鄂尔多斯盆地西北部下白垩统物源定量分析研究

Quantitative analysis of provenance in the Lower Cretaceous of the northwestern Ordos Basin

摘要

下白垩统是鄂尔多斯盆地晚中生代的一个重要构造层,同时也是近年来新发现砂岩型铀矿的重要层位。恢复该时期的源-汇系统对认识燕山运动晚期在华北克拉通西部的构造-沉积响应、古气候转变和盆地内砂岩铀矿的富集规律均有较大的帮助。本文通过对鄂尔多斯盆地西北部下白垩统进行古流向测量、不同层位碎屑锆石U-Pb测年,优化周缘潜在物源区锆石U-Pb年龄数据集的汇编方案,定量计算出各物源区对盆内的碎屑贡献比例,恢复了鄂尔多斯盆地西北部早白垩世的源-汇系统。研究结果表明,鄂尔多斯盆地西北部下白垩统中碎屑锆石具有1.79~1.64 Ga、2.02~1.82 Ga和2.58~2.45 Ga 3个稳定的前寒武纪年龄峰值,以及336~257 Ma和476~425 Ma两个稳定的显生宙年龄峰值。定量的物源分析结果表明,阴山、狼山、桌子山-贺兰山和阿拉善地区以不同的贡献比例为研究区提供物源,具多物源同时供给的特征。阴山在整个早白垩世一直是主要的物源供给区,与狼山共同向盆地内部提供河流相沉积。阿拉善地区则通过原地风蚀将物质从桌子山北部和贺兰山顶以风沙搬运的方式带入鄂尔多斯盆地,在洛河-罗汉洞沉积期共同构成了研究区风成与水成交替的沉积特征。

关键词

鄂尔多斯盆地 / 碎屑锆石U-Pb年龄 / 物源分析 / 古流向 / 砂岩型铀矿 / 源-汇系统

Key words

Ordos Basin / detrital zircon U-Pb age / provenance analysis / paleocurrent / sandstone-type uranium deposit / source-sink system

0 引言

构造作用往往塑造了原始的地形地貌,这种地形上的差异与气候变化协同驱动了风化剥蚀、沉积物搬运和最终的沉积作用,共同组成了沉积盆地的源-汇系统^[1]。重建沉积盆地源-汇系统可以认识特定地质历史时期的盆-山关系、构造和沉积演化过程,同时有助于认识盆地内能源矿产在沉积期富集和沉积后改造期的关键控矿要素。

鄂尔多斯盆地是华北克拉通上的一个大型叠合盆地,同时也是中国重要的油、气、铀、煤等多能源共存的沉积盆地^[2⇓⇓-5]。该盆地下白垩统是在中—晚侏罗世多向挤压之后再次发生沉降的一个构造层,并且在晚白垩世以来被强烈抬升改造,代表着燕山运动晚期在华北克拉通的构造-沉积响应^[6⇓-8]。同时,华北地区早白垩世以来逐渐变干变热^[9],风蚀作用较侏罗纪温湿环境下明显增强,这都将导致鄂尔多斯盆地下白垩统的物源特征出现显著的变化。此外,近年来在鄂尔多斯盆地下白垩统内新发现了大量的砂岩型铀矿^{[10⇓⇓-13]},作为赋矿围岩的早白垩世沉积物物源类型对铀成矿作用也具有重要的指示意义。因此,准确识别鄂尔多斯盆地下白垩统的物源,恢复该时期的盆-山关系和沉积演化过程对认识燕山运动晚期在华北克拉通西部的动力学特征、古气候转变,以及盆内铀矿的富集规律均有较大的帮助。

沉积物物源分析常用的研究手段包括重矿物分析、沉积相编图、碎屑锆石U-Pb年龄和Hf同位素示踪等。随着分析实验技术的快速发展,碎屑锆石U-Pb年代学已经成为物源分析的重要手段。具体到鄂尔多斯盆地下白垩统,前人已对盆地南部和西南部的下白垩统物源开展过详细的研究^[14-15],而盆地西北部相对研究较少。少量的样品研究结果表明,盆地西北部下白垩统可能具有阴山的物源特征^[16],但早期的物源对比方法可能存在较大的人为主观偏见^{[17⇓⇓-20]},造成对研究结果的误判。

本文通过对鄂尔多斯盆地西北部下白垩统进行古流向测量、不同层位碎屑锆石U-Pb定年与成因分析,对周缘潜在物源区大量的锆石U-Pb年龄数据进行的优化汇编,最大程度地消除数据人为的偏见,最后采用混合物源分离方法^[21]定量计算出各物源的贡献比例。结合区域沉积环境特征和古流向测量结果,最终恢复了鄂尔多斯盆地西北部早白垩世的源-汇系统。

1 区域地质背景

鄂尔多斯盆地位于华北克拉通的西部,是在古老克拉通之上发育的1个多旋回叠合沉积盆地,盆地主体具有克拉通内坳陷盆地的特征^[7,22-23]。现今盆地大致以桌子山—贺兰山—六盘山为西部边界,吕梁山为东部边界,河套断陷和渭河断陷分别为其北部和南部边界。通常认为在三叠纪末以前鄂尔多斯盆地和华北克拉通具有近一致的构造演化过程,而现今的构造格局则是在侏罗纪—新生代才逐步定格^[24]。自侏罗纪以来,华北地区出现强烈的燕山运动,鄂尔多斯盆地则表现为多向挤压受力的特征^[6,25-26]。盆地西缘的贺兰山、六盘山均在中—晚侏罗世开始隆升^[27⇓-29],下白垩统则是在这次区域构造格局、盆山构造转变之后再次稳定沉降的一套构造层。盆地南部的渭北隆起和东部的吕梁山在早白垩世末才开始隆升,导致东部和南部的前白垩系发生掀斜和剥蚀,并且一直持续到新生代才完成盆地内部的最终改造^{[30⇓⇓-33]}。

本文的研究区为鄂尔多斯盆地西北部,主要位于伊盟隆起之上,部分位于伊陕斜坡和天环坳陷之上。该区域新生界覆盖较少,并且缺失上白垩统,大量的下白垩统直接出露地表,其范围北部以河套盆地为界,西部以桌子山和银川断陷东部边界断层为界限,东部逐渐变薄尖灭,与侏罗系角度不整合接触。根据深反射地震和钻孔资料显示,下白垩统在河套盆地、巴彦浩特盆地、银川断陷之下均有分布^[34⇓-36],现今的地层展布特征是在新生代的断陷作用和巨厚沉积物的埋藏下改造而成(图1)。

鄂尔多斯盆地西北部的下白垩统地层发育齐全,厚度近1 000 m,自下而上分为洛河组(K₁l)、华池-环河组(K₁hc)、罗汉洞组(K₁lh)和泾川组(K₁j)。洛河组在盆地西北部广泛分布,为一套近缘冲积扇-辫状河-沙漠相沉积;华池-环河组沉积范围较洛河组略微向西收缩,在盆地北部整体表现为辫状河-三角洲,向盆地南部逐渐入湖;罗汉洞组沉积范围呈“厂”字形出露于杭锦旗-伊金霍洛旗以北、鄂托克旗-定边以西的地区,残余地层范围显著收缩,以旱谷河道和风成沙丘的棕红色砂岩、泥岩为主^[37]。该地区最具有特色的就是洛河组和罗汉洞组水成(辫状河)与风成(沙丘)的交替出现^[38-39]。泾川组在盆地北部分布十分有限,仅在磴口-伊和乌素-杭锦旗以北的区域,为一套湖相沉积^[37],向东部杭锦旗—东胜一带逐渐过渡为东胜组(K₁d),为一套近缘冲积扇沉积。二者之间大量第四系覆盖,缺乏明显的地层接触关系(图2)。

2 研究方法

2.1 古流向测量

本文在鄂尔多斯盆地西北部对下白垩统进行了古流向测量,主要测试对象为华池-环河组和罗汉洞组中的板状交错层理和槽状交错层理,以及罗汉洞组中风成的大型板状交错层理(图3)。对于板状交错层理,纹层的倾向可直接作为古流向;槽状交错层理则需要测量槽轴两侧相反倾向纹层的产状,计算两平面相交线的方位作为古流向。在野外沉积构造上进行数据测量后,利用Stereonet 11软件对原始古流向数据进行投影处理,编制古流向方位玫瑰花图(对应测点位置和玫瑰花图结果见图1),并计算其优势方位。由于该区域下白垩统倾角较缓(大部分地区<5°),属于原始地层的缓坡沉积,未经历后期的构造变形,故无需对测量的古流向数据进行原始产状恢复校正。

2.2 LA-ICP-MS 锆石U-Pb定年

本次研究所采集的9件样品均来自鄂尔多斯盆地北部的伊盟隆起,其中6件样品取自3口钻孔中的岩心样品(ZKW2019-5,ZKY0-31,ZKW2021-5),所含层位包括下白垩统洛河组(Od21-11,Od21-22,Ey21-34)、华池-环河组(Od21-6,Od21-14)和罗汉洞组(Od21-2)。此外,还在盆地露头区采集了下白垩统罗汉洞组、泾川组和东胜组各1件(采样平面位置见图1,剖面位置见图4,具体采样信息详见表1)。LA-ICP-MS 锆石U-Pb定年和微量元素分析在核工业北京地质研究院分析测试研究中心进行,具体前处理和测试方法详见文献[41]。

2.3 物源定量分析

本文物源定量分析的基本思路是利用研究区碎屑锆石U-Pb年龄组分可以有效复制潜在物源区年龄信息的原理。首先是对潜在的物源区进行年龄数据集的汇编,在汇编的过程中将每件样品的锆石颗粒数量进行了标准化处理,并按不同的地质单元,根据其锆石颗粒的贡献度对数据集进行重组优化,尽可能消除人为偏见获得更加准确的物源区锆石U-Pb年龄组分特征(具体过程详见讨论4.1节)。在研究区和潜在物源区年龄组分对比中考虑了叠置年龄和相似比例两个参数^[42]。为消除传统视觉对比的人为偏见,本文采用了3种定量模型进行检测,分别是基于累计概率曲线进行的K-S统计D值和Kuiper统计V值检测,以及年龄谱相关性的R²值检测。其中,D和V值越小(通常小于0.05),R²值越大(最大接近于1)表明两件样品在统计学上抑或具有一致的概率。由于研究区还可能存在多物源同时供给的可能,本文采用Sundell和Saylor^[21]将混合物源分离的算法,分别计算潜在物源区各自的贡献比例。

3 数据结果

3.1 古流向测量结果

本文在鄂尔多斯盆地西北部下白垩统中7个地区进行了古流向测量,每个地区测量的层理数为9~16条(表2)。平均古流向结果在141°~207°,整体表现为SSE和SSW向,并且其所在的平面位置(图1)与前人的沉积相编图结果基本相符合(图2),呈现出由NNW和NNE多向向南汇聚的辫状河三角洲沉积特征。

3.2 锆石内部结构特征与Th/U值

研究区锆石CL图像显示锆石具有不同的内部结构特征(图5),表现为不同成因的锆石类型。部分锆石具有核-幔结构,代表了多期热事件的叠加。参考Th/U值(图6),大致确定研究区的锆石具有以下几类:

(1)岩浆锆石。研究区大部分锆石颗粒(69.6%)具有较高的Th/U值(>0.4),并且多数发育清晰规则的环带结构,具有典型的岩浆锆石特征。这类锆石大部分较年轻(显生宙),表现为自形晶或自形晶残片。研究区还有少部分古老的岩浆锆石(前寒武纪)多为浑圆-次圆状,具有环带结构和板状无环带的结构,代表不同的岩浆类型,且边部出现无明显结构的亮白色或暗色薄边,可能是后期不彻底的变质重结晶所致。

(2)变质锆石。研究区具有少量Th/U值<0.1的锆石颗粒(3.7%),属于变质成因,这些变质锆石通常为浑圆-次圆状,具有多个不规则的生长面,主要为前寒武纪的古老锆石。通常认为只有达到角闪岩相以上的区域变质作用才能新生成变质锆石^[43]。

(3)深熔锆石。研究区有较大比例0.1<Th/U<0.4的锆石颗粒(26.7%),这部分的锆石为深熔锆石,是变质作用和壳内岩浆作用的过渡,具有典型的核-幔结构。大部分的深熔锆石内部具有早期的锆石残留,外部形成均一成分的深熔锆石亮边,相比变质锆石更厚一些。当深熔作用进一步发生,锆石外部形成与内部明显不同期次的岩浆环带,其Th/U也比深熔作用早期的更大。这类锆石的“幔”相对较宽,本文所测的部分锆石U-Pb年龄代表的是后期热事件的锆石边部年龄。

3.3 年龄特征

本文在鄂尔多斯盆地西北部下白垩统9件样品中共获得909颗锆石U-Pb年龄,其中符合年龄谐和度要求有881颗。利用IsoplotR^[44]对符合要求的数据进行处理,绘制锆石U-Pb谐和图和年龄谱图(图7)。其中,对放射性成因铅累计较多的古老锆石(谐和年龄值>1 000 Ma)取²⁰⁷Pb/²⁰⁶Pb作为U-Pb年龄,避免Pb丢失的影响^[45-46],而相对具有较少放射性成因铅的年轻锆石(谐和年龄值<1 000 Ma)取²⁰⁶Pb/²³⁸U作为U-Pb年龄。为了更好地突出统计年龄的峰值特征,在绘制年龄谱图时直方图带宽设置为50,密度概率曲线中核函数的带宽设置为20。显生宙部分直方图和密度概率曲线中核函数的带宽均设置为10。各层位和样品的年龄峰值分布和百分比见表3。

(1)洛河组。本次测试的洛河组为Ey21-34、Od21-11和Od21-22 3件样品,空间上呈北西-南东向展布(图1、图4)。整体来看,位于东南部的Od21-11和Od21-22具有相似的特征,位于西北部的Ey21-34略有差别。具体表现在Od21-11和Od21-22这两个样品的前寒武纪碎屑锆石U-Pb年龄占比较大,主要集中在1.98~1.82 Ga和2.55~2.45 Ga两个峰值,占比分别为40%~41%和31%~38%;Ey21-34前寒武纪碎屑锆石U-Pb年龄相对分散,整体占比较其他两件样品更小,主要具有1.68 Ga、1.89 Ga和2.55~2.45 Ga 3个峰值年龄,占比分别为7%、14%和39%。前寒武纪锆石Th/U值范围较广,指示深熔改造和岩浆成因,部分单颗锆石从形态上看也经历了不同时期的变质和岩浆作用改造(图5)。洛河组中显生宙的碎屑锆石U-Pb年龄最大峰值集中在322~275 Ma,占比为20%~32%,其中Od21-11和Od21-22还进一步可细分为283~279 Ma和322~318 Ma两个峰值。而Ey21-34则还有少量440 Ma(4%)的年龄峰值。显生宙锆石Th/U值通常较高,多为岩浆锆石,仅Ey21-34中存在少量低Th/U值(<0.1)的变质成因锆石。

(2)华池-环河组。本次测试的华池-环河组为Od21-6和Od21-14两件样品,空间上也呈北西-南东向展布(图3)。在同一钻孔位置上,华池环河组前寒武纪的碎屑锆石U-Pb年龄占比明显较洛河组更低(ZKY0-31钻孔从80%下降到67%,ZKW2021-5从71%下降到57%),并且表现出多峰的形态,除了具有与洛河组相似的2.02~1.94 Ga和2.53~2.46 Ga两个主峰(占比分别为12%~23%和29%),还具有1.75~1.18 Ga宽泛分布的年龄谱,与西北部样品Ey21-34洛河组的年龄特征略有相似。前寒武纪锆石的Th/U值和洛河组相似,具有深熔改造和岩浆成因,少量锆石具有变质成因。华池-环河组显生宙锆石U-Pb年龄最大峰值集中在324~257 Ma,占比为29%~38%,并且较洛河组(除了样品Ey21-34)出现了445~425 Ma的峰值年龄(2%~4%),这也与洛河组Ey21-34相似。显生宙锆石Th/U值通常较高,多为岩浆锆石(Th/U值>0.4),但仍存在少量的变质锆石(Th/U值<0.1)。

(3)罗汉洞组。本次测试的罗汉洞组为Od21-2和Od21-37两件样品,其中Od21-2为钻孔ZKY0-31中的样品,Od21-37为露头样品,在空间上呈北东-南西展布。自罗汉洞期以来,前寒武纪的锆石颗粒具有1.79~1.67 Ga、1.95~1.91 Ga和2.58~2.47 Ga 3个稳定的年龄峰值(占比分别为7%~11%、24%~29%和30%~40%),较华池-环河组分散的年龄峰值更加集中。罗汉洞组显生宙锆石同样具有278~275 Ma年龄主峰值(17%~31%)和445~437 Ma的次要峰值(4%~5%),该部分年龄与华池-环河组相似,但Th/U值通常较高,多为岩浆锆石(Th/U值>0.4),缺乏变质锆石(Th/U值<0.1)。

(4)泾川组。本次测试的泾川组样品为Od21-40,位于现今白垩系盆地的西北边缘。泾川组中前寒武纪锆石的比例较罗汉洞组显著降低(从65%~76%下降到36%),具有1.70 Ga、1.95 Ga和2.49 Ga 3个年龄峰值(占比分别为7%、16%和11%),与罗汉洞组3个稳定年龄峰值基本一致。此外,还具有一颗1.02 Ga的碎屑锆石,与华池-环河组Od21-14样品中一颗1.18 Ga的碎屑锆石年龄相近。泾川组显生宙大量的碎屑锆石年龄集中在277 Ma (62%),并且还有425 Ma和125 Ma的两颗锆石年龄,峰值年龄与罗汉洞组相似。泾川组显生宙和前寒武纪的Th/U值均较高,具有深熔改造和岩浆成因,缺乏变质锆石。

(5)东胜组。本次测试的东胜组样品为Od21-39,位于现今白垩系盆地的北部边缘。东胜组中前寒武纪锆石的比例较泾川组明显更多,具有1.90 Ga、2.02 Ga和2.49 Ga 3个峰值(占比分别为28%、24%和22%),前两个峰值可合并进行对比。并且也出现少量1.68 Ga的锆石年龄。东胜组显生宙的锆石年龄分布范围较广,峰型较宽缓,具有261 Ma和336 Ma两个主年龄峰值(占比分别为14%和10%)。

整体来看,鄂尔多斯盆地西北部下白垩统中碎屑锆石具有1.79~1.64 Ga、2.02~1.82 Ga和2.58~2.45 Ga 3个稳定的前寒武纪U-Pb年龄峰值,并且多为深熔改造和岩浆成因。显生宙的碎屑锆石年龄具有336~257 Ma(海西期)的主要年龄峰值和476~425 Ma(加里东期)的次要年龄峰值,大部分为岩浆成因。

4 物源定量分析讨论

4.1 物源分析方法存在的偏见与减小偏见的策略

目前,利用盆地内部碎屑锆石与潜在物源区的锆石年龄组分进行对比是物源分析的重要手段。然而,这一项基于统计学发展起来的研究手段在实际的分析中常常会因人为的偏见导致其不符合随机模型的基本条件^{[17⇓-19,47]}。这些偏见主要有这几种类型:(1)沉积环境引起的锆石分选;(2)实验测试中不同锆石类型的人为优选;(3)物源区不同岩性的锆石富集度、剥蚀通量占比等引起的数据集汇编权重偏差。如不考虑这些因素,物源分析的结果可能会造成很严重的偏差,尤其在用定量的统计学方式进行比较时这种偏差会被显著放大,最终导致不恰当的物源分析结果。针对以上潜在的人为偏见,本文作出了一定程度的优化。在取样时一个层位尽量取2~3个不同粒度的样品(泾川组和东胜组除外)以尽量消除上述偏见(1);锆石选点时尽量避免对某种特定类型锆石存在人为优选,以尽量消除上述偏见(2)。

偏见(3)可能是物源对比过程中偏差最大的环节。鄂尔多斯盆地早期物源研究都是把潜在物源区所搜集样品数据中所有锆石颗粒的U-Pb年龄进行统一汇总,再统计其年龄的分布特征。由于这些样品来自不同岩性的岩石(不同岩性锆石含量存在差异),不同岩性剥蚀进入流域的通量也不相同,每一件源区样品中测试的锆石颗粒数也不同(10~100余颗),因此这样的源区数据汇编方案显然会将某件测试锆石颗粒较多的样品、研究程度较高的地质体(收集到的样品数量更多)、锆石含量高的地质体(花岗岩类)的年龄特征被突出,而无法完整代表物源区剥蚀后进入流域的锆石年龄特征。具体来说,假设某一物源区由地质体A、B和C组成,剥蚀时3个地质体的物源供给量权重分别为W₁、W₂和W₃,锆石富集度(相对含量)分别为C₁、C₂和C₃。当收集到来自地质体A的样品为3件,地质体B和C的样品数各1件,每件样品中锆石单颗粒U-Pb年龄数据量分别为n₁、n₂ 、n₃、n₄和n₅个(图8)。该物源区剥蚀进入流域后的锆石应该具有以下颗粒组合的年龄组分特征(图8b汇编方案):

(n₁× \frac{N}{n_1}+n₂× \frac{N}{n_2}+n₃× \frac{N}{n_3})× \frac{W_1\times C_1}{(n_1\times \frac{N}{n_1}+n_2\times \frac{N}{n_2}+n_3\times \frac{N}{n_3})}+ {\left(n\right.}_4× \frac{N}{n_4})× \frac{W_2\times C_2}{n_4\times \frac{N}{n_4}}+ {\left(n\right.}_5× \frac{N}{n_5})× \frac{W_2\times C_2}{n_5\times \frac{N}{n_5}}

而非简单的n₁+n₂+n₃+n₄+n₅颗粒混合后的年龄组分特征(图8c汇编方案)。实际操作中,首先需要把每件样品中的年龄数量校准到同一数量标准N(可通过简单复制年龄数据确保每件样品的年龄数据在90~110个),以确保每个样品的贡献度一样,然后再将同一地质体中标准化的样品年龄进行汇总。最后按锆石贡献度W×C的比例控制各地质单元中的锆石年龄的颗粒数量。由于同一物源区不同部位具有相近的剥蚀流量,因此不同地质体的物源供给量权重W可根据现今地质图所出露的面积比作为近似^[17]。此外,锆石主要产自中酸性岩浆岩和角闪岩相以上的变质岩中^[43],而这两种岩石的锆石含量显著高于其他类型岩石中的锆石含量,因此其他低锆石含量岩石中的年龄信号将会被掩盖(如花岗岩和沉积岩处于同一物源区,沉积岩中再旋回的锆石含量≪花岗岩中的锆石含量,再旋回锆石的年龄信号将被掩盖,但该沉积岩仍然提供物源)。故本文仅挑选源区中的类花岗岩和高级变质岩进行年龄数据汇编,并将这些岩体的锆石富集度C统一简化设置为1。以阴山地区为例,可看出优化后的汇编方案(图8b)与传统汇编方案(图8c)的物源区锆石U-Pb年龄谱存在较大的差异,这种差异主要体现在同一年龄峰值的相对比例上,而出现的年龄峰值则是一致的。

4.2 潜在物源区与多物源定量分解

鄂尔多斯盆地西北部外围存在大量中-酸性岩浆岩、花岗片麻岩、片麻岩和片岩,这些岩体均有可能为鄂尔多斯盆地提供碎屑物质,并将大量稳定的锆石保留在地层中。根据这些岩体所在区域,认为能提供大量锆石的潜在物源区包括鄂尔多斯盆地北缘的阴山地区(大青山-乌拉山)、西北缘的狼山地区、西缘的桌子山和贺兰山地区,以及西缘外围的阿拉善地区(图1)。由于东部的吕梁山在早白垩世末才开始隆升^[32-33],所以未将吕梁山作为潜在物源区。本文收集了近年来在这些地区的公开发表的锆石样品172件,共计5 634个锆石U-Pb年龄数据,结合1:20万区域地质图确定这些样品对应岩性的出露面积,采用本文提出的优化汇编方案编制了潜在物源区的锆石U-Pb年龄谱(图9)^{[48⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓-96]}。

通过对比研究区下白垩统中碎屑锆石与上述潜在物源区锆石U-Pb年龄发现,对于研究区1.79~1.64 Ga、2.02~1.82 Ga和2.58~2.45 Ga 3个稳定的前寒武纪年龄峰值,桌子山-贺兰山北部仅能提供大量2.02~1.82 Ga的锆石U-Pb年龄峰值;阿拉善地区则仅具有较少比例的2.02~1.82 Ga年龄峰值;狼山虽然同时具有3个前寒武年龄峰值,但是相对占比太小;阴山具有较高比例的2.02~1.82 Ga和2.58~2.45 Ga两个年龄峰值,但缺少1.79~1.64 Ga年龄峰值。这四大源区的前寒武纪锆石年龄主要处于华北克拉通北缘的太古宙变质基底和元古宙孔兹岩带内^[54,97-98],与研究区该时期深熔改造和岩浆成因碎屑锆石相吻合。此外,研究区显生宙锆石与潜在物源区均为岩浆锆石,并且336~257 Ma(海西期)的主要年龄峰值和476~425 Ma(加里东期)的次要年龄峰值与阴山和阿拉善地区都具有相似的年龄峰值形态;狼山地区加里东期锆石频率则明显多于海西期,与研究区峰值形态具有一定的差异;桌子山-贺兰山地区则缺失显生宙锆石。因此从锆石U-Pb年龄峰值和成因上看,上述源区均可不同程度地为研究区提供物源,但又难以独自作为研究区的唯一物源区。

为了进一步准确评价研究区与物源区锆石年龄组分的相似性,本文分别计算了基于累计概率曲线相似性的K-S统计D值和Kuiper统计V值检测,以及基于年龄谱相似性的R²值检测(表4)。检测结果表明:研究区碎屑锆石与阴山地区锆石U-Pb年龄组分的D、V 和R²值分别为0.15~0.48、0.20~0.49和0.34~0.71;狼山地区分别为0.32~0.59、0.51~0.60和0.06~0.25;阿拉善地区分别为0.14~0.51、0.24~0.51和0.10~0.66;桌子山-贺兰山地区分别为0.23~0.64、0.42~0.76和0.001~0.48。可以看出,任何一个潜在物源区与盆地内碎屑样品的D值和V值都太大(通常认为<0.05为相似的物源),而R²值则太小。因此,从定性和定量分析的结果均表明阴山、狼山、桌子山-贺兰山和阿拉善地区难以成为盆内沉积物的唯一物源区。

虽然上述物源区无法单独为研究区提供物源,但可以以不同比例的物源供给量混合后为研究区提供物源。Sundell和Saylor^[21]利用蒙特卡洛反演模型随机选取不同物源区的混合比例,再通过正演混合物源区的锆石U-Pb年龄组分与研究区进行D、V和R²值检测确定最优的混合比例。本文在每次对比中进行10 000次随机实验,选取最优的混合比例作为实验结果(表5)。混合后的物源与研究区样品的锆石U-Pb年龄组分相似性具有显著提升(图10),D值可降低到0.057~0.082(除Od21-40的D值较高为0.127外),V值下降到0.099~0.158(除Od21-40的V值较高为0.239外),R²则上升到0.72~0.83(除Od21-6的R²值较低为0.64外),因此表5中模拟的最佳混合比例基本代表了物源区对研究区实际的供给比例。

4.3 源-汇系统恢复

通过对鄂尔多斯盆地多物源区供给量的分解,结合古流向和前人的沉积相编图结果综合分析,本文重建了鄂尔多斯盆地西北部早白垩世的源-汇系统(图11)。

从分解后的物源结果(表5)可以看出,阴山在早白垩世时一直是主要的物源供给区,为洛河组、华池-环河组和罗汉洞组提供了54%~78%的物源。与盆地内古流向测量结果(SSW向)和沉积相编图结果均吻合。到泾川-东胜期时,阴山的物源供给比例量略有减小,下降到30%~43%,同时泾川组和东盛组沉积范围均向盆地北部收缩。狼山为洛河组和华池-环河组提供了2%~20%的物源,与盆地内的古流向测量结果(SSE向)和沉积相编图结果同样相吻合。这都可以说明阴山和狼山均作为物源区,以河流搬运的方式向物源区汇聚提供沉积物质。值得注意的是,在罗汉洞-泾川期时狼山的物源供给急剧下降,取而代之的是阿拉善和桌子山-贺兰山地区,说明该时期狼山与鄂尔多斯盆地的盆-山关系发生了明显变化,其山体可能已经趋于夷平。

阿拉善地区较其他三大物源区离鄂尔多斯盆地更远,但在整个下白垩统的物源供给中占有较重的比例,在洛河-罗汉洞期贡献了4%~36%的物源,泾川期更是提供了57%的物源。然而,鄂尔多斯盆地和阿拉善地区之间的贺兰山-桌子山在晚侏罗世就已经发生强烈的隆升和剥露^[27,99-100],其西侧的阿拉善物源很难通过河流直接搬运到东部的盆地内。古气候和岩相古地理资料表明,下白垩统洛河组和罗汉洞组具有大量干旱的风成沙丘堆积^[38-39],因此本文认为该时期阿拉善地区的物源通过原地风蚀和风沙搬运,最终在鄂尔多斯盆地西北部沉降沉积。当风蚀搬运遇上山脉阻挡时,大量风沙会转向沿山脉走向寻找山口,最后绕过山脉发生涡旋;还有一部分风沙会直接从山脉顶部爬升翻越,同时也会对山脉造成一定程度的风蚀^[101]。桌子山北部倾没端作为风沙搬运的缺口,正好可以为阿拉善地区的风沙提供搬运通道从而进入到鄂尔多斯盆地内部。同时桌子山-贺兰山为洛河组和罗汉洞组也提供了13%~30%的物源,因此也有一部分风沙翻过了桌子山-贺兰山,并且将其山顶的部分物质风蚀后,再搬运到其东部盆地内部。在整个洛河-罗汉洞沉积期,鄂尔多斯盆地西北部同时接受了来自阴山和狼山的河流相沉积物,也接受了阿拉善地区带来的风成沉积物,共同构建了研究区下白垩统干旱环境下风成与水成交替的沉积特征(图11)。前人在鄂尔多斯盆地西南部也识别到了这种风成与水成混合的沉积模式,并且提出了干旱环境下砂岩型铀矿较特殊的红杂色成矿模式^[102]。从沉积物源特征来看,鄂尔多斯盆地西北部可能也具有类似的铀成矿条件。

此外,泾川组仅在盆地西北缘磴口一带出现大量的湖相泥岩,在现今的沉积相编图中缺失了源头(图2)。物源分析结果显示其57%的沉积物来自阿拉善地区,可以理解为该时期阿拉善地区的物源通过近东西向的河流搬运,通过吉兰泰—磴口一带,在鄂尔多斯盆地西北部入湖(图11)。

5 结论

(1)鄂尔多斯盆地西北部下白垩统中碎屑锆石具有1.79~1.64 Ga、2.02~1.82 Ga和2.58~2.45 Ga 3个稳定的前寒武纪U-Pb年龄峰值,以深熔改造和岩浆成因为主。显生宙的碎屑锆石年龄具有336~257 Ma的主要年龄峰值和476~425 Ma的次要年龄峰值,主要为岩浆成因。

(2)阴山、狼山、桌子山-贺兰山和阿拉善地区均可不同程度地为研究区提供物源,但又难以成为盆内沉积物的唯一物源区,而是以不同比例混合后为研究区同时提供物源。

(3)阴山在整个早白垩世一直是主要的物源供给区,与狼山共同向盆地内部提供河流相沉积。阿拉善地区则通过原地风蚀和风沙搬运向研究区提供风成沉积,在洛河-罗汉洞沉积期共同构成了研究区风成与水成交替的沉积特征。

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基金资助

中核集团集中研发项目(中核科发2021-143号)

中国铀业有限公司-东华理工大学核资源与环境国家重点实验室联合创新基金项目(2022NRE-LH-16)

中核集团青年英才项目(地QNYC2301)