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鄂尔多斯盆地西南缘中生代火成碳酸盐岩的发现及意义

2016-09-12席胜利李振宏刘新社

石油与天然气地质 2016年2期
关键词:克拉通碳酸盐岩华北

席胜利,李振宏 ,刘新社

(1.中国石油 长庆油田分公司 勘探事业部,陕西 西安 710018; 2.中国地质科学院 地质力学研究所,北京 100081)



鄂尔多斯盆地西南缘中生代火成碳酸盐岩的发现及意义

席胜利1,李振宏2,刘新社1

(1.中国石油 长庆油田分公司 勘探事业部,陕西 西安 710018;2.中国地质科学院 地质力学研究所,北京 100081)

鄂尔多斯盆地属于我国中西部地区稳定的克拉通盆地。盆地边缘构造活动强烈,逆冲推覆构造发育,岩浆活动频繁;盆地内部构造稳定,以前尚未有岩浆活动的报道。鄂尔多斯盆地西南缘庆深1井蓟县系白云岩中火成碳酸盐岩侵入岩脉的发现,为重新认识盆地内部的构造活动性提供了新的线索。该套侵入岩脉稀土元素球粒陨石标准化图解中没有明显的Eu异常,符合火成碳酸盐岩的基本特征。同时,在碳、氧同位素交汇图解中,分析点全部落入了火成碳酸盐岩的范围。通过锆石U-Pb同位素测年,该套火成碳酸盐岩的形成时代为176.2 Ma±3.3 Ma,属于早-中侏罗世构造活动的产物。火成碳酸盐岩的形成主要受控于北东-南西向基底大断裂带在早中侏罗世时期的隐性活动,为扬子板块向华北克拉通俯冲挤压之后区域伸展作用的产物。鄂尔多斯盆地西南缘早侏罗世末期火成碳酸盐岩侵入脉的发现,为认识华北克拉通早侏罗世区域拉张的构造背景提供了新的证据。

碳、氧同位素;锆石U-Pb年代学;火成碳酸盐岩;地球化学;中生代;鄂尔多斯盆地

鄂尔多斯盆地的演化奠基于前寒武纪结晶基底之上,先后经历了中新元古代坳拉谷盆地发育阶段、古生代华北大型稳定克拉通盆地发育阶段、中生代西部类前陆盆地发育阶段和新生代周缘强烈断陷盆地发育阶段,总体上为一个多期叠加、多期改造的残留叠合盆地[1-2]。长期以来,其内部一直被认为构造活动性单一,以垂直运动为特点,不存在岩浆活动。近年来,盆地油气勘探的研究成果不断地揭示出其内部并非“刚性一块”,也存在着非均质性和多期活动性。主要表现在以下5个方面:1)鄂尔多斯盆地基底变质岩与花岗岩锆石最新SHRIMP U-Pb定年结果表明,鄂尔多斯地块内部在古元古代末期曾发生过两期大的构造热事件,第一期大约在2 035~2 030 Ma,盆地东部发生了大规模的花岗岩浆侵位,第二期发生在大约1 850 Ma左右,盆地普遍发生了高级变质作用,说明了鄂尔多斯盆地内部存在古元古代构造活动带[3-4];2)鄂尔多斯盆地不同层位镜质体反射率平面分布图及热史模拟结果表明在盆地南部的吴旗—庆阳—富县一带,存在有热演化程度异常区。除受古埋深控制外,也受异常热流体的控制,这种异常热流体的诱导因素可能为基底断裂中生代的隐伏性活动[5];3)鄂尔多斯盆地北东-南西向基底断裂可能存在多期隐性活动,主要表现为在奥陶系、石炭系、二叠系、三叠系的含油气砂体中,高产油气的优势方位主要受北东-南西向微裂隙和小断层的控制[6];4)利用二维地震剖面层拉平技术,在中生代地层中发现多个断距小且断面直立的断裂,确认了在盆地中发育一系列北东-南西向的中生代断裂体系[7];5)鄂尔多斯盆地内部新构造活动比较明显,一方面表现为线性构造影像比较清晰,另一方面局部可见白垩系逆冲在新生代地层之上[8]。尽管越来越多的事实证明鄂尔多斯盆地内部中生代存在强烈的构造活动性,但依然缺乏岩浆活动的直接证据。本次研究,通过岩心观察、地球化学元素分析、碳氧同位素分析以及锆石U-Pb同位素测年,确定了鄂尔多斯西南缘庆深1井蓟县系白云岩中火成碳酸盐岩侵入岩脉的存在,为重新认识盆地内中生代的构造演化提供了新的线索(图1)。

1 区域地质背景

区域大地构造位置中,鄂尔多斯盆地位于华北克拉通的西部陆块,北以孔兹岩带与阴山地块相邻(图1)。在现今的构造单元中,盆地北部为阴山造山带,西部为贺兰-六盘山造山带,南部为秦岭造山带,东部为吕梁造山带,总体上是夹持于周边活动带之间的相对稳定的克拉通盆地[9-11]。

鄂尔多斯盆地沉积盖层巨厚,盆地最大沉积厚度超过了5 000 m,进而掩盖了大量的盆地基底信息,前寒武纪演化一直存在着争议。其中,主要存在着两种比较明显的观点,一种观点认为在大约1 950 Ma左右,鄂尔多斯地块与阴山地块发生碰撞,位于华北克拉通西北部的贺兰山-乌拉山孔兹岩带形成[12],在大约1 850 Ma左右,华北西部地块与华北东部地块发生碰撞,华北克拉通中部造山带形成[13]。另一种观点则认为,在大约1 970~2 000 Ma,华北克拉通发生了一次强烈的挤压构造事件,进而导致了陆内盆地的相继闭合,分别在华北克拉通东部、西北部以及中部地区形成了晋豫、胶辽以及丰镇3个活动带[14-15]。在早古生代沉积时期,鄂尔多斯盆地与华北盆地作为统一整体,具有相同的演化背景,沉积了厚度400~1 600 m的浅海台地相碳酸盐岩。其南缘和西缘由于濒临秦祁海槽,沉积厚度可以达到4 500 m。中奥陶世末期,受到华北地块南、北挤压作用力的影响,导致华北地台整体抬升,缺失了志留系、泥盆系和下石炭统沉积,间断达130 Ma以上。晚古生代沉积时期,海水从鄂尔多斯盆地西南缘彻底退出,沉积环境发生了根本的改变,石炭系为海陆交互相沉积,二叠系主要为大型陆内三角洲沉积。中生代,受西部逆冲推覆构造和东部整体抬升的影响,鄂尔多斯盆地的构造格局基本形成。新生代以来,受东部滨太平洋板块和西部青藏高原构造域的共同影响,鄂尔多斯盆地周缘活动构造发育。

图1 华北克拉通火成碳酸盐岩分布Fig.1 Distribution of the igneous carbonatites in North China Craton

2 样品采集及分析方法

样品采集于鄂尔多斯盆地西南缘庆深1井第17次取心段,井段4 229.5~4 230.6 m,岩心收获率57.8%,层位归属于中元古代蓟县系。样品颜色为紫红色,手感光滑细腻,似凝灰岩,由于岩石比较破碎,与周围灰白色白云岩接触关系不清,推测为侵入接触(图2)。显微镜下观察,本次采集的火成碳酸盐岩矿物成分中以含铁白云石为主,少量的方解石,局部可见微量的钾长石斑晶和磷灰石,磷灰石自形程度较高。岩石

裂缝发育,含铁质矿物沿裂缝分布,可能与深部的热液活动有关。

为了确认该侵入岩体的岩性,本次研究主要从元素地球化学、碳氧同位素分析及锆石U-Pb同位素测年3个方面入手。元素地球化学和碳氧同位素分析在核工业地质测试中心完成。元素地球化学由ICP-MS分析,碳氧同位素分析仪器为连续流质谱仪。锆石U-Pb同位素测年样品的碎样和锆石挑选工作在河北省区域地质矿产调查研究所完成,制靶工作由北京锆年领航技术有限公司完成。LA-MC-ICP-MS锆石U-Pb定年测试分析在天津地质矿产地质研究所MC-ICP-MS实验室完成。

3 分析结果

本次共采集地球化学元素和碳氧同位素分析样品4块,分别命名为QS1,QS2,QS3和QS4。其中QS1和QS2为紫红色火成碳酸盐岩,QS3和QS4为浅灰色白云岩。全量元素和稀土元素的分析结果分别见表1和表2。从主量元素的分析结果来看,QS1与QS2样品各种元素的含量基本一致,而QS3和QS4样品各种元素含量基本一致。总体上二者的差别不是很大,QS1与QS2样品SiO2的含量略低于QS3和QS4样品。QS1与QS2样品的稀土元素含量,稀土元素标准化曲线基本上一致。两个样品的轻稀土(LREE)含量分别为222.05×10-6和216.45×10-6,重稀土(HREE)含量分别为34.25×10-6和32.04×10-6,轻稀土(LREE)/重稀土(HREE)分别为6.48和6.75。稀土元素分布模式为右倾陡峭型。δEu值分别为0.98和0.97,无明显负Eu异常。QS3与QS4样品的稀土元素含量,稀土元素标准化曲线基本上一致。两个样品的轻稀土(LREE)含量分别为18.41×10-6和18.34×10-6,重稀土(HREE)含量分别为5.57×10-6和5.19×10-6,轻稀土(LREE)/重稀土(HREE)分别为3.30和3.53。δEu值分别为0.77和0.75,具明显负Eu异常。碳氧同位素分析结果也完全分为两组,QS1,QS2和QS3,QS4。QS1和QS2样品δ18O值为6.8‰~7.0‰(SMOW),δ13C值为4.8‰~5.8‰(PDB);QS3和QS4样品δ18O值为23.5‰~24.0‰(SMOW),δ13C值为3.0‰~3.5‰(PDB)。

图2 鄂尔多斯盆地西南部庆深1井中元古界综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of the Mesoproterozoic in Qingshen 1 well at the southwestern margin of the Ordos Basin

由于本次用于锆石U-Pb测年的样品数量有限(约0.2公斤),共挑出锆石20颗,其中用于锆石测年的颗粒16颗,有10个测点的年龄介于167~183 Ma。锆石自形程度好,具有明显的岩浆环带,Th/U比值为0.63~0.81,具有岩浆锆石的成因,代表了侵入岩体的形成时代(图3)。10个样品点206Pb/238U加权平均年龄为176.2 Ma±3.3 Ma(加权平均方差MSWD=5.8)(表3;图4)。

图3 鄂尔多斯盆地西南部庆深1井火成碳酸盐岩典型锆石图像Fig.3 Typical zircon images of the igneous carbonatites in Qingshen1 well at the south-western margin of the Ordos Basin表1 鄂尔多斯盆地西南部庆深1井主量元素含量Table 1 Major element contents in Qingshen1 well at the southwestern margin of the Ordos Basin

编号主要元素含量/%SiO2Al2O3Fe2O3MgOCaONa2OK2OMnOTiOP2O5FeO烧失量/%QS16.351.620.62018.1827.450.0551.230.5410.1800.1301.43042.19QS26.631.900.69018.1427.400.0581.300.5480.1300.1201.08041.98QS311.802.920.32714.6136.430.2981.610.0130.1190.0240.68330.79QS411.202.750.30514.5535.790.2951.570.0150.2250.1950.58531.98

表2 鄂尔多斯盆地西南部庆深1井稀土元素含量Table 2 REE elements contents in Qingshen1 well at the southwestern margin of the Ordos Basin

表3 鄂尔多斯盆地西南缘庆深1井火成碳酸盐岩锆石U-Pb年龄数据Table 3 Zircon U-Pb dating results of the igneous carbonatites in Qingshen1 well at the southwestern margin of the Ordos Basin

图4 鄂尔多斯盆地西南部庆深1井火成碳酸盐岩 锆石年龄谐和图Fig.4 Concordia plots of the U-Pb zircon dating results for the igneous carbonatites in Qingshen 1 well at the southwestern margin of the Ordos Basin

4 讨论

4.1火成碳酸盐岩厘定

火成碳酸盐岩是指含碳酸盐岩矿物含量大于50%(体积百分数),二氧化硅含量小于10%(重量百分数)的火成岩石[16]。火成碳酸盐岩与海相碳酸盐岩在地球化学主量元素上没有明显的区别,很难确认,但稀土元素却表现出了完全不同的特征。火成碳酸盐岩稀土元素标准化曲线呈明显的右倾型,无明显的正负Eu异常,但沉积成因的海相碳酸盐岩虽也呈现出右倾模式,但却表明为明显的负Eu异常[17]。碳、氧同位素是判别火成碳酸盐岩的一个重要标志,与沉积成因的碳酸盐岩相比,火成碳酸盐岩δ18O值要低的多,而且变化范围有限[18]。庆深1井蓟县系碳酸盐岩由于岩心收获率较低,破碎严重,与周围白云岩的接触关系不清,但岩石颜色呈紫红色,滑腻感强烈,与周围灰白色的白云岩具有明显的区别。稀土元素球粒陨石标准化曲线无明显的正负Eu异常(图5a),而与之相邻的沉积成因的白云岩却表现出了明显的负Eu异常。在δ13C-δ18O图解中,完全落入了火成碳酸盐岩的范围,与沉积成因的碳酸盐岩区别较大(图5b)[19]。综上所述,分析认为庆深1井蓟县系存在岩浆成因的火成碳酸盐岩。

4.2火成碳酸盐岩形成环境

目前,世界上已发现的400余处火成碳酸盐岩体大多数分布于克拉通区大陆裂谷带和板块内部,板块边缘也有火成碳酸盐岩产出,只有洋壳和洋中脊尚未发现火成碳酸盐岩的报道。华北克拉通火成碳酸盐岩在时间上主要形成于古元古代末至中元古代初、早中生代和晚中生代3个时期,反映了华北克拉通在演化历史上的3个重要的拉张阶段[20]。古元古代末至中元古代初火成碳酸盐岩主要分布于燕辽裂谷附近,深部动力学背景可能与热地幔柱有关。中生代火成碳酸盐岩主要分布在华北克拉通的北缘和南缘。华北克拉通北缘目前发现的火成碳酸盐岩体主要包括:河北涿鹿矾山辉石岩-正长岩-碳酸盐岩体,其Sm-Nd等时线年龄239±19 Ma[21],Rb-Sr等时线年龄218 Ma±8 Ma[22];山西怀仁窑子头煌斑岩-碳酸盐岩脉,Rb-Sr等值线年龄229 Ma±11 Ma[23];山西临县紫金山碱性岩-碳酸盐岩杂岩体,Rb-Sr等值线年龄132±28 Ma[24],SHRIMP锆石U-Pb年龄125 Ma~132 Ma[25];山东莱芜巴陡碳酸盐岩脉,Rb-Sr等值线年龄124 Ma[26]。华北克拉通南缘中生代目前发现的火成碳酸盐岩体主要包括:陕西华阴华阳川碳酸盐岩脉,K-Ar法获得的年龄为204~206 Ma[27];陕西洛南黄龙铺碳酸盐岩脉,Re-Os等时线年龄221 Ma[28];河南嵩县磨沟霓辉正长岩-碳酸盐岩体,Rb-Sr等时线年龄226Ma[27],TIMS锆石U-Pb年龄209 Ma±6 Ma[28]。秦岭造山带早中生代花岗岩体的研究表明,具有碰撞造山性质的花岗岩主要形成于220~210 Ma[29],华北克拉通南缘早中生代火成碳酸盐岩主要形成于204-210 Ma,明显晚于碰撞造山花岗岩的侵入时代。因此,晚三叠世火成碳酸盐岩形成的深部动力学机制可能与古亚洲洋板块和扬子板块分别向华北克拉通北缘、南缘俯冲挤压之后的伸展拉张作用有关。早白垩世是华北克拉通破坏的关键时期,目前的研究结果表明华北克拉通破坏的峰期为125 Ma[30],华北克拉通发现的早白垩世火成碳酸盐岩年龄主要介于124~132 Ma,这与华北克拉通破坏的主峰期基本一致。火成碳酸盐岩主要分布在华北克拉通的中部和东部,其形成环境可能与华北克拉通的破坏存在着紧密的联系[20]。

图5 稀土元素标准化曲线和碳、氧同位素交汇图Fig.5 REE distribution patterns and C-O isotope crossplota.球粒陨石标准化曲线;b.碳、氧同位素交汇图

庆深1井蓟县系火成碳酸盐岩,位于鄂尔多斯盆地西南缘,主要夹持于两条北东-南西向的深大断裂之间,分别命名为环县-横山断层(HHF)和华池-大同断层(HDF),推测这两条断层共同组成了横贯鄂尔多斯盆地中部,呈北东-南西向展布的隐性活动断裂带[3]。在早侏罗世末期,约176.2 Ma±3.3 Ma,受扬子板块向华北克拉通俯冲挤压之后伸展拉张作用的影响,环县-横山断层(HHF)和华池-大同断层(HDF)可能复活,在其断裂带内部形成一系列火成碳酸盐岩的侵入岩脉。近年来,在鄂尔多斯盆地西南缘平凉策底、安口镇相继发现了早侏罗世凝灰岩,其年龄主要介于168~176 Ma。在凝灰岩构造背景判别图中,所有投点全部落入了大陆裂谷带或者初始裂谷玄武岩区,反应了早侏罗世至中侏罗世早期鄂尔多斯及周缘地区整体上处于陆内拉张的构造背景[31]。鄂尔多斯盆地西南缘早侏罗世末期火成侵入岩脉的发现,为华北克拉通早侏罗世区域拉张的构造背景提供了新的证据。

5 结论

1) 鄂尔多斯盆地蓟县系侵入岩脉稀土元素标准化曲线是向右陡倾斜的曲线,无明显的正负Eu异常。碳氧同位素分析资料表明,δ18O值介于6.8‰~7.0‰(SMOW),δ13C值介于4.8‰~5.8‰(PDB),具有明显的火成碳酸盐岩的特征。

2) 火成碳酸盐岩的形成时代约为176.2 Ma±3.3 Ma,其形成主要受控于北东向基底大断裂带在早、中侏罗世时期的隐性活动,为扬子板块向华北克拉通俯冲挤压之后区域伸展作用的产物。

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(编辑董立)

Discovery and significance of the Mesozoic igneous carbonate rock at the southwestern margin of Ordos Basin

Xi Shengli1,Li Zhenhong2,Liu Xinshe1

(1.ExplorationDepartmentofPetroChinaChangqingOilfieldCompany,Xi’an,Shaanxi710018,China;2.InstituteofGeomechanics,ChineseAcademyofGeologicalSciences,Beijing100081,China)

Ordos basin is a stable cratonic basin in the central-west China.Along the margin of the basin,tectonic activity was intense,thrust-nappe structures were well developed and magmatic events were common.On the contrary,the inner part of the basin was very stable and no magmatic events have been recorded.Lately,we found some igneous carbonate rock dikes intruded into the dolomite of the Jixian System in Qingshen 1 well at the south-western margin of the Ordos basin.These intrusive dykes provide new clues for us to reconsider the tectonic activity inside the basin.In the REE distribution patterns,its characteristics are basically consistent with igneous carbonate rock without significant Eu anomaly.Besides,all data points fall within the range of igneous carbonate rock in the C-O isotope crossplot.According to the zircon U-Pb dating results,the age of the intrusive igneous carbonate rock is 176.2±3.3 Ma.Therefore,the intrusive dykes formed during the regional extension after the subduction between Yangtze Craton and North China Craton,under the control of minor activities of the NE-SW trending basement faults in the Early-Middle Jurassic.These intrusive igneous dykes at the south-western margin of the Ordos basin provide new evidences for us to understand the regional extension background of North China Craton in the Early Jurassic.

carbon and oxygen isotope,zircon U-Pb dating,igneous carbonate rock,geochemistry,Mesozoic,Ordos Basin

2015-12-03;

2016-01-08。

席胜利(1965—),男,博士、教授级高级工程师,石油与天然气地质。E-mail:xsl_cq@petrochina.com.cn。

简介:李振宏(1973—),男,博士、副研究员,沉积盆地与动力学。E-mail:lizhennhong@126.com。

国家自然科学基金项目(41372122);中国地质调查局地质调查项目(1212011121095)。

0253-9985(2016)02-0173-07

10.11743/ogg20160204

TE121.3

A

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