探究鄂尔多斯盆地东部的沁水盆地与中晚三叠世的关联性现今的鄂尔多斯盆地位于华北板块西部,南邻祁连—秦岭—大别造山带,北接阴山造山带,四周被一系列小型次级盆地环绕,矿产资源丰富,无论从地质意义上讲,还是经济意义上讲,都是中国非常重要的沉积盆地之一[1,2]。中晚三叠世是鄂尔多斯盆地构造和盆地性质上一个非常重要的转折点,受到了大量地质学工作者的关注。其中一个重要的关注点,就是有关大华北盆地,即当时的鄂尔多斯盆地三叠纪原始沉积范围和沉积相展布的问题。学者研究认为,中晚三叠世,盆地沉积广泛,远超现今鄂尔多斯盆地的范围,虽然北部及西部边缘相清晰,但东部及南部由于后期强烈的抬升剥蚀作用,未见边缘相[3,4]。现今的研究主要集中在盆地的西南部,通过沉积、地层、地震等证据,认为其西南缘边界位于西华山—六盘山断裂东侧,盆地延长组原始沉积与六盘山相互连通,河西走廊与环县地区上三叠统属于同一沉积体系[5,6,7,8,9,10],而南部边界应越过渭河盆地,推测可延伸至北秦岭[11,12,13]。但是,盆地东缘缺少系统性研究。因此,本此研究选择位于现今鄂尔多斯盆地东部的沁水盆地作为研究区,进行沉积学及年代学方面的研究,探讨其与鄂尔多斯盆地在中晚三叠世的关联性,从而为研究该时期原始盆地的沉积范围提供依据。1、研究区概况沁水盆地地理位置位于山西省中西部,区域构造位于华北克拉通中部,鄂尔多斯盆地东部,东靠太行山,西临吕梁山,北部和南部分别被阴山造山带和秦岭造山带两大构造单元约束。盆地总体呈长轴状沿北北东—南南西向延伸(见图1)。图1研究区位置图前人研究认为,盆地主要发育的地层有前寒武系的碎屑岩、碳酸盐岩、变质岩和火山岩[14];寒武系—奥陶系的碳酸盐岩、砂砾岩和页岩;上石炭统的黏土岩、煤线、窝状铁矿等;二叠系发育太原组、山西组、石盒子组和石千峰组;三叠系发育刘家沟组、二马营组、铜川组和少量延长组;侏罗系发育中统黑风组,上覆第三系、第四系黏土。其中,三叠系地层覆盖于盆地腹部,保存较为完整。本研究选取沁水盆地榆社辉教村中晚三叠统地层进行沉积剖面实测,在此基础上,通过岩石学、沉积学分析和碎屑岩锆石定年技术,识别沉积特征,讨论碎屑物源,并与鄂尔多斯盆地东缘三叠系剖面进行对比,探讨鄂尔多斯盆地三叠系东部沉积的展布范围。2、沉积特征根据山西省区域地质志记载,山西省中晚三叠世与鄂尔多斯盆地中上三叠统延长组同期地层为中三叠统晚期铜川组与上三叠统延长组。本研究对位于山西省晋中市榆社县的辉教村剖面进行了实测,剖面位置N37°11′20″,E112°43′2″。剖面整体岩性以长石砂岩、泥岩为主,砂岩颗粒较粗,厚度较大,颜色较杂,泥岩颜色较单一,以紫红色为主,垂直厚度约290m。与上覆中侏罗统黑风组不整合接触,与下伏中三叠统二马营组整合接触。剖面沉积特征详述如下(见图2)。中三叠统晚期,铜川组依据岩性可分为两段:下段以灰绿色、灰黄色、肉红色等厚层至巨厚层斑状中细粒长石砂岩为主,发育槽状交错层理、平行层理,夹灰色、灰绿色、黄绿色、灰紫色砂质泥岩、泥岩、页岩薄层,局部地区夹暗黄绿色晶屑凝灰岩,判断其为辫状河三角洲平原相沉积;上段由灰色中—厚层中砂岩夹紫红色泥岩为主体组成,向上砂层由厚变薄,颜色由灰色变为灰绿色,泥岩厚度逐渐增厚,为三角洲平原向三角洲前缘沉积环境转变。上三叠统延长组下部与下伏铜川组连续沉积,整合接触,下部岩性以紫红色泥岩为主,夹灰绿色细砂岩,向上砂层逐渐变厚,可见垂直虫孔、植物叶片、芦木化石等代表三角洲前缘或浅湖环境的古生物,结合岩性特征,判断其应为浅湖向三角洲前缘沉积环境转变。中部出现厚约43m的浅黄绿色厚层中砂岩,向上泥岩颜色变为灰紫色、灰绿色与紫红色交替出现,并与灰白色、灰黄色中细砂岩互层。顶部泥岩逐渐转变为砂质泥岩,顶部被剥蚀,保存不全并与中侏罗统底部黑风组含砾石英砂岩不整合接触。中上部相比下部岩性逐渐变粗,砂岩含量逐渐增加,为三角洲平原沉积。因此,整体上看,榆社辉教村剖面早期以辫状河三角洲平原为开端,经三角洲平原、三角洲前缘向浅湖相过渡,表现为砂体层厚逐渐变薄;中期又从浅湖经三角洲前缘向三角洲平原过渡,基本为一个完整的水进水退旋回。图2山西省榆社县辉教村实测剖面中上三叠统沉积相综合柱状图3、碎屑锆石U-Pb同位素年龄测试3.1样品描述及测试方法本研究3个碎屑锆石样品YS-1,YS-7,YS-12分别采自榆社辉教村剖面铜川组底部灰绿色长石中砂岩、延长组中部灰绿色中砂岩和浅黄绿色长石中砂岩(采样位置在图2中标出)。从阴极发光照片上看(见图3),3个样品锆石颗粒整体磨圆较好,说明经历了再沉积搬运作用,个别年轻锆石晶形较好,呈短柱状,颗粒粒径在100～200μm。锆石颗粒上可见清晰的振荡环带,部分锆石环带较弱,但呈现明显的核幔结构,说明研究区锆石整体以岩浆锆石为主,但也受到后期地质事件的影响而发生了变质。由于锆石形态多样,因此样品整体呈现碎屑锆石的特点。由于不同成因的锆石Th,U含量不同,因此通常情况下,Th/U比值能在一定程度上作为锆石成因的判定标志,即岩浆锆石Th/U>0.4,变质锆石Th/U<0.1。虽然目前部分学者研究发现,这个标准并不绝对,但仍可以作为参考[15,16]。研究区锆石Th/U比值绝大多数大于0.1,均为岩浆成因(见图4)。本次碎屑锆石样品U-Pb同位素定年测试采用激光剥蚀等离子质谱分析方法(LA-ICP-MS),激光剥蚀系统为GeoLasPro,ICP-MS为Agilent7700x。选用91500和GJ-1作为标样,数据处理采用Glitter4.4程序,置信度95%,误差为1σ。实验在中国地质调查局西安地质调查中心国土资源部岩浆作用成矿与找矿重点实验室完成。3.2U-Pb同位素年龄特征本次对3个样品的分析测试,共获得了295颗碎屑锆石的U-Pb同位素年龄数据,在协和度取值90%～110%的前提下,共有291个数据可靠,这些年龄基本均位于协和线上(见图5)。样品的年龄分布特征如表1。图3锆石样品阴极发光照片图4锆石样品Th/U与年龄分布图图5锆石样品U-Pb协和图表1研究区锆石样品年龄结构分布频率表由表1可以看出,研究区3个碎屑锆石样品的谐和年龄范围大致相同,从220Ma至2600Ma,只在YS-1样品中有一颗锆石谐和年龄达到(2941±17)Ma。从分布频率直方图上可以看出,其谐和年龄大致分为3个年龄组:①220～400Ma(YS-1样品37颗,峰值249Ma;YS-7样品31颗,峰值247Ma;YS-12样品31颗,峰值254Ma);②1600～2100Ma(YS-1样品15颗,峰值1855Ma;YS-7样品19颗,峰值1770Ma;YS-12样品11颗,未出现明显峰值);③2300～2600Ma(YS-1样品43颗,峰值2514Ma;YS-7样品47颗,峰值2446Ma;YS-12样品55颗,峰值2502Ma)(见图6)。3.3测年结果讨论3.3.12300～2600Ma此年龄组是研究区所采样品中最主要的年龄组合,样品峰值均集中在2500Ma左右,主要为太古代—古元古代年龄,对应于微陆块拼合及华北克拉通化事件,也是华北克拉通变质结晶基底年龄;华北板块西部北缘,主要记录于内蒙的固阳、武川、色尔腾、阿拉善等地的、2.6～2.5Ga的TTG片麻岩、镁铁质—超镁铁质侵入岩和少量表壳岩[17];在华北板块南缘,主要记录于太华群的熊耳山斜长角闪岩(2.5～2.3Ga)、小秦岭黑云母片麻岩(2.5～2.3Ga)[18]、闪长质片麻岩(2338Ma)[19]等岩体及登封群的花岗-绿岩体(2.5～2.6Ga)[20]等岩体中。3.3.21600～2100Ma此年龄段在研究区样品中占比较少,样品峰值集中在1800Ma左右,代表古元古代年龄,对应于使华北克拉通最终形成的东西部陆块拼合事件[13]。其主要以孔兹岩系、TTG片麻岩和麻粒岩为代表。孔兹岩系沿华北板块西部北缘的集宁、大青山—乌拉山、千里山—贺兰山,自东向西分布。前人获得的变质年龄分别为1.92,1.95,1.94,2.0～2.3Ga,(1950±8)Ma,原岩年龄在2.0～2.15Ga[21,22,23]。该岩系将华北克拉通西部陆块分为北部阴山地块与南部鄂尔多斯地块,其岩体年龄记录了两个地块碰撞拼合的时间。在华北板块南缘,对应于熊耳群的双峰式火山岩(1750～1950Ma)[24]、汝阳群和洛峪群的凝灰岩(1750～1600Ma)[25]以及官道口群的变沉积岩(1850,2500Ma)[26]年龄。3.3.3220～400Ma此段年龄在研究区样品中主要集中在230～330Ma,只在YS-12样品中存在一颗397Ma左右的锆石,3个样品峰值年龄均在250Ma左右,对应于海西—印支期运动。早石炭世晚期—中二叠世(330～265Ma)期间,古亚洲洋板块开始向华北板块北缘俯冲,乌拉山地区发育年龄约330Ma的二长花岗岩、正长花岗岩、辉长闪长岩等[27],大青山同盛茂地区发育晚石炭世火山岩(305Ma)[28],小井沟发育花岗岩(275Ma±1Ma)[29]。另外,代表岩体有乌拉特中旗花岗闪长岩(291Ma±4Ma)、石兰哈达石英闪长岩(299Ma±4Ma)、乌梁斯太花岗岩(277Ma±3Ma)、乌拉特中旗石英闪长岩(276Ma±4Ma)等;二叠纪末—三叠纪(250～200Ma)为古亚洲洋闭合、西伯利亚板块与华北板块拼合碰撞的时间,大青山地区发育陶勒盖岩体(224Ma±3Ma)、圪臭山岩体、沙德盖岩体(211.2Ma±0.7Ma)[30],整个华北板块北缘自东向西发育印支期花岗岩体(207～227Ma)[31]。除此之外,华北板块北缘还发育一系列印支期矿床[32,33]。鄂尔多斯盆地南部秦岭造山带中,北秦岭带不发育此段年龄,南秦岭带内发育一系列印支期花岗岩体,如东江口花岗闪长岩(247～223Ma)[34,35,36]、柞水花岗岩(224Ma)[37]、五龙石英闪长岩(225～235Ma)[38]等。3.4物源区限定从上述分析可以看出,研究区中晚三叠世,主要潜在物源区包括华北板块北部阴山地块、南部华北板块南缘、秦岭造山带以及华北板块沉积盖层。3个样品中,印支期—海西期年龄的锆石(230～330Ma,峰值250Ma)可与阴山—大青山地区,由于古亚洲洋闭合,西伯利亚板块与华北板块北缘碰撞的造山事件引起的一系列岩体(330～207Ma)对比。同时,秦岭造山带勉略洋的俯冲闭合也在南秦岭形成了大量的花岗岩(300～207Ma)。除此之外,古元古代晚期—新太古代(2300～2600Ma,峰值2500Ma)是样品的高频峰值区,可对应阴山地块新太古代晚期片麻状花岗岩、TTG片麻岩,古元古代早期麻粒岩,与华北板块新太古代(～2.5Ga)微陆块拼合的构造岩浆事件也有很好对应。古元古代年龄(1600～2100Ma,峰值1800Ma)可对应阴山地块孔兹岩系年龄(1.92～2.3Ga)以及华北板块东西陆块拼合的构造岩浆事件(～1.85Ga),但此段年龄多集中于1.8Ga左右,1.9Ga年龄颗粒较少,判断此段年龄颗粒可能更多来源于华北板块内部。华北板块前三叠纪地层碎屑锆石样品中多见此3段年龄,而秦岭造山带前寒武年龄并不发育,且样品中没有秦岭造山带代表性的加里东期与晋宁期年龄,可以排除其作为物源区的可能。因此判断,研究区样品物源来自华北板块盖层再旋回和华北北缘阴山地块。图6沁水盆地榆社地区中晚三叠世碎屑锆石U-Pb年龄及周缘岩体锆石年龄图谱(北秦岭、阴山地块、孔兹岩带数据来源于参考文献[39])4、讨论现今的鄂尔多斯盆地原属华北板块,中晚三叠世,在华南板块与华北板块自东向西碰撞产生的由南向北的挤压力及西伯利亚板块与华北板块碰撞拼合产生的阻力共同作用的影响下,鄂尔多斯盆地北部抬升,南部下降,开启了陆相拗陷湖盆的历史,并形成了完整记录这个大型淡水湖泊形成、扩展、萎缩、消亡过程的地层——延长组。因此,延长组可视为一个完整的水进、水退旋回。通过本研究结果可知,研究区中上三叠统,虽顶部遭受剥蚀保存不全,但仍能识别出一个完整的水进、水退旋回,虽不像鄂尔多斯盆地本部可以识别出5个完整的次一级旋回,但是二者之间仍有较好的对应性。结合山西省区域地质志认为,研究区铜川组可对应鄂尔多斯盆地延长组早期T3y1-2(长10～长8),其中下部性段对应长10油层组,上部性段对应长9—长8油层组;延长组下部性段对应本部延长组中期T3y3(长7～长4+5),上部性段对应本部延长组晚期T3y4+5(长3～长1),只是上部岩性段保存不全,存在剥蚀。本研究还将鄂尔多斯盆地东部延长延河剖面、延安云岩河剖面与榆社辉教村剖面相关连,建立沉积相对比图(见图7)。从图7可以看出,研究区中晚三叠世的地层厚度明显薄于鄂尔多斯盆地本部,符合当时的构造背景。延长组早期,从研究区向西,沉积相由辫状河三角洲平原过渡到延安地区曲流河相,再向西过渡到延长地区浅湖相;延长组中期,从研究区向西,由三角洲平原相为主过渡到延安地区三角洲前缘相为主,再向西过渡到延长地区三角洲前缘和浅湖相;延长组晚期,研究区只保留了底部少量地层,其余剥蚀殆尽,但整体看来,从研究区向鄂尔多斯盆地本部未发生跳相,符合瓦尔特相律,推测可能为连续沉积。同时,由本次碎屑锆石年代学研究结果可知,榆社地区中晚三叠世碎屑物源应主要来自北部阴山—大青山地区与华北板块沉积盖层再旋回,与前人对鄂尔多斯盆地东北部延长组地层碎屑物源研究结果一致[40]。因此,推测在中晚三叠世沉积时期,研究区应与现今鄂尔多斯盆地属于同一沉积盆地。图7榆社辉教村—延长延河—延安云岩河剖面中晚三叠世延长期沉积相对比剖面图5、结论1)榆社地区中晚三叠世以长石砂岩和泥岩沉积为主,砂岩颜色变化较大,泥岩以紫红色为主;沉积相以辫状河三角洲平原为开端,经历三角洲平原、三角洲前缘、浅湖,随后又向三角洲前缘、三角洲平原变化,展现了一个较为完整的水进、水退旋回。2)榆社地区中晚三叠世3个砂岩样品LA-ICP-MS碎屑锆石U-Pb同位素定年结果显示为3个年龄段:2300～2600,1600～2100,220～400Ma。其中,2300～2600Ma对应华北克拉通微陆块拼合事件,碎屑锆石物源区主要为华北北缘阴山—大青山一线,内蒙固阳等地出露的结晶基底;1600～2100Ma对应华北克拉通东西陆块拼合事件,碎屑锆石物源区主要指示为华北北缘孔兹岩系;220～400Ma对应海西—印支运动,碎屑锆石物源主要为华北北缘乌拉山—大青山一带海西—印支期花岗岩。除此之外还有来自华北板块内部沉积盖层再旋回物源。3)榆社地区中晚三叠世地层与现今鄂尔多斯盆地本部具有一致性,地层厚度变化符合构造背景,沉积相变化连续,物源一致,推测该时期沁水盆地与鄂尔多斯盆地可能属于同一个沉积盆地。参考文献：[1]李文厚,庞军刚,曹红霞,等.鄂尔多斯盆地晚三叠世延长期沉积体系及岩相古地理演化[J].西北大学学报(自然科学版),2009,39(3):501-506.[2]陈全红,李文厚,郭艳琴,等,鄂尔多斯盆地南部延长组浊积岩体系及油气勘探意义[J].地质学报,2006,80(5):656-663.[3]刘绍龙.华北地区大型三叠纪原始沉积盆地的存在[J].地质学报,1986,60(2):16-26.[4]孙国凡,刘景平,柳克琪,等.华北中生代大型沉积盆地的发育及其地球动力学背景[J].石油与天然气地质,1985,6(3):280-287.[6]杨友运.印支期秦岭造山活动对鄂尔多斯盆地延长组沉积特征的影响[J].煤田地质与勘探,2004.32(5):7-9.[7]张进,马宗晋,任文军.鄂尔多斯盆地西缘逆冲带南北差异的形成机制[J].大地构造与成矿学,2000,24(2):124-133.[8]刘化清,李相博,白云来,等.鄂尔多斯盆地“崆峒山砾岩”成因初步分析[J].天然气地球科学,2006,17(5):668-671.[9]刘池洋.沉积盆地动力学与盆地成藏(矿)系统[J].地球科学与环境学报,2008,30(1):1-23.[10]杨华,辛补社,付金华,等.鄂尔多斯盆地西南缘崆峒山组砾岩中的碎屑锆石LA-ICP-MSU-Pb定年及其构造意义[J].地质论评,2014,60(3):677-692.[11]李侃,郭安林,高春云,等.北秦岭柳叶河盆地上三叠统物源区及其与鄂尔多斯盆地的关系——来自碎屑锆石LA-ICP-MSU-Pb年龄的证据[J].地质通报,2015,34(8):1426-1437.[12]李兴辉,郭安林,李侃,等.北秦岭灵官庙盆地砂岩碎屑锆石LA-ICP-MSU-Pb年龄[J].地质通报,2014,33(9):1353-1362.[13]刘溪.鄂尔多斯盆地东、南部中晚三叠世延长期原型盆地分析[D].西安:西北大学,2019.[14]王莹.沁水盆地中—新生代构造变形及构造应力场特征[D].南京:南京大学.2013.[17]王盟,罗静兰,李杪,等.鄂尔多斯盆地东胜地区砂岩型铀矿源区及其构造背景析——来自碎屑锆石U-Pb年龄及Hf同位素的证据[J].岩石学报,2013,29(8):2746-2758.[19]第五春荣.华北克拉通南缘早前寒武纪地壳的形成和演化——太华、登封杂岩锆石U-Pb年代学及Hf同位素组成[D].西安:西北大学,2010.[20]薛良伟,原振雷,张荫树,等.鲁山太华群Sm-Nd同位素年龄及其意义[J].地球化学,1995,24(增刊):92-97.[21]万渝生,董春艳,任鹏,等.华北克拉通太古宙TTG岩石的时空分布、组成特征及形成演化:综述[J].岩石学报,2017,33(5):1405-1419.[23]董春艳,刘敦一,李俊建,等.华北克拉通西部孔兹岩带形成时代新证据:巴彦乌拉—贺兰山地区锆石SHRIMP定年和Hf同位素组成[J].科学通报,2007,52(16):1913-1922.[24]赵太平,周美夫,金成伟,等.华北陆块南缘熊耳群形成时代讨论[J].地质科学,2001,36(3):326-334.[25]苏文博,李怀坤,徐莉,等.华北克拉通南缘洛峪群—汝阳群属于中元古界长城系—河南汝州洛峪口组层凝灰岩锆石LA-MC-ICPMSU-Pb年龄的直接约束[J].地质调查与研究,2012,35(2):96-108.[26]时毓,于津海,杨启军,等.小秦岭地区太华群锆石U-Pb年龄及华北克拉通南缘地壳演化[J].地球科学与环境学报,2014,36(1):218-229.[27]戴朝成,闫秋实,张辉,等.内蒙古乌拉山地区古生代花岗岩和辉长闪长岩年代学特征及其构造意义[J].科学技术与工程,2019,19(1):26-42.[28]张乔,李玉宏,陈高潮,等.内蒙古大青山地区同盛茂晚石炭世火山岩的年代学、地球化学和Hf同位素研究及其地质意义[J].高校地质学报,2018,24(2):16-27.[29]莫南,郭磊,童英,等.华北北缘大青山小井沟岩体年代学、地球化学和Hf同位素特征及其地质意义[J].北京大学学报(自然科学版),2014,50(6):1021-1034.[30]赵庆英.内蒙古大青山地区晚古生代—早中生代花岗岩成因及其形成构造环境[D].吉林:吉林大学,2010.[31]陶继雄,胡凤翔,陈志勇.华北陆块北缘印支期S型花岗岩带特征及其构造环境[J].岩石矿物学杂志,2003,22(2):112-118.[32]聂凤军,张可,刘翼飞,等.华北克拉通北缘及邻区印支期岩浆活动与钼和金成矿作用[J].吉林大学学报(地球科学版),2011,41(6):1651-1666.[33]曾庆栋,刘建明,张作伦,等.华北克拉通北缘鸡冠山斑岩钼矿床成矿年代及印支期成矿事件[J].岩石学报,2008,25(2):393-398.[35]刘春花,吴才来,郜源红,等.南秦岭东江口、柞水和梨园堂花岗岩类锆石LA-ICP-MSU-Pb年代学与锆石Lu-Hf同位素组成[J].岩石学报,2014,30(8):2402-2420.[36]弓虎军,朱赖民,孙博亚,等.南秦岭地体东江口花岗岩及其基性包体的锆石U-Pb年龄和Hf同位素组成[J].岩石学报,2009,25(11):3029-3042.[39]王娟.鄂尔多斯盆地东南部延长组长7—长4+5碎屑锆石U—Pb年龄的物源演化[D].西安:西北大学,2017.[40]张倩,李红,李文厚,等.鄂尔多斯盆地安塞地区三叠系延长组碎屑锆石U-Pb定年及其地质意义[J].地质科学,2019,54(2):452-471.刘溪,李文厚.沁水盆地中晚三叠世地层沉积学､年代学研究及其对恢复鄂尔多斯原型盆地的意义[J].西北大学学报(自然科学版),2020,50(03):480-489.基金:国家自然科学青年基金资助项目(41702117);国家自然科学重点基金资助项目(41330315).
