巢北地區(qū)黃龍組巖石學、元素地球化學特征及意義*

韓宗珠,衣偉虹,李安龍,李德平

(中國海洋大學海洋地球科學學院,海底科學與探測技術教育部重點實驗室,山東青島266100)

巢北地區(qū)黃龍組巖石學、元素地球化學特征及意義*

韓宗珠,衣偉虹,李安龍,李德平

(中國海洋大學海洋地球科學學院,海底科學與探測技術教育部重點實驗室,山東青島266100)

安徽巢湖麒麟山中石炭統(tǒng)碳酸鹽巖地層是研究碳酸鹽巖沉積及成巖作用的理想剖面之一。文章采用巖相學及元素地球化學分析法,對該處剖面碳酸鹽巖的特征做了深入研究。表明,黃龍組巖石以泥晶或亮晶顆?；?guī)r為主;元素分布中稀土元素總量較低。分析認為,巢北地區(qū)中石炭統(tǒng)屬于淺海碳酸鹽臺地相產(chǎn)物,其成巖序列屬于海退序列,成巖環(huán)境主要為大氣淡水成巖環(huán)境。

巖相學;微量元素;沉積相;海退序列

安徽巢湖地區(qū)地理上位于長江下游地區(qū),構造上屬于華南陸塊的東北邊緣或位于下?lián)P子斷塊的北緣、郯廬斷裂帶東側、半湯復式背斜西翼。南緣以橋頭集-東關斷裂為界,西緣以夏閣-圣橋斷層為界。區(qū)內(nèi)位于特提斯構造與太平洋構造的交界處,中生代以來構造活動強烈,尤其是印支運動表現(xiàn)最為明顯(見圖1)。巢北地區(qū)進入晚古生代,地殼活動頻繁,發(fā)育了一套濱海相碳酸鹽巖建造和碎屑巖建造。石炭紀以陸棚環(huán)境為主,氣候溫暖潮濕,生物種類繁多,尤以珊瑚和類最重要,沉積建造以碳酸鹽巖為主。巢湖市北郊鳳凰山古生界地層剖面完整,石炭系發(fā)育齊全,出露良好,沉積特征清楚,研究程度較高,是研究石炭系地層和沉積的重要剖面。

圖1 巢北地區(qū)石炭系剖面位置圖Fig.1 Lacation map of the Carboniferous section of the Chaobei Area

1930—1950 年,徐克勤、李云祝等對該地區(qū)做了相對大比例尺的地質調(diào)查,并寫了相關地質報告。1960年以來,先后有30余所高校在此建立地質教學基地,2003年10月,教育部正式將該區(qū)指定為“全國地質教學實習基地”。

此外,前人對該區(qū)地層也做過較詳細的生物地層和沉積學工作,為研究本區(qū)的沉積環(huán)境和沉積相分析提供了大量地質資料,但對巖石學和地球化學方面的研究很少。

本文對巢湖實習區(qū)中石炭統(tǒng)黃龍組地層進行了剖面實測,并以1 m的間距采集了巖石樣品,對巖石樣品進行切片分析和顯微鏡下鑒定,確定了樣品的礦物組成,結構特征和巖石類型。確定了地層中的常量元素、微量元素和稀土元素的相對含量,對采集到的樣品進行了ICP-MS、ICP-AES分析。在這些指標進行綜合分析的基礎上,對中石炭統(tǒng)灰?guī)r成因和沉積環(huán)境進行了判別。

1 巖石學特征

黃龍組實測剖面如圖2。該段黃龍組灰?guī)r主要為塊狀構造,晶粒結構,巖層產(chǎn)狀變化不大,巖石顏色自下而上依次為灰、深灰、黑、淺紫紅色,剖面中肉眼可見大量珊瑚化石,部分巖石可見方解石顆粒。

根據(jù)實測結果,黃龍組可分為上下2段,下段為灰、深灰、肉紅色中厚-厚層生物碎屑泥晶(微晶)灰?guī)r;上段為灰色、紫紅色厚-巨厚層亮晶生物碎屑灰?guī)r夾砂屑灰?guī)r;頂部夾有不連續(xù)的灰、黃色含鐵質泥巖。黃龍組巖石類型總體可分為以下幾種(見表1)。

圖2 黃龍組實測剖面圖Fig.2 A sketch map of Huanglong Formation

(1)顆粒灰?guī)r 指顆粒含量大于50%的灰?guī)r。顆粒絕大部分為生物顆粒,部分內(nèi)碎屑、藻球粒、藻團等,這是區(qū)內(nèi)石炭系顆粒類型的一個重要特征。按照顆粒間填隙物的類型,還可分為泥晶顆?；?guī)r和亮晶顆?；?guī)r,分別占灰?guī)r的48.6%和30.3%。

①泥晶顆?；?guī)r:指粒間填隙物基本上為泥晶方解石的顆粒灰?guī)r,顆粒類型主要為生物碎屑,其次為少量砂屑。前者稱之為泥晶生物碎屑灰?guī)r,后者為泥晶砂屑灰?guī)r。

泥晶生物碎屑灰?guī)r是泥晶顆?；?guī)r分布最廣、厚度最大的一種類型,為黃龍組的主要巖石類型。巖石為灰(或帶肉紅色)、深灰色中厚層至塊狀。顆粒含量達70%～80%,以生物碎屑為主,含量達55%～70%,主要是一些淺水底棲生物,有、海百合莖、有孔蟲、腕足、珊瑚,其次為腹足、三葉蟲、瓣鰓、藻類、介形蟲等。生物碎屑呈砂級至粉砂級,分選磨圓較差,部分泥晶、亮晶化,多為原地或近原地堆積。生物含量豐富,種類多,表明海水循環(huán)性能好,鹽度正常,適于生物繁衍。

泥晶沙屑灰?guī)r,顆粒物為砂屑,砂屑呈圓形,分選差,分布雜亂,無定向排列,砂屑呈圓形,粒間為泥晶充填,反映較高能顆粒沉積在低能環(huán)境中,是1種潮下低能淺灘或淺水碳酸鹽臺地環(huán)境。

②亮晶顆粒灰?guī)r:指顆粒由亮晶方解石膠結的顆?；?guī)r,是黃龍組的主要巖石類型之一,顆粒類型主要為生物碎屑,其次為砂屑、藻團、藻球粒等。前者稱之為亮晶生物碎屑灰?guī)r,后者為亮晶砂屑灰?guī)r。

亮晶生物碎屑灰?guī)r:呈灰色-灰黑色厚層塊狀,顆粒量占50%～80%。生物碎屑由腕足、珊瑚(見圖3)、有孔蟲等組成,含少量砂屑。碎屑分選磨圓度不高,顆粒間為亮晶方解石膠結。此類巖石形成于能量較高的淺水臺地上的淺灘環(huán)境。

亮晶砂屑灰?guī)r:巖石灰-深灰色,中至厚層,顆粒含量50%～60%,砂屑含量約55%,生物碎屑1%～5%。砂屑橢圓-圓形,粒徑約0.1～0.25 mm。生物碎屑有、海百合莖、有孔蟲、介形蟲等。顆粒間為亮晶方解石膠結,具2個世代,第一世代呈細針粒狀,圍繞砂屑呈梳狀分布,第二世代呈粒狀。此類巖石形成于持續(xù)高能淺灘環(huán)境。

(2)含生物碎屑泥晶灰?guī)r 是指顆粒(生物碎屑)含量介于10%～25%,泥晶含量介于75%～90%的灰?guī)r。呈灰-灰黑色,中至厚層。生物碎屑含量15%～20%,主要為(見圖4)、海百合莖、有孔蟲、珊瑚、腕足、瓣鰓、介形蟲等淺水底棲生物。生物碎屑分選與磨圓度不高,為原地堆積。此巖類形成于淺水開闊臺地環(huán)境。

(3)泥晶灰?guī)r 指顆粒含量小于10%或不含顆粒的灰?guī)r,為黃龍組主要巖石類型之一。顏色灰-黑色,含量占灰?guī)r的12.1%。此巖類均由泥晶方解石組成,僅含少量生物碎屑,形成于靜水環(huán)境[1-2]。

表1 黃龍組主要巖石類型Table 1 The main rock types of Huanglong formation/%

圖3 珊瑚(10×5正交偏光)Fig.3 Coral(10×5 Orthogonal polarization)

圖4 (10×5單偏光)Fig.4 Fusulinina(10×5 Single polarization)

2 地球化學特征

2.1 主量元素地球化學特征

對黃龍組10件樣品進行了ICP-AES和ICP-MS測試分析,其主量元素結果見表2,稀土元素結果見表3。

從表2中可以看出黃龍組灰?guī)r主要元素組成有以下特點:

(1)CaO含量較高,最低為55.69%,最高可達61.1%,平均含量為57.989%。

(2)MgO含量較低,最低0.14%,最高0.17%,平均含量0.15%。含量雖低但較穩(wěn)定。

(3)TFe2O3含量較低,最低0.05%,最高0.28%。平均含量0.098%。

(4)Al2O3含量低,半數(shù)含量小于0.01%,最高僅0.05%。

(5)K2O與Mn的含量均不超過0.01%;Ti與P的含量均<0.03%。

(7)Sr的含量最低112.2×10-6,最高414.6×10-6,平均含量為183.71×10-6。Sr含量遠低于卡姆欣科夫的碳酸鹽巖平均含量710×10-6,也低于涂和費的610×10-6,而與美國衣阿華和密蘇里的密西西比系百寧頓灰?guī)r中的Sr含量(160×10-6)以及田納西東都銅嶺地區(qū)上奧陶統(tǒng)灰?guī)r中的Sr含量比較接近,后兩者的穩(wěn)定成巖作用是在一個開放的成巖系統(tǒng)中進行的,并且有大量的大氣水參與,經(jīng)歷了大氣淡水成巖作用,因而低的Sr含量顯示了在大氣淡水環(huán)境下重結晶作用結果,并且屬于穩(wěn)定灰?guī)r的低Sr組(125±250)×10-6。此外,根據(jù)成巖溶液中,淡水具有0.32×10-2的Sr/Ca摩爾比率,大約150×10-6的Sr含量在由大氣成巖作用影響下的碳酸鹽中將被估計到[5-6],這一理論上的預計與本區(qū)吻合。

表2 黃龍組巖石主要元素分析Table 2 The main element analysis of Huanglong formation rock

表3 黃龍組稀土元素豐度及主要參數(shù)Table 3 The rare earth element abundance and main parameters of Huanglong formation rock/μg·g-1

2.2 稀土元素地球化學特征

根據(jù)表3繪制了灰?guī)r的稀土元素圖解(見圖5)。從圖上可以看出研究區(qū)內(nèi)灰?guī)r的稀土元素具有以下特征:(1)元素分配曲線總體顯示典型右傾特征,表現(xiàn)為輕稀土富集,ΣLREE在(1.79～24.82)×10-6g·g-1,曲線較陡;重稀土虧損,ΣHREE在(0.34～3.46)×10-6g·g-1,曲線相對平坦,LREE/HREE為2.797～9.014。

(2)ΣREE為(2.43～27.8)×10-6g·g-1,較稀土元素在地殼中平均含量低(165.35×10-6)g·g-1。

(3)雖然元素曲線特征相似,但不同樣品的元素總量及分配方面均有差異,表明不同階段成巖作用的差異。(4)δEu<1,具有弱的Eu負異常。

3 黃龍組沉積相和成巖作用分析

3.1 沉積相分析

該區(qū)位于下?lián)P子盆地東端,自晚泥盆世晚期部分地區(qū)海水已經(jīng)侵入,沉積了濱海潮坪相地層。石炭紀早期海侵擴大,海平面上升,區(qū)內(nèi)為海水淹沒,沉積了一大套石炭紀海相地層[1]。

黃龍組下部海平面先是緩慢上升,幅度較大。整個揚子區(qū)沉沒在海平面以下,成為廣闊的臺地海盆,是早石炭世末期發(fā)生的規(guī)模較大的一次海侵。之后海面緩慢下降。上部海平面先是快速上升,而后緩慢下降,沉積層暴露水面,發(fā)生沉積間斷[7-8]。

黃龍組沉積特征表現(xiàn)為下部微波狀層理,水平層理,大型單斜交錯層理,底部沖刷明顯。據(jù)其沉積特征,應為開闊臺地中的潮下低能淺灘環(huán)境;中部微波狀層理、沖洗層理、水平層理、平行層理等,其形成環(huán)境應為開闊臺地;上部塊狀、波狀層理。此環(huán)境應為開闊臺地上的淺灘。

2.6 醫(yī)學名詞 以1989年及其以后由全國自然科學名詞審定委員會審定公布、科學出版社出版的《醫(yī)學名詞》和相關學科的名詞為準，暫未公布者仍以人民衛(wèi)生出版社編的《英漢醫(yī)學詞匯》為準。中文藥物名稱應使用1995年版藥典(法定藥物)或衛(wèi)生部藥典委員會編輯的《藥名詞匯》(非法定藥物)中的名稱，英文藥物名稱則采用國際非專利藥名，不用商品名。

總之,黃龍組從下而上反映淺水碳酸鹽臺地上的高能→低能→高能特征,海水有淺變深再變淺的變化規(guī)律,為開闊臺地和臺地上的淺灘環(huán)境。

3.2 成巖作用分析

本區(qū)碳酸鹽成巖作用主要為膠結、溶解、重結晶、白云石化、壓溶、壓實、泥晶化等,以膠結、溶解、重結晶最為廣泛,分別發(fā)生在不同成巖階段和不同成巖環(huán)境[9]。

(1)膠結作用 主要發(fā)生在顆粒灰?guī)r的粒間孔隙以及各類型灰?guī)r的生物體腔孔、溶孔、鑄?？字?。

本區(qū)灰?guī)r膠結作用中大氣淡水成巖環(huán)境下的膠結作用比海水成巖環(huán)境下的膠結作用重要的多。溶孔、鑄?？變?nèi)的充填物幾乎全為淡水亮晶。在粒間孔隙、溶孔以及早期裂縫中常出現(xiàn)該種亮晶,多顯示重力型膠結特征。

(2)溶解作用 本區(qū)灰?guī)r中易形成溶解鑄模的為生屑、球粒與砂屑等。黃龍組鑄模一側常有新月形泥晶殘余,顯示溶解介質由固定的方向滲入,具有淡水滲流帶特征。淡水滲流期的溶解作用最廣泛,形成不規(guī)則狀、網(wǎng)脈狀、透鏡狀等,多分布在泥晶內(nèi),也可出現(xiàn)在顆粒內(nèi)。淺灘、局限臺地的溶解作用較開闊臺地發(fā)育。(3)重結晶作用 明顯的重結晶作用出現(xiàn)在含泥晶較多的灰?guī)r里。較細的部分由0.005～0.010 mm的粉晶組成,其中可散布著斑塊狀較粗的粉晶(粒徑0.010～0.020 mm);或全部重結晶為0.01～0.02 mm的晶體,部分還可達極細晶及細晶(0.040～0.100 mm)。

(4)壓實、壓溶作用 灰?guī)r顆粒發(fā)生塑性變形、碎裂,壓溶導致顆粒呈壓溶接觸以及縫合線廣泛發(fā)育。壓溶可使巖石厚度大規(guī)模減小。此2種作用在泥晶較多的灰?guī)r中較明顯。

黃龍組灰?guī)r的成巖序列屬于海退型:由海洋環(huán)境轉化為淡水環(huán)境,再過渡為深埋藏環(huán)境。①海水環(huán)境中經(jīng)歷較微弱的膠結與泥晶化;②大氣淡水成巖環(huán)境中開始成巖變化的主幕;③淡水滲流階段發(fā)生廣泛的溶解,并出現(xiàn)重力型膠結;④淡水潛流階段發(fā)生進一步的溶解和更廣泛的膠結;⑤深埋藏成巖環(huán)境中,重結晶作用進一步發(fā)展并產(chǎn)生壓溶、壓實等。

4 結論

本文通過對巢北地區(qū)中石炭統(tǒng)黃龍組巖石的巖相學、巖石微量元素及稀土元素特征的研究,取得以下幾點認識:

(1)本區(qū)碳酸鹽以泥晶顆?；?guī)r和亮晶顆?；?guī)r為主,粒屑結構,塊狀構造,顆粒主要為生物碎屑和內(nèi)碎屑。

(2)元素地球化學研究顯示,除極少量元素外,大部分元素含量較低。元素分配曲線表現(xiàn)為輕稀土富集,Eu具有弱的負異常特征。

(3)研究區(qū)的碳酸鹽巖經(jīng)受的成巖作用主要以膠結、溶解、重結晶最為廣泛。黃龍組灰?guī)r的成巖序列屬于海退型,主要為大氣淡水成巖環(huán)境,重力型膠結。

本文雖然對該區(qū)黃龍組巖石的巖相學、地球化學等方面進行了較為系統(tǒng)的分析研究,但限于客觀條件和筆者水平,文內(nèi)尚有不足之處,單就該區(qū)黃龍組出露的上段地層進行巖相分析,結果有所欠缺。此外,對碳酸鹽巖的分析不全面,方法應用尚有不足。

致謝:論文在寫作過程中多次得到劉東生老師和范德江老師的指點,在此表示感謝!

[1] 侯明金,齊敦倫,金義祥.安徽巢湖鳳凰山石炭紀巖石特征及沉積環(huán)境分析[J].安徽地質,1998,8(3):30-37.

[2] 李雙應.L YB石炭系碳酸鹽巖微量元素地球化學特征[J].合肥工業(yè)大學學報:自然科學版,2000,23(5):654-659.

[3] Badiozamani K.The dorag dolomitization model-application to the Middle Ordovician of W iscansin[J].Sediment Petrol,1973,43:965-984.

[4] Churnet H G,Misra K C.Geneticimp lications of the trace element distribution pattern in the Upper Knox carbonate rocks,Copper Ridge District,East Tennessee[J].Sediment Geol,1981,30:173-194.

[5] Cioni.Srdiatribution and carbonate mineralogy in the Calcare Masiceio formation of non-metamorphic Treace series[M].[s.l.]:North of Aun-o River Boll Soc Geol,1973,92:363-389.

[6] 李雙應,金福全,王道軒.碳酸鹽巖成巖作用的微量元素地球化學特征[J].石油實驗地質,1995,l7(1):56-61.

[7] 林春明,凌洪飛,王淑君,等.蘇皖地區(qū)石炭紀海相碳酸鹽巖碳和氧同位素演化規(guī)律[J].地球化學,2002,31(5):415-421.

[8] 林春明,黃志誠,劉家潤,等.安徽巢湖鳳凰山剖面石炭系微相和層序地層特征[J].巖石學報,2002,18(3):424-432.

[9] 王英華.中、下?lián)P子區(qū)海相碳酸鹽巖成巖作用研究[M].北京:科學技術文獻出版社,1991:115-125

Petrology,Element Geochemistry Characteristics and Significance of Huanglong Formation,Chaobei Area

HAN Zong-Zhu,YI Wei-Hong,LI An-Long,LI De-Ping
(Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques,Ministry of Education,College of Marine Geoscience,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

The section of eastern Qilin Mountain in Chaohu area,Anhui Province,is an ideal section for the Middle Carboniferous carbonate rock study.In this paper,the petrology and geochemistry characteristics of the carbonate rock have been deeply studied with facieology and element geochemistry method.It is concluded that the Huanglong Formation rock is mainly formed by micrite or calcsparite granule calcareous rock.Trace and REE elements reveal that the total concentration of REE is low.The final result is that the Middle Carboniferous Huanglong Formation Rock is formed in neritic carbonate plat-fa-cles-zone.The petrogenetic cycle belongs to regressive cycle,while the diagenetic environment is fresh water of atmosphere.

facieology;trace element;sedimentary facies;regressive cycle

P534.45;P595

A

1672-5174(2010)09-109-05

山東省自然科學基金項目(Y2007E08)資助

2009-11-13;

2010-03-26

韓宗珠(1964-),男,教授。E-mail:hanzongzhu@ouc.edu.cn

責任編輯 徐 環(huán)