松遼盆地北部三疊紀重要火山－巖漿事件
——對晚古生代地層時限的約束

張海華，張 健，陳樹旺，鄭月娟，蘇 飛，卞雄飛，黃 欣，李曉海，張德軍，孫 雷中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧沈陽110034

0 前言

松遼盆地位于中國東北地區(qū)，北與西伯利亞板塊相鄰，南部與華北板塊相接，是一個構(gòu)造演化的疊合區(qū)域.自晚古生代起，松遼盆地可能經(jīng)歷了多期次、多方向的板片俯沖及火山－巖漿事件等復雜的構(gòu)造演化影響.與白堊系基礎地質(zhì)研究相比，盆地前中生代地層、巖漿事件、構(gòu)造演化及盆地基底的研究明顯薄弱，同時松遼盆地覆蓋嚴重，基巖較少出露（圖1），這給盆地內(nèi)火山－巖漿事件的研究帶來較大的困難，也致使以往晚古生代以來的巖漿作用及構(gòu)造演化的調(diào)查工作多集中于松遼盆地的外圍露頭區(qū)，針對松遼盆地內(nèi)的研究和調(diào)查十分薄弱和缺乏.

松遼盆地是大型的含油氣盆地，富含石油及天然氣等沉積礦產(chǎn).在以往的油氣勘探中，松遼盆地主要的勘探目的層為白堊系，在經(jīng)歷了多年的勘探開發(fā)后，如今已經(jīng)進入了尋找新的油氣藏和盆地深層系油氣資源的階段.近年來松遼盆地及外圍石炭系—二疊系油氣基礎地質(zhì)調(diào)查工作表明，松遼盆地上二疊統(tǒng)具有良好的油氣資源前景，松遼盆地四深1井見多層石炭系—二疊系天然氣顯示，肇深8井營城組所產(chǎn)天然氣來源于石炭系—二疊系［1］，松遼盆地深層系石炭系—二疊系見豐富的油氣資源［2-3］.但關(guān)于二疊系地層的確認，在盆地內(nèi)大多只是依據(jù)局部鉆孔的古生物化石以及巖石組合和地層對比［4］，而基于巖漿巖、碎屑巖同位素年代學的研究鮮有報道，對于地質(zhì)條件和構(gòu)造演化復雜的大型盆地而言，地層時代的研究缺乏精確的同位素年代學證據(jù).

近年來，中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心在松遼盆地北部開展了石炭系—二疊系油氣地質(zhì)調(diào)查工作，進行了地質(zhì)調(diào)查井鉆探，對所取巖心進行了系統(tǒng)的描述和取樣分析.本文旨在對松遼盆地北部黑富地3井井段侵入到碎屑巖中的脈巖樣品進行同位素鋯石U－Pb年代學分析，結(jié)合區(qū)域已有的研究成果，確定侵入巖的時代，探討侵入巖的期次及構(gòu)造演化特征，同時對碎屑巖地層進行時代約束，以期為松遼盆地基礎地質(zhì)研究及油氣資源調(diào)查提供基礎資料.

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于松遼盆地北部齊齊哈爾市富?？h.松遼盆地處于西伯利亞板塊、華北板塊和太平洋板塊挾持的構(gòu)造復合部位，動力學背景十分復雜，基底由上古生界石炭系—二疊系和不同期次的花崗巖組成（圖1）.盆地面積約26×104km2，是中國油氣資源最為豐富的大型陸相含油氣盆地.松遼盆地在三疊紀—早侏羅世時期，地幔物質(zhì)大量上涌引起地殼隆起，盆地整體呈現(xiàn)上升隆起狀態(tài)；中侏羅世至早白堊世早期，盆地中部區(qū)域莫霍面隆起使地幔作用進一步加劇，形成大規(guī)模的拉張，并產(chǎn)生以北北東向為主的張性構(gòu)造帶，同時伴隨火山噴發(fā)，盆地進入斷陷發(fā)育階段；早白堊世晚期至晚白堊世嫩江期，大范圍張性斷裂發(fā)育使地殼塌陷，形成統(tǒng)一的湖盆，在青山口組至嫩江組時期，達到最大湖泛期，盆地進入了陸內(nèi)拗陷發(fā)育階段；晚白堊世嫩江組沉積之后，喜馬拉雅運動時期地殼加劇抬升，受擠壓構(gòu)造作用盆地開始隆升，湖盆逐漸收縮，盆地進入了褶皺萎縮期［5-6］.

圖1 研究區(qū)地質(zhì)略圖Fig.1 Geological sketch map of the study area

研究區(qū)實施的黑富地3井位于松遼盆地北部的富裕構(gòu)造帶（圖2）.前人研究表明，研究區(qū)基底為石炭系—二疊系，蓋層主要發(fā)育有下白堊統(tǒng)的火石嶺組（K1h）、沙河子組（K1sh）、營城組（K1yc）、登婁庫組（K1d）、泉頭組（K1q），上白堊統(tǒng)青山口組（K2qn）、姚家組（K2y）、嫩江組（K2n）、四方臺組（K2s）、明水組（K2m），古近系（E）和新近系（N）［7］.

圖2 松遼盆地北部地區(qū)構(gòu)造單元劃分圖（據(jù)文獻［8］修編）Fig.2 Tectonic division of northern Songliao Basin（Modified from Reference［8］）

黑富地3井揭示的地層自上而下為第四系（0～210 m）、明水組（210～495 m）、四方臺組（495～550 m）、嫩江組（550～910 m）、姚家組（910～1010 m）、青山口組（1010～1190 m）、泉頭組（1190～1342 m）、林西組（1342～2749 m）.該井脈巖發(fā)育，主要為灰色二長斑巖和灰褐色閃長玢巖.本次研究樣品為侵入到林西組碎屑巖中的閃長玢巖（圖3），對其進行同位素年代學分析.

2 樣品特征與分析方法

圖3 黑富地3井下部柱狀圖及采樣位置Fig.3 Stratigraphic column and sampling location of HFD-3 well

侵入巖鋯石測年樣品采自黑富地3井2 712.7 m井段巖心（圖3、4a），巖性為灰褐色閃長玢巖.巖石呈灰褐色，斑狀結(jié)構(gòu)，基質(zhì)呈顯微晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造.薄片樣品鏡下特征、成分特征及其變化如下.

巖石主要由斑晶和基質(zhì)組成.斑晶主要為斜長石、角閃石和黑云母，少數(shù)斑晶聚集在一起呈聚斑和連斑結(jié)構(gòu).斜長石多呈半自形板柱狀，少數(shù)呈他形粒狀，礦物粒徑大小一般為0.2～3.2 mm，多發(fā)育聚片雙晶和環(huán)帶結(jié)構(gòu)，多發(fā)生土化和絹云母化，部分表面發(fā)生較強烈的土化和絹云母化；角閃石多呈他形粒狀，少數(shù)呈半自形柱狀，礦物粒徑大小一般為0.2～1.2 mm，單偏光下呈淺黃綠—淺藍綠多色性，正交光下呈Ⅱ級藍綠干涉色，多數(shù)局部被透閃石交代，部分被黑云母交代；黑云母多呈他形片狀，片徑大小一般為0.4～0.6 mm，單偏光下呈淺黃—黃褐多色性，正交光下呈Ⅲ級紅干涉色，多發(fā)生褪色，部分發(fā)生綠泥石化.

圖4 閃長玢巖巖心及鏡下特征Fig.4 Core and microphotograph of diorite porphyrite

基質(zhì)主要是斜長石、石英、角閃石、黑云母和不透明礦物.斜長石多呈半自形板柱狀，少數(shù)呈他形粒狀，礦物粒徑多小于0.1 mm，部分可見聚片雙晶，表面多發(fā)生較輕微土化和絹云母化；石英多呈他形粒狀，礦物粒徑多小于0.1 mm，表面較干凈，多同斜長石呈集合體分布；角閃石多呈他形粒狀，礦物粒徑多小于0.2 mm，單偏光下無色，正交光下呈Ⅱ級藍綠干涉色，局部發(fā)生綠簾石化；黑云母多呈他形片狀，片徑多小于0.1 mm，單偏光下呈淺黃—淺黃褐多色性，正交光下呈Ⅲ級紅干涉色，部分發(fā)生綠泥石化.不透明礦物多呈粉末狀集合體，黑色不透明，可能為一些鐵質(zhì)（圖4b）.

樣品鋯石分選在廊坊市誠信地質(zhì)服務有限公司進行.首先將樣品進行粉碎分選，分選出的鋯石在雙目鏡下挑選，選擇透明度較高、晶形較完好且內(nèi)部無裂隙具有代表性的鋯石進行制靶.制靶后用陰極發(fā)光、透射和反射光對鋯石樣品進行照相.鋯石陰極發(fā)光圖像在北京大學電鏡室完成.制靶、透射和反射光圖像制備及LA－ICP－MS U－Pb測試在中國地質(zhì)大學（北京）地學實驗中心元素地球化學研究室完成.通過反射光、透射光及陰極發(fā)光圖像綜合分析，選擇晶形好、環(huán)帶清晰的鋯石樣品，用激光剝蝕等離子體質(zhì)譜儀（LA－ICPMS）進行鋯石U－Pb同位素測試.鋯石靶的制備過程與SHRIMP方法相似［9］.鋯石U－Pb測試的儀器為美國New Wave Research Inc.公司生產(chǎn)的激光剝蝕進樣系統(tǒng)（UP 193SS）和美國Agilent科技有限公司生產(chǎn)的Agilent 7500a型四級桿等離子質(zhì)譜儀聯(lián)合構(gòu)成的激光等離子質(zhì)譜系統(tǒng)（LA－ICP－MS）.實驗用36μm的激光束斑直徑和10 Hz的激光頻率，激光取樣過程采用5 s的預剝蝕時間、20 s的沖洗樣品池時間以及40 s的剝蝕取樣時間.實驗采用人工合成硅酸鹽玻璃NIST610作為外標［10］，Si作為內(nèi)標進行元素校正，采用標準鋯石91500作為外標進行U－Pb同位素分餾效應的校正計算，澳大利亞鋯石標樣TEM［11］和QH［12］作為監(jiān)控盲樣來監(jiān)視測試過程中的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)質(zhì)量.數(shù)據(jù)處理采用澳大利亞Glitter軟件（ver.4.4，Macquarie University）完成，普通鉛校正方法同文獻［13］.

3 同位素年齡分析結(jié)果

本研究對黑富地3井閃長玢巖樣品（2712.7TWS）進行了鋯石LA－ICP－MS U－Pb同位素分析，對樣品進行了25個點測試分析.從陰極發(fā)光圖（圖5）上可見，鋯石為自形—半自形，大多鋯石保留了巖漿結(jié)晶鋯石的晶體形態(tài)，呈現(xiàn)長柱狀和短柱狀，粒徑主要集中在80～150μm之間，長寬比多數(shù)為2∶1，具有清晰的巖漿震蕩環(huán)帶，少部分鋯石有不同程度破碎，Th/U介于1.96～8.94間.以上特征表明樣品鋯石為巖漿成因鋯石.

鋯石樣品測試結(jié)果（表1、圖6）顯示，25個點數(shù)據(jù)均在諧和線上及其附近，均為諧和年齡，其中有1個測試點的數(shù)據(jù)年齡偏?。c18，188±5 Ma），可能為混入的鋯石.其余的年齡可以分為3組：第一組年齡介于（242±6）～（247±6）Ma，加權(quán)平均值為245.5±1.9 Ma（MSWD＝0.44，n＝8），應為閃長巖的結(jié)晶年齡；第二組269～295 Ma，6個測試點，年齡的加權(quán)平均值為289.0±6 Ma；第三組313～353 Ma，9個測試點，年齡的加權(quán)平均值為338.0±3 Ma.后兩組應為巖漿捕獲較老的基底的年齡.結(jié)合上述分析可知，245.5±1.9 Ma代表了脈巖的形成年齡，該脈巖為早中三疊世侵入巖.

圖5 閃長玢巖樣品（2712.7TWS）陰極發(fā)光圖像和年齡Fig.5 CL images and U-Pb ages of the zircons in diorite porphyrite sample

圖6 閃長玢巖樣品（2712.7TWS）鋯石U－Pb年齡諧和圖Fig.6 Zircon U-Pb concordia diagram of diorite porphyrite sample

4 討論

4.1 巖漿巖年齡及地質(zhì)意義

本次研究的脈巖樣品具體可歸納為3個年齡區(qū)間：242～247 Ma，年齡的加權(quán)平均值為245.5±1.9 Ma；269～295 Ma，加權(quán)平均值為289.0±6 Ma；313～353 Ma，加權(quán)平均值為338.0±3 Ma.還有一顆較老的年齡為390.0±5 Ma.245.5±1.9 Ma的結(jié)晶年齡代表本次巖漿熱事件——閃長玢巖的形成年齡，后兩組較老的年齡應為早期次巖漿作用所形成的鋯石，后被早中三疊世火山巖漿作用捕獲.

242～247 Ma的年齡為中三疊世早期.侯賀晟等［14］在松遼盆地中央凹陷區(qū)深部科學鉆探井松科2井獲得安山巖的鋯石U－Pb年齡為242.6±0.77 Ma；余星等［15］在松遼盆地徐家圍子斷陷區(qū)獲得了252～237 Ma火山巖的年齡；裴福萍等［16］在松遼盆地南部取得了火山巖218～236 Ma、254 Ma的年齡；陳樹旺等［17］針對松遼盆地西斜坡區(qū)地質(zhì)井火山巖樣品進行同位素測年分析，年齡介于224.7～234.0 Ma之間，時代為晚三疊世.在松遼盆地周邊地區(qū)也發(fā)現(xiàn)有大量的三疊紀火山事件.在科爾沁右翼前旗索倫鎮(zhèn)的下三疊統(tǒng)哈達陶勒蓋組（T1h），巖性主要為深灰及雜色安山巖夾流紋巖、頁巖、凝灰質(zhì)細砂巖及紫色砂巖、粉砂巖等，其同位素年齡為250～245 Ma（K－Ar法）［18］；司秋亮等［19］對大興安嶺中段蘑菇氣地區(qū)哈達陶勒蓋組火山巖進行的同位素年代學研究，結(jié)果顯示火山巖形成于234～244 Ma的中三疊世；張海華等［20］報道了內(nèi)蒙古科爾沁右翼中旗花崗巖的形成年齡為242.6±2.5 Ma；在烏蘭浩特－索倫地區(qū)獲得的中晚三疊世巖漿巖的侵位年齡為235～225 Ma［21］；小興安嶺東部發(fā)育的清水巖體的結(jié)晶年齡為222±5 Ma［22］.以上研究成果表明，三疊紀侵入巖及火山巖在東北地區(qū)廣泛發(fā)育，而以上三疊紀火山巖的年齡研究表明，在松遼盆地內(nèi)三疊系地層亦是存在的，導致三疊紀巖漿活動的構(gòu)造體制應為較大范圍和規(guī)模的應力作用——即應與古亞洲洋構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換有關(guān).松遼盆地及周邊三疊紀火山－巖漿事件與西伯利亞板塊與華北板塊在二疊紀末期的碰撞拼合相關(guān)，應形成于造山后的伸張構(gòu)造背景［23］.

捕獲鋯石的兩組年齡269～295 Ma、313～353 Ma，應反映松遼盆地早期巖漿事件的形成時代.269～295 Ma反映松遼盆地存在早—中二疊世（海西期）的巖漿事件，在松遼盆地南部營城組存在254 Ma、294 Ma火山巖［16］，松遼盆地南部團山子基性脈巖中獲得291 Ma的鋯石年齡［24］，松遼盆地北部早白堊世營城組火山巖捕獲的鋯石年齡顯示有290～297 Ma的年齡［15］，海西期捕獲鋯石所指示的巖漿活動應與華北板塊和西伯利亞板塊的俯沖碰撞及造山作用相關(guān).

表1 閃長玢巖鋯石U－Pb定年數(shù)據(jù)Table 1 Zircon U-Pb dating results of diorite porphyrite

313～353 Ma時期（石炭紀）捕獲的鋯石年齡在松遼盆地鮮有報道.周長勇等［25］對大興安嶺北部地區(qū)塔河輝長巖體研究表明，塔河地區(qū)約在330 Ma存在板塊的消減過程，這可能與興安地塊與松嫩地塊的拼合有關(guān).同時該組年齡與內(nèi)蒙古蘇尼特左旗－錫林浩特－西烏旗巖漿弧的年齡相吻合［26-33］.

綜合上述表明，松遼盆地北部存在中三疊世早期巖漿熱事件.捕獲鋯石年齡進一步證明松遼盆地至少還經(jīng)歷了石炭紀、早—中二疊世等多次火山活動及巖漿侵位等增生作用.

4.2 對地層時代的約束

松遼盆地晚古生代的研究近年來取得了諸多進展，尤其是深層系油氣資源的發(fā)現(xiàn)［1-2］.但對于晚古生代地層的確定，前人的研究多停留在巖相學描述和地層對比方面，時代的確定大多依據(jù)巖石組合特征和區(qū)域地層對比，一直缺少地層年代學資料，古生物年代學等資料也缺少，尤其是同位素年代學資料缺乏，這將影響從總體上把握松遼盆地晚古生代地層的分布規(guī)律和區(qū)域構(gòu)造演化歷史的研究及探討，也將嚴重阻礙盆地油氣資源的評價和生烴層系的認識分析等.本次所取得的閃長玢巖的巖漿年齡為245.5±1.9 Ma，時代為中三疊世早期，指示其是在中三疊世早期侵位、侵入到碎屑巖地層中，即確定了該套碎屑巖的沉積上限年齡——碎屑巖是在245.5±1.9 Ma之前沉積成巖的.結(jié)合古生物化石證據(jù)（另文發(fā)表）和巖石組合特征等，表明脈巖所侵入的這套碎屑巖地層為晚二疊世林西組.這為在松遼盆地進行深層系油氣資源調(diào)查提供了有意義的基礎數(shù)據(jù).

5 結(jié)論

1）松遼盆地北部地質(zhì)調(diào)查井（黑富地3井）發(fā)育的閃長玢巖脈巖，侵位結(jié)晶年齡為245.5±1.9 Ma，表明為早中三疊世侵入體，指示在松遼盆地北部發(fā)育早中三疊世巖漿火山熱事件.存在269～295 Ma、313～353 Ma兩組捕獲鋯石年齡.

2）脈巖的結(jié)晶年齡及捕獲鋯石年齡代表了松遼盆地至少經(jīng)歷了石炭紀、早—中二疊世、早中三疊世等多次火山活動及巖漿侵位等作用.巖漿熱事件的發(fā)育構(gòu)造背景應與古亞洲洋的碰撞拼合及碰撞后的伸展體制有關(guān).

3）閃長玢巖的結(jié)晶侵位年齡限制了所侵入碎屑巖地層的沉積時代上限.碎屑巖地層是在245.5±1.9 Ma之前沉積成巖的，佐證了碎屑巖層系為上二疊統(tǒng)林西組.