中国科学院大学学报  2024, Vol. 41 Issue (4): 503-516   PDF    
塔里木盆地北缘震旦系苏盖特布拉克组沉积相与物源演化——以塔北隆起XH1井为例
张玮, 胡俊成, 张玉修     
中国科学院大学地球与行星科学学院,北京 100049
摘要: 塔里木盆地北部的塔北隆起地区缺乏震旦系野外露头,导致对整个盆地北部的震旦纪地层发育和物源演化等认识不足。以XH1井苏盖特布拉克组岩心样品为研究对象,开展砂岩的碎屑组分、重矿物、碎屑锆石U-Pb-Hf同位素及稀土元素组成研究。测井曲线、岩心岩相变化和重矿物指标显示塔北隆起的苏盖特布拉克组为潮坪相。碎屑锆石U-Pb年龄分为2 900~2 400、2 300~1 600、1 100~900和750~580 Ma 4组,苏盖特布拉克组的最大沉积年龄不早于572 Ma。重矿物和碎屑锆石显示其母岩主要为酸性岩浆岩和少量基性-超基性岩,物源主要来自于盆地东北缘的库鲁克塔格地区,其次为北部的塔北隆起、东南缘阿尔金—敦煌地区,以及西南缘的西昆仑地区,少量来自中天山微陆块。大部分古元古代碎屑锆石的εHf(t)为负值,少量的碎屑锆石εHf(t)为正值,两阶段模式年龄TDMC介于3 474~2 360 Ma,主要来源于古元古代的古老地壳物质改造,少量来源于幔源岩浆输入或新生地壳的物源区。新元古代碎屑锆石εHf(t)主要为负值,两阶段模式年龄TDMC介于4 032~1 485 Ma,表明其物质来源于太古代至中元古代的古老地壳物质改造。塔里木北缘在震旦纪苏盖特布拉克期为碰撞背景。
关键词: 塔里木盆地    苏盖特布拉克组    最大沉积年龄    碎屑物源    碎屑锆石    
Sedimentary facies and detrital provenance evolution of the Sinian Sugetebulak Formation from northern margin of Tarim Basin: a case study of XH1 well in Tabei uplift
ZHANG Wei, HU Juncheng, ZHANG Yuxiu     
College of Earth and Planetary Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The Tabei uplift from the north of Tarim Basin lacks Sinian outcrops, resulting in a lack of understanding of the Sinian stratigraphic development and provenance evolution. In this study, the detrital components, heavy minerals, detrital zircon U-Pb-Hf isotopic and REE data for the sandstone of the Neoproterozoic Sugetebulak Formation, were studied based on the XH1 well from the Tabei uplift. According to the logging curves, core facies transformation and heavy mineral indexes, it is concluded that the Sinian Sugetebulak Formation in Tabei uplift deposited in tidal flat environment. The U-Pb ages of detrital zircons are divided into four groups: 2 900-2 400, 2 300-1 600, 1 100-900, and 750-580 Ma. The maximum depositional age of the Sugatebulak Formation is no earlier than 572 Ma. The heavy minerals and detrital zircons indicate that the parent rocks are mainly acidic magmatic rocks with small amount of basic-ultrabasic rocks. The provenance is mainly from the Kuruqtage area and its vicinity, the eastern basement of the Tarim Basin and the West Kunlun area, with a small amount from the central Tianshan microcontinent. Paleoproterozoic zircons yield Hf model ages (TDMC) range from 3 474 Ma to 2 360 Ma, and some Paleoproterozoic zircons show positive εHf(t) values, indicating zircons were derived from juvenile mantle-derived material at those periods. However, most Paleoproterozoic zircons show negative εHf(t) values, suggesting the crustal reworking was the dominant process from Archaean to Paleoproterozoic. The Neoproterozoic detrital zircons have negative εHf(t) values and yield Hf model ages (TDMC) range from 4 032 Ma to 1 485 Ma, which suggest that the Neoproterozoic detrital zircons were derived from reworking of the ancient Archaean to middle Proterozoic. Based on the data of this study and previous data, it is considered that the northern margin of Tarim Basin was the collision background during the Sugetebulak period.
Keywords: Tarim Basin    Sugetebulak Formation    maximum depositional age    detrital provenance    detrital zircon    

塔里木克拉通是我国三大克拉通盆地之一,在新元古代参与了具有全球性地质意义的事件,例如罗迪尼亚(Rodinia)超大陆的聚合和裂解、雪球地球、泛非造山运动[1-10]。在塔里木盆地的塔南和塔北统一基底基础上[4, 11],新元古代发育了南华-震旦纪沉积地层,又经寒武纪及其后的多期构造事件,形成大型多旋回叠合盆地[12-13]。近20年来,前人基于塔里木盆地周缘少许的前寒武系露头,主要针对岩浆与变质作用及构造事件等开展了大量研究[1-2, 7, 14-32]。随着地震、钻井以及航磁资料的积累,对盆地构造、地层发育、古地理重建等有了不少新认识,但从震旦纪地层建造、沉积演化角度深入探索的成果仍然相对缺乏[4-5, 33-48]

塔里木盆地西北部阿克苏地区发育相对完全的震旦系,包括下部的苏盖特布拉克组和上部的奇格布拉克组,前人通过对其地层序列和沉积充填,以及苏盖特布拉克组玄武岩夹层等研究,推断震旦纪裂谷发育[49-51];还认为苏盖特布拉克组碎屑物源主要来自于塔里木克拉通本身[48, 52]。由于在塔北隆起地区无前寒武纪沉积地层出露,极大地阻碍了对塔北地区前寒武纪地质演化的认识。近年来,塔里木盆地北部有多口钻井钻遇前寒武系,如温参1井、沙1井、沙3井、沙53井等[4, 40-42],为探讨塔里木盆地北缘前寒武系地质演化提供了重要素材。XH1井是为数不多的震旦系取心井,前人将XH1井震旦纪地层分为下部的苏盖特布拉克组和上部的奇格布拉克组。

为深入认识塔西北阿克苏—塔北隆起地区的苏盖特布拉克期地层发育和沉积演化及其地层时代,本文基于XH1井苏盖特布拉克组岩心样品,开展碎屑组分、重矿物、碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb-Hf同位素与稀土元素分析,对比塔西北—塔北地区苏盖特布拉克组的区域变化,分析其沉积相和沉积时代,并探讨碎屑物源。本研究对深入认识塔里木盆地北缘的前寒武纪地质演化具有重要启示,也为塔里木盆地前寒武系油气勘探提供参考。

1 地质背景

塔里木盆地北接天山,南接青藏高原,前寒武纪露头主要出露在塔里木盆地周缘的库鲁克塔格、阿克苏、西昆仑和阿尔金—敦煌地区(图 1)。南华纪(780~635 Ma)以来,塔里木北部主要受控于Rodinia大洋俯冲体系,发育大陆边缘弧岩浆活动和俯冲增生造山作用,形成阿克苏群蓝片岩,并发生哈萨克斯坦、伊犁、中天山等地体向塔里木的碰撞拼贴[24-25]。从约780 Ma开始,塔里木北缘泛Rodinia大洋板块的俯冲引起盆地北部发生弧后伸展作用,但此时伸展较弱、裂谷盆地尚未打开,不发育裂谷沉积,主要表现为裂谷初期发育约750 Ma的基性岩墙群[1-2, 5, 10, 24, 43-44]

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该图基于自然资源部标准地图服务网站GS(2021)S001号标准地图制作,底图边界无修改。 图 1 塔里木盆地地质简图(据文献[8]修改) Fig. 1 Geological sketch of Tarim Basin (Modified from Ref. [8])

震旦纪(635~541 Ma)期间,由于俯冲板片后退和俯冲带向洋一侧的持续迁移,塔里木板块北部的弧后裂解中心同样向洋发生转移,南天山洋张开,导致哈萨克斯坦、伊犁、中天山等块体从塔里木裂解[10, 53-54]。塔里木板块北部的弧后伸展作用逐渐变弱,地幔柱活动开始占据主导地位但活动性较弱,没有产生显著的裂谷构造与岩浆作用,之后塔里木盆地北部裂谷由此进入拗陷阶段并进一步演化为被动大陆边缘[10, 24-25, 48, 54]

寒武纪开始,塔里木盆地经历了全球性大规模海侵,晚奥陶世之后的北天山洋向南俯冲,导致南天山弧后洋盆的扩张,南天山洋于志留纪—泥盆纪期间向北俯冲,最终在早石炭世关闭[2, 12-13, 55],晚古生代末期南天山地区持续大规模挤压导致塔里木盆地北缘长期隆升剥蚀,在燕山—喜山期接受中新生代沉积[12-13]

XH1井位于塔北隆起,其井深5 990~6 110 m为奇格布拉克组白云岩,厚约120 m;井深6 110~6 130 m为苏盖特布拉克组碎屑岩,厚约20 m,井深6 113.5~6 115.4 m为砂岩取心段(图 2)。针对XH1井岩心样品,韩强等[41]对XH1井苏盖特布拉克组样品仅测得12个碎屑锆石年龄,其中最年轻的碎屑锆石年龄为(614±11) Ma,结合岩心岩性特征,认为XH1井该段可与塔里木盆地西北缘苏盖特布拉克组对比。杨鑫等[42]对XH1井该段岩心样品,测试了48个碎屑锆石年龄,全部为古元古代和太古代锆石,认为可能与Columbia超大陆汇聚有关。总体来看,前人分析的苏盖特布拉克组砂岩缺乏综合分析,且碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄数据偏少[41-42]。在前人工作基础上,本文综合研究岩心砂岩样品,对比并限定XH1井与西北缘的苏盖特布拉克组的最大沉积时代,揭示塔北隆起地区苏盖特布拉克组的沉积环境和碎屑物质来源,探讨苏盖特布拉克组的构造背景。

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图 2 XH1井综合录井测井柱状图 Fig. 2 Comprehensive logging histogram of XH1 well
2 岩心砂岩样品与分析方法

在岩心观察描述基础上,采集一件XH1井苏盖特布拉克组砂岩样品XH1(图 3),磨制探针薄片,开展重矿物分析,进行碎屑锆石U-Pb同位素年龄和Hf同位素组成研究。探针薄片磨制、重矿物分选以及碎屑锆石挑选和制靶工作在河北涿州市益鹏地质勘查技术服务有限责任公司完成。重矿物的实验误差为3%~5%,重矿物的筛选和计量过程包括样品筛选、重液分离、磁选、镜下鉴定,详细流程见文献[56]。碎屑锆石分选过程是样品破碎后,经过常规浮选和电磁选,在双目镜下挑选出晶型好、颗粒大(>50 μm)的锆石1 000粒以上。将碎屑锆石颗粒用无色透明的环氧树脂制靶,待环氧树脂固化后打磨抛光、清洗,并进行透、反射光和阴极发光(CL)照相分析。样品XH1碎屑锆石LA-ICP-MS U-Pb定年和Hf同位素测试在北京中科矿研检测技术有限公司完成。一次离子流O2-强度为6 nA,一次离子流束斑直径约30 μm。每个数据点测定由5次扫描构成。用标样TEM和91500进行U、Th、Pb含量标定和年龄校正。锆石年龄协和图和年龄谱图采用Isoplot 4.15绘制[57]。小于1 000 Ma的锆石,采用206Pb/238U年龄,大于1 000 Ma的锆石,采用207Pb/206Pb年龄[58],单个数据误差为1σ,加权平均年龄值具有95%的置信度,本文所采用数据的协和度介于80~120。采用激光烧蚀微探针等离子质谱仪(Neptune MC-ICP-MS UP213)进行Lu-Hf同位素分析,使用直径为40 μm的固定光斑。以标准锆石GJ-1作为参考标准,其加权平均176Hf/177Hf比值为符合176Hf/177Hf的加权平均值0.281 991 ±0.000 024 (2σ, n=10),这与推荐的176Hf/177Hf值在误差范围内一致[59]176Lu衰变常数和176Hf/177Hf与176Lu/177Hf的比值为1.867×10-11/a,具体的计算过程见文献[60],两阶段模式年龄(TDMC)是基于大陆地壳平均176Lu/177Hf值为0.015计算的[61]

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Pyr-黄铁矿;Ms-白云母;Qtz-石英;Pl-斜长石;Zr-锆石。 图 3 岩心样品与显微特征 Fig. 3 Core sandstone sample and microscopic characteristics
3 结果 3.1 砂岩显微特征

岩心样品为灰色细粒长石砂岩。岩心样品具有水平层理,单偏光镜下可见纹层(图 3(a), 3(f)),其厚度在0.5~1 mm,碎屑定向排列,还可见黄铁矿顺层理分布(图 3(a), 3(b))。碎屑约占96%,杂基约占4%,杂基含量少,孔隙式胶结。正交偏光镜下可观察到碎屑主要为次圆-次棱角状,凹凸接触为主,局部为线接触,分选性较好(图 3(c)~3(e))。碎屑以石英和长石为主,含有少量的岩屑。石英为他形粒状,比较单一,干净明亮,基本无波状消光,石英含量为45%~50%;长石为半自形板状,约占40%~45%,风化程度较高,约有2/3的长石发生绢云母化蚀变;岩屑含量在5%~10%,主要为火山岩岩屑、花岗岩岩屑和白云母等。可观察到黄铁矿和锆石等重矿物。主要为方解石胶结(图 3(c)~3(e))。

岩心样品XH1中的重矿物主要为锆石(55.5%),主要为粉色和深浅玫瑰色2种,粉色锆石以圆柱(粒)为主,少量为次棱角-次圆状,分选性较差;深浅玫瑰色锆石以圆柱(粒)为主,少量为次圆状。黄铁矿(29.8%),主要为次圆状,少量为次棱角状。其他重矿物为锐钛矿(5.1%)、金红石(2.1%)、白钛石(2.1%)、电气石(5.7%)、铬尖晶石(0.9%),还见少量的磷灰石、黄铜矿、钛铁矿和磁铁矿。

3.2 碎屑锆石稀土元素

岩心样品XH1的碎屑锆石LA-ICP-MS原位微区稀土元素含量ΣREE为28.26×10-6~3 098×10-6,LREE、HREE分别为2.36×10-6~2 096×10-6,25.89×10-6~2 088×10-6,稀土元素含量变化范围较大。(La/Yb)N值为0.00~0.82,LREE/HREE值为0.01~2.09,表明碎屑锆石的轻、重稀土元素分异程度较小,重稀土元素相对富集[62]δEu值0.02~1.12,δCe值1.00~770。不同年龄段的碎屑锆石均具有轻稀土元素含量低、重稀土元素含量高的左倾模式,且具有适度的“谷”状负Eu异常、“峰”状正Ce异常,LREE值在78.27×10-6~2 096×10-6。少量锆石表现为轻稀土富集,例如XH1-2、XH1-34、XH1-73、XH1-74、XH1-89、XH1-103(图 4(b))。

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图 4 Th/U比值和稀土元素球粒陨石标准化蛛网图(球粒陨石标准化值据文献[62]) Fig. 4 Th/U diagram and Chondrite-normalized REE patterns of detrital zircon
3.3 碎屑锆石U-Pb年龄

碎屑锆石以次圆状为主,少量为次棱状,个别为长柱状,长度介于100~180 μm,宽度介于40~120 μm,长宽比介于1∶1~4∶1(图 5)。锆石CL图像亮度不均,暗示锆石成分环带的Th、U含量不同[63]。锆石CL图像显示绝大多数锆石具有典型的韵律生长环带或条形分带结构(如XH1-23、XH1-25),且无变质增生边(如XH1-3、XH1-7),为岩浆锆石特征;部分锆石显示了继承核与增生边的核-边结构(如XH1-71、XII1-89);少数锆石均匀发光,呈灰色或灰白色(如XH1-49、XH1-65)(图 5)。碎屑锆石的Th/U值均大于0.1(图 4(a))。

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红色实圈: U-Pb测点; 红色虚圈: Hf同位素测点。 图 5 碎屑锆石阴极发光(CL)特征 Fig. 5 CL images of detrital zircon

本文共开展了105粒碎屑锆石U-Pb同位素分析,大多数锆石具有协和年龄,年龄协和度在(100±20)%或含>2%普通Pb的分析点在后续的讨论中被排除,共得到81个有效年龄数据。碎屑锆石年龄范围很广,最老的锆石年龄为(2 358±19) Ma,最年轻的锆石年龄为(530±9) Ma。根据锆石U-Pb年龄峰值和范围,锆石可分为4组:2 358~2 065 Ma(N=10,占11.1%)、2 048~1 669 Ma(N=48,占59.3%)、1 109~912 Ma(N=2,占2.5%)和最年轻的769~530 Ma(N=22,占27.2%),其中530 Ma地质意义不详。

3.4 碎屑锆石Hf同位素

分析XH1样品64粒碎屑锆石的Hf同位素组成,两阶段Hf模式年龄(TDMC;4.0~1.4 Ga)和176Hf/177Hf比值介于0.281 207 ~0.282 418。碎屑锆石的εHf(t)值介于-40.84~4.56,76.6%碎屑锆石的εHf(t)值为负,23.4%锆石εHf(t)值为正。锆石Hf模式年龄(TDMC)主要聚集在4.0~3.9、3.3~2.8、2.7~2.3和2.0~1.5 Ga之间。即使在同一年龄群中,锆石的εHf(t)值也不同,例如,年龄介于2 272 ~1 669 Ma的碎屑锆石,其εHf(t)值分布于-17.01~4.56,暗示了锆石来源和结晶历史的复杂性和多样性。

4 讨论 4.1 沉积相与沉积时代 4.1.1 沉积特征和沉积相

砂岩含有较多的黄铁矿矿物,顺水平层理定向排列(图 3(a), 3(b)),黄铁矿是一种典型的还原型硫化物,可能代表了海相的沉积环境[64]。测井曲线可以很好地指示沉积相[65]。XH1井苏盖特布拉克组段的自然电位曲线自下而上整体呈箱形-钟形的组合方式,箱形代表了一个相对稳定的沉积环境,而钟形则表示水流能量逐渐减弱或物源供给越来越少。自然伽马曲线显示下部自然伽马值最大,往上越来越小,局部呈紧密的锯齿,表示间歇性沉积的叠加或者各种化学物理量有较大的频繁变化,反映了能量变化的周期,总体显示了一个后积式减速沉积[66]。苏盖特布拉克组砂岩取心段向上为紫红色泥岩沉积,总体为一个向上变细,层厚和砂泥比值向上降低的沉积序列。苏盖特布拉克组下部尤尔美那克组和上部的奇格布拉克组,其自然伽马曲线突变显示沉积环境改变,可能暗示着2个较大的沉积间断。

综合岩心特征、岩心岩相变化以及测井曲线,认为XH1井苏盖特布布拉克组总体上为一套潮坪相沉积。

4.1.2 苏盖特布拉克组最大沉积年龄

目前,对塔里木盆地北缘和西北缘的苏盖特布拉克组沉积年龄缺乏约束,特别是缺乏对塔里木北缘该组沉积年龄的对比。碎屑锆石广泛地用于约束地层的沉积时代,其最年轻的年龄可以代表地层的沉积年龄[67-68]

本文基于XH1井碎屑锆石的U-Pb年龄,探讨XH1井苏盖特布拉克组的沉积年龄。Dickinson和Gehrels[68]提出5种确定最年轻碎屑锆石年龄方法,包括:1)最年轻的单颗粒锆石年龄(youngest single grain age, YSG);2)年龄谱图中最年轻的峰值年龄(youngest graphical age peak, YPP);3)误差在1σ的多颗最年轻锆石的年龄加权平均值(youngest 1σ grain cluster, YC1σ(2+));4)误差在2σ的多颗最年轻锆石的年龄加权平均值(youngest 2σ grain cluster, YC2σ(3+));5)最年轻的碎屑锆石(youngest detrital zircon age, YDZ)。本文结合实际情况使用YSG、YPP、YC1σ(2+)进行地层沉积年龄的限定。除去数据中可能由于实验误差造成的不可靠数据,本文中最年轻的YSG年龄为558 Ma;为防止某些个体的YSG可能是由于铅的丢失而使得数据不够准确,利用年龄谱图中最年轻的峰值年龄YPP和加权年龄YC1σ进行限制,这2种方法得到的年龄上限可能略老于真实值,却能得到最可靠的结果。碎屑锆石年龄谱图的最年轻峰值年龄为574 Ma(图 6)。Dickinson和Gehrels[68]提出的加权年龄选择数据原则是取误差在±1σ内可以互相覆盖叠加的最年轻锆石年龄颗粒群(n≥2,但不得超过13颗)。本文选取年龄群中相对集中的5颗锆石,最终得到其加权年龄YC1σ,加权年龄为576 Ma(图 6)。因此,本文认为塔北地区苏盖特布拉克组的最大沉积年龄介于574~576 Ma。

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图 6 碎屑锆石U-Pb年龄 Fig. 6 U-Pb ages of detrital zircons

塔里木盆地西北缘阿克苏地区,Xu等[49]对苏盖特布拉克组剖面下部的玄武岩夹层测年结果为614~615 Ma,Chen等[9]对塔里木盆地西北部新柯地1井苏盖特布拉克组玄武岩夹层的测年结果为572 Ma,认为苏盖特布拉克组的最大沉积年龄晚于572 Ma,即西北缘阿克苏地区的最大沉积年龄介于572~615 Ma,这个年龄段可以与本文XH1井苏盖特布拉克组最大沉积年龄较好地对比。因此,综合本文与前人所做的研究,认为塔里木盆地西北缘-北缘苏盖特布拉克组的最大沉积年龄不早于572 Ma,即晚震旦世早期。

4.2 物源研究 4.2.1 锆石成因

XH1井砂岩碎屑锆石多数呈现典型的振荡环带结构,具有典型的韵律生长环带,少数锆石显示了继承核与增生边的核-边结构,表明该期大多锆石为岩浆成因(图 4)。同时,Th/U值均>0.3,并且80%以上的碎屑锆石Th/U比值>1,说明锆石多为岩浆锆石(图 5(a))。典型的岩浆锆石稀土元素配分模式特征为正Ce异常、负Eu异常、HREE富集;典型的变质锆石稀土元素配分模式特征为正Ce异常、负Eu异常、HREE相对平坦;而典型热液锆石的相应特征为负Eu异常、LREE平坦,同时HREE富集[69]。XH1井砂岩绝大部分碎屑锆石的REE特征具有岩浆锆石的典型特征,即具有典型振荡环带,富集HREE,亏损LREE。从LREE到HREE球粒陨石归一化值呈逐步上升的趋势,并且具有Ce正异常和Eu负异常。少数碎屑锆石,例如XH1-2、XH1-34、XH1-73、XH1-74、XH1-89、XH1-103,显示负Eu异常、LREE和HREE相对平坦,可能为变质锆石或热液锆石。因此,综合CL图像、Th/U和稀土元素特征,碎屑锆石主要以岩浆锆石为主,同时也存在少量的变质锆石或热液锆石(图 5(b))。

4.2.2 物源分析

通过砂岩的碎屑组分、重矿物、碎屑锆石是研究物源区演化的有效手段[70]。本文对XH1井砂岩样品开展碎屑组分与重矿物(因样品少,数据投图略),及碎屑锆石分析,来反演物源区特征。

砂岩碎屑分选较好,代表其经历过一定的搬运距离。砂岩含有大量长石矿物,长石作为一种为不稳定矿物,表明搬运距离较近或者气候寒冷干燥。重矿物主要为稳定的锆石(55.5%)和不稳定矿物黄铁矿(29.8%),锆石CL图像显示经历过磨圆。这些砂岩碎屑的结构和成分特征显示其物源的复杂性,可能存在远源和近源的物源区(图 4)。重矿物含有较多的锆石、电气石、金红石和少量的磷灰石,锆石-电气石-金红石-磷灰石重矿物组合显示其母岩以酸性岩浆岩为主,少量的铬尖晶石、钛铁矿和磁铁矿,表明物源少量来源于基性-超基性岩。

将XH1井砂岩苏盖特布拉克组砂岩的碎屑锆石本文U-Pb年龄与文献[41-42]数据一起整理统计,与潜在物源区岩浆锆石年龄对比(图 7)。碎屑锆石年龄主要分为2 900~2 400、2 300~1 600、1 100~900和750~580 Ma等4组谱峰年龄。

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图 7 塔里木地区锆石年龄对比(据本研究及文献[1-7, 9-11, 14-36, 40-43, 71]) Fig. 7 Zircon ages of the Tarim realm

碎屑锆石的2 900~2 400 Ma谱峰,可以进一步分为3个次一级的年龄峰值,分别为2 509、2 653、2 938 Ma(图 7),记载了塔里木克拉通年龄为2.9~2.4 Ga的岩浆或变质事件,为塔北地区苏盖特布拉克组提的潜在物源区。在塔里木盆地东北缘库鲁克塔地区,Long等[17]报道了TTG片麻岩207Pb /206Pb年龄的加权平均值为(2 516±6)、(2 575±13)和(2 460±3) Ma;Zhang等[15]得到英云闪长岩和钾质花岗岩的年龄分别为(2 601±21)和(2 534±19) Ma;He等[26]得到黑云母-角闪片麻岩的原岩年龄(2 391±73) Ma;Cai等[30]对角闪岩和花岗片麻岩测试得到的年龄分别为(2 524±20) Ma和(2 501±17) Ma。同样,在东南缘阿尔金-敦煌地区,存在与库鲁克塔各地区相似的基底岩石,具有相似的岩相学和年代学特征,其中太古宙的锆石年龄介于2.8~2.6 Ga[72],如Long等[18]报道的片麻岩和二长花岗片麻岩年龄分别为(2 532±30)和(2 511±14) Ma。因此,2 900~2 400 Ma的碎屑锆石很可能来自东北缘的库鲁克塔格地区和东南缘的阿尔金-敦煌地区,即塔里木盆地东部的基底岩石。古元古代2.3~1.6 Ga期间,塔里木克拉通具有广泛的岩浆作用和高级变质作用,与南北缘区域造山事件以及哥伦比亚超大陆的拼合有关[72]。塔里木盆地北缘库鲁克塔格及附近地区的野外露头暴露出丰富的古元古代岩浆岩和变质岩,包括花岗岩((1 915±13) Ma)、花岗闪长岩((1 944±19) Ma)、辉长岩((1 916±36) Ma)和各种片麻岩、片岩[17-19],这些锆石内部形态与本文中部分古元古代的锆石形态相似。另外,在塔西南的铁克里克地区,存在一些2.3~1.6 Ga的副片麻岩[72],860~830 Ma的绿片岩中也含有丰富的古元古代锆石信息[14],这些锆石形态与本文中古元古代的锆石极其相似,显示了极远的搬运距离。而阿尔金—敦煌地区的基性岩和阿克苏地区蓝片岩(年龄>730 Ma)中的古元古代的锆石形态与本文中的锆石相差较大[25, 71]。本文古元古代锆石的εHf(t)介于-17.01~4.56,两阶段Hf模式年龄TDMC介于3 474~2 360 Ma(图 8)。年龄为2.3~1.6 Ga的锆石εHf(t)多为负值,其中2.3~1.9 Ga的部分锆石的εHf(t)为正值,表明2.3~1.9 Ga的锆石主要来源于古老地壳改造,少部分来源于幔源岩浆输入或新生地壳形成;1.9~1.6 Ga锆石的εHf(t)全部为负值,物源来源于古老地壳改造。这与西昆仑地区古元古代锆石的εHf(t)相似,与库鲁克塔格塔格地区的古元古代锆石εHf(t)大多不同(图 8(a))。因此本文认为2.3~1.6 Ga的古元古代锆石大部分来自于西昆仑地区,少数则来自库鲁克塔格及附近地区。本研究还有912、1 109 Ma 2颗碎屑锆石,912 Ma的锆石年龄比典型的Greenville造山事件(1 300~1 050 Ma)略晚,1 109 Ma锆石很可能与Rodinia超大陆汇聚事件相关[24]。在库鲁克塔格及其东部的中天山阿拉塔格地区曾报道了1 100~900 Ma的花岗片麻岩岩[24, 73]。1 100~1 000 Ma锆石的εHf(t)多为正值,1 000~900 Ma锆石的εHf(t)多为负值,本文913 Ma的锆石可以与库鲁克塔格及附近的花岗片麻岩中的锆石很好对比,相反,1 059 Ma的锆石则与其差别较大(图 8(a))。本文初步认为1 059 Ma的锆石可能来自塔里木克拉通以外的源区。

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图 8 碎屑锆石Hf同位素图(数据来自本研究及文献[1-2, 6, 14-15, 27-32]) Fig. 8 Hf isotopic of detrital zircon

对于750~580 Ma的锆石谱峰,也可以进一步分为3个次一级的年龄峰值,分别为744、681、573 Ma(图 7)。库鲁克塔格及附近地区报道了大量新元古代岩浆岩和变质岩,包括丰富的850~730 Ma裂谷相关岩浆岩及743~727 Ma弧相关岩浆岩[2, 4, 10, 24-25, 71-72]。此外,在塔里木北部还报道了大量新元古代碎屑锆石,例如680~600 Ma年龄群(峰值约620 Ma)的钾质花岗岩、过铝质花岗岩[20-21]。本文新元古代年龄为750~580 Ma的锆石自形程度高且具有明显的振荡环带,暗示其岩浆成因和较近距离的搬运。锆石的εHf(t)介于-40.84~1.93,两阶段Hf模式年龄TDMC介于4 032~1 485 Ma,表明其来源于太古代至中元古代的古老地壳物质改造(图 8)。锆石的两阶段Hf模式年龄最大为3 961、4 032 Ma,为始太古代。本研究的新元古代锆石的Hf同位素组成与塔里木盆地东北缘及附近地区花岗岩类的锆石,具有相似性。而阿尔金-敦煌地区的峰值年龄为726 Ma左右的锆石(图 7),其εHf(t)总体均为正值,并且随锆石年龄降低呈上升趋势(图 8a),表明幔源岩浆逐渐加入到岩浆的形成过程中,这与本文新元古代锆石不一致。因此认为750~580 Ma锆石主要来自塔里木盆地库鲁克塔格及附近地区的近源岩浆岩。

对比XH1井和阿克苏地区苏盖特布拉克组的物源区,发现塔北隆起地区与塔西北阿克苏地区该组的物源略有不同(图 7)。塔北隆起地区苏盖特布拉克组碎屑物质主要来自于塔里木盆地库鲁克塔格及附近地区、盆地东部基底以及西昆仑地区,少量来自中天山微陆块;而阿克苏地区该组物源主要来源于库尔勒—库鲁克塔格基底、裂谷岩浆作用形成的岩浆岩以及下伏地层[31, 48, 52]

4.3 构造意义

碎屑锆石具有独特的年龄分布模式,反映了沉积盆地的构造背景。沉积盆地的碎屑锆石年龄模式与盆地的沉积物充填一致,均受到构造环境的控制。Cawood等[74]提出,对于含有大量岩浆活动的汇聚环境(例如汇聚板块边缘的弧前盆地、海沟盆地和弧后盆地),其岩浆活动与沉积物的沉积年龄相近,或只比沉积物的沉积年龄略大,其中有50%以上的碎屑锆石年龄接近沉积物堆积时间,且与沉积年龄相差在10 Ma范围内。而在伸展背景和碰撞背景下,碎屑锆石中岩浆锆石的数量要少得多,且误差范围也较大,此时能记录盆地分布和演化历史的年龄较老的碎屑锆石占主导地位。其中伸展背景下的盆地(包括裂谷盆地和被动大陆边缘盆地)通常只有不超过5%的碎屑锆石年龄距离地层沉积时代不超过150 Ma;在碰撞背景下,最多只有50%的碎屑锆石年龄距离地层沉积时代不超过150 Ma(图 9)。因此,碎屑锆石对用于判断沉积盆地类型背景具有重要意义[10, 52, 75]

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A-汇聚背景,B-碰撞背景,C-伸展背景(据文献[74]修改)。 图 9 碎屑锆石构造解析图 Fig. 9 Tectonic analysis of detrital zircons

本文和前人数据[9, 49]表明572~615 Ma是苏盖特布拉克组的主要沉积期。以塔北地区苏盖特布拉克组沉积年龄572 Ma计算,将计算后的结果投入Cawood[74]的图解中可以看出,苏盖特布拉克组中前5%的年轻锆石结晶年龄与地层的沉积年龄差值在8 Ma以内,而前30%年轻的锆石结晶年龄与地层沉积年龄的差值为1 097 Ma,符合碰撞构造背景。同样,结合韩强等[41]和杨鑫等[42]发表的年龄数据,苏盖特布拉克组的碎屑锆石记录了塔里木克拉通周缘的碰撞事件(图 9)。另外,在库尔勒地区报道的630~600 Ma的钾花岗岩类落入大陆弧和后碰撞弧构造区[1],阳霞煤矿地区出露的646 Ma黑云母二长花岗岩具有高钾、低钙、弱过铝质钙碱性的特点,显示了碰撞事件的主峰期次[21],库车坳陷东部吐格尔明背斜也出露约630 Ma的具有碰撞背景的花岗岩[20],这些记录进一步证明了苏盖特布拉克沉积期处于碰撞环境之中,这可能是对冈瓦纳大陆聚合的响应[47]

5 结论

本文综合XH1井测井曲线和砂岩的显微特征、碎屑组分、重矿物,以及碎屑锆石的形态、U-Pb年龄和Hf同位素组成等,认为塔北隆起地区苏盖特布拉克组为一套向上变细的沉积序列,形成于潮坪环境;塔北隆起地区苏盖特布拉克组的最大沉积年龄不早于572 Ma,塔里木北缘—西北缘该组沉积近于同期。碎屑锆石分为2 900~2 400、2 300~1 600、1 100~900和750~580 Ma等4组,碎屑物源主要来自于塔里木盆地库鲁克塔格及附近地区、盆地东部基底以及西昆仑地区,少量可能来自中天山微陆块,苏盖特布拉克沉积期塔里木北缘为碰撞背景。

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