Mesozoic Volcanic Rocks in the Southern Songliao Basin: Zircon U-Pb Ages and Their Constraints on the Nature of Basin Basement
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摘要: 为了确定松辽盆地南部中生代火山岩的形成时代, 本文对位于盆地南部7个钻遇中生代火山岩的岩芯样品进行了锆石LA~ICP-MSU-Pb定年.松辽盆地南部中生代含火山岩地层主要包括火石岭组和营城组, 其中火石岭组火山岩由玄武安山岩-粗安岩-粗面英安岩组成, 营城组火山岩由玄武质粗面安山岩-粗面安山岩-流纹岩组成.锆石阴极发光(CL)图像和Th/U比值显示, 所测锆石均具有岩浆成因的特点, 锆石的LA-ICP-MSU-Pb定年结果表明, 松辽盆地南部中生代火山岩形成时代介于110b133Ma, 其中火石岭组火山岩形成于129-133Ma, 即早白垩世早期, 营城组火山岩形成于110~119/Via, 即早白垩世晚期.捕获锆石的定年结果显示, 本区基底中存在中晚侏罗世(155~169Ma)、印支期(218~236Ma)、海西期(254/Via、294Ma)、加里东期(413Ma)和前寒武纪(1823/Via和2542Ma)岩浆事件, 这与基底岩石中锆石U—Pb的定年结果相吻合.Abstract: LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results are reported for the Mesozoic volcanic rocks from seven wells in the southern Songliao basin in order to constraint their formation time. The Mesozoic volcanic rocks are mainly located in Huoshiling Formation and Yingcheng Formation. The former consists of basaltic andesite, trachyandesite and dacite, the latter is composed of basaltic trachyandesite, trachyandesite and rhyolite. The cathodoluminesence (CL) images and high Th/U ratios of the zircons suggest their magmatic origin. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating results indicate that the Mesozoic volcanic rocks in the southern Songliao Basin formed between 110 Ma and 133 Ma. The volcanic rocks in the Huoshiling Formation were erupted during 129-133 Ma, namely early period of the Early Cretaceous, while those in the Yingcheng Formation formed between 110 Ma and 119 Ma, namely late period of the Early Cretaceous. The dating results of captured zircons show that the Middle-Late Jurassic (155-169 Ma), Indosinian (218-236 Ma), Hercynian (254 Ma, 294 Ma), Caledonian (413 Ma), and Precambrian (1 823 Ma and 2 542 Ma) magmatic events had taken place in the basin basement, which is consistent with the zircon U-Pb dating results from the basin basement rocks.
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Key words:
- Songliao basin /
- Mesozoic volcanic rocks /
- zircon U-Pb age /
- basement
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松辽盆地位于兴蒙造山带的东段, 南邻华北克拉通, 西部为大兴安岭.盆地内除有巨厚沉积岩外还分布着大量的中生代火山岩, 随着近年来盆地内火山岩型油气藏的发现, 火山岩的成因研究逐渐得到重视.目前相关研究主要集中于火山岩岩石学、岩相学及其地球物理特征方面(刘为付等, 2000; 陈文涛等, 2001; 张秀容等, 2006), 而对火山岩的年代学及其地球化学研究明显不足.此外, 与松辽盆地周边地区(例如大兴安岭地区、延边地区等) 中生代火山岩的研究相比(Lu, et al., 1997; 葛文春等, 1999, 2000, 2001; 郭锋等, 2001; Fan et al., 2003; 林强等, 2003; Wang, F. et al., 2006), 盆地内部火山岩的研究程度明显偏低(朱勤文等, 1997; 闫全人等, 2002; Wang, P. J. et al., 2002, 2006). 上述问题之所以存在, 主要是由于岩芯样品的馈乏以及岩石蚀变等因素的影响以及定年方法(如主要采用K-Ar法和Ar-A r法) 的制约(高瑞祺和萧德铭, 1995; Wang, P. J. et al., 2002; 闫全人等, 2002).鉴于此, 本文对松辽盆地南部7个钻遇火山岩岩芯进行了锆石分选和锆石LA-ICP-MS U-Pb年代学研究, 并讨论了其地质意义.
1. 地质概况及样品描述
研究区位于松辽盆地的南部, 可划分出4个构造分区, 自西向东依次为西部斜坡区、西南斜坡区, 中央坳陷区和东南隆起区, 构成凹隆相间的构造格局(图 1).盆地基底由前寒武纪-侏罗纪中-浅层次的变质岩及中基性-酸性侵入岩组成, 基底之上发育有中-新生代的陆相火山碎屑岩以及沉积岩(Pei et al., 2007; 高福红, 2007).盆地演化经历了断陷期和坳陷期, 断陷期的地层包括(由下而上) 火石岭组、沙河子组和营城组.坳陷期的地层包括登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组和嫩江组(高瑞祺和萧德铭, 1995).松辽盆地南部中生代火山岩主要发育在火石岭组和营城组中.根据盆地内钻孔中钻遇火山岩的岩芯样品及岩相学研究表明, 火石岭组火山岩主要为玄武安山岩-粗安岩-粗面英安岩组合, 营城组火山岩由玄武质粗面安山岩-粗面安山岩-流纹岩组成.
本文对7个钻遇火山岩的岩芯样品进行了岩相学研究(图 2), 主要岩石类型包括玄武安山岩(SN72-5、L47-1、SN118-1)、粗面安山岩(SN190-12、SN 56-7)、粗面英安岩(PK10-6)和流纹岩(SN108-2).不同类型火山岩的岩相学特征详见表 1.
表 1 松辽盆地南部中生代火山岩岩芯样品的地质及岩相学特征Table Supplementary Table Geological and petrographic characteristics of the Mesozoic volcanic rocks in the southern Songliao basin2. 分析方法
由于部分样品具有一定程度的蚀变, 挑选较新鲜的样品, 先对样品进行粗碎, 剔除其中的杏仁体及石英细脉, 然后用常规方法将样品粉碎, 并用浮选和电磁选方法进行分选, 再在双目镜下挑选出晶形和透明度较好的锆石颗粒, 然后将它们粘贴在环氧树脂表面, 抛光后将锆石进行透射光、反射光、阴极发光和背散射扫描电镜显微照相.通过对阴极发光图像分析, 选择吸收程度均匀的区域进行分析.应用标准锆石91500进行分馏校正.锆石U-Pb同位素分析在西北大学大陆动力学重点实验室的LA-ICP-MS仪器上用标准测定程序进行.详细的实验原理和流程见参考文献(Yuan et al., 2004).利用本方法对标准锆石TEMORA 1作为未知样品测定获得的年龄为415.4 Ma (MSWD =0.112, n =24) (Yuan et al., 2004), 该锆石的ID-TIMS年龄为416.75±0.24 Ma.激光束的束斑为30 μm.实验获得的数据采用Andersen (2002)的方法进行同位素比值的校正(杨承海等, 2005), 以扣除普通Pb的影响.所给定的同位素比值和年龄误差(标准偏差) 在1σ水平.
3. 分析结果
松辽盆地南部中生代火山岩中部分锆石的阴极发光(CL) 图像见图 3, U-Pb年龄谐和图见图 4; 锆石的LA-ICP-MS U-Pb分析结果见表 2.
表 2 松辽盆地南部中生代火山岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果Table Supplementary Table LA-ICP-MS zircon U-Pb dating data from the Mesozoic volcanic rocks in the southern Songliao basin从图 3(a)中可以看出, 样品PK10-6(粗面英安岩)中锆石大部分为自形晶, 具有核边结构, 核部较边部吸收程度稍弱, 核部和边部均表现为细微的震荡生长环带, 显示其岩浆成因的特点, 锆石的Th/U比值(0.70~1.26) 也证明了这一点(表 2), 所测得的核部和边部年龄非常接近, 位于谐和线上或其附近的21个测点206Pb/238U年龄介于123~136 Ma, 其加权平均值为129±2 Ma, 代表了粗面英安岩的形成时代(图 4a).
样品SN190-12(粗面安山岩) 锆石CL图像(图 3b)和U-Pb年龄谐和图显示, 可分为两组, 第1组锆石呈自形晶型, 并具有细微的震荡生长环带, 表明其为岩浆成因, Th/U比值为0.7也证明了这一点. 位于谐和线附近的一个测点的206Pb/238U年龄为133±1 Ma, 应代表了粗面安山岩的形成时代; 第2组锆石呈自形晶形, 并具有细微的震荡生长环带, Th/U比值介于0.30~0.88, 这均暗示其岩浆成因特征. 靠近谐和线附近5个测点的206Pb/238U年龄介于213~225 Ma, 其加权平均年龄为218±9.8 Ma, 应代表了捕获锆石的结晶年龄(图 4b).
样品SN72-5(玄武质粗面安山岩)锆石CL图像(图 3c)和U-Pb年龄谐和图(图 4c)表明, 所测锆石年龄分为3组, 第1组锆石以短柱状自形晶为主, 并具清晰的岩浆成因震荡生长环带, 其Th/U比值介于0.46~1.19, 位于谐和线附近8个测点的206Pb/238U年龄介于108~131 Ma之间, 其加权平均年龄为118±6 Ma, 这与样品的全岩K-Ar定年结果是一致的(117.6±0.85 Ma) (表 3), 应代表了安山岩的形成时代; 第2组锆石呈长柱状自形晶, 其Th/U比值为0.41, 显示其岩浆成因, 位于谐和线上的一个测点206Pb/238U年龄为162±1 Ma, 应代表了捕获锆石的形成时代; 第3组锆石晶型呈长柱状, 具环带状吸收的特点, 其Th/U比值为0.2, 说明其为岩浆成因, 位于谐和线上的一个测点的206Pb/238U年龄为236±2 Ma, 应代表了另一组捕获锆石的形成年龄.
表 3 样品SN72-5 K-Ar测年结果Table Supplementary Table Sample SN 72-5 K-Ar dataing age样品SN56-7(粗面安山岩): 根据锆石CL图像特征(图 3d)和U-Pb年龄谐和图(图 4d)可将其划分为3组, 第1组锆石呈半自形晶形, 具条带状吸收特点, Th/U比值为1.81, 说明其为岩浆锆石, 位于谐和线附近一个测点的206Pb/238U年龄为116±1 Ma, 定年结果代表了该粗面安山岩的形成时代; 第2组锆石呈自形晶, 具岩浆成因的生长环带(Th/U比值为1.12), 位于谐和线附近一个测点的206Pb/238U年龄为129±1 Ma, 该年龄代表了捕获锆石的结晶年龄, 这与本区早期火山岩中锆石的U-Pb定年结果相吻合(如样品PK10); 第3组锆石呈自形晶, 并具岩浆成因的生长环带, 部分锆石具核边结构, 边部无环带, 具变质增生的特征, 核部具有岩浆成因生长环带, 表明其为岩浆成因, 3个核部测点的206Pb/238U年龄介于159~165 Ma之间, 其加权平均值为162±8 Ma, 应代表了捕获锆石的形成时代.
样品L47-1(玄武安山岩)锆石CL图像特征(图 3e)及U-Pb谐和图显示(图 4e), 可将其划分为4组, 第1组锆石呈半自形, 具板状或条痕状吸收的特征和较高的Th/U值(0.50~1.2), 说明其为岩浆成因, 这组锆石的206Pb/238U年龄介于108~119 Ma, 8个测点的206Pb/238U加权平均年龄为114±4 Ma, 代表了玄武安山岩的形成时代; 第2组锆石具核边结构, 边部无环带, 具变质增生的特征, 核部具岩浆成因的韵律生长环带(Th/U比值介于0.71~0.81), 核部两个测点的206Pb/238U年龄介于131~135 Ma之间, 其加权平均值为132±24 Ma, 代表了该组捕获锆石的形成时代; 第3组锆石呈自形晶, 具岩浆成因的生长环带, 位于谐和线上一个测点的206Pb/238U年龄为169±2 Ma, 代表该组捕获锆石的结晶年龄; 此外, 还存在207Pb/206Pb年龄为1 823 Ma和2 542 Ma的岩浆成因的捕获锆石.
样品SN108-2(流纹岩)中锆石CL图像特征(图 3f)和定年结果显示(图 4f), 该样品中的锆石可分为6组(图 4f), 第1组呈半自形, 具岩浆成因的生长环带, 其Th/U比值为0.47, 位于谐和线上或其附近一个测点的206Pb/238U年龄为119±1 Ma, 该年龄应代表了流纹岩的形成时代; 另外还有一粒锆石具生长环带, Th/U比值为0.71, 证明其为岩浆锆石, 其206Pb/238U年龄为129±4 Ma, 这与早期火山事件的形成时代相吻合; 第3组锆石具有岩浆成因的生长环带, 其Th/U比值介于0.13~0.75, 两个测点的的206Pb/238U年龄为155 Ma, 其加权平均年龄为155±1 Ma, 代表该组捕获锆石的结晶年龄; 第4组锆石呈自形的晶形, 具条痕状吸收的特点, 其Th/U比值介于0.21~0.87, 9个测点的206Pb/238U年龄介于206~229 Ma之间, 其加权平均值为218±5 Ma, 代表该组捕获锆石的结晶年龄; 第五组锆石具有岩浆成因的条带状吸收的特点, 其Th/U比值为0.18~0.57, 6个测点的206Pb/238U年龄介于249~259 Ma, 其加权平均年龄为254±4 Ma, 代表了该组捕获锆石的结晶年龄; 第6组锆石具有岩浆成因的震荡生长环带, 5个测点的206Pb/238U年龄介于406~421 Ma之间, 其加权平均年龄为413±7 Ma(5个测点), 代表该组捕获锆石的结晶年龄.
样品SN118-1(玄武质粗面安山岩)锆石CL图像显示(图 3g), 锆石可划分为两组, 一组锆石呈板状, 内部结构均匀, 具条带状吸收的特点, 显示其基性火成岩中锆石的特征, Th/U比值介于0.92~1.59也说明其为岩浆成因, 靠近谐和线3个测点的206Pb/238U年龄介于104~117 Ma之间(图 4g), 其加权平均值为110±16 Ma, 该年龄代表了玄武质粗面安山岩的形成时代; 另一组锆石呈板状, 内部结构均匀, 也具有基性火成岩中锆石的特征, 其Th/U比值介于0.63~0.91, 位于谐和线上的两个测点加权平均值为294±4 Ma, 代表了捕获锆石的形成时代.另外还有一粒锆石吸收程度较弱, 呈自形晶, 207Pb/206Pb的年龄为2474±28 Ma, 为该捕获锆石的结晶年龄.
4. 讨论与结论
松辽盆地南部中生代火山岩中锆石的CL图像特征及Th/U比值显示, 所测锆石均为岩浆锆石, 7个样品中锆石的U-Pb定年结果应代表了盆地内岩浆事件形成的时代.基于每个火山岩样品中锆石CL图像的特点, 同时参考盆地周边中生代火山岩的锆石最新定年结果, 本文认为每个样品中最年轻的一组年龄应代表了该期火山岩的形成时代, 其他各组年龄应代表了火山事件捕获的早期锆石的形成时代.
4.1 松辽盆地中生代火山岩的形成时代
松辽盆地中生代火山岩的形成时代一直是人们争论的问题之一.高瑞祺和萧德铭(1995)曾利用K-Ar法和Rb-Sr法对盆地北部火山岩进行过定年, 结果显示, 盆地北部的火山岩形成时代介于78~180 Ma; 闫全人等(2002)利用全岩的K-Ar法对6个盆地南部中生代火山岩样品进行了定年, 结果表明, 松辽盆地南部中生代火山岩形成时代介于76~193 Ma; Wang et al. (2002)利用全岩K-Ar法和透长石Ar-Ar法对盆地内的火山岩进行了定年, 定年结果介于102~158 Ma.上述定年结果表明, 火石岭组火山岩形成于中晚侏罗世(147~157 Ma), 营城组火山岩形成于早白垩世(113~136 Ma), 这与笔者对松辽盆地南部所做的全岩K-Ar法定年结果相似(作者未发表资料).这些定年结果最突出的特点是离散性较大. 究其原因, 是由于K-Ar体系的封闭温度较低, 并且盆地内的样品热液蚀变较强, 必然造成K-Ar和Ar-Ar法的定年结果存在较大误差. 然而, 锆石中Pb的扩散封闭温度达900 ℃以上(Lee et al., 1997; Cherniak and Watson, 2000), 利用锆石原位分析的方法可有效地避免上述问题.
松辽盆地南部7个中生代火山岩样品中锆石的定年结果显示(PK10-6、SN190-12、SN118-1、L47-1、SN108-2、SN56-7、SN72-5), 其形成时代介于110~133 Ma, 其中十屋断陷区样品PK10-6(粗面英安岩)中锆石的定年结果(129±2 Ma)、西部斜坡区样品SN190-12(粗面安山岩)中锆石的定年结果(133±1 Ma)、十屋断陷区样品SN56-7(粗面安山岩)中捕获锆石的定年结果(129±1 Ma)和样品L47-1(玄武安山岩)中岩浆成因的捕获锆石的定年结果(132±24 Ma)表明, 火石岭组火山岩形成时代介于129~133 Ma, 即早白垩世早期的Hauterivian阶-Barremian阶, 而不是前人所认为的中晚侏罗世(高瑞祺和萧德铭, 1995; Wang et al., 2002; 闫全人等, 2002); 十屋断陷区样品SN118-1(玄武质粗面安山岩)中锆石的定年结果(110±16 Ma)、样品SN72-5(安山岩)中锆石的定年结果(118±6 Ma)、样品SN56-7(粗面安山岩)中锆石的定年结果(116±1 Ma)、样品L47-1(玄武安山岩)中锆石的定年结果(114±4 Ma)和样品SN108-2(流纹岩)中锆石的定年结果(120±30 Ma)显示, 营城组火山岩形成时代介于110~119 Ma, 即早白垩世晚期的Aptian阶, 这与测年数据的统计结果是一致的(图 4h). 近年来对松辽盆地周边地区中生代火山岩的年代学研究表明, 松辽盆地南部火石岭组(129~133 Ma)与营城组火山岩(110~119 Ma)的形成时代与大兴安岭地区塔木兰沟组火山岩(126~138 Ma)和上库力组火山岩以及伊列克得组火山岩(125~113 Ma)相对应(Fan et al., 2003; Wang F. et al., 2006; Zhang, J. H. et al., 2006, 2007). 同时, 该期岩浆事件在吉黑东部地区(许文良, 未发表数据), 乃至整个中国东部也广泛存在(邵济安等, 2001; Wu et al., 2002, 2005; 戴圣潜等, 2003; 彭艳东等, 2003; 裴福萍等, 2004; 许文良等, 2004; 袁洪林等, 2005; 葛文春等, 2005a; 杨承海等, 2006; 杨进辉等, 2006; Zhang et al., 2006).这是中国东部中生代最为强烈的一次岩浆事件, 其形成应与古太平洋板块(Izanagi) 向欧亚大陆下俯冲作用相联系.
4.2 捕获锆石U-Pb年龄——对盆地基底性质的制约
松辽盆地南部中生代火山岩中捕获锆石的CL图像特点及Th/U比值均表明为岩浆锆石, 所测样品位于谐和线上及附近, 表明这些年龄具有确切的地质含义, 这些锆石的年龄反映了本区早期岩浆事件-基底岩石的形成时代.从火山岩中捕获锆石的定年结果及测点的年龄统计图(图 4h)上可以看出, 本区基底存在前寒武纪岩浆事件(SN118-1、L47-1: 1 823Ma~2 564 Ma)、加里东期岩浆事件(SN108-2: 413 Ma, 峰值为414 Ma)、海西期岩浆事件(SN108-2、SN118-1: 254 Ma、294 Ma, 峰值为293 Ma)、印支期岩浆事件(SN72-5、SN108-2、SN190-12: 218~236 Ma, 峰值为219 Ma)、以及中晚侏罗世岩浆事件(样品SN72-5, SN56-7, SN108-2、L47-1: 155~169 Ma, 峰值为162 Ma).这些结果与盆地基底样品中锆石的U-Pb定年结果相吻合(Wu et al., 2000; 高福红等, 2007; Pei et al., 2007).
松辽盆地南部火山岩中前寒武纪年龄的捕获锆石的存在暗示盆地南部应存在前寒武纪岩石, 这与盆地基底变辉长岩和变花岗岩角砾的定年结果是一致的(Pei et al., 2007). 由于华北克拉通基底岩石的主体是由前寒武纪岩石组成的(Zhao et al., 2001), 上述定年结果表明松辽盆地南部与华北克拉通可能具有一定的亲缘关系.松辽盆地南部前寒武纪岩石的存在可能与该区晚期的向北推覆作用有关(Zhang, Y. B., et al., 2004, 2005; 张晓晖等, 2005); 本区火山岩中加里东期年龄的捕获锆石与基底变流纹质凝灰岩的定年结果相吻合(Pei et al., 2007), 该期岩浆事件在松辽盆地周边地区广泛分布(Chen et al., 2000; Wilde et al., 2003; 刘敦一等, 2003; 葛文春等, 2005b; 刘建峰等, 2005), 暗示该区在加里东期可能已经形成了统一的块体; 海西期捕获锆石的年龄与基底海西期侵入岩的LA-ICP-MS U-Pb年龄相对应(Wu et al., 2000; 高福红等, 2007; Pei et al., 2007), 这与大兴安岭、张广才岭、延边以及佳木斯地块中发育的二叠纪岩浆事件相吻合(洪大卫等, 1994; Sun et al., 2001; Zhu et al., 2001; 吕志成等, 2002); 火山岩中印支期捕获锆石的年龄(218~236 Ma)与基底石英闪长岩的定年结果一致(236 Ma) (高福红等, 2007), 该期岩浆事件在华北克拉通北部以及东北地区广泛分布(Yan et al., 1999; Wu et al., 2004); 盆地火山岩中捕获锆石显示的中晚侏罗世年龄与基底主体花岗质岩石的定年结果相吻合(Wu et al., 2000; 高福红等, 2007), 该期岩浆事件在东北地区的大兴安岭、张广才岭等地以及华北克拉通北缘均有显示(孙德有, 2001; Wu et al., 2005; 隋振民等, 2007).
综上所述, 松辽盆地南部中生代火山岩中捕获锆石的U-Pb年龄反映了盆地基底的年代学构成, 这与基底岩石中锆石的U-Pb定年结果是吻合的. 松辽盆地应是在中晚侏罗世构造岩浆热事件基础上裂陷成盆.
4.3 结论
(1) 松辽盆地南部火石岭组火山岩主要为玄武安山岩-粗安岩-粗面英安岩组成, 营城组火山岩由玄武质粗面安山岩-粗面安山岩-流纹岩组成; (2) 松辽盆地火石岭组火山岩形成于129~133 Ma, 即早白垩世早期; 营城组火山岩形成于110~119 Ma, 即早白垩世晚期; (3) 松辽盆地南部中生代火山岩中捕获锆石定年结果揭示, 松辽盆地南部基底中存在前寒武纪(1 823 Ma、2 542 Ma)、加里东期(413 Ma)、海西期(254 Ma、294 Ma)、印支期(218~236 Ma)和中晚侏罗世(155~169 Ma) 岩浆事件.
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表 1 松辽盆地南部中生代火山岩岩芯样品的地质及岩相学特征
Table 1. Geological and petrographic characteristics of the Mesozoic volcanic rocks in the southern Songliao basin
表 2 松辽盆地南部中生代火山岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb分析结果
Table 2. LA-ICP-MS zircon U-Pb dating data from the Mesozoic volcanic rocks in the southern Songliao basin
表 3 样品SN72-5 K-Ar测年结果
Table 3. Sample SN 72-5 K-Ar dataing age
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