生物碎屑灰巖的沉積環境和Sr同位素定年:以華北板塊北緣二疊紀三面井組為例

施立志, 汪 彪, 2*, 黃靜宜, 羅立艷

生物碎屑灰巖的沉積環境和Sr同位素定年:以華北板塊北緣二疊紀三面井組為例

施立志1, 汪 彪1, 2*, 黃靜宜3, 羅立艷1

(1. 中國地質科學院, 北京 100037; 2. 中國石油 新疆油田分公司 勘探開發研究院, 新疆 克拉瑪依 834000; 3. 防災科技學院, 河北 廊坊 065201)

三面井組; 生物碎屑灰巖; Sr同位素; 沉積環境; 地層時代

0 引 言

然而, 限定地層時代的方法不僅僅局限于傳統的地層對比、古生物限定等手段, 而精確度更高、可對比性更強的同位素定年方法取得了飛速發展并獲得了業內的認可。研究表明, 由于海相Sr同位素組成在任一時代具有全球一致性的特性(Veizer and Compston, 1974; 黃思靜, 1997; 黃思靜等, 2011; Veizeret al., 1999)。因此, 通過分析海相碳酸鹽巖的87Sr/86Sr值不僅可以有效追蹤古海洋沉積歷史(Veizer and Compston, 1974, 1976; McArthur et al., 2001, 2012; Korte and Ullmann, 2018), 還可以提供全球構造過程、古氣候和古環境的信息(Korte and Ullmann, 2018)。McArthur et al. (2012)建立了全球海洋Sr同位素演化曲線(第5版), Garbelli et al. (2019)通過對發育在連續地層界線附近的腕足類和雙殼類殼體的87Sr/86Sr值與全球海洋Sr同位素演化曲線(第5版)進行對比, 獲得了地層的界限年齡。因此, 運用保留了原始海洋Sr同位素組成信息的化學沉積類巖石(碳酸鹽巖、硫酸鹽巖等)的Sr同位素組成不僅可以反演古環境特征還可以標定地層時代(McArthur et al., 2001, 2012; Garbelli et al., 2019)。本文在前人研究的基礎上, 對內蒙古正鑲白旗至河北康?？h一帶三面井組開展了詳細的野外地質調查, 并系統采集三面井剖面和朝海圖剖面三面井組下段發育的生物碎屑灰巖, 通過顯微鏡下鑒定和全巖Sr同位素測試分析, 查明三面井剖面和朝海圖剖面三面井組下段灰巖發育的古生物差異, 推斷其沉積環境, 限定三面井組一段下部生物碎屑灰巖的形成時代。

1 區域地質背景

研究區位于內蒙古自治區東南部與河北省北部接壤的位置, 其中三面井剖面行政區域上歸于河北省康?？h, 而朝海圖剖面行政區域上歸于內蒙古自治區錫林郭勒盟正鑲白旗, 大地構造位置為中亞造山帶東南段的興蒙造山帶南緣與華北板塊北緣的拼合部位(圖1)(Xiao et al., 2003; 王師捷等, 2020)。由于古亞洲洋的俯沖閉合、華北板塊與西伯利亞板塊碰撞、太平洋板塊向亞歐板塊俯沖等構造疊加(Xiao et al., 2003; 朱俊賓和和政軍, 2017; 王師捷等, 2020),區域上由南向北依次平行分布2條近EW向和5條近NEE向的大斷裂(圖1), 控制著整個區域的大地構造格局, 分別為集寧?隆化斷裂、赤峰?白云鄂博斷裂、西拉木倫斷裂、索倫?林西斷裂、錫林浩特斷裂、二連浩特斷裂以及查干鄂博?阿榮旗斷裂。研究區內地層由老至新依次發育太古宇二道凹群(Ar2)、下二疊統三面井組(P1)、上侏羅統張家口組(J3)、上新統(N2)以及第四系(Q), 分別呈不整合疊置(圖2)。另外, 區內廣泛出露華力西中期石英閃長巖類巖漿巖、華力西晚期花崗巖以及燕山早期花崗巖。

圖1 研究區構造簡圖(據王師捷等, 2020)

圖2 研究區三面井剖面(a)和朝海剖面(b)地質簡圖, 以及三面井組地層柱狀圖(c)

2 樣品特征、分析測試方法及結果

本次研究的兩個剖面位置見圖2, 其中三面井剖面位于河北省康?？h三面井村附近(GPS坐標: 42°04′06″N, 114°49′02″E), 朝海圖剖面位于內蒙古正鑲白旗東南約22 km的朝海圖附近(GPS坐標: 42°09′47"N, 115°09′54″E)。根據實際情況有規律地采集新鮮樣品, 保證其具有代表性, 采樣位置見圖3。經過鏡下鑒定后, 挑選出幾乎未遭受變質成巖作用影響的樣品進行全巖Sr同位素分析測試。

圖3 三面井剖面(a)和朝海圖剖面(b)野外采樣位置照片

2.1 樣品特征

(a)、(b) SMJ-3灰色含砂生物碎屑微晶灰巖; (c) SMJ-4-1發育裂隙的灰色生物碎屑微晶灰巖; (d) SMJ-4-2含有孔蟲和介形蟲的灰色生物碎屑微晶灰巖; (e) SMJ-4-5灰色弱硅化生物碎屑微晶灰巖; (f) SMJ-5灰色微晶灰巖, 的殼室被亮晶方解石充填。

2.2 分析測試方法

樣品的全巖Sr同位素分析在北京核工業地質研究院完成。依據GB/T 17672-1999《巖石中鉛、鍶、釹同位素測定方法》(張桂存等, 1999), 在ISOPROBE-T熱表面電離質譜儀, Phoenix熱表面電離質譜儀上完成, 分析誤差采用2σ。具體方法: ①準確稱取0.1～0.2 g粉末樣品于低壓密閉溶樣罐中, 準確加入Rb-Sr稀釋劑, 用混合酸(HF+HNO3+HClO4)溶解24小時; ②待樣品完全溶解后, 蒸干, 加入6 mol/L的鹽酸轉為氯化物蒸干; ③用0.5 mol/L的鹽酸溶液溶解, 離心分離, 清液加入陽離子交換柱(φ0.5 cm×15 cm, AG50W×8(H+)100～200目), 用1.75 mol/L的鹽酸溶液淋洗Rb, 用2.5 mol/L的鹽酸溶液淋洗Sr; ④蒸干, 質譜分析。其中, 質量分餾用86Sr/88Sr=0.1194校正, 標準測量結果: NBS987為0.710250±7, 實驗室流程本底: Rb=2×10?10g, Sr=2×10?10g。

2.3 Sr同位素測試結果

Sr同位素測試結果見表1。三面井組生物碎屑灰巖87Sr/86Sr值在0.707556～0.708130之間, 平均值為0.707748, 2σ不大于0.000020。其中, 三面井剖面的生物碎屑灰巖87Sr/86Sr值為0.707641～0.708130, 平均值為0.707877; 朝海圖剖面的生物碎屑灰巖的87Sr/86Sr值為0.707556～0.707818, 平均值為0.707658, 三面井剖面與朝海圖剖面生物碎屑灰巖的87Sr/86Sr值幾乎相當。

表1 三面井組生物碎屑灰巖Sr同位素分析結果

3 討 論

3.1 古環境

據生物碎屑灰巖的特征、古生物發育的情況, 判定三面井組灰巖為典型的濱淺海沉積(田樹剛等, 2021)。如前所述, 其中三面井剖面的生物碎屑灰巖段主要發育有孔蟲類、介形類、腕足類, 藻類少見, 生物碎屑間以及生物殼室多被亮晶充填。另外, 單層灰巖發育正粒序, 并混有相對較多的陸源碎屑, 三面井剖面生物碎屑灰巖底部為一厚層礫巖?砂礫巖?粗砂巖組合, 頂部被一層灘壩砂巖覆蓋。這些特征指示其沉積水體為濱海高能環境。而朝海圖剖面的生物碎屑灰巖段主要發育藻類、苔蘚類、棘皮類和海綿類, 有孔蟲類相對少見, 由下至上呈現泥晶方解石和亮晶方解石周期性交替充填, 且以泥晶方解石充填為主, 陸源碎屑相對少見, 顯示出水體呈周期性升降的特征。另外, 朝海圖剖面生物碎屑灰巖下伏一套濱海相粗砂巖?細砂巖組合, 上覆暗色泥頁巖夾砂巖透鏡體, 表明其形成于具有海進特征的濱海高能?淺海低能帶。田樹剛等(2021)研究表明, 三面井剖面靠近陸緣火山島弧噴發中心, 而朝海圖剖面為近物源的火山島弧型陸緣環境, 并且朝海圖地區三面井組的古水體相對較深。而本次研究的樣品特征顯示, 三面井剖面個別層段的生物碎屑灰巖被硅質交代, 而朝海圖剖面的樣品幾乎未遭受影響, 也從側面說明三面井剖面為靠近火山噴發中心而朝海圖剖面遠離火山中心。

3.2 Sr同位素年代標定

將本次樣品數據與McArthur et al. (2001, 2012)建立的自寒武紀以來全球海洋Sr同位素變化曲線進行投影標定(圖6a～c), 結果顯示全部樣品的年齡在275.51～298.82 Ma之間, 平均值為280.79 Ma(圖6a); 其中康?？h三面井地區三面井組生物碎屑灰巖的年齡在278.17～298.82 Ma之間, 平均值為282.72 Ma (圖6b); 而正鑲白旗朝海圖地區三面井組生物碎屑灰巖年齡在275.51～281.80 Ma, 平均值為278.64 Ma (圖6c)。將樣品數據與Korte and Ullmann (2018)建立的二疊紀全球海洋Sr同位素變化曲線進行投影標定(圖6d～f), 結果顯示最小年齡為來自正鑲白旗朝海圖地區的三面井組生物碎屑灰巖, 其結果為276.55 Ma (圖6d、f); 而康?？h三面井地區三面井組生物碎屑灰巖的最小年齡為289.02 Ma(圖6e)。

Korte and Ullmann (2018)建立的二疊紀全球海洋Sr同位素變化曲線中, 黑色曲線為其通過McArthur et al. (2001, 2012)發表的Sr同位素擬合, 灰色區為95%的置信區間, 綠色曲線是經來自生物地層分別為2 Ma和5 Ma的界限清楚的分帶型牙形刺和保存良好的腕足動物數據的平均值獲得, 淺綠色區為95%的置信區間。

Sr同位素年齡標定結果顯示, 研究區三面井組生物碎屑灰巖沉積年齡不晚于276.55 Ma。

3.3 可靠性分析

前人研究表明, 顯生宙以來海水中的87Sr/86Sr值主要受年青火山巖提供的幔源Sr和大陸殼古老鋁質巖石化學風化所提供的殼源Sr影響(Palmer and Edmond, 1989; Taylor and Lasaga, 1999; Korte et al., 2006)。因此, 遭受強烈火山作用或成熟陸源碎屑物質補給影響的海域, 其海水Sr同位素組成必然與全球平均海水Sr同位素組成具有明顯差異。然而, 本次研究的灰巖樣品幾乎不含陸源碎屑物質, 因此樣品的Sr同位素不受大陸古老鋁質巖石風化提供的殼源Sr的影響。盡管三面井剖面的生物碎屑灰巖遭受到中等程度的成巖蝕變作用, 然而, 有研究表明碳酸鹽巖成巖作用的流體(Elderfied, 1986; Veizer, 1989)和地下水直接進入海洋的流體(Chaudhuri and Clauer, 1986)對海水Sr同位素組成的影響極小。然而, 為了了解火山作用對本次樣品Sr同位素的影響, 筆者搜集了我國南方地區及鄰區二疊紀海相灰巖的全巖Sr同位素數據進行對比(表2, 圖7), 發現本次研究樣品的87Sr/86Sr值略高于上揚子地臺區和內蒙古林西地區上二疊統碳酸鹽巖的87Sr/86Sr值, 與全球二疊紀海水87Sr/86Sr值呈波動降低的特征一致, 而與我國上揚子地區下二疊統的碳酸鹽巖87Sr/86Sr值幾乎相當, 遠低于內蒙古林西地區上三疊統淡水灰巖87Sr/86Sr值(遭受古老鋁質巖石化學風化所提供的殼源補給的影響)。同時研究區的兩個剖面的87Sr/86Sr組成均在同期海水組成范圍內, 且數據非常集中, 表明本次樣品即使遭受到輕微熱液蝕變作用, 也未強烈地改變原始Sr同位素的組成(Elderfield, 1986; Veizer, 1989; Korte et al., 2006)。這既佐證了研究區三面井組下部的灰巖為典型的海相成因, 又暗示三面井組下部的灰巖應當形成于早二疊世。

表2 中國二疊紀海相灰巖Sr同位素數據

圖7 三面井組碳酸鹽巖與國內其他地區二疊系碳酸鹽巖87Sr/86Sr組成對比圖

然而, 本次三面井剖面生物碎屑灰巖的87Sr/86Sr值略大于朝海圖剖面樣品的87Sr/86Sr值, 是其所處的沉積背景以及構造環境差異導致的。由于三面井剖面靠近陸緣火山島弧噴發中心又遭受一定程度的陸源碎屑巖補給。因此, 其碳酸鹽巖樣品Sr同位素的最小值最接近同期海水平均組成。而朝海圖剖面相對遠離陸緣火山島弧噴發中心且幾乎不受陸源碎屑的影響, 且87Sr/86Sr數據非常集中(圖7), 表明朝海圖剖面的生物碎屑灰巖Sr同位素組成最接近同期海水值, 可以代表同期海相Sr同位素組成。因此, 通過朝海圖剖面的生物碎屑灰巖Sr同位素數據標定的年齡結果最接近其形成年齡。

另外, 上述標定的年齡結果與朱俊賓(2015)獲得康?？h三面井地區三面井組夾層發育的安山巖礫石的鋯石年齡283.7±2.3 Ma以及碎屑巖鋯石年齡280 Ma (朱俊賓和和政軍, 2017)接近, 與田樹剛等(2021)獲得康?？h三面井地區三面井組二段的安山巖的巖漿鋯石U-Pb定年結果277.3±1.9 Ma和正鑲白旗朝海圖地區三面井組二段安山玢巖的巖漿鋯石U-Pb定年結果273.7±2.0 Ma在誤差范圍內相一致, 與王師捷等(2021)獲得研究區西側的蘇尼特右旗地區三面井組下段碎屑巖的最小鋯石U-Pb年齡(272 Ma)以及其上部不整合的火山巖(安山巖)噴出年齡(277±1.4 Ma)在誤差范圍內也一致。這進一步證明了樣品數據的可靠性。

綜合上述認識, 國際地層表(Cohen et al., 2013)進行對比, 認為華北板塊北緣三面井?朝海圖地區的三面井組形成于早二疊世空谷階(Kungurian)中期。

4 結 論

(2) 剖面特征、生物碎屑灰巖鏡下特征以及古生物發育情況表明, 三面井剖面形成環境為濱海高能帶, 而朝海圖剖面形成于濱海高能帶?淺海低能帶環境。

(3) 華北板塊北緣三面井組一段下部生物碎屑灰巖Sr同位素值范圍在0.707556～0.708130之間, 平均值為0.707748, 與全球二疊系海水Sr同位素值相當。其中, 三面井剖面的生物碎屑灰巖87Sr/86Sr值為0.707641～0.708130之間, 平均值為0.707877; 朝海圖剖面的生物碎屑灰巖的87Sr/86Sr值為0.707556～0.707818之間, 平均值為0.707658。朝海圖剖面的生物碎屑灰巖Sr同位素組成最接近同期海水值。

(4) 與全球海水Sr同位素進行時代標定, 結果表明研究區三面井組一段下部的生物碎屑灰巖形成年齡不晚于276.55 Ma, 綜合分析認為其形成于早二疊世空谷階(Kungurian)中期。

致謝:對本文的提出修改意見的兩位匿名審稿專家、在采樣和地質認識方面做指導的中國地質科學院地質所的研究員田樹剛老師、做測試分析的北京核工業地質研究院老師、河北省地質測繪院薄片磨制的老師以及一同參加野外工作并提供幫助的同學們一并表示感謝！

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Sedimentary Environment and Sr-isotope Dating of Bioclastic Limestone: A Case Study of Permian Sanmianjing Formation in the Northern Margin of the North China Plate

SHI Lizhi1, WANG Biao1, 2*, HUANG Jingyi3, LUO Liyan1

(1. Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China; 2. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Xinjiang Oilfield Company, Karamay 834000, Xinjiang, China; 3. Institute of Disaster Prevention, Langfang 065201, Hebei, China)

To determine the stratigraphic age of the Sanmianjing Formation, which is widely exposed in the northern margin of the North China Plate, the paleontological characteristics and differences, as well as the whole rock Sr isotopic compositions of the bioclastic limestones in the lower part of the first member of the Sanmianjing Formation from the Sanmianjing profile in Kangbao County and the Chaohaitu profile in Zhengxiangbaiqi were investigated. The bioclastic abundance of the bioclastic limestones in the lower part of the first member of the Sanmianjing Formation is high and the bioclastic is well preserved, what’s more, there are differences in paleontological species between the two sections. The paleontological species in the Sanmianjing profile are mainly Foraminifers (mainly Fusulinids), Brachiopods and Ostracods, which were formed in the coastal high-energy environment. On the other hand, they are mainly Algae, Bryophyta, Echinodermata, Sponges, Gastropods and Brachiopods, rarely Foraminifers (mainly Fusulinids) in the Chaohaitu profile, which were formed in the coastal high-energy zone to low-energy environment in shallow sea. The87Sr/86Sr values range from 0.707556 to 0.708130, with an average value of 0.707748, which is the same as the global seawater Sr isotopic composition during the same period. Projection ages of Sr isotopic compositions of the bioclastic limestones from the Sanmianjing Formation are consistent with the global Sr isotopic composition evolution curve. The results demonstrate that formation of the bioclastic limestones in the lower part of the first member of the Sanmianjing Formation in the study area is no later than 276.55 Ma. Combined with previous research results, it is considered that the stratigraphic age of the Sanmianjing Formation is the middle Kungurian of the early Permian.

Sanmianjing Formation; bioclastic limestone; Sr-isotope; sedimentary environment; stratigraphic age

2021-12-30;

2022-04-22

地質調查項目“羌塘盆地雀莫錯凹陷頁巖油氣地質調查、羌塘盆地阿木錯凹陷油氣地質調查(DD20221855)”和國家自然科學基金項目(41572098)聯合資助。

施立志(1976–), 男, 博士, 正高級工程師, 主要從事油氣地質綜合研究工作。E-mail: 86547864@qq.com

汪彪(1993–), 男, 碩士, 助理工程師, 主要從事油田地質和開發研究工作。E-mail: 865796658@qq.com

P597

A

1001-1552(2023)06-1430-012

10.16539/j.ddgzyckx.2023.06.008