2. 吉林大学应用技术学院, 长春 130012;
3. 中国地质调查局沈阳地质调查中心, 沈阳 110034;
4. 河北地质大学资源学院, 石家庄 050031
2. College of Applied Technology, Jilin University, Changchun 130012, China;
3. Shenyang Center, China Geological Survey, Shenyang 110034, China;
4. College of Resources, Hebei GEO University, Shijiazhuang 050031, China
0 引言
中国大兴安岭南段阿鲁科尔沁旗罕庙地区位于松辽盆地外围西南部的华北板块与西伯利亚板块之间的松嫩地块西缘，是古亚洲洋残余海盆最后碰撞消失的地区[1-9]。但长期以来，古亚洲洋最终闭合时限存在较大争议，部分学者认为古亚洲洋海盆最终闭合是晚二叠世—早三叠世[10-14]，有的学者认为是中三叠世[15]等，这严重影响了区域构造演化史恢复及该区页岩气沉积成矿前景的预测[16-17]。造成争议的原因主要来自对林西组是海相还是陆相地层，是二叠纪还是三叠纪沉积的存在不同认识。
本文利用研究区出露的大量林西组露头，通过碎屑锆石U-Pb年代学、岩性与古生物组合、微量元素等特征的综合分析，讨论了林西组的沉积时限与沉积环境特征，以期为华北古板块与西伯利亚古板块最终碰撞拼合时限和该区页岩气成藏背景研究提供科学依据[18-19]。
1 地质概况研究区位于华北板块与西伯利亚板块之间(图 1)，隶属于中国兴蒙—松嫩地层大区的南兴安地层区[20]。区域上发育的晚古生代地层有晚泥盆世—早石炭世的色日巴彦敖包组、晚石炭世的本巴图组和晚石炭世—早二叠世的阿木山组、早二叠世的青凤山组和大石寨组、中二叠世的哲斯组，以及形成时代存在争议的林西组等，其上为三叠系的老龙头组覆盖(图 2)。其中，林西组作为本次研究的目的层位，岩性以黑色、灰黑泥岩、粉砂质泥岩、粉砂质页岩、粉砂岩为主，夹灰绿色砂岩，主要分布在研究区西部的萨布嘎图、东南部的敖伦花和东部的芒和图等地，岩层总体呈北东走向，普遍发育线状紧闭褶皱构造，分布面积约86 km2。
受华北板块和西伯利亚板块活动的影响，研究区遭受了多期构造事件。早石炭世末期, 额尔古纳—兴安地块与东部的松嫩地块发生碰撞、拼接，造成该区重大的海陆变迁，研究区由早石炭世的陆块边缘相区逐渐演变为台地相区和浅海陆棚相区；晚石炭世—中二叠世期间，研究区总体处于相对稳定的伸展构造环境，发育了大套的海相沉积[3, 21]；中二叠世末期，研究区总体表现为区域隆升，海水退缩，古亚洲洋开始缩小[22-23]。区内林西组即是在中二叠世哲斯组之后沉积形成的，但林西组时代是中二叠世还是晚二叠世，或是延续至早三叠世，存在较大争议。其后被连续沉积的三叠系老龙头组陆源碎屑岩和中酸性火山碎屑岩覆盖。
2 样品采集与测试分析方法测年样品采自阿鲁科尔沁旗罕庙地区敖尔其格林西组实测剖面(PM002)第85层，采样点经纬度为119°47′12"E，44°37′54"N(图 1)，样品编号为PM002-85RZ。样品岩性为浅绿灰色中细粒长石岩屑砂岩，成分主要由岩屑(45%)、长石(40%)和石英(15%)组成，碎屑颗粒分选较差，磨圆次棱角—次圆状，颗粒粒径主要为0.05~0.25 mm，部分为0.25~0.40 mm，填隙物主要为硅质胶结物及新生矿物。
该砂岩样品的破碎和锆石挑选在河北省区域地质矿产调查研究所完成，锆石制靶、阴极发光图像处理和碎屑锆石U-Pb测年工作在中国地质调查局天津地质调查中心实验测试室完成。其中，锆石U-Pb测年工作使用仪器为激光剥蚀-等离子体质谱仪(LA-ICP-MS)，并用澳大利亚马奎尔大学制备的国际标准锆石GJ-1作为外标进行元素和同位素的分馏校正。
18个微量元素分析测试样品主要采自研究区林西组的暗色泥岩和粉砂质泥岩，其中有5个样品来自于ZK703井，全部由河北省区域地质矿产调查研究所测试完成。
3 结果与讨论 3.1 林西组沉积环境特征兴蒙—松嫩地区林西组是上古生界开展油气-页岩气勘探的最有潜力目的层，是近年前瞻性研究的热点，但前人对其沉积环境的认识存在不同观点：黄本宏等[24-26]根据化石组合及岩石学特征，认为区内林西组属陆相湖盆沉积；邱余波等[27]通过古地理恢复，将内蒙古锡林浩特—阿鲁科尔沁旗地区的林西组确定为碳酸盐台地—浅海陆棚沉积；朱常伟等[28]利用古生物化石及沉积成因标志综合分析得出，内蒙古林西地区的林西组为广阔的海域沉积。针对林西组沉积环境认识的这些争议，本文综合岩性、古生物组合及微量元素特征对研究区的林西组沉积环境特征进行了讨论。
3.1.1 岩性与古生物组合特征研究区林西组主要以陆源碎屑岩为主，岩性主要为青灰色、黑灰色、黄绿色薄层泥岩、硅质粉砂岩、页岩(图 3a)夹浅绿色、浅灰色岩屑长石细砂岩、长石细砂岩，发育水平层理、斜层理、波状交错层理和粒序层理，局部可见干涉波痕(图 3b)。其砂岩成分成熟度低，反映研究区临近物源供给；其泥岩颜色及层理特征反映该区林西组沉积应为水体较浅的静水环境背景。
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| a.林西组黑灰色页岩露头; b.林西组灰绿色粉砂岩中的干涉波痕。 图 3 大兴安岭南段阿鲁科尔沁旗地区林西组典型野外宏观照片 Fig. 3 Typical field macro photos of Linxi Formation in Arhorchin Banner, Southern Great Xing'an ranges |
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另外，在研究区东南部的敖伦花地区林西组上段黑灰色泥岩夹层中采集到淡水双壳类化石Palaeomutella P. cf. elongate、Palaeomutella P. cf. inostranzewi、Palaeomutella oblouga和叶肢介化石Palaeolimnadiidae gen.et sp.indet(古渔乡叶肢介)、Palaeolimnadia sp.indet. (古渔乡叶肢介)等。其中，延长古米台蚌(Palaeomutella P. cf. elongate)和椭圆形古米台蚌(Palaeomutella oblouga)主要见于二叠纪，整个时期均有发育；三角形古米台蚌(Palaeomutella P. cf. inostranzewi)主要见于中晚二叠世，该化石在新疆北部二叠系梧桐沟组、上二叠统锅底坑组和内蒙古大兴安岭中段上二叠统林西组(原孙家坟组)中也均有广泛分布[29-30]。根据采集到的叶肢介化石壳体生长线较为密集、生长带较为光滑、隐约可见微弱的大网眼网状装饰等特征，将其归入古渔乡叶肢介科(Palaeolimnadiidae)。古渔乡叶肢介科主要见于晚二叠世—中侏罗世，多生活在陆地湖泊、沼泽及河流等淡水水域中。
综上，据林西组岩性与生物组合特征分析认为，研究区林西组碎屑岩组合应为晚二叠世的淡水湖泊环境。
3.1.2 微量元素与沉积环境特征微量元素对古沉积环境具有重要指示意义，前人通过大量研究得出Sr/Ba、B/Ga、V/Cr是判别沉积环境的重要指标[31-33]。
V/Cr常被用于判别沉积环境的氧化还原性，V/Cr＜2.00指示缺氧环境，2.00≤V/Cr≤ 4.25指示贫氧环境，V/Cr＞4.25指示富氧环境[34-35]。研究区林西组采集的18件样品中V/Cr值介于1.35~2.21之间(表 1)，平均值为1.78，结合研究区林西组氧化还原性判别图(图 4)，可确定该套地层形成时的水体主要为缺氧—贫氧环境。
| 样品号 | wB/10-6 | Sr/Ba | B/Ga | V/Cr | V/(V+Ni) | ||||||
| Ba | Sr | B | Ga | V | Cr | Ni | |||||
| PM013-29 | 579.71 | 76.07 | 69.18 | 22.94 | 106.73 | 59.39 | 32.47 | 0.13 | 3.02 | 1.80 | 0.77 |
| PM013-32 | 728.53 | 82.96 | 63.19 | 25.05 | 119.74 | 68.28 | 38.26 | 0.11 | 2.52 | 1.75 | 0.76 |
| PM013-34 | 693.36 | 78.93 | 63.07 | 23.45 | 94.02 | 64.92 | 30.98 | 0.11 | 2.69 | 1.45 | 0.75 |
| D3782 | 704.31 | 125.93 | 49.96 | 24.33 | 101.19 | 67.64 | 33.15 | 0.18 | 2.05 | 1.50 | 0.75 |
| D7637 | 659.41 | 118.31 | 47.63 | 22.22 | 95.61 | 62.00 | 31.68 | 0.18 | 2.14 | 1.54 | 0.75 |
| PM001-92 | 581.08 | 96.56 | 51.69 | 22.80 | 123.11 | 91.11 | 43.05 | 0.17 | 2.27 | 1.35 | 0.74 |
| PM003-34 | 615.26 | 112.07 | 58.20 | 22.06 | 130.42 | 72.28 | 59.75 | 0.18 | 2.64 | 1.80 | 0.69 |
| PM003-39 | 792.09 | 69.39 | 88.96 | 27.65 | 136.39 | 63.07 | 44.81 | 0.09 | 3.22 | 2.16 | 0.75 |
| PM003-48 | 763.42 | 77.63 | 64.55 | 25.76 | 129.88 | 59.29 | 38.71 | 0.10 | 2.51 | 2.19 | 0.77 |
| PM003-57 | 845.25 | 84.24 | 66.89 | 26.85 | 129.06 | 61.88 | 47.82 | 0.10 | 2.49 | 2.09 | 0.73 |
| PM003-64 | 692.66 | 104.17 | 59.21 | 22.06 | 100.68 | 69.49 | 27.51 | 0.15 | 2.68 | 1.45 | 0.79 |
| PM002-92 | 532.75 | 84.04 | 48.80 | 19.56 | 96.40 | 67.49 | 36.85 | 0.16 | 2.49 | 1.43 | 0.72 |
| PM002-99 | 798.40 | 120.11 | 46.28 | 25.13 | 127.80 | 68.90 | 44.03 | 0.15 | 1.84 | 1.85 | 0.74 |
| zk703-129 | 405.26 | 44.36 | 23.21 | 131.70 | 67.70 | 22.00 | 0.11 | 1.95 | 0.86 | ||
| zk703-143 | 580.88 | 49.64 | 24.52 | 140.20 | 66.00 | 40.80 | 0.09 | 2.12 | 0.77 | ||
| zk703-160 | 1 050.20 | 54.72 | 26.77 | 158.40 | 76.10 | 22.60 | 0.05 | 2.08 | 0.88 | ||
| zk703-174 | 440.90 | 29.18 | 17.47 | 85.50 | 62.80 | 20.60 | 0.07 | 1.36 | 0.81 | ||
| zk703-177 | 603.78 | 28.26 | 27.62 | 174.0 | 78.70 | 61.40 | 0.05 | 2.21 | 0.74 | ||
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| 图 4 研究区林西组氧化还原性判别图 Fig. 4 Redox discrimination of Linxi Formation in the study area |
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Sr/Ba和B/Ga被广泛应用于判断地层古盐度。通常Sr/Ba＞1.0指示咸水环境，Sr/Ba＜0.6指示淡水环境，0.6≤Sr/Ba≤1.0指示半咸水环境。区内林西组采集的18个样品微量元素分析显示，其Sr/Ba分布在0.05~0.18之间，平均值为0.12。结合研究区林西组古盐度分布图(图 5)，确定了林西组沉积时期属于淡水环境。B/Ga＜4指示淡水环境，7＜B/Ga＜20指示咸水环境，4≤B/Ga≤7指示半咸水环境。研究区13个测试样品的B/Ga分布在1.84~3.22之间，平均值为2.50，同样显示测区林西组为淡水沉积环境产物。
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| 图 5 研究区林西组古盐度判别图 Fig. 5 Paleosaliency discrimination of Linxi Formation in the study area |
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本次实验对阿鲁科尔沁旗罕庙地区砂岩PM002-85RZ样品进行了LA-ICP-MS锆石U-Pb分析，并获得101个测点数据(表 2)。该样品代表性的锆石阴极发光CL图像(图 6)显示，碎屑锆石主要呈柱状、椭圆状、不规则状产出，锆石具有不同程度的溶蚀、破碎和磨圆，锆石颗粒较小，粒径主要分布在65~110 μm之间，具有明显的岩浆震荡环带，Th/U值主要介于0.32~1.29，多数大于0.4，与CL图像分析结果一致，说明绝大多数锆石为岩浆锆石。
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| 图 6 研究区林西组砂岩(PM002-85RZ)碎屑锆石CL代表性图像及年龄 Fig. 6 CL representative images and ages of detrital zircons of sandstone(PM002-85RZ) from Linxi Formation in the study area |
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在获得的101个年龄数据中，剔除两个不谐和的年龄数据(PM002-85RZ-62和PM002-85RZ-89)，其余99个年龄数据分布在谐和线附近(图 7)。根据碎屑锆石206Pb/238U年龄(< 1 000Ma)和207Pb/206Pb(>1 000Ma)的谐和图及锆石年龄频率分布图显示，样品主要体现5组年龄峰值：第一组的锆石206Pb/238U年龄集中分布在290~251 Ma，峰值年龄为(265±3)Ma，占有效测点数的54%(n=53)，其中最年轻的锆石206Pb/238U谐和年龄值为(251±3)Ma，该年龄代表了林西组的沉积年龄下限，即林西组该套碎屑岩形成时代晚于(251±3)Ma；第二组的206Pb/238U年龄集中分布在364~302 Ma，峰值年龄为(307±3)Ma，占有效测点数的19%(n=19)；第三组的206Pb/238U年龄集中分布在543~392 Ma，峰值年龄为(491±5) Ma，占有效测点数的19%(n=19)；第四组锆石206Pb/238U年龄主要为新元古代锆石年龄，分别为(584±7)Ma、(788±8)Ma、(789±8)Ma、(896±9)Ma和(897±9)Ma，占有效测点数的5%(n=5)；第五组主要为中元古代锆石年龄(>1 000 Ma)，古老锆石采用207Pb/206 Pb年龄代表岩石的成岩年龄更为可靠[36]。因此，本文对古老锆石年龄(>1 000 Ma)的讨论，主要利用207Pb/206 Pb年龄，分别为(1 361±25)Ma、(1 365±24)Ma和(1 734±22)Ma，占有效测点数的3%(n=3)。
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| 图 7 研究区林西组砂岩(PM002-85RZ)碎屑锆石U-Pb谐和图及锆石年龄频率分布图 Fig. 7 Concordant and frequency diagrams of detrital zircons in sandstone (PM002-85RZ) from Linxi Formation in the study area |
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大兴安岭南段淡水湖泊沉积的林西组形成时代研究，对该区古亚洲洋闭合时限有重要限定意义，但前人对林西组的沉积时限存在不同的认识：金玉玕等[37]将林西组归属为晚二叠世早期；汪啸风等[38]将其归为中二叠世晚期—晚二叠世；杨兵等[39]认为林西组层型剖面的下部1—5段为晚二叠世地层，上部的第6段为早三叠世地层；李树才等[40]认为林西组层型剖面应属晚二叠世—早三叠世地层；朱儒峰等[41]又据林西县煤窑沟村林西组剖面中发现的具有明显三叠纪特征的古植物及双壳类化石将其归为早三叠世；张渝金等[42-43]在阿鲁科尔沁旗林西组中发现了大量副芦木(Paracalamites frigidus)、桫椤栉羊齿(星囊蕨)(Pecopteris(Asterotheca)cyathea)和双壳类化石，结合林西组碎屑锆石最年轻的锆石年龄256 Ma，将林西组的时代确定为晚二叠世。针对林西组时代存在的争议，笔者在大兴安岭南段阿鲁科尔沁旗地区林西组中采集了相关的样品进行碎屑锆石U-Pb同位素测试，结合生物化石组合特征来限定研究区林西组的形成时代。
研究区林西组砂岩(样品号：PM002-85RZ)碎屑锆石U-Pb测年数据显示有5组年龄峰值，较年轻的一组年龄集中分布在(290±3)~(251±3)Ma，该年龄区间与内蒙古贺根山蛇绿岩带中超基性—基性熔岩、长英质脉岩、辉长岩的年龄340~257 Ma一致[44]，与研究区北部及西南部广泛出露的中—晚二叠世大石寨期火山岩年龄280~271 Ma相当[45-46]，与华北板块北缘的岩浆事件相吻合[47]。这些证据进一步说明研究区林西组砂岩的沉积下限应为晚二叠世，沉积主体时代晚于251 Ma。
第二组的206Pb/238U年龄集中分布在364~302 Ma，峰值年龄为(307±3)Ma，该峰值年龄与内蒙古苏尼特左旗南部花岗岩310 Ma和内蒙古西乌旗南部石英闪长岩325~322 Ma一致[48-49]，该火山弧花岗岩一般认为是古亚洲洋板块向北俯冲过程中断离形成的[50]。第一组和第二组年龄测点数共占总测点数的72%，364~251 Ma说明林西组岩石沉积物源主体来自二叠纪—石炭纪的岩浆物源和火山物源。
第三组的年龄主要分布在543~392 Ma，该年龄可细分为463~392 Ma和543~463 Ma两组。463~392 Ma年龄区间有8个测点，说明林西组物源部分来自于泥盆纪和志留纪岩浆岩，与嫩江—扎兰屯—大石寨一带奥陶纪—泥盆纪岩浆事件相吻合[51]。543~463 Ma这组年龄与佳蒙地块的基底变质岩的年龄一致[52-53]，说明林西组部分物源来自于东北地区的变质基底。
第四组锆石年龄主要为897~584 Ma，占有效测点数的5%(n=5)。华北板块内目前尚未发现新元古代的岩浆事件[54]，该时期碎屑锆石在内蒙古西乌旗上石炭统本巴图组碎屑岩、索伦中二叠统哲斯组碎屑岩中常见[55-56]，说明林西组新元古代物源来自于东北地区古老的地块。
第五组主要为中元古代锆石年龄，共有3组，分别为(1 361±25)Ma、(1 365±24)Ma和(1 734±22)Ma，锆石的CL图像和较高的Th/U值显示这3粒中元古代锆石具有岩浆成因的特点，与东北地区中元古代锡林浩特岩群形成时代1 760~1 607 Ma相吻合[57]。
综上所述，研究区林西组碎屑锆石年龄分布于1 734~251 Ma之间，锆石年龄跨度较大，林西组的物源主要来自佳蒙地块，源区经历了较强的古生代岩浆事件。样品最年轻U-Pb年龄为(251±3)Ma，说明阿鲁科尔沁旗罕庙地区林西组碎屑岩下限年龄应为晚二叠世。
4 地质意义古生代时期，在西伯利亚板块与塔里木—华北板块之间发育一近东西向延展长度达4 000 km的古亚洲洋[58]，由西向东覆盖了中国北部的准噶尔、内蒙古及东北等广大地区，其最终闭合形成了涵盖中亚地区、蒙古国和中国西北及东北的向南凸出的巨型弧形造山带。
现已有研究表明，早二叠世古亚洲洋在中段的北山地区碰撞闭合之后，其东段的兴蒙—松嫩地区进入最后一期残余海槽发育阶段[59]; 并在早中二叠世形成了一套下部为含腕足、珊瑚、等化石的滨海相碎屑岩与中酸性熔岩及火山碎屑岩建造, 上部为富含类、腕足、珊瑚、菊石等化石的滨—浅海相碎屑岩夹灰岩建造[20, 60]。其后即为本文前面重点讨论的林西组沉积。
由前已述及的岩性、古生物组合及微量元素比值特征可知，研究区林西组主要为缺氧—贫氧的淡水湖泊环境，说明在林西组沉积之前，大兴安岭南段的古亚洲洋已经闭合[22-23]，研究区已由林西组下伏整合接触的中二叠世哲斯组海相沉积，转化为林西组陆相沉积环境。据此推论，大兴安岭南段古亚洲洋闭合时限应为哲斯组与林西组沉积期之间。而阿鲁科尔沁旗罕庙地区林西组碎屑岩下限年龄又限定为晚二叠世，其后整合接触的早三叠世老龙头组等上覆地层又皆为陆相沉积建造[14]。综上可以推测，大兴安岭南段阿鲁科尔沁旗罕庙地区的古亚洲洋最终闭合时限应为中二叠世末期，晚二叠世时期研究区即已转化为陆相沉积。
5 结论1) 阿鲁科尔沁旗地区林西组砂岩样品中碎屑锆石均为岩浆锆石，锆石206Pb/238U年龄跨度较大，并分布在5个年龄区间，具有多时代物源特征；其碎屑锆石U-Pb最小年龄为251 Ma，结合岩性与古生物组合特征，确定林西组为晚二叠世地层。
2) 林西组中发育淡水双壳类和叶肢介化石，微量元素Sr/Ba值主要分布在0.05~0.18之间(平均值为0.12)，B/Ga值主要分布在1.84~3.22之间(平均值为2.50)，V/Cr值介于1.36~2.21之间(平均值为1.81)，表明林西组沉积时期为缺氧—贫氧的淡水湖泊环境。
3) 大兴安岭南段阿鲁科尔沁旗罕庙地区的古亚洲洋最终闭合时限应为中二叠世末期，晚二叠世时期研究区即已转化为陆相沉积。
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