吐拉盆地侏羅系地層碎屑鋯石U-Pb定年及其地質(zhì)意義

吳友平, 謝成龍, 常 森, 徐佑德, 余海洋

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,安徽 合肥 230009; 2.中國石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院,山東 東營 257200)

吐拉盆地是位于青藏高原北緣的一個中新代盆地,位于阿爾金造山帶與祁漫塔格山(東昆侖造山帶的分支)之間,其東端與柴達(dá)木相連,吐拉盆地構(gòu)造位置及構(gòu)造單元如圖1所示。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為,吐拉盆地中生代時期和柴達(dá)木盆地是連為一體的,但該觀點(diǎn)僅以有限的沉積對比為依據(jù),缺乏有力的地質(zhì)證據(jù)?，F(xiàn)今仍在活動的阿爾金斷裂帶位于吐拉盆地北緣,是壓扭背景下的左行走滑斷裂[2-3],盆地南緣的昆中斷裂及祁漫塔格北緣斷裂也表現(xiàn)為左行壓扭性質(zhì)[2,4],三者均不是吐拉盆地的原始盆地沉積邊界。因此,阿爾金造山帶及祁漫塔格山在中生代時期是否作為盆緣隆起并為研究區(qū)提供了沉積物源,目前還缺乏充分的研究。

碎屑鋯石具有較強(qiáng)的抗風(fēng)化能力[5],是盆地沉積和源區(qū)構(gòu)造演化的產(chǎn)物[6],且碎屑組分與年代記錄是研究碎屑鋯石及追蹤物源區(qū)的重要手段[7]。碎屑鋯石U-Pb定年目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于沉積源區(qū)研究,它為反演源區(qū)古地理重建、地球歷史演化等提供了有效的研究方法[6,8]。

目前對于阿爾金斷裂及其周緣各種鋯石U-Pb年齡的研究報道較多,而對位于阿爾金斷裂西南方向的吐拉盆地鋯石U-Pb年齡的研究成果較少。

本文對出露于吐拉盆地西部的吐拉牧場凹陷內(nèi)侏羅統(tǒng)大煤溝組地層2件砂巖樣品開展了碎屑鋯石激光剝蝕-電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry,LA-ICP-MS)U-Pb定年研究,分析了其U-Pb年齡譜特征。2件樣品年齡分布不一,對確定研究區(qū)侏羅世地層物源區(qū)具有重要的指示意義,對盆地構(gòu)造演化也具有重要的示蹤意義。

圖1 吐拉盆地構(gòu)造位置及構(gòu)造單元

1 區(qū)域地質(zhì)背景

阿爾金造山帶分隔塔里木地塊和柴達(dá)木地塊,地理位置上是青藏高原的北界[9-10]。面積約8 200 km2的吐拉盆地位于阿爾金造山帶南側(cè)柴達(dá)木盆地以西,呈北東—南西向沿阿爾金造山帶呈長條狀展布[9]。吐拉盆地蓋層內(nèi)斷裂十分發(fā)育,地層褶皺變形較普遍,具有顯著的多期性構(gòu)造活動特征。盆地西段以北東東向構(gòu)造體系為主,而東段以南東東向構(gòu)造體系為主,兩者組成大型弧形構(gòu)造體系。吐拉盆地總體上呈三凸三凹的格局,吐拉盆地凹陷凸起格局如圖2所示，吐拉牧場凹陷呈狹長的三角形展布于吐拉盆地西側(cè),凹陷南緣為弧形構(gòu)造邊界。早侏羅世的原型盆地為北斷南超的箕狀坳陷[11]。青藏高原的隆升與阿爾金斷裂的走滑造就了吐拉盆地的形成和演化[11]。

吐拉盆地基底巖石主要是石炭紀(jì)和奧陶紀(jì)火山巖、火山碎屑巖以及前寒武紀(jì)變質(zhì)巖系;盆地內(nèi)主要發(fā)育侏羅系、白堊系、第三系及第四系沉積層,其中,中、下侏羅統(tǒng)主要沿盆地北緣阿爾金斷裂南側(cè)出露,含若干層暗色泥巖和煤系。吐拉盆地侏羅系世沉積環(huán)境以沖積扇辮狀河三角洲湖泊相沉積為主[11]。阿爾金造山帶至今仍處于活動狀態(tài),對吐拉盆地的構(gòu)造活動具有重要的影響[9],現(xiàn)今吐拉盆地為山間盆地,侏羅系地層遭受了嚴(yán)重的后期改造,盆地內(nèi)侏羅系暴露較多但分布較為零散。吐拉牧場凹陷地質(zhì)圖及采樣位置如圖3所示。

圖2 吐拉盆地凹陷凸起格局

圖3 吐拉牧場凹陷地質(zhì)圖及采樣位置

2 樣品采集處理與結(jié)果分析

2.1 樣品采集

吐拉牧場凹陷侏羅系由采石嶺組和大煤溝組組成。采石嶺組(J3c)底部以紫紅色、紫灰色塊狀巖塊質(zhì)礫巖為主,下部為紫紅色塊狀含鈣質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖、紫紅色塊狀巖塊質(zhì)礫巖,中部主要為粉砂質(zhì)泥巖與厚層狀細(xì)中粒巖屑石英砂巖,上部以紫紅色礫巖為主,主要為淺湖相、濱湖淺湖相、三角洲相及山麓沖洪積扇相沉積。大煤溝組分為上、下2段,大煤溝組上段(J1-2d2)為灰綠色、淺灰色塊狀巖塊礫巖為主,夾深灰色厚層狀細(xì)中粒長石砂巖、含礫粗粒長石砂巖、中細(xì)粒長石石英雜砂巖、粗中粒巖屑石英砂巖及少量灰黑色薄層狀粉砂質(zhì)泥巖與灰黑色炭質(zhì)粉砂質(zhì)頁巖,以濱湖相粗碎屑沉積為主體,局部可見河流水道沉積,為伸展背景下的斷陷湖盆;大煤溝組下段(J1-2d1)為灰綠色、灰黑色、灰褐色砂泥質(zhì)沉積,為粗到細(xì)的旋回序列,主要為淺湖半深湖相、沼澤相沉積,也是伸展背景下的斷陷湖盆。

用于定年研究的2件砂巖樣品分別為灰綠色泥質(zhì)粉砂巖TL14-27和灰綠色砂巖TL14-31。樣品所在剖面分別位于吐拉牧場西南方向約25 km的克克嗯格南部吐拉牧場凹陷南緣地區(qū)和東南方向約20 km的克孜勒薩依地區(qū)。

2.2 樣品處理與結(jié)果分析

樣品經(jīng)過碎樣、重砂及磁性分選等一系列過程后鋯石被分離出來,在雙目顯微鏡下對鋯石進(jìn)行人工提純分選。鋯石分選在河北省廊坊市辰昌巖礦檢測技術(shù)服務(wù)有限公司進(jìn)行。挑選的鋯石大于1 000顆,隨機(jī)從中挑選200顆制成環(huán)氧樹脂靶,磨至鋯石顆粒中心部位后拋光。對樣品靶顯微照相(反射光和透射光)后進(jìn)行噴碳和陰極發(fā)光照相。陰極發(fā)光圖像在重慶宇勁科技有限公司完成,用于分析鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征、確定U-Pb年代學(xué)測試位置。2件樣品的代表性陰極發(fā)光圖像及測試位置如圖4所示。

目前財政資金的使用已經(jīng)比較規(guī)范，雖然在實(shí)踐上預(yù)算績效管理的工作已經(jīng)展開。但是，在預(yù)算編制、預(yù)算控制、預(yù)算績效評價及考核應(yīng)用多方面仍有許多不足。

圖4 吐拉盆地2件樣品代表性碎屑鋯石圖像

LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年和微量元素分析在合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院開展,由ICP-MS和激光剝蝕系統(tǒng)聯(lián)機(jī)完成。樣品TL14-27與TL14-31中分別選取8粒和100粒鋯石進(jìn)行LA-ICP-MS U-Pb定年分析,分別獲得60個和95個測點(diǎn)諧和度大于等于95%的年齡數(shù)據(jù)(因篇幅限制,具體數(shù)據(jù)略)。

TL14-27中鋯石的w(U)為55.8×10-6～749×10-6、w(Th)為13.7×10-6～413×10-6,w(Th)/w(U)介于0.09～1.23,w(Th)/w(U)大于0.4的有37個,多數(shù)為巖漿成因,并有變質(zhì)成因及具有核幔結(jié)構(gòu)的多期繼承鋯石,少數(shù)鋯石具有增生殼;TL14-31中鋯石的w(U)為94.6×10-6～4015×10-6,w(Th)為4.11×10-6～4164×10-6,w(Th)/w(U) 介于0.02～1.04,其中只有1組w(Th)/w(U)<0.1,具有變質(zhì)鋯石特征,w(Th)/w(U)>0.4的有53個,鋯石晶體形態(tài)完整性優(yōu)于TL14-27,多數(shù)為巖漿鋯石,少量鋯石陰極發(fā)光較暗,可能受到熱液改造影響。吐拉盆地侏羅系碎屑鋯石U-Pb年齡諧和圖如圖5所示。

從圖5可以看出,除個別鋯石點(diǎn)偏離諧和線,其他點(diǎn)都位于諧和曲線附近,表明樣品數(shù)據(jù)諧和性較好,無明顯Pb丟失或普通Pb混入,數(shù)據(jù)可靠性較高。

圖5 吐拉盆地侏羅系碎屑鋯石U-Pb年齡諧和圖

3 碎屑鋯石年齡的地質(zhì)意義

3.1 樣品鋯石年齡特征

沉積盆地中的地層可能來源于同一物源區(qū),也可能來自不同物源區(qū)。通過碎屑鋯石分布特征與區(qū)域?qū)Ρ?可以確定沉積物的物質(zhì)來源與類型。若沉積物具有不同源區(qū)且源區(qū)的物質(zhì)年齡有明顯差別,則在年齡頻譜上呈現(xiàn)2個或2個以上的峰值區(qū)間,不同源區(qū)組成的樣品之間往往不具有相似的年齡譜[12]。本文所測吐拉盆地2組侏羅紀(jì)碎屑鋯石年齡分布區(qū)別較大,年齡頻譜上峰值區(qū)間相似性極差,反映2件樣品應(yīng)具有不同的源區(qū)。

TL14-27砂巖碎屑鋯石數(shù)據(jù)分布分散,峰值較多,物源具有多樣性,鋯石顆粒略小,磨圓較差,以巖漿鋯石居多,如圖6所示。

而TL14-31砂巖碎屑鋯石年齡分布較集中,主要年齡值分布在373～493 Ma,且只含有1個最年輕年齡217 Ma和1個最老年齡2 640 Ma,鋯石年齡分布相對集中,且鋯石顆粒晶型類似、大小相近,表明具有較為一致的成因,反映物源較為單一,如圖7所示。

圖6 TL14-27碎屑鋯石年齡譜

圖7 TL14-31樣品碎屑鋯石年齡譜

TL14-31峰值區(qū)間與TL14-27 在0.40～0.50 Ga年齡區(qū)間有高度相似性,該年齡段可能具有相同的物源區(qū)。TL14-27鋯石形態(tài)較為復(fù)雜多變,且年齡信息較為豐富,推測源區(qū)距離較遠(yuǎn),為多物源搬運(yùn)沉積的結(jié)果。

3.2 物源區(qū)討論

表1 吐拉盆地周緣碎屑鋯石LA-ICP-MS數(shù)據(jù)

從地理位置上看,北部的阿爾金山和南部的祁漫塔格山都是現(xiàn)今的隆起區(qū),均可能為吐拉盆地提供物源。然而,阿爾金斷裂在新生代發(fā)生了數(shù)百千米的左行平移,侏羅紀(jì)時期的區(qū)域構(gòu)造與現(xiàn)今應(yīng)具有巨大的差別,且當(dāng)時的阿爾金可能還未隆起成山。因而,吐拉盆地侏羅紀(jì)時期的沉積物來源是個值得探討的科學(xué)問題。

阿爾金喀臘大灣、柴達(dá)木盆地(干柴溝、冷湖五號、七個泉、大煤溝、鄂博梁、吾農(nóng)山、牦牛山)、祁連造山帶黑河、肅北盆地及河西走廊等地區(qū)在0.40～0.50 Ga區(qū)間與2件樣品具有相同或相近的峰值或峰值區(qū)間,表明這些地區(qū)的物源在0.40～0.50 Ga之間具有同期或者相同的地質(zhì)事件,即區(qū)域上普遍活躍的加里東運(yùn)動。

進(jìn)一步的分析表明,早古生代結(jié)晶巖中,阿爾金塊體的年齡往往以500 Ma或450 Ma為峰值[21,34];東昆侖地區(qū)以450 Ma為峰值,且具有單峰的特征[35];祁連區(qū)塊體則在400～500 Ma區(qū)間內(nèi)分散分布[36],沒有顯著的主峰[21]。由圖5可知,本次工作的2個樣品在該年齡區(qū)間不具有單主峰的特征,其年齡譜與祁連塊體結(jié)晶巖類似,因而兩者的物源可能來自祁連塊體。

樣品TL14-27與東昆侖[26]、阿爾金喀臘大灣[13]碎屑鋯石年齡譜對比如圖8所示,樣品TL14-27與中祁連[31]碎屑鋯石年齡譜對比如圖9所示。

圖8 TL14-27與東昆侖、阿爾金喀臘大灣碎屑鋯石年齡譜對比

圖9 樣品TL14-27與中祁連碎屑鋯石年齡譜對比

由圖8可知,盡管樣品TL14-27與阿爾金及東昆侖塊體碎屑鋯石年齡區(qū)間類似,在0.40～2.60 Ga均有分布,但各年齡段的頻譜特征差異顯著。TL14-27在1.00～1.80 Ga分布頻度最強(qiáng)且年齡相對分散,并在～1.10 Ga形成顯著的峰值,這一特征與來自阿爾金喀臘大灣及東昆侖的物質(zhì)特征明顯不同[13, 26],阿爾金喀臘大灣或東昆侖碎屑鋯石在該年齡段分布較為有限,峰值較少且分布不均勻[14-15]。

由圖9可知,TL14-27的峰值特征與來自中祁連塊體的鋯石年齡譜高度相似,與祁連造山帶早期基底信息相似[37-38],尤其與中祁連塊體的碎屑鋯石年齡信息相似[31],并與中祁連的托來南山碎屑鋯石高度一致[39]。上述特征也反映其物源區(qū)應(yīng)來自祁連塊體。

柴達(dá)木都蘭沙柳河變沉積巖和研究區(qū)樣品TL14-27都廣泛出現(xiàn)了1.00～1.80 Ga的年齡段,前者沉積物源屬大陸內(nèi)部接受結(jié)晶基底的剝蝕碎屑,該年齡段指示祁連洋的演化[17]。吐拉盆地內(nèi)侏羅紀(jì)碎屑物質(zhì)可能來源于上述同源物質(zhì)的沉積再循環(huán)。

阿爾金區(qū)加里東期結(jié)晶巖具有多期發(fā)育的特征[40],分別為～500 Ma高壓-超高壓變質(zhì)期、～450 Ma的后造山伸展期及～420 Ma后的造山后伸展期,幾期巖漿活動的鋯石年齡分布均不同于本次分析樣品的加里東期碎屑鋯石年齡譜,且?guī)r體分布零散,不大可能同時為同一沉積區(qū)提供物源。因此,本文2件碎屑鋯石年齡譜不具有阿爾金區(qū)物源特征。

文獻(xiàn)[35]研究發(fā)現(xiàn),東昆侖加里東期花崗巖年齡主要峰值約為420 Ma或450 Ma,具有單峰特征,并出現(xiàn)190、240 Ma 2個次峰值。該年齡頻譜特征與研究區(qū)這種相對分散的年齡特征明顯不一致。

物源分析表明,柴達(dá)木盆地在新生代時期物源主要來自阿爾金與東昆侖塊體[19],其旁側(cè)的蘇北盆地物源區(qū)則為典型的阿爾金塊體特征[28]。吐拉盆地在新近紀(jì)之后屬阿爾金與祁漫塔格山之間的山間盆地,物源也屬于典型的東昆侖或阿爾金塊體。因此,吐拉盆地與柴達(dá)木盆地一樣,新生代時期物源區(qū)由祁連塊體轉(zhuǎn)為阿爾金或東昆侖塊體,物源區(qū)發(fā)生了巨大改變。

綜上所述,本次工作的2個樣品中,0.40～0.50 Ga年齡段頻譜特征與祁連塊體結(jié)晶巖類似,而明顯有別于阿爾金及昆侖塊體;1.00～1.80 Ga年齡段的頻譜特征與中祁連塊體高度一致,也明顯有別于阿爾金及東昆侖塊體。盡管本文2件樣品的碎屑鋯石年齡譜差別較大,指示同一套地層物源區(qū)曾發(fā)生過巨大變化,但物源分析指示兩者的沉積物源均來自柴達(dá)木盆地東北側(cè)的祁連造山帶,表明吐拉盆地的盆緣格局在侏羅紀(jì)時期明顯有別于現(xiàn)今狀況。

3.3 源區(qū)構(gòu)造事件

吐拉凹陷2件樣品都具有相同低年齡段0.40～0.50 Ga與南祁連洋的向北俯沖時間一致。446～470 Ma間南祁連洋向北俯沖于祁連板塊之下,在祁連板塊南緣發(fā)生大規(guī)模的巖漿活動[29],與本文所測年齡接近。0.70～1.00 Ga年齡段樣品TL14-27出現(xiàn)了3個年齡數(shù)據(jù),與Rodinia超大陸碰撞與裂解相關(guān)的構(gòu)造和巖漿活動對應(yīng)[29]。1.00～2.00 Ga年齡段與祁連洋發(fā)生大規(guī)模的巖漿事件[31]有關(guān),年齡特征反映呂梁期—晉寧期內(nèi)祁連洋持續(xù)性的巖漿大量噴發(fā),從圖7中TL14-31年齡譜分布可以看出,巖漿噴發(fā)規(guī)模在1.00～1.50 Ga時間段比在1.50～2.00 Ga時間段小。在2.00～3.30 Ga之間,2件樣品都有零散的數(shù)據(jù),說明源區(qū)存在古元古代—太古代的結(jié)晶基底。

3.4 構(gòu)造地質(zhì)意義

本文的物源分析顯示,吐拉盆地侏羅紀(jì)時期的沉積物源并非現(xiàn)今盆地旁側(cè)的阿爾金或祁漫塔格隆起區(qū)。其碎屑鋯石所指示的物源特征與中祁連塊體高度一致,表明物源應(yīng)來自柴達(dá)木盆地東北緣的祁連塊體,這一事實(shí)與現(xiàn)今區(qū)域構(gòu)造格局相矛盾。

文獻(xiàn)[1]通過沉積對比分析,推測吐拉盆地在中生代時期可能為柴達(dá)木盆地的一部分,但該推測缺乏有力的地質(zhì)證據(jù)支持。本次物源分析工作證實(shí)吐拉盆地侏羅紀(jì)物源在柴達(dá)木盆地北東側(cè),與柴達(dá)木盆地北緣同期沉積物源一致,為上述推測提供了有力的證據(jù)。

自新生代以來,阿爾金斷裂在印度板塊與歐亞大陸板塊碰撞背景下發(fā)生大規(guī)模左旋走滑[9],走滑位移達(dá)數(shù)百千米,最大估計達(dá)900 km[41]。同時印度板塊與歐亞板塊碰撞迫使柴達(dá)木盆地向東北移動[2],造成柴達(dá)木盆地北緣—祁連山發(fā)生逆沖變形。在這種不均衡的走滑下,吐拉盆地的位移相對主體部分的柴達(dá)木盆地發(fā)生了滯后[1],形成了一個NNE向狹長山間盆地?，F(xiàn)今的吐拉盆地是在阿爾金強(qiáng)烈走滑背景下從柴達(dá)木盆地拖拽分離出來的。

4 結(jié) 論

本文通過對吐拉盆地下侏羅統(tǒng)大煤溝組碎屑鋯石LA-ICP MS年代學(xué)研究,得出以下結(jié)論:

(1) TL14-27樣品年齡譜特征呈多樣性,形成了0.45、1.08、1.32、1.68、2.58 Ga等年齡峰值;TL14-31樣品年齡譜特征顯示,年齡在0.40～0.50 Ga集中,也出現(xiàn)了1個年輕年齡217 Ma和1個較老年齡2 640 Ma。

(2) TL14-27樣品1.00 ～1.80 Ga年齡段與中祁連年齡譜高度一致,推測該樣品的物源區(qū)為中祁連造山帶;2個樣品在0.40 ～0.50 Ga之間的年齡信息與祁連塊體的結(jié)晶巖信息類似,而明顯有別于東昆侖與阿爾金塊體,反映其物源也應(yīng)來自祁連造山帶。

(3) 侏羅紀(jì)時期吐拉盆地物源來自柴達(dá)木盆地東北緣的祁連造山帶,證實(shí)了中生代時期吐拉盆地為柴達(dá)木盆地的一部分,在新生代阿爾金斷裂大規(guī)模左行走滑過程中被拖拽拉長而獨(dú)立出來。該成果對深入認(rèn)識青藏高原北緣的新生代區(qū)域構(gòu)造演化具有一定的意義。