DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.03.031

敦化盆地土门子组砂岩地球化学特征及其地质意义

徐进军^{1, 2}，刘招君^{1, 2, 3}，孟庆涛^{1, 2, 3}，胡菲^{1, 2}，孙平昌^{1, 2}，程丽娟^{1, 2}，宋宇^{1, 2}

(1. 吉林大学 地球科学学院，吉林 长春，130061；

2. 油页岩与共生能源矿产吉林省重点实验室，吉林 长春，130061；

3. 吉林大学东北亚生物演化与环境教育部重点实验室，吉林 长春，130026)

摘要：为研究敦化盆地新近系土门子组砂岩的源岩属性和源区大地构造背景，对其进行系统取样，并通过地球化学和镜下研究分析。研究结果表明：土门子组砂岩稀土元素具有轻稀土富集(w(LREE)为51.00~278.31 μg/g)，重稀土平坦(w(HREE)为14.27~79.38 μg/g)，较明显的Eu(平均w(δEu)为0.84)负异常等特征，而微量元素没有显著的均一化，表明土门子组源岩未经沉积再循环作用，属于短距离搬运堆积，且源岩主要为来自上地壳的长英质岩。结合砂岩地球化学特征与砂岩Dickinson图解及区域地质的研究判断认为，土门子组砂岩具有多个物源，其源区主要形成于印支运动晚期活动大陆边缘构造背景下的再旋回造山源区和基底隆起区，源岩主要来自于晚三叠世~早中侏罗世的长英质火山岩和侵入岩，而少量可能来自于晚二叠世的变质岩和残余白垩纪及古近纪的沉积岩。

关键词: 敦化盆地；土门子组；沉积地球化学；物源属性；大地构造背景；物源分析

中图分类号：P588.21；P595             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)03-1006-10

Geochemical characteristics and geological implications of sandstones in Tumenzi Formation, Dunhua Basin, North China

XU Jinjun¹, LIU Zhaojun^{1, 2, 3}, MENG Qingtao^{1, 2, 3}, HU Fei^{1, 2}, SUN Pingchang^{1, 2},

CHENG Lijuan^{1, 2}, SONG Yu^{1, 2}

(1. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China;

2. Key Laboratory of Oil Shale and Symbiosis Energy Minerals of Jilin Provence, Changchun 130061, China;

3. Key Laboratory for Evolution of Past Life and Environment in Northeast Asia, Ministry of Education,

Changchun 130026, China)

Abstract: The Dunhua Basin is located in the middle of Dun Mi fracture belts, and the Neogene mainly develops the Tumenzi Formation. Systematic sampling was made and sandstone of the Tumenzi Formation in the Dunhua Basin was analyzed. The results show that the rare earth elements of sandstone possess characteristics as follows: light rare earth elements enrichment (w(LREE) is 51.00-278.31 μg/g), height rare elements flat (w(HREE) is 14.27-79.38 μg/g) and more obviously negative europium anomalies (average w(δEu) is 0.84). However, the race elements have no remarkable homogenization. All indicate that the source rocks of sandstone were carried and accumulated in short distance which mainly came from felsic rocks of the upper crust without experiencing deposition and recycling. Through the judgment combined with the geochemical characteristic, Dincksion diagram of sandstone and the study of regional geology, sandstone of the Tumenzi Formation has several provenances, and source region majorly was formed in the recycled orogeny and basement uplifted provenances under the tectonic background of active continental margin at the end of the indo-china movement. Source rocks mostly came from felsic volcanic rocks and intrusive rocks during the late Triassic to early-middle Jurassic, with a little probably from metamorphic of the Late Permian and sedimentary rocks of the residual Cretaceous and Paleogene.

Key words: Dunhua Basin; Tumenzi Formation; sedimentary geochemistry; provenance attribute; geotectonic background; analysis of provenance

敦化盆地西抵张广才岭，东至长白山老爷岭，南邻桦甸盆地，北接宁安盆地，面积约4 400 km²，其形成受郯庐断裂北段—敦密断裂带演化的控制。盆地先前主要开展了区域地质调查与煤田勘探工作，完成了部分重力、磁力普查和煤田钻孔^[1]，自2000年以后才开始对该盆地进行一系列的油气勘探等工作。目前，该盆地的勘探程度比较低，尚处于勘探的初步阶段，并且对敦化盆地的物源方面没有开展系统研究。近年来，砂岩的微量和稀土元素等地球化学特征已广泛应用到对沉积岩的源岩属性和源区大地构造背景等判断研究中，故本文作者主要对盆地内土门子组砂岩的微量和稀土元素地球化学特征进行分析研究，并结合区域地质背景和前人研究成果，探讨该组砂岩的物源属性和源区大地构造背景，以便为盆地的深化研究提供依据。

1  地质背景

敦化盆地区域构造上位于郯庐断裂控制的敦密断裂带中段。根据敦化盆地的沉积充填与构造演化特征，并结合地震剖面特征研究，敦化盆地在成因机制和构造样式上为一个受拉张和左行走滑拉分共同作用的内陆裂谷盆地^[2]，其主要经历了初期张裂(伴有走滑)、中期断陷和晚期拗陷3个完整的发展阶段^[3]。

图1所示为敦化盆地构造单元划分与地质简图。

图1  敦化盆地构造单元划分与地质简图

Fig. 1  Tectonic units division and generalized geologic map of Dunhua Basin

根据前人的研究资料，敦化盆地具有“两凹一凸”的构造格局，自南而北划分为南部凹陷、中央凸起和北部凹陷，其中，北部凹陷自西而东进一步划分为黑石断阶带、镜泊湖次凹和大沟斜坡带3个二级构造单元(图1)。盆地主要发育晚白垩统、古近系、新近系3套沉积盖层，其中，晚白垩统所发育地层仍有争议，据已钻遇井揭示源岩为泥岩的浅变质岩^[4]，古近系发育为珲春组，新近系发育为土门子组，而本文以土门子组为目的层进行研究。

土门子组发育于中新世—上新世的盆地坳陷阶段。该套地层主要分两段，下段由砾岩-细砂岩、砂砾岩-粗砂岩等多个韵律层构成，并伴有基性火山岩的喷溢(玄武岩)；上段发育有砾岩、含砾砂岩、砂砾岩、含砾粗砂岩等粗碎屑岩。整个井段以近岸水下扇沉积为主，局部为滨浅湖相沉积。

2  取样与分析

图2所示为敦化盆地D1井砂岩取样位置。样品取自敦化盆地壳牌公司D1井的全取心井，位于中央凹陷南部(图1)，钻孔主要揭示了敦化盆地新近系土门子组地层。本次约以平均40 m为间隔共选取11个样品，岩性主要为粉砂岩到含砾粗砂岩(图2)。在核工业北京地质研究院分别采用发射光谱法(ES)、压片法X线荧光光谱(XRF)和等离子体质谱法(ICP-MS)测试微量元素和稀土元素获得各元素质量分数(表1)。

3  土门子组砂岩地球化学及镜下特征

3.1  土门子组砂岩地球化学特征

从表1可以看出：砂岩的∑w(REE)在65.27×10^-6~ 357.69×10^-6之间，平均为161.20×10^-6；w(δEu)在0.46~1.15之间，平均为0.84，呈现较明显的负异常；w(La_N)/w(Yb_N)为6.03~13.26，平均值为8.62；w(LREE)/w(HREE)分布于2.69~4.16之间，平均值为3.31，显示明显的轻稀土富集。

在球粒陨石标准化分配模式中，稀土元素分配模式较一致，均显示右倾，轻稀土元素(LREE)富集(w(LREE)为51.00×10^-6~278.31×10^-6)，重稀土元素(HREE)分布平坦(w(HREE)为14.27×10^-6~81.72×10^-6)(图3^[5])，均显示较强的Eu亏损。上述稀土元素特征表明，源岩可能来自上地壳，且未经再循环作用^[6-7]。

3.1.2  微量元素特征

表1中显示w(Th)/w(U)比为1.67~4.9，平均值为3.39，稍低于上地壳的w(Th)/w(U)平均值3.8。土门子组样品的Zr质量分数为42.4×10^-6~219×10^-6，平均值为102.06×10^-6，分布在上地壳的长英质岩(190 μg)^[8]周围。

图2  敦化盆地D1井砂岩取样位置

Fig. 2  Sampling location of D1 well in Dunhua Basin

表1  敦化盆地土门子组砂岩微量和稀土元素质量分数

Table 1  Mass fraction of trace elements and rare earth elements of sandstones in Tumenzi Formation, Dunhua Basin    10^-6

图3  土门子组砂岩稀土元素球粒陨石标准化分配模式(球粒陨石数据引自文献[5])

Fig. 3  Chondrite-normalized REE distribution patterns of sandstones in Tumenzi Formation (Chondrites data according to Ref.[5])

图4所示为土门子组碎屑岩微量元素上地壳标准化蛛网图。图4显示高场强元素Nb亏损，部分样品显示Co，Ni和Zr元素亏损，同时也有部分样品显示U和Th元素富集，样品间各元素分布范围比较宽，表明土门子组砂岩可能存在多种岩性的物源，并且没有经历沉积再循环作用的显著均一化。

图4  土门子组碎屑岩微量元素上地壳标准化蛛网图(UCC数据引自文献[7])

Fig. 4  UCC-normalized spider diagram of sandstones in Tumenzi Formation (UCC data according to Ref.[7])

3.2  砂岩镜下特征

图5所示为井土门子组砂岩像。对土门子组D1和D2井共采取27块砂岩样品，进行矿物成分统计。通过镜下观察发现，土门子组主要由石英(平均质量分数为40.2%)和长石(平均质量分数为36.76%)组成(图5(c))，岩屑质量分数平均为5.1%，石英以单晶和多晶为主，含有少量的黑云母，属于长英质岩石，而且岩屑主要以花岗岩岩屑为主(图5(a))，含少量的变质岩岩屑和沉积岩岩屑。因此，其母岩主要以花岗岩为主，并且含有少量的变质岩和沉积岩，与上述砂岩地球化学特征所得出的结论相吻合。砂岩填隙物质量分数比较高，多以泥质杂基为主(图5(b))，呈点—线接触，孔隙式—基底式胶结，分选中等到差，磨圆以次棱角状为主(图5(d))，属于短距离搬运的近源沉积物。

图5  D1井土门子组砂岩像

Fig. 5  Images of sandstones in Tumenzi Formation

4  土门子组砂岩地球化学与镜下特征的地质意义分析

4.1  风化作用与沉积分选

图6所示为土门子组砂岩w(Th)/w(U)- w(Th)图解。虽然源区母岩成分是控制沉积岩成分的重要因素，但是风化和搬运等地质作用对碎屑岩成分的影响也很大^[9]，因此，岩石中的化学成分能够提供源区风化作用的信息。由于氧化作用和U的丢失，w(Th)/w(U)随着风化程度的增加而增加^[10-11]。w(Th)/w(U)大于4与风化作用有关^[7]。如图6中显示，砂岩的大部分样品集中于上地壳w(Th)/w(U)=3.8之下，表明物源区处于弱到中等风化程度，其较低的w(Th)/w(U)也可能与源区主要为长英质岩有关。

沉积分选与再循环通常会造成重矿物富集，从而导致某些元素富集^[12]。锆石是Zr元素的主要赋存矿物，且矿物的稳定性很强，会随着沉积再循环作用而富集于沉积物中。Th通常在酸性岩中赋存，而Sc常赋存于基性岩中，且w(Th)/w(Sc)在沉积再循环作用下不发生改变，因而常被用于物源化学成分变化研究。因此，w(Zr)/w(Sc)和w(Th)/w(Sc)可以反映沉积物的成分变化、分选程度以及重矿物质量分数，且不受后期热液稀释等作用影响。陆源碎屑沉积物w(Zr)/w(Sc)和w(Th)/w(Sc)线性正相关关系反映了其物源区具有类似于岩浆分异的成分变化趋势。沉积岩的w(Zr)/w(Sc)反映了物源区的平均比值，而w(Zr)/w(Sc)随着沉积物的改造以及锆石的富集而逐渐增加^[7]。图7所示为土门子组砂岩w(Zr)/w(Sc)-w(Th)/w(Sc)图解。由w(Zr)/w(Sc)和w(Th)/w(Sc)图解知，所有砂岩样品集中于上地壳周围，表明碎屑岩组分没有经历再旋回(图7)，为近源沉积，分选较差。

4.2  砂岩源岩属性

由于稀土元素具有相似的化学性质和低溶解度，在风化和成岩过程中很少分馏^[13]，因此，稀土元素的地球化学特征对于指示源岩具有重要意义^[14]。砂岩源岩的稀土元素分布具有很大的继承性，而稀土元素的分配模式可以比较客观地反映沉积物物源性质^[7-8]。通常来讲，元素Sc，Ni，Cr和Co倾向于在基性岩石中富集，而La，Th，Hf，Zr以及REE倾向富集于酸性岩石中^[15]。由表1和图4可以看出：土门子组中砂岩样品呈现La和REE富集，而部分样品Sc，Th和Co等元素富集，因此，物源区可能既有酸性岩，也有基性岩。

图6  土门子组砂岩w(Th)/w(U)-w(Th)图解(底图据文献[11])

Fig. 6  Diagram of w(Th)/w(U)-w(Th) of sandstones in Tumenzi Formation (Base map from Ref.[11])

图7  土门子组砂岩w(Zr)/w(Sc)-w(Th)/w(Sc)图解(底图据文献[11])

Fig. 7  Diagram of w(Zr)/w(Sc)-w(Th)/w(Sc)of sandstones in Tumenzi Formation (Base map from Ref.[11])

图8所示为土门子组w(La)/w(Th)-w(Hf)图解，图9所示为土门子组w(Co)/w(Th)-w(La)/w(Sc)图解。还可以利用w(Hf)-w(La)/w(Th)判别图解对不同构造环境下的沉积物物源区进行判别^[13]。在土门子组w(Hf)- w(La)/w(Th)关系中(图8)，砂岩分布相对较集中，所有样品具有相对一致的w(La)/w(Th)。由图8可以看出：其物源主要来自于长英质岩、基性岩，极少量来自酸性岛弧环境的岩石，没有被动大陆边缘物源组分，同样与w(Zr)/w(Sc)-w(Th)/w(Sc)图解中揭示的源岩没有经过沉积再循环相吻合。土门子组w(La)/w(Sc)- w(Co)/w(Th)关系中(图9^[16])，砂岩样品主要呈现出低于相对稳定的w(Co)/w(Th)(即1.39)；w(La)/w(Sc) 的变化值比较大，但是主要指示源岩为长英质岩，个别点分布于长英质火山岩区，表明土门子组砂岩具有多个物源。

图8 土门子组砂岩w(La)/w(Th)-w(Hf)图解(底图据文献[13])

Fig. 8  Diagram of w(La)/w(Th)-w(Hf) of sandstones in Tumenzi Formation (Base map from Ref.[13])

图9  土门子组砂岩w(Co)/w(Th)-w(La)/w(Sc)图解(底图据文献[16])

Fig. 9  Diagram of w(Co)/w(Th)-w(La)/w(Sc) of sandstones in Tumenzi Formation (Base map from Ref.[16])

结合土门子组砂岩的稀土元素分配模式知，轻稀土元素富集，重稀土元素弱亏损但分布平坦，部分显示较明显的Eu负异常，说明其物质来源于上地壳，为长英质岩。而根据w(Zr)/w(Sc)-w(Th)/w(Sc)图解(图7)也可以判别出土门子组源岩主要为上地壳的长英质岩石。综上所述，认为土门子组砂岩的源岩具有多种岩性，且主要为上地壳的长英质岩。

4.3  物源区大地构造背景

4.3.1  地球化学分析

在不同的构造环境下形成的沉积岩地球化学成分不同，可据此判定沉积岩形成的构造背景^[17]。尽管砂岩的化学成分可能受变质作用、风化作用和成岩作用等多种后期地质因素影响^[18]，但仍然可以用于沉积盆地构造环境判别^[19-22]。沉积物中部分微量元素是不活泼的，在沉积过程中表现出微弱变化，源区母岩和风化条件是控制沉积物中微量元素的主要因素，因而其中的一些元素能很好地反映沉积盆地的构造环境^[8]。在微量元素w(La)-w(Th)-w(Sc)，w(Th)-w(Sc)- w(Zr)/10和w(Th)-w(Co)-w(Zr)/10构造环境判别图中(图10) ，砂岩的所有分析样品主要落入活动大陆边缘区域内，个别点分布于大陆岛弧环境，揭示土门子组的碎屑岩物源主要形成于活动大陆边缘环境，极少量源自大陆岛弧环境。

4.3.2  源岩大地构造背景镜下判别分析

通过上述对土门子组砂岩样品进行粒度统计分析后，发现砂岩碎屑并没有受到成岩作用和后期变质作用改造，各种颗粒基本完整，几乎没有影响碎屑含量。通过镜下统计并计算得出Dickinson^[23-25]的三角图解，从而获得物源区大地构造背景信息。在Dickinsion的Q-F-L，Q_m-F-L_t和Q_m-P-K三角图解中(图11)显示，大部分土门子组砂岩的物源组分落在了过渡大陆区和基底隆起区及碰撞再旋回造山物源区，成熟度和稳定性为中等到差。由镜下组分分析知道，物源以长英质岩石为主，可能源自基底隆起的花岗岩剥蚀和弧造山等。

5  讨论

综上所述，微量、稀土元素地球化学特征及碎屑岩类的分析表明：敦化盆地新近系土门子组砂岩的源岩以长英质岩石为主，主要来自再旋回造山带和基底隆起区。源岩区构造背景主要为活动大陆边缘环境，这与吉黑东部中生代岩浆活动所反映的构造背景相吻合^[26-27]。

图10  土门子组砂岩w(Th)-w(Co)-w(Zr)/10(a), w(Th)-w(Sc)-w(Zr)/10(b), w(La)-w(Th)-w(Sc)(c)构造环境判别图(底图据文献[19])

Fig. 10  Tectonic setting discrimination diagram of w(Th)-w(Co)-w(Zr)/10(a), w(Th)-w(Sc)-w(Zr)/10(b), w(La)-w(Th)-w(Sc)(c) of sandstones in Tumenzi Formation (Base map from Ref.[19])

图11  土门子组砂岩组分Dickinson：Q-F-L，Q_m-F-L_t，Q_m-P-K和Q_p-L_v-L_s图解(底图据文献[24])

Fig. 11  Dickinson Diagram of Q-F-L, Q_m-F-L_t, Q_m-P-K and Q_p-L_v-L_s of sandstone in Tumenzi Formation (Base map from Ref.[24])

通过对吉黑东部晚三叠世—早中侏罗世岩浆活动的研究可知：在吉林省珲春、汪清、敦化和通化临江一带有晚三叠世—早中侏罗世火山岩系分布，同时亦有大量广泛分布的印支晚期花岗岩类侵入体，二者属同源同期不同相的产物。该岩浆带多分布在敦化—密山深断裂的东南侧，通过对火山岩和侵入岩的岩石学和地球化学性质分析，火山岩以钙碱性火山岩为主，与安第斯型活动大陆边缘的火山岩的岩石组合和地球化学特征相似，反映这一地区在晚三叠世—早中侏罗世处于安第斯型活动大陆边缘。任纪舜^[28]指出：晚三叠世印支运动时期，太平洋与亚洲大陆之间沿西太平洋毕鸟夫带的强烈挤压，是中国东部滨太平洋构造域强烈活动的开始，它使亚洲东部的稳定大陆边缘转变为活动大陆边缘，强烈的大陆边缘造山运动形成岩浆侵入或碰撞带环境火山系等再旋回造山源区。上述吉黑东部晚三叠世大规模岩浆喷发和侵入活动正是这一构造的产物，并且整个研究区在印支—燕山早中晚期一直处于区域基底隆升状态^[28-30]，敦密断裂带白垩系地层被大量剥蚀，仅少量残余(图1)，从而形成了中新生代间的区域不整合界面。本次研究所揭示的敦化盆地新近系土门子组碎屑沉积组分的源区构造背景为活动大陆边缘环境，并结合研究区地质图(图1)中敦化盆地西北侧张广才岭地区与东南侧汪清地区中生代岩体分布图分析认为，其源岩主要来自于晚三叠世—早中侏罗世的长英质火山岩和侵入岩，而少量可能来自于晚二叠世的变质岩和残余白垩纪及古近纪的沉积岩。

上述研究表明，晚三叠世，当库拉板块向亚洲大陆推挤俯冲时，吉黑东部大陆边缘地带，即太平岭、长白山(乃至张广才岭)一带发生活化，形成一系列包括敦化盆地在内的构造断陷盆地，并有强烈的岩浆喷溢—侵入活动，研究区处于造山后的伸展环境^[27]；至侏罗纪，仍然受到库拉板块的推挤作用，研究区继承和发展了晚三叠世所奠定的构造格局和地质发展特点。

6  结论

1) 土门子组砂岩微量元素、稀土元素和镜下特征表明，其源岩具有多种岩性，岩石类型以长英质岩为主，含少量火山岩、变质岩和沉积岩，经历了弱到中等风化，分选磨圆较差。

2) 土门子组碎屑组分源岩主要形成于印支运动晚期活动大陆边缘构造背景下的再旋回造山源区和陆块物源基底隆起区。

3) 在敦密断裂带的控制影响下，其源岩主要来自于晚三叠世—早中侏罗世的长英质火山岩和侵入岩，而少量可能来自于晚二叠世的变质岩和残余白垩纪及古近纪的沉积岩。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2014-05-20；修回日期：2014-08-12

基金项目(Foundation item)：中国地质调查局项目(1212011220800-02)；国土资源部公益性行业科研专项(201211051-04)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110061110050)；高等学校博士学科点专项科研基金(新教师类)资助项目(20110061120066) (Project(1212011220800-02) supported by China Geological Survey Foundation; Project(201211051-04) supported by the Special Scientific Research Fund of Public Welfare Profession of Ministry of Land and Resources of People’s Republic of China; Project(20110061120066) supported by the Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China)

通信作者：刘招君，教授，博士生导师，从事沉积学、层序地层学、石油地质学、油页岩资源评价与成矿理论研究；E-mail: liuzj@jlu.edu.cn