魯西淄博盆地的中侏羅系鋯石年代學及其意義

陳 靈, 石永紅, 徐旭峰, 劉 瀟

(合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院,安徽合肥 230009)

山東地區(qū)以郯廬斷裂帶為界分為魯西隆起區(qū)與魯東地區(qū),魯西隆起區(qū)內(nèi)發(fā)育一系列中生代盆地。目前對魯西隆起區(qū)斷陷盆地的研究側(cè)重于如下2個方面。

(1)通過構造演化過程分析盆地的沉積樣式,進而分析盆地烴源巖的演化過程、類型和分布規(guī)律[1-3]。已有的研究認為,魯西晚中生代以來的盆地主要形成于伸展環(huán)境下,但其形成的構造背景存在較大的分歧,主要是與太平洋板塊的俯沖或郯廬斷裂帶走滑活動引起的構造偏應力有關[2-4]。

(2)通過盆地沉積組分、沉積體系、充填序列、再造山過程、造山事件,探討陸內(nèi)造山過程中盆-山演化及熱構造格局[5-6]。對于魯西隆起與鄰近盆地之間的中生代構造分異,盡管已經(jīng)開展了包括地質(zhì)、地球物理和地球化學等多方面的研究,但是,在年代學方面仍缺乏連續(xù)、定量的地質(zhì)記錄分析。碎屑鋯石 U-Pb年代學信息在追溯、對比構造單元及其演化歷史方面已經(jīng)顯示出很高的研究價值[7-10]。

本文針對山東淄博盆地中侏羅系砂巖樣品進行研究,對碎屑鋯石年代學反映的淄博盆地的中侏羅系的物源及源區(qū)的大地構造單元屬性提出了新的信息。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)以郯廬斷裂帶為界,將山東地區(qū)分為2個部分,郯廬斷裂以西地區(qū)為魯西隆起區(qū),郯廬斷裂以東為魯東地塊,如圖1所示。本文的研究涉及魯東地塊、魯西隆起和魯西隆起區(qū)的淄博盆地。前人已經(jīng)從幾何學、運動學、構造學、地球化學以及年代學角度對魯東地塊和魯西隆起區(qū)進行了大量的研究[11-17]。

魯西地區(qū)屬華北克拉通的一部分,具雙層結(jié)構,由前寒武紀結(jié)晶基底和其上的沉積蓋層組成。本區(qū)太古代和古生代地層廣泛出露,形成山脈;而中生代和新生代地層分布局限,主要見于山間凹陷之中。魯西地區(qū)中部主要為魯西隆起基巖出露區(qū),其外圍則多為斷陷盆地。魯西隆起區(qū)斷陷盆地主要由淄博盆地、萊蕪盆地、臨朐盆地、魯村盆地、南麻盆地、大漢口盆地、蒙陰盆地、泅水盆地、平邑盆地等組成,分布于郯廬斷裂西側(cè),總體呈NW-SE向長條形或弧形。本研究主要以淄博盆地為重點研究區(qū)。

魯東地塊位于郯廬斷裂帶以東,在中生代以前與魯西地塊有著共同的沉積歷史和演化歷史,具有相似的變質(zhì)基底,包括膠南隆起和蘇魯造山帶等,同屬于華北板塊的一部分。

圖1 淄博盆地及周邊地區(qū)地質(zhì)簡圖

2 樣品和分析方法

由于鋯石是一種難熔礦物,它在風化、剝蝕、搬運、高溫變質(zhì)作用過程甚至熔融過程中都會不同程度地保存下來。鋯石富含U和Th,普通Pb含量低而封閉溫度高,是U-Pb法確定地質(zhì)事件時代最理想的礦物,故鋯石是反映沉積物源區(qū)的良好示蹤礦物。

本文所研究的砂巖樣品采自山東省淄博市三臺山附近的三臺組上段,野外編號為SD089-1。該樣品分析用量0.98 kg。巖石樣品被粉碎后經(jīng)過多次精細淘洗和電磁分選,初步分離出重礦物組分,再在雙目鏡下人工挑選獲得碎屑鋯石。該樣品為砂礫巖,其中的鋯石分2種,次棱角塊狀的約占鋯石總量的65%±,次滾圓柱粒狀約占鋯石總量的35%±。所選樣品沉積時所包含的物源可能來自比較大的源區(qū),受到局部控制的可能性可以忽略,也就是說該樣品能夠反映大地構造單元演化的信息。

為了確保鋯石樣品中各種形態(tài)的鋯石均能得到測試,在挑選用于進行 U-Pb定年的鋯石晶體時,采用了均分的方法進行隨機選擇。鋯石樣品靶的制備與SHRIMP定年的鋯石樣品靶的制備基本相同,即在雙目鏡下將鋯石粘在雙面膠上,置于圓環(huán)模具中,注入環(huán)氧樹脂,固結(jié)后,用粗細不同的拋光紙進行拋光,約拋去1/3,使鋯石的內(nèi)部光滑地暴露出來。對拋光好的鋯石先進行透射光、反射光照像后,再行陰極發(fā)光(CL)照像,以確定鋯石顆粒表面和內(nèi)部結(jié)構,提供鋯石成因的初步信息。

鋯石的陰極發(fā)光在中國科學院地質(zhì)與地球物理研究所完成,電鏡采用LEO1450VP,CL采用Gatan mini CL,分析電壓為15 kV。鋯石的UPb同位素年齡和微量元素測定在中國地質(zhì)大學(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室(GPMR)激光剝蝕電感耦合等離子質(zhì)譜儀(LAICP-MS)上完成。

樣品分析時,由于碎屑鋯石顆粒大小不一,90%鋯石顆粒激光斑束取32μm,部分直徑較小碎屑鋯石采用24μm斑束。激光剝蝕過程中采用氦氣作為載氣,用氬氣作為補償氣體以調(diào)節(jié)靈敏度,為了提高儀器的靈敏度、降低檢出限和改善分析精密度[18],在等離子體中心氣流(A r+He)中加入了少量氮氣。每個時間分辨分析數(shù)據(jù)包括大約20～30 s的空白信號和50 s的樣品信號。采樣方式為單點剝蝕,信號采集采用快速跳躍方式(Peak jumping)。

樣品選取80～100顆鋯石采集數(shù)據(jù),鋯石的U-Pb同位素定年中采用鋯石標準91500作為外標進行同位素分餾校正,每分析5個樣品點,分析2次91500。鋯石微量元素含量利用多個USGS參考玻璃(BCR-2G和BIR-1G)作為多外標、Si作內(nèi)標的方法進行定量計算,分析數(shù)據(jù)的離線處理采用軟件ICPMSDataCal[18]完成。鋯石樣品的U-Pb年齡諧和圖繪制和年齡權重平均計算均采用Isop lot/Ex-ver3完成。

3 結(jié)果和討論

樣品諧和曲線如圖2所示。圖3所示為淄博盆地三臺山組砂巖樣品(SD089-1)中81顆碎屑鋯石的年齡頻譜圖,其U-Pb表面年齡值分布范圍較寬,從(162±2)～(2 603±17)M a。中侏羅系砂巖(SD089-1)碎屑鋯石 Th/U值見表1所列,中侏羅系砂巖(SD089-1)部分碎屑鋯石的CL圖片如圖4所示。

圖2 中侏羅系砂巖(SD089-1)碎屑鋯石諧和曲線

3.1 250～162 M a范圍化學特征

本組年齡范圍碎屑鋯石突出的化學特征是具有高的Th/U比值。在7顆碎屑鋯石中,約71.4%的鋯石Th/U比值在0.84～1.84之間,28.6%的Th/U比值介于0.1～0.4之間。

結(jié)合CL圖揭示的顆粒形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構分析,如圖4所示,認為這組碎屑鋯石以巖漿成因為主(SD089-01-44、SD089-1-09),約 43.9%的碎屑鋯石仍然顯示出變質(zhì)成因(SD089-1-92),并且具有無分帶、片狀分帶、變質(zhì)增生邊等特征。在魯東蘇魯?shù)貐^(qū)存在大量195～227 Ma、200～250 Ma的變質(zhì)年齡及155～160 Ma的巖漿活動年齡,魯西地區(qū)巖漿活動年齡167.9～254 Ma,與本文中250～162 Ma區(qū)間在年齡區(qū)間和鋯石成因上都很類似。

圖3 中侏羅系砂巖(SD089-1)碎屑鋯石U-Pb年齡頻譜圖

本組碎屑鋯石的206Pb//238U表面年齡值范圍250～162 M a,7粒碎屑鋯石年齡算術平均值為202 Ma,占全部年齡數(shù)據(jù)的8.6%,其相對概率峰值為162 M a,如圖3a所示。該組數(shù)據(jù)的諧和度分布區(qū)間為68%～99%,見表1所列,2個碎屑鋯石年齡數(shù)據(jù)諧和度大于90%,4個碎屑鋯石年齡數(shù)據(jù)諧和度介于80%～90%之間,是主要的不諧和年齡分布區(qū)間,本組年齡數(shù)據(jù)的可靠性從下面2個方面來討論。

(1)由于 LA-ICPMS并不適合精確測量低U含量的年輕鋯石207Pb/206Pb年齡,因此,年輕鋯石的研究依賴于更精確的206Pb//238U年齡。由諧和圖(圖2a)可知,本組數(shù)據(jù)比較分散,可能是鋯石結(jié)晶后Pb丟失嚴重或繼承性放射性成因Pb的影響[2],但結(jié)合實驗采集的信號分析,信號整體較平穩(wěn),說明這些數(shù)據(jù)是可靠的,也反映了其物源的復雜性。

(2)206Pb//238U表面年齡值的精度較207Pb//235U年齡值高,更接近其變質(zhì)或結(jié)晶時的年齡,所以,采用206Pb//238U年齡值。

魯東地區(qū)存在大量的195～250 M a經(jīng)歷過HP-UHP的石榴石、角閃石等巖石和礦物的同位素年齡,包括文獻[19]測得的江蘇省東?？h毛北村附近斜長角閃巖中鋯石SHRIMP U-Pb年齡(232 M a)及文獻[20]測得的蘇北東海地區(qū) UHPM榴輝巖的圍巖柯石英包體的鋯石SHRIMP U-Pb年齡(236～220 Ma),膠南地區(qū)超高壓變質(zhì)帶中超鎂鐵巖的鋯石年齡(221士12)Ma[21],山東招遠靈雀山含柯石英鋯石微區(qū)SHRIMP U-Pb定年顯示年齡變化于(241±9)～(223±10)M a之間,代表了蘇魯?shù)伢w超高壓變質(zhì)年齡[22],蘇魯超高壓帶北部中生代巖漿侵入活動與同碰撞-碰撞后構造過程,鋯石 U-Pb年齡 160～225 M a[22-23],蘇魯造山帶的北部和以西的魯東地區(qū)存在155～160 M a的巖漿活動年齡[24-26]。魯西地區(qū)也存在250～162 M a年齡,如魯西銅石雜巖體巖漿活動年齡167.9～183 Ma[27]、魯西地區(qū)中生代火成活動年齡254～188 Ma[28-29]。根據(jù)礦物年齡的相似性,魯東和魯西在三臺組沉積時都很可能成為淄博盆地的物源,而且,本組年齡中的變質(zhì)成因鋯石相對較多,魯東地塊也存在該時期的巖漿鋯石且魯東地塊于207～329 Ma發(fā)生強烈抬升作用[30],所以,中侏羅系的沉積物源主要來自魯東地塊,有部分來自魯西隆起。

表1 中侏羅系砂巖(SD089-1)碎屑鋯石Th/U值

另外,根據(jù)文獻[31]對膠東地區(qū)玲瓏花崗巖中鋯石的離子質(zhì)譜 U-Pb年齡的研究發(fā)現(xiàn),膠東地區(qū)玲瓏花崗巖具有大量的156 M a左右年齡(晚侏羅世)卻沒有在樣品SD089-1中出現(xiàn),明確指示這套地層是中侏羅系,而非中-晚侏羅系,由此也指示了魯東地區(qū)晚侏羅世出現(xiàn)了區(qū)域性隆起,與整個中國東部地區(qū)中-晚侏羅系大陸的抬升和隆起一致,暗示蘇魯碰撞造山帶于中-晚侏羅系已抬升至地表并開始遭受剝蝕、搬運和沉積。

3.2 392～269 M a范圍化學特征

392～269 M a區(qū)間共有14個碎屑鋯石U-Pb年齡,占全部年齡數(shù)據(jù)的17.2%,相對概率峰值為344 M a(圖3a)。該組數(shù)據(jù)的諧和度分布區(qū)間為74%～98%,8個碎屑鋯石年齡數(shù)據(jù)諧和度大于90%,2個碎屑鋯石年齡數(shù)據(jù)諧和度介于80%～90%之間,4個碎屑鋯石年齡數(shù)據(jù)諧和度介于70%～80%之間,是主要的不諧和年齡分布區(qū)間。基于測試技術和當時信號的分析,該段年齡值是可靠的。在14顆碎屑鋯石中,約64.3%的鋯石Th/U比值大于0.8,35.7%的 Th/U比值介于0.1～0.73之間。結(jié)合CL圖揭示的顆粒形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構分析,如圖 4d、圖 4e、圖 4f,認為這組碎屑鋯石以巖漿成因為主,而魯西、魯東地區(qū)均未發(fā)現(xiàn)類似年齡。淄博盆地該段年齡的物源是否只局限于魯西隆起和膠東地塊需進一步研究。

圖4 中侏羅系砂巖(SD 089-1)部分碎屑鋯石的CL圖片

3.3 2 603～846 M a范圍化學特征

該樣中年齡在2 603～846 M a的鋯石有57顆,可分為以下年齡段:1 043～846 M a、1 998～1 817 Ma、2 603 ～ 2 202 M a。

(1)該樣中1 043～846 Ma的碎屑鋯石年齡有3個,占總有效數(shù)據(jù)的3.6%。846～1 031 M a年齡的諧和度均為99%,Th/U比值為0.52～0.89,CL圖顯示顆粒形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構為巖漿成因,如圖4 k、圖4l所示。魯東地區(qū)新元古代花崗質(zhì)片麻巖類鋯石U-Pb同位素年齡為753～896 M a[32]。魯東官山霓石堿性花崗巖鋯石形成年齡為818±66 M a[33]。而在魯西地區(qū)很少出露類似年齡。

(2)1 998M a～1 817M a年齡范圍碎屑鋯石突出的化學特征是具有低的Th/U比值,在25顆碎屑鋯石中,約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。結(jié)合CL圖揭示的顆粒形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構分析,如圖4n、圖4o、圖4p、圖 4q、圖4r所示,認為這組碎屑鋯石以變質(zhì)成因為主,約96%的碎屑鋯石顯示出變質(zhì)成因,并且具有無分帶、海綿狀分帶等特征。

1 998～1 817 Ma區(qū)間共有25個碎屑鋯石U-Pb年齡,占全部年齡數(shù)據(jù)的30.7%,算術平均值為1 883 M a,相對概率峰值為1 878 Ma,92%碎屑鋯石的諧和度大于90%,由圖2b可見,該段年齡諧和性和集中程度較好。魯西隆起和魯東地塊均有類似年齡出露:蘇魯造山帶榮成超高壓地體片麻巖鋯石釹模式年齡變化平均約1 930 Ma[34]。魯西地區(qū)也出露了更多的與該區(qū)間類似的年齡,如:魯西地區(qū)下常莊巖體中磁鐵角閃巖鋯石年齡(1 855±8)M a[35]。該年齡區(qū)間與華北克拉通變質(zhì)基底物質(zhì)年齡非常相似。

(3)2 603～2 202 Ma區(qū)間共有29個碎屑鋯石U-Pb年齡,占總有效數(shù)據(jù)的35.8%,其算數(shù)平均數(shù)為2 477 Ma,相對概率峰值為2 529 M a,如圖3b所示,該區(qū)年齡的諧和度均大于90%,其諧和性和集中程度較高,如圖2b所示。在這29顆碎屑鋯石中,24.1%的Th/U比值大于0.8,31%的Th/U比值小于0.4,CL圖顯示以變質(zhì)成因為主,約65.5%的碎屑鋯石顯示出變質(zhì)成因,如圖4v、圖4w 、圖 4x、圖4y、圖4z所示,并且具有海綿狀、冷杉葉狀、弱分帶、無分帶等特征。

魯西地區(qū)下常莊巖體中磁鐵角閃巖鋯石年齡(2 014±8)M a和(2 394±9)M a[31],新太古界雁翎關組中花崗質(zhì)巖石的形成時代 2 014±8M a[35],魯東地區(qū)海陽所變質(zhì)基性巖年齡為2 252±180 Ma,文獻[36]報道過魯西銅石巖體鋯石年齡在 2 485～2 512 Ma之間,其中2 518±11M a年齡,代表了巖體侵位過程中捕獲的新太古代五臺期鋯石的年齡,與本樣品中的鋯石年齡數(shù)據(jù)SD089-1-62的207Pb/206Pb表面年齡值(2 522±17 M a)類似,文獻[27]測得山東新泰孟家屯巖漿鋯石年齡為2 561 Ma,文獻[37]獲得了魯西孟家屯一種細粒斜長角閃巖的鋯石年齡為2 604±11 M a,與本樣品中的鋯石年齡數(shù)據(jù)SD089-1-22的207Pb/206Pb表面年齡值(2 604±17 Ma)類似。因此,本文認為圖 3b中的峰值2 500 Ma代表了華北克拉通基底物質(zhì)的存在。

本文不僅從年代學的角度提供中侏羅系淄博盆地沉積物源主要來自魯東,還可以從該層位或該樣品(SD089-1)的其他方面提供關于三臺組沉積物源主要來自魯東的證據(jù):①砂巖碎屑重礦物高分辨率研究,通過中侏羅系5個砂巖樣品(包括SD089-1)的碎屑重礦物高分辨率研究及魯西、魯東地區(qū)重礦物的背景資料研究發(fā)現(xiàn),這些樣品中以穩(wěn)定和較穩(wěn)定重礦物為主,較穩(wěn)定重礦物含量較高,主要為石榴石和磷灰石,總含量為24.7%～41.6%,由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所人工重砂鑒定報告證實,樣品SD089-1中石榴石體積比為27.74%;②從巖相學角度看,膠東石榴石多為粉紅色-玫瑰紅色[38,39],而魯西石榴石多為粉紅色和玫瑰色,部分為棕色和褐紅色,棕色和褐紅色石榴石在魯東地區(qū)不發(fā)育[40];金紅石在魯東地區(qū)出現(xiàn),在魯西地區(qū)并不發(fā)育。河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所人工重砂鑒定報告證實,樣品SD089-1中石榴石以粉紅色為主,黃紅色少,并且該巖石樣品中有金紅石出現(xiàn)。

因此,綜合年代學、碎屑重礦物高分辨率、巖相學的研究認為,淄博盆地的中侏羅系沉積物的物源主要為魯東地區(qū)和魯西隆起,且魯東地區(qū)的貢獻大于魯西地區(qū)。

4 結(jié) 論

淄博盆地的中侏羅系沉積的潛在源區(qū)——魯東地塊與魯西隆起的年齡組成相當復雜。本文首次從碎屑鋯石LA-ICPMS U-Pb定年研究證明:①魯東地塊和魯西隆起對淄博盆地的中侏羅系物源均有貢獻,且此時期魯東地區(qū)的物源貢獻大于魯西隆起;②在中-晚侏羅系,魯東地區(qū)的蘇魯造山帶已經(jīng)抬升至地表,形成東高西低的格局,并開始遭受剝蝕、搬運和沉積,進而向其以西的盆地提供物源。

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