沁水盆地中晚三疊世地層沉積學(xué)、年代學(xué)研究及其對恢復(fù)鄂爾多斯原型盆地的意義

劉溪　李文厚

摘要：為研究鄂爾多斯盆地中晚三疊世東緣的沉積范圍，對其東部的沁水盆地榆社地區(qū)中晚三疊世沉積地層進(jìn)行實測，運(yùn)用沉積學(xué)原理判斷沉積環(huán)境，劃分沉積旋回，同時運(yùn)用LA－ICP－MS碎屑鋯石U－Pb同位素年代學(xué)方法，探討地層物質(zhì)來源。研究結(jié)果表明，沁水盆地榆社地區(qū)中晚三疊世地層以長石砂巖和泥巖沉積為主，砂巖粒度較粗，顏色變化較大，泥巖以紫紅色為主，地層厚度較薄，上部剝蝕，保存不全，沉積相以三角洲相為主，展現(xiàn)了一個較為完整的水進(jìn)水退旋回，并與鄂爾多斯盆地本部為連續(xù)沉積。碎屑鋯石年齡范圍為220～2 600 Ma， 大致可分為3個年齡段（2 300～2 600，1 600～2 100，220～400 Ma）。與周緣地體年齡數(shù)據(jù)進(jìn)行對比認(rèn)為，其物源主要來自華北板塊北緣陰山—大青山—烏拉山一帶出露的變質(zhì)結(jié)晶基底、孔茲巖帶與海西—印支期花崗巖，也可能有華北克拉通沉積蓋層再旋回物源，與現(xiàn)今鄂爾多斯盆地東部三疊系延長組碎屑物源一致，因此推測中晚三疊世沁水盆地與鄂爾多斯盆地可能屬于同一沉積盆地。

關(guān)鍵詞：沉積相;鋯石U－Pb年齡;中晚三疊世;沁水盆地;鄂爾多斯盆地

中圖分類號：P531

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020－03－017

The sedimentology and chronology study on the Middle－Late

Triassic strata of the Qinshui Basin and its significance for

the restoration of the prototype Ordos Basin

LIU XiLI Wenhou2

Abstract： To study the extension range of eastern Ordos Basin in Middle－Late Triassic， this paper measured Middle－Late Triassic strata in Yushe area of the Qinshui Basin， which lies at the east direction of the Ordos Basin. Based on the principle of sedimentology， to determine the sedimentary environment and divide the sedimentary cycles.At the same time， the U－Pb isotopic chronology method of zircon from LA－ICP－MS is used to discuss the material source. The results show that， the Middle－Late Triassic strata of Qinshui Basin is mainly composed of arkose and mudstones. Ssndstones have coarse grain size and markablely changed colors， mudstones are predominently purple. The thickness of the stratum is thin， the upper part is eroded， and the preservation is incomplete. The sedimentary facies of the research area is dominated by delta facies， showing a relatively complete cycle of water inflow and recession and is continuous with the Ordos Basin. The age range of detrital zircon is mainly from 220～2 600Ma and can be roughly divided into three groups： 2 600～2 300Ma， 2 100～1 600Ma and 400～220Ma. A comparative study of the age structure with peripheral terranes indicates that the provenance mainly comes from the metamorphic crystalline basement， khondalite belt， Hercynian－Indosinian granite exposed in the Yinshan－Daqingshan－Wulashan area of the northern margin of the North China plate， and may also be from the resediment of the North China Craton sedimentary cover. It is consistent with the clastic provenance of Yanchang Formation of Triassic in the east of Ordos Basin， so it is speculated that Qinshui Basin and Ordos basin may belong to the same sedimentary basin in the Middle－Late Triassic.

Key words： sedimentary facies; zircon U－Pb age; Middle－Late Triassic; Qinshui Basin; Ordos Basin

現(xiàn)今的鄂爾多斯盆地位于華北板塊西部，南鄰祁連—秦嶺—大別造山帶，北接陰山造山帶，四周被一系列小型次級盆地環(huán)繞，礦產(chǎn)資源豐富，無論從地質(zhì)意義上講，還是經(jīng)濟(jì)意義上講，都是中國非常重要的沉積盆地之一［1-2］。中晚三疊世是鄂爾多斯盆地構(gòu)造和盆地性質(zhì)上一個非常重要的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，受到了大量地質(zhì)學(xué)工作者的關(guān)注。其中一個重要的關(guān)注點(diǎn)，就是有關(guān)大華北盆地，即當(dāng)時的鄂爾多斯盆地三疊紀(jì)原始沉積范圍和沉積相展布的問題。學(xué)者研究認(rèn)為，中晚三疊世，盆地沉積廣泛，遠(yuǎn)超現(xiàn)今鄂爾多斯盆地的范圍，雖然北部及西部邊緣相清晰，但東部及南部由于后期強(qiáng)烈的抬升剝蝕作用，未見邊緣相［3-4］。現(xiàn)今的研究主要集中在盆地的西南部，通過沉積、地層、地震等證據(jù)，認(rèn)為其西南緣邊界位于西華山—六盤山斷裂東側(cè)，盆地延長組原始沉積與六盤山相互連通，河西走廊與環(huán)縣地區(qū)上三疊統(tǒng)屬于同一沉積體系［5-10］，而南部邊界應(yīng)越過渭河盆地，推測可延伸至北秦嶺［11-13］。但是，盆地東緣缺少系統(tǒng)性研究。因此，本此研究選擇位于現(xiàn)今鄂爾多斯盆地東部的沁水盆地作為研究區(qū)，進(jìn)行沉積學(xué)及年代學(xué)方面的研究，探討其與鄂爾多斯盆地在中晚三疊世的關(guān)聯(lián)性，從而為研究該時期原始盆地的沉積范圍提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

沁水盆地地理位置位于山西省中西部，區(qū)域構(gòu)造位于華北克拉通中部，鄂爾多斯盆地東部，東靠太行山，西臨呂梁山，北部和南部分別被陰山造山帶和秦嶺造山帶兩大構(gòu)造單元約束。盆地總體呈長軸狀沿北北東—南南西向延伸（見圖1）。

前人研究認(rèn)為，盆地主要發(fā)育的地層有前寒武系的碎屑巖、碳酸鹽巖、變質(zhì)巖和火山巖［14］;寒武系—奧陶系的碳酸鹽巖、砂礫巖和頁巖;上石炭統(tǒng)的黏土巖、煤線、窩狀鐵礦等;二疊系發(fā)育太原組、山西組、石盒子組和石千峰組;三疊系發(fā)育劉家溝組、二馬營組、銅川組和少量延長組;侏羅系發(fā)育中統(tǒng)黑風(fēng)組，上覆第三系、第四系黏土。其中，三疊系地層覆蓋于盆地腹部，保存較為完整。

本研究選取沁水盆地榆社輝教村中晚三疊統(tǒng)地層進(jìn)行沉積剖面實測，在此基礎(chǔ)上，通過巖石學(xué)、沉積學(xué)分析和碎屑巖鋯石定年技術(shù)，識別沉積特征，討論碎屑物源，并與鄂爾多斯盆地東緣三疊系剖面進(jìn)行對比，探討鄂爾多斯盆地三疊系東部沉積的展布范圍。

2 沉積特征

根據(jù)山西省區(qū)域地質(zhì)志記載，山西省中晚三疊世與鄂爾多斯盆地中上三疊統(tǒng)延長組同期地層為中三疊統(tǒng)晚期銅川組與上三疊統(tǒng)延長組。本研究對位于山西省晉中市榆社縣的輝教村剖面進(jìn)行了實測，剖面位置N37°11′20″，E112°43′2″。剖面整體巖性以長石砂巖、泥巖為主，砂巖顆粒較粗，厚度較大，顏色較雜，泥巖顏色較單一，以紫紅色為主，垂直厚度約290 m。與上覆中侏羅統(tǒng)黑風(fēng)組不整合接觸，與下伏中三疊統(tǒng)二馬營組整合接觸。剖面沉積特征詳述如下（見圖2）。

中三疊統(tǒng)晚期，銅川組依據(jù)巖性可分為兩段：下段以灰綠色、灰黃色、肉紅色等厚層至巨厚層斑狀中細(xì)粒長石砂巖為主，發(fā)育槽狀交錯層理、平行層理，夾灰色、灰綠色、黃綠色、灰紫色砂質(zhì)泥巖、泥巖、頁巖薄層，局部地區(qū)夾暗黃綠色晶屑凝灰?guī)r，判斷其為辮狀河三角洲平原相沉積;上段由灰色中—厚層中砂巖夾紫紅色泥巖為主體組成，向上砂層由厚變薄，顏色由灰色變?yōu)榛揖G色，泥巖厚度逐漸增厚，為三角洲平原向三角洲前緣沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變。

上三疊統(tǒng)延長組下部與下伏銅川組連續(xù)沉積，整合接觸，下部巖性以紫紅色泥巖為主，夾灰綠色細(xì)砂巖，向上砂層逐漸變厚，可見垂直蟲孔、植物葉片、蘆木化石等代表三角洲前緣或淺湖環(huán)境的古生物，結(jié)合巖性特征，判斷其應(yīng)為淺湖向三角洲前緣沉積環(huán)境轉(zhuǎn)變。中部出現(xiàn)厚約43 m的淺黃綠色厚層中砂巖，向上泥巖顏色變?yōu)榛易仙?、灰綠色與紫紅色交替出現(xiàn)，并與灰白色、灰黃色中細(xì)砂巖互層。頂部泥巖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯百|(zhì)泥巖，頂部被剝蝕，保存不全并與中侏羅統(tǒng)底部黑風(fēng)組含礫石英砂巖不整合接觸。中上部相比下部巖性逐漸變粗，砂巖含量逐漸增加，為三角洲平原沉積。

因此，整體上看，榆社輝教村剖面早期以辮狀河三角洲平原為開端，經(jīng)三角洲平原、三角洲前緣向淺湖相過渡，表現(xiàn)為砂體層厚逐漸變??；中期又從淺湖經(jīng)三角洲前緣向三角洲平原過渡，基本為一個完整的水進(jìn)水退旋回。

3 碎屑鋯石U－Pb同位素年齡測試

3.1 樣品描述及測試方法

本研究3個碎屑鋯石樣品YS－1，YS－7，YS－12分別采自榆社輝教村剖面銅川組底部灰綠色長石中砂巖、延長組中部灰綠色中砂巖和淺黃綠色長石中砂巖（采樣位置在圖2中標(biāo)出）。從陰極發(fā)光照片上看（見圖3），3個樣品鋯石顆粒整體磨圓較好，說明經(jīng)歷了再沉積搬運(yùn)作用，個別年輕鋯石晶形較好，呈短柱狀，顆粒粒徑在100～200 μm。鋯石顆粒上可見清晰的振蕩環(huán)帶，部分鋯石環(huán)帶較弱，但呈現(xiàn)明顯的核幔結(jié)構(gòu)，說明研究區(qū)鋯石整體以巖漿鋯石為主，但也受到后期地質(zhì)事件的影響而發(fā)生了變質(zhì)。由于鋯石形態(tài)多樣，因此樣品整體呈現(xiàn)碎屑鋯石的特點(diǎn)。

由于不同成因的鋯石Th，U含量不同，因此通常情況下，Th／U比值能在一定程度上作為鋯石成因的判定標(biāo)志，即巖漿鋯石Th／U>0.4，變質(zhì)鋯石Th／U<0.1。雖然目前部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，這個標(biāo)準(zhǔn)并不絕對，但仍可以作為參考［15-16］。研究區(qū)鋯石Th／U比值絕大多數(shù)大于0.1，均為巖漿成因（見圖4）。

本次碎屑鋯石樣品U－Pb同位素定年測試采用激光剝蝕等離子質(zhì)譜分析方法（LA－ICP－MS），激光剝蝕系統(tǒng)為GeoLas Pro，ICP－MS為Agilent 7700x。選用91500和GJ－1作為標(biāo)樣，數(shù)據(jù)處理采用Glitter 4.4 程序，置信度95％，誤差為1σ。實驗在中國地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心國土資源部巖漿作用成礦與找礦重點(diǎn)實驗室完成。

3.2 U－Pb同位素年齡特征

本次對3個樣品的分析測試，共獲得了295顆碎屑鋯石的U－Pb同位素年齡數(shù)據(jù)，在協(xié)和度取值90％～110％的前提下，共有291個數(shù)據(jù)可靠，這些年齡基本均位于協(xié)和線上（見圖5）。樣品的年齡分布特征如表1。

由表1可以看出，研究區(qū)3個碎屑鋯石樣品的諧和年齡范圍大致相同，從220 Ma至2 600 Ma，只在YS－1樣品中有一顆鋯石諧和年齡達(dá)到（2 941±17）Ma。從分布頻率直方圖上可以看出，其諧和年齡大致分為3個年齡組：①220～400 Ma（YS－1樣品37顆，峰值249 Ma;YS－7樣品31顆，峰值247 Ma;YS－12樣品31顆，峰值254 Ma）;②1 600～2 100 Ma（YS－1樣品15顆，峰值1 855 Ma;YS－7樣品19顆，峰值1 770 Ma;YS－12樣品11顆，未出現(xiàn)明顯峰值）;③2 300～2 600 Ma（YS－1樣品43顆，峰值2 514 Ma;YS－7樣品47顆，峰值2 446 Ma;YS－12樣品55顆，峰值2 502 Ma）（見圖6）。

3.3 測年結(jié)果討論

3.3.1 2 300～2 600 Ma 此年齡組是研究區(qū)所采樣品中最主要的年齡組合，樣品峰值均集中在2 500 Ma左右，主要為太古代—古元古代年齡，對應(yīng)于微陸塊拼合及華北克拉通化事件，也是華北克拉通變質(zhì)結(jié)晶基底年齡；華北板塊西部北緣，主要記錄于內(nèi)蒙的固陽、武川、色爾騰、阿拉善等地的、2.6～2.5 Ga的TTG片麻巖、鎂鐵質(zhì)—超鎂鐵質(zhì)侵入巖和少量表殼巖［17］；在華北板塊南緣，主要記錄于太華群的熊耳山斜長角閃巖（2.5～2.3 Ga）、小秦嶺黑云母片麻巖（2.5～2.3 Ga）［18］、閃長質(zhì)片麻巖（2 338 Ma）［19］等巖體及登封群的花崗-綠巖體（2.5～2.6 Ga）［20］等巖體中。

3.3.2 1 600～2 100 Ma

此年齡段在研究區(qū)樣品中占比較少，樣品峰值集中在1 800 Ma左右，代表古元古代年齡，對應(yīng)于使華北克拉通最終形成的東西部陸塊拼合事件［13］。其主要以孔茲巖系、TTG片麻巖和麻粒巖為代表?？灼潕r系沿華北板塊西部北緣的集寧、大青山—烏拉山、千里山—賀蘭山，自東向西分布。前人獲得的變質(zhì)年齡分別為1.92，1.95，1.94，2.0～2.3 Ga，（1 950±8）Ma，原巖年齡在2.0～2.15 Ga［21-23］。該巖系將華北克拉通西部陸塊分為北部陰山地塊與南部鄂爾多斯地塊，其巖體年齡記錄了兩個地塊碰撞拼合的時間。在華北板塊南緣，對應(yīng)于熊耳群的雙峰式火山巖（1 750～1 950 Ma）［24］、汝陽群和洛峪群的凝灰?guī)r（1 750～1 600 Ma）［25］以及官道口群的變沉積巖（1 850，2 500 Ma）［26］年齡。

3.3.3 220～400 Ma 此段年齡在研究區(qū)樣品中主要集中在230～330 Ma，只在YS－12樣品中存在一顆397 Ma左右的鋯石，3個樣品峰值年齡均在250 Ma左右，對應(yīng)于海西—印支期運(yùn)動。早石炭世晚期—中二疊世（330～265 Ma）期間，古亞洲洋板塊開始向華北板塊北緣俯沖，烏拉山地區(qū)發(fā)育年齡約330 Ma的二長花崗巖、正長花崗巖、輝長閃長巖等［27］，大青山同盛茂地區(qū)發(fā)育晚石炭世火山巖（305 Ma）［28］，小井溝發(fā)育花崗巖（275 Ma±1 Ma）［29］。另外，代表巖體有烏拉特中旗花崗閃長巖（291 Ma±4 Ma）、石蘭哈達(dá)石英閃長巖（299 Ma±4 Ma）、烏梁斯太花崗巖（277 Ma±3 Ma）、烏拉特中旗石英閃長巖（276 Ma±4 Ma）等;二疊紀(jì)末—三疊紀(jì)（250～200 Ma）為古亞洲洋閉合、西伯利亞板塊與華北板塊拼合碰撞的時間，大青山地區(qū)發(fā)育陶勒蓋巖體（224 Ma±3 Ma）、圪臭山巖體、沙德蓋巖體（211.2 Ma±0.7 Ma）［30］，整個華北板塊北緣自東向西發(fā)育印支期花崗巖體（207～227 Ma）［31］。除此之外，華北板塊北緣還發(fā)育一系列印支期礦床［32-33］。鄂爾多斯盆地南部秦嶺造山帶中，北秦嶺帶不發(fā)育此段年齡，南秦嶺帶內(nèi)發(fā)育一系列印支期花崗巖體，如東江口花崗閃長巖（247～223 Ma）［34-36］、柞水花崗巖（224 Ma）［37］、五龍石英閃長巖（225～235 Ma）［38］等。

3.4 物源區(qū)限定

從上述分析可以看出，研究區(qū)中晚三疊世，主要潛在物源區(qū)包括華北板塊北部陰山地塊、南部華北板塊南緣、秦嶺造山帶以及華北板塊沉積蓋層。3個樣品中，印支期—海西期年齡的鋯石（230～330 Ma，峰值250 Ma）可與陰山—大青山地區(qū)，由于古亞洲洋閉合，西伯利亞板塊與華北板塊北緣碰撞的造山事件引起的一系列巖體（330～207 Ma）對比。同時，秦嶺造山帶勉略洋的俯沖閉合也在南秦嶺形成了大量的花崗巖（300～207 Ma）。除此之外，古元古代晚期—新太古代（2 300～2 600 Ma，峰值2 500 Ma）是樣品的高頻峰值區(qū)，可對應(yīng)陰山地塊新太古代晚期片麻狀花崗巖、TTG片麻巖，古元古代早期麻粒巖，與華北板塊新太古代（～2.5 Ga）微陸塊拼合的構(gòu)造巖漿事件也有很好對應(yīng)。古元古代年齡（1 600～2 100 Ma，峰值1 800 Ma）可對應(yīng)陰山地塊孔茲巖系年齡（1.92～2.3 Ga）以及華北板塊東西陸塊拼合的構(gòu)造巖漿事件（～1.85 Ga），但此段年齡多集中于1.8 Ga左右，1.9 Ga年齡顆粒較少，判斷此段年齡顆粒可能更多來源于華北板塊內(nèi)部。華北板塊前三疊紀(jì)地層碎屑鋯石樣品中多見此3段年齡，而秦嶺造山帶前寒武年齡并不發(fā)育，且樣品中沒有秦嶺造山帶代表性的加里東期與晉寧期年齡，可以排除其作為物源區(qū)的可能。因此判斷，研究區(qū)樣品物源來自華北板塊蓋層再旋回和華北北緣陰山地塊。

4 討 論

現(xiàn)今的鄂爾多斯盆地原屬華北板塊，中晚三疊世，在華南板塊與華北板塊自東向西碰撞產(chǎn)生的由南向北的擠壓力及西伯利亞板塊與華北板塊碰撞拼合產(chǎn)生的阻力共同作用的影響下，鄂爾多斯盆地北部抬升，南部下降，開啟了陸相拗陷湖盆的歷史，并形成了完整記錄這個大型淡水湖泊形成、擴(kuò)展、萎縮、消亡過程的地層——延長組。因此，延長組可視為一個完整的水進(jìn)、水退旋回。

通過本研究結(jié)果可知，研究區(qū)中上三疊統(tǒng)，雖頂部遭受剝蝕保存不全，但仍能識別出一個完整的水進(jìn)、水退旋回，雖不像鄂爾多斯盆地本部可以識別出5個完整的次一級旋回，但是二者之間仍有較好的對應(yīng)性。結(jié)合山西省區(qū)域地質(zhì)志認(rèn)為，研究區(qū)銅川組可對應(yīng)鄂爾多斯盆地延長組早期T3y1-2（長10～長8），其中下部性段對應(yīng)長10油層組，上部性段對應(yīng)長9—長8油層組;延長組下部性段對應(yīng)本部延長組中期T3y3（長7～長4+5），上部性段對應(yīng)本部延長組晚期T3y4+5（長3～長1），只是上部巖性段保存不全，存在剝蝕。

本研究還將鄂爾多斯盆地東部延長延河剖面、延安云巖河剖面與榆社輝教村剖面相關(guān)連，建立沉積相對比圖（見圖7）。從圖7可以看出，研究區(qū)中晚三疊世的地層厚度明顯薄于鄂爾多斯盆地本部，符合當(dāng)時的構(gòu)造背景。延長組早期，從研究區(qū)向西，沉積相由辮狀河三角洲平原過渡到延安地區(qū)曲流河相，再向西過渡到延長地區(qū)淺湖相；延長組中期，從研究區(qū)向西，由三角洲平原相為主過渡到延安地區(qū)三角洲前緣相為主，再向西過渡到延長地區(qū)三角洲前緣和淺湖相;延長組晚期，研究區(qū)只保留了底部少量地層，其余剝蝕殆盡，但整體看來，從研究區(qū)向鄂爾多斯盆地本部未發(fā)生跳相，符合瓦爾特相律，推測可能為連續(xù)沉積。

同時，由本次碎屑鋯石年代學(xué)研究結(jié)果可知，榆社地區(qū)中晚三疊世碎屑物源應(yīng)主要來自北部陰山—大青山地區(qū)與華北板塊沉積蓋層再旋回，與前人對鄂爾多斯盆地東北部延長組地層碎屑物源研究結(jié)果一致［40］。因此，推測在中晚三疊世沉積時期，研究區(qū)應(yīng)與現(xiàn)今鄂爾多斯盆地屬于同一沉積盆地。

5 結(jié) 論

1） 榆社地區(qū)中晚三疊世以長石砂巖和泥巖沉積為主，砂巖顏色變化較大，泥巖以紫紅色為主；沉積相以辮狀河三角洲平原為開端，經(jīng)歷三角洲平原、三角洲前緣、淺湖，隨后又向三角洲前緣、三角洲平原變化，展現(xiàn)了一個較為完整的水進(jìn)、水退旋回。

2） 榆社地區(qū)中晚三疊世3個砂巖樣品LA－ICP－MS碎屑鋯石U－Pb同位素定年結(jié)果顯示為3個年齡段：2 300～2 600，1 600～2 100，220～400 Ma。其中，2 300～2 600 Ma對應(yīng)華北克拉通微陸塊拼合事件，碎屑鋯石物源區(qū)主要為華北北緣陰山—大青山一線，內(nèi)蒙固陽等地出露的結(jié)晶基底；1 600～2 100 Ma對應(yīng)華北克拉通東西陸塊拼合事件，碎屑鋯石物源區(qū)主要指示為華北北緣孔茲巖系；220～400 Ma對應(yīng)海西—印支運(yùn)動，碎屑鋯石物源主要為華北北緣烏拉山—大青山一帶海西—印支期花崗巖。除此之外還有來自華北板塊內(nèi)部沉積蓋層再旋回物源。

3）榆社地區(qū)中晚三疊世地層與現(xiàn)今鄂爾多斯盆地本部具有一致性，地層厚度變化符合構(gòu)造背景，沉積相變化連續(xù)，物源一致，推測該時期沁水盆地與鄂爾多斯盆地可能屬于同一個沉積盆地。

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（編 輯 雷雁林）

收稿日期：2020－03－25

基金項目：國家自然科學(xué)青年基金資助項目（41702117）；國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金資助項目（41330315）

作者簡介：劉溪，女，吉林榆樹人，博士，從事沉積學(xué)、石油及天然氣開發(fā)研究。

通信作者：李文厚，男，山東沂南人，西北大學(xué)教授，從事沉積學(xué)研究。