渤海南部墾利6-6構(gòu)造東二下段、館陶組砂巖碎屑鋯石定年及物源示蹤*

趙 夢(mèng) 龐小軍 金小燕 馮 沖 王茂楨

(中海石油(中國)有限公司天津分公司 天津 300459)

沉積巖碎屑鋯石年代學(xué)是我國邊緣海含油氣盆地沉積學(xué)研究中的熱門研究手段，主要用于重建盆地源匯體系、示蹤沉積砂體從物源區(qū)到沉積區(qū)的搬運(yùn)路徑及搬運(yùn)距離[1-14]。目前已先后在渤海西部沙壘田凸起圍區(qū)、石臼坨凸起QHD29-2構(gòu)造、CFD6-4構(gòu)造、渤海東部LD29-1構(gòu)造、蓬萊15-2構(gòu)造等區(qū)域開展了碎屑鋯石年代學(xué)源匯研究，用于重建研究區(qū)源匯體系及示蹤沉積物來源[11-15]。本文是在渤海南部廟西凹陷南洼開展系統(tǒng)的沉積巖碎屑鋯石年代學(xué)物源示蹤研究，對(duì)墾利6-6構(gòu)造東二下段、館陶組砂體的碎屑鋯石年代學(xué)和晶體形態(tài)學(xué)進(jìn)行分析，識(shí)別出研究區(qū)的物源體系，結(jié)合圍區(qū)的相關(guān)地質(zhì)研究，為認(rèn)識(shí)、理解墾利6-6構(gòu)造東二下段、館陶組沉積期的古物源體系提供新的證據(jù)。

1 地質(zhì)概況

廟西凹陷位于渤海東南部海域，與廟西南凸起、渤南低凸起、黃河口凹陷、萊北低凸起、萊州灣凹陷和膠遼隆起相鄰，并被郯廬斷裂帶東支貫穿(圖1a)，是西斷東超的箕狀斷陷湖盆[16-18]。鉆井資料顯示，廟西凹陷基底類型包括中生界白堊系萊陽組—青山組火山巖和元古界荊山群石英巖[19]，上覆地層從下向上依次發(fā)育古近系孔店組灰綠色泥巖夾泥質(zhì)灰?guī)r，沙河街組四段灰褐色泥巖夾灰?guī)r，沙河街組三段深色泥巖夾淺灰色砂巖、粉砂巖，沙河街組二段淺灰色砂巖，沙河街組一段深灰色泥巖夾白色砂巖，東營組三段深灰色泥巖夾砂巖，東營組二段深灰色泥巖夾淺色砂巖，東營組一段灰綠色、紫紅色泥巖、砂質(zhì)泥巖夾白色砂巖，新近系館陶組灰白色厚層塊狀含礫砂巖、砂礫巖，明化鎮(zhèn)組和第四系平原組[18-20]。廟西凹陷的新生代構(gòu)造演化可以分為3個(gè)階段：①斷陷期，廟西凹陷受斷裂的強(qiáng)烈拉張活動(dòng)影響，孔店組沉積時(shí)期形成廟西南洼，沉積厚度約1 400 m；沙四沉積時(shí)期沉積面積擴(kuò)大，南洼最大沉積厚度約1 200 m；沙三沉積時(shí)期沉積中心從南洼南部向北遷移；沙一、沙二段主要發(fā)育于廟西南洼北部。②斷拗期，廟西凹陷形成統(tǒng)一的沉積中心，東營組沉積中心位于廟西北洼。③坳陷期，廟西凹陷各次洼發(fā)育演化差異較小，沉積中心在廟西北洼[16-18,21]。墾利6-6構(gòu)造小型擠壓斷裂型溝谷十分發(fā)育，控制著廟西南洼不同層段的近源碎屑沉積體展布，東營組沉積時(shí)期研究區(qū)碎屑物質(zhì)順著溝谷前積，發(fā)育辮狀河三角洲沉積(圖1b)[19-21]。

圖1 墾利6-6構(gòu)造地質(zhì)概況圖

2 材料方法

本次研究中對(duì)KL6-6-A井東二下段、館陶組砂巖取樣，共采集2個(gè)巖屑樣品(圖2)，進(jìn)行碎屑鋯石U-Pb定年分析，樣品巖性為辮狀河三角洲含礫細(xì)砂巖。樣品的預(yù)處理、陰極發(fā)光(CL)圖像拍攝和LA-ICP-MS定年均在中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(GPMR)完成，激光剝蝕系統(tǒng)為GeoLas 2005，ICP-MS為Agilent 7500a。

圖2 KL6-6-A井東二下段、館陶組巖性剖面

對(duì)每顆鋯石進(jìn)行U-Pb定年，最終獲得3組年齡：207Pb/206Pb，207Pb/235U，206Pb/238U。對(duì)于封閉體系，U-Pb年齡是諧和的，反映出鋯石的結(jié)晶年齡。而在實(shí)際情況下，由于熱液或變質(zhì)作用的影響，鋯石有可能會(huì)Pb污染或丟失，導(dǎo)致U-Pb年齡不諧和。因此，在數(shù)據(jù)處理中，對(duì)206Pb/238U年齡小于1 000 Ma的鋯石選取206Pb/238U年齡，并以100×(207Pb/235U)/(206Pb/238U)計(jì)算諧和度；對(duì)206Pb/238U年齡大于1 000 Ma的鋯石選取207Pb/206Pb年齡并以100×(207Pb/206Pb)/(206Pb/238U)計(jì)算諧和度[23]。結(jié)合樣品數(shù)據(jù)情況，選取諧和度大于90%的鋯石U-Pb年齡，并根據(jù)Kernel Density Estimation(KDE)方法繪制鋯石年齡譜圖[24-26]。

3 碎屑鋯石U-Pb年齡及形態(tài)特征

3.1 碎屑鋯石U-Pb年齡特征

測(cè)年數(shù)據(jù)經(jīng)過預(yù)處理，共計(jì)獲得211個(gè)諧和年齡(諧和度>90%)，其中87%的鋯石樣品Th/U>0.3，說明鋯石晶體以巖漿成因?yàn)橹?；僅2%的鋯石樣品Th/U<0.1，為變質(zhì)成因(圖3)。樣品碎屑鋯石年齡分布寬泛(圖4)，主要為中生代、元古代、太古代鋯石，測(cè)得最年輕的晶體年齡為110 Ma(1 095～1 105 m，館陶組)，最古老年齡為3 389 Ma(1 095～1 105 m，館陶組)。

圖3 KL6-6-A東二下段、館陶組砂巖碎屑鋯石Th/U比值

KL6-6-A井館陶組砂巖樣品共測(cè)得116個(gè)諧和鋯石U-Pb年齡點(diǎn)。樣品不含新生代鋯石；中生代鋯石含量為31.9%，其中白堊紀(jì)鋯石含量高達(dá)27.6%，侏羅紀(jì)鋯石含量為3.4%，僅有0.9%的三疊紀(jì)鋯石；古生代鋯石含量為4.3%，其中二疊紀(jì)鋯石含量為1.7%，石炭紀(jì)鋯石含量為2.6%，不含泥盆紀(jì)、志留紀(jì)、奧陶紀(jì)或寒武紀(jì)鋯石；富含元古代鋯石，含量為35.3%，其中新元古代鋯石含量為1.7%，中元古代鋯石含量為6.9%，古元古代鋯石含量為26.7%；太古代(Ar)鋯石含量為28.4%(圖4a)。該井館陶組砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜的主要峰值為114 Ma，次要峰值為2 485、2 559 Ma(圖4a)。

注：n為年齡點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖4 KL6-6-A井東二下段、館陶組砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜圖

Fig .4 U-Pb age spectra of the detrital zircons of theEd2Land Ngsandstones,Well KL6-6-A

KL6-6-A井東二下段砂巖樣品共測(cè)得95個(gè)諧和鋯石U-Pb年齡點(diǎn)。樣品不含新生代鋯石;中生代鋯石含量為33.7%，其中白堊紀(jì)鋯石含量高達(dá)30.5%，侏羅紀(jì)鋯石含量為3.2%，不含三疊紀(jì)鋯石;古生代鋯石含量僅為3.2%，二疊紀(jì)鋯石含量為1.1%，石炭紀(jì)鋯石含量為2.1%，不含泥盆紀(jì)、志留紀(jì)、奧陶紀(jì)或寒武紀(jì)鋯石；富含元古代(Pt)鋯石，含量為36.8%，以古元古代鋯石為主，含量為29.5%，中元古代鋯石含量為7.4%，不含新元古代鋯石；太古代(Ar)鋯石含量為26.3%(圖4b)。該井東二下段砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜的主要峰值為114 Ma，次要峰值為2 500 Ma(圖4b)。

可以看出，KL6-6-A井東二下段與館陶組砂巖樣品中的中生代、古生代、元古代和太古代鋯石含量近似，中生代鋯石都以白堊紀(jì)鋯石為主，二者不但砂巖中不同年齡鋯石組分含量相似，并且其碎屑鋯石年齡譜也都具有114 Ma主峰值和約2 500 Ma的次要峰值(圖4)，因此，認(rèn)為KL6-6-A井東二下段砂巖與館陶組砂巖母巖類型相同，母巖中富含大量白堊紀(jì)鋯石。

3.2 碎屑鋯石形態(tài)特征

利用鋯石CL圖像，對(duì)KL6-6-A井東二下段、館陶組砂巖樣品進(jìn)行了鋯石形態(tài)學(xué)分析。受篇幅限制，僅列出部分樣品鋯石CL圖像進(jìn)行討論。如圖5、6所示，KL6-6-A井東二下段、館陶組砂巖樣品鋯石CL圖像具有相同特征，晶體顆粒都較大，多數(shù)鋯石粒度在100～200 μm，部分晶體超過200 μm。整體上，鋯石以長柱狀、短柱狀晶體為主，巖漿生長振蕩環(huán)帶發(fā)育，具有明顯的核-邊結(jié)構(gòu)，無論晶形是否完整，晶體邊緣均呈棱角狀，破碎晶體斷邊明顯，未見典型磨圓形態(tài)。因此，認(rèn)為KL6-6-A井東二下段、館陶組砂巖具有近源沉積特征，未經(jīng)歷過長距離搬運(yùn)。

圖5 KL6-6-A井館陶組樣品部分鋯石CL圖像

圖6 KL6-6-A井東二下段樣品部分鋯石CL圖像

綜上所述，根據(jù)KL6-6-A井東二下段、館陶組砂巖樣品的碎屑鋯石U-Pb年齡特征和鋯石形態(tài)特征分析，發(fā)現(xiàn)二者母巖類型相同，母巖應(yīng)富含白堊紀(jì)、元古代和太古代鋯石，以114 Ma主峰和約2 500 Ma的次峰為特征，并且鋯石晶體顆粒大、棱角分明、斷邊鋒利，為近源搬運(yùn)沉積特征，研究區(qū)不受遠(yuǎn)距離物源影響。

4 物源區(qū)討論

如圖1b所示，在東二下段沉積時(shí)期，研究區(qū)東部的膠遼隆起緩慢抬升，研究區(qū)所有碎屑物質(zhì)都來自東部，順著溝谷向西前積，發(fā)育辮狀河三角洲沉積[19-21]。為了進(jìn)一步示蹤、恢復(fù)研究區(qū)的物源范圍，對(duì)研究區(qū)東側(cè)及南側(cè)的潛在陸上物源區(qū)進(jìn)行了調(diào)研，收集、比較不同巖體、地層鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)。

4.1 相鄰陸上源區(qū)

在膠北地區(qū)，前寒武紀(jì)和中、新生代地層發(fā)育，缺乏古生代沉積[27]。如圖1a所示，太古—元古界變質(zhì)基底主要巖性為大面積出露的太古代花崗質(zhì)片麻巖、長石石英片巖、變質(zhì)巖閃長巖等，古元古代荊山群、粉子山群、芝罘群主要巖性為變粒巖、大理巖、石英巖、片巖等，其鋯石U-Pb諧和年齡對(duì)應(yīng)多期巖漿、變質(zhì)事件，集中在約2 900、2 700、2 500、2 100和1 900 Ma；新元古代蓬萊群發(fā)育千枚巖、斑巖、石英巖、大理巖等，被中生代三疊紀(jì)二長花崗巖、晚侏羅世玲瓏黑云母花崗巖以及早白堊二長花崗巖侵入，其中晚侏羅世玲瓏黑云母花崗巖在膠北地區(qū)分布范圍最廣，其鋯石U-Pb年齡160～141 Ma[28-35]。然而，在KL6-6-A井東二下段、館陶組砂巖樣品中，侏羅紀(jì)鋯石含量有限，也并未出現(xiàn)多期次太古代鋯石年齡峰值(圖4)，上述在膠北地區(qū)廣泛分布的巖體并不符合研究區(qū)的母巖年齡特征。

蓬萊長島地區(qū)位于研究區(qū)正東方向(圖1a)。姜培海 等[36]認(rèn)為該地區(qū)曾發(fā)育蓬萊-廟島古水系，為盆地提供沉積物。該地區(qū)各島嶼上主要出露上元古界蓬萊群輔子夼組巨厚層狀變質(zhì)石英砂巖[27]；初航 等[37]發(fā)現(xiàn)長島地區(qū)的變質(zhì)砂巖富含中元古代鋯石(Pt2)，含量高達(dá)87.5%，樣品的鋯石年齡譜具有突出的約1 600 Ma峰值，以及約1 500、1 700和1 200 Ma等次要峰值(圖7a)。而KL6-6-A井東二下段、館陶組砂巖樣品的中元古代鋯石含量有限，并且不具有約1 600 Ma峰值，故認(rèn)為研究區(qū)未受蓬萊長島地區(qū)水系供源。

龍口屺坶島地區(qū)位于研究區(qū)東南方向，是距離研究區(qū)最近的陸地源區(qū)。劉麗萍 等[35]對(duì)屺坶島的一套下白堊統(tǒng)石英粉砂巖進(jìn)行碎屑鋯石U-Pb定年分析，發(fā)現(xiàn)樣品中富含中元古代鋯石，含量高達(dá)86.7%，年齡譜具有約1 600 Ma主峰值和約1 100 Ma次峰值(圖7b)， 與KL6-6-A井東二下段、館陶組砂巖樣品特征不符，故認(rèn)為屺坶島也并非研究區(qū)的主要物源區(qū)。

注：長島數(shù)據(jù)引自初航 等[37]；屺坶島數(shù)據(jù)引自劉麗萍 等[35]；n為年齡點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖7 砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜圖

Fig .7 U-Pb age spectra of the detrital zircons of the sandstones

通過上述調(diào)研，認(rèn)為在東二下段、館陶組沉積時(shí)期，膠北地區(qū)、蓬萊長島地區(qū)、龍口屺坶島地區(qū)等現(xiàn)今陸上地區(qū)均不是該構(gòu)造的物源區(qū)，墾利6-6構(gòu)造的近源物源區(qū)應(yīng)局限于現(xiàn)今渤海水域范圍，當(dāng)時(shí)并未拓展至陸上區(qū)域。

4.2 盆內(nèi)基底源區(qū)

如圖1b所示，緊鄰研究區(qū)三角洲沉積的基底類型包括中生界白堊系萊陽組—青山組火山巖和元古界荊山群石英巖基底[19]，但尚未有鉆井鉆至基底，缺乏基底的年齡數(shù)據(jù)。曹光躍[34]曾對(duì)山東省郯廬斷裂帶內(nèi)發(fā)育的中生代白堊系青山組火山巖做過大量定年工作，指出受次級(jí)斷裂控制的火山巖U-Pb年齡分布為129～97 Ma，加權(quán)年齡約120 Ma，并含有部分太古代、古元古代繼承或捕獲鋯石。本研究中KL6-6-A井東二下段和館陶組砂巖樣品的鋯石U-Pb年齡以白堊紀(jì)鋯石和太古代、古元古代鋯石為主，與陸上青山組火山巖特征一致，因此認(rèn)為其母巖以被溝谷切割的中生界白堊系火山巖基底為主。Wan等[28]發(fā)表了山東萊陽的荊山群碎屑沉積巖的鋯石U-Pb年齡，盡管該樣品全部為太古代和古元古代鋯石，其太古代鋯石中的2 850～2 950 Ma組分較多，體現(xiàn)出約2 900 Ma的次要峰值年齡；而本研究中樣品不具有該峰值年齡(圖4)，因此認(rèn)為元古界荊山群基底在東二下段及館陶組沉積時(shí)期并非墾利6-6構(gòu)造的主要物源區(qū)，該基底雖然被一條溝谷切割，但沉積物順溝谷向北側(cè)三角洲提供沉積物(圖1b)，并未影響KL6-6-A井區(qū)。

綜上所述，墾利6-6構(gòu)造東二下段及館陶組砂巖樣品富含白堊紀(jì)、古元古代和太古代鋯石，具有114 Ma和約2 500 Ma峰值，鋯石晶體棱角發(fā)育，斷邊明顯，近源沉積，該構(gòu)造物源區(qū)范圍十分有限，僅局限于相鄰的中生界白堊系青山組基底，樣品中古元古代和太古代鋯石來自于中生界母巖所含的繼承鋯石，而膠北地區(qū)、蓬萊長島地區(qū)、山東龍口地區(qū)廣泛分布的富含中元古代鋯石的元古界砂巖不符合墾利6-6構(gòu)造沉積物特征，當(dāng)時(shí)并未向該構(gòu)造提供沉積物。

5 結(jié)論

1) 研究測(cè)得211個(gè)諧和年齡點(diǎn)， KL6-6-A井東二下段、館陶組砂巖樣品中白堊紀(jì)鋯石含量分別為27.6%和30.5%，并都具有114 Ma主峰值和約2 500 Ma的次要峰值年齡，二者母巖類型相同。樣品鋯石以100～200 μm的長柱狀、短柱狀晶體為主，巖漿生長振蕩環(huán)帶發(fā)育，具有明顯的核-邊結(jié)構(gòu)，晶體邊緣均呈棱角狀，破碎晶體斷邊明顯，為近源沉積。

2) 在東二下段至館陶組沉積時(shí)期，KL6-6-A井接受來自相鄰的中生界白堊系青山組基底的剝蝕沉積，元古界荊山群基底向北側(cè)三角洲提供沉積物，不影響KL6-6-A井區(qū)，墾利6-6構(gòu)造源區(qū)范圍僅限于相鄰基底，當(dāng)時(shí)并未拓展至膠北地區(qū)、蓬萊長島地區(qū)、龍口屺坶島地區(qū)等陸上地區(qū)。