引用本文
仲米山, 吕东霖, 王岐, 张化南, 敖光, 吴子杰, 杨运来, 王艺龙, 谭超. 大兴安岭中段索伦地区林西组岩石地球化学特征与沉积构造环境[J].中国地质调查, 2022,9(5): 89-96.
ZHONG Mishan, LV Donglin, WANG Qi, ZHANG Huanan, AO Guang, WU Zijie, YANG Yunlai, WANG Yilong, TAN Chao. Geochemical characteristics and sedimentary tectonic environment of Linxi Formation in Suolun area of central Greater Khingan Mountains[J].Geological Survey of China, 2022,9(5): 89-96.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2022.05.10
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大兴安岭中段索伦地区林西组岩石地球化学特征与沉积构造环境
仲米山1,2, 吕东霖3, 王岐2, 张化南4, 敖光2, 吴子杰2,5, 杨运来2, 王艺龙2, 谭超2
1.吉林大学地球科学学院,吉林 长春 130061
2.辽宁省地质勘查院有限责任公司,辽宁 大连 116100
3.辽宁省地矿集团能源地质有限责任公司, 辽宁 沈阳 110013
4.辽宁省地质矿产调查院有限责任公司, 辽宁 沈阳 110032
5.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院,山东 青岛 266580
通信作者简介: 吕东霖(1982—),男,高级工程师,主要从事矿产普查与勘探工作。Email: lvdonglin@163.com。

第一作者简介: 仲米山(1986—),男,高级工程师,主要从事区域地质调查及构造地质学研究工作。Email: 278929624@qq.com。

收稿日期: 2021-07-06 修回日期: 2022-01-25
基金资助: 中国地质调查局“内蒙古1:5万明水河林场等三幅区域地质矿产调查 (编号: 12120114013001) ”项目资助
摘要

大兴安岭中段林西组是重要的含烃源岩层位,烃源岩的形成与生烃母质生物活动和埋藏时的古气候、古构造、古环境息息相关。通过岩石地球化学分析可以恢复林西组沉积时期的气候与构造环境,利用Sr、Li、Ga 含量、Sr/Ba 值、U/Th 值、 δU及Sr/Cu 值,从古盐度、氧化还原环境、古气候等方面分析了索伦地区林西组的沉积环境,认为林西组沉积时可能经历了中等—较强风化后的再沉积作用,总体为淡水—微咸水的氧化环境,气候温湿; Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值、K2O/Na2O- SiO2关系以及稀土元素特征表明: 林西组形成于靠近大陆岛弧的活动大陆边缘,由早期弧后盆地的海陆过渡相半咸水环境向陆相的淡水环境演变,有利于有机质的富集和保存,是寻找烃源岩的有利层位。研究成果可为该区烃源岩勘查提供指导。

关键词: 索伦地区; 林西组; 地球化学特征; 古气候; 沉积环境; 构造环境
中图分类号:TE122.2 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2022)05-0089-08
Geochemical characteristics and sedimentary tectonic environment of Linxi Formation in Suolun area of central Greater Khingan Mountains
ZHONG Mishan1,2, LV Donglin3, WANG Qi2, ZHANG Huanan4, AO Guang2, WU Zijie2,5, YANG Yunlai2, WANG Yilong2, TAN Chao2
1. College of Earth Sciences, Jilin University, Jilin Changchun 130061, China
2. Liaoning Provincial Institute of Geological Exploration Co., Ltd, Liaoning Dalian 116100, China
3. Liaoning Provincial Geology and Mining Group Energy Geology Co. Ltd, Liaoning Shenyang 110013, China
4. Liaoning Geological and Mineral Survey Institute Co. Ltd, Liaoning Shenyang 110032, China
5. School of Geosciences, China University of Petroleum (East China), Shandong Qingdao 266580, China
Abstract

The Linxi Formation in central Greater Khingan Mountains is an important hydrocarbon source rocks strata. The formation of hydrocarbon source rocks is closely related to the paleoclimate, palaeostructure and palaeo-environment during the propagation and burial of hydrocarbon generation parent organisms. The climatic tectonic environment of Linxi Formation in sedimentary period can be restored through the geochemical analysis of rock data. Based on the Sr, Li and Ga content, the Sr/Ba ratio, the U/Th ratio and δU method, the Sr/Cu ratio, the authors in this paper have analyzed the sedimentary environment of Linxi Formation from the ancient salinity, re-dox environment, and the ancient climate. The results show that the Linxi Formation might be formed by resedimentation after middle-strong weathering. The oxidative deposition environment is freshwater-brackish water, and the paleoclimate is warm humid climate. The Al2O3/(Al2O3+Fe2O3) and K2O/Na2O- SiO2 ratios, the content and parameters of rare earth elements were used to indicate the sedimentary environment of Linxi Formation. The results show that the Linxi Formation was formed in the active continental margin tectonic environment near the continental island arc, and the paleoenvironment evolved from the sea-land excessive brackish water to the continental freshwater environment in the early retroarc basin. The Linxi Formation is favorable for enrichment and preservation of organic matter, which is the beneficial horizon for hydrocarbon source rocks.This study can provide guidance for the esploration of hydrocarbon source roaks in this area.

Keyword: Suolun area; Linxi Formation; geochemical characteristics; palaeoclimate; sedimentary environment; tectonic setting
0 引言

大兴安岭中段索伦地区位于中亚造山带东段, 兴安地块中南部, 该区火山活动强烈, 火成岩的研究程度较高[1, 2, 3, 4, 5], 但沉积岩类的报道较少。二叠系林西组分布广泛, 为索伦地区重要的沉积地层单元。近年来, 前人已在林西官地地区的林西组中发现了烃源岩层[6, 7, 8, 9], 但仅有李福来等[10]根据盐度、氧化还原环境分析了索伦地区林西组的沉积相与沉积环境, 尚未涉及古气候变化与构造环境。气候和构造环境是控制烃源岩发育状况的重要因素, 并影响着生烃母质生物的生存环境和有机质的保存条件[11, 12, 13, 14]。通过对林西组开展岩石地球化学分析, 本文恢复了林西组沉积时期的古环境与古气候, 探讨了其沉积期间大地构造环境与烃源岩形成的关系, 以期为该区的烃源岩勘查提供指导。

1 区域地质概况及样品特征

根据《内蒙古自治区岩石地层》[15]的划分方案, 研究区的晚古生代地层属北疆— 兴安地层大区, 兴安地层区, 东乌— 呼玛地层分区; 中生代与新生代地层属滨太平洋地层区, 大兴安岭— 燕山地层分区, 博克图— 二连浩特地层小区[15](图1(a))。区内的晚古生代和新生代地层共划分为5个组级单位: 二叠系上统林西组为一套浅变质沉积碎屑岩; 侏罗系上统满克头鄂博组为一套爆发间溢流相的酸性火山岩系; 上侏罗统玛尼吐组以发育安山质火山岩为特征; 下白垩统白音高老组主要为流纹质火山碎屑岩; 下更新统西口组不整合覆于老地层及白垩纪侵入岩之上, 岩性组合主要为辉石玄武安山岩与气孔状辉石玄武安山岩。区内侵入岩十分发育, 包括晚石炭世中细粒正长花岗岩和早白垩世细粒石英二长闪长岩、中细粒二长花岗岩、细粒正长花岗岩、中细粒正长花岗岩及中细粒石英碱长正长岩6个侵入序列(图1(b))。区内构造主要以NE向和NW向断裂为主, 其中晚期的NW向断裂将早期断裂及地层界线错断, 褶皱构造不发育。

图1 研究区大地构造位置(a)及地质简图(b)Fig.1 Geotectonic location and geological sketch map of the study area

二叠系上统林西组是区内出露最古老的地层, 大致沿NNE向呈条带状展布于研究区东部(图1)。下部岩性主要以变质中细粒岩屑长石砂岩为主, 夹含碳绢云泥质板岩, 底部泥质板岩中碳质含量较高, 为可能的烃源岩层位; 上部岩性主要为绢云泥质板岩、绢云粉砂质板岩夹少量中细粒岩屑长石砂岩等。林西组原岩为泥质岩、粉砂质泥岩及长石杂砂岩等, 该组多被中生代地层不整合覆盖, 未见顶底, 叠置厚度为567~2 914 m(图2)。

图2 林西组实测剖面图及样品位置Fig.2 Measured profiles and sample location of Linxi Formation

本研究共采集7件林西组样品, 采样位置如图1(b)和图2所示。样品岩性主要为含碳绢云泥质板岩(图3(a))、含碳绢云粉砂质板岩(图3(b))和变质细粒岩屑长石砂岩(图3(c)), 岩石普遍受到区域浅变质作用, 发育变余泥质、粉砂质、砂质结构, 板状构造, 斜长石绢云母化, 石英可见波状消光。原岩由泥质碎屑、粉砂质碎屑及砂质碎屑组成, 总体以细碎屑为主, 指示沉积环境较稳定。碳质在岩石中不均匀分布或沿板理分布, 有机质含量较高。

图3 林西组变质岩显微照片Fig.3 Micrographs of metamorphism rocks in Linxi Formation

2 分析方法及测试结果
2.1 分析方法

样品粉碎和测试工作由河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。采用X射线荧光光谱仪进行主量元素测定; 采用三酸一水溶矿法, 运用电感耦合等离子体质谱仪ICP-MS(X Serise2)进行微量元素和稀土元素测定, 化学溶解方法和微量元素含量分析过程参考Ren等[16]。使用标准样品AGV-1、BCR-2、BHVO-2与G-2监测溶样和分析过程, 测试结果的相对标准偏差< 5%。

2.2 主量元素

样品的主量元素含量见表1, 其中K2O/ Al2O3值为0.14~0.20, 平均值0.16, 表明原岩中碱性长石含量较少; K2O/Na2O值为0.58~2.01, 平均值1.02, 表明样品中钾与钠的含量相似; MgO/Al2O3值为0.06~0.17, 平均值0.11, 表明碎屑岩中海水组分和陆源组分离散程度较小, 沉积-构造环境较为稳定, 有利于生物生长和烃源岩形成; ICV值为0.56~0.83, 平均值0.65, 小于1的ICV值表明其成分成熟度较高, 含较多黏土矿物, 可能经历了强烈风化后的再沉积作用[17]; CIA值为67.72~76.26, 平均值72.41, 说明物源区经历了中等化学风化作用[18]。

表1 林西组主量元素含量及特征参数 Tab.1 Cotent and characteristic parameters of major elements in Linxi Formation
2.3 微量元素与稀土元素

研究区林西组微量元素、稀土元素含量及特征参数分析结果见表2, 微量元素蛛网图上曲线明显向右倾斜(图4), 显示出大离子亲石元素相对富集、高场强元素相对亏损的特点, 其中Sr、Nb、P、Ti相对亏损, Rb、K、La、Ce相对富集。林西组的原岩是以黏土质为主的细碎屑岩, Sr受斜长石约束, 随着斜长石风化分解为黏土矿物而流失, Ti可能受钛铁矿控制, P主要受磷灰石控制, Ti和P亏损指示原岩的钛铁矿和磷灰石含量较低。Th、Ce、Zr、Sm、La为不活泼元素, 它们的相对富集可能与原岩富含这些元素有关。

表2 林西组微量元素与稀土元素含量及特征参数 Tab.2 Cotent and characteristic parameters of trace elements and REE in Linxi Formation

图4 林西组微量元素原始地幔标准化蛛网图(左)及稀土元素球粒陨石标准化配分模式(右)[19, 20]Fig.4 Primitive mantle-normalized trace element spider diagram(left) and Chondrite-normalized REE pattern diagram(right) of Linxi Formation[19, 20]

林西组稀土元素配分曲线见图4。通常认为REE作为最不易溶解的微量元素, 在低级变质作用、风化作用和热液蚀变作用中可以保持相对的不活泼性, 因此变质作用和热液活动对岩石的Σ REE没有显著影响。研究区样品中Σ REE的平均值(183.41)比陆壳平均含量(167.6)略高, 可能是由于原岩中含有较多的黏土成分。稀土配分曲线右倾, 均属轻稀土富集型, 重稀土相对亏损, 表现出负Eu异常。

3 讨论
3.1 沉积环境及古气候

微量元素含量作为分析沉积盆地古环境的重要信息被广泛应用[19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28], 其中Sr、Li、Ga 含量可指示水体盐度的变化, Sr含量(800~1 000)× 10-6、Li含量> 150 × 10-6、Ga含量< 8 × 10-6, 指示海相(盐水)沉积环境; Sr含量(100~500)× 10-6、Li含量< 90 × 10-6、 Ga含量> 17 × 10-6, 指示陆相(淡水)沉积环境[24]。研究区除样品MP16Y17外, Sr含量均小于500× 10-6, Li 含量小于90× 10-6; 除样品MP16Y1外, 其他样品Ga含量均高于17× 10-6。研究区Sr、Li、Ga含量指示林西组总体为淡水— 微咸水沉积环境。

Sr/Ba 值可作为水体盐度的判别指标, 当Sr/Ba值> 1.0指示海相环境, Sr/Ba 值< 0.6指示陆相环境, 处于0.6~1.0之间为半咸水环境[25]。研究区除样品MP16Y17的Sr/Ba 值为0.85, 其他样品均小于0.6, 说明林西组沉积时主要为陆相(淡水)环境, 仅局部为半咸水环境。林西组的古水体盐度分析显示其环境适宜动植物生长, 具有形成烃源岩的物质条件。

V/(V + Ni) 值可用来判断沉积物沉积时的氧化还原环境[26]。V/(V + Ni) 值> 0.46指示还原环境, 反之指示氧化环境。研究区林西组样品的V/(V + Ni)值均大于0.46, 说明林西组沉积于还原环境, 有利于有机质的保存。

Sr/Cu 值可反映沉积物沉积时的古气候[27]。Sr为喜干型元素, Cu为喜湿型元素, Sr/Cu 值小于10代表湿润气候, 反之代表干热气候。除样品MP16Y17的Sr/Cu值为18.21, 其他样品均小于10, 指示林西组沉积时总体为温湿气候, 是藻类及动植物生长的有利条件。

3.2 大地构造环境

沉积建造中岩石的地球化学组分主要受物源区碎屑岩控制, 且与构造环境密切相关, 因此通过分析沉积岩的化学成分不仅可以确定原岩性质, 还可以恢复沉积盆地的构造演化历史。

Jewell等[20]提出使用Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值指示沉积岩沉积期间的大地构造环境, 比值介于0.1~0.4指示洋脊海岭环境, 介于0.4~0.7指示远洋深海环境, 介于0.7~0.9指示大陆边缘环境, 研究区林西组Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值为0.83~0.94, 平均值0.9, 指示林西组可能沉积于大陆边缘环境。

研究区样品的K2O/Na2O- SiO2投图显示多数点落于活动大陆边缘(图5)[29]。Bhatia等[30]指出从大洋岛弧到大陆岛弧、活动大陆边缘以及被动大陆边缘, La、Ce、∑ REE及La/Yb值、(La/Yb)N值增加, δ Eu降低。从表4可以看出, 研究区林西组沉积期间整体处于活动大陆边缘与大陆岛弧之间。

图5 林西组K2O/Na2O- SiO2图解[29]Fig.5 Diagram of K2O/Na2O-SiO2 in Linxi Formation[29]

表4 林西组原岩形成的构造环境判别[21] Tab.4 The structural environmental discrimination of the original rock Formation in Linxi Formation[21]

扎鲁特地区和松辽盆地外围的地表露头和钻孔岩心资料显示, 林西组物源区的构造背景主要为活动大陆边缘和大陆岛弧, 前人推测为形成于靠近大陆岛弧的活动大陆边缘, 沉积环境由海陆过渡相逐渐转变为陆相, 水体由半咸水逐渐转变为淡水[31, 32, 33, 34, 35], 这与本研究的结果基本一致, 说明从内蒙古中东部至齐齐哈尔一带, 林西组沉积环境基本稳定, 均形成于靠近大陆岛弧的活动大陆边缘构造环境。

4 结论

(1)主量元素含量及比值显示研究区林西组沉积-构造环境较稳定, 可能经历了中等— 较强风化后的再沉积作用。

(2)微量元素含量及比值显示研究区林西组总体为淡水— 微咸水的还原环境, 气候温湿, 适合生物活动并有利于有机质的保存。

(3)研究区林西组的岩石地球化学特征显示其位于靠近大陆岛弧的活动大陆边缘, 为古亚洲洋闭合演化的一部分, 在华北板块与西伯利亚板块南北向闭合挤压运动的作用下, 陆壳抬升, 古环境由早期弧后盆地的海陆过渡相半咸水环境向陆相的淡水环境演化, 有利于有机质的富集和保存, 是寻找烃源岩的有利层位。

致谢: 感谢中国地质调查局的项目资助, 感谢项目组其他同事在项目野外工作中给予的帮助, 感谢论文审稿人对论文提出的建设性修改意见。

(责任编辑: 魏昊明)

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