Detrital Zircon U-Pb Dating and Provenance Significance of the Lower Cretaceous Yijun Formation in the Southern Ordos Basin

鄂尔多斯盆地为我国最重要的多能源盆地之一,其南部与秦岭造山带和祁连造山相邻,中古生代经历了多期复杂的沉积—构造演化过程,新生代早期渭河盆地的发育以及中晚期以来受青藏高原演化和向东北挤出的明显影响,构造活动频繁,后期改造强烈、地质特征复杂多样^[1⁃2]。近年来,随着鄂尔多斯盆地油气、煤、砂岩型铀矿等能源矿产勘探开发的不断深入,盆地南部中生代以来的构造属性、物源体系及盆山关系等诸多问题,进一步引起了许多地质工作者关注和研究^[3⁃4],但相对于富含石油、煤炭资源的中上三叠统延长组和侏罗系,下白垩统研究程度相对薄弱^[4⁃8]。前人研究认为,鄂尔多斯盆地南部下白垩统早期沉积物源主要来自秦岭造山带^[2,5⁃6],但缺乏年代学的有效约束；同时,晚白垩世以来,鄂尔多斯盆地经历了整体抬升和差异剥蚀,加之渭河盆地的断陷,盆地南部剥蚀改造强烈,下白垩统原有沉积格局发生改变,与相邻造山带的山盆关系不明^[2,5]。此外,盆地南部下白垩统砂岩发育且具明显放射性异常,为砂岩型铀矿潜在的重要勘探层系^[7⁃9],目前已发现了国家湾铀矿及镇原、崇信—彬县等多个铀异常矿化点^[3,10⁃12],但因早白垩世物源体系及盆山关系研究的薄弱,在一定程度上制约了该区砂岩型铀矿的进一步勘查。宜君组为鄂尔多斯盆地下白垩统发育的第一套地层,主要分布于现今盆地西南部,以河流、冲积扇相的砂砾岩沉积为主,代表了快速堆积的山麓相沉积^[2],因而,是开展源汇示踪和盆山构造演化的理想对象。

岩石中的锆石因其强的抗物理和化学风化能力,在沉积搬运过程中能够较好地保存下来,加之其稳定的U-Pb同位素体系^[13],使得锆石U-Pb年龄谱特征已成为示踪源区和开展盆地古构造—古地理重建的重要纽带和手段,当前在相关研究中应用广泛^[14⁃20]。本文主要针对盆地南部早白垩世沉积物质来源问题,选择渭北隆起麟游、彬县地区典型下白垩统剖面,在野外考察的基础上,开展了碎屑锆石定年分析,并结合前人相关研究成果^{[2⁃6,21⁃27]},厘定了早白垩世宜君组物源特征,初步探讨了宜君期鄂尔多斯盆地南部的盆山关系,相关成果有望在蚀源区成矿物质来源方面为盆地南部下白垩统砂岩型铀矿勘查提供一定的依据。

鄂尔多斯盆地位于华北板块西部,为中生界叠加在早、晚古生界之上的多重叠合盆地,除古生界志留系、泥盆系、下中石炭统及中生界上白垩统缺失外,地层发育相对齐全,具有多构造体系、多旋回演化及多类型沉积的特点^[1]。今盆地周缘被新生代断陷盆地与诸多山系所分割,为一遭受多期改造的残留盆地,其面积约25×10⁴ km²,是我国重要的多能源勘探和生产基地^[28]。盆地可进一步划分为六个一级构造单元,其中,南部渭北隆起隔渭河新生代断陷盆地与北祁连、秦岭造山带相邻（图1）；由南至北,依次出露元古界、古生界,中生界三叠系、侏罗系及下白垩统志丹群地层,总体呈北东—北东东向展布（图2）。

Figure 1.  Regional tectonic map of the study area (modified from reference [2])

Figure 2.  Geological map of the southern Ordos Basin, with sample locations (paleocurrent data from reference [25])

下白垩统志丹群为中生代鄂尔多斯盆地沉积的最晚地层,最大残留地层厚度1 400余米,由老到新依次沉积了宜君组、洛河组、环河—华池组、罗汉洞组及泾川组（图2）；其岩石类型和沉积相多样,不仅有河湖相砂、泥岩,也有风成及冲积扇相砂、砾岩等^{[21⁃25,29⁃30]},主体经历了宜君组—环河华池组、罗汉洞组—泾川组2个由粗粒到细粒的沉积旋回^[6]。盆地南部下白垩统各时代地层由东向西、由南向北出露依次变新（图2）。早白垩世以来也是盆地演化—改造的关键时期,早白垩世盆地发生了最显著的构造热事件^[3],对下伏地层油气的生烃、成藏均有明显影响；早白垩世末期以来,盆地遭受了边部强内部弱的抬升剥蚀和改造^[26,31],深刻地影响着盆地能源矿产的调整与最终定位,盆地南部、东部在早白垩世末期以来地层遭受剥蚀厚度可达2 000 m,下白垩统原始沉积范围远大于今残留范围,向南可达渭河盆地,甚或秦岭造山带北麓^[26]。

宜君组为早白垩世盆地最早沉积的地层,盆地南部主要沿宜君、旬邑、彬县、麟游、陇县一线出露（图2）,地层厚度在纵、横向上变化明显,介于0~203 m,与下伏不同时代地层呈角度不整合或平行不整合接触（图3,剖面位置见图2）,总体向盆地内部呈楔形变薄尖灭或与上覆洛河组渐变。宜君组总体为一套粗碎屑沉积,呈灰紫、紫红、橘红色,砾石支撑,钙质、砂质胶结,砂岩透镜体发育,为干旱—半干旱环境,局部时段出现温暖、潮湿的气候^[32],具多物源和快速堆积的特点^[26],属盆地边部山麓相沉积,是探索盆地南部源汇特征及盆山演化的理想对象。

Figure 3.  Profile contrast map of the Lower Cretaceous Yijun Formation in the southern Ordos Basin (modified from reference [25]; location is shown in Fig.2)

为分析和探讨鄂尔多斯盆地南部早白垩世早期物源特点,本文重点对宜君组出露较好的麟游老铁钩和彬县虎家湾两地剖面开展了研究和样品采集（图1~3）。

其中,麟游老铁沟剖面位于麟游县城西北约20 km处,该剖面宜君组厚约60 m,为棕红—暗棕色块状砾岩,夹砂岩透镜体（图4a,b）,砾石成分以花岗岩为主,平均含量高达65%,其次为片麻岩（15%）、片岩（10%）、石英岩（3%）等,砾石砾径普遍在5~15 cm,最大可达50 cm,多见扁平度较高的砾石呈叠瓦状排列,分选磨圆中等；下伏地层为侏罗系直罗组,呈浅灰红色厚层状含细砾石英砂岩夹少量紫红色泥岩,两者呈微角度不整合接触（图4c）；本次在该剖面下部和中部各采集了1件透镜体砂岩样品,分别为LY-28（N 34°43'26.7",E 107°42'52.7",H 1 092 m）,LY-06（N 34°44'56.1",E 107°42'32.9",H 1 203 m）。彬县虎家湾剖面,位于彬县县城北侧10 km处,其宜君组为厚约30 m的紫红色砾岩夹中厚层透镜体砂岩（图4d）,砾石以石英岩为主,平均含量可达50％,花岗岩（34%）、片岩（12%）次之,砾石砾径一般介于5~10 cm,最大可达30 cm,局部可见砾石呈叠瓦状排列,偶见交错层理。砾径较麟游地区有所变小,磨圆度、分选性也相应变好。下伏地层为安定组,呈紫红色砂质泥岩夹中厚层状砂岩、砂砾岩,两者之间亦呈微角度不整合接触（图4e）。在该剖面下部采集了1件透镜体砂岩样品,样号为BX-13（N 35°02'57.2",E 108°06'14.2",H 826 m）。

Figure 4.  Outcrops of the Lower Cretaceous Yijun Formation and its contact with the under strata in the study area(the sample position is represented by yellow pentagram)

本文采用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱法（LA-ICP-MS）开展碎屑锆石U-Pb定年。锆石委托廊坊地调院分选,锆石制靶、阴极发光（CL）图像采集以及U-Pb定年测试则均在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。首先将分选的锆石颗粒随机挑选粘至有双面胶的载玻片上,并用环氧树脂灌注,待固结后抛磨制成锆石样靶；然后对制好的样靶进行反射光、透射光及阴极发光（CL）显微图像采集,揭示锆石形态及内部结构,以便更好地遴选测点位置；最后利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪（GeoLas Pro+Agilent 7500a）进行测定,激光束斑直径为30 μm。测试过程采用国际标准锆石91500作为外标标准物质,元素含量采用NIST610作为外标,²⁹Si作内标,详细实验步骤和方法参见文献[33]；数据处理采用Glitter4.0软件,年龄计算及图制作利用Isoplot 4.15程序。研究主要选择谐和度介于90%~110%的碎屑锆石年龄,其中小于1.0 Ga的采用²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄,大于1.0 Ga的采用²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb年龄。

从形态及颜色看,两地区碎屑锆石总体类似。大多数锆石呈浅棕色及棕红色,部分为无色透明或浅黄色；锆石粒径普遍在60~150 μm,主体呈次圆状,可见凹坑、沟槽及断口磨蚀痕迹,少量锆石呈短柱状,表面粗糙,显示锆石可能经历了一定距离的搬运。从锆石CL图像可以看到大多数锆石有核—幔结构,发育清晰规则的震荡环带,显示出岩浆成因锆石的特征；少量锆石结构表现出均匀或补丁状,且无震荡环带,有的边部还出现亮白色或暗色增生边,可能为变质成因锆石（图5）。

Figure 5.  Cathode luminescence (CL) images of detrital zircons from the Low Cretaceous Yijun Formation in the Linyou⁃Binxian area

本次测试的3件宜君组砂岩样品共获得249颗锆石谐和年龄数据,其中麟游地区的LY-28样品共获得95颗锆石年龄,LY-06样品获得67颗锆石年龄；彬县地区BX-13样品获得87颗锆石年龄。相关样品的锆石U-Pb谐和图、年龄直方图如图6。

Figure 6.  Uranium⁃lead (U⁃Pb) concordia and age histogram of detrital zircons from the Low Cretaceous Yijun Formation in the Linyou⁃Binxian area

（1） 麟游地区LY-28样品的碎屑锆石U-Pb年龄分布范围介于193.8~2 657.2 Ma（n=95）,主要集中于193.8~234.2 Ma（16颗）和386.7~507.1 Ma（68颗）2个年龄段,占到总量的88.4%,其峰值年龄分别为213 Ma和455 Ma；其余锆石年龄分布于947.6~2 657.2 Ma（11颗）,数据点分散分布。

（2） 麟游地区LY-06样品的碎屑锆石U-Pb年龄分布范围介于203.3~2 635 Ma（n=67）,主要集中于203.3~238.9 Ma（25颗）和403.3~481.1 Ma（16颗）2个年龄段,占到总量的61%,峰值分别为220 Ma和455 Ma,与LY-28峰值年龄类似；其余年龄分布于597.4~2 635 Ma（25颗）,亦未形成明显峰值。麟游地区两件样品的锆石Th/U比值介于0.07~2.01,其中大于0.4的占90%,表明样品锆石普遍具岩浆成因特点。

（3） 彬县地区BX-13样品的碎屑锆石U-Pb年龄分布范围介于195~2 718 Ma（n=87）,明显集中于195.6~263.6 Ma（57颗）和421.8~448 Ma（10颗）2个年龄段,占到总量的77%,其峰值年龄分别为218 Ma和447 Ma；其余锆石则较零散地分布于914.5~2 718 Ma（20颗）年龄段,数据点分散分布。该样品锆石Th/U比值介于0.06~2.06,比值大于0.4的占94%,表明样品锆石普遍具岩浆成因特点。

综合分析上述3件宜君组砂岩样品的碎屑锆石U-Pb年龄直方图,可以看出总体上呈类似的谱峰特点,锆石年龄均主要集中在早中生代（195~250 Ma）和早古生代（400~500 Ma）时期,且具有类似的峰值年龄,分别为218 Ma和450 Ma,而元古宙—太古宙锆石年龄不但少且数据点分散分布。

有关鄂尔多斯盆地南部早白垩世物源问题,前人曾不同程度开展了研究。如对宜君组,王建强等^[26]采用砾岩砾组方法,分析了宜君组砾性、砾度、古水流（图2）等,指出宜君组沉积物源特征在横向上存在差异性,认为麟游—彬县地区物质主要来自北秦岭造山带,陇县—千阳地区主要来自陇山地区,同时指出渭北隆起南部及渭河地区早白垩世时期仍在接受沉积,其原始沉积南界至少在今渭河地区甚或达秦岭北麓；禹江^[6]同样采用砾组分析方法,进一步对鄂尔多斯盆地西南部宜君组沉积环境及物源特征开展了研究,指出宜君组为干旱—半干旱环境下山麓洪积扇相沉积,为快速堆积的产物,也认为麟游地区主要来自北秦岭造山带,而彬县地区除来自北秦岭造山带外,极少量地混入了来自其下伏的碳酸盐岩地层。程先钰等^[7]对盆地西南部镇原地区洛河组下段（即宜君组上覆地层）含铀砂岩开展碎屑锆石U-Pb定年,获得了166~370 Ma、388~472 Ma、1 744~2 150 Ma、2 241~2 740 Ma、615~1 623 Ma五个年龄区间,峰值年龄主要有272 Ma、427 Ma、1 899 Ma和2 493 Ma,认为该区洛河组砂岩为多物源区混合（需要指出的是前人研究表明洛河期鄂尔多斯盆地广泛发育风成砂岩环境沉积^[22⁃23,30]）。上述研究均表明盆地南部下白垩统物源与其相邻的造山带存在密切的联系。本次测试结果进一步揭示,鄂尔多斯盆地南部宜君组砂岩碎屑锆石U-Pb年龄谱主要集中于早中生代和早古生代（图6）,中新元宙—太古宙年龄较少且呈分散分布,本文重点以早古生代和早中生代2阶段为重点开展讨论。

前人大量研究表明,早古生代锆石在北祁连东段岩体及相关地层中有大量发育,如草川铺花岗岩体（434±10 Ma）^[34]、黄门川花岗闪长岩体（440.5±4.4 Ma）^[35]、王家岔闪长岩体（454.7±1.7 Ma）^[36]、阎家店闪长岩体（440.2±0.92 Ｍa）^[37]、新街花岗质片麻岩（447±5.4 Ma）^[38]、红土堡岩组变基性火山岩（443.4.7±1.7 Ma）及葫芦河群变质砂岩（426~493 Ma）^[39]等；此外,古生代岩体在北秦岭地区广泛分布,南秦岭仅有零星出露（图1）,如黑河花岗岩（401±14 Ma）^[40]、闪长岩（442±7 Ma）^[40]、花岗闪长岩（470±9 Ma）^[41],凤县红花铺云英闪长岩（414±1.5 Ma）^[42]、唐藏石英闪长岩体（455±1.9 Ma）^[43]等,据统计秦岭古生代岩体锆石U-Pb年龄集中于505~400 Ma,其中450~422 Ma年龄段在北秦岭全区广布^[44]。上述岩体或地层锆石年龄与本次样品的早古生代峰值年龄具有较好的一致性。

早中生代相关锆石年龄的岩体在秦岭地区广泛分布,如沙河湾岩体（214~207 Ma）、糜署岭岩体（213±3 Ma和212±5 Ma）^[45]、黄渚关花岗岩（214±1 Ma和 213± 3Ma）、厂坝花岗岩（213±2 Ma）^[46]、江里沟复式岩体（229.1±1.8 Ma）^[47]、宝鸡岩体（216~210 Ma）、华阳岩体（214~195 Ma）、光头山花岗岩（221~206 Ma）、老城花岗岩（221~210 Ma）^[48]等。Wang et al.^[49]根据岩石地球化学特征分析认为秦岭地区早中生代岩体可分为2期,其中250~240 Ma岩体相对较少,主要分布在西秦岭地区,而225~185 Ma岩体遍布于整个秦岭造山带,且集中分布于商州以西（图1）,这与本次研究样品年龄峰值在时空上也具有明显的一致性。

为了进一步明确麟游和彬县地区宜君组的物质来源,笔者分区块统计了鄂尔多斯盆地南部周缘相关地质体的锆石U-Pb年龄特征,具体包括北秦岭地区^[49⁃57]、南秦岭地区^[57⁃66]、北祁连地区^[67⁃71]及华北地块南缘^[72⁃81],共统计了3 563个年龄数据（图7）,总体上可代表这些地区相关岩石的锆石年龄组成,这些同位素测年数据主要采用SHRIMP和LA-ICP-MS U-Pb定年方法。从统计结果看,北秦岭地区相关地质体的锆石年龄主要集中于190~250 Ma、400~500 Ma年龄段,大于500 Ma的锆石年龄虽分布广泛但未形成明显的峰值年龄；南秦岭地区相关地质体的锆石年龄主要集中在190~240 Ma、425~500 Ma和620~1 000 Ma年龄段,大于1 000 Ma的年龄亦分布,但峰值不明显；北祁连造山带地区相关地质体的锆石年龄主要集中于430~550 Ma、900~1 200 Ma、1 800~2 300 Ma及2 500 Ma±年龄段；而华北板块南缘地区相关地质体的锆石年龄主要集中于120~150 Ma,1 600~2 000 Ma及2 400~2 500 Ma年龄段。

Figure 7.  Comparison of zircon age distribution between the Yijun Formation in the Linyou⁃Binxian area and its potential source regions

综合对比各地区年龄谱峰特征,可以看到麟游与彬县宜君组的碎屑锆石U-Pb年龄谱峰与北秦岭地区年龄谱峰特征非常类似,与南秦岭地区总体相似,但在研究区未出现620~1 000 Ma的新元古代年龄峰；与北祁连地区相比较,可以看到古生代年龄峰特征相对一致,但元古宙—太古宙年龄谱峰特征明显不同；而与华北板块南缘在代表性峰值特征上则有比较明显的差异（图7）。综述上述分析,并结合当前研究区周边地区地质体出露的特点（图1）,本文认为鄂尔多斯盆地南部麟游、彬县地区下白垩统宜君组物源应以北秦岭中段地区为主,同时可能有来自南秦岭北部地区的物源供给。

对于研究区出现的未成明显峰值但广泛分布的元古宙—太古宙碎屑锆石年龄数据（图7）,从周邻区域元古代岩体分布看,则主要分布于南秦岭东南部及扬子板块北缘（图1）,很难成为本区的物源区,为此,本文认为宜君组中出现的元古宙—太古宙年龄的碎屑锆石应主要来自于北秦岭地区如秦岭群、宽坪群等岩系,这与研究区宜君组地层中砾石所展现的以花岗岩为主,同时含有石英岩、片岩及片麻岩等砾石的分布特征相一致（图4）,由于这些古老变质岩系地层中锆石矿物含量相对较低,同时由于下伏岩体在该时期或之前的隆升剥露、致使上覆变质岩系地层出露范围变小,物质供应可能相对较少有关,也暗示着沉积区沉积物中碎屑锆石含量可能与源区岩体出露关系更为密切。

造山带以高起伏为典型特征,使地质体暴露于风化和侵蚀之下,产生的碎屑物质被输送到毗邻的洼陷区域（沉积盆地）,这种沉积填充物包含了有关物质从源到汇输送过程的关键信息,记录了盆山构造格局形成和演化历史,可用于探索沉积体系演化中构造和沉积因素之间的相互关系^[82]。前人大量研究表明,秦岭造山带是我国华北与扬子两大板块于中晚三叠世（印支期）碰撞拼合形成的造山带^[83⁃84],碰撞造山后开始了更为强烈的陆内调整演化,经历了晚三叠世—早中侏罗世垮塌演化、晚侏罗世—白垩纪大规模陆内造山作用^[85],上述演化过程在秦岭造山带内部及南部扬子板块北缘有明显的构造—沉积响应,但由于新生代渭河地堑的发育,使得在北侧的鄂尔多斯盆地表现不甚明了。

本次通过对鄂尔多斯盆地早白垩世宜君组砂岩碎屑锆石U-Pb定年,一方面揭示了鄂尔多斯盆地南部下白垩统发育来自秦岭造山带的沉积物源；更为重要的是,宜君组碎屑锆石年龄中广泛记录着秦岭造山带所特有的早中生代（195~250 Ma）岩浆活动,这表明秦岭地区早中生代岩体最晚应在早白垩世初已抬升剥露至地表,并开始大量向造山带北侧沉积区提供物源。此外,渭北隆起区下白垩统普遍与下伏不同时代地层呈不整合接触关系,以及宜君组冲积扇相砾岩的发育（图3,4）,这在区域上与秦岭造山带同期演化具有较好的一致性,印证了秦岭造山带晚侏罗世开始的大规模陆内造山作用已明显影响到了鄂尔多斯盆地南部。同时,鄂尔多斯盆地南部下白垩统发育大量来自秦岭造山带的沉积物源,从侧面也说明了此时渭北隆起区还未演化成阻隔秦岭造山带物质到来的隆起构造单元,支持渭北隆起主体隆升应为早白垩世末以来的观点^[86⁃89]。

蚀源区剥露的岩石类型和物质组成,直接制约盆地内的沉积建造和岩性特征,对沉积矿产的形成亦有重要影响^[90]。就砂岩型铀矿而言,若条件具备,来自蚀源区铀源的成矿作用可发生在沉积、成岩和成岩后生作用的全过程^[90]。众所周知,中酸性岩浆岩、古老变质岩系均为重要的富铀地质体,往往具有较高的放射性铀元素含量。

研究表明,秦岭地区古生代、早中生代岩浆岩铀元素含量较高,铀含量为（4.1~6.9）×10^-6[10],其原始铀含量最高可达10×10^-6,而秦岭群、宽坪群等铀含量为（4~6）×10^-6[91]；结合上述物源分析,相关地层均可以成为鄂尔多斯盆地南部下白垩统重要的潜在铀元素来源区,然早白垩世沉积主体以高氧化环境为主,总体不利于砂岩型铀矿的富集,但下白垩统局部层段如环河—华池组、泾川组仍发育还原环境,适于铀元素发生还原沉淀^[10]；同时,U元素在氧化环境下较为活跃,极易被氧化而发生迁移^[92],下白垩系砂体发育,透水性好,进入盆地内的铀元素后期可以发生迁移,在其下伏地层如侏罗系中进一步富集成矿。鄂尔多斯盆地南部砂岩型铀矿总体勘查程度较低,但目前已在下白垩统中发现了如国家湾砂岩型铀矿,镇原、崇信—泾川、陇县等铀矿化点或异常区^[10⁃12],在侏罗系中发现了店头、双龙铀矿床,焦平、庙湾、照金、彬县等铀矿化点^[8,91],指示盆地南部砂岩型铀矿广阔的勘探前景。从蚀源区成矿物质来源角度探索矿藏形成,是深刻揭示成矿物质聚集与分布,探讨矿藏成岩和有效指导矿藏预测等内容的重要组成部分,值得进一步研究。

（1） 鄂尔多斯盆地南部麟游、彬县地区下白垩统宜君组碎屑锆石U-Pb定年表明,主要集中分布于早中生代（195~250 Ma）和早古生代（400~500 Ma）时期,峰值年龄分别为218 Ma和450 Ma,而元古宙—太古宙锆石年龄不但数量少且较为分散,与北秦岭地区相关地质体的锆石U-Pb年龄具明显的时空一致性,综合认为研究区物源主要来自于北秦岭地区。

（2） 通过下白垩统宜君组碎屑锆石年代学及物源分析,指出秦岭造山带早中生代岩体侵位后,最晚在早白垩世已抬升剥露至地表,并开始向盆地南部提供大量物源,这在一定程度上为约束秦岭晚中生代隆升剥露及渭北隆起发育的时限提供间接的证据；进一步认为秦岭地区古生代及早中生代岩体为宜君组重要的物质来源,可为盆地南部提供丰富的铀元素,对该区铀矿资源勘查具有一定的指导意义。