锆石U-Pb年代学和Lu-Hf同位素对松辽盆地南部德惠地堑早白垩世火山作用及锆石物源的制约

《Minerals》：Zircon U-Pb Geochronology and Lu-Hf Isotopic Constraints on Early Cretaceous Volcanism and Zircon Provenance in the Dehui Graben, Southern Songliao Basin, NE China

　　

松辽盆地南部德惠地堑下白垩统火山-沉积序列保存了东北地区同裂谷火山作用及盆地充填的关键记录。研究人员对德惠地堑三口钻孔（D102、D21、D83）采集的四个代表性营城组样品进行了锆石阴极发光（CL）成像、激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）U-Pb年代学、微量元素地球化学及激光剥蚀多接收杯电感耦合等离子体质谱（LA-MC-ICP-MS）Lu-Hf同位素综合分析。样品S1（灰色晶屑玻屑凝灰岩，D102井，3050.5 m）和S3（灰色凝灰岩，D21井，2287 m）的锆石颗粒主要为自形至半自形，发育良好的振荡环带，高Th/U比值（>0.4），球粒陨石标准化稀土元素（REE）模式显示轻稀土（LREE）亏损、重稀土（HREE）富集及明显负Eu异常，均属岩浆成因诊断特征。S1的37个锆石分析点给出²⁰⁶Pb/²³⁸U年龄范围109至122 Ma，核密度估计（KDE）峰值约116 Ma，另有两个继承性颗粒年龄分别为158 Ma和262 Ma；S3的43个分析点定义狭窄年龄群110至123 Ma，KDE峰值约114 Ma，另有一个继承性颗粒年龄145 Ma。这些年龄共同将德惠地堑营城组酸性火山作用限定于早白垩世阿普特阶（Aptian）。与此形成鲜明对比的是，S2（深灰色富晶屑凝灰岩，D21井，2288 m）的54个锆石分析点呈现多峰分布，以早侏罗世群（KDE峰值约181 Ma）为主，伴有二叠纪-三叠纪（约251 Ma）及石炭纪（约325 Ma）组分，且完全缺失白垩纪年龄锆石。研究人员将该群体解释为火山喷发初始阶段从通道围岩中捕获的继承性（捕虏晶）锆石。值得注意的是，S2与S3采集自同一口井，深度仅差1 m，但呈现根本不同的锆石年龄谱。这种垂向不连续性支持两阶段喷发模型：早期富捕虏晶的火山碎屑单元（S2），可能与初始喷发阶段通道围岩捕获有关，随后迅速被来自新生岩浆的凝灰岩（S3）覆盖。样品S4（灰色粗砂岩，D83井，3273 m）包含84个碎屑锆石颗粒，年龄范围112至440 Ma，以早侏罗世峰值（约179 Ma）为主，与张广才岭广泛花岗岩体相关，最年轻单颗粒年龄110.5 Ma限定了营城组最大沉积年龄。所有86个锆石Lu-Hf同位素分析均获得正ε_Hf(t)值（+0.8至+9.2），两阶段Hf模式年龄（T_DM2）集中于536至1100 Ma，峰值约700-800 Ma（新元古代）。这些数据表明母岩浆主要来源于亏损地幔源区提取的新元古代新生地壳的部分熔融。四个样品中，S3记录了最高平均ε_Hf(t)值（+7.1）和最年轻平均T_DM2（约672 Ma），这可能指示在约114 Ma伸展阶段具有相对更强的亏损地幔亲缘性。S2约181 Ma捕虏晶的正ε_Hf(t)值进一步表明该地区早侏罗世岩浆事件也采样了新生新元古代地壳，因此该地壳作为两期岩浆作用的共同源区基底。区域综合显示松辽盆地同裂谷火山作用存在系统北向南变年轻趋势（英台约119 Ma，德惠约115 Ma，王府约110 Ma），德惠地堑占据关键中部位置，与可能由古太平洋板块后撤驱动的弧后伸展向南东迁移一致。

松辽盆地是中国东北地区最大的中-新生代陆相含油气盆地，其深部断陷系统发育厚层侏罗-白垩纪火山-沉积序列，构成深层天然气勘探的主要目标。德惠地堑位于松辽盆地东南隆起，面积约3500 km2，天然气资源量约3115×10? m3，其深部地层从下至上分为火石岭组（K₁h）、沙河子组（K₁sh）、营城组（K₁y）和登娄库组（K₁d），记录了晚侏罗世-早白垩世裂谷至晚白垩世热沉降的完整演化旋回。其中，营城组作为裂谷萎缩阶段的火山-沉积序列，主要由酸性流纹岩、凝灰岩及火山角砾岩夹碎屑岩组成，是德惠地堑的主要火山岩储层。然而，北部徐家围子地堑和南部长岭地堑已开展系统锆石U-Pb年代学研究，而德惠地堑火山岩的精确年龄约束仍然匮乏，限制了对地层对比和构造-岩浆演化的重建。更关键的是，以往研究常将火山岩、火山碎屑岩及碎屑岩中的锆石年龄视为同等信号，未系统区分同喷发结晶年龄、继承组分（捕虏晶）与碎屑物源年龄——这一区分对于正确解释火山作用时间和盆地充填历史至关重要。为此，研究人员对德惠地堑三口钻孔（D102、D21、D83）的四个代表性营城组样品开展了综合研究，旨在精确限定火山喷发年龄、区分不同锆石类型、揭示岩浆源区特征，并为松辽盆地东南部早白垩世构造-岩浆演化提供新的年代学与同位素约束。该论文发表在《Minerals》。

研究人员为开展研究主要采用了以下关键技术方法：对四个营城组样品（S1、S2、S3、S4，分别来自D102井3050.5 m、D21井2288 m和2287 m、D83井3273 m）进行了锆石阴极发光（CL）成像以揭示内部结构，利用激光剥蚀电感耦合等离子体质谱（LA-ICP-MS）进行U-Pb定年及微量元素分析，并采用激光剥蚀多接收杯电感耦合等离子体质谱（LA-MC-ICP-MS）进行原位Lu-Hf同位素分析。所有分析均在西安石油大学石油天然气工程实验中心完成。

研究结果如下：

**4.1 锆石形态、CL特征及Th/U比值**：通过CL成像和Th/U比值分析，S1和S3锆石主要为自形至半自形，发育细密振荡环带，Th/U中位数分别为0.52和0.71，均大于0.4，指示岩浆成因。S2锆石显示更宽的振荡环带和常见核-边结构，更接近深成锆石特征，Th/U中位数为0.60。S4锆石形态多样，包括次圆状碎屑颗粒及具核-边结构的颗粒，Th/U中位数为0.54，分散性最大，反映多来源碎屑特征。

**4.2 锆石微量元素特征**：所有样品球粒陨石标准化稀土元素模式均显示轻稀土亏损、重稀土富集、正Ce异常和负Eu异常（Eu/Eu*中位数0.22-0.30），符合岩浆锆石特征。S3具有最显著的负Eu异常，可能反映其母岩浆中更高程度的斜长石分离结晶。S1和S3的REE模式相对均匀，S2和S4则变化较大，与其复杂多来源锆石群体一致。

**4.3 锆石U-Pb年代学**：共获得218个有效U-Pb分析点。S1的37个分析点年龄范围109-122 Ma，KDE峰值约116 Ma，排除两个继承性颗粒（158 Ma、262 Ma）。S3的43个分析点年龄范围110-123 Ma，KDE峰值约114 Ma，排除一个继承性颗粒（145 Ma）。两样品均显示地质过分散（MSWD >> 1），故采用KDE峰值年龄作为主要约束。S2的54个分析点呈现多峰分布，以早侏罗世（KDE峰值约181 Ma）为主，含二叠-三叠纪（约251 Ma）和石炭纪（约325 Ma）组分，完全缺失白垩纪年龄，研究人员将其解释为火山喷发初始阶段从通道围岩捕获的捕虏晶锆石。S2与S3（深度仅差1 m）的年龄谱截然相反，支持两阶段喷发模型：早期通道清理阶段沉积富捕虏晶凝灰岩（S2），随后主喷发阶段沉积富新生岩浆锆石的凝灰岩（S3）。S4的84个碎屑锆石年龄范围110-440 Ma，主要KDE峰值约179 Ma（早侏罗世）、约253 Ma（二叠-三叠纪）和约225 Ma（三叠纪），最年轻单颗粒年龄110.5 Ma限定了营城组最大沉积年龄。

**4.4 锆石Lu-Hf同位素组成**：86个原位Lu-Hf分析点均获得正ε_Hf(t)值（+0.8至+9.2），两阶段Hf模式年龄（T_DM2）集中于536-1100 Ma，峰值约700-800 Ma（新元古代）。S1和S3具有相对较高的ε_Hf(t)值和较年轻的T_DM2（均值约680 Ma和670 Ma），指示母岩浆主要来源于新元古代新生地壳，并含显著亏损地幔组分。S2的捕虏晶（约181 Ma）也显示正ε_Hf(t)值（+4.1至+8.3），表明其源岩（早侏罗世花岗岩类）本身也为新生地壳衍生。S4的碎屑锆石按年龄群分组后显示：早侏罗世群与S2捕虏晶Hf同位素组成相似，而古生代群则显示较低的ε_Hf(t)值（最低+0.8）和较老的T_DM2（最高1100 Ma），反映更古老地壳物质的参与。

**讨论部分总结**：讨论首先确认了德惠地堑营城组火山作用发生于早白垩世阿普特阶（约116-114 Ma），与区域上松辽盆地同裂谷火山作用从北向南变年轻的趋势一致（英台约119 Ma，德惠约115 Ma，王府约110 Ma），德惠地堑处于中间关键位置，支持古太平洋板块后撤驱动的弧后伸展向南东迁移模型。其次，通过对比S2和S3的锆石年龄谱，明确区分了捕虏晶与碎屑锆石：S2的捕虏晶群体（~181 Ma）指示早侏罗世花岗岩类在德惠地堑地下存在，S4的碎屑锆石群体则反映多源物源（张广才岭花岗岩体及同沉积火山灰）。两阶段喷发模型得到S2-S3垂向不连续性的支持，但需进一步岩石学与地球化学证据验证。第三，锆石Hf同位素显示所有样品均源于新元古代新生地壳，S3在约114 Ma伸展峰期具有最强的亏损地幔信号，表明岩浆源区存在不均一性。最后，综合构建了德惠地堑早白垩世构造-岩浆演化序列：前营城期（>118 Ma）强烈断陷与湖相沉积；早营城期（约116 Ma）第一期中酸性火山喷发；晚营城期（约114 Ma）伸展峰期第二期火山喷发，伴随通道清理阶段；晚营城-早登娄库期（约112-100 Ma）裂谷减弱，接受张广才岭碎屑物源，向裂后期开放盆地过渡。

**研究结论翻译**：
(1) 德惠地堑营城组酸性火山作用发生于早白垩世阿普特阶（约116-114 Ma），持续时间约2 Myr。S1（~116 Ma）和S3（~114 Ma）的KDE峰值年龄限定了火山喷发时间，S4的最年轻碎屑锆石（YSG=110.5 Ma）提供了营城组的最大沉积年龄。
(2) 锆石年龄谱的系统对比揭示三种遗传不同的锆石类型：同喷发岩浆锆石（S1、S3）直接标定火山活动年龄；继承性-捕虏晶锆石（S2，KDE峰值约181 Ma）记录喷发初始阶段通道围岩捕获；碎屑锆石（S4，110-440 Ma）记录多源沉积物源。S2与S3（同一口井，深度差仅1 m）的截然年龄谱支持两阶段喷发模型，即早期富捕虏晶的火山碎屑单元迅速被新生岩浆凝灰岩覆盖，但需进一步岩石学和全岩地球化学证据验证。S2中约181 Ma的捕虏晶暗示德惠地堑地下存在先前未被识别的早侏罗世侵入体。
(3) 锆石Th/U比值（主要>0.4）、振荡环带、轻稀土亏损和重稀土富集的REE模式及负Eu异常（Eu/Eu* = 0.12-0.45），以及一致的正ε_Hf(t)值（+0.8至+9.2）和集中于536-1100 Ma（峰值~700-800 Ma）的T_DM2，共同表明所分析锆石为岩浆成因，且母岩浆主要来源于亏损地幔源区提取的新元古代新生地壳。S3记录最高平均ε_Hf(t)值（+7.1）和最年轻T_DM2（~670 Ma），与约114 Ma伸展峰期增强的亏损地幔输入一致。S2捕虏晶的正ε_Hf(t)值进一步表明新元古代新生地壳作为早侏罗世和早白垩世两期岩浆事件的共同源区基底。
(4) 松辽盆地同裂谷火山作用呈现系统北向南变年轻趋势（英台约119 Ma→德惠约115 Ma→王府约110 Ma），德惠地堑以其114-116 Ma的火山峰值位于该迁移序列的关键中间位置。这一时空模式为古太平洋板块后撤驱动的弧后伸展向南东迁移提供了年代学证据。