大興安嶺中段索倫地區(qū)中侏羅統(tǒng)萬寶組沉積環(huán)境及地球化學(xué)特征

施璐，唐振，張渝金，楊柳，杜玉春

1.中國地質(zhì)調(diào)查局 沈陽地質(zhì)調(diào)查中心，遼寧 沈陽 110034；2.東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110004

0 前言

以往松遼盆地及外圍的油氣勘探工作主要集中在白堊系和古近系等已知目的層系，近年來侏羅系地層也作為主要生烴層系成為油氣勘探工作的新目標(biāo)［1-4］，在突泉盆地突參1井侏羅系萬寶組也發(fā)現(xiàn)了輕質(zhì)原油［3］.由于大面積的上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)火山巖覆蓋，侏羅系沉積地層出露面積較少，制約了對于侏羅系沉積地層沉積環(huán)境、物源特征和構(gòu)造背景等特征的認(rèn)識.中侏羅統(tǒng)萬寶組作為潛在的烴源巖層位之一，是侏羅系主要的陸相沉積地層，確定其巖性組合特征、產(chǎn)出狀況、沉積環(huán)境、物源特征等就顯得尤為重要［5-6］.區(qū)域上萬寶組巖性可分為上、下兩部分，下部為灰、灰白、灰綠色礫巖夾砂巖和凝灰?guī)r，上部為灰黑色泥巖、灰與灰黑色砂巖和粉砂巖夾凝灰?guī)r及煤層，含植物化石.萬寶組通常以底部礫巖與下伏紅旗組呈角度不整合接觸，其上被塔木蘭溝組火山巖不整合覆蓋.筆者在大興安嶺中段索倫地區(qū)阿拉達(dá)爾吐等地發(fā)現(xiàn)了一套陸相火山沉積碎屑巖，通過孢粉化石、巖石組合等特征將其厘定為中侏羅統(tǒng)萬寶組（圖1）.本文以索倫地區(qū)萬寶組為研究對象，通過巖石地層層序、巖石地球化學(xué)等研究，確定萬寶組的沉積環(huán)境，探討其物源屬性和大地構(gòu)造背景，為松遼盆地進(jìn)一步的油氣勘探工作提供地質(zhì)依據(jù).

圖1 大興安嶺中段索倫地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological map of Suolun area in middle Daxinganling Mountains

1 區(qū)域地質(zhì)背景

索倫地區(qū)位于松遼盆地西緣大興安嶺中段，大地構(gòu)造位置處于賀根山－黑河斷裂以北的興安地塊東南緣（圖1a），經(jīng)歷了古生代古亞洲洋構(gòu)造域和中新生代蒙古－鄂霍次克洋及環(huán)太平洋構(gòu)造域演化和疊加改造［7-10］.索倫地區(qū)晚古生代以淺變質(zhì)的海相－陸相沉積作用為主，產(chǎn)出地層有下二疊統(tǒng)大石寨組（P1d）、中二疊統(tǒng)哲斯組（P2z）海相沉積地層和上二疊統(tǒng)林西組（P3l）湖沼相沉積地層.中生代以陸相火山沉積作用為主，產(chǎn)出地層有中侏羅統(tǒng)萬寶組（J2wb），上侏羅統(tǒng)滿克頭鄂博組（J3mk）、瑪尼吐組（J3mn），下白堊統(tǒng)白音高老組（K1b）、龍江組（K1l）、光華組（K1g）（圖1b）.

索倫地區(qū)萬寶組主要分布在冬省達(dá)坂、巴彥烏蘭、阿拉達(dá)爾吐等地，總體以條帶狀出露于研究區(qū)晚中生代火山噴發(fā)盆地的底部和盆緣一帶（圖1b）.該組為一套分布于山間斷陷盆地的陸相火山沉積碎屑巖建造，主要巖性為凝灰質(zhì)砂礫巖、砂巖、粉砂巖及火山碎屑巖.筆者在該地區(qū)萬寶組砂巖中獲得大量孢粉化石，孢粉組合以Cyclogranisporites-Protopinus-Pristinuspollenites（圓形粒面孢-原始松粉－原始雙囊粉）為代表，孢子類型以侏羅紀(jì)常見孢粉化石為主，確認(rèn)索倫地區(qū)萬寶組形成時(shí)代應(yīng)為中侏羅世［11-13］.

2 巖石地層層序

本次研究在索倫地區(qū)冬省達(dá)坂實(shí)測了萬寶組地層剖面（PM111，圖2），剖面走向166°，長度1.83 km，地層層序自上而下如下.

圖2 索倫地區(qū)冬省達(dá)坂萬寶組地層實(shí)測剖面（PM111）Fig.2 Stratigraphic profile PM111 of Wanbao Formation at Dongshengdaban in Suolun area

該剖面顯示萬寶組為一套以凝灰質(zhì)細(xì)砂巖、粉砂巖為主夾少量凝灰質(zhì)中細(xì)砂巖的沉積巖建造.根據(jù)剖面圖整體進(jìn)行分析，可劃分出4個(gè)沉積韻律，由上到下依次為：①凝灰質(zhì)粉砂細(xì)砂巖－粉砂巖沉積韻律；②凝灰質(zhì)中細(xì)粒砂巖－泥巖沉積韻律；③細(xì)砂巖－細(xì)砂粉砂巖沉積韻律；④細(xì)砂粉砂巖－細(xì)砂巖沉積韻律.①—③沉積韻律向上變細(xì)，表現(xiàn)出水進(jìn)過程（即退積）；而④沉積韻律向上變粗，則表現(xiàn)出水退過程（即進(jìn)積）.

在阿拉達(dá)爾吐地區(qū)實(shí)測萬寶組地層剖面（PM511，圖3），剖面走向88°，長度1.27 km，地層層序自上而下如下.

圖3 索倫地區(qū)阿拉達(dá)爾吐萬寶組地層實(shí)測剖面（PM511）Fig.3 Stratigraphic profile PM511 of Wanbao Formation at Alada’ertu in Suolun area

該剖面顯示萬寶組為一套以粗砂巖、中細(xì)粒長石巖屑砂巖及復(fù)成分礫巖為主，夾少量粉砂巖的沉積建造，含植物化石（未定種）.根據(jù)實(shí)測剖面綜合分析，可劃分為4個(gè)沉積韻律，由下到上依次為：①灰綠色粉砂巖－灰黃色含礫粗砂巖－粉砂巖沉積韻律；②粗粒長石巖屑砂巖－中粒長石巖屑砂巖沉積韻律；③砂礫巖－粉砂巖沉積韻律；④復(fù)成分礫巖－含礫中細(xì)粒長石巖屑砂巖－細(xì)砂巖沉積韻律.①④沉積韻律為一套相對完整的V級沉積體系；②③則表現(xiàn)為水進(jìn)過程（即退積）.

3 沉積相分析

綜合分析兩條剖面，可將索倫地區(qū)萬寶組地層沉積相劃分為辮狀河三角洲相，形成于辮狀河體系前積到停滯水體中富含砂和礫石的三角洲沉積環(huán)境，沉積水動(dòng)力環(huán)境介于粗碎屑為主的扇三角洲和細(xì)碎屑為主的正常三角洲之間［14］.

PM111剖面中，根據(jù)巖石組合與基本層序特征自下而上可劃分為兩個(gè)亞相：辮狀河前三角洲亞相（1—7層）——以淺灰色—深灰色凝灰質(zhì)粉砂巖、細(xì)粒凝灰質(zhì)砂巖互層為主體，局部發(fā)育中細(xì)粒凝灰質(zhì)砂巖或凝灰質(zhì)粉砂質(zhì)泥巖夾層；辮狀河三角洲前緣亞相（8—10層）——深灰色中厚層狀細(xì)粒凝灰質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)細(xì)砂粉砂巖夾薄層狀凝灰質(zhì)粉砂巖.

PM511剖面中根據(jù)巖石組合與基本層序特征自下而上可劃分為兩個(gè)亞相：辮狀河三角洲前緣亞相（1—3層）——底部以薄層狀粉砂巖為主，中部為灰紫色薄層狀粉砂巖與細(xì)粒凝灰質(zhì)砂巖互層為主體，至頂部出現(xiàn)灰紫色含礫細(xì)砂巖與灰黃色砂質(zhì)礫巖夾層，呈現(xiàn)逆粒序特征；辮狀河三角洲平原亞相（4—18層）——由多個(gè)向上變細(xì)的正粒序沉積韻律組成，每個(gè)韻律底部為灰色－灰黃色砂礫巖、凝灰質(zhì)含礫粗砂巖，中部為灰黃色灰綠色中細(xì)粒凝灰質(zhì)砂巖，頂部為灰紫色－灰綠色粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖.

4 巖石地球化學(xué)特征

本次工作對索倫地區(qū)萬寶組砂巖樣品進(jìn)行的主量、微量、稀土元素分析在自然資源部東北礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，分析結(jié)果見表1.將新鮮未風(fēng)化的樣品洗凈、烘干后研磨至小于200目的粉末，用于主、微量元素分析.主量元素采用X射線熒光光譜法（XRF）分析，微量和稀土元素采用等離子質(zhì)譜法（ICP－MS）分析.

由表1可知，萬寶組砂巖SiO2含量為61.81%～71.72%，說明物源可能為酸性巖區(qū).Al2O3含量為13.37%～19.63%，CaO為0.31%～4.29%，Na2O為0.77%～4.19%，K2O為2.23%～5.69%，MgO為0.51～2.55%，F(xiàn)e2O3為0.21～1.92%，F(xiàn)eO為2.34～5.17%，Mg、Fe含量普遍較低，推測母巖主要來自上地殼.根據(jù)微量元素蛛網(wǎng)圖（圖4）可知，萬寶組砂巖相對富集大離子親石元素（如Th、U、LREE）和Zr、Hf元素，虧損高場強(qiáng)元素（如Nb、Ta、P、Ti）和Ba、Sr元素，該特征也與大陸上地殼相似.巖石的稀土元素總量（ΣREE）介于133.15×10－6～225.64×10－6之間，輕重稀土元素比值（LREE/HREE）為7.29～9.00，輕重稀土分餾系數(shù)（La/Yb）N介于7.62～10.70之間.δEu為0.45～0.93，具有中等到弱的負(fù)Eu異常，δCe為0.87～1.03，異常不明顯.在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土元素配分曲線（圖5）上具有輕稀土富集的右傾特征，相對富集輕稀土元素，虧損重稀土元素.

圖4 萬寶組砂巖原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖（據(jù)文獻(xiàn)［15］）Fig.4 Primitive mantle-normalized trace element spidergram of the sandstones from Wanbao Formation（After Reference［15］）

圖5 萬寶組砂巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分模式圖（據(jù)文獻(xiàn)［16］）Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of the sandstones from Wanbao Formation（After Reference［16］）

表1 索倫地區(qū)萬寶組砂巖主量元素及微量元素分析結(jié)果Table 1 Contents of major and trace elements in the sandstones from Wanbao Formation

5 物源屬性

沉積物的地球化學(xué)組成主要取決于源區(qū)的成分或不同源區(qū)成分的混合比例，因此碎屑巖的地球化學(xué)特征可以反映沉積物源的屬性［17-18］.Roser等［19］以砂－泥巖中的幾種氧化物為變量，建立了砂－泥巖物源區(qū)性質(zhì)多變量判別圖解.利用萬寶組樣品的主量元素測試結(jié)果進(jìn)行投圖（圖6）［19］，樣品投點(diǎn)落入酸性和中性火山巖區(qū)，暗示萬寶組的沉積物源主要來自中酸性火山巖源區(qū).REE、Zr、Th、Sc等微量元素在巖石風(fēng)化、搬運(yùn)和成巖過程中相對穩(wěn)定，能夠較好地提供物源區(qū)的成分信息.在（La/Th）－Hf圖解（圖7）［20］中，萬寶組砂巖主要落入長英質(zhì)物源區(qū)，位于上地殼平均成分附近.在（Co/Th）－（La/Sc）圖解（圖8）［17，20］中，萬寶組樣品投點(diǎn)也落在長英質(zhì)火山巖物源區(qū)，更靠近活動(dòng)構(gòu)造型碎屑物源.

圖6 索倫地區(qū)萬寶組砂巖物源區(qū)性質(zhì)函數(shù)判別圖解（據(jù)文獻(xiàn)［19］）Fig.6 Function discrimination diagram of provenance property for sandstones from Wanbao Formation（After Reference［19］）

圖7 萬寶組砂巖La/Th－Hf沉積物源判別圖解（據(jù)文獻(xiàn)［20］）Fig.7 The La/Th-Hf discrimination diagram of sediment source for sandstones from Wanbao Formation（After Reference［20］）

圖8 萬寶組砂巖Co/Th－La/Sc沉積物源判別圖解（底圖據(jù)文獻(xiàn)［20］；虛線據(jù)文獻(xiàn)［17］）Fig.8 The Co/Th-La/Sc discrimination diagram of sediment source for sandstones from Wanbao Formation（After References［17，20］）

6 構(gòu)造背景

研究表明砂－泥巖中一些化學(xué)性質(zhì)不活潑的微量元素（如La、Th、Sc、Zr、Ti）及其比值較穩(wěn)定，能夠判定沉積時(shí)期的構(gòu)造背景，主要包括大洋島弧、大陸島弧、主動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣4種構(gòu)造背景［21］.在萬寶組砂巖微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解（圖9）中，樣品投點(diǎn)幾乎全部落入大陸島弧區(qū)域，判斷中侏羅統(tǒng)萬寶組物源區(qū)為大陸島弧環(huán)境.依據(jù)Bhatia［22］歸納總結(jié)的不同構(gòu)造背景下的砂巖REE特征值，將研究區(qū)沉積巖的有關(guān)參數(shù)與各種構(gòu)造背景下的砂巖參數(shù)進(jìn)行對比（表2）發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)中侏羅統(tǒng)萬寶組砂巖化學(xué)成分也多與大陸島弧背景相似.

圖9 索倫地區(qū)萬寶組砂巖微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解（據(jù)文獻(xiàn)［21］）Fig.9 Tectonic setting discrimination diagrams for the sandstones from Wanbao Formation in Suolun area（After Reference［21］）

表2 索倫地區(qū)萬寶組碎屑巖與各種構(gòu)造背景下砂巖的有關(guān)參數(shù)對比Table 2 Comparison of parameters between clastic rocks from Wanbao Formation in Suolun area and sandstones under various tectonic settings

從侏羅紀(jì)開始，中國東北地區(qū)的構(gòu)造格架由古亞洲洋構(gòu)造體系轉(zhuǎn)變?yōu)槊晒牛趸舸慰藰?gòu)造體系和環(huán)太平洋構(gòu)造體系的演化階段［23-26］，構(gòu)造線也由東西向構(gòu)造轉(zhuǎn)變?yōu)楸睎|和北北東向構(gòu)造.年代學(xué)研究顯示，中侏羅世—早白堊世早期（164～140 Ma）的火山巖主要分布于松遼盆地以西地區(qū)，而在吉黑東部尚未發(fā)現(xiàn)［25］，這也暗示了松遼盆地西緣中侏羅世—早白堊世早期的構(gòu)造環(huán)境可能與古太平洋板塊的俯沖作用無關(guān).近年來，眾多學(xué)者確定了蒙古－鄂霍次克洋存在向南的俯沖作用［27-28］.因此研究區(qū)中侏羅統(tǒng)萬寶組沉積巖地球化學(xué)特征顯示的大陸島弧背景更可能與蒙古－鄂霍次克洋的南向俯沖弧后伸展作用有關(guān).

7 結(jié)論

1）索倫地區(qū)萬寶組為一套分布于山間斷陷盆地的陸相沉積碎屑巖建造，主要巖性為凝灰質(zhì)砂礫巖、砂巖、粉砂巖及火山碎屑巖，沉積相為辮狀河三角洲相.

2）地球化學(xué)特征指示索倫地區(qū)萬寶組沉積物源主要來自中酸性巖漿巖源區(qū)，具有大陸島弧構(gòu)造背景特征，可能與蒙古－鄂霍次克洋的南向俯沖弧后伸展作用有關(guān).