部南召地區(qū)向西部逐漸降低,至金鎖關(guān)地區(qū)附近消失。因此，三疊紀(jì)鄂爾多斯盆地南緣可擴(kuò)張至北秦嶺帶內(nèi)，西至柳葉河,東至南召地區(qū)。