黑龍江省老黑山盆地下白堊統(tǒng)穆棱組砂巖地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

徐銀波，李 鋒，張家強(qiáng)，孫平昌，畢彩芹，仝立華，李 昭

(1.中國地質(zhì)調(diào)查局 油氣資源調(diào)查中心，北京 100083；2.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，吉林 長春 130061)

0 引 言

在區(qū)域構(gòu)造位置上，老黑山盆地位于張廣才嶺—太平嶺邊緣隆起帶[1-2]。該構(gòu)造帶西以方正—橫道河子—長汀巖石圈斷裂為界，與豐茂—亞布力地槽褶皺帶相連，東以牡丹江巖石圈斷裂為界，與佳木斯—布列亞地塊相接[3]。該盆地前期主要開展了煤田勘探工作，結(jié)合從煤田收集的資料，2003—2006年吉林大學(xué)對(duì)本區(qū)開展了油頁巖的初步評(píng)價(jià)[4]，總體上該區(qū)油頁巖勘探程度很低，研究薄弱。為進(jìn)一步開展油頁巖勘探工作，2014年中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心在該盆地部署了一口全取心油頁巖勘探井寧油頁1井。筆者在對(duì)巖心詳細(xì)的觀察和系統(tǒng)測試分析的基礎(chǔ)上，對(duì)穆棱組砂巖的地球化學(xué)特征進(jìn)行分析，探討其物源屬性及大地構(gòu)造背景，以期對(duì)盆地的進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)性依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

老黑山盆地位于我國東北地區(qū)興凱地塊之內(nèi)[5-7](圖1)。在古生代期間，興凱地塊主要受古亞洲洋構(gòu)造域演化的影響，閉合地點(diǎn)多趨向于晚二疊世沿索倫—西拉木倫—長春—延吉一線[8-10]，之后古亞洲洋構(gòu)造域向?yàn)I太平洋構(gòu)造域構(gòu)造體制開始轉(zhuǎn)變，使本區(qū)經(jīng)歷了較為復(fù)雜的構(gòu)造活動(dòng)和巖漿活動(dòng)，形成了一系列大的構(gòu)造斷裂，老黑山盆地便形成于這些斷裂帶之中。

圖1 老黑山盆地大地構(gòu)造位置(據(jù)文獻(xiàn)[10])Fig.1 Tectonically location of the Laoheishan Basin(from reference [10])

老黑山盆地位于黑龍江省東寧縣境內(nèi)，為一含煤小型山間斷陷盆地，面積約為400 km2(圖1)。構(gòu)造上處于新華夏系第二隆起東緣，盆地的產(chǎn)出位置和形態(tài)受北北東向的六道崴子—十八盤山斷裂帶和煤窯山—九佛溝地塹式斷層控制[4]。

盆地充填地層由老到新分別為下白堊統(tǒng)穆棱組(K1ml)、東山組(K1ds)，古近系船底山組玄武巖(βN2c)、新近系更新統(tǒng)(Q3)和全新統(tǒng)(Q4)以及第四系。本區(qū)煤和油頁巖賦存于下白堊統(tǒng)穆棱組，該地層地表出露較少，與上覆東山組呈平行不整合接觸[4]。

穆棱組可進(jìn)一步劃分為2個(gè)段，底部為礫巖段，整體為灰綠色礫巖，屬于沖積扇沉積，上部為含煤段，主要為泥巖、粉砂巖、細(xì)砂巖，以扇三角洲沉積為主，局部發(fā)育湖泊沉積。

2 取樣分析

本文樣品采自寧油頁1井(圖2)，該井鉆穿了穆棱組地層，具有很好的研究價(jià)值。由于該井穆棱組礫巖段主要為灰綠色礫巖，故所選取的15塊砂巖樣品全部采自含煤段。每塊樣品間隔范圍16.3～20.55 m(圖3)，平均為17.8 m，所取樣品巖性為中砂巖、細(xì)砂巖。樣品測試分析由吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)測試中心完成，主量元素分析依據(jù)GB/T14506.28，運(yùn)用熔片法X-射線熒光光譜(XRF)，分析誤差小于1%。微量元素和稀土元素依據(jù)Q/JUTC010—2007，主要采用等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)，分析誤差小于5%。

圖2 老黑山盆地地質(zhì)圖(據(jù)文獻(xiàn)[11])Fig.2 Geological map of the Laoheishan Basin(from reference [11])

圖3 老黑山盆地寧油頁1井取樣位置圖Fig.3 Sampling location of NY-1 well in the Laoheishan Basin

3 鏡下特征及地球化學(xué)特征

3.1 鏡下特征

本次在寧油頁1井穆棱組含煤段采集砂巖樣品10塊，進(jìn)行磨片分析。運(yùn)用面積法，在薄片不同區(qū)域選取10個(gè)觀察區(qū)域，運(yùn)用顯微鏡攜帶的統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行大體的單顆粒面積圈定，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)各種顆粒類型的面積相對(duì)含量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，該組砂巖主要由石英(平均含量為62.7%)和長石(平均含量為21.0%)組成(圖4(a))，巖屑平均含量為5.3%，并含有少量的黑云母，為長石中細(xì)砂巖。長石成分中鉀長石含量(平均含量為11.5%)大于鈉長石含量(平均含量為9.5%)。巖屑主要為花崗巖巖屑、脈石英巖屑、變質(zhì)石英巖巖屑、火山巖巖屑等(圖4(b))。因此，其母巖為多種巖性，且源巖的巖性也決定了砂巖組成成分中石英含量偏高。砂巖中填隙物含量比較高，多以鈣質(zhì)膠結(jié)物為主(圖4(c))，呈點(diǎn)接觸，孔隙式膠結(jié)，砂巖顆粒分選中等到差，磨圓以次棱角狀—次圓狀為主(圖4(d))，屬于短距離搬運(yùn)的近源沉積物。

3.2 地球化學(xué)特征

3.2.1 主量元素特征

老黑山盆地穆棱組砂巖主量元素(表1)顯示主要組成成分為SiO2、Al2O3和K2O。其中SiO2含量最高，分布區(qū)間較集中，為53.56%～72.14%，平均含量65.41%。

老黑山盆地砂巖Fe2O3的含量(平均1.36%)小于FeO的含量(平均1.83%)，而CaO的含量(平均1.38%)大于MgO的含量(平均0.69%)，這與一般的沉積巖特征正好相反。而K2O的含量(平均為3.02%)大于Na2O的含量(平均為2.10%)，Al2O3含量(平均為16.4%)大于K2O+Na2O+CaO含量之和(均值之和為7.06%)，又與一般沉積巖特征相符。這種現(xiàn)象應(yīng)為由物源巖性引起，同時(shí)反映出物源距離較近。

3.2.2 微量元素特征

老黑山盆地穆棱組砂巖微量元素UCC標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖5)顯示所有樣品的B、Sc、V、Co、Ni、Rb、Nb、Cs元素都表現(xiàn)為相對(duì)虧損的特征；除個(gè)別樣品外多數(shù)樣品中Li、Cr、Cu、Zn、Y、Zr、Mo元素相對(duì)富集，但其含量普遍低于UCC頁巖；而Ga、Sr元素在部分樣品中較為富集，部分樣品則呈現(xiàn)出虧損特征。整體來說，各樣品間的元素富集、虧損規(guī)律并不一致，此外，從圖5中可以看出各樣品之間各元素的相對(duì)含量差異很大，從而判斷該區(qū)可能存在多種類型的物源。

圖4 寧油頁1井穆棱組砂巖鏡下照片F(xiàn)ig.4 Microscope pictures of sandstones in Muling Formation of NY-1 Well

樣品SiO2Al2O3Fe2O3FeOCaOMgOK2ONa2OTiO2P2O5MnO燒失量N153.5610.621.221.8812.780.842.902.000.350.040.4113.04N265.4514.282.942.451.411.393.652.720.370.070.085.11N369.8015.280.111.961.070.943.802.820.630.100.032.98N470.0115.151.031.151.160.943.852.890.490.090.032.72N569.1915.472.510.671.922.810.471.080.160.050.015.48N672.1414.500.531.230.950.773.783.000.490.100.032.26N766.9918.061.260.741.211.253.412.540.510.100.023.85N866.8117.031.061.670.931.003.432.550.720.120.044.38N971.7915.230.531.230.520.503.842.150.460.040.033.22N1059.5422.090.971.470.590.832.401.120.830.020.019.86N1167.0515.520.851.721.100.782.961.980.550.070.027.27N1264.4218.252.060.901.831.913.182.690.530.200.023.77N1363.3116.181.812.942.051.373.122.470.650.140.075.56N1460.9522.151.511.720.610.782.541.270.850.060.037.06N1560.2016.241.985.790.931.192.000.230.850.030.0710.23

圖5 穆棱組砂巖微量元素UCC標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(UCC數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[12])Fig.5 UCC-normalized spider diagram of sandstones in Muling Formation (UCC data according to reference [12])

3.2.3 稀土元素特征

從表2可以看出：砂巖的ΣREE含量在69.58×10-6～172.75×10-6之間，平均為115.68×10-6；δEu在0.49～1.04之間，部分樣品負(fù)異常明顯，少量樣品不存在負(fù)異常；w(La)N/w(Yb)N比值為3.23～19.56，平均值為8.83，并結(jié)合w(LREE)/w(HREE)分布于4.37～14.82之間，平均值為8.22，表明多數(shù)樣品為輕稀土富集。進(jìn)一步根據(jù)老黑山盆地穆棱組砂巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(圖6)可以看出，總體而言，各樣品都表現(xiàn)出右傾的趨勢，即輕稀土元素與重稀土元素分異明顯。

圖6 穆棱組砂巖稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(球粒隕石數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[13])Fig.6 Chondrite-normalized REE distribution patterns of sandstones in Muling Formation (Chondrites data according to reference [13])

4 地質(zhì)意義

4.1 風(fēng)化作用及沉積分選

由于氧化作用和U的丟失，w(Th)/w(U)值隨著風(fēng)化程度的增加而增加，當(dāng)w(Th)/w(U)>4時(shí)表明與風(fēng)化作用有關(guān)[13]。老黑山盆地穆棱組砂巖w(Th)/w(U)-w(Th)圖解(圖7)顯示，w(Th)/w(U)值總體處于上地殼w(Th)/w(U)=3.8之下，表明老黑山盆地的物源區(qū)處于弱到中等風(fēng)化程度，也呈現(xiàn)出老黑山盆地物源快速隆起剝蝕、近距離搬運(yùn)埋藏的特征。

圖7 穆棱組砂巖w(Th)/w(U)-w(Th)圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[14]) Fig.7 Diagram of Th/U-Th of sandstones in MulingFormation (base map from reference [14])

沉積分選與再循環(huán)往往會(huì)造成重礦物的富集，從而引起某些元素的富集[14]。鋯石是Zr元素主要賦存的礦物，同時(shí)礦物穩(wěn)定性很強(qiáng)，會(huì)隨著沉積再循環(huán)而富集在沉積物中。Th通常在酸性巖中賦存，相反Sc賦存在基性巖中，w(Th)/w(Sc)值在沉積再循環(huán)過程中不會(huì)發(fā)生改變，因此常被用來進(jìn)行物源化學(xué)成分變化的研究[15]；而w(Zr)/w(Sc)值往往因沉積再循環(huán)過程中鋯石的富集而增大，且不受后期熱液稀釋等作用的影響[15]。因此，w(Zr)/w(Sc)和w(Th)/w(Sc)值是反映沉積物成分變化、分選程度、重礦物富集程度的重要指標(biāo)。老黑山盆地穆棱組砂巖w(Zr)/w(Sc)-w(Th)/w(Sc)圖解(圖8)顯示砂巖樣品點(diǎn)群分布在該圖解中上地殼區(qū)域周圍，表明這套砂巖沒有經(jīng)歷沉積再循環(huán)，為近源沉積，源巖主要為長英質(zhì)巖石。

4.2 砂巖源巖屬性

稀土元素的地球化學(xué)特征對(duì)于指示源巖具有重要意義[16]。一般Sc、Ni、Cr、Ni、Cr、Co傾向于在基性巖石中富集，而La、Th、Hf、Zr和REE傾向富集于酸性巖石[17]。本區(qū)樣品的輕稀土較為富集，La等元素的相對(duì)含量也較高，表明本區(qū)砂巖物源主要來自于酸性巖石。但是在部分樣品中Eu負(fù)異常不明顯，而砂巖中未發(fā)現(xiàn)玄武巖等基性巖巖屑，說明Eu的含量受其他因素的影響。根據(jù)本區(qū)δEu與w(LREE)/w(HREE)呈現(xiàn)較為明顯的正相關(guān)性(圖9)，說明在長英質(zhì)巖石為主的物源中Eu含量相對(duì)較高，這可能與砂巖中存在較多的長石有關(guān)。

表2 老黑山盆地穆棱組砂巖微量稀土元素?cái)?shù)據(jù)(wB/10-6)

圖8 穆棱組砂巖w(Zr)/w(Sc)-w(Th)/w(Sc)圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[14])Fig.8 Diagram of Zr/Sc-Th/Sc of sandstones in Muling Formation(base map from reference [14])

圖9 穆棱組砂巖δEu-w(LREE)/w(HREE)相關(guān)性圖解Fig.9 Diagram of δEu-LREE/HREE of sandstones in Muling Formation

w(La)/w(Th)-w(Hf)圖解(圖10)顯示,老黑山盆地穆棱組含煤段砂巖源巖可能來自長英質(zhì)、基性巖混合物源，酸性島弧物源。

圖10 穆棱組砂巖w(La)/w(Th)-w(Hf)圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[18])Fig.10 Diagram of La/Th-Hf of sandstones in Muling Formation(base map from reference [18])

w(Co)/w(Th)-w(La)/w(Sc)圖解(圖11)顯示，老黑山盆地穆棱組含煤段砂巖源巖主要來自長英質(zhì)火山巖，其他來源包括花崗巖和安山巖。這兩個(gè)圖解均表明該套砂巖物源除了主要來自長英質(zhì)火山巖外還存在其他類型的物源，和微量元素富集虧損及巖屑類型所反映出的物源信息一致。

圖11 穆棱組砂巖w(Co)/w(Th)-w(La)/w(Sc)圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[19])Fig.11 Diagram of Co/Th-La/Sc of sandstones in Muling Formation (base map from reference [19])

4.3 物源區(qū)大地構(gòu)造背景

4.3.1 地球化學(xué)

圖12 穆棱組砂巖沉積構(gòu)造環(huán)境判斷圖(底圖據(jù)文獻(xiàn)[20])Fig.12 Tectonic setting discrimination diagram of sandstones in Muling Formation (base map from reference[20])

部分微量元素在巖石中是不活潑的，在搬運(yùn)和沉積過程中表現(xiàn)出微弱變化，能很好地反映物源區(qū)的源巖形成時(shí)的構(gòu)造環(huán)境[20]。在微量元素w(Th)-w(Co)-w(Zr)/10、w(Th)-w(Sc)-w(Zr)/10、w(La)-w(Th)-w(Sc)構(gòu)造環(huán)境判別圖解(圖12)中顯示，老黑山盆地穆棱組含煤段砂巖投點(diǎn)主要落在大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣兩個(gè)區(qū)。

4.3.2 鏡下鑒定

圖13 穆棱組砂巖組分Dickinson圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[22])Fig.13 Dickinson diagram of sandstones in Muling Formation(base map from reference [22])

通過對(duì)樣品粒度統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)砂巖碎屑并沒有受到成巖作用和后期變質(zhì)作用改造，各種顆粒基本完整，幾乎沒有影響碎屑含量及類型。通過鏡下統(tǒng)計(jì)并在Dickinson三角圖解[21-23]中投點(diǎn)，從而獲得物源區(qū)大地構(gòu)造背景信息。在Dickinsion 的Q-F-L、Qm-F-Lt、Qm-P-K和Qp-Lv-Ls三角圖解(圖13)中顯示老黑山盆地穆棱組砂巖的物源組分主要落在再旋回造山源區(qū)，成熟度和穩(wěn)定性為中等到差。由鏡下組分分析知道，物源以長英質(zhì)巖石為主，可能源自基底隆起的花崗巖剝蝕和弧造山等。

5 討 論

綜上所述，微量元素、稀土元素地球化學(xué)特征及巖屑類型表明：老黑山盆地下白堊統(tǒng)穆棱組砂巖的源巖以長英質(zhì)火山巖、花崗巖等為主，主要來自再旋回火山造山帶和基底隆起區(qū)。源巖區(qū)構(gòu)造背景主要為活動(dòng)大陸邊緣，這與吉黑東部中生代巖漿活動(dòng)所反映的構(gòu)造背景基本相吻合[24-25]。通過對(duì)吉黑東部晚三疊世—早中侏羅世巖漿活動(dòng)的研究可知：在黑龍江省東寧、綏芬河、雞東以及吉林省汪清、琿春一帶有晚三疊世—早中侏羅世火山巖系分布，同時(shí)亦有更為廣泛分布的印支晚期花崗巖類侵入體，二者屬同源同期不同相的產(chǎn)物。該巖漿帶多分布在敦化—密山深斷裂的東南側(cè)，整個(gè)巖帶的延伸方向大體與亞洲東緣的深海溝相平行[24]。通過對(duì)東寧地區(qū)晚三疊世末期花崗巖地球化學(xué)特征研究，花崗巖主要屬于中鉀鈣堿性系列，具有活動(dòng)大陸邊緣花崗巖的特征[26]。通過對(duì)火山巖巖石學(xué)和地球化學(xué)性質(zhì)分析，火山巖以鈣堿性火山巖為主，與安第斯型活動(dòng)大陸邊緣的火山巖的巖石組合和地球化學(xué)特征相似，反映這一地區(qū)在晚三疊世—早中侏羅世處于安第斯型活動(dòng)大陸邊緣[25]。這與文中砂巖物源區(qū)構(gòu)造背景類似。前人研究[25,27-29]表明：晚三疊世—早中侏羅世時(shí)期，在印支運(yùn)動(dòng)作用下，太平洋板塊向歐亞板塊開始俯沖，太平洋與亞洲大陸之間沿西太平洋貝尼奧夫帶發(fā)生強(qiáng)烈擠壓，使中國東部濱太平洋構(gòu)造域強(qiáng)烈活動(dòng)，導(dǎo)致亞洲東部的穩(wěn)定大陸邊緣轉(zhuǎn)變?yōu)榛顒?dòng)大陸邊緣，強(qiáng)烈的大陸邊緣造山運(yùn)動(dòng)形成巖漿侵入或碰撞帶火山系等再旋回造山源區(qū)。上述吉黑東部晚三疊世大規(guī)模巖漿噴發(fā)和侵入活動(dòng)正是這一構(gòu)造的產(chǎn)物。本次研究所揭示的老黑山盆地下白堊統(tǒng)穆棱組碎屑沉積組分的源區(qū)構(gòu)造背景為活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境，并結(jié)合研究區(qū)及周圍地質(zhì)圖中老黑山盆地西部太平溝—北部九佛溝中生代巖體分布圖分析認(rèn)為，其源巖主要來自于晚三疊世的長英質(zhì)火山巖和印支晚期侵入巖，而少量可能來自于晚二疊世的變質(zhì)巖。

上述研究表明，晚三疊世—早中侏羅世，當(dāng)太平洋板塊向歐亞板塊俯沖時(shí)，吉黑東部大陸邊緣地帶，即太平嶺、長白山一帶發(fā)生活化，形成造山后的伸展環(huán)境，促進(jìn)了包括老黑山盆地、東寧盆地在內(nèi)的小型山間斷陷盆地的發(fā)育，并有強(qiáng)烈的巖漿噴溢—侵入活動(dòng)，這些噴溢和侵入的火山巖快速抬升隆起，經(jīng)剝蝕和搬運(yùn)，充填在這些盆地中[26]。

6 結(jié) 論

(1)老黑山盆地下白堊統(tǒng)穆棱組砂巖微量元素、稀土元素和顯微鏡下特征表明，其源巖具有多種巖性，巖石類型以長英質(zhì)火山巖為主，含少量變質(zhì)巖，經(jīng)歷了弱到中等風(fēng)化，分選磨圓較差，為近源搬運(yùn)，快速沉積。

(2)穆棱組碎屑組分源巖主要形成于印支運(yùn)動(dòng)晚期活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造背景下的再旋回島弧造山源區(qū)和陸塊物源基底隆起區(qū)。

(3)穆棱組源巖主要來自于晚三疊世的長英質(zhì)火山巖和侵入巖，而少量可能來自于晚二疊世的變質(zhì)巖。