内蒙古东部旧司阶重矿物在沉积物源分析中的应用以内蒙古西部额济纳旗及邻区石炭系二叠系为例

内蒙古东部旧司阶重矿物在沉积物源分析中的应用以内蒙古西部额济纳旗及邻区石炭系二叠系为例

物源分析在确定沉积物物源的位置、性质和运移路径，甚至整个盆地的沉积作用和结构发展方面发挥着重要作用。对额济纳旗及邻区石炭纪—二叠纪沉积背景、物源区分布、沉积体系等存在着不同的认识,王廷印等认为,早、中石炭世阿拉善右旗恩格尔乌苏一带保存了洋盆环境;何世平等认为,北山在早石炭世初期红石山-百合山-蓬勃山发育有限洋,石炭纪末结束板块构造格局,进入陆内演化;夏林圻等认为,天山古生代洋盆在早石炭世前已经闭合,从早石炭世至早二叠世发生大规模的裂谷作用;徐学义等则认为,板内裂谷作用从晚泥盆世已经开始,一直持续到中二叠世,个别地区延伸到晚二叠世;卢进才等认为,额济纳旗及邻区石炭纪—二叠纪盆地为统一的裂谷(裂陷)盆地,整体为“两坳一隆”的沉积格局,属典型的裂谷盆地沉积建造,广泛发育滨浅海相和海相火山岩沉积,早石炭世—早二叠世紫松阶,表现为由西北向东南的上超沉积,早二叠世隆林阶—中二叠世冷坞阶,表现为显著下超沉积的特征。笔者以重矿物分布特征为切入点,统计了旧司阶—吴家坪阶(罗苏阶—达拉阶没有采集到样品)的80件碎屑岩重矿物样品的测试结果,通过分析不同剖面的重矿物组合特征,结合沉积体系、古水流测量、岩石学特征及区域地质背景,目的在于阐明研究区石炭纪—二叠纪沉积物源体系,为盆地分析提供依据。1盆地沉积演化额济纳旗及邻区晚泥盆世—二叠纪为统一的裂谷盆地———北山-巴丹吉林裂谷盆地,由北向南超覆沉积。可进一步划分为4个二级构造单元,即黑鹰山-额济纳旗坳陷带、马鬃山-拐子湖中间隆起带(包括马鬃山凸起、绿园-拐子湖凹陷、赛汉陶来古陆和切刀古陆)、柳园-巴丹吉林坳陷带和巴彦诺日公陆相断陷带。表现出两坳一隆的构造特征。石炭系—二叠系沉积相的纵向演化表现为4个由粗到细的沉积旋回。由于盆地演化的不均一性或沉积超覆等特征,盆地演化具有明显由西北向东南超覆的特征。早期沉积范围较小,西部自早石炭世早期的汤粑沟阶开始接受沉积,沉积了绿条山组及其以上地层;东部恩格乌苏断裂以北自早石炭世晚期的旧司阶开始接受沉积,沉积了白山组及其以上地层。盆地发育的鼎盛时期为晚石炭世晚期的小独山阶—早二叠世的紫松阶,全区广泛分布阿木山组(西部为干泉组),表现为由西北向东南方向上超沉积。自早二叠世隆林阶开始沉积范围逐渐缩小,晚二叠世吴家坪阶仅额济纳旗—雅干一带以北接受了哈尔苏海组的沉积,表现为由南向北的下超沉积。2前石炭纪地层组合特征银额盆地及邻区石炭纪—二叠纪存在2个主要的沉积物源区带,即南部敦煌-阿拉善-狼山古陆和中部马鬃山-拐子湖中间隆起带,两者的前石炭纪地层岩性组合特征存在明显差异。2.1岩浆岩体系敦煌-阿拉善-狼山古陆以阿尔金断裂为界,东西地层分布和岩石学特征存在显著差异。阿尔金断裂以西前石炭系包括:中太古界—古元古界敦煌杂岩岩石组合,为片麻岩、斜长角闪岩、石英片岩、大理岩及混合岩;长城系古硐井群岩石组合,为变质砂岩、千枚岩、板岩;蓟县系—青白口系园藻山群,为碳酸盐岩、碎屑岩互层;南华—震旦系,由砾岩、泥质岩、碳酸盐岩组成;寒武系,为碳硅质岩、泥碎屑岩、碳酸盐岩;奥陶系,为陆源碎屑岩、碳硅质岩、碳酸盐岩;志留系,为低成熟度陆源碎屑岩。晋宁期岩浆岩规模小,呈小岩株零星出露,以中酸性侵入岩为主。阿尔金断裂以东前石炭系包括:新太古界—古元古界,包括乌拉山群、阿拉善群、宝音图群,为高角闪岩相—绿片岩相变质,岩石组合为石英片岩、大理岩、片麻岩,乌拉山群内有古元古界中酸性变质侵入体侵入。长城-蓟县系为碎屑岩、泥质岩、碳酸盐岩不等厚互层,分布零星。南华—震旦系以碳酸盐岩为主。早古生代地层和泥盆系为一隆起区,未接受沉积。晋宁期和加里东期中酸性侵入岩比较发育,呈岩株状,侵入于基底地层中。2.2切刀古隆岩岩界该带属于北山-巴丹吉林裂谷盆地内部的次级低幅度隆起带,包括马鬃山、赛汉陶来、切刀3个古陆,赛汉陶来古隆起被中生界和第四系覆盖,地层及侵入岩情况不明。马鬃山古陆地层包括:新太古界—古元古界北山杂岩,为黑云石英片岩、黑云斜长片麻岩、大理岩、变粒岩;南华纪—震旦纪,为裂陷海槽火山-重力流沉积、碎屑沉积;寒武系,为碳硅质岩、泥质碎屑岩、碳酸盐岩;奥陶系,为弧后盆地碎屑岩、火山岩夹碳酸盐岩;志留系,为火山岩-碎屑岩;泥盆系,为滨浅海相碎屑岩、碳酸盐岩。晋宁—加里东期侵入岩发育,以石英闪长岩、英云闪长岩、花岗闪长岩及二长花岗岩为主。切刀古隆起地层包括:新太古界—古元古界北山杂岩,为白云石大理岩夹黑云斜长片麻岩、变粒岩、变质流纹岩;蓟县系—青白口系硅质白云岩、黑色硅质岩。寒武系—奥陶系为硅质岩、碳硅质板岩、薄层灰岩。志留系为硅质板岩、泥质板岩、粉砂岩、杂砂岩;泥盆系为碎屑岩夹灰岩。晋宁期侵入岩主要为基性侵入体,规模小,切刀古隆起向北东方向延入蒙古境内,构造属于准格尔微板块东延部分,推测有晋宁期基性—酸性侵入岩侵入基底地层中。3物源区和岩石区的重矿物组合分析方法重矿物是比重大于2.89的矿物,它们在搬运沉积过程中,性质不稳定的重矿物随着搬运距离的增大而逐渐减少,稳定重矿物的相对含量逐渐升高,碎屑岩中的重矿物组合及其含量与物源、沉积环境及古气候条件相联系。矿物之间有严格的共生关系,所以重矿物组合是物源变化极为敏感的指示剂。重矿物组合分析法对物源区研究用处颇大,尤其是在矿物种类较复杂、受控因素较多的地区特别有用。具体的重矿物组合形式、分析方法根据不同地区的特点而有差异。重矿物分析方法对母岩性质具有一定的要求,火山岩和变质岩作为母岩时,其中的重矿物经历的搬运、沉积次数较少,受后期的影响小,保留的一般较好,能够很好地反映源区的性质。本次采集的重矿物分析样品主要为白山组、阿木山组(西部干泉组)、埋汗哈达组(西部双堡塘组)、阿其德组(西部菊石滩组)和哈尔苏海组。3.1柱、圆、圆状旧司阶—德坞阶(白山组)是盆地发育的初期,随着海水南浸,盆地沉积范围变大,两坳一隆的格局显现,研究区主要在西部地区接受沉积。本次分析的重矿物样品主要分布在苦水沟剖面和小狐狸山剖面,重矿物特征见表1。重矿物锆石分为2种,一种以粉黄色为主,半自形柱状及短柱状,次滚圆柱粒状少,透明、弱金刚光泽,高硬度,表面较光滑,断口有溶磨痕迹,该类锆石磨圆度较低—中等,分选性较好,搬运痕迹不太明显,推测锆石距母岩区较近。另一种为玫瑰色,次滚圆或滚圆粒状、柱粒状,透明—半透明,弱金刚光泽—毛玻光泽,高硬度,表面从较光滑—较粗糙呈过渡状,断口有溶磨痕迹,该锆石磨圆度较高,分选性较好,搬运痕迹略明显,推测锆石(图1)为略经搬运而来的,在2个剖面中锆石都以近源锆石为主。该时期重矿物组合特征分为2个区(图2),红石山-黑鹰山坳陷(小狐狸山剖面)重矿物组合为锆石+磷灰石,出现白钛石、角闪石、辉石等矿物;红柳大泉坳陷带(苦水沟剖面)重矿物组合为锆石+电气石+金红石+磷灰石,出现白钛石、绿帘石、角闪石等矿物。红石山-黑鹰山坳陷未见金红石,电气石含量极低,红柳大泉坳陷锆石、电气石含量比前者高。3.2盆地内部重矿物组合特征小独山阶—紫松阶(东部阿木山组,西部干泉组)海水进一步南侵,盆地沉积范围达到最大,是盆地发育的鼎盛时期。本次分析的该时期的重矿物样品主要分布在努尔盖、乌兰敖包1、查古尔、尚丹、264界碑、阿伦功、芒罕超克、野马井、大狐狸山、小狐狸山等剖面,重矿物特征见表2。该时期重矿物组合特征分为5个区(图3),红石山-黑鹰山坳陷(大狐狸山、小狐狸山剖面),重矿物组合为锆石+磷灰石,出现重晶石、绿帘石,角闪石等指示源区的矿物,重矿物含量低。红柳大泉坳陷(野马井剖面),重矿物组合为锆石+磷灰石+电气石+金红石,出现白钛石、角闪石、绿帘石等矿物。盆地西部2个坳陷重矿物组合有差异,盆地东部芒汗超克坳陷(查古尔剖面和乌兰敖包剖面)重矿物组合为锆石+磷灰石+金红石+电气石,与西部坳陷组合特征不同。恩格尔乌苏断裂以北乌登汗地区重矿物组合为锆石+金红石+磷灰石+电气石。盆地南部(努尔盖剖面)重矿物组合为锆石+石榴子石+金红石+电气石+磷灰石,与其它剖面最大的区别是含榍石,可能与其特殊的母岩性质有关。3.3试验区和测年青树叶片超克提出物隆林阶—罗甸阶(埋汗哈达组)开始进入海退旋回,海水向北退,盆地南部水体变浅。本次分析的重矿物样品主要分布在恩格尔乌苏、努尔盖、杭乌拉和碧云泉剖面,重矿物特征见表3。该时期重矿物组合特征分为4个区(图4),柳园-芒汗超克坳陷南部努尔盖地区重矿物组合为石榴子石+锆石+金红石+电气石+磷灰石,石榴子石含量大于锆石;东北部的杭乌拉和恩格尔乌苏地区重矿物组合为锆石+石榴子石+磷灰石+电气石+金红石,锆石含量占主导,两者在组合类型上相似,但各矿物百分含量有差异。恩格尔乌苏剖面有3个样品的搬运锆石含量为50%,其余样品近源锆石占80%以上,指示可能存在混合物源;西部的柳园坳陷重矿物组合为锆石+磷灰石+金红石+石榴子石+电气石;黑鹰山-额济纳旗坳陷的碧云泉剖面重矿物组合为锆石+磷灰石+石榴子石,与该时期的其它3个剖面不同,指示来自不同物源。3.4上地壳重矿物组合类型特征祥播阶—冷坞阶(东部阿其德组,西部菊石滩组)海水继续北退,盆地范围缩小。本次分析的重矿物样品主要分布在阿其德、芒汗超克、芦草井、卡路山、煤窑西山和古硐井剖面,重矿物特征见表4。该时期重矿物组合特征分为4个区(图5)。东部芒汗超克坳陷阿其德剖面重矿物组合为锆石+磷灰石+金红石+石榴子石,芒汗超克剖面重矿物组合为石榴子石+锆石+电气石+磷灰石+金红石,两者重矿物组合类型不同,指示来自不同的物源区。西部的柳园坳陷卡路山、煤窑西山剖面矿物组合特征相似,为锆石+磷灰石+金红石+石榴子石+电气石,其中煤窑西山剖面近源锆石含量99%,指示离南部的物源区近,卡路山剖面搬运锆石占8%~12%,指示可能受混合物源的影响。北部黑鹰山-额济纳旗坳陷重矿物组合为锆石+磷灰石+石榴子石。3.5成岩改造及重矿物特征该期盆地分布范围急剧萎缩,仅在研究区北部哈尔苏海—杭乌拉一带发育海相沉积,两坳夹一隆沉积格局消失。本次分析的重矿物样品主要分布在蒙根乌拉和478剖面,重矿物特征见表5。该期2个剖面的重矿物组合特征一致(图6),为锆石+磷灰石+金红石+电气石+石榴子石,指示二者物源区相同,其中478剖面搬运锆石含量个别可达15%,说明离物源区稍远,沉积物经过一定距离的搬运。4地区物源区界面特征不同的碎屑重矿物组合往往是不同母岩类型的反映。巴丹吉林盆地内部红石山-黑鹰山坳陷、红柳大泉坳陷、锡林浩特坳陷和马鬃山-拐子湖中间隆起带东部珠斯棱凹陷重矿物组合及含量存在明显差异,它们应是来自不同源区或多个源区重矿物的综合反映。自下向上盆地同一构造单元重矿物组合有规律地变化,是源区不断抬升遭受剥蚀,母岩类型发生变化的结果。碎屑岩岩石学特征也对判别物源有重要的指示意义,研究区南部主要受敦煌-阿拉善-狼山古陆物源区控制,各剖面石英含量较高,具有矿物成熟度较高的特点。如乌兰敖包剖面阿木山组以石英砂岩为主;研究区中部石英含量具有由南向北逐渐降低的趋势,反映由南向北敦煌-阿拉善-狼山古陆作为物源的影响逐渐减小,如埋汗哈达剖面埋汗哈达组石英含量分布在30%~55%之间;研究区北部主要受中间隆起带物源区的影响,碎屑岩成分成熟度极低,如芦草井剖面菊石滩组石英平均含量仅为8%,长石平均含量一般为8.5%,岩屑含量达70.0%。南部剖面(努尔盖、乌兰敖包和古硐井)碎屑岩普遍含变质岩岩屑,反映物源来自南部的敦煌-阿拉善-狼山古陆,中部和北部碎屑岩岩屑成分主要为火山岩和碳酸盐岩,几乎不含变质岩屑,反映来自不同的物源区,其中杭乌拉剖面和埋汗哈达剖面含变质岩岩屑,应来自切刀古陆,指示了中间隆起带的存在。碎屑岩结构成熟度受沉积物源、水动力条件、搬运方式、搬运距离等因素的影响,其平面分布规律也可指示物源区的分布。研究区碎屑岩结构成熟度平面变化规律为:受敦煌-阿拉善-狼山古陆沉积物源控制的剖面,结构成熟度高于受马鬃山-拐子湖中间隆起带物源控制的剖面;受马鬃山-拐子湖中间隆起和敦煌-阿拉善-狼山古陆2个物源双重控制的剖面介于其间,即由南向北,碎屑颗粒分选和磨圆变差,胶结物含量增高。4.1两提出沉积构造的原则早石炭世旧司期—德坞期海水进一步南侵,盆地沉积范围扩大。阿拉善古陆为沉积盆地的主要物源区,中间隆起带由马鬃山古陆、赛汉陶来古陆和切刀古陆构成古陆链,不仅是重要的物源区,而且控制了盆地沉积的基本格架,两坳一隆的沉积构造格局形成,即北山地区北部的黑鹰山坳陷和南部的柳园坳陷。黑鹰山坳陷的小狐狸山剖面和柳园坳陷的苦水沟剖面,重矿物组合显示二者具有不同的物源区,结合盆地的沉积演化特征,苦水沟剖面沉积物源来自南部的阿拉善古陆,小狐狸山剖面沉积物源来自赛汉陶来古陆(图2),好比如剖面采集的碎屑岩锆石年龄为412~506Ma,反映物源来自下古生界寒武系—泥盆系,佐证了切刀古陆的存在,提供了好比如地区白山组的物源。4.2物源区和沉积单元晚石炭世小独山期—紫松期海水不断南侵,南部到达努尔盖地区,东部沉积边界到达乌兰敖包地区,沉积范围达到最大,是盆地发育的鼎盛时期。重矿物组合特征显示北部黑鹰山—额济纳旗坳陷的大狐狸山和小狐狸山剖面与南部坳陷的野马井剖面不同,指示它们来自不同的物源区。结合盆地的沉积体系特征,小狐狸山和大狐狸山剖面沉积物源来自赛汉陶来古陆,野马井剖面沉积物源来自敦煌-阿拉善古陆西部;东部的乌兰敖包和查古尔剖面沉积物源来自敦煌-阿拉善古陆东部;恩格尔乌苏剖面根据砾石排列方向测量的古水流方向由北向南,佐证了切刀古陆在该期是物源区;南部的努尔盖剖面重矿物组合显示其沉积物源也来自敦煌-阿拉善古陆东部,但其母岩性质特殊,形成了不同于其它剖面的重矿物组合(图3)。4.3沉积体系及沉积相研究区在早二叠世隆林期—罗甸期逐渐表现为以海退为主的下超沉积。埋汗哈达早期虽然海侵范围较阿木山期没有明显减小,但海水变浅,滨海相沉积范围显著扩大。埋汗哈达期的古地貌特征有所变化,中间隆起带的赛汉陶来古陆已不存在,马鬃山古陆与切刀古陆继续存在,两坳一隆的沉积构造格局已不显著。该时期有3种不同的重矿物组合类型,分别以碧云泉剖面、杭乌拉剖面和恩格尔乌苏剖面、努尔盖剖面为代表。结合盆地沉积体系特征分析,碧云泉剖面沉积物源来自马鬃山古陆;努尔盖剖面沉积物源来自敦煌-阿拉善古陆;杭乌拉和恩格尔乌苏剖面沉积物源主要来自切刀古陆。其中,恩格尔乌苏剖面有3个样品近源锆石含量和搬运锆石含量各占50%,反应可能有2个物源区同时供给,碎屑锆石测年结果也显示存在2种锆石年龄,即436Ma±13Ma和1467Ma±110Ma,前一个年龄来自北部切刀古陆的下古生界志留系母岩,后一个年龄来自敦煌-阿拉善古陆东部蓟县系母岩,进一步佐证了该期恩格尔乌苏地区受南北2个物源区控制。南部芒汗超克坳陷水体变浅,物源可搬运至恩格尔乌苏地区(图4)。4.4沉积源区和沉积源区分析中二叠世祥播期—冷坞期研究区进一步下超,海水向北退,沉积范围向北西缩小。南部芒汗超克坳陷水体变浅,物源供给充足。阿其德剖面和芒汗超克剖面在该期重矿物组合类型不同,指示沉积物来自不同的物源区,且都以近源锆石为主,结合盆地的沉积体系特征,反映阿其德剖面沉积物源来自切刀古陆,芒汗超克