鄂爾多斯盆地西南緣中生代構(gòu)造事件的f年代學(xué)分析

鄂爾多斯盆地西南緣中生代構(gòu)造事件的f年代學(xué)分析

鄂爾多斯盆地是油、氣、煤、鋯等礦產(chǎn)豐富的沉積能源盆地。長期以來，相關(guān)研究和研究該盆地的構(gòu)造發(fā)育、燕山期的構(gòu)造熱事件、油氣產(chǎn)生、云藏關(guān)系等方面取得了許多重要的進展和進展。根據(jù)之前的研究結(jié)果，鄂爾多斯盆地是在中國古代克拉通-福建沿海相盆地基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，形成了一個中生代內(nèi)陸河流湖泊相沉積盆地。自晚白堊世以來，經(jīng)歷了以盆地突出侵蝕和周邊地區(qū)斷裂為主體的進一步重建過程。盆地中的多種礦山，尤其是油氣的形成階段，與中新生代的主要構(gòu)造事件之間存在著明顯的相關(guān)性。近年來，重要構(gòu)造事件越來越受盆地動力學(xué)發(fā)展及其多種礦產(chǎn)成礦活動的重要性。[9]、10、11、12、13、14、15]。鄂爾多斯盆地形成的構(gòu)造事件、年代學(xué)特征、各種礦產(chǎn)的聯(lián)合成礦關(guān)系成為研究的重點[16、17、18、19、20、21、22和23]?；谂璧貎?nèi)鉆井巖芯樣品的磷灰石裂變徑跡(FT)和伊利石K-Ar測年或熱釋光分析,人們從不同角度討論了鄂爾多斯盆地中生代構(gòu)造熱事件的時限.任戰(zhàn)利等和趙孟為等分別給出了140～110和170～160Ma熱事件的不同年齡時限;孫少華等和高峰等則認為中生代存在多期次的構(gòu)造熱事件,分別給出了215,135,72或170,130,75Ma的事件年齡.最近,劉池洋等對盆地及鄰區(qū)FT年齡的統(tǒng)計分析,給出了149～144,124～117和95～65Ma中生代構(gòu)造事件的時限.顯然,對鄂爾多斯盆地中生代演化過程的主要構(gòu)造事件、尤其是燕山期構(gòu)造熱事件的確切時限,目前在認識上仍然存在較多爭議或較寬時間域的不確定性.鄂爾多斯盆地西南緣位于鄂爾多斯穩(wěn)定地塊與祁連-秦嶺造山帶之間的接合部位(圖1),主要包括馬家灘-平?jīng)?隴縣區(qū)段的盆地西緣構(gòu)造帶(Ⅰ1)和渭北隆起區(qū)段的盆地南緣構(gòu)造帶(Ⅰ2),并以青銅峽-固原斷裂與其西側(cè)的走廊-六盤山弧形構(gòu)造帶(Ⅱ)緊密相連,區(qū)域上構(gòu)成了盆地西南緣的“反S型”構(gòu)造體系.該區(qū)特殊的構(gòu)造位置、復(fù)雜的構(gòu)造變形和較好的古生界—中生界露頭,不僅有可能細節(jié)地記錄著盆地及鄰區(qū)中生代演化的構(gòu)造事件信息,同時為運用FT方法進行事件年代學(xué)研究提供了理想的采樣和分析條件.本文重點通過鄂爾多斯盆地西南緣不同層位砂巖露頭樣品的鋯石和磷灰石FT測試分析,結(jié)合區(qū)域野外地質(zhì)勘察、最新勘探成果和裂變徑跡資料,探討分析盆地西南緣中生代的FT峰值年齡事件記錄及其地質(zhì)響應(yīng),客觀認識盆地中生代構(gòu)造演化階段和事件年代學(xué)序列,尤其是關(guān)鍵構(gòu)造事件在更窄時域的峰值年齡分布,以期為盆地動力學(xué)演化和多種礦產(chǎn)耦合成礦關(guān)系研究提供重要基礎(chǔ)和定量年代學(xué)約束.1試驗條件解析鋯石、磷灰石FT分析是盆地?zé)嵫莼泛蜆?gòu)造熱年代學(xué)研究的一種重要方法手段[22,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34].這兩種礦物在高溫背景下具有徑跡密度減少、長度變短直至完全消失的退火特性,隨后的抬升冷卻又會在低于其封閉溫度條件下形成新的徑跡.通過測量礦物中238U自發(fā)FT和235U誘發(fā)FT的密度,采用Zeta常數(shù)法可以獲得礦物的FT年齡.但是,經(jīng)歷不同構(gòu)造熱演化歷史的巖石樣品,其對應(yīng)FT年齡的含義是不同的[29,30,31,32,33,34].已有研究表明,來自較大埋深的鉆井巖芯樣品,FT分析往往存在方法的局限性和年齡的多解性問題;地面露頭或淺于FT部分退火帶上限深度的巖石樣品,被認為是利用FT方法解析構(gòu)造事件年齡的最佳樣品條件.近年來,對樣品進行礦物顆粒FT年齡分析的方法主要有P(χ2)概率檢驗法、視圖法和高斯擬合法[35,36,37,38,39,40,41].其中,P(χ2)概率檢驗法可以根據(jù)樣品中礦物顆粒的FT年齡是否服從泊松分布,分離出最年輕的似合理徑跡年齡組,并計算獲得相應(yīng)的中值(Central)年齡、均值(Mean)年齡或池(Pooled)年齡(也稱聚合年齡).對于從完全退火帶反彈至冷卻帶的樣品,概率檢驗P(χ2)>5%,可采用中值年齡來代表樣品經(jīng)歷高溫退火之后的真實抬升冷卻年齡;但對于經(jīng)歷復(fù)雜熱歷史或從部分退火帶反彈至冷卻帶的樣品,概率檢驗P(χ2)<5%或P(χ2)=0,這種情況下的中值年齡實際上屬于比真實冷卻年齡偏大的混和年齡,只能近似代表樣品抬升冷卻的最大年齡或物源碎屑的殘存年齡記錄.雷達視圖法與高斯峰擬合法的結(jié)合,可以判別樣品中礦物顆粒的FT年齡是否屬于同一組分,并通過年齡頻率分布和高斯擬合曲線等方法對混和年齡數(shù)據(jù)進行分組解析[36,37,38,39,40,41,42,43,44],給出與不同年齡組分對應(yīng)的最佳高斯擬合年齡,提供經(jīng)歷不同構(gòu)造熱事件樣品抬升冷卻的準確年齡記錄.本文對鄂爾多斯盆地西南緣3個重點露頭區(qū)段的上古生界—中生界不同層系采集了10塊砂巖樣品每塊樣品重量不低于5kg,在中國科學(xué)院高能物理研究所進行了10個磷灰石樣品和5個鋯石樣品的FT測試分析,采樣位置及編號如圖1所示.每個樣品通過常規(guī)重液分離法和磁選法分選,分離出測試需要的磷灰石和鋯石單礦物,將其分別制成環(huán)氧樹脂樣片和聚全氟乙丙烯塑料樣片,并研磨和拋光為光薄片.磷灰石在25℃的6.6%HNO3溶液中蝕刻30s,鋯石在220℃的8gNaOH+11.5gKOH溶液中蝕刻30h分別揭示其自發(fā)徑跡;然后將低鈾白云母分別貼在磷灰石和鋯石光薄片上,將低鈾白云母外探測器與礦物一并置入反應(yīng)堆輻照,揭示其誘發(fā)裂變徑跡密度分別為72.92×105和10.34×105,中子注量利用CN5鈾玻璃標定,根據(jù)IUGS推薦的ξ常數(shù)法計算年齡值,磷灰石和鋯石的Zeta常數(shù)分別為357.8±10.8和127.1±6.4.測試分析結(jié)果如表1所示.2分析中的破壞直徑軌跡2.1盆地變形徑跡和構(gòu)造單元研究區(qū)北段香山和衛(wèi)寧北山石碳系的兩個砂巖樣品(Xs-1,Bs-1),磷灰石裂變徑跡(AFT)分析在P(χ2)>5%條件下給出了兩個極為接近的(65±4)和(65±6)Ma中值年齡(圖2(a),(b)),并與高斯擬合年齡(62Ma±)相當(dāng)一致,雷達圖指示樣品的所有單顆粒徑跡年齡均落入同一組,顯然屬于經(jīng)歷完全退火后反彈至未退火帶的冷卻年齡,表明該區(qū)在65Ma±存在一次構(gòu)造抬升事件.上述兩個樣品鋯石裂變徑跡(ZFT)分析得到的中值年齡則屬于小于地層年齡但P(χ2)=0的混合年齡情況(圖2(c),(d)),雷達圖指示樣品的FT年齡至少包含新、老兩個組分.其中,香山Xs-1b樣品的ZFT中值年齡為(194±18)Ma,與之相應(yīng)的高斯擬合年齡為153Ma±;衛(wèi)寧北山Bs-1b樣品的ZFT中值年齡為(206±16)Ma,對應(yīng)165Ma±和230Ma±兩個高斯擬合年齡.顯然,這兩個樣品年輕年齡組分的ZFT高斯擬合年齡基本相近,共同指示了165～153Ma±的一次構(gòu)造抬升事件;較老組分的高斯擬合年齡與ZFT中值年齡在誤差范圍內(nèi)大致相當(dāng),暗示這一地區(qū)早期的構(gòu)造抬升有可能始于230Ma±,主要發(fā)生在206～194Ma±.由此認為,現(xiàn)今被新生代中衛(wèi)斷陷盆地分隔的香山和衛(wèi)寧北山,它們在中生代時期應(yīng)該是具有相似構(gòu)造熱演化史的統(tǒng)一構(gòu)造單元,共同經(jīng)歷了至少3次的主要構(gòu)造抬升事件.ZFT年齡記錄了較早的兩次構(gòu)造事件,分別發(fā)生在206～194Ma±和165～153Ma±;AFT年齡則記錄了較晚時期65Ma±的一次構(gòu)造抬升事件.2.2構(gòu)造升降事件(1)崆峒山:西緣南段崆峒山剖面下白堊統(tǒng)2塊砂巖樣品(Kt-1,2)的AFT分析結(jié)果表明,其AFT中值年齡為小于地層年齡但P(χ2)<5%或P(χ2)=0的混合年齡情況(圖3(a),(b)),兩個樣品的AFT中值年齡分布在80～89Ma±,總體代表了下白堊統(tǒng)樣品經(jīng)歷部分退火之后的最早抬升時間.其中,Kt-1樣品的AFT中值年齡(81±9)Ma與高斯擬合年齡(71Ma±)在誤差范圍內(nèi)基本一致;Kt-2樣品給出了85Ma±和223Ma±的兩個高斯擬合年齡,前者與該樣品的AFT中值年齡(89±11)Ma非常接近,后者顯然是物源碎屑殘存的早期事件年齡記錄.對該區(qū)上三疊統(tǒng)砂巖樣品(Kt-3)分別進行了AFT和ZFT測試分析,其AFT中值年齡在P(χ2)=7.6%條件下為(55±5)Ma,與高斯擬合年齡(43Ma±)大致接近(圖3(c)),指示該區(qū)白堊紀末期以來存在一次構(gòu)造抬升事件;ZFT中值年齡為大于地層年齡且P(χ2)=0的混合年齡情況(圖3(d)),雷達圖和高斯擬合曲線均顯示其ZFT年齡至少應(yīng)包含兩個年齡組,高斯擬合曲線主要給出了與年輕年齡組對應(yīng)的210Ma±的一次構(gòu)造抬升事件,而與較老年齡組對應(yīng)的高斯擬合年齡(560Ma±)應(yīng)屬于源碎屑殘存的早期事件年齡記錄.(2)安口-策底:崆峒山南側(cè)相鄰的安口剖面中侏羅統(tǒng)砂巖樣品(Ak-1)的AFT分析結(jié)果表明,AFT中值年齡為小于地層年齡且P(χ2)>5%的冷卻年齡情況(圖4(a)),而且中值年齡(115±9)Ma與高斯擬合年齡(114Ma±)極為接近,共同表明這該區(qū)存在114Ma±的一次構(gòu)造抬升事件.安口西側(cè)相連的策底剖面下白堊統(tǒng)和上三疊統(tǒng)2塊砂巖樣品(Cd-1,2a)的AFT分析結(jié)果顯示,其AFT中值年齡總體為小于地層年齡且P(χ2)>5%的冷卻年齡情況(圖4(b),(c)),兩個樣品的AFT中值年齡分別為(59±5)和(86±11)Ma.其中,上白堊統(tǒng)Cd-1樣品的AFT中值年齡與相應(yīng)的高斯擬合年齡(51Ma±)基本一致,上三疊統(tǒng)Cd-2a樣品的AFT中值年齡與相應(yīng)的高斯擬合年齡(66Ma±)在誤差范圍內(nèi)大致接近表明這一地區(qū)存在66～51Ma±的一次構(gòu)造抬升事件策底剖面上三疊統(tǒng)樣品(Cd-2b)的ZFT分析結(jié)果表明(圖4(d)),ZFT中值年齡在P(χ2)=0條件下為(385±44)Ma,雷達圖和高斯擬合曲線均顯示為混合年齡,并給出了145Ma±,230Ma±和395Ma±三個高斯擬合年齡.其中,145Ma±的高斯擬合年齡顯然指示了中生代中期的一次構(gòu)造事件,而后兩個較老的高斯擬合年齡應(yīng)該屬于物源碎屑殘存的早期事件年齡記錄.由此可以看出,盆地西南緣南段的崆峒山-安口地區(qū),FT分析至少給出了5次中生代構(gòu)造事件的年齡記錄.中生代早期的峰值年齡有210,223和230Ma,并以崆峒山剖面上三疊統(tǒng)ZFT樣品給出的210Ma±高斯擬合年齡最為顯著,代表了晚三疊世構(gòu)造事件的峰值年齡.中生代中期的早白堊世前后至少包含有兩次構(gòu)造事件的峰值年齡記錄,一是上三疊統(tǒng)ZFT樣品給出的145Ma±高斯擬合年齡,二是中侏羅統(tǒng)樣品AFT中值年齡和高斯擬合年齡給出的114Ma±的峰值年齡.中生代晚期的AFT中值年齡與高斯擬合年齡主要分布在89～51Ma,其中包含80～70Ma±和66～51Ma±兩組峰值年齡,有可能指示這一地區(qū)晚白堊世前后存在兩次構(gòu)造抬升事件.2.3盆地南緣河口地區(qū)zft年齡和構(gòu)造升降事件盆地南緣的口鎮(zhèn)地區(qū),中三疊統(tǒng)和上二疊統(tǒng)2塊砂巖樣品(Kz-1,2a)的AFT分析結(jié)果表明,其AFT中值年齡為明顯小于地層年齡且P(χ2)>5%的冷卻年齡(圖5(a),(b)),兩塊樣品的AFT中值年齡分別為(59±6)和(63±6)Ma,并與其相應(yīng)的高斯擬合年齡基本一致,表明這一地區(qū)在63～59Ma±存在一次顯著的構(gòu)造抬升事件.對該區(qū)上二疊統(tǒng)砂巖樣品(Kz-2b)進行了ZFT年齡分析,ZFT中值年齡為小于地層年齡但P(χ2)=0的混和年齡(圖5(c)),中值年齡接近(213±32)Ma.雷達圖和高斯擬合曲線顯示有可能包含四組年齡,兩個較年輕年齡組對應(yīng)的高斯擬合年齡分別為165Ma±和113Ma±,兩個較老年齡組對應(yīng)的高斯擬合年齡分別為298Ma±和560Ma±.前者有可能指示這一地區(qū)早白堊世前后存在兩次構(gòu)造抬升事件,后者顯然屬于碎屑物源中殘存的早期事件年齡記錄.因此,盆地南緣口鎮(zhèn)地區(qū)中生代至少經(jīng)歷過3次重要的構(gòu)造抬升事件:一是ZFT年齡分組解析所提供的165Ma±和113Ma±兩次構(gòu)造抬升事件信息;二是AFT冷卻年齡指示的63～59Ma±的一次構(gòu)造抬升事件.3最佳年齡事件及其地質(zhì)反應(yīng)3.1策底-吾吾造山地區(qū)區(qū)域上,秦嶺-祁連古洋盆最終閉合的強烈碰撞造山作用主要發(fā)生在印支期,碰撞山體的持續(xù)擠壓隆升可延續(xù)至早燕山期,這是研究區(qū)及其更大范圍由古生代板塊構(gòu)造環(huán)境轉(zhuǎn)向中生代陸內(nèi)變形體制的一次重大構(gòu)造變革事件.位于造山帶北麓弧形構(gòu)造轉(zhuǎn)折部位的鄂爾多斯盆地西南緣,開始發(fā)育反S型構(gòu)造體系.這次構(gòu)造事件在盆地西南緣的鋯石FT年齡記錄,主要分布在213～194Ma±,峰值年齡接近205Ma±(圖6).值得注意的是,反S型構(gòu)造體系內(nèi)側(cè)的策底-崆峒山-口鎮(zhèn)地區(qū),不同層系樣品的FT峰值年齡較大,主要集中在213～210Ma±;而外側(cè)的香山-衛(wèi)寧北山地區(qū)則相對較小,主要集中在206～194Ma±,一定程度上反映了印支期秦嶺-祁連(簡稱秦-祁)造山過程由南向北的遞進變形效應(yīng)及其相鄰盆地西南緣的差異隆升特點.在此背景下,反S型構(gòu)造體系內(nèi)側(cè)秦-祁造山隆起帶前緣的策底-崆峒山-口鎮(zhèn)地區(qū),上三疊統(tǒng)與下侏羅統(tǒng)之間呈明顯的平行不整合關(guān)系,并在構(gòu)造走向轉(zhuǎn)折突變的策底-崆峒山地區(qū)發(fā)育上三疊統(tǒng)粗碎屑類磨拉石沉積(圖1,6);反S型構(gòu)造體系外側(cè)的香山-衛(wèi)寧北山-石溝驛地區(qū),同樣存在上三疊統(tǒng)與下侏羅統(tǒng)之間的平行不整合關(guān)系,但石溝驛剖面可以見到的上三疊統(tǒng)扇三角洲粗碎屑沉積,其厚度和粒度都明顯小于策底-崆峒山地區(qū),暗示石溝驛之西可能存在一個范圍有限、幅度較低的晚印支期隆起.夾持于反S型構(gòu)造體系內(nèi)、外兩側(cè)隆起帶之間的六盤山地區(qū)和其以東的鄂爾多斯盆地,則發(fā)育穩(wěn)定的晚三疊世內(nèi)陸河湖相含煤碎屑巖沉積,暗示香山-衛(wèi)寧北山-石溝驛低幅度隆起的范圍相對局限,石溝驛以南至固原炭山可能并不存在以往認識上的近南北向隆起帶這與該區(qū)段缺少三疊紀FT年齡記錄的事實相吻合.3.2晚侏羅世盆地西南緣晚古隆起帶早中侏羅世,鄂爾多斯盆地及其相鄰的六盤山地區(qū),總體處于一種弱伸展的內(nèi)陸坳陷環(huán)境,廣泛發(fā)育區(qū)域可比的內(nèi)陸河湖相含煤碎屑巖沉積.晚侏羅世—早白堊世的燕山中期,秦-祁造山帶進入了強烈的多旋回陸內(nèi)造山過程,位于造山帶北麓的盆地西南緣反S型構(gòu)造體系發(fā)生了以逆沖推覆為主要表現(xiàn)形式的陸內(nèi)變形.相關(guān)區(qū)域資料表明,晚侏羅世衛(wèi)寧北山-香山-六盤山地區(qū)形成了統(tǒng)一的弧形構(gòu)造隆起帶,不僅中下侏羅統(tǒng)遭受剝蝕和上侏羅統(tǒng)普遍缺失,而且在盆地西南緣發(fā)育復(fù)雜的逆沖推覆變形及其前緣以上侏羅統(tǒng)芬芳河組為代表的活動型粗碎屑沉積(圖1,6);早白堊世,反S型構(gòu)造體系內(nèi)、外兩側(cè)古隆起帶再次突現(xiàn),并呈現(xiàn)為前緣沖斷隆升、后緣伸展斷陷的沉積構(gòu)造面貌,反S型構(gòu)造體系內(nèi)、外兩側(cè)古隆起之間的六盤山地區(qū)發(fā)育六盤山群內(nèi)陸河湖相斷陷沉積,向北超覆于香山-衛(wèi)寧北山至窯山-炭山的弧形沖斷隆起帶之上,并在其前緣發(fā)育志丹群粗碎屑沉積.顯然,盆地西南緣燕山中期的構(gòu)造事件具有多幕次的復(fù)雜變形特點,不同區(qū)塊的樣品給出了與之相應(yīng)的多組FT年齡記錄.研究區(qū)普遍存在165～141Ma±的ZFT年齡記錄,峰值年齡接近150Ma±(圖6),指示中燕山早期一次顯著的區(qū)域構(gòu)造變形隆升事件;而峰值年齡接近114Ma±的FT年齡記錄,則主要見于安口-口鎮(zhèn)地區(qū),指示中燕山晚期的構(gòu)造抬升事件在盆地南緣表現(xiàn)最為顯著.3.3盆地西南緣磷灰石的改造晚白堊世,并有可能延續(xù)至古近紀早期,是中國東、西部重大構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換與疊加復(fù)合的重要時期.鄂爾多斯盆地西南緣及其相鄰區(qū)域范圍普遍缺失這一時期的沉積地層記錄,下白堊統(tǒng)及其下伏地層遭受不同程度的隆升剝蝕,中生代鄂爾多斯盆地消亡并全面進入后期改造過程.從盆地西南緣普遍發(fā)育下白堊統(tǒng)的高角度沖斷及其相關(guān)的寬緩褶皺變形,以及下白堊統(tǒng)與古近系之間的微角度不整合關(guān)系[1,2,3,4,5,6,7,8,23,24]分析,研究區(qū)晚白堊世的構(gòu)造作用主要表現(xiàn)為較長時期的整體隆升-剝蝕,兼有不同程度的擠壓沖斷變形.盆地西南緣磷灰石樣品的FT年齡分布特點表明,中生代晚期構(gòu)造事件的沖斷變形和隆升剝蝕作用并非一個連續(xù)過程,至少包含兩個主要幕次的構(gòu)造抬升事件(圖6).較早一次構(gòu)造事件主要發(fā)生在100～81Ma±,峰值年齡接近90Ma±,而且具有北早(100～93Ma±)、南晚(89～81Ma±)的事件年齡分布特點;較晚一次構(gòu)造事件主要發(fā)生在66～59Ma±的晚白堊世末期,峰值年齡平均接近63Ma±,并有可能延續(xù)至古近紀早期的59～50Ma±.4盆地西南緣中生代構(gòu)造事件及礦物控制特征綜合上述認為,鄂爾多斯盆地西南緣中生代至少經(jīng)歷了3期5次的主要構(gòu)造事件(圖6):(ⅰ)中生代早期構(gòu)造事件主要發(fā)生在晚三疊世的213～194Ma±峰值年齡接近205Ma,主要以地層間平行不整合關(guān)系為標示的構(gòu)造隆升和山前粗碎屑類磨拉石沉積為其重要的地質(zhì)響應(yīng),反映了秦-祁造山帶印支期碰撞造山過程在鄂爾多斯盆地西南緣產(chǎn)生的構(gòu)造效應(yīng)(ⅱ)中生代中期至少包含兩個幕次的構(gòu)造事件,一次主要發(fā)生在晚侏羅世的165～141Ma±,峰值年齡接近150Ma,第二次主要發(fā)生在早白堊世晚期的115～113Ma±,峰值年齡接近114Ma.尤其是最為顯著的晚侏羅世構(gòu)造事件,主要以地層間角度不整合關(guān)系為標示的逆沖推覆變形及其山前活動型粗碎屑類磨拉石沉積為其重要的地質(zhì)響應(yīng),反映了秦-祁造山帶燕山中期強烈陸內(nèi)造山過程在鄂爾多斯盆地西南緣產(chǎn)生的構(gòu)造效應(yīng).(ⅲ)中生代晚期構(gòu)造事件在中國東、西部重大構(gòu)造體制轉(zhuǎn)換疊