（构造地质学专业论文）鲁西隆起区晚中生代盆地沉积记录研究.pdf

鲁西隆起区晚中生代盆地沉积记录研究 摘要 本文通过鲁西隆起区盆地中生代沉积砂岩的高分辨率重矿物的精细分 析，砂岩碎屑组分构成和重矿物组合研究，以及相互之间的对比研究，详 细探讨了鲁西盆地中生代的物源组成变化，并通过这些变化追溯鲁西隆起 的构造演化过程，重建了鲁西隆起与区内盆地的盆山耦合关系，并对胶东 造山带折返至地表的时限提供了沉积学约束。 研究表明，鲁西隆起区盆地中生代早期早中侏罗世时期主要源区为鲁 西隆起，中晚侏罗纪时期主要物源为胶东地区和鲁西隆起，白垩世时期主 要物源为胶东地区，早中侏罗纪与中晚侏罗纪时期物源的迅速转变，暗示 苏鲁碰撞造山带于中晚侏罗世已抬升至地表并开始遭受剥蚀、搬运和沉 积。白垩纪时期，控制鲁西隆起区盆地沉积的主要是苏鲁造山带，古地理 格架显示东高西低的特征。受早白垩世太平洋板块北西向的俯冲影响，鲁 西隆起可能在早白垩世中晚期出现轻微隆升，致使早白垩纪鲁西隆起物源 出现波动。晚白垩纪，随着太平洋板块北北西向的挤压增强，郯庐断裂再 次出现左旋走滑作用，使鲁西地块挤压隆起，鲁西隆起物源再次上升。 关键词：鲁西隆起高分辨率碎屑组分重矿物 石榴石 u s e d i m e n t a r yr e c o r d ss t u d y i nl a t e m e s o z o i cb a s i n so fl u x ir i s e a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h r o u g hp r e c i s ea n a l y s i so nh i g h r e s o l u t i o nh e a v ym i n e r a l s f r o ms a n d s t o n e si nt h es u r r o u n d i n gb a s i n so fw e s ts h a n d o n gr i s e ，s t u d i e so n t h ed e t r i t a lm o d e l so fs a n d s t o n ea n dc o m p o s i t i o no fh e a v ym i n e r a l si n c e n o z o i cs a n d s t o n e ，a n dt h e i rm u t u a lc o m p a r es t u d i e s ，w ed i s c u s s e dt h e p r o v e n a n c eo fw e s ts h a n d o n gb a s i n si nm e s o z o i ca n di n v e s t i g a t e dt h e t e c t o n i ce v o l u t i o no fw e s ts h a n d o n gr i s et h r o u g hp r o v e n a n c ec h a n g e s w e a l s or e c o n s t r u c tt h er i d g e - b a s i nc o m p l e xb e t w e e nw e s ts h a n d o n gr i s ea n d t h es o r r o u n d i n gb a s i n sa n dp r o v i d es e d i m e n t o l o g yc o n s t r a i n t st ot h et i m e w h e nj i a o d o n go r o g e n i ct u r n e db a c kt ot h ee a r t h ss u r f a c e t h er e s e a r c hs h o w st h a tt h em a i np r o v e n a n c ea e r ao fw e s ts h a n d o n g b a s i ni sw e s ts h a n d o n gr i s ei nt h ee a r l ys t a g eo ft h ej u r a s s i cp e r i o da n d t u r n e dt ob ej i a o d o n ga e r aa n dw e s ts h a n d o n gr i s et h ei nl a t e - m i dj u r a s s i c p e r i o d i nc r e t a c e o u sp e r i o dt h ep r o v e n a n c et u r n e dt ob ej i a o d o n ga e r a ，t h e n w e s t s h a n d o n g r i s e s t o p p e d i t s s u p p l y a n dm a y b ei ns e d i m e n t a t i o n c o m b i n e dw i t hr e g i o ng e o l o g i c a lb a c k g r o u n da n ds t r u c t u r ee v e n tt h er a p i d l y c h a n g i n go fp r o v e n a n c ei n t h el a t ej u r a s s i ca n de a r l y m i d d l ej u r a s s i c s u g g e s t ss u l uo r o g e nh a db e e nu p l i f t e dt ot h es u r f a c ea n db e g i nt oe r o d e ， t r a n s p o r ta n dd e p o s i t i o ni nt h em i d d l e l a t ej u r a s s i c i nc r e t a c e o u sp e r i o d ， t h ec o n t r o l l i n gf a c t o ro fw e s ts h a n d o n gb a s i nw a sm a i n l ys u l uo r o g e n i cb e l t a n dp a l e o g e o g r a p h yf r a m e w o r ki n d i c a t e st h a tt h et e r r a i no fs h a n g d o n gi s h i g h e ri ne a s ta n dl o w e ri nw e s t u n d e ri ni n f l u e n c eo ft h e p a c i f i cp l a t e s s u b d u c t i o nt ot h en o r t hw e s ti ne a r l yc r e t a c e o u s ，w e s t e r ns h a n d o n gr i s em a y b e s l i g h t l yu p l i f e di nm i d - l a t ee a r l yc r e t a c e o u s ，s ot h a tt h e r ew e r e f l u c t u a t i o n so ft h ep r o v e n a n c eo fw e s ts h a n d o n gb a s i ni ne a r l yc r e t a c e o u s i n l a t ec r e t a c e o u s ，w i t ht h ep a c i f i cp l a t ee x t r u s i o nt o w a r d sn n wi n c r e a s e da n d t h es i n i s t r a ls t r i k e s l i po ft h et a n - l uf a u l t ，l u x ib l o c ku p l i f t e da n de r o d e d a s ar e s u l tt h ep r o v e n a n c eo fw e s ts h a n d o n gr i s er i s e da g a i n k e yw o r d s ： w e s t s h a n d o n gr i s e ；h i g h - r e s o l u t i o na n a l y s i s ；c l a s t c o m p o s i t i o n s ；h e a v ym i n e r a l s ；g a r n e t i i i 插图清单 图1鲁西隆起区盆地分布简图2 图2论文技术路线图5 图1 1 鲁西隆起区各盆地分布简图7 图2 1 砂岩组分三角图1 3 图2 2 砂岩分析样品采样位置图1 4 图2 3 鲁西隆起区盆地典型地层柱状图1 5 图2 - 4 淄博盆地三台山地区侏罗纪地层剖面图1 6 图2 5 蒙阴盆地小辛庄地区早白垩世地层剖面图1 6 图2 - 6 砂岩各组分含量变化图( 百分含量) 1 8 图2 7 砂岩镜下照片( 正交偏光) 1 9 图2 8 砂岩组分图2 0 图3 1 重矿物采样位置图2 4 图3 2 重矿物样品层位图( 图例同图2 3 ) 2 5 图3 3 鲁西隆起区盆地重矿物稳定性分布图2 8 图3 4 鲁西隆起区盆地典型重矿物镜下特征及成分图3 3 图3 5 鲁西隆起区盆地源区分布图3 4 图4 1 鲁西隆起区盆地源区数据分布图3 8 图4 2 源区石榴石标型图3 9 图4 3 鲁西隆起区盆地石榴石采样位置图4 l 图4 4 典型石榴石镜下照片( 单偏光) 4 5 图4 5 鲁西隆起区盆地中生代石榴石成分图4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金壁王些厶堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字： 签字日期：剀口年备月冰日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金妲王业太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆互些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：导师签名： 签字日期：年月 日 签字日期：年月 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 经过三年的努力，硕士学习即将结束，硕士论文也终于完成了。本论 文从选题到完成，每一步都是在导师石永红老师的指导下完成的，倾注了 导师大量的心血。非常感谢我的导师三年来在学业上的精心指导，让我在 专业知识和技能上有了较大提高。每一点进步，都离不开石老师循循善诱 的教导，也离不开同学和朋友的帮助，在这里向你们表示最诚挚的谢意! 无论是专业的基本理论知识，还是野外工作技能，石老师都是非常的 出色，老师治学严谨，忘我的工作，永远都是我学习的榜样。老师的宽容、 大度、乐于助人也一直深深的影响着我。经过石老师的悉心指导，我掌握 了基本的学习方法，学业上进步较快，也明白了许多为人处事和待人接物 的道理。 南陵野外学习期间，闫峻老师和宋传中老师都给予了许多的帮助。闫 老师对火山岩的详细分析和讲解，让我受益匪浅。感谢朱光老师的指导和 帮助，0 9 年参加岩石学会议，朱老师给予了很多的帮助和鼓励。在完成论 文期间，在砂岩骨架分析方面，李双应老师给予了悉心的指导。还有李振 生老师、刘国生老师、任升莲老师等，在硕士期间都给予了很多的帮助， 在此要向这些老师表示最最诚挚的谢意。 在攻读硕士期间，马雷、刘海泉、陈泽超、王伟、梁敏等同学给予的 帮助，还有杨栋栋、徐旭峰、陈灵、徐建强、俞晶心、刘飞、张乐俊、段 超等师兄( 弟、妹) 们给了大量的帮助，在此表示衷心的感谢。 i v 前言 1 研究背景 造山带和盆地是大陆岩石圈最基本的两大构造单元，它们在统一的构 造框架和动力学体制下形成和演化，是深部与浅部物质迁移转化的具体表 现，其间存在密切的耦合关系( d i c k i n s o ne ta l ，1 9 9 3 ；c l o e t i n g he ta l ，1 9 9 3 ； 刘和甫等，2 0 0 1 ；李思田等，1 9 9 9 ；郝建荣等，2 0 0 3 ) 。山脉为盆地提供 大量的沉积物，造山带的构造演化过程更多的保留在周边的沉积盆地中， 沉积记录是认识造山作用和构造演化不可或缺的载体，通过沉积盆地记录 追溯源区构造背景一直是盆地研究领域的重点和主要发展趋势( p e t t i j o h n e ta l ，1 9 7 2 ；m o r t o ne ta l ，1 9 9 9 ；l ie ta l ，2 0 0 l ；l i h o ue ta l ，1 9 9 6 ：李忠 等，2 0 0 2 ，2 0 0 4 ；李双应等，2 0 0 9 ) 。 物源分析主要通过分析沉积记录达到将地壳表面的地质作用定量化、 清晰化的目的。碎屑沉积物既是盆地沉积和构造演化的直接证据和重要标 志，也是源区隆升剥蚀的产物，包含了源区构造演化的诸多信息，反映了 源区热构造事件及隆升剥蚀的特征( 闰义等，2 0 0 2 ) 。作为山脉隆升的直 接记录，碎屑沉积物的分析，不仅可以示踪物源，还可以为沉积物搬运过 程及源区动力演化过程分析提供依据( p e t t i j o h ne ta l ，1 9 8 7 ；d i c k i n s o n e ta l ， 1 9 8 5 ) 。 随着现代分析手段的提高，物源分析方法逐渐增多，并不断的完善。 目前运用较多的手段主要有：碎屑组分、重矿物、地球化学、碎屑年代学 等分析方法。这些方法的研究进展主要体现在：( 1 ) 通过碎屑组分、砾 石组分分析进而对盆地的地质构造过程、性质及延续和转折时间等进行分 析( d i c k i n s o ne ta l ，1 9 8 5 ； g r a h a me ta l ，1 9 9 3 ；h e n d r i x ，2 0 0 0 ；方世虎 等，2 0 0 8 ；闫臻等，2 0 0 8 ) ；( 2 ) 通过碎屑重矿物组合及辉石、石榴石、 白云母、电气石等特征单矿物高分辨率分析，对源区母岩进行恢复，厘定 更为精确的造山带构造框架与演化细节( l i h o ue ta l ，l9 9 6 ；l i e ta l ，2 0 0 l ， 2 0 0 2 ：m o r t o ne ta l ，2 0 0 4 ；m a d e re ta l ，2 0 0 4 ；李双建等，2 0 0 6 ；李任伟 等2 0 0 l ，2 0 0 2 ) ；( 3 ) 通过测定碎屑岩的化学成分，特别是砂岩主量、 微量、稀土元素地球化学分析，可以判断母岩区的岩性特征，进而对盆地 所处的大地构造背景、构造演化等进行分析研究( t a y l o r ，1 9 8 5 ；r o s e r ， 1 9 8 6 ：m c l e n n a ne ta l ，1 9 9 3 ；韩登林等，2 0 0 7 ；和政军等，2 0 0 3 ) ； ( 4 ) 碎屑热年代学研究，不同矿物( 如角闪石、黑云母、白云母、独居石、钾 长石、锆石、磷灰石等) 的同位素年代学已被广泛应用于造山带的研究， 直接反演造山带造山过程中地壳岩石的隆升剥蚀史，定量确定造山带热构 造事件年龄、期次及强度( l o n e r g a nl a n dj o h n s o n c ，1 9 9 8 ：b e r n e te ta l 2 0 0 4 ；李忠等，2 0 0 1 ) 。 2 研究区研究现状 鲁西隆起位于中国大陆东中部，东以郯庐断裂带与苏鲁造山带为界， 区内发育一系列中生代盆地( 图1 ) 。鲁西隆起与区内盆地以其独特的地 质特征和丰富的资源成为研究的热点( 金振奎等，1 9 9 9 ；牛树银等，2 0 0 3 ， 2 0 0 4 ，2 0 0 9 ：王先美等，2 0 0 8 ；翟明国等，2 0 0 3 ；吴智平等。2 0 0 7 ；z h a n g e ta l ，2 0 0 5 ) 。目前对于鲁西隆起区盆地的研究，主要侧重于以下两个方 面： 一方面主要通过构造演化过程来分析盆地的沉积样式，从而探讨盆地 烃源岩的演化过程和生储盖组合、含油气系统中圈闭的形成、类型和分布 规律( 蒋有录等，2 0 0 3 ；吴智平等，2 0 0 7 ：牛树银等，2 0 0 4 ：彭兆蒙等， 2 0 0 9 ) ，早中生代鲁西及周边地区处于扬子板块与华北板块碰撞、拼接的 构造背景下( 彭兆蒙等，2 0 0 9 ；翟明国等，2 0 0 3 ) ，早中生代鲁西地区未 形成大型盆地，仅有少量三叠纪盆地为陆内坳陷盆地( 张忠义，2 0 0 5 ) 鲁西晚中生代以来的盆地主要形成于伸展环境下：但其形成的构造背景存 在较大的分歧，主要是与太平洋板块的俯冲、或郯庐断裂带走滑活动引起 的构造偏应力有关( 候廷贵等，2 0 0 1 ；宗国洪等，1 9 9 9 ；吴智平等，2 0 0 3 ) 。 图1 鲁睡隆起区盆地分布简图 另一方面，主要通过盆地沉积组分、沉积体系、充填序列，再造造山 过程、造山事件，探讨陆内造山过程中盆山演化及热构造格局( 宋奠南， 2 0 0 1 ；蒲玉国等，2 0 0 5 ；许承武等，2 0 0 9 ；李珍等，19 9 8 ) ，通过盆地沉 积记录反应的构造演化过程仍然存在着较大的分歧，对于中生代鲁西隆起 区盆地的构造事件也存在不同的认识( 李临华等，2 0 0 9 ；张锡明等，2 0 0 5 ) ， 而对于鲁西隆起区盆地的物源也存在着不同的观点( 郭旭升，2 0 0 0 ；武法 东，2 0 0 1 ；许承武等，2 0 0 8 ) 。 这些研究主要侧重于构造分析或者传统的沉积学方法，未曾涉及高分 辨率重矿物分析等新的分析方法。新的物源分析方法的出现，特别是高分 辨率重矿物分析、特征碎屑矿物热年代学等的方法的日益完善，都为进一 步分析鲁西隆起与区内盆地的耦合关系提供基础。本次研究试图通过高分 辨率重矿物分析与传统分析方法的对比，探讨更为行之有效的物源分析方 法。 3 存在问题 对于鲁西隆起与邻近盆地之间的中生代构造分异，尽管已经开展了包 括地质、地球物理和地球化学等多方面的研究，但总体上处于资料积累阶 段，由于缺乏连续、定量的地质记录分析，对于中生代的盆山格局和构造 细节仍然存在着较大的分歧，主要表现在以下两方面： ( 1 ) 对于中生代构造转折事件存在着争议。 目前普遍认为，在中生代以前鲁西隆起与临近盆地经历了基本一致的 演化过程( 金振奎等，1 9 9 9 ；牛树银等，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ；李三忠等，2 0 0 5 ) ， 但自中生代特别是晚中生代以来，鲁西隆起与邻近地区的构造分异明显， 并逐渐发展最终形成了今天的盆山( 岭) 构造( 郝英等，2 0 0 1 ：操应长等， 2 0 0 4 ；刘震等，2 0 0 5 ；张克鑫等，2 0 0 6 ) 。但在中生代鲁西与区内盆地所 经历的构造转折事件上，存在着三种不同的认识：一部分学者认为鲁西地 区中生代主要经历了四个构造事件一晚三叠世的岩石圈深部调整和底侵作 用、中晚侏罗世时期的断块差异隆升和火山喷发、早白垩世时期的地壳伸 展和晚白垩世时期的整体挤压抬升( 吴智平等，2 0 0 7 ；段秋梁等，2 0 0 7 ； 张锡明等，2 0 0 7 ；翟明国等，2 0 0 3 ) ；第二种观点认为鲁西地区中生代经 历了中晚侏罗世、早白垩世、晚白垩世三个构造转折时期( 李三忠等，2 0 0 5 ； 宋明春，2 0 0 8 ；宋奠南等，2 0 0 l ；彭兆蒙等，2 0 0 9 ) ；还有学者认为鲁西 地区只经历了中晚侏罗时期的挤压变形和早白垩世的伸展作用两个构造 转折时期( 王先美等，2 0 0 8 ；林景仟等，1 9 9 6 ；牛树银等，2 0 0 4 ；王世进 等，2 0 0 9 ) 。 ( 2 ) 对鲁西隆起区盆地中生代以来的物源存在不同的观点 鲁西隆起区盆地主要为分布在鲁西隆起区的山间凹陷内，其东面隔着 郯庐断裂带与胶东地区相望。目前对于鲁西隆起区盆地中生代以来的物源 分析手段主要是砂岩重矿物组合、层序地层分析等( 许承武等，2 0 0 9 ；李 珍等，1 9 9 8 ；白云风等，2 0 0 8 ) ，由于缺乏连续、定量的沉积记录分析， 导致对鲁西隆起区盆地物源存在着不同的认识，目前主要有以下两种观 点：一种观点认为物源来自青城凸起及其以西的物质( 郭旭升，2 0 0 0 ：武 法东，2 0 0 l ；侯宇安等，2 0 0 5 ) 。另一种观点认为物源主要来自于鲁西隆 起( 李筱瑾，19 9 7 ；罗佳强，2 0 0 1 ；韩详磊等，2 0 0 3 ；蒲玉国等，2 0 0 5 ； 韩登林等，2 0 0 7 ；许承武等，2 0 0 8 ，2 0 0 9 ) 。目前，多数接受鲁西隆起区 盆地的物质来源于鲁西隆起( 李珍等，1 9 9 8 ；许承武等，2 0 0 8 ，2 0 0 9 ；白 云风等，2 0 0 8 ) ，没有或极少有胶东的物质贡献。为此，本文选择鲁西隆 起区盆地为研究区，通过对中生代砂岩组分、重矿物组合、特征重矿物石 榴石的高分辨率研究，从盆地充填的角度，来探讨和分析鲁西隆起在中生 代的构造分异细节。 4 研究思路、主要内容及创新 研究区位于我国华北地区，包括鲁西隆起区的山间盆地及周边盆地， 重点研究鲁西隆起区内的博兴洼陷、平邑盆地、诸城盆地，研究的特征重 矿物有石榴石、辉石、角闪石。试图通过对鲁西隆起区盆地砂岩中碎屑重 矿物的组成以及高分辨率的物源进行对比，建立高分辨率的沉积充填系列 和物源演变序列，厘定更为精确的构造框架与演化细节，揭示盆山耦合作 用过程。进而约束鲁西隆起的演化过程和形成时限，以及其在中新生代构 造转折过程中所起作用，阐明鲁西隆起及其对区内盆地充填样式和构造演 变的影响或制约机制，为完善华北地块陆内盆山演化模式提供沉积学依 据。详细的技术路线见图2 。 本文主要从沉积岩石学的角度，通过对鲁西隆起区盆地中新生代沉 积砂岩的高分辨率重矿物的细致分析，中新生代砂岩碎屑构成和重矿物 组合研究，主要研究内容为以下三个方面： ( 1 ) 中新生代沉积岩的碎屑矿物的粒度研究。通过对这些沉积岩的 碎屑矿物的物质构成和类别区分，明确其形成环境和源区性质，以及构造 背景。进而从沉积学的常规统计意义上对鲁西隆起形成过程予以探讨，并 为其后的重矿物组合和特征重矿物的高分辨率分析奠定基础。 ( 2 ) 中新生代沉积岩的重矿物组合分析。根据不同时代重矿物组合 的差异，分析和探讨鲁西隆起区盆地的充填和时间演化序列，判明盆地物 质源区和性质，进而初步约束鲁西隆起的演化过程和形成机制。 4 图2 论文技术路线图 ( 3 ) 高分辨率重矿物的精细研究。此为本项目的研究核心，通过对 鲁西隆起区盆地中新生代沉积的特征矿物连续的、大范围的精确研究，建 立起行之有效的判别方法，准确再现盆地充填物质的来源和充填时间序 列，以及物质构成变化特征，从而准确地反演各构造转折事件及其沉积响 应。对比研究沉积物的碎屑构成和重矿物组合研究，并结合野外和构造分 析，详细论述鲁西隆起的演化规律及其对中新生代盆地的控制和成油影 响。 论文涉及的关键技术与实验包括： 1 、野外地质剖面测量 2 、砂岩骨架颗粒镜下统计 3 、薄片观察、重矿物分离、统计 4 、电子探针、能谱分析 5 论文主要工作量 本次论文的研究是在大量野外和室内实验的基础上完成的，详细工作 量见表l 。 表1论文主要工作量统计 工作项目工作量 野外砂岩取样 10 0 个 普通薄片镜下鉴定1 0 0 片 前人石榴石成分数据统计分析约18 6 个点 碎屑重矿物分析6 2 个样品 碎屑矿物探针分析5 1 个样品( 约2 0 6 0 个点) 砂岩碎屑骨架统计 3 4 片 碎屑矿物能谱及背闪射分析3 个样品( 15 个单矿物) 6 研究新进展和创新点 本研究在以下几方面取得了一些新的研究进展，其创新点主要表现在： ( 1 ) 中新生代沉积砂岩组分分析。通过对鲁西隆起区盆地中生代砂 岩物质构成和类别区分，明确其侏罗纪源区形成构造背景是大陆来源区， 其次是岩浆弧来源区，白垩纪砂岩主要是岩浆弧来源区。结合区域构造背 景分析，鲁西侏罗纪砂岩物源可能主要是鲁西隆起，其次是胶东地区，白 垩纪物源主要为胶东地区和鲁西隆起。 ( 2 ) 中新生代沉积岩的重矿物组合分析。根据中生代不同地层重矿 物组合的差异，建立了鲁西隆起区盆地的充填和时间演化序列，并明确鲁 西隆起区盆地侏罗纪早期主要物源为鲁西隆起，侏罗纪晚期胶东地区逐渐 成为鲁西隆起区盆地重要的物源。白垩纪主要物源为胶东地区，其次为鲁 西隆起。重矿物含量的变化显示，早中侏罗世和中晚侏罗世的物源迅速转 变，暗示源区经过构造转折事件。早白垩世中晚期和晚白垩世中期时不稳 定重矿物的大量出现，也暗示源区在早白垩世早期和晚白垩世晚期构造活 动活跃。 ( 3 ) 石榴石的高分辨率研究。通过对鲁西隆起区盆地中新生代沉积 的石榴石连续的高分辨率研究，建立了行之有效的物源判别标准，准确再 现盆地充填物质的来源和充填时间序列。石榴石分析结果显示，鲁西隆起 区盆地早中侏罗世时期主要物源为鲁西隆起，中晚侏罗世时期逐渐转为胶 东地区，白垩纪主要物源为胶东地区，鲁西隆起物源贡献量较少。石榴石 的含量及特征变化显示，胶东地区在中晚侏罗世时期已经折返至地表，从 而给鲁西隆起区盆地提供物源。鲁西隆起在早白垩世中期、晚白垩世中期 经历了构造事件。 6 第一章研究区地质背景 1 1 大地构造位置 鲁西地区主要是指山东省滩坊i 临沂一线以西的地区。东以郯庐( 都城 庐江) 断裂为界( 图1 1 ) ，西以聊考( 聊城一兰考) 断裂为界，北以齐广 ( 齐河广饶) 断裂为界( 金振奎等，1 9 9 9 ) 。鲁西地区属华北地台的一部 分，具双层结构，由前寒武纪结晶基底和其上的沉积盖层组成。基底主要 由太古代混合花岗岩、片麻岩等变质岩组成，而盖层则由古生代、中生代 和新生代碳酸盐岩和碎屑岩组成。本区太古代和古生代地层广泛出露，形 成山脉；而中生代和新生代地层分布局限，主要见于山间凹陷之中。鲁西 地区中部主要为鲁西隆起基岩出露区，其外国则多为中新生代断陷盆地。 图1 1 鲁西隆起区各盆地分布简图 鲁西隆起主干断裂由北部的北西走向逐渐向南部的北西西转化展布。 北西一北西西向断裂结构面非常相似，断层倾向南或南西，倾角一般 6 0 08 0 0 ，具多期活动性，其把鲁中切割成一系列北西向展布的断块状结构， 结晶基底、古生代、中生代和老第三纪依次叠置的地质单元沿着断块走向 呈带状分布，结晶基底片麻岩系的片麻理或其它构造线多与北西向断裂平 行；北西北西西向断裂构成现今中新生代盆地的北部边界，中新生代沉积 发育于断裂上盘，盆岭地貌特征明显( 张忠义，2 0 0 8 ) 。 鲁西隆起区中生代盆地主要形成于侏罗白垩纪( 宋明春，2 0 0 8 ) ，是 与岩石圈伸展减薄作用有关的裂陷盆地，仅有少量三叠纪盆地为陆内坳陷 盆地。鲁西隆起区裂陷盆地主要由肥城盆地、淄博盆地、莱芜盆地、临朐 盆地、鲁村盆地、南麻盆地、大汉口盆地、蒙阴盆地、泅水盆地、平邑盆 地等组成，分布于郯庐断裂西侧，总体呈n w s e 向长条形或弧形。本次研 究主要以临朐盆地、淄博盆地、蒙阴盆地、平邑盆地、沂水盆地为重点研 究区。 鲁西地区东侧隔郯庐断裂带与胶东地区相望，郯庐断裂带山东境内长 达3 3 0 公里，宽约2 0 一6 0 公里，北宽南窄，为胶东和鲁西地区的分界断裂。 断裂总体走向l oo 2 5 0 ，平均17 0 左右，主要由四条主干断裂带组成，自东 向西依次为昌邑大店断裂、安丘莒县断裂、沂水汤头断裂、郎邵葛沟断 裂：呈两堑夹一垒的构造形式。郯庐断裂的成因及形成时代都是地学界争 议的热点问题，最近的研究表明，其至少于三叠纪己存在发育( 王小凤等， 2 0 0 0 ：w a n ge ta l ，2 0 0 3 ) 。 表1 1 鲁西地区中生代地层简表( 据许承武，2 0 0 8 ) 地质年代地层 代纪世代号组 沉积环境及岩性厚度( m ) 备注 全新世 河流冲积相、洪冲积相及残 更新世 坡积相，冰川i ，洞穴，湖相 新 巴漏河 近 上新世 n 2组 巴漏河组：石灰岩 尧山组 尧山组：玄武岩 新 纪 含硅藻土和油页岩的粘土 生 中新世 n 1山旺组 岩 代牛山组 玄武岩 古 渐新世 e 3 五图组：灰色、棕黄色含 1 0 0 0 t i 因甜i 近 始新世 e 2 官庄组 油页岩和煤的粘土岩 1 0 0 0 官庄组：河湖相和洪积相 纪 古新世 e l 中 紫红、灰绿色砾岩砂岩及 l o o o 生 晚k 2王氏组 页岩 代 白 几百到上千 垩 青山组 中基性火山岩、 k t l j 碎m ? 0 0 ? o o o 岩和沉积岩 米 纪 早 l ，l 蒙阴组 灰绿色、灰白色砾岩和砂岩 ? 0 0几百米 夹灰紫色少量页岩、泥岩 8 9 1 2 地层概况 1 2 1 鲁西地区地层 鲁西地区其主要由前寒武纪结晶基底与其上的沉积盖层组成。基底岩 性为新太古代泰山群绿岩带，岩性为斜长角闪岩、角闪变粒岩、黑云变粒 岩、云母片岩等构成；中太古代沂水群沉积岩系，主要为麻粒岩、紫苏斜 长角闪岩、角闪黑云变粒岩；古元古代济宁群的低级变质含铁岩系等变质 岩。上元古代土门群，是一套未经变质的以碎屑岩和粘土岩为主的地层， 顶部和底部有部分碳酸盐岩( 图1 1 ，表1 1 ) 。沉积盖层主要为古生代、 中生代、新生代的碳酸盐岩和碎屑岩。下古生代包括寒武纪和奥陶纪地层， 主要为碳酸盐岩沉积。中生代为断陷盆地沉积，分布较局限，只零星地分 布在临朐、蒙阴、淄博、平邑、沂水等山间盆地中，本区有侏罗纪和白垩 纪地层。古近纪蒙阴地区发育官庄组，郯庐断裂带发育五图组，新近纪发 育有中新世牛山组、山旺组和上新世尧山组、巴漏河组。 1 2 2 鲁西隆起区盆地中生代地层 山东省中生代山间盆地主要形成于侏罗白垩纪，是与岩石圈伸展减薄 作用有关的裂陷盆地，盆地内充填了一套陆相碎屑岩与火山岩、火山碎屑 山 石。 侏罗纪主要由早中侏罗世坊子组与中晚侏罗世三台组组成( 表1 2 ) 。 坊子组分布于淄博、潍坊一带( 山东省区域地质志，1 9 9 1 ) ，岩性以灰色 砂岩、粉砂岩及碳质页岩夹煤层为特征，底部多发育浅紫色、黄绿色砂砾 岩。以沼泽、湖泊相为主，早期河流沉积。三台组仅见于淄博地区( 山东 省区域地质志，l9 9 1 ) ，岩性为砖红色或杂色砂岩，多夹有较多的砾岩。 以冲积扇、辫状河流沉积为主。 白垩纪主要发育早白垩世蒙阴组、青山组和晚白垩世王氏组( 表1 2 ) 。 蒙阴组分布局限，主要分布在蒙阴、平邑盆地，为灰绿色、灰白色砂岩夹 灰紫色页岩、泥岩，厚数百米。青山组地层自下而上分为下、中、上三个 段，厚度变化颇大，薄者几百米，厚者数千米，主要岩性为中基性火山岩、 火山碎屑岩和正常沉积岩。青山组下段主要为安山岩、粗面安山岩、玄武 岩；中段为凝灰质砂砾岩、安山岩、火山集块岩夹砂岩；上段为安山岩、 角闪安山岩、安山集块岩。王氏组见于郯庐断裂带内( 山东省区域地质志， 1 9 9 1 ) ，也分为下、中、上三个段，为河流相沉积，局部见湖泊相沉积， 厚10 0 0 m 以上。王氏组下段为紫红色砂砾岩、砂岩夹浅灰色细砂岩；中段 为黄绿色、紫红色页岩与粉砂岩、细砂岩互层；上段为紫红色细砂岩、粉 砂岩夹页岩，厚约3 0 0 米以上。 1 0 1 3 鲁西隆起区盆地中生代沉积与构造演化 鲁西隆起与区内盆地是华北地区重要的盆山系统。鲁西地区在中生代 以前构造演化过程一致( 金振奎等，1 9 9 9 ；牛树银等，2 0 0 3 ，2 0 0 4 ；李三 忠等，2 0 0 5 ) ，盆山格局不明显。自中生代特别是晚中生代以来，鲁西地 区构造活动强烈，鲁西隆起不断隆升，裂陷盆地发育，鲁西隆起与区内盆 地构造分异，盆山格局初步形成( 郝英等，2 0 0 1 ；操应长等，2 0 0 4 ；刘震 等，2 0 0 5 ；张克鑫等，2 0 0 6 ) 。鲁西隆起区盆地中有着中生代侏罗白垩纪 完整的沉积纪录，然而与地球化学、岩石学和成矿作用相比，对鲁西隆起 区中生代盆地的研究则显得相对薄弱，前人的研究工作主要集中在岩石地 层及局部盆地分析上( 刘明渭等，19 9 4 ，19 9 6 ；宋奠南，2 0 0 l ；刘岩等， 1 9 9 6 ；张宝政等，1 9 9 0 ；燕守勋，1 9 9 4 ；李守军等，2 0 0 3 ) ，及形成的构 造背景的讨论上，且分歧较大。 6 0 0 8 0 0 表1 2 鲁西隆起区盆地中生代地层简表( 张增奇等，1 9 9 6 ) 地质时 代地层 代 厚度 号 主要岩性 ( m ) 代纪 世 上k 2 。3 灰、灰紫色砾岩、砂岩及紫红色砂纸泥岩和泥 1 3 2 - 2 7 2 王 岩，下粗上细韵律发育 晚 氏 中k 2 ，2 砖红色细砂岩、泥质粉砂岩、及灰绿色粉砂纸 2 0 0 - 9 6 1 组 泥岩为主，可见棕红色泥岩 灰紫、紫灰色砾岩、砂砾岩、粗砂岩，夹紫红 下k 2 1 1 9 8 - 3 3 6 色、砖红色泥质粉砂岩 白 上 k 1 q 3 安山岩、玄武安山质集块角砾岩、角砾凝灰岩， 6 0 5 0 0 垩 偶见少量熔岩。 纪 青 灰色、灰绿色中粗粒、中细粒长石砂岩、粉砂 中 山 中k 1 q 2 1 0 0 一4 3 3 岩，夹玻屑凝灰岩、安山岩 生 早 组安山岩、粗安岩、玄武岩、玄武安山岩、安山 代 下 k 1 q l质集块角砾岩、凝灰岩等，可见紫红色砂砾岩 4 2 8 0 0 夹层 蒙 灰绿色、紫红色中粗粒岩屑长石砂岩、砂砾岩， 阴 k 1 3 7 0 组 凝灰质砂岩及含凝灰质岩屑砂岩 侏 晚 厶 j s 。 紫红色、灰绿色砂岩为主，底部夹有浅紫色、 口 2 0 0 6 0 0 组 黄绿色砂砾岩 罗 坊 灰绿色砂岩、页岩，间有黄绿色砂岩、页岩及 纪 早子j 1 + 2 f 砾岩层，见有煤层或碳质页岩 1 7 7 组 早中侏罗世为早燕山旋回期，扬子板块与华北板块近南北向的碰撞挤 压开始逐渐减弱，西太平洋板块开始活动，华北地块整体处于弱伸展构造 环境( 张岳桥等，2 0 0 7 ) ，侏罗纪开始的伸展活动形成以张性裂陷为主的 盆地，首先从鲁西地区北部开始发育，并向南依次扩展迁移，主要分布于 章丘、淄博、安丘及其以北盆地( 杜旭东等，l9 9 9 ) ，早中侏罗世主要沉 积坊子组地层，为一套河流相、湖泊相、沼泽相沉积组合。 自中侏罗世晚期开始，东亚构造体制发生重大转换，太平洋板块活动 取代了扬子板块( 刘建忠等，2 0 0 4 ) ，晚侏罗世也是燕山运动主幕发生的 时期( 翟明国等，2 0 0 3 ) ，郯庐断裂带左行走滑( 朱光等，2 0 0 2 ) ，在上 述两种机制的联合作用下，华北东部进入大规模的裂陷或断陷盆地发育阶 段，沉积了较厚的晚侏罗早白垩世火山碎屑岩。中晚侏罗世早白垩世鲁 西地区成盆作用显著，形成了一系列n w s e 向至近w e 向的弧型展布的 断陷盆地，如莱芜盆地、蒙阴盆地、平邑费县盆地等。 晚白垩世时期，郯庐断裂带左旋活动停止，该断裂带以西的华北广大 地区整体处于隆升剥蚀状态( 张锡明等，2 0 0 7 ) ，在隆起背景上形成了一 些小型挤出拉分盆地。晚白垩世沉积分布局限，鲁西地区不发育，主要分 布在郯庐断裂带内( 山东省区域地质志，1 9 9 1 ) ，主要发育一套河流相和 湖泊相沉积组合。 1 2 第二章鲁西隆起区盆地中生代砂岩碎屑组分分析 2 1 砂岩碎屑组分的意义 砂岩碎屑组成已经成熟运用于源区和构造古地理的重建( d i c k i n s o n ， 1 9 7 0 ，1 9 7 9 ，1 9 8 4 ；h e n d r i x ，1 9 9 4 ，1 9 9 2 ，2 0 0 0 ；李忠等，2 0 0 4 ) 。影响 沉积盆地内沉积矿物成分的因素很多，如物源、气候、风化作用以及搬运 作用等，其中物源区源岩的类型对盆地的控制作用是十分重要的。因此， 特定的物源区往往与特定的沉积盆地有着密切的共存关系( d i c k i n s o n ， 1 9 8 4 ，1 9 8 5 ；j o h s o n ，1 9 9 1 ) 。d i c k i n s o n ( 1 9 7 9 ) 曾分析了世界上近百个不 同来源的物源组分特征和前陆盆地的陆源碎屑组合，把砂岩碎屑组份作了 较细致的划分与定量统计，然后以端元组份为依据编绘出三角形图解，为 造山带邻近盆地的物源分析提供了对比依据。 q o m f l v 图2 1 砂岩组分三角图 q 一石英，q m - 单晶石英，q p 一多晶石英，f - 长石，p 斜长石，k - 钾长石，l v 一火山岩 屑，l s 沉积岩屑，l m 变质岩屑，l t 岩屑总量+ 多晶石英( 下同) d i c k i n s o n 等( 1 9 7 9 ，1 9 8 5 ) 按照不同板块构造单元特点，划分为太陆 板块、岩浆岛弧、再旋回造山带三个一级物源区和九个二级物源区( 图2 一1 ) 。 并将砂岩碎屑矿物组分分为三类：稳定的石英颗粒( q ) ：包括单晶石英 ( q m ) 和多晶石英( q p ) ，多晶石英主要是燧石：长石( f ) ：包括斜长 石( p ) 和钾长石( k ) ；不稳定岩屑( l ) ：包括火山岩屑( l v ) ，沉积岩 屑( l s ) 以及变质岩屑( l m ) 。砂岩骨架成分与一定的构造环境相对应， 构造背景不同的地区，其砂岩碎屑成分在三角图上的投影位置不同；构造 背景相同的地区，砂岩碎屑成分在三角图上的投影位置趋向于一致。 网2 - 2 砂岩分析样品采样侍置图 2 2 样品处理与分析 颗粒统计方法采用d i c k i n s o n ( 1 9 7 9 ) 和李忠等( 1 9 9 9 ) 的方法，每个 薄片至少数4 0 0 个颗粒。具体如下：( 1 ) 大多数情况下计数颗粒用的网 格间距都大于颗粒的粒径，以保证每个颗粒不被数两次。( 2 ) 统计的样品 排除杂基含量大于2 5 的砂岩样品。( 3 ) 列入统计的砂岩样品，粒径限定 在00 3 n u n 以上，岩眉中粒径大于0 0 6 2 5 m m 的所有晶粒都被算作单晶矿物。 ( 4 ) 根据是否存在双晶、格子双晶、条纹结构以及蚀变的差异反应，对 石英、斜长石、钾长石进行区分。( 5 ) 在区分岩屑类型的过程中，略有杂 质的燧石颗粒归入沉积岩岩屑类，而未归人多晶石英类，多晶石英颗粒中 若出现原生云母片，则将其归入变质岩岩屑。( 6 ) 通过对选定层位砂岩样 品中的石英、长石、岩屑含量进行统计，用d i c k i n s o n 砂岩碎屑三角图进行 投影，根据点的分布情况，确定物源类型。 本次研究对鲁西隆起区盆地进行了详细的地层剖面研究，共采1 1o 个 样品，主要采自鲁西隆起区的山间盆地，挑选了其中的2 7 个样品做砂岩 骨架分析，样品位置见图2 2 。样品主要采自中生代，从侏罗纪坊子组、 三台组一直到白垩纪蒙阴组、青山组、王氏组，青山组上段主要发育火山 岩和火山碎屑岩，砂岩不发育，故本次采样未采集到青山组上段。侏罗纪 坊子组和三台组砂岩在北边的淄博盆地三台山地区较发育，坊子组岩性组 合以灰色调的砂岩、页岩为主，样品采样位置和层位见图2 2 、2 3 及2 4 。 蒙阴组、青山组样品主要采自鲁西地区的平邑、蒙阴盆地，蒙阴组为灰绿 色、灰白色砂岩夹灰紫色页岩、泥岩，青山组岩性为中基性火山岩、火山 碎屑岩和正常沉积岩，样品采样位置和采样层位见图2 2 、2 3 及图2 5 。 王氏组样品主要采自郯庐断裂带盆地中，王氏组下段为紫红色砂砾岩、砂 岩夹浅灰色细砂岩，采样位置和层位见图2 2 、2 3 。各样品砂岩组分分析 结果见表2 1 。岩石类型主要有长石石英砂岩、岩屑长石砂岩。 a 淄博盆地侏罗 纪地层柱状图 b 蒙阴甲白垩世 地层柱状图 c 郯庐断裂带地层柱状图 上 段段 王巾 6 7 4 巾 段 - 6 d 0 4 5 青 - - s d 0 4 3 氏s d 0 4 6 s d 0 “ 段 芍d d 7 2 组 山 卞 段 一 缎 下 段 口1 四2 田3 圈4 日5 西囝7 曰b 圈9 团1 0 团”田1 2 口1 3 口4 日1 5 图2 3 鲁西隆起区盆地典型地层柱状图 1 砂岩，2 长石砂岩，3 钙质砂岩，4 铁质砂岩，5 泥质砂岩，6 含砾砂岩，7 砾岩， 8 砂质页岩，9 凝灰质砾岩，1 0