鲁西淄博盆地的中侏罗系锆石年代学及其意义

陈 灵, 石永红, 徐旭峰, 刘 潇

(合肥工业大学资源与环境工程学院,安徽合肥 230009)

山东地区以郯庐断裂带为界分为鲁西隆起区与鲁东地区,鲁西隆起区内发育一系列中生代盆地。目前对鲁西隆起区断陷盆地的研究侧重于如下2个方面。

(1)通过构造演化过程分析盆地的沉积样式,进而分析盆地烃源岩的演化过程、类型和分布规律[1-3]。已有的研究认为,鲁西晚中生代以来的盆地主要形成于伸展环境下,但其形成的构造背景存在较大的分歧,主要是与太平洋板块的俯冲或郯庐断裂带走滑活动引起的构造偏应力有关[2-4]。

(2)通过盆地沉积组分、沉积体系、充填序列、再造山过程、造山事件,探讨陆内造山过程中盆-山演化及热构造格局[5-6]。对于鲁西隆起与邻近盆地之间的中生代构造分异,尽管已经开展了包括地质、地球物理和地球化学等多方面的研究,但是,在年代学方面仍缺乏连续、定量的地质记录分析。碎屑锆石 U-Pb年代学信息在追溯、对比构造单元及其演化历史方面已经显示出很高的研究价值[7-10]。

本文针对山东淄博盆地中侏罗系砂岩样品进行研究,对碎屑锆石年代学反映的淄博盆地的中侏罗系的物源及源区的大地构造单元属性提出了新的信息。

1 地质背景

研究区以郯庐断裂带为界,将山东地区分为2个部分,郯庐断裂以西地区为鲁西隆起区,郯庐断裂以东为鲁东地块,如图1所示。本文的研究涉及鲁东地块、鲁西隆起和鲁西隆起区的淄博盆地。前人已经从几何学、运动学、构造学、地球化学以及年代学角度对鲁东地块和鲁西隆起区进行了大量的研究[11-17]。

鲁西地区属华北克拉通的一部分,具双层结构,由前寒武纪结晶基底和其上的沉积盖层组成。本区太古代和古生代地层广泛出露,形成山脉;而中生代和新生代地层分布局限,主要见于山间凹陷之中。鲁西地区中部主要为鲁西隆起基岩出露区,其外围则多为断陷盆地。鲁西隆起区断陷盆地主要由淄博盆地、莱芜盆地、临朐盆地、鲁村盆地、南麻盆地、大汉口盆地、蒙阴盆地、泅水盆地、平邑盆地等组成,分布于郯庐断裂西侧,总体呈NW-SE向长条形或弧形。本研究主要以淄博盆地为重点研究区。

鲁东地块位于郯庐断裂带以东,在中生代以前与鲁西地块有着共同的沉积历史和演化历史,具有相似的变质基底,包括胶南隆起和苏鲁造山带等,同属于华北板块的一部分。

图1 淄博盆地及周边地区地质简图

2 样品和分析方法

由于锆石是一种难熔矿物,它在风化、剥蚀、搬运、高温变质作用过程甚至熔融过程中都会不同程度地保存下来。锆石富含U和Th,普通Pb含量低而封闭温度高,是U-Pb法确定地质事件时代最理想的矿物,故锆石是反映沉积物源区的良好示踪矿物。

本文所研究的砂岩样品采自山东省淄博市三台山附近的三台组上段,野外编号为SD089-1。该样品分析用量0.98 kg。岩石样品被粉碎后经过多次精细淘洗和电磁分选,初步分离出重矿物组分,再在双目镜下人工挑选获得碎屑锆石。该样品为砂砾岩,其中的锆石分2种,次棱角块状的约占锆石总量的65%±,次滚圆柱粒状约占锆石总量的35%±。所选样品沉积时所包含的物源可能来自比较大的源区,受到局部控制的可能性可以忽略,也就是说该样品能够反映大地构造单元演化的信息。

为了确保锆石样品中各种形态的锆石均能得到测试,在挑选用于进行 U-Pb定年的锆石晶体时,采用了均分的方法进行随机选择。锆石样品靶的制备与SHRIMP定年的锆石样品靶的制备基本相同,即在双目镜下将锆石粘在双面胶上,置于圆环模具中,注入环氧树脂,固结后,用粗细不同的抛光纸进行抛光,约抛去1/3,使锆石的内部光滑地暴露出来。对抛光好的锆石先进行透射光、反射光照像后,再行阴极发光(CL)照像,以确定锆石颗粒表面和内部结构,提供锆石成因的初步信息。

锆石的阴极发光在中国科学院地质与地球物理研究所完成,电镜采用LEO1450VP,CL采用Gatan mini CL,分析电压为15 kV。锆石的UPb同位素年龄和微量元素测定在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室(GPMR)激光剥蚀电感耦合等离子质谱仪(LAICP-MS)上完成。

样品分析时,由于碎屑锆石颗粒大小不一,90%锆石颗粒激光斑束取32μm,部分直径较小碎屑锆石采用24μm斑束。激光剥蚀过程中采用氦气作为载气,用氩气作为补偿气体以调节灵敏度,为了提高仪器的灵敏度、降低检出限和改善分析精密度[18],在等离子体中心气流(A r+He)中加入了少量氮气。每个时间分辨分析数据包括大约20～30 s的空白信号和50 s的样品信号。采样方式为单点剥蚀,信号采集采用快速跳跃方式(Peak jumping)。

样品选取80～100颗锆石采集数据,锆石的U-Pb同位素定年中采用锆石标准91500作为外标进行同位素分馏校正,每分析5个样品点,分析2次91500。锆石微量元素含量利用多个USGS参考玻璃(BCR-2G和BIR-1G)作为多外标、Si作内标的方法进行定量计算,分析数据的离线处理采用软件ICPMSDataCal[18]完成。锆石样品的U-Pb年龄谐和图绘制和年龄权重平均计算均采用Isop lot/Ex-ver3完成。

3 结果和讨论

样品谐和曲线如图2所示。图3所示为淄博盆地三台山组砂岩样品(SD089-1)中81颗碎屑锆石的年龄频谱图,其U-Pb表面年龄值分布范围较宽,从(162±2)～(2 603±17)M a。中侏罗系砂岩(SD089-1)碎屑锆石 Th/U值见表1所列,中侏罗系砂岩(SD089-1)部分碎屑锆石的CL图片如图4所示。

图2 中侏罗系砂岩(SD089-1)碎屑锆石谐和曲线

3.1 250～162 M a范围化学特征

本组年龄范围碎屑锆石突出的化学特征是具有高的Th/U比值。在7颗碎屑锆石中,约71.4%的锆石Th/U比值在0.84～1.84之间,28.6%的Th/U比值介于0.1～0.4之间。

结合CL图揭示的颗粒形态和内部结构分析,如图4所示,认为这组碎屑锆石以岩浆成因为主(SD089-01-44、SD089-1-09),约 43.9%的碎屑锆石仍然显示出变质成因(SD089-1-92),并且具有无分带、片状分带、变质增生边等特征。在鲁东苏鲁地区存在大量195～227 Ma、200～250 Ma的变质年龄及155～160 Ma的岩浆活动年龄,鲁西地区岩浆活动年龄167.9～254 Ma,与本文中250～162 Ma区间在年龄区间和锆石成因上都很类似。

图3 中侏罗系砂岩(SD089-1)碎屑锆石U-Pb年龄频谱图

本组碎屑锆石的206Pb//238U表面年龄值范围250～162 M a,7粒碎屑锆石年龄算术平均值为202 Ma,占全部年龄数据的8.6%,其相对概率峰值为162 M a,如图3a所示。该组数据的谐和度分布区间为68%～99%,见表1所列,2个碎屑锆石年龄数据谐和度大于90%,4个碎屑锆石年龄数据谐和度介于80%～90%之间,是主要的不谐和年龄分布区间,本组年龄数据的可靠性从下面2个方面来讨论。

(1)由于 LA-ICPMS并不适合精确测量低U含量的年轻锆石207Pb/206Pb年龄,因此,年轻锆石的研究依赖于更精确的206Pb//238U年龄。由谐和图(图2a)可知,本组数据比较分散,可能是锆石结晶后Pb丢失严重或继承性放射性成因Pb的影响[2],但结合实验采集的信号分析,信号整体较平稳,说明这些数据是可靠的,也反映了其物源的复杂性。

(2)206Pb//238U表面年龄值的精度较207Pb//235U年龄值高,更接近其变质或结晶时的年龄,所以,采用206Pb//238U年龄值。

鲁东地区存在大量的195～250 M a经历过HP-UHP的石榴石、角闪石等岩石和矿物的同位素年龄,包括文献[19]测得的江苏省东海县毛北村附近斜长角闪岩中锆石SHRIMP U-Pb年龄(232 M a)及文献[20]测得的苏北东海地区 UHPM榴辉岩的围岩柯石英包体的锆石SHRIMP U-Pb年龄(236～220 Ma),胶南地区超高压变质带中超镁铁岩的锆石年龄(221士12)Ma[21],山东招远灵雀山含柯石英锆石微区SHRIMP U-Pb定年显示年龄变化于(241±9)～(223±10)M a之间,代表了苏鲁地体超高压变质年龄[22],苏鲁超高压带北部中生代岩浆侵入活动与同碰撞-碰撞后构造过程,锆石 U-Pb年龄 160～225 M a[22-23],苏鲁造山带的北部和以西的鲁东地区存在155～160 M a的岩浆活动年龄[24-26]。鲁西地区也存在250～162 M a年龄,如鲁西铜石杂岩体岩浆活动年龄167.9～183 Ma[27]、鲁西地区中生代火成活动年龄254～188 Ma[28-29]。根据矿物年龄的相似性,鲁东和鲁西在三台组沉积时都很可能成为淄博盆地的物源,而且,本组年龄中的变质成因锆石相对较多,鲁东地块也存在该时期的岩浆锆石且鲁东地块于207～329 Ma发生强烈抬升作用[30],所以,中侏罗系的沉积物源主要来自鲁东地块,有部分来自鲁西隆起。

表1 中侏罗系砂岩(SD089-1)碎屑锆石Th/U值

另外,根据文献[31]对胶东地区玲珑花岗岩中锆石的离子质谱 U-Pb年龄的研究发现,胶东地区玲珑花岗岩具有大量的156 M a左右年龄(晚侏罗世)却没有在样品SD089-1中出现,明确指示这套地层是中侏罗系,而非中-晚侏罗系,由此也指示了鲁东地区晚侏罗世出现了区域性隆起,与整个中国东部地区中-晚侏罗系大陆的抬升和隆起一致,暗示苏鲁碰撞造山带于中-晚侏罗系已抬升至地表并开始遭受剥蚀、搬运和沉积。

3.2 392～269 M a范围化学特征

392～269 M a区间共有14个碎屑锆石U-Pb年龄,占全部年龄数据的17.2%,相对概率峰值为344 M a(图3a)。该组数据的谐和度分布区间为74%～98%,8个碎屑锆石年龄数据谐和度大于90%,2个碎屑锆石年龄数据谐和度介于80%～90%之间,4个碎屑锆石年龄数据谐和度介于70%～80%之间,是主要的不谐和年龄分布区间。基于测试技术和当时信号的分析,该段年龄值是可靠的。在14颗碎屑锆石中,约64.3%的锆石Th/U比值大于0.8,35.7%的 Th/U比值介于0.1～0.73之间。结合CL图揭示的颗粒形态和内部结构分析,如图 4d、图 4e、图 4f,认为这组碎屑锆石以岩浆成因为主,而鲁西、鲁东地区均未发现类似年龄。淄博盆地该段年龄的物源是否只局限于鲁西隆起和胶东地块需进一步研究。

图4 中侏罗系砂岩(SD 089-1)部分碎屑锆石的CL图片

3.3 2 603～846 M a范围化学特征

该样中年龄在2 603～846 M a的锆石有57颗,可分为以下年龄段:1 043～846 M a、1 998～1 817 Ma、2 603 ～ 2 202 M a。

(1)该样中1 043～846 Ma的碎屑锆石年龄有3个,占总有效数据的3.6%。846～1 031 M a年龄的谐和度均为99%,Th/U比值为0.52～0.89,CL图显示颗粒形态和内部结构为岩浆成因,如图4 k、图4l所示。鲁东地区新元古代花岗质片麻岩类锆石U-Pb同位素年龄为753～896 M a[32]。鲁东官山霓石碱性花岗岩锆石形成年龄为818±66 M a[33]。而在鲁西地区很少出露类似年龄。

(2)1 998M a～1 817M a年龄范围碎屑锆石突出的化学特征是具有低的Th/U比值,在25颗碎屑锆石中,约70.8%的 Th/U比值介于0.1～0.4,只有4%的 Th/U比值大于0.8。结合CL图揭示的颗粒形态和内部结构分析,如图4n、图4o、图4p、图 4q、图4r所示,认为这组碎屑锆石以变质成因为主,约96%的碎屑锆石显示出变质成因,并且具有无分带、海绵状分带等特征。

1 998～1 817 Ma区间共有25个碎屑锆石U-Pb年龄,占全部年龄数据的30.7%,算术平均值为1 883 M a,相对概率峰值为1 878 Ma,92%碎屑锆石的谐和度大于90%,由图2b可见,该段年龄谐和性和集中程度较好。鲁西隆起和鲁东地块均有类似年龄出露:苏鲁造山带荣成超高压地体片麻岩锆石钕模式年龄变化平均约1 930 Ma[34]。鲁西地区也出露了更多的与该区间类似的年龄,如:鲁西地区下常庄岩体中磁铁角闪岩锆石年龄(1 855±8)M a[35]。该年龄区间与华北克拉通变质基底物质年龄非常相似。

(3)2 603～2 202 Ma区间共有29个碎屑锆石U-Pb年龄,占总有效数据的35.8%,其算数平均数为2 477 Ma,相对概率峰值为2 529 M a,如图3b所示,该区年龄的谐和度均大于90%,其谐和性和集中程度较高,如图2b所示。在这29颗碎屑锆石中,24.1%的Th/U比值大于0.8,31%的Th/U比值小于0.4,CL图显示以变质成因为主,约65.5%的碎屑锆石显示出变质成因,如图4v、图4w 、图 4x、图4y、图4z所示,并且具有海绵状、冷杉叶状、弱分带、无分带等特征。

鲁西地区下常庄岩体中磁铁角闪岩锆石年龄(2 014±8)M a和(2 394±9)M a[31],新太古界雁翎关组中花岗质岩石的形成时代 2 014±8M a[35],鲁东地区海阳所变质基性岩年龄为2 252±180 Ma,文献[36]报道过鲁西铜石岩体锆石年龄在 2 485～2 512 Ma之间,其中2 518±11M a年龄,代表了岩体侵位过程中捕获的新太古代五台期锆石的年龄,与本样品中的锆石年龄数据SD089-1-62的207Pb/206Pb表面年龄值(2 522±17 M a)类似,文献[27]测得山东新泰孟家屯岩浆锆石年龄为2 561 Ma,文献[37]获得了鲁西孟家屯一种细粒斜长角闪岩的锆石年龄为2 604±11 M a,与本样品中的锆石年龄数据SD089-1-22的207Pb/206Pb表面年龄值(2 604±17 Ma)类似。因此,本文认为图 3b中的峰值2 500 Ma代表了华北克拉通基底物质的存在。

本文不仅从年代学的角度提供中侏罗系淄博盆地沉积物源主要来自鲁东,还可以从该层位或该样品(SD089-1)的其他方面提供关于三台组沉积物源主要来自鲁东的证据:①砂岩碎屑重矿物高分辨率研究,通过中侏罗系5个砂岩样品(包括SD089-1)的碎屑重矿物高分辨率研究及鲁西、鲁东地区重矿物的背景资料研究发现,这些样品中以稳定和较稳定重矿物为主,较稳定重矿物含量较高,主要为石榴石和磷灰石,总含量为24.7%～41.6%,由河北省区域地质矿产调查研究所人工重砂鉴定报告证实,样品SD089-1中石榴石体积比为27.74%;②从岩相学角度看,胶东石榴石多为粉红色-玫瑰红色[38,39],而鲁西石榴石多为粉红色和玫瑰色,部分为棕色和褐红色,棕色和褐红色石榴石在鲁东地区不发育[40];金红石在鲁东地区出现,在鲁西地区并不发育。河北省区域地质矿产调查研究所人工重砂鉴定报告证实,样品SD089-1中石榴石以粉红色为主,黄红色少,并且该岩石样品中有金红石出现。

因此,综合年代学、碎屑重矿物高分辨率、岩相学的研究认为,淄博盆地的中侏罗系沉积物的物源主要为鲁东地区和鲁西隆起,且鲁东地区的贡献大于鲁西地区。

4 结 论

淄博盆地的中侏罗系沉积的潜在源区——鲁东地块与鲁西隆起的年龄组成相当复杂。本文首次从碎屑锆石LA-ICPMS U-Pb定年研究证明:①鲁东地块和鲁西隆起对淄博盆地的中侏罗系物源均有贡献,且此时期鲁东地区的物源贡献大于鲁西隆起;②在中-晚侏罗系,鲁东地区的苏鲁造山带已经抬升至地表,形成东高西低的格局,并开始遭受剥蚀、搬运和沉积,进而向其以西的盆地提供物源。

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