王嘹亮, 許中杰, 程日輝, 胡小強(qiáng), 劉紅艷

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510075； 2.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130061)

北黃海盆地上侏羅統(tǒng)–下白堊統(tǒng)火山巖形成時(shí)代:鋯石LA-ICP-MS U-Pb定年證據(jù)

王嘹亮1, 許中杰2, 程日輝2, 胡小強(qiáng)1, 劉紅艷2

(1.廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局 國(guó)土資源部海底礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 廣州 510075； 2.吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130061)

北黃海盆地X鉆井巖心揭示了中生界兩套碎屑巖系: 下部的暗色巖系和上部的紅色巖系。暗色巖系底部和頂部存在兩層火山巖。下層火山巖的巖石學(xué)鑒定為粗面英安巖, 化學(xué)成分位于英安巖–流紋巖分區(qū), 靠近粗面英安巖分區(qū)。上層火山巖的巖石學(xué)鑒定為碎屑碎斑英安巖, 化學(xué)成分位于英安巖分區(qū)。下層和上層火山巖鋯石的陰極發(fā)光圖像顯示出自形–半自形柱狀的晶形和韻律環(huán)帶結(jié)構(gòu), 下層粗面英安巖中22顆鋯石的206Pb/238U年齡介于141～151 Ma之間, 其加權(quán)平均年齡為145±2 Ma。上層碎屑碎斑英安巖中 18顆鋯石的206Pb/238U年齡介于139～149 Ma之間, 其加權(quán)平均年齡為141±2 Ma。反映X井火山巖屬于晚侏羅世晚期–早白堊世早期, 因此這套暗色巖系應(yīng)為晚侏羅世–早白堊世地層。對(duì)比山東半島中生代巖漿作用的年代學(xué)和地球化學(xué)資料發(fā)現(xiàn), 北黃海盆地與膠萊盆地火成巖可能具有相同的動(dòng)力學(xué)機(jī)制, 形成于與俯沖有關(guān)的火山弧或弧后伸展環(huán)境背景。

北黃海盆地； 火山巖； 中生代； LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年

北黃海盆地位于中朝板塊東南部, 屬于膠遼地塊和朝鮮半島北部狼林地塊上發(fā)育的中–新生代盆地(圖1), 是由一系列地塹、半地塹式坳陷組成的拉張斷陷盆地(何將啟等, 2007)。中?新生代是北黃海盆地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁和劇烈變化時(shí)期, 印支、燕山和喜山運(yùn)動(dòng)對(duì)其現(xiàn)今構(gòu)造格局起到?jīng)Q定性作用。三疊紀(jì)的印支運(yùn)動(dòng)形成了由南東向北西逆沖、逆掩的大型拆離斷層, 對(duì)構(gòu)造格局及后來(lái)的多期裂陷伸展和構(gòu)造反轉(zhuǎn)等產(chǎn)生了深刻影響(李丕龍, 2003)。磁力資料顯示, 北黃海盆地內(nèi)火山巖發(fā)育, 盆地中存在一條規(guī)模較大的深大斷裂, 火成巖沿?cái)嗔焉嫌? 形成了一連串高磁異常(馬文濤等, 2005； 李文勇, 2007)。

中生界是北黃海盆地油氣勘探的目的層, 朝鮮鉆井已證實(shí)西朝鮮灣盆地具有工業(yè)性油氣流(金仁植等, 2006； 龔建明等, 2007； 劉振湖等, 2007)。北黃海盆地因與西朝鮮灣盆同屬一個(gè)盆地, 應(yīng)具有良好油氣潛力和勘探前景(李廷棟等, 2002； 馮志強(qiáng)等, 2002；賴(lài)萬(wàn)忠, 2002)。近年來(lái)我國(guó)在這一區(qū)域進(jìn)行勘探與鉆探, 獲得了寶貴的巖心資料。鉆井巖心揭示存在中生界, 包括下部暗色碎屑巖系和上部紅色碎屑巖系。X井顯示出暗色巖系的底部和頂部存在有兩層火山巖(圖2)。暗色巖系中的黑色泥巖是北黃海盆地中生界主要烴源巖(劉振湖等, 2007)。這套暗色巖系被認(rèn)為是中?下侏羅統(tǒng)(蔡峰, 1997), 但缺少測(cè)年數(shù)據(jù)支持,兩層火山巖為此提供可行的測(cè)年樣品?；鹕綆r中還保存有巖漿源區(qū)和構(gòu)造背景等信息(肖龍等, 2006； 夏換等, 2011), 這也為今后對(duì)北黃海盆地火山巖進(jìn)行細(xì)致深入的地球化學(xué)研究, 探討盆地發(fā)育機(jī)制、區(qū)域巖漿活動(dòng)和大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征提供了可能。

本文主要對(duì)北黃海盆地中生界暗色巖系中的火山巖進(jìn)行巖石學(xué)和鋯石U-Pb年代學(xué)研究, 為北黃海盆地地層年代提供測(cè)年證據(jù), 為盆地演化動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供約束。

1 巖石學(xué)特征及分析方法

1.1 樣品采集及巖石學(xué)特征

X井巖心的火山巖發(fā)育在3760.0～3780.0 m井段(下層)和2594.0～2675.0 m井段(上層), 厚度分別是20 m和81 m(圖2)。前期工作中, 作者在X井下層和上層火山巖中分別采集了2塊樣品進(jìn)行了元素地球化學(xué)分析和構(gòu)造背景探討(王嘹亮等, 2013)。為提高研究深度和精度, 本次研究在下層火山巖中又采集3塊, 上層火山巖中又采集5塊樣品。樣品重新統(tǒng)一編號(hào), 下層樣品6塊, 上層樣品7塊, 取樣位置和深度如圖2和表1所示。

1.2 巖性及巖相

圖1 北黃海盆地構(gòu)造位置圖(何將啟等, 2007)Fig.1 Tectonic location of the North Yellow Sea basin

表1 火山巖樣品的采集深度和巖性Table 1 The type of volcanic rocks and the depths of the samples collected from X well

圖2 北黃海盆地X井綜合柱狀圖及取樣位置Fig.2 Integrated columnar section and the sampling locations of the X well in the North Yellow Sea basin

根據(jù)巖心觀察和顯微鏡鑒定, 兩層火山巖巖性的一個(gè)突出特點(diǎn)是具有斑狀結(jié)構(gòu), 且基質(zhì)中有微晶甚至發(fā)育細(xì)晶。下層火山巖粗面結(jié)構(gòu)明顯, 斑晶多為斜長(zhǎng)石和正長(zhǎng)石且有熔蝕, 基質(zhì)呈玻晶交織結(jié)構(gòu)及長(zhǎng)石定向性明顯, 反映流動(dòng)特征(圖3a～d)。下層火山巖綜合定名為粗面英安巖, 由于其偏堿和偏中性,黏性較流紋巖低, 流動(dòng)性較好, 基質(zhì)結(jié)晶程度較好,為溢流相。上層火山巖雖然有花崗斑巖的面貌, 具有石英(熔蝕港灣狀)、長(zhǎng)石和黑云母(黏土蝕變和碳酸鹽化)斑晶和玻璃質(zhì)?微晶基質(zhì), 但含有大量的以角礫級(jí)為主的流紋巖碎屑。這些棱角明顯的流紋巖碎屑有較規(guī)則輪廓, 呈方形或多邊形, 也有因熔蝕而成的弧形彎曲邊緣, 同時(shí)碎屑內(nèi)部流紋構(gòu)造發(fā)育, 并含有熔蝕的石英晶屑(圖3e～j)。綜合分析定名為含碎屑碎斑英安巖(或英安質(zhì)角礫熔巖), 為侵出相外帶。侵出相為巖漿噴發(fā)后期的產(chǎn)物, 巖漿較緩慢的侵出地表, 在有限范圍內(nèi)流動(dòng)。先前形成的已經(jīng)冷卻收縮形成規(guī)則裂縫(與柱狀節(jié)理類(lèi)似)的流紋巖, 被侵出的巖漿撕裂并裹挾。裹挾了流紋巖碎屑的巖漿在地表有限的流動(dòng)后冷卻成巖, 位于侵出相的外帶, 而侵出相的內(nèi)帶可能出現(xiàn)花崗斑巖(潛火山巖)。X井上層火山巖位于侵出相外帶, 稍偏離火山通道中心, 揭露的巖層相比厚度不很大。推測(cè)在巖漿侵出通道的中心附近, 厚度將明顯加大, 且有侵出相內(nèi)帶花崗斑巖發(fā)育。

X井有兩層火山巖發(fā)育的暗色巖性段中砂巖地層中不僅發(fā)育正常砂巖, 而且發(fā)育凝灰質(zhì)砂巖和凝灰?guī)r(圖3k)。而且在正常砂巖中含有大量流紋巖屑,雜基中凝灰物質(zhì)富集, 起到膠結(jié)作用(圖3l)。這也說(shuō)明晚侏羅世?早白堊世期間有火山噴發(fā)活動(dòng)。

1.3 分析方法

選取B2-3和B5-3兩塊火山巖樣品各0.5～1.5 kg,進(jìn)行鋯石U-Pb年齡測(cè)試。在河北省廊坊市區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鋯石分選。先將樣品粉碎至80～100目, 并用淘選和電磁選方法進(jìn)行分離。在雙目鏡下挑選出晶形較好的無(wú)明顯裂痕和包裹體的鋯石顆粒, 將其粘貼在環(huán)氧樹(shù)脂表面, 打磨拋光后露出鋯石表面。之后進(jìn)行透射光、反射光和陰極發(fā)光(CL)圖像采集。CL圖像采集在 CAMECASX51 型電子探針儀器上完成, 分析電壓為 50 kV, 電流15 nA。鋯石制靶和顯微圖像采集, 以及鋯石LA-ICP-MS U-Pb同位素分析在中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地質(zhì)過(guò)程與礦產(chǎn)資源國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。選擇鋯石吸收程度均勻的位置進(jìn)行定年分析, 分析時(shí)光斑直徑為30 μm,激光剝蝕樣品的深度為20～40 μm。實(shí)驗(yàn)中采用He作為剝蝕物質(zhì)的載氣。鋯石年齡采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)鋯石91500作為外標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì), 元素含量采用NISTSRM 610作為外標(biāo),29Si作為內(nèi)標(biāo)。所測(cè)單點(diǎn)的同位素比值及元素含量采用ICPMSDataCal程序進(jìn)行計(jì)算,最后應(yīng)用 Isoplot3(2006)程序進(jìn)行年齡計(jì)算和諧和圖繪制。單個(gè)分析點(diǎn)的同位素比值和同位素年齡的誤差(標(biāo)準(zhǔn)偏差)為1σ。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)分析步驟和數(shù)據(jù)處理方法見(jiàn)文獻(xiàn)Yuan et al. (2004)。

2 鋯石U-Pb年代學(xué)

下層火山巖B5-3樣品中鋯石CL圖像顯示, 鋯石以自形長(zhǎng)柱狀和短柱狀為主, 裂隙發(fā)育較少, 部分顆粒含有包體, 粒徑介于50～200 μm之間, 長(zhǎng)寬比介于1∶1～4∶1之間。鋯石內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰, 振蕩生長(zhǎng)環(huán)帶發(fā)育明顯(圖4)。鋯石的Th、U 含量分別為27×10–6～155×10–6和92×10–6～216×10–6, Th/U比值介于0.3～0.99之間(表2), 有巖漿成因特點(diǎn), 鋯石年齡可以反映此粗面英安巖形成的年齡。22個(gè)測(cè)點(diǎn)的206Pb/238U年齡介于141～151 Ma之間, 其加權(quán)平均年齡為145±2 Ma, MSWD=0.25(表2, 圖6a)。此鋯石年齡顯示下層的粗面英安巖形成的時(shí)代為晚侏羅世晚期?早白堊世早期。

圖3 北黃海盆地X井火山巖樣品顯微照片F(xiàn)ig.3 Microphotographs of the volcanic rocks from the X well in the North Yellow Sea basin

上層火山巖B2-3樣品中鋯石CL圖像顯示, 鋯石呈自形長(zhǎng)柱狀、短柱狀和粒狀, 裂隙發(fā)育較少, 部分顆粒含有包體。粒徑介于50～300 μm之間, 長(zhǎng)寬比介于1∶1～6∶1之間, 內(nèi)部結(jié)構(gòu)清晰, 振蕩生長(zhǎng)環(huán)帶也發(fā)育明顯(圖5), 具有巖漿鋯石的特點(diǎn)。鋯石的Th含量在6×10–6～109×10–6之間, U含量較高在227×10–6～778×10–6之間, 鋯石的Th/U比值介于0.02～0.32之間(18個(gè)測(cè)點(diǎn)的206Pb/238U表面年齡介于139～149 Ma之間, 其加權(quán)平均年齡為141±2 Ma, MSWD=0.39(表2, 圖6b)。此鋯石年齡顯示上層的碎屑碎斑英安巖形成的時(shí)代為早白堊世早期。

X井下層火山巖形成時(shí)間為145±2 Ma, 上層火山巖形成時(shí)間為141±2 Ma。上層火成巖形成的時(shí)間要晚于下層火成巖, 是晚侏羅世晚期–早白堊世早期兩次火山噴發(fā)過(guò)程中形成的?；鹕綆r的年齡值表明暗色巖系為上侏羅統(tǒng)–下白堊統(tǒng)。

3 討 論

圖4 B5-3樣品部分鋯石CL圖像Fig.4 CL images of the zircons from the B5-3 sample

中生代火山巖在膠萊盆地和郯廬斷裂帶兩側(cè)都有發(fā)育。牟平?即墨斷裂帶是郯廬走滑斷裂系統(tǒng)的主要組成之一, 向海域延伸正好經(jīng)過(guò)北黃海盆地中部斷陷帶, 再向NE延伸與鴨綠江斷裂帶相連。牟平?即墨斷裂帶引張伸展控制了膠萊盆地東部斷陷的形成和發(fā)展, 青山期該斷裂帶成為火山活動(dòng)中心(張?jiān)罉虻? 2007)。北黃海盆地X井兩層火山巖形成于141±2～145±2 Ma, 晚于膠萊地區(qū)的玲瓏花崗巖和灤家河花崗巖(155～160 Ma), 與蘇魯造山帶北部的文登和豆古山花崗巖體鋯石年齡142～160 Ma相近似(羅鎮(zhèn)寬和苗來(lái)成, 2002), 早于青山組火山巖年齡(Ar-Ar法年齡113～122 Ma, 匡永生等, 2012； K-Ar法年齡98～138 Ma, 楊寶俊等, 2009； K-Ar法年齡93～118 Ma, 唐嘉鋒等, 2008； Ar-Ar年齡107～120 Ma,張?jiān)罉虻? 2007)。張?jiān)罉虻?2007)和匡永生等(2012)的青山組Ar-Ar年齡與牟平?即墨斷裂帶以東海陽(yáng)地區(qū)的招虎山巖體、海陽(yáng)巖體、嶗山巖體的(單顆粒鋯石U-Pb和Rb-Sr年齡110～126 Ma, 趙廣濤等, 1997)基本一致。

圖5 B2-3樣品部分鋯石 CL 圖像Fig.5 CL images of zircons from the B2-3 sample

圖6 X井暗色火山巖中鋯石U-Pb年齡諧和圖Fig.6 U-Pb concordia diagrams for zircons from the volcanic rocks in X well

表2 北黃海盆地火山巖LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年結(jié)果Table 2 LA-ICP-MS U-Pb dating results of zircons rom the volcanic rocks in the North Yellow Sea basin

北黃海盆地鉆井也揭示有花崗斑巖的發(fā)育, 其年齡也為早白堊世晚期(作者另文發(fā)表), 與之對(duì)應(yīng)。北黃海盆地及其鄰近的膠萊盆地和蘇魯造山帶在晚侏羅世到早白堊世期間發(fā)生大規(guī)模巖漿活動(dòng), 主要集中在晚侏羅世晚期?早白堊世早期和早白堊世晚期兩個(gè)階段。膠萊盆地青山組火山巖以中性?中酸性鈣–堿性系列為主, 火山巖起源于深俯沖的揚(yáng)子地殼, 可能為下地殼的部分熔融, 巖石富集大離子親石元素Ba、Th, 虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb等(Fan et al., 2001； Guo et al., 2005； 閆峻和陳江峰, 2007； 楊寶俊等, 2009)。北黃海盆地火山巖的地球化學(xué)特征(以中酸性為主, 鈣–堿性系列, 巖漿源于地殼熔融, 明顯富集Sr、Ba、U, 虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素Nb、Ta等。王嘹亮等, 2013)與之相似, 因此北黃海盆地與膠東半島的膠萊盆地火成巖可能是有相同的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。

許文良等(2004)認(rèn)為膠萊地區(qū)花崗巖形成于造山后的伸展環(huán)境。張?jiān)罉虻?2008)認(rèn)為在晚侏羅世?早白堊世, 太平洋板塊沿北西方向俯沖于歐亞板塊,是北黃海盆地伸展變形的主要?jiǎng)恿C(jī)制。斷層運(yùn)動(dòng)學(xué)也證實(shí)早白堊世北黃海盆地的構(gòu)造應(yīng)力體制以伸展作用為主(李文勇, 2007), 在蘇魯造山帶北側(cè)的北黃海盆地與膠萊盆地是與俯沖后應(yīng)力釋放相關(guān)的裂谷盆地(吳琳等, 2004)。太平洋板塊俯沖可能引起中國(guó)大陸東部邊緣地殼增厚和地殼深熔作用發(fā)生, 同時(shí)增厚地殼的重力垮塌、巖石圈拆沉, 使得中國(guó)東部大陸邊緣發(fā)生區(qū)域性弧后拉張(李文勇, 2007； 張?jiān)罉虻? 2008)。俯沖之后加厚的巖石圈應(yīng)力釋放, 導(dǎo)致地層伸展、塌陷。也導(dǎo)致了板塊俯沖碰撞之后, 加厚地殼垮塌引起的與盆地地層的伸展垮塌相關(guān)的巖漿作用。北黃海盆地X井火山巖是不同深度的地殼局部熔融產(chǎn)生的(王嘹亮等, 2013), 反映了該裂陷盆地巖漿源由深部到淺部的發(fā)展。由太平洋板塊俯沖作用導(dǎo)致的地殼深部物質(zhì)部分熔融形成深源的巖漿, 揚(yáng)子板塊與華北板塊碰撞造山期后的加厚巖石圈的垮塌不但使盆地不斷裂陷, 同時(shí)為深部巖漿上涌和噴發(fā)提供了通道。深部巖漿產(chǎn)生的熱流作用, 導(dǎo)致地殼淺部物質(zhì)部分熔融形成淺部巖漿,其噴發(fā)的通道是盆地裂陷過(guò)程中發(fā)育的系列斷裂。研究區(qū)火山巖可能形成于與俯沖帶相關(guān)的火山弧或弧后伸展環(huán)境, 是板塊俯沖和弧后拉張的巖漿活動(dòng)產(chǎn)物。

4 結(jié) 論

(1) 北黃海盆地X井下層火山巖為粗面英安巖,化學(xué)成分為英安巖–流紋巖。22顆測(cè)試鋯石的206Pb/238U年齡介于141～151 Ma之間,加權(quán)平均年齡為145±2 Ma, 代表其形成時(shí)代為晚侏羅世晚期–早白堊世早期。

(2) 上層火山巖為碎屑碎斑英安巖, 化學(xué)成分為英安巖, 18顆測(cè)試鋯石的206Pb/238U年齡介于139～149 Ma之間,加權(quán)平均年齡為141±2 Ma, 代表其形成于早白堊世早期。

(3) 鋯石LA-ICP-MS U-Pb測(cè)年數(shù)據(jù)反映, X井上層火成巖形成的時(shí)間要晚于下層火成巖, 是晚侏羅世晚期–早白堊世早期兩次火山噴發(fā)過(guò)程中形成的。中生界暗色碎屑巖系地層形成時(shí)代應(yīng)為晚侏羅世–早白堊世。

致謝: 在論文修改中兩位審稿老師和編輯部老師提出了建設(shè)性的修改意見(jiàn), 在此表示衷心的感謝。

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Zircon U-Pb Geochronology of Early Jurassic-Late Cretaceous Volcanic Rocks in North Yellow Sea Basin

WANG Liaoliang1, XU Zhongjie2, CHENG Rihui2, HU Xiaoqiang1and LIU Hongyan2
(1. Guangzhou Bureau of Marine Geology Survey, Guangzhou 510075, Guangdong, China; 2. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, Jilin, China)

The X-drilling cores of the North Yellow Sea basin reveal two sets of Mesozoic clastic rocks, which are the dark rocks in lower part and the red rocks in upper part, respectively. There are two layers of volcanic rocks at the bottom and the upper part of the dark rock unit. The volcanic rocks at the bottom part are trachytic dacite while rocks at the upper part are clastic dacite. The zircon grains from the upper and lower units of volcanic rocks are euhedral-subhedral columnar crystals and show oscillatory zoning on cathodoluminescence images. 22 tests of zircons in the trachytic dacite from the bottom part yield an age of 141–151 Ma, with weighted mean206Pb/238U age of 145±2 Ma. Whereas 18 tests of zircons from the sample at the upper part give206Pb/238U ages around 139–149 Ma with weighted mean206Pb/238U age of 141±2 Ma, which implies that the X well volcanic rocks belong to Late Jurassic-Early Cretaceous. Comparing with the age and geochemical characteristics of the Mesozoic igneous rocks in Shandong peninsula, we suggest that the igneous rocks from both the North Yellow Sea basin and Jiaolai basin were formed under same dynamic setting, i.e., the subduction related volcano arc and back-arc extension.

North Yellow Sea basin； volcanic rock； Mesozoic； LA-ICP-MS zircon U-Pb dating

P597

A

1001-1552(2015)01-0179-008

2013-04-14； 改回日期: 2013-07-30

項(xiàng)目資助: 國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)(編號(hào): GZH200700405)和國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): 41402087、41030853)聯(lián)合資助。

王嘹亮(1964–), 男, 博士, 教授級(jí)高級(jí)工程師, 主要從事沉積學(xué)和石油地質(zhì)學(xué)研究。Email: liaoliangwang@163.com

許中杰(1984–), 男, 博士, 主要從事沉積學(xué)和海洋地質(zhì)學(xué)研究。Email: zhongjiexu@jlu.edu.cn