岩石学报  2013, Vol. 29 Issue (3): 864-874   PDF    
引用本文
赵磊, 高福红, 张彦龙, 徐怀民, 张丽媛. 2013. 海拉尔盆地中生代火山岩锆石U-Pb年代学及其地质意义. 岩石学报, 29(3): 864-874  
ZHAO L, GAO FH, ZHANG YL, XU HM and ZHANG LY. 2013. Zircon U-Pb chronology and its geological implications of Mesozoic volcanic rocks from the Hailaer basin. Acta Petrologica Sinica, 29(3): 864-874(in Chinese with English abstract)   
海拉尔盆地中生代火山岩锆石U-Pb年代学及其地质意义
赵磊1, 高福红2, 张彦龙2, 徐怀民1, 张丽媛1     
1. 油气资源与探测国家重点实验室，中国石油大学地球科学学院，北京 102249;
2. 吉林大学地球科学学院，长春 130061
2011-10-10 收稿; 2012-10-11 改回.
基金项目: 本文受国家自然科学基金项目(90814003、40739905) 资助
第一作者简介: 赵磊，男，1985年生，博士生，地质资源与地质工程专业，E-mail: zhaolei8502@126.com
摘要: 本文报导了海拉尔盆地巴彦呼舒凹陷楚2井南屯组(K1n) 和楚3井兴安岭群(J3xn)6个流纹岩中锆石的LA-ICP-MS U-Pb定年结果，以便精确限定盆地内火山岩形成的时代以及火山活动与盆地形成和演化之间的关系。6个流纹岩中的锆石均呈自形-半自形晶，显示典型的岩浆生长环带或条痕状吸收，并具有较高的Th/U比值(0.48~2.41)，表示其为岩浆成因。楚2井南屯组(K1n)1个流纹岩中锆石的206Pb/ 238U年龄介于123~134Ma之间，其加权平均年龄为127±2Ma，代表了该火山岩的形成时代为早白垩世晚期；楚3井兴安岭群5个样品的锆石206Pb/ 238U年龄分别为120±1Ma、127±4Ma、125±1Ma、125±1Ma和126±1Ma，表明其形成时代为早白垩世晚期，并非前人确定的晚侏罗世。除了上述年龄外，流纹岩中还存在140~168Ma的捕获锆石，这与区域上出露的塔木兰沟组火山岩的形成时代相吻合。根据上述定年结果并结合前人的资料，海拉尔盆地南屯组和兴安岭群火山岩的形成时代为早白垩世晚期，火山活动时间为中生代晚侏罗世-早白垩世，这与我国东部中生代火成岩活动的年代一致。从东北地区中生代火山岩的定年结果及其空间展布来看，海拉尔盆地的形成与演化应与环太平洋构造体系有关，即古太平洋板块的俯冲作用。
关键词: 海拉尔盆地     锆石U-Pb定年     流纹岩     中生代     南屯组     兴安岭群    
Zircon U-Pb chronology and its geological implications of Mesozoic volcanic rocks from the Hailaer basin
ZHAO Lei1, GAO FuHong2, ZHANG YanLong2, XU HuaiMin1, ZHANG LiYuan1     
1. State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, College of Geosciences, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;
2. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China
Abstract: This paper presents the LA-ICP-MS zircon ages of 6 rhyolite samples in the Nantun Formation (K1n) from Well Chu 2 and in the Xing'anling Group (J3xn) from Well Chu 3, to constrain the volcanic rocks' exact formation time and their relation to the fomation and evolution of the Hailaer basin. Zircon grains from the 6 rhyolite samples are euhedral to subhedral in shape and show the typical oscillatory zoning or striped absorption with Th/U ratios range from 0.48 to 2.41, implying that they should be magmatic in origin. The 206Pb/238U ages of zircons from the rhyolite sample of the Nantun Formation (K1n) in Well Chu 2 range from 123Ma to 134Ma, with a weighted mean 206Pb/ 238U age of 127±2Ma, representing the formation time of the volcanic rocks, is Early Cretacesous. Zircon grains in other five rhyolite samples from the Xing'anling Group (J3xn) in Well Chu 3 show weighted mean 206Pb/ 238U ages of 120±1Ma, 127±4Ma, 125±1Ma, 125±1Ma and 126±1Ma, respectively, indicating that the volcanic rocks was formed in Early Cretacesous rather than Late Jurassic as previously believed. Besides these ages, there are some captured zircons in rhyolites with the ages of 140~168Ma, which coincide with the formation time of volcanic rocks in the Tamulangou Formation in the same region. Our data shows that the volcanic rocks in the Nantun Formation and the Xing'anling Group formed in Early Cretacesous, which are close to the age of the Mesozoic volcanic activities in eastern China. Combined with the spatial variations of ages of the Mesozoic volcanic rocks in northeastern China, it is suggusted that the formation and evolution of the Hailaer basin are related to the subduction of the Paleo-Pacific plate.
Key words: Hailaer basin     U-Pb zircon dating     Rhyolite     Mesozoic     Nantun Formation     Xing'anling Group    

大兴安岭地区中生代火山岩的形成年龄与地球动力学背景是该地区地学研究的热点问题之一，精确的年龄数据对探讨该区中生代岩浆作用机制具有重要的意义。东北地区北部发育一系列的断陷盆地，如松辽盆地、海拉尔盆地、二连盆地等，其中海拉尔盆地已探明具有丰富的油气资源，目前已成为我国重要的油气勘探目标区之一(吴河勇等，2004)，关于盆地的油气资源分布已经取得了很多认识，但对于盆地地层划分、对比及盆地内部发育的火山岩年代学等方面尚存在分歧。前人仅根据地震资料或岩石类型对盆地地层进行了划分，将南屯组(K1n) 归属于早白垩世，将兴安岭群(J3xn) 归属于晚侏罗世(内蒙古自治区地质矿产局，1991)，存在较大的争议，此外，对于在盆地内部中生代地层中广泛发育的火山岩尚未进行系统的年代学研究，这不仅限制了对盆地的形成与演化与大兴安岭地区中生代期间火山活动和构造演化之间关系的认识，也直接影响到油气勘探目标区与目的层位的确定。鉴于此，本文以海拉尔盆地巴彦呼舒凹陷楚2井和楚3井钻井岩心为研究对象，对南屯组(K1n) 和兴安岭群(J3xn) 中钻遇的流纹岩进行了锆石LA-ICP-MS U-Pb定年工作，以此确定南屯组(K1n) 与兴安岭群(J3xn) 的地层年龄与归属，并探讨了海拉尔盆地中生代火山岩形成演化的动力学背景。

1 地质概况和样品描述

海拉尔盆地位于华北板块与西伯利亚板块之间所夹持的中亚造山带内额尔古纳地块上，受NE-NW向两条地壳断裂夹持，盆内断裂构造发育，以NE向和NW向为主，控制了该区火山活动及次火山岩体的展布(陈均亮等，2007)。盆地划分为五个一级构造单元：扎赉诺尔坳陷、嵯岗隆起、贝尔湖坳陷、巴彦山隆起和呼和湖坳陷，巴彦呼舒凹陷是扎赉诺尔坳陷的一个二级构造单元(图 1)，NE轴向，面积1500km2，最大深度4000m。凹陷基底为古生代变质岩，自下而上发育的地层有：兴安岭群(J3xn)、铜钵庙组(K1t)、南屯组(K1n)、大磨拐河组(K1d)、伊敏组(K1y) 以及青元岗组(K2qy)。根据测井解释和岩心观察，大磨拐河组以泥岩、粉砂岩为主，南屯组以砂岩、粉砂岩为主，铜钵庙组以泥岩、砂岩、凝灰质砂岩为主，兴安岭群以流纹岩、砂砾岩、泥岩、凝灰岩、安山岩为主。本文研究对象为南屯组(K1n) 与兴安岭群(J3xn)，采样位置如图 2。

图 1 海拉尔盆地构造单元划分和流纹岩定年样品位置 Fig. 1 Sketch geological map showing tectonic units and sampling location for the Hailaer basin

图 2 楚2井和楚3井岩性柱状图和采样位置 Fig. 2 Column diagram of the Well Chu 2 and Well Chu 3 showing lithology and sampling positions

通过对海拉尔盆地内钻井岩心的观察研究，盆地内存在大规模层状分布的中生代流纹岩体，盆地外也出露了一些类似的火山岩体。其岩相属火山溢流相，岩体内并未发现火山碎屑及陆源碎屑。6个流纹岩样品可分为硅化流纹岩和球粒流纹岩两种类型，其岩相学特征如下：

硅化流纹岩样品08GW023、08GW026、08GW027采自楚3井，取样深度分别为1413.17m、2178.82m、2179.27m，岩性均为硅化流纹岩，岩石呈灰白色，流纹构造，斑状结构，斑晶主要为石英，表面干净，粒度在0.02~0.25mm之间，基质为霏细结构，硅化强烈，在球粒内部及粒间发育玉髓化，其中08GW026、08GW027岩石基质玉髓化程度要明显强于08GW023，暗色矿物主要为普通角闪石。

球粒流纹岩样品08GW021采自楚2井，取样深度为1606.92m，样品08GW024、08GW025采自楚3井，取样深度分别为1611.90m、1616.53m，岩性均为球粒流纹岩，岩石呈灰白色，流纹构造，斑状结构，斑晶主要为石英，边部熔蚀，粒度在0.05~0.3mm之间，基质主要是霏细结构、玻璃质脱玻化形成的球粒结构。

2 分析方法

本文的样品破碎和锆石挑选由河北省区域地质调查大队地质实验室完成。在阴极发光(CL) 图像基础上，采用激光剥蚀等离子体分析技术(LA-ICP-MS) 对锆石进行微区原位单点U-Pb同位素定年。锆石CL图像采集(图 3) 和定年实验在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室进行, 采用ComPex102 ArF准分子激光器(波长193nm) 和带有动态反应池的四极杆Agilent 7500A Q-TCP MS型进行锆石U-Pb测定。实验中采用He作为剥蚀物质的载气, 用美国国家标准技术研究院研制的人工合成硅酸盐玻璃标准参考物质NIST SRM610进行仪器最佳化, 采用哈佛大学国际标准锆石91500、GJ-1作为外部校正，GJ-1的206Pb/238U加权平均年龄为613±6.3Ma，与GJ-1的推荐值613±6Ma (谢烈文等，2008) 在误差范围内基本一致。样品的同位素比值计算采用GLITTER (ver4.0 Macquarie University) 程序, 年龄计算采用国际标准程序Isoplot3.0。样品的制备与SHRIMP方法类似，实验采用的激光束斑直径为50μm。实验获得的数据采用Andersen的方法进行同位素比值的校正(Andersen, 2002)，以扣除普通Pb的影响。

图 3 海拉尔盆地中生代火山岩部分锆石阴极发光图像 Fig. 3 CL images of the selected zircons from the Mesozoic volcanic rocks of the Hailaer basin
3 锆石U-Pb测定结果

海拉尔盆地楚2井南屯组(K1n) 和楚3井兴安岭群(J3xn) 不同深度的6个样品的锆石U-Pb年龄分析结果列于表 1，其U-Pb谐和图如图 4所示。由于所测定的岩石形成于中生代，其结果以206Pb/238U年龄计算。单个分析点的分析误差为1σ，加权平均后的同位素年龄误差为2σ。

表 1 海拉尔盆地中生代火山岩锆石LA-ICP-MS U-Pb定年数据 Table 1 LA-ICP-MS zircon U-Pb dating data from Mesozoic volcanic rocks in the Hailaer basin

图 4 海拉尔盆地中生代火山岩中锆石LA-ICP-MS U-Pb年龄谐和图 Fig. 4 U-Pb concordia diagrams showing the LA-ICP-MS zircon data for the Mesozoic volcanic rocks of the Hailaer basin

海拉尔盆地南屯组(K1n) 和兴安岭群(J3xn)6个流纹岩样品中锆石粒度在30~100μm之间，其阴极发光(CL) 图像显示，大多数锆石晶形较好，呈粒状或短柱状，内部结构清晰，发育典型的振荡生长环带(图 3)，但它们均具有高的Th/U比值，介于0.48~2.41之间，暗示其岩浆成因。在6个样品中，除08GW027号样品未发现捕获锆石外，其他5个样品均有捕获锆石。

08GW021样品19颗锆石的测试结果显示，所有19颗锆石的测试结果都位于谐和线上或附近(图 4a)，其中有一个颗粒可能是由于Pb丢失而导致206Pb/238U年龄值偏低，未参加统计计算。该样品的206Pb/238U年龄值明显分为两组，第一组13颗锆石206Pb/238U年龄介于123~134Ma间，加权平均年龄为128±2Ma (MSWD=3.2)；第二组5颗锆石206Pb/238U年龄介于136~150Ma间，加权平均年龄为140±5Ma (MSWD=2.6)。我们认为125Ma是硅化流纹岩的岩浆结晶年龄，而140Ma为流纹岩捕获的早期岩浆锆石年龄，可能是该区早期岩浆作用的产物。

08GW023样品22颗锆石的测试结果显示，所有锆石的测试结果都位于谐和线上或附近(图 4b)，但该样品的206Pb/238U年龄值明显分为两组，第一组16颗锆石206Pb/238U年龄介于116~124Ma间，加权平均年龄为120±1Ma (MSWD=1.4)；第二组6颗锆石206Pb/238U年龄介于142~164Ma间，加权平均年龄为152±11Ma (MSWD=12)。我们认为120Ma是硅化流纹岩的岩浆结晶年龄，而152Ma为流纹岩捕获的早期岩浆锆石年龄。

08GW024样品20颗锆石的测试结果都位于谐和线上(图 4c)，其中有6颗锆石206Pb/238U年龄介于125~132Ma间，加权平均年龄为127±4Ma (MSWD=0.3)，该年龄应该代表了流纹岩形成的时间；另外14颗锆石206Pb/238U年龄介于140~162Ma间，加权平均年龄为151±5Ma (MSWD=5.0)。

08GW025样品23颗锆石的测试结果除1颗在谐和线右侧外，其余都位于谐和线上或附近(图 4d)，该样品的206Pb/238U年龄值明显分为两组，其中8颗锆石的206Pb/238U年龄介于122~128Ma间，加权平均年龄为125±1Ma (MSWD=0.38)，其余14颗锆石的206Pb/238U年龄值介于137~154Ma间，其加权平均年龄为147±3Ma (MSWD=2.5)。125Ma是球粒流纹岩的岩浆结晶年龄，而147Ma为流纹岩捕获的早期岩浆锆石年龄。

08GW026样品进行了23颗锆石的年龄测试，结果表明所有锆石都位于谐和线上或附近(图 4e)，206Pb/238U年龄明显分为4组，其中16颗锆石的206Pb/238U年龄介于122~128Ma间，加权平均年龄为125±1Ma (MSWD=0.83)，其余7颗锆石的206Pb/238U年龄值年龄介于136~168Ma间，3颗锆石的206Pb/238U加权平均年龄为140±9Ma (MSWD=3.0)，另外3颗锆石的206Pb/238U加权平均年龄为154±3Ma (MSWD=0.042)，而该样品的07分析点为168±4Ma (1σ)。

08GW027样品进行了19颗锆石的年龄测试，所有锆石的测试结果都位于谐和线上(图 4f)，206Pb/238U年龄介于123~128Ma间，加权平均年龄为126±1Ma (MSWD=1.3)。

6个分析样品的流纹岩锆石年龄介于120~128Ma之间，代表了海拉尔盆地流纹岩的形成年龄，而140~168Ma则代表了流纹岩形成时捕获锆石的年龄。

4 讨论 4.1 海拉尔盆地中生代火山岩的形成时代及地层归属

大兴安岭地区晚中生代火山岩的形成时代一直是该地区研究的热点和争论的焦点问题。前人对大兴安岭北部地区中生代火山岩做了大量的工作，形成了基本相同的观点，认为这些火山岩形成于晚侏罗-早白垩世(蒋国源和权恒，1988；赵国龙等，1989；王友勤等，1997；内蒙古自治区地质矿产局，1991；黑龙江省地质矿产局，1993；林强等，2003；葛文春等，1999；尹志刚等，2006)。

Wang et al.(2006)对大兴安岭地区火山岩剖面进行了40Ar/39Ar法定年，年龄值可以划分为四个阶段：163~160Ma，147~140Ma，125~120Ma和116~113Ma，表明该区火山活动从晚侏罗世的160Ma持续到早白垩世。本文通过对海拉尔盆地楚2井和楚3井6个流纹岩样品进行锆石206Pb/238U年龄测试，结果表明，海拉尔盆地中生代火山岩的形成时间在120~128Ma (图 5)，这个年龄与Wang et al.(2006)发表的数据中上库力组玄武岩或玄武安山岩的年龄(125~120Ma) 非常一致。随着测试技术的提高及高精度年龄数据的积累，大兴安岭地区的中生代火山岩主要形成于早白垩世(Zhang et al., 2008)，这些新的年龄结果与Wu et al.(2005)总结的我国东部早白垩世大火成岩事件的年代相吻合，同时也表明海拉尔盆地的形成演化与我国东部中生代火山活动有密切的关系。

图 5 海拉尔盆地火山岩年龄统计图 Fig. 5 Ages statistics diagram of the Mesozoic volcanic rocks of the Hailaer basin

08GW021、08GW023、08GW024、08GW025和08GW026样品中均含有捕获锆石，而且捕获锆石的加权平均年龄相对一致，介于140~168Ma，这些锆石的年龄反映了海拉尔盆地早期的岩浆事件，这对研究本区构造演化史具有重要意义。捕获锆石的年龄与Wang et al.(2006)发表的数据中塔木兰沟组玄武岩或玄武安山岩的年龄(140~162Ma) 具有良好的一致性。前人对海拉尔盆地外部塔木兰沟组火山岩的形成时间进行了大量的工作，得到了相对一致的结论，认为该组火山岩主要形成于160~150Ma (Wang et al., 2006；尹志刚等，2005；黑龙江省地质矿产局，1993；李文国，1996；曲关生，2008)，此外，孟恩等(2011)认为满洲里地区灵泉盆地中生代塔木兰沟组火山岩形成年代约为166Ma；李萍萍等(2010)对海拉尔盆地贝尔湖凹陷和扎赉诺尔凹陷塔木兰沟组火山岩进行了锆石206Pb/238U年龄测试，结果为145~151Ma，与本文捕获锆石的年龄比较一致，说明在本区上库力组地层下发育塔木兰沟组地层，其形成于晚侏罗世，年龄范围在140~168Ma之间。

以前由于缺乏精确的定年数据，对含火山岩系的地层划分主要是依据地震和岩石类型，并将兴安岭群(J3xn) 划分为晚侏罗世，然而，由楚3井5个流纹岩样品的锆石U-Pb定年结果可知，兴安岭群(J3xn) 流纹岩的形成年龄为120~128Ma，这与大兴安岭地区火山岩剖面中的上库力组的年龄(125~120Ma) 具有良好的一致性(Wang et al., 2006)，此外，关于大兴安岭地区上库力组的年龄报道主要有：呼伦湖地区上库力组碱性流纹岩的年龄为127±5Ma (葛文春等，2001)、扎兰屯地区上库力组花岗斑岩和辉绿岩的年龄分别为130±1124±1Ma (Zhang et al., 2006)，综合前人对海拉尔盆地外部上库力组的测年结果，我们认为原划分为兴安岭群(J3xn) 的火山岩地层与大兴安岭地区的上库力组相当，上库力组火山岩的主体年龄范围为120~130Ma，时间跨度约10Myr (Zhang et al., 2008)。

由楚2井1个流纹岩样品的锆石U-Pb定年结果可知，南屯组(K1n) 流纹岩的形成年龄为125±3Ma，此结果较好地证明了南屯组是一个早白垩世地层，也与上库力组火山岩相当。由此可以看出，盆地中含火山岩地层的锆石U-Pb定年工作是地层划分和对比的重要手段。

4.2 火山岩形成的动力学背景

研究区早白垩世火山事件形成于与裂谷发育过程相似的强烈引张环境，这与整个中国东部早白垩世双峰式火山岩组合(郭锋等, 2001; 邵济安等, 2001; 戴圣潜等, 2003; 林强等, 2003; Wu et al., 2005; Yang et al., 2005, 2008; Guo et al., 2007; 裴福萍等, 2008)、大型沉积盆地(李思田和路凤香, 1997; Meng, 2003)、A型花岗岩(李培忠和于津生，1993；Jahn et al., 2001；张玉涛等，2007; Wu et al., 2002; Yang et al., 2006, 2008) 和变质核杂岩(张履桥等, 1998；Davis et al., 2001; Liu et al., 2005; Yang et al., 2008) 等所揭示的伸展环境相吻合。在这种大的构造背景之下，海拉尔盆地发育了大量的火山岩，与海拉尔盆地相邻的松辽盆地南部火石岭组火山岩形成时代为133~129Ma，营城组火山岩形成时代为119~110Ma (裴福萍等，2008)，与大兴安岭地区塔木兰沟组火山岩(138~126Ma) 和上库力组火山岩以及伊列克得组火山岩(125~113Ma) 相对应(Fan et al., 2003; Wang et al., 2006; Zhang et al., 2006, 2008)。同时, 该期岩浆事件在整个中国东部也广泛存在(Wu et al., 2005; 邵济安等, 2001; Wu et al., 2002, 2005; 戴圣潜等, 2003; 彭艳东等, 2003; 裴福萍等, 2008; 袁洪林等, 2005; 葛文春等, 2005; 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向欧亚大陆下俯冲作用相联系。由此可以说明海拉尔盆地早白垩世火山岩的形成应与环太平洋构造体系有关，即是古太平洋板块的俯冲作用的结果。

5 结论

通过对海拉尔盆地中生代火山岩的锆石U-Pb年代学的研究，得出如下结论：

(1) 本文研究的海拉尔盆地南屯组和兴安岭群火山岩的形成时代为120~128Ma，为早白垩世晚期。

(2) 海拉尔盆地早白垩世火山岩的形成应与环太平洋构造体系有关，即是古太平洋板块的俯冲作用的结果。

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