岩石学报  2018, Vol. 34 Issue (10): 3101-3115   PDF    
内蒙古西部北山-银额地区石炭纪-二叠纪层序地层与沉积演化
卢进才 , 史冀忠 , 牛亚卓 , 宋博 , 张宇轩 , 余龙     
中国地质调查局西安地质调查中心, 西安 710054
摘要:内蒙古西部北山-银额地区位于华北板块、塔里木板块和哈萨克斯坦板块的交汇带,构造背景复杂,一直是构造研究的热点地区。虽然研究区发育数千米以碎屑岩+火山岩+碳酸盐岩为特征的石炭系-二叠系,但层序地层与沉积演化研究十分薄弱,一定程度上制约了对构造背景的认识。本文通过石炭纪-二叠纪区域地层对比与层序地层研究,分别建立了北山和银额2个地区石炭纪-二叠纪层序地层格架,明确了不同构造单元石炭纪-二叠纪层序地层具有良好的对比关系,为统一构造环境沉积的地质体。通过沉积演化研究,明确了研究区石炭纪-二叠纪具有"两坳一隆"的构造格架,并控制着沉积相的展布,早石炭世晚期北山地区南部接受沉积,之后逐渐伸展,晚石炭世晚期-早二叠世早期盆地沉积范围最大,盆地演化达到鼎盛。早二叠世晚期盆地开始萎缩,晚二叠世海水基本退出研究区,仅银额东北部接受了海相沉积。总之,层序地层及沉积演化研究指示研究区石炭纪-二叠纪为相同构造环境下形成的统一的陆内(板内)裂谷盆地。
关键词: 北山-银额地区     石炭纪-二叠纪     层序地层     沉积演化     构造环境     陆内裂谷盆地    
The Carboniferous-Permian sequence stratigraphy and sedimentary evolution of Beishan-Yin'e region, western Inner Mongolia
LU JinCai, SHI JiZhong, NIU YaZhuo, SONG Bo, ZHANG YuXuan, YU Long     
Xi'an Center of China Geological Survey, Xi'an 710054, China
Abstract: The Beishan-Yin'e region in western Inner Mongolia is located in the convergence area of the North China Plate, Tarim Plate and Kazakhstan Plate. The complexity of tectonic settings makes the region a frontier field. The Carboniferous-Permian lithological association comprised by clastic rocks, volcanic rocks and carbonate rocks are well developed in study area, specifically, with thousands of meters in terms of thickness, however, the analyses of sequence stratigraphy and sedimentary evolution still remain scarce, leading to misunderstanding of its geological settings. Based on the analyses of the Carboniferous-Permian regional stratigraphic correlation as well as sequence stratigraphic, Carboniferous-Permian stratigraphic frames in both Beishan and Yin'e areas were well constructed, respectively, which indicates that Carboniferous-Permian stratigraphic sequence between different tectonic units can be well correlated, probably as the geological bodies deposited in a unified tectonic environment. Based on the analysis of the sedimentary evolution, a tectonic frame of "two depressions with one uplift" of Carboniferous-Permian layers in study area has been clarified, which controlled the distribution of sedimentary facies. In late Early-Carboniferous, the southern part of the Beishan area started depositing, then gradually stretching. The sedimentary range became the largest during late Late-Carboniferous to early Early-Permian, making the extent of basin evolution greatest. From the age of late Early-Permian, the basin started shrinking. This situation lasted until Late-Permian, which led to the marine regression from the study area, only with marine sediments deposited in northeastern part of Yin'e area. In short, the research in sequence stratigraphy and sedimentary evolution indicates that the study area in Carboniferous-Permian was a united intracontinental (intraplate) rift basin under a unified tectonic environment.
Key words: Beishan-Yin'e region     Carboniferous-Permian     Sequence stratigraphy     Sedimentary evolution     Tectonic settings     Intracontinental rift basin    

层序地层与沉积演化研究是将沉积相与沉积体系的研究置于构造沉降、海平面升降和沉积物供给的复合制约和整体的统一格架中, 因而能有效地揭示其三维配置关系(徐强等, 2003; 刘池洋等, 2015)。

研究区包括甘肃北山和内蒙古北山地区, 以及银额地区(银根-额济纳旗地区, 包括了中生代银额盆地、红果尔山、宗乃山等)(图 1a), 构造位置位于华北板块、塔里木板块和哈萨克斯坦板块的交汇带(图 1b)。由于其复杂的构造背景, 构造演化一直存在不同的认识(左国朝和何国琦, 1990; 左国朝和李茂松1996;吴泰然和何国琦, 1993; 龚全胜等, 2003; Xiao et al., 2010; 杨合群等, 2010), 尤其对古亚洲洋的闭合时限与晚古生代构造背景存在三种不同的认识, 制约了对该时期盆地形成演化、盆地性质与沉积建造的研究。其一, 认为古亚洲洋闭合时间在中晚泥盆世之前(王作勋等, 1990; Zuo et al., 1991; Şengör et al., 1993; 何国琦等, 1994; 徐学义等, 2008; Chen et al., 2011), 石炭纪-二叠纪进入陆内(板内)裂谷演化阶段, 石炭系-二叠系为统一构造背景下沉积的地质体(左国朝等, 2003; 何世平等, 2005; 卢进才等, 2011); 其二, 认为古亚洲洋闭合时间为早石炭世末期, 早石炭世为洋陆演化阶段, 现今残留的下石炭统为不同构造背景沉积的地质体拼接而成, 晚石炭世-二叠纪进入陆内裂谷演化阶段(刘雪亚和王荃, 1995), 上石炭统-上二叠统为统一构造背景下沉积的地质体; 其三, 认为古亚洲洋的消亡时间为二叠纪(Xiao et al., 2010; 龚全胜等, 2003; 黄增保和金霞, 2006), 石炭纪-二叠纪为洋陆演化阶段, 残留的石炭系-二叠系为不同构造带的沉积地质体拼接而成, 包括了大洋环境、岛弧环境、弧后环境等不同构造背景沉积的地质体(吴泰然和何国琦, 1993; 谢力等, 2014)。

图 1 北山-银额地区地质略图与石炭纪-二叠纪构造单元划分(a)和构造位置图(b) 1-碧云泉(12BYQ-TW1);2-甜水井北(12D251-TW1);3-碎石山西(菊石); 4-黑鹰山(12HYS-TW1);5-芦草井(菊石); 6-大狐狸山; 7-风雷山(TW6151);8-卡路山; 9-红柳泉北山(12D303-TW1);10-绿洲井东(13LZJ-TW1);11-俞井子(14YJZ-TW1);12-野马井南(12D452-TW1);13-老虎山东; 14-石板泉西(四射珊瑚); 15-努尔盖; 16-呼乃巴斯克; 17-呼和音乌苏; 18-雅干478;19-埋汗哈达; 20-阿其德海尔罕; 21-蒙根乌拉; 22-杭乌拉(腕足); 23-恩格尔乌苏北(腕足); 24-芒罕超克(08MHGTW1);25-乌力吉山恨(类); 26-乌力吉尚丹; 27-乌力吉查古尔(09CSGTW1);28-乌兰敖包(08WSW-TW1) Fig. 1 Geological sketch map of Beishan-Yin'e region showing Carboniferous-Permian tectonic units (a) and geotectonic map with research region located (b)

长期以来, 许多学者的研究主要依据区内较早的1/20万区域地质调查报告的地层划分, 并以火山岩或侵入岩年代学及其地球化学特征、蛇绿混杂岩分布及年代学为重点, 开展构造环境研究。而针对石炭纪-二叠纪层序地层与沉积演化研究十分薄弱, 制约了构造背景与盆地演化、沉积充填研究。

2007年以来, 笔者所在的团队首次开展银额盆地及周缘石炭系-二叠系油气基础地质调查, 通过大量地表剖面测量、地质调查钻井获得了丰富的年代地层学、生物地层学和岩石地层学资料, 通过主要岩石地层单元沉积体系与沉积相研究(卢进才等, 2011, 2012, 2017), 提出了北山-银额地区石炭纪-二叠纪为统一的陆内(板内)裂谷盆地, 明确了其“两坳一隆”的构造格架, 为构造背景与盆地演化研究提供了依据。

本文在梳理研究区十多年来地质调查与综合研究取得的新资料与新成果的基础上, 拟通过石炭纪-二叠纪层序地层划分、不同构造单元层序地层对比及其格架的建立, 以及沉积演化与沉积建造研究, 探讨石炭纪-二叠纪盆地形成演化的构造背景、沉积演化与盆地类型。

1 石炭纪-二叠纪层序地层格架 1.1 石炭纪-二叠纪地层分布

研究区较系统的石炭纪-二叠纪地层研究主要是20世纪60~70年代1/20万区域地质调查, 之后的许多研究基本沿用了这一地层划分方案, 也有部分研究者对区内地层划分提出了质疑(丁培榛, 1985; 金玉玕等, 2000a, b; 杨帅师等, 2005; 王惠等, 2007)。

2007年以来, 笔者所在团队及一些从事北山地区基础地质调查的研究人员, 通过年代地层学、古生物学资料, 对北山地区和银额盆地石炭纪、二叠纪地层剖面进行了较系统研究(图 1a), 重新厘定了主要岩石地层单元的时代(卜建军等, 2011, 2013, 2014; 卢进才等, 2012, 2013; 牛亚卓等, 2013, 2014; 贾元琴等, 2016; 陈超等, 2017; 张宇轩等, 2018), 建立了区域地层对比格架(卢进才等, 2017)。本文在进一步梳理项目团队在岩石地层、古生物、火山岩年代学, 以及主要地层单元接触关系等研究成果基础上, 按照北山地区与银额地区分别建立了地层层序(图 2图 3)。

图 2 北山地区石炭纪-二叠纪层序地层综合分析图 Fig. 2 Carboniferous-Permian sequence stratigraphic of Beishan region

图 3 银额地区石炭纪-二叠纪层序地层综合分析图 Fig. 3 Carboniferous-Permian sequence stratigraphic of Yin'e region
1.1.1 北山地区

北山地区南部早石炭世晚期开始接受白山组(C1b)沉积, 地层呈东西向展布。项目团队在北山地区南部石板泉西剖面灰岩段采集到大量早石炭世晚期(大塘期)的四射珊瑚化石(段先锋等, 2011), 其时代无疑。区域上白山组不整合覆盖在泥盆系、志留系、寒武系和奥陶系等不同地层单元之上。

晚石炭世早期对应的岩石地层单元为石板山组(C2s), 北山地区广泛分布, 除1/20万区域地质调查发现了丰富的晚石炭世早期的珊瑚、类化石外, 此次研究在北山地区北部碧云泉剖面采集的火山岩样品(样品号12BYQ-TW1, 岩性:安山质角砾晶屑凝灰熔岩)获得的锆石U-Pb年龄为314.9±3.3Ma(卢进才等, 2013), 北山地区南部风雷山北剖面采集的火山岩样品(样品号TW6151, 岩性:流纹岩)获得的锆石U-Pb年龄为318.5±1.2Ma(贾元琴等, 2016), 与下伏白山组为整合接触或假整合接触。

晚石炭世晚期-早二叠早期对应的岩石地层单元为干泉组(C2P1g), 研究区分布广泛。项目团队采集到了代表晚石炭世晚期的菊石化石Gastrioceras-Branneroceras(卜建军等, 2014), 并获得了大量的火山岩年龄数据。北山地区北部黑鹰山剖面(样品号12HYS-TW1, 岩性:英安斑岩)和甜水井北剖面(样品号12D251-TW1, 岩性:晶屑岩屑凝灰岩)获得的火山岩锆石U-Pb年龄分别为308.6±1.0Ma(牛亚卓等, 2014)和296.8±3.5Ma(卢进才等, 2013), 北山地区南部绿洲井东(样品号13LZJ-TW1, 岩性:流纹质英安岩)剖面获得的火山岩锆石U-Pb年龄为292.4±1.6Ma(未发表), 与下伏石板山组以整合接触为主, 盆地边缘存在与前石炭系不同地层单元的上超不整合接触。

早二叠世中晚期-中二叠世早期对应的岩石地层单元为双堡塘组(P1-2s), 研究区分布广泛。在北山地区南部的俞井子剖面(样品号14YJZ-TW1, 岩性:流纹岩)获得的火山岩锆石U-Pb年龄为279.0±5.0Ma(未发表)。与下伏干泉组以整合接触为主, 在盆地边缘或靠近古陆边缘为假整合或超覆不整合接触。

中二叠世中-晚期对应的岩石地层单元为菊石滩组(P2j)+金塔组(P2jn), 北山地区北部芦草井剖面产中二叠世孤峰期的菊石类Paragastrioceras sp.。同时, 在北山地区南部的红柳泉北山(样品号12D303-TW1, 岩性:玄武质安山岩)、野马井南(样品号12D452-TW1, 岩性:流纹质含晶屑凝灰岩)等剖面获得的火山岩锆石U-Pb年龄分别为262.3±7.2Ma和263±1.8Ma(未发表), 与下伏双堡塘组整合接触。

晚二叠世对应的岩石地层单元为方山口组(P3f), 产晚二叠世植物化石, 有:Callipteris cf.change Sze, Sphenopteris cf.pseudogermanica Halle, Cordaites principalis (Germ.) H.B.Gein, Noeggerathopsis? sp.等(卢进才等, 2012)。与下伏地层不整合接触。

1.1.2 银额地区

银额地区缺失早石炭世及晚石炭世早期地层, 晚石炭世晚期-早二叠世早期开始接受阿木山组(C2P1a)沉积, 研究区分布广泛。项目团队在查古尔-尚丹、乌力吉山恨、乌兰敖包等剖面采集晚石炭世晚期类化石组合(Triticites组合), 查古尔-尚丹剖面采集的火山岩样品(样品号09CSGTW1, 岩性:玄武岩)获得的锆石U-Pb年龄为309.0±4.6Ma(卢进才等, 2012), 与下伏前石炭系不同地层单元不整合接触。

早二叠世中晚期-中二叠世早期对应的岩石地层单元为埋汗哈达组(P1-2m), 研究区分布广泛。项目团队在埋汗哈达、杭乌拉、恩格尔乌苏等多条剖面采集到了典型的早-中二叠世腕足动物群(卜建军等, 2011, 2013), 与下伏阿木山组以整合接触为主, 在靠近切刀古陆的埋汗哈达剖面不整合在志留系之上。

中二叠世中-晚期对应的岩石地层单元为阿其德组(P2a), 研究区分布广泛, 产菊石、腕足类化石(卢进才等, 2012), 芒罕超克剖面采集的火山岩样品(样品号08MHGTW1, 岩性:流纹质晶屑凝灰熔岩)获得的锆石U-Pb年龄为266.0±3.8Ma(卢进才等, 2012), 与下伏埋汗哈达组整合接触。

晚二叠世对应的岩石地层单元为哈尔苏海组(P3h), 产晚二叠世苔藓虫化石Stenodiscus cf.lamellais, Fenesetlla sp., Polypora sp.(卢进才等, 2012), 并在乌兰敖包剖面采集的火山岩样品(样品号08WSW-TW1, 岩性:流纹质角砾熔岩)获得锆石U-Pb年龄为255.2±2.3Ma(卢进才等, 2012)。与下伏阿其德组为整合或假整合接触。

1.2 层序界面 1.2.1 Ⅰ级层序及其界面

Ⅰ级层序以区域性不整合面为层序界面, 常代表着盆地基底面或盆地收缩时的古风化剥蚀面(Vail et al., 1977), 这种界面常与区域构造事件相吻合, 是构造旋回划分的标志(朱筱敏, 2008)。研究区石炭系-二叠系不整合在前石炭系不同地层单元之上(包括寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系等), 并被中生界三叠系、侏罗系、白垩系或新生界不同岩石地层单元不整合覆盖, 其上下不整合界面均为Ⅰ级层序界面。石炭系-二叠系内部为整合或平行不整合接触, 其作为一个Ⅰ级层序(Tsq1)。

1.2.2 Ⅱ级层序及其界面

Ⅱ级层序以沉积演化过程中大的海侵或海退事件的沉积界面作为层序界面, 层序顶部边界为削蚀、顶超或整一, 层序底部边界为上超、下超或整一。依据研究区石炭系-二叠系内部的海侵与海退事件, 或沉积界面, 北山地区划分为4个Ⅱ级层序, 银额地区划分为3个Ⅱ级层序。不同构造单元Ⅱ级层序的差异反映了沉积演化的时空差异。

1.2.3 Ⅲ级层序及其界面

Ⅲ级层序以明显的岩性突变面为层序界面, 为盆缘不整合面及与其对应的盆内整合面所限定的地层单元, 在盆地范围内可追踪对比, 其常与盆地的构造演化、沉积物供给、海平面变化及气候等因素的变化有关。北山地区和银额地区各划分为6个Ⅲ级层序(图 2图 3), 两个地区的层序地层单元在时空演化上存在差异。

1.3 层序地层及其格架 1.3.1 北山地区

(1) 第一层序(Sq1)

Sq1仅在北山地区南部呈近东西向分布, 对应的岩石地层单元为白山组, 划分为1个Ⅲ级层序(Ssq1)。代表了盆地初始伸展(或裂陷)的沉积, Sq1沉积之后, 研究区局部抬升, 海水短暂退出。

Ssq1发育低水位体系域(LST)和海侵体系域(TST)(图 2), 以老虎山东剖面为代表, 低水位体系域由辫状河三角洲平原亚相砾岩、砂岩组成, 可相变为酸性、中酸性火山岩夹碎屑岩。海侵体系域由滨海相的粉砂岩、泥质粉砂质、粉细砂岩; 老虎山东剖面发育辫状河三角洲前缘亚相的砂岩、含砾砂岩; 石板泉西剖面发育碳酸盐岩台地相的灰岩、生物灰岩、生物礁灰岩(图 4a), 可以相变为酸性-中酸性火山岩。依据老虎山东及石板泉剖面, Sq1厚度为2114m。

图 4 北山地区石炭系-二叠系野外照片 (a)石板泉西白山组台地边缘生物礁亚相珊瑚礁灰岩; (b)努尔盖干泉组冲积扇砾岩; (c)大狐狸山干泉组滨海相泥质粉砂岩; (d)小狐狸山石板山组扇三角洲相砾岩; (e)红柳园菊石滩组较深水复理石建造; (f)二断井菊石滩组较深水复理石建造 Fig. 4 Photographs of Carboniferous-Permian in Beishan region

(2) 第二层序(Sq2)

Sq2在北山地区南带和北带均有分布, 对应的岩石地层单元为石板山组, 划分为1个Ⅲ级程序(Ssq2)。Sq2代表了盆地伸展阶段沉积范围逐渐扩大、水体逐渐加深的演化过程。

Ssq2发育低水位体系域(LST)、海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)(图 2), 低水位体系域为扇三角洲相沉积的砾岩; 海侵体系域下部为滨海相灰色、灰绿色长石杂砂岩, 长石岩屑砂岩、岩屑砂岩夹薄层粉砂岩; 上部为三角洲相灰色含砾粗砂岩、长石岩屑砂岩夹晶屑凝灰岩。其中, 南带西段以碎屑岩为主, 向东碳酸盐岩增厚; 北带火山岩向西增厚。高水位体系域在南带下部为开阔台地、台地边缘浅滩、生物礁相生物灰岩; 上部为浅海(陆棚)相的泥岩、粉砂岩、钙质砂岩、灰岩。北带为浅灰色、灰绿色英安岩、暗绿色玄武岩、流纹岩夹凝灰质砂岩, 砂质泥岩。依据呼乃巴斯克剖面, Ssq2厚度为3123m。

(3) 第三层序(Sq3)

Sq3对应的岩石地层单元为干泉组, 划分为2个Ⅲ级程序(Ssq3和Ssq4)。Sq3沉积范围达到最大, 代表了盆地发育的鼎盛时期。

Ssq3对应干泉组下段, 发育低水位体系域(LST)、海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)(图 2), 低水位体系域为冲积扇相的砾岩、粗砂岩, 代表了盆地边缘沉积(以努尔盖剖面为代表)(图 4b); 海侵体系域为滨海相灰色粉砂岩、粉砂质泥岩(图 4c); 高水位体系域为浅海(陆棚)相灰-灰黑色泥岩、粉砂质泥岩。依据大狐狸山剖面, 厚度为315m。

Ssq4对应干泉组上段, 发育海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)(图 2), 海侵体系域由滨海相长石砂岩、泥质粉砂岩、粉砂岩组成, 高水位体系域由灰色安山岩、英安岩、安山质凝灰岩、英安质角砾岩、凝灰熔岩夹泥岩、粉砂质泥岩组成。依据大狐狸山剖面, 厚度为1466m。

(4) 第四层序(Sq4)

Sq4北山地区分布广泛, 对应的岩石地层单元为双堡塘组+菊石滩组+金塔组, 划分为2个Ⅲ级程序(Ssq5和Ssq6), 其中金塔组以火山岩为主, 未参加Ⅲ级程序的划分。Sq4沉积范围较Sq3有所缩小, 代表盆地逐渐萎缩。

Ssq5对应双堡塘组, 发育低水位体系域(LST)、海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)(图 2)。以马鬃山为界, 可分为南北2个带。北带低水位体系域为由三角洲相的黄褐色含砾中粗粒杂砂岩组成; 海侵体系域由为灰绿色粉砂岩夹黄褐色杂砂岩组成, 高水位体系域由泥岩、粉砂质泥岩夹灰岩组成, 依据芦草井实测剖面厚度为217m。南带低水位体系域为三角洲相的浅灰色中细砾岩; 海侵体系域为滨海相的褐红色、灰色粉砂岩、钙质粉砂岩; 高水位体系域为碳酸盐岩台地相的灰色灰岩、生物碎屑灰岩夹钙质岩屑杂砂岩及粉砂岩。依据卡路山剖面, 厚度为501m。

Ssq6对应菊石滩组, 发育海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)(图 2)。以马鬃山为界, 亦可分为南北2个带。北带海侵体系域为滨海相的粉砂岩、细砂岩; 高水位体系域为浅海(陆棚)相的灰黑色、深灰色泥岩、灰绿色粉砂岩和泥质粉砂岩, 依据芦草井实测剖面, 厚度为394m。南带海侵体系域为滨海相的浅灰色、灰绿色钙质岩屑砂岩、长石砂岩、长石石英砂岩、长石杂砂岩夹钙质粉砂岩; 高水位体系域由浅海(陆棚)相的灰色泥岩、泥质粉砂岩, 在二断井等剖面发育较深水相含陆源碎屑的硅质岩建造(史冀忠等, 2018b)。依据卡路山剖面, 厚度为1506m。

1.3.2 银额地区

银额地区未接受早石炭世晚期-晚石炭世早期(第一层序和第二层序)的沉积, 晚石炭世晚期开始接受阿木山组沉积, 晚石炭世晚期到中二叠世晚期两个地区层序地层具有较好的对比性。因此, 研究区进行统一的层序编号, 银额地区从第三层序开始。

(1) 第三层序(Sq3)

Sq3在银额地区广泛分布, 对应的岩石地层单元为阿木山组, 划分为2个Ⅲ级程序(Ssq3和Ssq4)。Sq3沉积范围达到最大, 代表了盆地发育的鼎盛时期。

Ssq3对应阿木山组下段和中段, 发育低水位体系域(LST)、海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)(图 3), 低水位体系域为扇三角洲相、辫状河三角洲平原相的砾岩、含砾粗砂岩(以乌兰敖包剖面为代表)(图 5a, b); 海侵体系域为滨海相的钙质长石砂岩、长石石英砂岩夹少量的火山岩; 高水位体系域为浅海(陆棚)相的粉砂岩、泥质粉砂岩、泥岩, 乌力吉山恨、乌兰敖包等地相变为开阔台地、台地边缘等碳酸盐岩台地相的灰岩。依据乌力吉剖面, 厚度为2289m。

图 5 银额地区石炭系-二叠系野外照片 (a)乌兰敖包阿木山组辫状河三角洲平原辫状河道沉积砾岩; (b)乌兰敖包阿木山组辫状河三角洲前缘水下分流河道长石石英砂岩; (c)芒罕超克阿木山组浅海(陆棚)相灰黑色泥岩; (d)埋汗哈达埋汗哈达组三角洲相砾岩 Fig. 5 Photographs of Carboniferous-Permian in Yin'e region

Ssq4对应阿木山组上段, 发育海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)(图 3), 海侵体系域由滨海相长石砂岩组成, 高水位体系域由浅海(陆棚)相的灰-深灰色泥岩、粉砂质泥岩夹钙质长石砂岩等组成, 其中芒罕超克剖面泥岩单层厚度大于180m(图 5c)。依据乌力吉剖面, 厚度为939m。

(2) 第四层序(Sq4)

Sq4在银额地区广泛分布, 对应的岩石地层单元为埋汗哈达组+阿其德组, 划分为2个Ⅲ级程序(Ssq5和Ssq6), Sq4沉积范围较Sq3有所缩小, 代表盆地逐渐萎缩。

Ssq5在银额地区对应埋汗哈达组, 为一个完整的Ⅲ级层序, 发育低水位体系域(LST)、海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)(图 3)。以埋汗哈达剖面为代表, 低水位体系域为不整合面之上发育的三角洲相的含砾粗砂岩(图 5d); 海侵体系域为滨海相的细砂岩、泥质粉砂岩以及粉砂质泥岩; 高水位体系域为滨海-浅海(陆棚)相的粉砂质泥岩、泥质粉砂岩夹细砂岩。杭乌拉剖面发育碳酸盐岩台地相的块状灰岩、生物灰岩, 以及含生物碎屑、陆源碎屑的硅质岩(史冀忠等, 2018b)。依据埋汗哈达剖面, 厚度为800m。

Ssq6在银额地区对应阿其德组, 发育海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)(图 3)。海侵体系域为滨海相的长石砂岩、长石杂砂岩、粉砂岩夹英安岩、安山岩、流纹岩、凝灰岩; 高水位体系域为滨海-浅海(陆棚)相的泥岩、粉砂质泥岩、凝灰质粉砂岩、凝灰质细砂岩、钙质长石砂岩、长石杂砂岩。依据阿其德海尔罕剖面, 厚度为2030m。

(3) 第五层序(Sq5)

Sq5对应的岩石地层单元为哈尔苏海组。银额地区西部(雅干以西)以陆相红色泥岩为主, 银额地区南部为陆相火山岩沉积, 均未进行Ⅲ级程序划分。雅干以东为海相沉积, 划分为2个Ⅲ级层序(Ssq7、Ssq8)。

Ssq7在银额地区雅干以东对应哈尔苏海组下段, 发育海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)(图 3), 海侵体系域为滨海-浅海(陆棚)相的泥岩、粉砂质泥岩; 高水位体系域为滨海相的钙质长石砂岩、钙质粉砂岩和长石石英砂岩。灰石山东剖面发育碳酸盐岩台地相的巨厚层块状灰岩。依据雅干东478剖面, 厚度为2581m。

Ssq8在银额地区雅干以东对应哈尔苏海组上段, 发育海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST)(图 3), 海侵体系域为浅海(陆棚)相的页岩; 高水位体系域为滨海相的灰色长石石英砂岩、钙质石英岩屑砂岩、钙质长石杂砂岩、钙质石英岩屑细砂岩夹粉砂岩、细砂岩、含砾粗砂岩和灰黑色粉砂质泥岩、泥岩。依据呼和音乌苏剖面, 厚度为1127m。

2 沉积演化与沉积建造

北山-银额地区缺失早石炭世早期地层, 早石炭世晚期仅北山地区南部接受了白山组的沉积, 并不整合覆盖在泥盆系、志留系、寒武系和奥陶系等不同地层单元之上, 代表盆地初始裂陷, 晚石炭世盆地不断伸展, 晚石炭世晚期-早二叠世早期盆地演化达到鼎盛时期, 沉积范围达到最大, 早二叠世中期盆地逐渐萎缩, 晚二叠世研究区大部分地区以陆相沉积为主, 仅银额东部的雅干以东地区接受了海相沉积。

2.1 早石炭世晚期

早石炭世晚期(Sq1沉积期), 北山地区南带伸展, 接受了白山组的沉积, 沉积了以滨海相-浅海(陆棚)相为主的碎屑岩+碳酸盐岩+火山岩组合, 靠近阿拉善古陆的金塔县老虎山一带沉积了辫状河三角洲相, 石板泉西、炭窑井发育碳酸盐岩台地相(图 6), 并发育一东西向展布的火山岩裂谷带, 火山间歇活动。

图 6 北山-银额地区Sq1沉积相展布图 1-苦水沟; 2-卡路山; 3-绿洲井; 4-炭窑井; 5-老虎山东; 6-石板泉西; MS-浅海相; LI-滨海相; PLF-碳酸盐岩台地相 Fig. 6 Distributionmap of Sq1 sedimentary facies, Beishan-Yin'e region
2.2 晚石炭世早期

晚石炭世早期(Sq2沉积期), 盆地南部进一步伸展, 同时, 盆地北部裂解, 形成了“两坳一隆”的构造-沉积格局, 马鬃山-赛汉陶来古陆将盆地分割为2个沉积带, 沉积了以滨海-浅海(陆棚)相为主的碎屑岩+碳酸盐岩组合(图 7); 靠近赛汉陶来古陆的小狐狸山一带下部沉积了以砾岩为主的扇三角洲相(图 4d); 北山地区南部的梧桐沟煤矿大白山一带发育碳酸盐台地相, 北山地区北部小狐狸山一带发育火山岩建造。

图 7 北山-银额地区Sq2沉积相展布图 1-碎石山西; 2-小狐狸山; 3-黄石坪; 4-大白山; MS-浅海相; LI-滨海相; PLF-碳酸盐岩台地相 Fig. 7 Distribution map of Sq2 sedimentary facies, Beishan-Yin'e region
2.3 晚石炭世晚期-早二叠世早期

晚石炭世晚期-早二叠世早期(Sq3沉积期), 盆地进一步伸展, 盆地演化达到鼎盛期(史冀忠等, 2018a), 发育大面积浅海(陆棚)相泥页岩, 南北两侧及马鬃山-切刀古陆两侧具有滨海相粗碎屑岩沉积, 在靠近阿拉善古陆的努尔盖一带发育冲积扇相(图 4b), 乌兰敖包一带发育辫状河三角洲相(图 5a), 乌力吉山恨、查干套海、乌兰敖包等地发育碳酸盐台地相, 并依据火山岩分布, 南北各发育一东西向展布的火山岩裂谷带(图 8), 北山地区火山活动较银额地区强烈, 火山岩厚度大。

图 8 北山-银额地区Sq3沉积相展布图 1-碧云泉; 2-甜水井北; 3-黑鹰山; 4-哈珠北; 5-大狐狸山; 6-野马井; 7-努尔盖; 8-川吉哈达; 9-查干套海; 10-乌力吉; 11-阿伦功; 12-呼伦陶勒盖; 13-乌兰敖包; MS-浅海相; LI-滨海相; PLF-碳酸盐岩台地相; MA-过渡相 Fig. 8 Distribution map of Sq3 sedimentary facies, Beishan-Yin'e region
2.4 早二叠世晚期-中二叠世晚期

早二叠世晚期-中二叠世晚期(Sq4沉积期), 盆地逐渐萎缩, 浅海(陆棚)相沉积范围缩小, 银额地区杭乌拉一带发育浅海碳酸盐台地相。北山地区南带的柳园-二断井-碱泉子-古硐井一线发育复理石建造、浊积岩或硅质岩(图 4e, f), 为次深海(或半深海)相沉积(图 9)。

图 9 北山-银额地区Sq4沉积相展布图 1-芦草井; 2-卡路山; 3-二断井; 4-煤窑西山; 5-古硐井; 6-碱泉子; 7-野马井; 8-八道桥; 9-阿尔斯兰; 10-芒汗超克; 11-埋汗哈达; 12-好比如; 13-杭乌拉; 14-恩格尔乌苏北; 15-264剖面; MB-次深海相; MS-浅海相; LI-滨海相; PLF-碳酸盐岩台地相; MA-过渡相 Fig. 9 Distribution map of Sq4 sedimentary facies, Beishan-Yin'e region
2.5 晚二叠世

晚二叠世(Sq5沉积期), 盆地进一步萎缩, 海水大部分退出本区, 仅在雅干-蒙根乌拉-恩格尔乌苏一带接受了滨海-浅海(陆棚)相的碎屑岩+碳酸盐岩, 局部夹火山岩, 在雅干南灰石山一带发育浅海碳酸盐岩台地相; 居延海一带为以紫红、黄褐色泥岩、灰质泥岩夹砂砾岩为主的河流三角洲-滨海相的海陆过渡相沉积; 北山地区及银额地区南部以陆相火山岩为主(图 10)。

图 10 北山-银额地区Sq5沉积相展布图 1-沙林浩来; 2-孔雀泉; 3-珊瑚井; 4-阿尔斯兰; 5-希勒呼都格; 6-艾肯克克尔特; 7-东德乌苏; 8-灰石山东北; 9-呼和音乌苏; 10-雅干478;11-哈尔苏海; 12-蒙根乌拉; MS-浅海相; LI-滨海相; C-陆相 Fig. 10 Distribution map of Sq5 sedimentary facies, Beishan-Yin'e region
3 讨论 3.1 盆地形成的构造背景

北山-银额地区构造背景复杂, 许多研究者基于火山岩或侵入岩地球化学与年代学研究, 或蛇绿岩分布及其年代学研究, 对研究区石炭纪-二叠纪构造环境与构造演化提出了不同的认识。其一, 认为古亚洲洋闭合时间在中晚泥盆世之前, 石炭纪-二叠纪进入陆内(板内)裂谷演化阶段(Zuo et al., 1991; 左国朝等, 2003; 何世平等, 2005; 徐学义等, 2008; 王国强等, 2014); 其二, 认为古亚洲洋闭合时间为早石炭世末期, 早石炭世为洋陆演化阶段, 晚石炭世-二叠纪进入陆内(板内)裂谷演化阶段(刘雪亚和王荃, 1995); 其三, 认为古亚洲洋的消亡时间为二叠纪(Xiao et al., 2010), 石炭纪-二叠纪为洋陆演化阶段, 包括了大洋环境、岛弧环境、弧后环境等不同构造背景沉积的地质体(吴泰然和何国琦, 1993; 张文等, 2011; 谢力等, 2014)。

研究区早石炭世晚期地层角度不整合在泥盆系、志留系、寒武系和奥陶系等不同时代地层之上, 这种区域性不整合, 以及早石炭世晚期地层(白山组)底部发育的低水位体系域沉积的砾岩, 代表了晚泥盆世-早石炭世早期研究区经历了一次区域性的造山事件, 这与许多学者将这一区域性不整合作为古亚洲洋闭合的主要证据认识一致(左国朝和何国琦, 1990; Zuo et al., 1991; 左国朝等, 2003; 何世平等, 2005)。

本次研究分别建立的北山地区和银额地区石炭纪-二叠纪层序地层格架表明, 石炭纪-二叠纪地层以整合接触或平行不整合接触为主, 不存在作为造山事件(古亚洲洋闭合)的区域性不整合, 不支持部分学者提出的古亚洲洋闭合时限在石炭纪-二叠纪之间。

沉积体系域边缘相沉积特征反映了大陆环境的特征, 代表了古亚洲洋闭合后的大陆(板内)环境的沉积; 石炭系-二叠系泥岩地球化学特征研究, 不同构造单元沉积物源区的构造环境类似, 均来自于上地壳, 代表了大陆环境的沉积(宋健等, 2012)。

总之, 石炭纪-二叠纪地层为古亚洲洋闭合后统一的大陆(板内)环境沉积的地质体。

3.2 硅质岩形成环境

有研究者将研究区具有复理石建造特征, 以及浊积岩、硅质岩等作为大洋环境或弧后盆地沉积或蛇绿岩套组合的证据(吴泰然等, 1993; 谢力等, 2014)。研究区在北山地区南部柳园-碱泉子-二断井-古硐井一线中二叠统菊石滩组分别发育复理石建造、浊积岩和硅质岩建造, 呈东西向展布; 银额地区杭乌拉和恩格尔乌苏剖面发育硅质岩建造。从其分布上看, 与区内的蛇绿岩带的分布并无直接的联系, 而是代表了裂谷伸展的较深水的沉积体系。对硅质岩岩石学特征、构造环境与成因分析表明, 硅质岩普遍含陆源碎屑, 砂屑含量可达10%~30%(史冀忠等, 2018b), 地球化学分析指示其沉积于大陆边缘, 成因分析为海水生物沉积的硅质岩, 与石炭纪-二叠纪为古亚洲洋闭合后统一的大陆(板内)环境相吻合。

3.3 沉积演化与盆地性质

中-晚泥盆世古亚洲洋闭合之后, 早石炭世晚期北山地区南部接受了白山组的沉积, 其底部砾岩代表了碰撞造山作用之后盆地伸展的初始沉积, 受南北向拉张或伸展作用的影响, 盆地自南向北、自西向东逐渐演化, 晚石炭世早期北山地区北部接受了石板山组沉积。晚石炭世晚期-早二叠早期银额地区接受了阿木山组沉积, 并形成了“两坳一隆”的构造格架, 即南部的红柳园-巴丹吉林坳陷带, 中部的马鬃山-赛汉陶来-切刀隆起带(古陆或岛链带), 北部的黑鹰山-额济纳旗坳陷带(卢进才等, 2011, 2017), 表现为两个东西向展布的沉积中心与火山岩裂谷中心。

石炭纪-二叠纪不同构造单元Ⅱ级层序的差异反映了沉积演化的时空差异, 自早石炭世晚期接受白山组沉积开始, 盆地演化以上超沉积为主, 到晚石炭世晚期-早二叠早期, 盆地演化达到鼎盛时期, 沉积范围达到最大; 早二叠中-晚期盆地逐渐萎缩, 表现为下超沉积, 晚二叠世海水大部分退出研究区, 大范围接受了陆相红层沉积或陆相火山岩沉积, 仅银额地区东部的雅干以东接受了海相沉积。

石炭纪-二叠纪“两坳一隆”的构造与沉积格架控制着不同沉积体系域的分布, 低水位体系域分布在阿拉善古陆及马鬃山-切刀中间隆起带两侧, 其典型的上超与下超沉积特征, 以及边缘相沉积特征代表了盆地的伸展与萎缩过程(赵省民等, 2010; 卢进才等, 2011, 2017), 高水位体系域分布在两个坳陷带, 发育以浅海(陆棚)相泥岩、碳酸盐岩为主的沉积, 火山岩亦在两个坳陷带分布, 构成了两个东西向展布的火山沉积中心(裂谷中心)。纵向沉积演化反应为由多个低水位体系域、海侵体系域、高水位体系域的沉积体系组成, 代表了盆地的伸展过程。其沉积演化与沉积充填特征表现了典型的大陆(板内)裂谷盆地的沉积建造特征。与区内石炭纪-二叠纪火山岩地球化学特征表明具有大陆裂谷双峰式火山岩的特征及形成于碰撞造山后再伸展的裂谷环境(党犇等, 2013)的认识一致。

北山-银额地区石炭纪-二叠纪层序地层、沉积演化与沉积体系指示了陆内(板内)裂谷盆地沉积特征, 与构造背景研究认识吻合。

4 结论

(1) 研究区石炭纪-二叠纪内部各地层单元以整合接触为主, 盆地边缘存在超覆不整合或平行不整合, 代表了一个Ⅰ级层序地层单元。石炭纪-二叠纪地层与下伏前石炭纪不同地层单元的不整合界面, 以及被上覆中-新生代不同地层单元所覆盖的界面为Ⅰ级层序界面。其内部可划分5个Ⅱ级层序和8个Ⅲ级层序, 分别代表了海平面变化与气候变化的沉积演化过程。

(2) 北山-银额地区不同构造单元石炭纪-二叠纪层序地层具有良好的对比性, 层序地层发育的差异以及沉积体系域的时空差异代表了盆地形成演化的时空差异, 与区内发育的被认为古亚洲洋闭合证据的几条“蛇绿混杂岩带”无关, 表明石炭纪-二叠纪地层为古亚洲洋闭合后统一的大陆(板内)环境沉积的地质体。

(3) 研究区石炭纪-二叠纪盆地初始裂陷时期为早石炭世晚期, 沉积范围有限, 晚石炭世早期, 自南向北、自西向东逐渐伸展, 晚石炭世晚期-早二叠世早期盆地演化达到鼎盛时期, 早二叠世晚期盆地逐渐萎缩, 晚二叠世海水基本退出, 进入内陆盆地演化阶段, 仅银额东北部接受了海相沉积。其沉积演化、沉积体系域与沉积建造特征, 以及“两坳一隆”的构造格架, 指示了裂谷盆地沉积特征。

致谢      本文成文过程中得到北京大学徐备教授的悉心指导, 在此表示衷心的感谢!

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