內蒙古大興安嶺中南段土城子組形成的沉積環境與構造背景

陳 彪 曲洪祥, 賈 彬 仲米山 曹元寶 劉 君 劉興國 薛彥萍

(1.中國人民武裝警察部隊黃金第四支隊；2.遼寧省地質勘查院)

近年來，在內蒙古大興安嶺地區中國地質大學(北京)開展的烏蘭浩特市1∶25萬區域地質調查(修側)、武警黃金第四支隊開展的復興屯等4幅和特莫牧場等4幅1∶5萬區域地質礦產調查工作均發現了土城子組[1-5]，加之曲洪祥等[6]對區內土城子組的深入研究，認為該區完全可以與燕遼地區的土城子組對比。但由于該區處于大興安嶺中生代火山帶，沉積巖不甚發育，導致區內沉積學研究相對薄弱，尤其是土城子組。本研究對區內土城子組形成的沉積環境與構造背景進行分析，為大興安嶺地區沉積學研究提供可靠依據。

1 研究區地質概況

研究區位于內蒙古東部大興安嶺東南段，處于華北板塊與西伯利亞兩大板塊的匯聚帶，即西伯利亞板塊南緣增生帶與華北板塊北緣增生帶交匯處[6]。中生代以來，研究區便進入了歐亞板塊構造演化階段，主要受濱太平洋構造域和特提斯構造域的影響。前中生代時期，區內地層區劃屬北疆—興安地層大區、興安地層區、烏蘭浩特—哈爾濱地層分區。區內僅出露石炭紀—二疊紀地層，該期地層均遭受了區域淺變質變形作用。中生代—新生代時期，地層區劃則隸屬于濱太平洋地層區、大興安嶺—燕山地層分區、烏蘭浩特—赤峰地層小區，該期地層變質變形相對較弱[6]。土城子組下部巖性為灰紫色厚層砂礫巖夾粉砂巖；中部為砂礫巖夾流紋巖、安山巖及暗灰色安山質含角礫晶屑凝灰巖；中上部為凝灰質砂礫巖、長石砂巖，夾沉角礫凝灰巖。該組以灰色復成分礫巖與下伏上二疊統林西組碳質板巖分界，兩者為角度不整合接觸。該組以上為侏羅系滿克頭鄂博組流紋巖、瑪尼吐組安山巖或白堊系白音高老組流紋巖分界，兩者為不整合接觸關系。該厚度變化較大，出露厚度為9.6～1 325 m。該組碎屑鋯石U-Pb年齡分別為(163.1±1.6)Ma、(154.9±1.5)Ma，安山巖鋯石U-Pb年齡為(158.0±1.8)Ma，其地質年代應為晚侏羅世[6-7]。

2 土城子組沉積環境

土城子期正值晚侏羅世歐亞大陸內部干旱的鼎盛時期，整個冀北—遼西—研究區均處于大面積的干旱氣候帶[8-13]。土城子期為一套陸相沉積，沉積相類型復雜。冀北—遼西地區主要發育河流相、沖積扇相和湖相沉積，少量為沙漠相、沼澤相沉積。研究區土城子組沉積相類型較簡單，僅見河流相長石雜砂巖、沖積扇相復成分砂礫巖沉積。該組砂巖粒度頻率累積曲線是由跳躍次總體(78.80%～91.57%)和懸浮次總體(8.44%～21.21%)組成，跳躍次總體與懸浮次總體之間的交截點φ值為2.75～3.0，跳躍次總體直線段的斜率為65°，顯示河流相沉積的特點。標準偏差(σ)為0.9～0.93，表明砂巖粒度分選中等。偏度(Sk)值為1.17～1.67，為正偏度，峰度偏向粗粒度一側，說明沉積物以粗組分為主，細粒一側表現為較低的尾部，為雙峰態頻率曲線。尖度或峰度(Kg)值為0.95～1.15，顯示中等(正態)。標準偏差(σ)、偏度(Sk)及尖度或峰度(Kg)值均顯示河流相沉積的特征。綜合分析認為，研究區土城子組形成的沉積環境為沖積扇相和河流相，未見湖相和沙漠相沉積。

3 土城子組沉積盆地構造背景

3.1 巖 相

研究區土城子組砂礫巖較發育，粒度和成分成熟度較低，有細粒長石雜砂巖夾層，河流相“二元結構”不明顯。該組上部單元較薄或不發育，呈塊狀層理，或具有不明顯的平行層理、大型板狀交錯層理。砂巖屬河流相形成的產物；砂礫巖形成于沖積扇相，多為扇根亞相泥石流篩狀物沉積、扇中和扇端漫流及河道沉積。土城子期沉積盆地處于坳陷幅度較大、坳陷速率較快的構造背景，顯示了地殼升降較頻繁的山前坳陷的特點，與賀根山斷裂帶有密切關聯。

3.2 地層厚度

研究區土城子組厚度變化劇烈，科右前旗胡爾勒—德興屯一帶，土城子組發育較全，頂、底界限清楚，基本代表了該組的原始沉積厚度，胡爾勒(厚度1 157 m)、德興屯(厚度1 325 m)兩地相距僅25 km，厚度卻相差了168 m，表明區內地殼坳陷的幅度有較大差異。科右前旗樹木溝—滿族屯—草根臺溝一帶，一方面受賀根山斷裂帶不均勻升降運動的影響，該期盆地多顯示了各自孤立的盆地群，如滿族屯一帶該組出露厚度為419.2 m，草根臺溝厚度為356.4 m，而樹木溝出露厚度僅10余米；另一方面由于受賀根山斷裂帶后期下沉的影響，造成該盆地地層均發育不全(未見底)。中生代晚期，該盆地除滿克頭鄂博期、瑪尼吐期、白音高老期及梅勒圖期出現大規模火山噴發活動以外，其實，土城子期火山活動便已開始，強度相對較弱，火山活動規模不大，火山巖呈夾層產出。新生代時期，火山活動也時有發生，發育有新近紀火山巖(五叉溝組玄武巖)和第四紀火山巖(西口組玄武巖)，均反映了賀根山斷裂帶多期火山活動的特點。

3.3 沉積巖成分

3.3.1 砂巖礦物成分

據雜砂巖成分與大陸邊緣類型的關系(表1)[7]，可知研究區土城子組的構造背景主要顯示為安第斯型主動大陸邊緣。

表1 雜砂巖成分與大陸邊緣類型的關系

3.3.2 化學成分

3.3.2.1 主量元素

通過將研究區土城子組與各類構造環境(大洋島弧、大陸島弧、安第斯大陸邊緣、被動大陸邊緣)砂巖化學成分進行對比可知，研究區土城子組蝕源區的構造環境主要為大陸島弧(期望值53.3%)，也有來自安第斯大陸邊緣(33.3%)、大洋島弧(6.7%)、被動大陸邊緣(6.7%)，反映了該組為非穩定型建造的砂巖化學成分特征，進而說明該組蝕源區具有復雜的構造環境。土城子組砂巖主量元素w(Na2O)/w(K2O)-w(SiO2)構造環境判別圖解(圖1)顯示構造環境為活動大陸邊緣。微量元素w(Ti)/w(Zr)-w(La)/w(Sc)構造環境判別圖解(圖2)顯示構造環境主要為活動大陸邊緣，次為大陸島弧。w(TiO2)-w(Fe2O3(T)+MgO)構造環境判別圖解(圖3)顯示構造環境為大陸邊緣弧。綜合分析認為研究區土城子組物蝕源區應來自活動大陸邊緣，反映了該組蝕源區與二疊紀古亞洲洋的俯沖作用有關。

圖1 w(Na2O)/w(K2O)-w(SiO2)構造環境判別圖解

圖2 w(Ti)/w(Zr)-w(La)/w(Sc)構造環境判別圖解

圖3 w(TiO2)-w(Fe2O3(T)+MgO)構造環境判別圖解

3.3.2.2 微量元素

研究區土城子組砂巖的稀土元素球粒隕石標準化曲線與安第斯型主動大陸邊緣和大陸島弧球粒隕石標準化曲線相似，反映出區內土城子組源區類型主要為切割的巖漿弧，個別物源來自于未切割的巖漿弧區(圖4)。

圖4 土城子組砂巖稀土元素球粒隕石標準化曲線

綜上分析，土城子期沉積盆地的蝕源區構造環境主要為安第斯型主動大陸邊緣和大陸島弧，土城子組物源區類型主要為切割的巖漿弧，個別物源來自于基底隆起區；土城子組蝕物源區的構造環境具有與安第斯型主動大陸邊緣和大陸島弧型物源區的特點，反映了該組物源區與二疊紀時期古亞洲洋的俯沖作用有關，又受后期濱太平洋構造域的影響。

4 結 語

結合巖體取樣分析結果，對大興安嶺中南段土城子組形成的沉積環境和構造背景進行了詳細分析。研究表明：區內土城子組的積環境為沖積扇相—河流相；土城子組蝕源區的構造背景主要為安第斯型主動大陸邊緣，次為大陸島弧，源區類型主要為切割的巖漿弧，少量來自于基底隆起區。