地质科学  2016, Vol. 51 Issue (1): 220-238   PDF    
内蒙古科尔沁右翼前旗哈拉黑地区地层锆石U-Pb年代学研究及其地质意义

申亮, 刘永江 , 温泉波, 李伟民, 冯志强    
吉林大学地球科学学院 长春 130061
基金项目: 国家重点基础研究发展计划"973"项目(编号:2013CB429802)、国家自然科学青年基金项目(编号:41102140,41502207)、中国地质调查局沈阳地质调查中心项目(编号:12120115001001-08)和东北亚矿产资源评价国土资源部重点实验室开放基金项目资助
申亮,男,1988年8月生,硕士研究生,构造地质学专业。E-mail:knightsl@hotmail.com
刘永江,男,1964年8月生,博士,教授,构造地质学专业。本文通讯作者。E-mail:yongjiang@jlu.edu.cn
2015-05-12 收稿, 2015-10-25 改回.
摘要: 对大兴安岭中南段内蒙古科尔沁右翼前旗哈拉黑地区原定二叠系林西组和侏罗系白音高老组的样品分别进行了锆石LA-ICP-MS U-Pb同位素测年,获得林西组的282 Ma和317 Ma两组峰值年龄以及白音高老组134 Ma、242 Ma和284 Ma的3组峰值年龄,说明原定白音高老组地层并非属于侏罗纪,而应该属于白垩纪。根据锆石结构特点推测林西组地层物源可能主要来自该区晚泥盆世-早石炭世岩浆弧产物和下二叠统大石寨组火山沉积。综合区域资料研究认为,内蒙古东部大兴安岭地区可能曾经发育有三叠纪沉积,现今大面积的缺失是由于后期构造抬升剥蚀所致。
关键词: 锆石LA-ICP-MS    U-Pb测年    三叠纪    林西组    白音高老组    大兴安岭中南段    

中图分类号:P597    doi: 10.3969/j.issn.0563-5020.2016.01.019

一般认为,晚二叠—早三叠世是我国东北地区构造演化的关键地质时期,是古亚洲洋闭合的结束时期,也是古亚洲洋构造域向古太平洋构造域转换的关键时期(Zhou et al.,2009Wu et al.,2011)。但是我国东北及内蒙古东部地区大面积缺失三叠系地层,多处可见侏罗纪火山岩直接覆盖于二叠系地层之上。从1︰20万地质图上可以看出,仅在索伦、扎鲁特旗、龙江、嫩江等地就有三叠系地层零星出露,岩性以碎屑岩为主夹中酸性火山岩和紫红色砂岩层。所以,长期以来东北地区三叠系地层始终是研究的热点之一。

多数学者(朱儒峰等,1992黑龙江省地质矿产局,1993内蒙古自治区地矿局,1996和政军等,19971998;姜万德,1997;曲关生,1997丁秋红等,2005张武等,2006a2006b杨雅军等,2012刘兵等,2014)认为我国东北地区大兴安岭一带三叠系地层大面积缺失是由于华北板块与佳蒙地块在二叠纪末碰撞造山而缺乏沉积时间引起,抑或是由于后期构造抬升剥蚀所致。由于中-上三叠统地层出露有限,这一关键科学问题一直悬而未决。笔者依托索伦—林西地区晚古生代盆地构造演化与油气资源潜力研究项目,选取内蒙古科尔沁右翼前旗哈拉黑镇南4km处,对原定上二叠统林西组(P3l)和下侏罗统白音高老组(J3b)之间不整合界线进行了详细的剖面实测,并对其不整合界面两侧的岩石样品做了锆石U-Pb定年研究。通过年代学研究及其与邻区地层的对比研究,试图探讨该区三叠系地层大面积缺失的原因。

1 地质背景与样品采集

内蒙古中、东部地区位于西伯利亚板块和华北板块之间,属于古亚洲洋构造域和太平洋构造域的叠加构造区。该区中生代前受西伯利亚板块、华北板块和古亚洲洋板块之间的相互作用影响,完成了古亚洲洋的闭合和板块间的相互拼合(邵济安等,1997李锦轶,1998吴福元等,1999),形成了由额尔古纳、兴安、松嫩以及佳木斯等微板块组成的佳蒙地块。王成文等(2008)根据古生物地理学、岩石地层学、变质地质学、构造地质学等方面的研究,认为佳蒙地块的边界是由蒙古—鄂霍次克缝合带、西拉木伦河—延吉缝合带和中锡霍特俯冲带组成,这些构造带所围限的区域在晚古生代即成为一稳定地块。本文研究区位于大兴安岭中南段哈拉黑地区,大地构造位置处于兴安地块和松嫩地块的拼贴部位(图 1a)。

图 1 研究区地质构造简图(据 1︰20万图修编) 1. 第四系; 2. 下白垩统白音高老组; 3. 上侏罗统玛尼吐组; 4. 上二叠统林西组; 5. 下二叠统大石寨组; 6. 白垩纪花岗斑岩、 正长斑岩; 7. 断裂带; 8. 铁路; 9. 河流; 10. 采样点; 11. 剖面 Fig.1 Simplified geological map of the study area

在1︰20万图中显示,研究区主要发育一套上二叠统林西组与下侏罗统白音高老组。林西组主要为一套黑色泥岩、粉砂岩、砂岩组合,含丰富的淡水瓣鳃类和植物化石。白音高老组下部主要以浅灰流纹质含角砾岩屑晶屑凝灰岩与浅灰、浅灰黄色凝灰质砂岩、凝灰质粉砂岩不等厚互层(韵律层);上部以黄灰色、灰色、深灰色为主色调,岩性以流纹质含角砾岩屑晶屑凝灰岩夹流纹岩、凝灰质含角砾中粒岩屑砂岩为主。

为了详细研究林西组与白音高老组的接触关系及构造特征,笔者对内蒙古科尔沁右翼前旗哈拉黑镇南约4km处进行了剖面实测(图 2),剖面位置见图 1b。剖面主要控制下二叠统林西组(P3l)与原定的下侏罗统白音高老组(P3b),总长度为412m。其中,实测林西组地层厚度约为88m,白音高老组地层厚度约为71m(图 2)。该剖面下部为上二叠统林西组地层,主体岩性为一套灰黑色粉砂岩、泥岩互层;上部为上侏罗统白音高老组地层,其底部为一套厚层的暗红色砾岩,砾石直径为5mm~18cm,砾石磨圆度高、分选性好,成熟度高,下伏岩层的顶部有黄褐色氧化层,砾石成分主要为粉砂岩、砂岩,少量含有一些花岗岩(图 4a),顶部为一套火山岩地层,主体岩性为安山质凝灰岩,结合野外实测剖面(图 3)及野外照片(图 4b)可看出产状比较稳定。综合岩性组合以及构造特征观察,下部林西组地层与上部白音高老组地层呈角度不整合接触(图 4c)。

图 2 科尔沁右翼前旗哈拉黑镇林西组实测剖面柱状图 Fig.2 A histogram of the Halahei Linxi Formation cross-section in the Horqin Right Front Banner

图 3 科尔沁右翼前旗哈拉黑镇林西组实测剖面 Fig.3 The Halahei Linxi Formation cross-section in the Horqin Right Front Banner

图 4 科尔沁右翼前旗哈拉黑实测剖面野外照片 Fig.4 The field picture of Halahei Linxi Formation cross-section in the Horqin Right Front Banner

在研究区剖面采集2件样品进行了碎屑锆石挑选和年代学研究,采样位置见图 3,样品分述如下:

SL045号样品:位于林西组(P3l)底部地层,地理坐标是东经121°34′8.8″、北纬46°9′14.5″,产状为180°∠39°,样品呈黄绿色,中、细粒碎屑结构,颗粒分选好,磨圆中等,多为圆状—次圆状,填隙物主要为粉砂质、泥质组分,为细粒岩屑砂岩。显微镜下可见碎屑成分为:石英含量为15%左右,长石含量为10%左右,岩屑含量占25%。岩屑主要为火成岩岩屑、沉积岩岩屑和变质岩岩屑,其中以火成岩岩屑为主。填隙物含量可达50%左右,以钙质胶结为主,铁质胶结次之。尚有少量副矿物如锆石、黑云母等,其中主要为锆石等稳定矿物,另有少量不稳定矿物如黑云母等,反映了该岩屑砂岩的物源成分比较复杂。

D007号样品:位于原定白音高老组地层的底部,地理坐标是东经121°34′11.2″、北纬46°9′14.2″,产状为110°∠45°,岩石呈紫红色、块状、斑状结构,斑晶含量约为15%,主要为灰色宽板状斜长石及黑色长柱状角闪石,斑晶粒度为1~3mm,角闪石可长达3mm。基质紫红色,隐晶质,致密,瓷状断口。显微镜下观察主要为斜长石,含量为80%左右,暗色矿物有角闪石和黑云母,含量为10%左右,石英含量<5%,另有一些蚀变矿物如绿泥石、绢云母等,属于黑云角闪安山岩。

2 分析方法

样品粉碎和锆石挑选由河北省廊坊诚信地质服务有限公司完成,并在北京锆年领航科技有限公司利用浮选和电磁法进行分选,在双目镜下挑选出晶形完好、无明显裂痕和包体的锆石颗粒,将其粘贴在环氧树脂表面,打磨抛光后露出锆石的表面,然后在西北大学大陆动力学国家重点实验室对其进行透射光、锆石U-Pb同位素含量测试。采用德国MicroLas公司生产的GeoLas200M激光剥蚀—等离子体反射光和阴极发光(CL)图像采集,定年使用仪器为激光剥蚀-等离子体质谱仪(LA-ICP-MS),激光剥蚀系统为德国MicroLas公司生产的GeoLas200M,以氦气作为剥蚀物质的载气,斑束直径为44μm,频率为10Hz,激光能量为90mJ,每个分析点的气体背景采集时间为30s,信号采集时间为40s,并用哈佛大学国际标准锆石91500标准锆石作为外标进行元素和同位素分馏校正,具体测试过程详见Yuan et al.(2008)Diwu et al.(2008)。同位素比值数据处理采用GLITTER(Ver.4.0)进行,实验数据运用Andersen(2002)的方法进行普通Pb校正,年龄计算采用ISOPLOT进行。

3 年代学结果

SL045和D007样品的锆石阴极发光图像及分析点表面年龄见图 5a图 6a,其U-Pb年龄谐和图和年龄分布曲线图分别见图 5b图 5c图 6b图 6c。同位素测试结果见表 1表 2

图 5 林西组砂岩样品(SL045)代表性碎屑锆石阴极发光图像(a)、 年龄谐和图(b)和年龄分布曲线图(c) Fig.5 Representative cathodoluminescence images(a), U-Pb concordia diagram(b), and histogram of age(c)for the detrital zircons from the Linxi Formation(SL045)

图 6 白音高老组火山岩样品(D007)代表性锆石阴极发光图像(a)、 年龄谐和图(b)和年龄分布曲线图(c) Fig.6 Representative cathodoluminescence images(a), U-Pb concordia diagram(b), and histogram of age(c)for the volcanic rocks zircons from the Baiyingaolao Formation(D007)

表 1 哈拉黑砂岩样品(SL045)锆石LA-ICP-MSU-Pb-Th分析结果 Table 1 LA-ICP-MSU-Pb-Th results for the detrital zircons from Halahei Formation (SL045)

表 2 哈拉黑火山岩样品(D007)锆石LA-ICP-MSU-Pb-Th分析结果 Table 2 LA-ICP-MS U-Pb-Th results for the volcanic rocks zircons from Linxi Formation (D007)

SL045砂岩样品中锆石在显微镜下大多无色透明,少量呈淡紫色,晶形以次棱角状、柱状、浑圆—次浑圆状为主,少数为棱角钝化的自形柱状,粒径以0.1~0.15mm为主,在CL图上可以发现,大多数锆石不同程度地保留有岩浆结晶成因特征的振荡环带,少数锆石边部发育增生边和残留的晶核结构,这些现象反映了锆石在搬运沉积前经历了变质事件,或遭受岩浆捕获后再沉积(图 5a)。Th/U为0.24~1.08之间,大部分比值大于0.4,说明全部锆石原生成因为岩浆结晶锆石(Hoskin and Black,2000)。任意选择70粒锆石,选择无裂隙和包裹体的区域进行U-Pb同位素测定,除两个测点因铅丢失严重而弃掉数据外,共获得有效数据68个,计算所得碎屑锆石年龄谐和图和年龄分布曲线图见图 5b图 5c。可以看出,谐和度值全部小于5%,表明数据可靠。表 1显示,该样品锆石206Pb/238U年龄分布范围介于255±6Ma和369±14Ma之间。

D007火山碎屑岩样品中锆石多为无色透明,晶形以次棱角状、柱状为主,少数为棱角钝化的自形柱状,晶体中可见凹坑、沟槽及断口磨蚀痕迹,粒径以0.1~0.2mm为主,绝大多数锆石不同程度地保留有岩浆结晶成因特征的振荡环带,部分锆石发育特征较单一的细窄增生边,少数锆石颗粒具有扇形分带、面状分带等变质锆石特征(图 6a)。Th/U为0.16~1.85之间,绝大多数大于0.4,说明多数锆石应为岩浆结晶锆石(Hoskin and Black,2000)。任意地对25个锆石颗粒,选择无环带重叠、裂隙和包裹体的区域进行分析,共获得了25个数据点,碎屑锆石年龄谐和图和年龄分布曲线图见图 6b图 6c,谐和度值全部小于5%,表明数据可靠,锆石206Pb/238U年龄分布的范围介于132±5Ma和334±7Ma之间,年龄峰值集中在141~132Ma,334~242Ma两组。

4 讨论 4.1 地层形成时代

本文所采集哈拉黑地区剖面中D007火山碎屑岩样品的位置,前人在1︰20万和1︰50万数字地质图上均定为上侏罗统白音高老组(J3b)。实际上针对东北大兴安岭地区该套火山岩的形成时代学术界一直存在争议,目前尚未达成共识。近年来一些学者陆续报道了有关该组地层的测年结果,如张吉衡等(2009)用LA-ICP-MS锆石U-Pb及全岩40Ar/Ar39定年方法测得白音高老组火山岩形成年龄集中在141~124Ma之间;苟军等(2010)用LA-ICP-MS锆石U-Pb定年方法测得满洲里南部白音高老组流纹岩年龄为141~139Ma;Kongetal.(2014)用LA-ICP-MS锆石U-Pb定年法测得内蒙古科右中旗白音高老组火山岩年龄为121.5±1.0Ma;张乐彤等(2015)用SHRIMP-Ⅱ锆石U-Pb定年方法测得大兴安岭柴河地区白音高老组酸性火山岩龄大约在131±1.0Ma。显然,从这些年龄数据看,前人在1︰20万和1︰50万数字地质上把白音高老组地层定为上侏罗统不妥,应定为下白垩统。笔者本次所测哈拉黑地区原定白音高老组火山岩锆石年龄谱数据中,最年轻的锆石年龄为133±3.0Ma,并在134Ma具有明显的年龄峰值,同样可以说明这套白音高老组地层时代应为早白垩世。

本次野外调查可明显看出下伏林西组地层与白音高老组地层呈不整合接触,并测得SL045样品碎屑锆石年龄为255±8Ma,可以确定其该区林西组沉积的上限,结合前人对林西组岩石组合特征、植物化石和淡水双壳类化石的研究成果(和政军等,1997),时代基本可以确定为晚二叠纪。

4.2 关于物源的讨论

从获得的锆石年龄的峰值分布可以看出哈拉黑地区白音高老组和林西组锆石年龄组成的特点,表现为以下两个方面:

1)哈拉黑地区林西组碎屑岩存在317Ma和282Ma左右的年龄(表 1),尤其明显存在317Ma的峰期年龄(图 5c),而其锆石CL图像显示出岩浆锆石的振荡环带(图 5a);282Ma左右的年龄峰值与该区域上广泛分布的大石寨组火山岩时代相当;317Ma左右的年龄峰期在研究区西侧苏尼特左旗宝力道岩浆弧和西乌旗南岩浆弧有所报道,在这两个地区发现325~309Ma的花岗岩(Chen et al.,2000陈斌等,2001鲍庆中等,2007a2007b),本文所测年龄范围与其一致,表明区域上存在早石炭世末到晚石炭世的岩浆活动,又结合其研究区附近对古水流方向的研究成果,研究区曾经有来自北西方向的物源供给(Qin et al.,2001),故认为研究区上二叠统林西组地层主要物源应由附近下二叠统大石寨组和晚泥盆世—早石炭世岩浆弧产物提供。

2)哈拉黑地区白音高老组火山岩具有134Ma、242Ma和284Ma的3组峰期年龄,暗示物源区存在早白垩、早三叠和早二叠世的岩浆岩。其中134Ma左右的火山岩在大兴安岭地区有大量报道(张吉衡,2009苟军等,2010Kong et al.,2014张乐彤等,2015),是中国东部中生代火山岩带的重要组成部分(葛文春等,2000);而242Ma的锆石峰值代表研究区存在早三叠纪的岩浆事件,区域上存在下三叠统地层(朱儒峰等,1992和政军等,1997)。现今表现为原定上侏罗统白音高老组与上二叠统林西组呈不整合接触,说明早三叠系末研究区发生了强烈的构造运动,刘兵等(2014)提出的三叠纪地层大面积缺失的原因是由于早三叠系地层沉积之后,后期由于构造隆升被剥蚀了,导致其在地表仅零星出露。火山岩锆石284Ma的峰期与该区上广泛分布的早二叠纪的岩浆事件有关(内蒙古地质矿产局,1996)。

4.3 关于大兴安岭地区大面积缺失三叠纪地层的探讨

研究区1︰20万地质图显示,内蒙古东部大兴安岭地区大面积缺失三叠纪地层,只在内蒙古林西、奈曼旗、科尔沁右翼前旗、扎赉特旗、扎兰屯及黑龙江省龙江县至嫩江多宝山一带有零星出露(见图 7);根据胡桂琴等(1999)对二连盆地阿拉坦和力凹陷坦参1井的孢粉的研究结果,认为二连盆地存在下三叠统地层,一些露头区也可见下三叠统地层出露;刘兵等(2014)在黑龙江省龙江县发现林西组和老龙头组接触剖面,并认为是整合接触;郎嘉彬等(2010)在野外实测剖面中根据林西组和老龙头组牙形刺确定的时代,认为林西组和老龙头组是连续沉积;和政军等(1998)在巴林右旗发现的叶肢介和介形虫等化石组合,清楚地显示出具有早三叠世生物群特征,表明该地区确实存在着下三叠统陆相地层;丁秋红等(2005)在松辽盆地南部的开鲁盆地发现了下三叠统的孢粉组合,证明有三叠纪地层的存在。

图 7 大兴安岭地区三叠纪分布图(据杨亚军, 2012修编) Fig.7 Great Xing’an region distribution of Triassic(modified after Yang et al.,2012)

一直以来,大兴安岭中生代三叠系地层的研究是众多地质学家关注的焦点,受早期区域地质调查和同位素测年技术的限制,依据K-Ar或Rb-Sr等测年方法获得的火山岩年龄数据常与动植物化石组合确定的地层时代有较大的矛盾,因此,长期以来将东北地区中生代盆地的地层时代笼统定为晚侏罗世—早白垩世(李子舜等,1982杨学林等,1982王璞珺等,1995邓胜徽等,1997)。近年来,随着测年技术的发展,对于侏罗系和白垩系的年龄鉴定又有了重大的进展,不但证明了内蒙古东部及东北地区晚侏罗世白音高老组火山岩应划归于下白垩统,而且发现了晚侏罗世火山岩与早白垩世火山岩之间为不整合接触的地质证据(杨学林等,1982王璞珺等,1995邓胜徽等,1997武广等,2005尹志刚等,2005张昱等,2005陈志广等,2006刘世伟,2009李萍萍等,2010孟恩等,2011赵忠华等,2011杨扬等,2012王建国等,2013),从而结束了该区晚侏罗世火山岩与早白垩世火山岩长达几十年难以区分的局面。结合本文的测年结果及1︰20万地质图,我们发现研究区大面积出露的白音高老组地层直接覆盖于二叠系地层之上,而白音高老组已被确认是下白垩统地层,因此,可以确定研究区大面积存在早白垩世地层直接覆盖于晚二叠世地层上。又根据张兴洲等(2015)针对中生代火山岩开展系统的锆石同位素测年研究,结果显示侏罗纪和白垩纪火山岩在研究区周边全区均有分布,两者对比我们可以判定研究区应该曾经有侏罗纪地层发育,经过区域构造抬升,使大部分侏罗系地层剥蚀殆尽。同理,近年来陆续有学者发现研究区周围也存在三叠纪火山岩,其中张晓辉等(2006)最早发现了锡林浩特—西乌旗早三叠世(K-Ar年龄为245Ma)英安岩—流纹岩;薛刚等(2006)报道在大兴安岭中南段有晚三叠世中基性火山喷发活动;张连昌等(2008)在大兴安岭南段林东一带发现三叠纪(250~214Ma)基性火山岩;王冬兵等(2009)对林西高镁安山岩进行锆石U-PbLA-MC-ICP-MS方法定年,获得年龄为244±2Ma;程银行等(2012)在二连—贺根山构造结合带北侧首次识别出三叠纪安山岩,锆石U-Pb定年获得两组三叠纪年龄(234.8±3.2Ma和231.4±1.2Ma),说明这些地区有三叠纪的火山事件,故可做合理推测:研究区曾经也存在三叠纪地层,同样被区域构造抬升,剥蚀殆尽,而后直接不整合沉积了下白垩统地层。

综合以上资料,笔者认为研究区内曾经存在侏罗纪—三叠纪地层沉积,由于后期的构造运动抬升剥蚀导致了现在大面积缺失的局面。

5 结论

(1)内蒙古科尔沁右翼前旗哈拉黑地区原定下侏罗统白音高老组进行的锆石U-Pb测年结果,获得其同位素年龄133Ma,结合区域地质资料认为该地区原定白音高老组地层并非属于侏罗系,而应属于白垩系地层。

(2)该区林西组沉积物源年龄构成主要为350~255Ma之间,可以看到明显的峰值317Ma,最小的锆石年龄为255Ma,可以确定该地层的沉积时限为晚二叠世,经过区域对比,可认为其物源主要为晚泥盆—早石炭世的岩浆弧沉积。

(3)依据野外调查和锆石U-Pb测年结果,结合区域对比分析,认为该区可能存在三叠纪沉积,至少存在早三叠世沉积,现今内蒙古大兴安岭南段大面积缺失三叠系地层的主要原因是后期构造抬升剥蚀所致。

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Zircon U-Pb Geochronology and its geological significance in Halahei area, Horqin Right Front Banner of Inner Mongolia

Shen Liang, Liu Yongjiang , Wen Quanbo, Li Weimin, Feng Zhiqiang    
College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061
Abstract: The Halahei stratigraphic cross-section, that is previously identified as Permian Linxi Formation and Jurassic Baiyingaolao Formation, located in the Horqin Right Front Banner, Inner Mongolia, central and southern Great Xing'an Range, has been geochronologically investigated using zircon LA-ICP-MS U-Pb dating in this study. The results presented here show the peak ages of 282 Ma, 317 Ma and 134 Ma, 242 Ma, 284 Ma for the Linxi Formation and the Baiyingaolao Formation, respectively. These data illustrates that the Baiyingaolao Formation should belong to the Cretaceous rather than the Jurassic as previously regarded. Moreover, according to the fabric of zircons analyzed, the provenance of the Linxi Formation might derived from the volcanic rock sedimentation by magmatic arc during Late Devonian to Early Carboniferous and Early Permian Dashizhai Formation volcanic rock sedimentation. This research also reveals that the absences of the Triassic strata in eastern Great Xing'an Range is ascribed to the ablation of structural uplift afterwards.
Key words: Zircon LA-ICP-MS U-Pb age    Triassic    Linxi Formation    Baiyingaolao Formation    Central and southern Great Xing'an Range