由于准噶尔盆地及其周缘没有明确的基底岩石出露, 且地球物理资料所解释的结果具有多源信息^[1], 关于其基底性质的认识分歧主要有以下3点:①古陆块结晶基底^[1-4]; ②中新生代沉积盖层之下是古生代洋壳或岛弧、蛇绿岩拼贴增生组合体^[5-13]; ③古生代褶皱基底与前寒武纪结晶基底组成的双重基底^[14-19]。因此, 开展准噶尔盆地基底性质和时代的研究, 对于新疆北部地区构造格局的恢复以及盆地内资源的勘查评价均具有重要的意义。

通过沉积岩碎屑锆石同位素年代学进行亚地层沉积年龄限定、层序及其源区特征等方面的研究具有独特的优势^[20-24]，而准噶尔盆地及邻区最古老的地质信息大多保存在碎屑锆石中, 对这些古老的锆石开展详细的研究是解决准噶尔盆地是否具有古老地壳年龄的重要手段。因此, 本文选择准噶尔盆地中南部SN4井中二叠系凝灰质细砂岩样品为研究对象, 进行岩石学及LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb的测年研究, 探讨该火山碎屑沉积岩的形成时代及其记录的年代学信息, 并进一步探讨准噶尔盆地的基底性质及构造演化的过程。

1 地质背景

准噶尔盆地位于新疆北部, 现今的区域地质显示出造山带和沉积盆地镶嵌共存、呈近东西向分布的陆内盆山构造格局(见图 1)。准噶尔盆地及其相邻地区的地壳结构较复杂, 盆地的基底性质争议大, 蛇绿岩、蛇绿混杂岩出露多。出露的蛇绿岩、蛇绿混杂岩主要为盆地西缘的达拉布特蛇绿岩、蛇绿混杂岩带, 东北部的卡拉麦里—塔克扎勒—大黑山蛇绿岩、蛇绿混杂岩带, 北天山的巴音沟蛇绿岩、蛇绿混杂岩带以及吐哈盆地南缘的康古尔塔格蛇绿岩、蛇绿混杂岩带。依据二叠系沉积厚度的变化特征并结合侏罗系断裂分布和地层发育的特征, 将准噶尔盆地内部划分为凸起及凹陷相间的不同次级的构造单元。本研究样品取自准噶尔盆地中央凹陷北部的莫北凸起。

2 样品概述和分析方法

准噶尔盆地内部地层按区域可划分为分为西北缘、中部和东缘3部分(见图 1)。研究样品取自盆地中部的SN4井, 地层由下至上有石炭系上统巴塔玛依内山组, 二叠系下统佳木河组、凤城组, 中统夏子街组、下乌尔禾组, 上统上乌尔禾组, 三叠系下统白口泉组。SN4钻井中可见二叠系中统下乌尔禾组与上覆地层三叠系下统百口泉组以及下伏地层二叠系下统佳木禾组均为不整合接触, 存在地层缺失。

研究样品SN4-P采自中统下乌尔禾组4 297.7 m处紫红色凝灰质细砂岩(见图 2)。该组整体为灰色砂岩、砂砾岩, 褐色泥质砂岩、泥岩, 紫红色凝灰质砂岩等, 为湖泊-扇三角洲相沉积。上覆地层为三叠系下统百口泉组褐色泥岩、泥质砂岩、褐色、深灰色砂岩, 为冲积扇沉积。下伏地层二叠系下统佳木禾组为一套褐色的厚层凝灰岩、灰色薄层砂岩、砾岩、砂质泥岩的火山沉积岩相组合。

显微镜下(见图 3)，该样品主要由碎屑颗粒(体积分数约为70%)和填隙物(体积分数约为30%)组成。碎屑颗粒以陆源沉积的碎屑为主, 其中长石平均体积分数约为40%, 石英平均体积分数约为10 %, 云母平均体积分数约为3 %; 凝灰岩岩屑平均体积分数约为35 %, 燧石岩屑平均体积分数约为12%。碎屑颗粒分选较差, 显微镜下不同视域下粒度有较大差异。样品中碎屑颗粒普遍粒度较细，0.1 ~ 0.15 mm, 少部分岩屑(平均体积分数约占岩屑10 %)粒度在0.45~0.8 mm。此外，样品中还见到4 ~ 10 mm的紫红色泥砾。部分长石碎屑和岩屑磨圆较好。填隙物主要为氧化铁胶结物, 约占填隙物体积分数的70%, 还有30%为火山灰及火山灰的化学分解物质组成。

锆石分选是在河北廊坊矿产地质调查研究所实验室完成的。锆石制靶、反射光、阴极发光(CL)以及锆石U-Pb同位素年龄分析均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。详细的实验过程和方法见参考文献[27]。所得的锆石同位素比值和年龄数据处理应用Glitter程序, 年龄计算以国际标准锆石91500为外标进行校正。样品普通铅校正参见文献[28]。谐和曲线及年龄分布频率图应用Isoplot程序绘制^[29-30]。对于老于1 000 Ma的年龄锆石采用²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb表面年龄, 而新于1 000 Ma的锆石则采用²⁰⁶Pb/²³⁸U表面年龄^[31]。

3 实验结果

从准噶尔盆地SN4井岩心紫红色凝灰质细砂岩样品中挑选出100颗锆石进行了ICP-MS U-Pb测年, 得到谐和度介于90 % ~ 110 %的谐和年龄83个。锆石主要为浅黄色, 少部分偏浅红, 透明, 短柱状, 阴极发光图像显示该凝灰质细砂岩的锆石可能不是一次结晶形成, 成因多样化。锆石阴极发光CL图像见图 4。锆石LA-ICP-MS分析获得的SN4-P样品的U-Th-Pb同位素组成和表面年龄的计算值列于表 1, 其中同位素比值和单个点的年龄误差均为1δ。U，Th分别为(50~2 841)×10^-6和(20~1 472)×10^-6。Th/U比值均大于0.1, 一般为0.28 ~ 1.54, 其阴极发光特征和Th/U比值显示, 绝大部分碎屑锆石属于岩浆型锆石。

凝灰质细砂岩SN4-P样品碎屑锆石U-Pb表面年龄值分布的范围较宽, 从(270±2)Ma(见图 4中点6)~(568±3)Ma(图 4中的点95)。锆石²⁰⁷Pb/²³⁵U-²⁰⁶Pb/²³⁸U谐和图(见图 5，图 6)中，几乎所有点都落在谐和线上, 呈现出良好的谐和性, 没有明显铅丢失。

根据凝灰质细砂岩SN4-P锆石的阴极发光特征(见图 4)和年龄分布特点(见图 6)可知, 其表面年龄可以分为以下6个年龄段。

1) 270 ~ 299 Ma。27粒锆石(图 4中1，2，3，6，9等), ²³²Th/²³⁸U比值介于0.37 ~ 1.44, 锆石CL图像中仅有少部分具较清晰的环带(图 4中1，12，15等), 为岩浆成因的锆石; 其余锆石环带不清楚或无(图 4中2，3，6，9，21等), 可能有变质成因的锆石。还有一些锆石为亮白色，或在最外圈可见到薄的亮白色增生边, 说明部分锆石在形成时可能受到热液活动的扰动。

2) 300~ 358 Ma。47粒锆石(图 4中4，5，8，10，16等), ²³²Th/²³⁸U比值介于0.3 ~ 1.54, 按锆石的阴极发光特征可分为两类:一类具有较明显规则的韵律生长环带, 如图 4中的4，19，23，26等, 应为岩浆成因的锆石; 另一类锆石结构复杂, 呈现无分带，弱分带，斑杂状分带等, 核部发光不均一, 如图 4中的8，10，17，22，35等, 表现出变质锆石的内部结构特征, 部分锆石边部有亮白色次生增生边。

3) 363 ~ 401 Ma。6粒锆石(图 4中36，72，81，82，83，88)，²³²Th/²³⁸U比值为0.43 ~ 0.71, 锆石环带不清楚, 可能为变质成因的锆石。

4) 424 Ma。1粒锆石(图 4中46)，²³²Th/²³⁸U比值为0.28, 锆石无环带, 可能为变质重结晶作用形成的锆石。

5) 568 Ma。1粒锆石(图 4中95), ²³²Th/²³⁸U比值为0.71, 岩浆震荡环带较清楚, 应为岩浆成因的锆石。还有1粒锆石(1 790 ± 14)Ma存在较强烈铅丢失, 数据点偏离谐和线分布。

6) 1 790 Ma。1粒锆石(图 4中33), 锆石形状为短柱状, 无环带, ²³²Th/²³⁸U比值为1.06, 可能为变质成因的锆石。

在凝灰质细砂岩SN4-P样品中，锆石年龄主要集中在270 ~358 Ma, 其中300~ 358 Ma的在石炭纪的锆石最多, 为47个, 占总数的57 %; 其次是270 ~ 299 Ma，在早中二叠世期间的有27个, 占总数的33 %; 泥盆纪为6个, 占7 %, 三叠纪有3个, 志留纪为1个, 新元古代和古元古代各有1个。

4 讨论

二叠系中统下乌尔禾组为一套湖泊-扇三角洲相沉积序列, 主要由砂岩、砂砾岩、泥岩和沉凝岩组成, 下伏地层下统佳木禾组为一套火山沉积岩相组合。上覆地层为三叠系下统百口泉组冲积扇沉积。凝灰质细砂岩SN4-P样品碎屑锆石年龄分布范围较宽的结构反映了其物源区岩石组成的复杂性和多样性。在凝灰质细砂岩SN4-P中获得的最新的岩浆成因锆石年龄为(270±2)Ma和(272±2)Ma, 因此该样品的沉积时代应晚于二叠纪Guadalupian世Roadian阶, 为中二叠世晚期, 与采样位置二叠系中统下乌尔禾组的时代一致。

石炭纪至早中二叠世的碎屑锆石, 是所研究的凝灰质细砂岩中碎屑锆石的主体。锆石的阴极发光特征和Th/U比值表明大部分碎屑锆石为岩浆成因, 且与中酸性岩浆中的锆石类似, 揭示出在准噶尔盆地中部基底中, 存在这一时期的中酸性岩浆岩。准噶尔盆地在晚泥盆世—石炭纪为古大洋闭合阶段, 在晚石炭—二叠纪是新疆北部地区的早海西期洋盆闭合、陆陆碰撞造山形成统一地块之后的强烈活化时期, 在准噶尔区块形成了若干个陆内裂谷或断陷盆地, 广泛发育火山喷发和深成岩浆侵入, 包括碱性花岗质岩浆和基性岩浆(岩墙)等。同时，石炭—二叠纪的陆内伸展作用, 在整个新疆地区都有出现。包括博格达石炭—二叠纪裂谷盆地的形成、觉罗塔格裂谷裂谷盆地、伊宁石炭—二叠纪裂谷盆地的形成、准噶尔盆地及邻区石炭—二叠纪的隆-拗(断)相间的构造格局都是这个阶段地壳扩张作用的结果与产物^[32]。在石炭纪早期区域弱碰撞造山、局部有残余海盆发育的区域背景下, 晚石炭世，特别是早、中二叠世，研究区范围内不仅发生板内伸展作用的显著深成岩浆活动和火山活动, 而且在北疆地区控制了主体为河、湖相沉积盆地的形成, 发育近源快速的粗碎屑沉积和火山堆积, 构成北天山—准噶尔裂陷带。此外, 将准噶尔盆地东部、东北缘、南缘、西北缘露头区以及盆地中部钻井的碎屑岩和岩浆岩年龄频谱结合在一起分析后发现，其具有很好的一致性, 其中在250 ~ 360 Ma存在锆石年龄高频集中段^[33], 表明这个时间段是区内在陆壳基底存在基础上, 岩浆作用、变质作用活跃的构造活动期, 而且也反映出基底经历了多阶段的形成过程。

凝灰质细砂岩SN4-P样品中还获得了1个(568±3)Ma新元古代岩浆锆石年龄和1个(1 790±14)Ma古元古代变质锆石年龄。此外还在LN1井二叠系凝灰岩中获得了一粒(2 384±29)Ma的早元古代岩浆锆石年龄, 在LN1井三叠系粉砂岩中获得晚元古代的(623±9)Ma岩浆锆石年龄和(747±60)Ma的变质锆石年龄(另文发表)。在新疆北部, 新元古代早期和古元古代早期的地质记录, 广泛发育在天山及塔里木地区^[34-36]。在哈萨克斯坦等中亚国家境内和萨彦岭及蒙古北部也有这一时期较多地层的出露。目前学者多认为这些地质记录有可能都是Rodinia超大陆的组成部分, 其裂解及古亚洲洋的演化, 使它们成为古生代造山带中的古陆碎片。准噶尔盆地在新元古代晚期至石炭纪期间为洋陆相间的古构造地理格局, 在准噶尔盆地周缘发育着古生代的大洋岩石圈残片蛇绿岩带^[37]。本研究获得的来自准噶尔盆地中部的这一时期的碎屑锆石, 在所研究的凝灰质细砂岩沉积时, 虽然北天山洋盆在石炭纪已经关闭^{[8, 38-40]}，但其源区既有可能是准噶尔盆地内部存在的元古代的地质体, 也有可能来自远距离的北天山。该凝灰质细砂岩样品富含长石碎屑、凝灰岩岩屑, 且一般磨圆较差，说明其搬运距离较短, 因此推测该凝灰质细砂岩SN4-P样品中的碎屑锆石更可能是来源于盆内火山活动和更古老的变质地体, 而非周缘造山带。

近年来, 随着对准噶尔盆地及其邻区深部地球物理探测(地震和重、磁、电)研究^{[14-17, 19]}和同位素测年等综合处理解释精度的提高，学界逐渐趋向于认同准噶尔盆地基底存在前寒武系古老的陆壳基底；并且在盆地露头区和内部钻井中的前中生代地层中也获得了大量的前寒武纪古老锆石年龄数据, 显示盆地内部具有前寒武系的古老基底^{[18, 38, 41-45]}。

5 结论

1) 研究获得的2个最年轻的岩浆锆石年龄为(270±2)Ma和(272±2)Ma, 说明该样品的沉积时代晚于中二叠世Roadian阶, 与沉积地质时代一致;

2) 研究区存在晚古生代363~401 Ma，300~358 Ma，270 ~ 299 Ma的年龄纪录, 反映准噶尔盆地基底经历了多阶段复杂的陆壳演化过程;

3) 研究获得(568±3)Ma新元古代和(1 790±14)Ma古元古代锆石年龄, 推测在准噶尔盆地内部可能存在新元古代的岩浆活动和元古代大陆地壳。