高郵凹陷輝綠巖鋯石U-Pb年代學(xué)特征及其地質(zhì)意義

謝成龍,荊翰林,王 力,婁國泉,劉傳澤

(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.中國石油化工集團(tuán)有限公司江蘇油田分公司 物探技術(shù)研究院,江蘇 南京 210046)

0 引 言

高郵凹陷作為蘇北盆地主要產(chǎn)油凹陷之一,自發(fā)現(xiàn)以來相關(guān)研究成果較豐富,但多數(shù)集中在油氣儲層特征、地球物理勘探、基底斷裂及盆地構(gòu)造演化特征等方面[1-2]。對于區(qū)內(nèi)廣泛發(fā)育的新生代輝綠巖,相關(guān)研究很少,文獻(xiàn)[3-5]從構(gòu)造層面認(rèn)為其侵入時期為三垛沉積期。區(qū)域跨度上,蘇北盆地與渤海灣盆地等同為新生代盆地,在盆地結(jié)構(gòu)、構(gòu)造特征、形成背景等方面存在一定的相似性[6-8];同處于中國東部地區(qū)中、新生代盆地群,其形成演化歷程受太平洋板塊俯沖后撤及郯廬斷裂帶活動影響。該區(qū)域晚中生代至新生代時期巖漿活動強(qiáng)烈[9-14],對于區(qū)域上不同的巖漿活動,以及巖漿活動期間形成的基性巖(玄武巖、輝綠巖)之間的聯(lián)系等問題,都有待進(jìn)一步研究。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

蘇北盆地是蘇北-南黃海盆地的陸上部分,北鄰濱海隆起,南抵蘇南隆起,西接郯廬斷裂帶,東至黃海盆地。該盆地自晚白堊世以來經(jīng)歷了儀征運動、吳堡運動、真武運動及三垛運動等多期構(gòu)造運動,盆地自上而下發(fā)育上白堊統(tǒng)泰州組、古新統(tǒng)阜寧組、始新統(tǒng)戴南組、三垛組、新近系鹽城組及第四系東臺組。高郵凹陷位于東臺坳陷中部地區(qū),凹陷西段自南向北發(fā)育真① 、真② 及漢留斷層,東段發(fā)育吳① 、吳② 斷層,并與溱潼、海安凹陷相鄰,西側(cè)經(jīng)菱塘橋低凸起與金湖凹陷相連。高郵凹陷是蘇北盆地最大的獨立凹陷,也是盆地內(nèi)巖漿活動最強(qiáng)烈的凹陷。

高郵凹陷區(qū)域地質(zhì)背景和采樣點位置如圖1所示。

圖1 高郵凹陷區(qū)域地質(zhì)背景和采樣點位置

2 樣品來源及特征

此次采集的樣品來自江蘇油田邵伯巖芯庫,多為輝綠巖巖芯。對樣品進(jìn)行巖相學(xué)鑒定,NS09、NS20樣品的巖相學(xué)照片如圖2所示。

輝綠巖發(fā)生輕微蝕變現(xiàn)象,新鮮面暗綠色,輝綠結(jié)構(gòu),塊狀構(gòu)造;巖石主要由斜長石、輝石、橄欖石、皂石及少量不透明礦物組成,斜長石占比為63%～72%,輝石占比為18%～25%,皂石占比為5%～12%,橄欖石占比約為12%,不透明礦物占比約為3%。

斜長石呈自形-半自形粒狀,表面干凈,多發(fā)育聚片雙晶或卡鈉復(fù)合雙晶,部分見穿插雙晶;輝石多呈他形粒狀,少數(shù)半自形柱狀,充填于斜長石的晶隙中,淡褐色,無多色性,多具裂紋,正高突起,干涉色一級黃至二級藍(lán)綠,斜消光;橄欖石呈半自形柱狀,無色,正高突起,裂紋發(fā)育,干涉色二級,平行消光;皂石呈鱗片狀集合體充填于斜長石晶隙,為交代橄欖石的次生產(chǎn)物,部分仍保留橄欖石的晶形,淺綠色,多色性弱,干涉色受顏色影響呈黃色或黃綠色;不透明礦物多呈半自形-他形粒狀,浸染狀分布。

圖2 高郵凹陷輝綠巖NS09、NS20巖相學(xué)照片

3 分析測試方法及結(jié)果

鋯石制靶及陰極發(fā)光(cathodeluminescence,CL)圖像是在重慶宇勁科技有限公司完成,激光剝蝕-電感耦合等離子質(zhì)譜儀(laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry,LA-ICP-MS)鋯石U-Pb定年測試分析是在合肥工業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院LA-ICP-MS實驗室完成。具體實驗流程參見文獻(xiàn)[15-16]。

此次高郵凹陷輝綠巖鋯石U-Pb測年共有4組樣品——NS09(取自阜二段)、NS20(取自阜三段)、NS23(取自阜四段)及NS26(取自阜二段),部分鋯石CL圖像如圖3所示,同位素測定結(jié)果部分?jǐn)?shù)據(jù)見表1所列。

圖3 高郵凹陷輝綠巖新生代鋯石部分CL圖像

表1 高郵凹陷輝綠巖新生代鋯石U-Pb年齡部分分析結(jié)果

續(xù)表

新生代的鋯石CL圖像整體較暗,不發(fā)育核邊結(jié)構(gòu),圖像顯示發(fā)育條痕狀吸收,自形程度較高,多為長柱狀,與基性巖中原生鋯石的特征一致,表明其為巖漿成因鋯石。在剔除諧和度較低的測點后,LA-ICP-MS U-Pb年齡諧和圖如圖4所示,其上交點年齡即代表了鋯石的結(jié)晶年齡。

樣品NS09僅發(fā)現(xiàn)1顆新生代鋯石,w(Th)為9 463×10-6,w(U)為3 192×10-6,w(Th)/w(U)為2.96,遠(yuǎn)大于0.10,表明為巖漿成因鋯石[17-18],其表面年齡為(45.3±1.3) Ma。對于該樣品,雖然1顆鋯石的可信度較低,但鑒于該鋯石年齡與地質(zhì)事實吻合度較高,認(rèn)為該年齡可以代表該輝綠巖樣品的侵位時代。

樣品NS20鋯石的w(Th)為(144～492)×10-6,w(U)為(308～648)×10-6,w(Th)/w(U)在0.47～0.76之間,表面年齡為(46.5±1.5)～(61.3±2.2) Ma。對于該樣品,去除年齡為(46.5±1.5) Ma的不可信鋯石(諧和度低),用其余4顆計算加權(quán)平均年齡及諧和圖曲線,3個樣點落在諧和曲線上,加權(quán)平均年齡為(59.8±1.7) Ma(圖4a、圖4b),為阜寧組時期產(chǎn)物。

樣品NS23鋯石的w(Th)為(1 309～11 646)×10-6,w(U)為(770～4 625)×10-6,w(Th)/w(U)在1.45～4.60之間,表面年齡在(38.1±1.1)～(45.9±1.3) Ma之間。取其中諧和度較好的前10顆鋯石計算加權(quán)平均年齡及諧和圖曲線,其中5個樣點落在諧和曲線上,加權(quán)平均年齡為(40.5±0.7) Ma(圖4c、圖4d),代表輝綠巖侵位于阜寧組時代。

樣品NS26鋯石的w(Th)為(1 701～10 459)×10-6,w(U)為(917～4 430)×10-6,w(Th)/w(U)在1.83～2.36之間,表面年齡在(43.2±1.2)～(46.4±1.3) Ma之間。對該樣品5顆新生代鋯石計算加權(quán)平均年齡及諧和圖曲線,3個樣點落在諧和曲線上,加權(quán)平均年齡為(44.8±1.1) Ma(圖4e、圖4f),代表輝綠巖上升侵位阜寧組時代。

上述各樣品的加權(quán)平均年齡代表了巖漿的結(jié)晶時間,表明高郵凹陷新生代火成巖結(jié)晶年齡為新生代早古近紀(jì)。

圖4 高郵凹陷輝綠巖新生代鋯石U-Pb諧和年齡

4 討 論

4.1 輝綠巖侵位時代

從侵位地層看,高郵凹陷輝綠巖主要有上、下2套,下套輝綠巖主要侵位于阜寧組地層,上套輝綠巖主要侵位于三垛組、戴南組地層,少量侵位于阜四段。對于這2套輝綠巖侵入時期,以往的研究僅從構(gòu)造層面進(jìn)行分析,認(rèn)為上、下2套同為三垛時期的產(chǎn)物[3-5],而沒有精確的同位素年代學(xué)限定。阜寧組地層時代為65.0～54.9 Ma,于吳堡期形成。此次采集到的樣品均來自阜寧組,且年齡跨度較大,單顆粒年齡在38.1～61.3 Ma,表明該輝綠巖至少包含了吳堡期年齡信息。因此,本文認(rèn)為高郵凹陷輝綠巖在吳堡期就已經(jīng)開始侵入,并非是相關(guān)文獻(xiàn)所認(rèn)為的上、下2套輝綠巖均只在三垛期侵位。

上述高郵凹陷輝綠巖的侵位時代,為后續(xù)進(jìn)一步研究盆地成盆機(jī)制及動力學(xué)演化進(jìn)程、討論中國東部新生代巖漿活動提供了精確的年代學(xué)依據(jù)。

4.2 區(qū)域動力學(xué)意義

在大地構(gòu)造尺度上,蘇北盆地處于中、新生代西太平洋構(gòu)造域的弧后拉張背景下,屬于濱太平洋構(gòu)造域的一部分[19],盆地北接蘇魯造山帶,西靠郯廬斷裂帶,其中郯廬斷裂帶是全球少有的巨型斷裂帶之一。郯廬斷裂帶自中生代形成以來,沿斷裂帶附近發(fā)育了幾個大的伸展盆地,如合肥盆地、蘇北盆地、渤海灣盆地等[9, 20-25]。在伊澤奈崎及后續(xù)板塊向歐亞大陸俯沖后的回卷期間,郯廬斷裂帶轉(zhuǎn)為強(qiáng)烈的伸展活動,造成了早白堊世和新生代時期的大規(guī)模巖漿活動[26-30],中國東部晚中生代至新生代時期的巖漿活動及地質(zhì)演化進(jìn)程受古太平洋板塊俯沖影響已成為共識[10, 31-40]。

渤海灣盆地與蘇北盆地分別發(fā)育于郯廬斷裂帶兩側(cè),均為受郯廬斷裂帶及太平洋板塊俯沖控制的中新生代陸相含油氣斷陷盆地,且同處于濱太平洋構(gòu)造域的弧后拉張背景下,具有諸多相似點。依據(jù)文獻(xiàn)[41]有關(guān)渤海灣盆地中新生代玄武質(zhì)火山巖K-Ar年齡數(shù)據(jù),以及文獻(xiàn)[42]關(guān)于渤海灣盆地第三紀(jì)巖漿旋回的劃分,在65.0～44.1 Ma期間,全區(qū)火山巖分布廣泛,各凹陷內(nèi)均有分布,巖漿活動強(qiáng)烈。在古新世—早始新世渤海灣盆地4個凹陷的火山巖同位素K-Ar年齡[41]分別為：遼東凹陷，65.0～46.4 Ma；濰北凹陷，62.4 Ma；南堡凹陷，57.1 Ma；黃驊坳陷，53.4 Ma。對于蘇北盆地,其侵位年齡多集中于40 Ma左右,50 Ma之前的輝綠巖較少,指示該盆地的巖漿活動總體上普遍晚于渤海灣盆地。在浙江地區(qū),新生代巖漿巖年齡多集中在40～20 Ma[40,43-47],總體上晚于蘇北盆地內(nèi)的新生代巖漿巖發(fā)育時間。

中國東部太平洋板塊俯沖與巖漿活動關(guān)系如圖5所示。晚白堊世—早古近紀(jì)(約60 Ma),伊澤奈崎板塊消失,太平洋板塊開始沿北北西向俯沖于歐亞大陸,俯沖板片隨后發(fā)生回卷并出現(xiàn)弧后伸展[48]。受太平洋板塊俯沖影響,郯廬斷裂帶中南段于該時期轉(zhuǎn)型成為伸展構(gòu)造,并控制發(fā)育了沿線的晚中—新生代伸展盆地群,發(fā)生了大規(guī)模的巖漿侵位及玄武巖噴發(fā)[9,14,24,29,49]。依據(jù)上述與渤海灣盆地的年齡對比,可以發(fā)現(xiàn)由于太平洋俯沖板塊回卷、海溝后撤的影響,強(qiáng)烈的巖漿活動自遼東遼河盆地開始啟動,沿東南移向渤海灣盆地,隨著板塊后撤運動的進(jìn)行,蘇北盆地繼而發(fā)生強(qiáng)烈的巖漿活動;郯廬斷裂帶在弧后伸展過程中加劇了斷裂帶沿線巖石圈的伸展強(qiáng)度,從而控制了一系列盆地和巖漿活動的發(fā)育。不考慮受采樣條件限制這一不確定因素,區(qū)域上巖漿活動的時空差異與太平洋板塊的俯沖及弧后伸展變化是吻合的,即海溝向東南沿海后撤,弧后伸展及巖漿活動也逐漸向東南方向移動。

圖5 中國東部太平洋板塊俯沖與巖漿活動關(guān)系模式

5 結(jié) 論

(1) 高郵凹陷4個輝綠巖樣品的侵位時代分別為45.3、59.8、40.5、44.8 Ma,表明盡管巖漿活動峰期在三垛沉積期,但其最早在吳堡沉積期就已經(jīng)開始活動,并非前人認(rèn)為的上、下2套輝綠巖均只在三垛沉積時期侵位。

(2) 鋯石年代學(xué)結(jié)果表明,蘇北盆地巖漿活動與太平洋板塊俯沖造成的弧后伸展在時空上具有一致性,是弧后伸展型巖漿活動,在空間上還受郯廬斷裂帶的影響與控制。

(3) 區(qū)域?qū)Ρ缺砻?中國東部自北向南巖漿活動逐漸變年輕,與太平洋板塊俯沖背景下的海溝后撤方向一致,指示了隨海溝后撤伸展區(qū)域及巖漿活動在空間上的遷移變化規(guī)律。