趙 夢(mèng) 杜曉峰 王清斌 趙 婧 郝軼偉

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300459)

沉積巖中的碎屑鋯石U-Pb年齡幾乎不受搬運(yùn)過(guò)程及成巖過(guò)程的影響，最大限度地保留了母巖的信息，因此被廣泛地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的沉積巖物源示蹤研究中[1-7]。目前，已在渤海西部海域的石臼坨凸起、沙壘田凸起及其圍區(qū)一帶開(kāi)展了沉積巖碎屑鋯石年代學(xué)物源示蹤研究，并結(jié)合相關(guān)沉積研究成果實(shí)現(xiàn)了對(duì)渤西部分區(qū)域的古源匯體系精細(xì)刻畫(huà)和母巖示蹤[7-10]。然而，渤海東部海域僅有少量花崗巖潛山鋯石U-Pb定年數(shù)據(jù)發(fā)表，集中在蓬萊9-1構(gòu)造區(qū)域[11-12]，尚無(wú)沉積巖碎屑鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)發(fā)表。

本文首先在渤海東部開(kāi)展了蓬萊15-2構(gòu)造東營(yíng)組、館陶組砂體的碎屑鋯石年代學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)該構(gòu)造不同部位鉆井在不同時(shí)期的沉積物碎屑鋯石年齡組分存在差異性，分別代表了廟西北凸起上不同的母巖類(lèi)型和盆地外部物源的影響，繼而對(duì)研究區(qū)周邊陸上潛在物源區(qū)展開(kāi)調(diào)研，收集、對(duì)比了上述區(qū)域太古界—元古界的鋯石年齡數(shù)據(jù)，整理出渤東地區(qū)的各物源的碎屑鋯石年齡譜特征，確定外部物源的陸上分布范圍，為深入認(rèn)識(shí)蓬萊15-2構(gòu)造東營(yíng)組、館陶組沉積期的古物源體系提供了新的證據(jù)。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

廟西北凸起位于渤海東部地區(qū)(圖1)，面積約242 km2，呈北東走向，東臨廟西北洼，其東南部邊界斷層(廟西1號(hào)斷裂)控制了廟西北洼的形成與演化。鉆井資料揭示，廟西北凸起西南、北東兩端潛山高點(diǎn)的巖性為千枚巖、片巖、石英巖、變質(zhì)砂巖及少量動(dòng)力變質(zhì)巖，變質(zhì)巖中裂縫并不發(fā)育，中間鞍部巖性為花崗閃長(zhǎng)巖和二長(zhǎng)花崗巖，侵位于變質(zhì)巖體中，侵位年齡為160～165 Ma，屬于高鉀鈣堿性系列，具有Eu弱正異常特征，巖體發(fā)育大量裂縫[11-17]。廟西北凸起潛山頂部發(fā)育不整合面，上覆地層自下至上依次為新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組下段、明化鎮(zhèn)組上段及平原組碎屑巖[18-20]。廟西北洼新生界最大沉積厚度約4 800 m，自下而上分別為古近系沙河街組、東營(yíng)組，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組，以及第四系平原組，其中沙河街組直接沉積于前古近系基底之上，湖泊初始發(fā)育;東營(yíng)組三段、東二下段發(fā)育大套半深湖—深湖相暗色泥巖;東二上段湖泊萎縮并進(jìn)入濱湖環(huán)境，發(fā)育辮狀河三角洲[21-23]。

蓬萊15-2 構(gòu)造背靠廟西北凸起，位于廟西北凸起東南側(cè)邊界斷層下降盤(pán)(圖1)。前人研究表明，東營(yíng)組二段沉積時(shí)期，廟西北凸起出露地表，是廟西北洼的物源區(qū)之一，直至18 Ma之后才停止剝蝕并接受沉積[18,23]；新近紀(jì)館陶組沉積時(shí)期，膠遼隆起等盆外物源區(qū)通過(guò)復(fù)州河水系和廟島-蓬萊水系為渤海東部淺海地區(qū)提供沉積物[24-25]，但這些認(rèn)識(shí)主要依據(jù)巖屑類(lèi)型及古地貌恢復(fù)的研究方法獲得的。因此，為了更準(zhǔn)確地示蹤、明確渤東地區(qū)古物源體系，在蓬萊15-2構(gòu)造的2口井中進(jìn)行了鉆井取樣，開(kāi)展了東營(yíng)組與館陶組碎巖鋯石U-Pb定年分析及物源示蹤，為深入認(rèn)識(shí)研究區(qū)的不同物源區(qū)和沉積過(guò)程提供了新的證據(jù)。

圖1 渤海東部廟西北凸起地質(zhì)圖與鉆井位置(據(jù)趙國(guó)祥 等[12]修改)Fig.1 Geology map of the Miaoxibei uplift of the eastern Bohai sea and the location of the wells(revised after Zhao Guoxiang et al.[12])

2 材料方法

研究中對(duì)PL15-2-7井東營(yíng)組二段(Ed2)及PL15-2-12d井館陶組(N1g)的砂巖巖屑取樣，共采集4個(gè)巖屑樣品(取樣層位深度如圖2所示)，進(jìn)行碎屑鋯石U-Pb定年分析。PL15-2-7井樣品巖性為含礫中砂巖、高嶺石質(zhì)粉砂巖，PL15-2-12d井樣品巖性為含礫中砂巖、細(xì)砂巖。樣品的預(yù)處理、陰極發(fā)光(CL)圖像拍攝和LA-ICP-MS定年均在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(GPMR)完成，激光剝蝕系統(tǒng)為GeoLas 2005，ICP-MS為Agilent 7500a。

對(duì)每顆鋯石進(jìn)行U-Pb定年，最終獲得3組年齡：207Pb/206Pb、207Pb/235U、206Pb/238U。對(duì)于封閉體系，U-Pb年齡是諧和的，反映出鋯石的結(jié)晶年齡。而在實(shí)際情況下，由于熱液或變質(zhì)作用的影響，鋯石有可能會(huì)Pb污染或丟失，導(dǎo)致U-Pb年齡不諧和[10]。在數(shù)據(jù)處理中，對(duì)206Pb/238U年齡小于1 000 Ma的鋯石選取206Pb/238U年齡，并以100×(207Pb/235U)/(206Pb/238U)計(jì)算諧和度；對(duì)206Pb/238U年齡大于1 000 Ma的鋯石選取207Pb/206Pb年齡并以100×(207Pb/206Pb)/(206Pb/238U)計(jì)算諧和度[26]。結(jié)合樣品數(shù)據(jù)情況，選取諧和度大于90%的鋯石U-Pb年齡，并根據(jù)Kernel Density Estimation(KDE)方法繪制鋯石年齡譜圖[27-29]。

圖2 PL15-2-7井東二段(Ed2)、PL15-2-12d井館陶組(N1g)巖性剖面Fig.2 Ed2 lithology of Well PL15-2-7 and N1g lithology of Well PL15-2-12d

3 碎屑鋯石U-Pb年齡特征

測(cè)年數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理，共計(jì)獲得158個(gè)諧和年齡(諧和度>90%)，僅有2顆Th/U<0.1的變質(zhì)成因鋯石(圖3)，說(shuō)明樣品鋯石以巖漿成因?yàn)橹?。圖4為蓬萊15-2構(gòu)造樣品部分鋯石CL圖像，砂巖樣品鋯石粒度多在60～120 μm，整體柱狀特征明顯，巖漿生長(zhǎng)振蕩環(huán)帶明顯，僅少量鋯石晶形完整，晶體棱角已有一定程度磨圓，說(shuō)明具有一定搬運(yùn)距離。樣品碎屑鋯石年齡從太古代到新生代都有分布(圖5)，最年輕年齡為151 Ma(PL15-2-12d井，館陶組N1g)，最古老年齡為2 961 Ma(PL15-2-7井，東營(yíng)組二段Ed2)。

PL15-2-7井東營(yíng)組二段(Ed2)含礫中砂巖及含礫細(xì)砂巖樣品共測(cè)得84個(gè)諧和鋯石U-Pb年齡點(diǎn)。樣品富含大量元古代(Pt)鋯石，其中中元古代(Pt2)鋯石含量為8.3%，古元古代(Pt1)鋯石含量為71.4%，其余為太古代(Ar)鋯石，含量為20.2%;不含中生代(Mz)、古生代(Pz)及新元古代(Pt3)鋯石(圖5)。該井東營(yíng)組二段砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜的主要峰值年齡為1 863 Ma，并具有2 478 Ma次要峰值(圖5)。

圖3 蓬萊15-2構(gòu)造東營(yíng)組、館陶組砂巖碎屑鋯石Th/U比值Fig.3 Th/U ratio of the detrital zircons of Ed2 and N1g sandstones in PL15-2 structure

圖4 蓬萊15-2構(gòu)造樣品部分鋯石CL圖像Fig.4 CL images of the sandstones of PL15-2 structure

注：n為年齡點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖5 蓬萊15-2構(gòu)造東營(yíng)組、館陶組砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜圖
Fig.5 U-Pb age spectra of the detrital zircons of Ed2and N1gsandstone in PL15-2 structure

PL15-2-12d井館陶組(N1g)含礫中砂巖樣品共測(cè)得74個(gè)諧和鋯石U-Pb年齡點(diǎn)。樣品的中生代(Mz)鋯石全部為侏羅紀(jì)(J)鋯石，含量為39.2%，不含白堊紀(jì)(K)、三疊紀(jì)(T)鋯石，也不含古生代(Pz)鋯石。樣品含有大量的元古代(Pt)鋯石，含量為52.7%，其中新元古代(Pt3)鋯石含量為2.7%，中元古代(Pt2)鋯石占25.7%，古元古代(Pt1)鋯石占24.3%。另外，樣品的太古代(Ar)鋯石含量為8.1%(圖5)。該井館陶組砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜的主要峰值年齡為159 Ma，并具有1 486 Ma和2 373 Ma兩個(gè)次要峰值(圖5)。

周心懷 等[11]和趙國(guó)祥 等[12]對(duì)廟西北凸起鞍部中生代花崗巖侵入體的定年研究均表明該巖體的鋯石U-Pb年齡組成以侏羅紀(jì)(J)為主，部分鋯石測(cè)得太古代(Ar)—古元古代(Pt1)的核部年齡。PL15-2-7井東營(yíng)組二段(Ed2)沉積物僅含有太古代(Ar)—古元古代(Pt1)碎屑鋯石，具有突出的1 863 Ma峰值，不含中生代鋯石，說(shuō)明該井在東二段沉積時(shí)期不受中部的中生代花崗巖影響，其沉積物完全由廟西北凸起南部的古元古代變質(zhì)巖提供，樣品的碎屑鋯石年齡特征也代表了該元古界潛山的鋯石年齡特征。

而PL15-2-12d井在館陶組(N1g)沉積物中含有39.2%的侏羅紀(jì)(J)鋯石和24.3%的古元古代(Pt1)鋯石，具有159 Ma的主峰值和2373 Ma次要峰值，其母巖為廟西北凸起鞍部的中生代花崗巖，并且館陶組(N1g)沉積物并不具有約1 800 Ma的古元古代峰值，說(shuō)明該井不受廟西北凸起的古元古代變質(zhì)巖影響，但還受到其他物源影響，物源區(qū)母巖為該井館陶組(N1g)砂巖提供了富含中元古代(Pt2)鋯石的沉積物，并具有1 486 Ma的峰值。

4 館陶組(N1g)砂巖物源示蹤

前人研究表明，在館陶組(N1g)沉積初期，廟西北凸起仍作為盆內(nèi)物源區(qū)遭受剝蝕，而盆外的膠遼隆起等地區(qū)也通過(guò)復(fù)州河水系、廟島-蓬萊水系等古河流體系為渤海東部地區(qū)提供沉積物[18,24-25]。然而，受到礦區(qū)范圍限制，目前研究區(qū)東側(cè)、南側(cè)海域缺乏鉆井樣品或鋯石年齡數(shù)據(jù)，因此對(duì)遼東半島陸上部分和廟島群島展開(kāi)了區(qū)域地層調(diào)研，收集、對(duì)比了上述區(qū)域太古界—元古界的鋯石年齡數(shù)據(jù)[30-33]，并結(jié)合廟西北凸起的相關(guān)數(shù)據(jù)[11-12]，系統(tǒng)地梳理了渤東地區(qū)各物源的碎屑鋯石年齡特征，為研究區(qū)的物源分析提供了證據(jù)。

1) 廟西北凸起元古界潛山。廟西北凸起元古界潛山巖性為千枚巖、片巖、石英巖、變質(zhì)砂巖及少量動(dòng)力變質(zhì)巖，自古近紀(jì)至新近紀(jì)館陶組沉積初期都作為盆內(nèi)物源區(qū)遭受剝蝕，為研究區(qū)提供沉積物[13,18-19]。PL15-2-7井東營(yíng)組二段(Ed2)沉積物完全受控于廟西北凸起南部的元古界潛山，因此其碎屑鋯石的年齡組分即代表了廟西北凸起的元古界潛山的鋯石年齡組分，由此可知廟西北凸起元古界潛山的鋯石年齡譜具有1 863 Ma主峰值和2 478 Ma次峰值，其剝蝕沉積物中含有大量古元古代(Pt1)鋯石，其次為太古代(Ar)鋯石，中元古代(Pt2)鋯石較少，不含中生代(Mz)鋯石。

2) 廟西北凸起中生界潛山。廟西北凸起中間鞍部發(fā)育一套中侏羅系花崗巖侵入體(圖1)，鋯石U-Pb年齡為 160～165 Ma，測(cè)年結(jié)果亦顯示部分鋯石具有古元古代(Pt1)的繼承核[11-12]。PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物富含侏羅紀(jì)(J)鋯石，并具有159 Ma峰值年齡，指示其沉積物主要來(lái)自廟西北凸起鞍部的侏羅系潛山，但該井同時(shí)還受到其他物源影響，沉積物具有獨(dú)特的1 484 Ma峰值特征，并含有25.7%的中元古代(Pt2)鋯石，這與PL15-2-7井東營(yíng)組二段(Ed2)沉積物所反映出的廟西北凸起南部的元古界潛山鋯石年齡特征不符。因此，廟西北凸起的元古界潛山無(wú)法為PL15-2-12d井館陶組(N1g)砂巖提供富含中元古代(Pt2)鋯石的沉積物，該部分沉積物應(yīng)來(lái)自于其他物源區(qū)。

3) 遼東半島老鐵山地區(qū)(老鐵山水系)。在遼東半島南端老鐵山地區(qū)，Yang等[32]在旅順西南約5 km處上元古界釣魚(yú)臺(tái)組石英砂巖中取樣(取樣位置見(jiàn)圖6)，發(fā)現(xiàn)樣品中的碎屑鋯石全部為中元古代(Pt2)鋯石，不含其它年齡段鋯石，鋯石年齡譜具有突出的約1 500 Ma峰值，以及約1 600 Ma、約1 700 Ma和約1 200 Ma等次要峰值年齡(圖7a)，其主峰值年齡完全符合PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物特征(圖5)，因此認(rèn)為該上元古界釣魚(yú)臺(tái)組石英砂巖是研究區(qū)的母巖之一，老鐵山地區(qū)在館陶組(N1g)沉積時(shí)期位于研究區(qū)的物源范圍內(nèi)。值得注意的是，由于PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物主要來(lái)自于廟西北凸起鞍部的中生代花崗巖，因此旅順老鐵山地區(qū)釣魚(yú)臺(tái)組石英砂巖的次要峰值年齡在PL15-2-12d井館陶組(N1g)砂巖中并未明確體現(xiàn)出來(lái)，僅表現(xiàn)為1 484 Ma峰值右側(cè)的低矮緩峰(圖5)。

4) 遼東半島南部大連-金州地區(qū)。在遼東半島南部大連-金州地區(qū)，Yang等[32]在大連市東北約12 km處上元古界興民村組石英砂巖中取樣(取樣位置見(jiàn)圖6)，發(fā)現(xiàn)樣品的中元古代(Pt2)鋯石含量高達(dá)64.4%，鋯石年齡譜具有突出的約1 600 Ma峰值，以及約1 800 Ma和約900 Ma等次要峰值年齡(圖7b)。上述特征峰值均未出現(xiàn)在PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物碎屑鋯石年齡譜圖中(圖5)，故認(rèn)為大連-金州地區(qū)此時(shí)并未處于研究區(qū)的物源范圍內(nèi)。

5) 遼東半島西部復(fù)州地區(qū)(復(fù)州河水系)。如圖6所示，在遼東半島西部，中、上元古界沉積巖廣泛分布，在多地角度不整合于太古界混合巖之上或平行不整合于下元古界之上[35]。在復(fù)州地區(qū)，高林志 等[31]在長(zhǎng)興島西側(cè)上元古界青白口系細(xì)河群釣魚(yú)臺(tái)組中薄層砂巖夾粉砂巖和灰色泥巖露頭處取樣(取樣位置見(jiàn)圖6)，發(fā)現(xiàn)沉積巖樣品鋯石年齡譜具有突出的約1 600 Ma峰值，以及約1 800 Ma和約1 100 Ma等次要峰值年齡(圖7c)，中元古代(Pt2)鋯石含量高達(dá)87.5%。雖然該上元古界釣魚(yú)臺(tái)組砂巖樣品中富含中元古代(Pt2)鋯石，但其年齡峰值均未出現(xiàn)在PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物碎屑鋯石年齡譜圖中(圖5)，故認(rèn)為復(fù)州地區(qū)此時(shí)并非PL15-2-12d井的物源區(qū)。

6) 遼東半島東部地區(qū)。如圖6所示，以瓦房店為界，遼東半島東部地區(qū)巖性以太古界變質(zhì)巖及中生界巖漿巖為主[35]，該地區(qū)元古界具有顯著的約1 900 Ma主峰值年齡[30]，而PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物并不具有該峰值(圖5)，故認(rèn)為遼東半島東部地區(qū)并非研究區(qū)的物源區(qū)。

7) 山東長(zhǎng)島地區(qū)(廟島-蓬萊水系)。在山東蓬萊長(zhǎng)島地區(qū)，諸島上主要出露上元古界蓬萊群輔子夼組巨厚層狀變質(zhì)石英砂巖[36]。初航 等[33]在長(zhǎng)島地區(qū)大黑山島北部、長(zhǎng)山島北部九丈崖和月牙灣等地取得3個(gè)上元古界蓬萊群輔子夼組淺變質(zhì)沉積巖樣品(取樣位置見(jiàn)圖6)，發(fā)現(xiàn)該變質(zhì)石英砂巖樣品的中元古代(Pt2)鋯石含量高達(dá)87.5%，鋯石年齡譜具有突出的約1 600 Ma峰值，以及約1 500 Ma、約1 700 Ma和約1 200 Ma等次要峰值年齡(圖7d)。雖然該輔子夼組變質(zhì)石英砂巖樣品富含中元古代(Pt2)鋯石，并且具有與PL15-2-12d井館陶組(N1g)砂巖樣品相同的約1 500 Ma峰值年齡，但該套砂巖的主峰值仍為約1 600 Ma，若其作為母巖遭受剝蝕為研究區(qū)提供沉積物時(shí)，則該沉積物必然也將具有約1 600 Ma的峰值年齡，而PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積物不具有該峰值年齡，因此認(rèn)為山東長(zhǎng)島地區(qū)并非PL15-2-12d井館陶組(N1g)的物源區(qū)。

圖6 遼東半島地質(zhì)圖(據(jù)1∶1 000 000中國(guó)地質(zhì)圖[34])Fig.6 Geology map of the Liaodong Peninsula(modified after 1∶1 000 000 geology map of China[34])

注：長(zhǎng)興島數(shù)據(jù)引自高林志 等[31]；山東長(zhǎng)島數(shù)據(jù)引自初航 等[33]；大連、旅順地區(qū)數(shù)據(jù)引自Yang 等[32]；n為年齡點(diǎn)個(gè)數(shù)。

圖7 潛在陸上源區(qū)的中—上元古界砂巖碎屑鋯石U-Pb年齡譜圖
Fig.7 U-Pb age spectra of the detrital zircons ofMesoproterozoic—Neoproterozoic sandstones of thepotential source areas

綜上所述，在館陶組(N1g)沉積時(shí)期，PL15-2-12d井主要受控于廟西北凸起鞍部中生界潛山，另一次要物源區(qū)旅順地區(qū)的上元古界沉積巖，經(jīng)老鐵山水系搬運(yùn)至研究區(qū)再沉積，沉積物富含中元古代(Pt2)鋯石，具有約1 500 Ma主峰值年齡。復(fù)州、大連及山東長(zhǎng)島地區(qū)雖然同樣大面積分布上元古界沉積巖，且地層中富含中元古代(Pt2)鋯石，但這些區(qū)域的上元古界沉積巖以約1 600 Ma主峰值為特征，并不符合PL15-2-12d井館陶組(N1g)砂巖的鋯石年齡譜峰值特征，因此認(rèn)為復(fù)州、大連及山東長(zhǎng)島地區(qū)當(dāng)時(shí)并未處于PL15-2-12d井的物源區(qū)范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

1) PL15-2-7井東營(yíng)組二段(Ed2)砂巖僅含有太古代(Ar)—古元古代(Pt1)碎屑鋯石，具有突出的1 863 Ma峰值，不含中生代鋯石，母巖為廟西北凸起南部元古界潛山，不受凸起鞍部的侏羅系潛山影響。

2) PL15-2-12d井館陶組(N1g)砂礫巖的侏羅紀(jì)(J)鋯石含量高達(dá)39.2%，并具有突出的159 Ma峰值，其母巖為廟西北凸起鞍部的侏羅系潛山，但該井還受到盆外物源影響，沉積物富含中元古代(Pt2)和古元古代(Pt1)鋯石，并具有獨(dú)特的1 486 Ma峰值，其母巖為旅順地區(qū)的上元古界沉積巖，經(jīng)老鐵山水系搬運(yùn)至研究區(qū)再沉積。

3) 長(zhǎng)興島-復(fù)州地區(qū)、大連-金州地區(qū)以及山東長(zhǎng)島地區(qū)雖然大面積出露中—上元古界沉積巖，沉積物富含中元古代(Pt2)鋯石，但其峰值年齡為約1 600 Ma，在本研究PL15-2-12d井館陶組(N1g)沉積時(shí)期并未處于該井的物源區(qū)范圍內(nèi)。