內(nèi)蒙古赤峰北部下二疊統(tǒng)于家北溝組碎屑沉積巖地球化學(xué)特征

郭 偉，楊欣德，張 娟，郝 彬

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

內(nèi)蒙古赤峰北部下二疊統(tǒng)于家北溝組碎屑沉積巖地球化學(xué)特征

郭 偉1，楊欣德2，張 娟1，郝 彬1

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083;2.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京 100081)

內(nèi)蒙古赤峰北部下二疊統(tǒng)于家北溝組碎屑沉積巖主要分布于華北克拉通北緣的內(nèi)蒙古隆起。碎屑沉積巖主要以雜砂巖為主，源區(qū)巖石沒有經(jīng)過充分的搬運(yùn)、分選，成熟度比較低。常量及稀土元素分析結(jié)果顯示，輕重稀土元素分異明顯，輕稀土元素富集，重稀土元素含量穩(wěn)定，δEu的值在0.72～0.99之間，表現(xiàn)出一定的負(fù)Eu異常，與NASC或PAAS配分模式相似，說明物源來自于上地殼。結(jié)合前人的研究成果，認(rèn)為其母巖原巖可能以沉積巖和花崗巖為主，或有少量的玄武巖;物源區(qū)大地構(gòu)造背景為活動(dòng)大陸邊緣或者大陸島弧，說明研究區(qū)在早二疊世或更早處于西伯利亞板塊與華北克拉通縫合階段。

下二疊統(tǒng);碎屑沉積巖;地球化學(xué)特征;活動(dòng)大陸邊緣;大陸島弧

0 引言

碎屑沉積巖中的常量元素是判定其物源區(qū)母巖類型和大地構(gòu)造背景的重要指標(biāo)，據(jù)此判別巖石形成的大地構(gòu)造背景，在國(guó)外已經(jīng)有了許多成功的實(shí)例［1］。在風(fēng)化、侵蝕、搬運(yùn)、沉積和成巖過程中，碎屑沉積巖中某些稀土元素的比值 (如Eu/Eu*等)不發(fā)生明顯的變化［2］，碎屑沉積巖的稀土元素配分模式可以反映沉積盆地的大地構(gòu)造背景。

內(nèi)蒙古赤峰北部地區(qū)位于華北克拉通與西伯利亞板塊之間，是研究華北克拉通與西伯利亞板塊古縫合帶的主要地區(qū)之一，一直以來吸引著眾多學(xué)者的目光。關(guān)于該古縫合帶的位置所在，存在著多種不同的看法:王鴻禎等［3］認(rèn)為位于西拉木倫河斷裂一帶;而另外一些學(xué)者則認(rèn)為其沿二連浩特南至賀根山一線展布［4］;20世紀(jì)90年代以來，葉茂等［5］指出，該古縫合帶具有一定的寬度，在兩板塊之間并可劃分出若干的中、小微板塊群。對(duì)于兩者的碰撞時(shí)間，也存在著不同的觀點(diǎn):李錦軼等［6］提出西伯利亞板塊與華北克拉通沿西拉木倫河的縫合始于二疊紀(jì)中期，于三疊紀(jì)中期結(jié)束;李益龍等［7］也認(rèn)為其持續(xù)到了距今230 Ma左右;李鵬武等［8］通過古地磁分析，提出分割西伯利亞和華北的中亞洋在晚泥盆世至晚石炭世期間已經(jīng)存在，早二疊世西伯利亞板塊開始快速南移，并于二疊世末期 (距今約250 Ma)與華北克拉通開始碰撞;王友等［9］通過對(duì)內(nèi)蒙古赤峰北部早二疊世末至晚二疊世初的基性—中性次火山巖地球化學(xué)研究，認(rèn)為其形成于華力西中期強(qiáng)烈造山運(yùn)動(dòng)后均衡調(diào)整階段的引張構(gòu)造環(huán)境?，F(xiàn)在一般認(rèn)為在晚古生代—早中生代經(jīng)歷了古亞洲洋的閉合及華北克拉通與西伯利亞地塊的最終拼貼［10］。

赤峰北部地區(qū)下二疊統(tǒng)于家北溝組的碎屑沉積巖研究相對(duì)較少，本文以其為研究對(duì)象，通過分析其常量元素及稀土元素的地球化學(xué)特征，判別物源區(qū)的巖石類型，進(jìn)而探討沉積物源區(qū)的大地構(gòu)造背景。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

研究區(qū)地理位置位于內(nèi)蒙古赤峰市北部，大地坐標(biāo)范圍為東經(jīng) 118°00'—118°30'，北緯42°50'—43°10'。大地構(gòu)造位置屬于華北克拉通北緣的內(nèi)蒙古隆起、西拉木倫河斷裂以南、赤峰開源斷裂以北的華北克拉通與西伯利亞結(jié)合部位 (見圖1)。于家北溝組分布比較局限，指西拉木倫河以南中生代火山巖和額里圖組中酸性火山巖之間的一套海陸交互相沉積，巖石為凝灰質(zhì)砂巖、砂礫巖、礫巖、粉砂巖夾板巖和火山碎屑巖組合，富含化石［11］。

圖1 研究區(qū)于家北溝組分布示意圖Fig.1 Distribution of Yujiabeigou formation in the studied area

2 樣品描述及測(cè)試方法

本文所選7塊碎屑沉積巖樣品均取自研究區(qū)于家北溝組，CF062-1、CF033-2、CF023-2為粉砂級(jí)砂巖，CF0213-1、CF0217-1、CF032-2、CF0318-1為中細(xì)粒砂巖，其中 CF0213-1、CF0318-1含少量礫石。

所采集的樣品首先經(jīng)過薄片鑒定，選擇新鮮樣品用于地球化學(xué)分析。常量和微量元素分析在河北省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，用于常量和微量元素分析的樣品粗碎和中碎在顎式破碎機(jī)中進(jìn)行，最后采用瑪瑙質(zhì)無污染設(shè)備細(xì)碎至74 μm(200目)，樣品加工過程均在無污染設(shè)備中進(jìn)行。常量元素分析采用重量法完成，稀土元素采用X Series 2等離子質(zhì)譜儀完成。主量、稀土分析精度一般優(yōu)于5%，分析結(jié)果見表1—表3。

表1 內(nèi)蒙古北部下二疊統(tǒng)于家北溝組碎屑沉積巖常量元素分析結(jié)果Table 1 Constant elements values of clastic sedimentary rocks from Lower Permian Yujiabeigou formation in northern Chifeng，Inner Mongolia

表2 內(nèi)蒙古北部下二疊統(tǒng)于家北溝組碎屑沉積巖稀土元素測(cè)試結(jié)果Table 2 Rare earth elements values of clastic sedimentary rocks from Lower Permian Yujiabeigou Formation in northern Chifeng，Inner Mongolia

表3 內(nèi)蒙古北部下二疊統(tǒng)于家北溝組碎屑沉積巖稀土元素統(tǒng)計(jì)分析Table 3 Rare earth elements statistical values of clastic sedimentary rocks from Lower Permian Yujiabeigou Formation in northern Chifeng，Inner Mongolia

3 分析與討論

3.1 常量元素地球化學(xué)特征

本文的碎屑沉積巖常量元素地球化學(xué)分析采用Pettijohn等［12］提出的陸源砂巖的分析圖解。7塊樣品中有5塊落入雜砂巖范圍，1塊落入巖屑砂巖區(qū)域，1塊落入長(zhǎng)石砂巖區(qū)域(見圖2)，由此可以得出，于家北溝組的碎屑沉積巖主要以雜砂巖為主，說明源區(qū)巖石沒有經(jīng)過充分的搬運(yùn)、分選，成熟度比較低。其中 CF023-2、CF0217-1、CF032-2、CF0318-1以及CF062-1樣品屬于w(Na2O)/w(K2O)＞1的貧堿砂巖，CF0213-1、CF033-2樣品屬于w(Na2O)/w(K2O)＜1的富堿砂巖，說明碎屑物質(zhì)來自于不同的物源區(qū)。

Roser 等［1］提 出 的 砂 巖-泥 巖 (K2O/Na2O)-SiO2大地構(gòu)造背景判別圖得到了廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可，隨著SiO2含量的減少，所反映的大陸構(gòu)造環(huán)境從被動(dòng)大陸邊緣向島弧環(huán)境遷移。本文的7塊樣品全部集中投影于活動(dòng)大陸邊緣范疇 (見圖3)。通過TiO2-(MgO+Al2O3)構(gòu)造環(huán)境判別圖投影，有5塊樣品集中于大陸邊緣弧環(huán)境中 (見圖4)。這說明大量的非成熟地殼組分為下二疊統(tǒng)于家北溝組的碎屑沉積巖提供了物源，也在一定程度上證明了研究區(qū)在早二疊世或更早可能處于西伯利亞板塊與華北克拉通縫合的階段。

圖2 于家北溝組碎屑沉積巖物源分析圖解Fig.2 Source analysis diagram of clastic sedimentary rocks from Lower Permian Yujiabeigou Formation

圖3 于家北溝組碎屑沉積巖構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.3 Tectonic environment diagram of clastic sedimentary rocks from Lower Permian Yujiabeigou Formation

圖4 于家北溝組碎屑沉積巖大地構(gòu)造背景判別圖Fig.4 Geotectonic background diagram of clastic sedimentary rocks from Lower Permian Yujiabeigou formation

3.2 稀土元素地球化學(xué)特征

在沉積巖稀土元素化學(xué)分析中，人們普遍認(rèn)為北美頁(yè)巖 (NASC)中稀土元素或澳大利亞太古代平均頁(yè)巖 (PAAS)中稀土元素的特征代表了上地殼中稀土元素的分布特征［13～14］。

上地殼中的稀土元素表現(xiàn)出輕稀土元素富集、重稀土元素含量穩(wěn)定以及負(fù)Eu元素異常等特征。輕稀土元素富集說明上地殼中大離子親石元素的含量相對(duì)于原始幔源要明顯偏高，重稀土元素含量穩(wěn)定是由于上地殼中缺乏使重稀土元素分餾的因素，負(fù)Eu元素異常則是因?yàn)樵胤之愖饔檬股系貧u元素缺失。對(duì)于物源為上地殼的砂巖，由于石英的稀釋作用，其稀土元素含量比同時(shí)代的泥巖要低一些，但配分模式應(yīng)與NASC或PAAS相似。

赤峰北部下二疊統(tǒng)于家北溝組碎屑沉積巖經(jīng)球粒隕石校正后的稀土元素分布，表現(xiàn)出的正是富含輕稀土元素、重稀土元素含量穩(wěn)定、負(fù)Eu元素異常的特點(diǎn)，與NASC變化趨勢(shì)大體一致 (見圖5)，經(jīng)NASC標(biāo)準(zhǔn)化后表現(xiàn)為較為平坦的折線 (見圖6)。δEu值在0.72～0.99之間，表現(xiàn)出一定的負(fù)Eu異常，說明母巖的碎屑物質(zhì)應(yīng)該來自于上地殼，即大陸殼中。結(jié)合δEu對(duì)原巖巖性的判別，中性斜長(zhǎng)巖一般具有正Eu異常 (1.01＜δEu＜2.33)，玄武巖一般沒有 Eu異常 (0.90＜δEu＜1.00)，花崗巖一般具有負(fù) Eu異常 (δEu＜0.99)［16～18］。可知于家北溝組碎屑沉積巖的原巖以沉積巖和花崗巖為主，可能有少量的玄武巖。

圖5 于家北溝組碎屑沉積巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后的稀土元素配分模式Fig.5 Partition models of rare earth elements after chondrite standardization

圖6 于家北溝組碎屑沉積巖NASC標(biāo)準(zhǔn)化后的稀土元素配分模式Fig.6 Partition models of rare earth elements after NASC standardization

赤峰北部下二疊統(tǒng)于家北溝組碎屑沉積巖稀土元素總量 ΣREE介于94.23×10－6～181.05×10－6之間，平均值為148.39×10－6，與上地殼平均值 (148.14×10－6)基本一致，進(jìn)一步說明其母巖碎屑物質(zhì)來自于上地殼。ΣLREE/ΣHREE值介于5.60～9.70之間，顯示輕重稀土元素分異明顯，輕稀土元素富集，重稀土元素含量穩(wěn)定，這與稀土元素配分圖(見圖5)表示的情況一致。參照不同大地構(gòu)造背景的沉積盆地中雜砂巖稀土元素特征 (見表4)［19］分析可知，赤峰北部下二疊統(tǒng)于家北溝組碎屑沉積巖稀土元素特征值接近于活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧構(gòu)造背景。

表4 不同大地構(gòu)造背景的沉積盆地中雜砂巖稀土元素特征［19］Table 4 Characteristics of rare earth elements of greywacke in different sedimentary basins

4 結(jié)論

(1)赤峰北部下二疊統(tǒng)于家北溝組的碎屑沉積巖主要以雜砂巖為主，未經(jīng)歷充分搬運(yùn)，成熟度低，其物質(zhì)來自于不同的物源區(qū)。

(2)赤峰北部下二疊統(tǒng)于家北溝組的碎屑沉積巖，富含輕稀土元素，重稀土元素含量穩(wěn)定，負(fù)Eu元素異常。稀土元素配分模式與北美頁(yè)巖中稀土元素 (NASC)相似。

(3)赤峰北部下二疊統(tǒng)于家北溝組的碎屑沉積巖母巖碎屑物質(zhì)來自于上地殼，其物源區(qū)大地構(gòu)造背景為活動(dòng)大陸邊緣或者大陸島弧，一定程度上反映了研究區(qū)在早二疊世或更早可能處于西伯利亞板塊與華北克拉通縫合的階段。

(4)赤峰北部下二疊統(tǒng)于家北溝組的碎屑沉積巖原巖以沉積巖和花崗巖為主，含有少量的玄武巖。

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GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF CLASTIC SEDIMENTARY ROCKS FROM LOWER PERMIAN YUJIABEIGOU FORMATION IN NORTHERN CHIFENG，INNER MONGOLIA

GUO Wei1，YANG Xinde2，ZHANG Juan1，HAO Bin1
(1.School of Earth Sciences and Resources，China University of Geosciences，Beijing 100083，China;2.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciencses，Beijing 100081，China)

Located in northern Chifeng，Inner Mongolia，the clastic sedimentary rocks of Lower Permian Yujiabeigou Formation is mainly distributed at the Inner Mongolia uplift in the northern margin of North China craton.These clastic sedimentary rocks are dominated by graywackes，and their source rocks have not been fully handling and sorting，with relatively low maturity.The studying results have shown that light and heavy rare earth elements differentiate distinctly，and that light rare earth elements are obvious enrichment while the heavy rare earth elements stay stable.The values of δEu vary from 0.72 to 0.99，show negative Eu anomalies particularly and are similar with NASC or PAAS distributing model，which suggest that these sediments are sourced from upper crust.Combining with the predecessors’achievements， it is obtained that the original rocks of these sediments’parent rocks mainly are consist of sedimentary rocks and granites，with a small amount of basalt;The geotectonic background of these sediments’source area is active continental margin or continent island arc，which may show that this studying area is in the suture stage between Siberia plate and North China craton in Lower Permian or earlier time.

LowerPermian;clasticsedimentaryrock;geochemicalcharacteristics;active continental margin;continent island arc

P595

A

1006-6616(2011)03-0295-08

2011-04-28

本文由中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局“內(nèi)蒙古1∶50000炒米房幅 (K50E006017)，土城子幅 (K50E006018)，新開地幅(K50E007017)，大黑水幅 (K50E007018)區(qū)調(diào)”項(xiàng)目資助。

郭偉 (1985-)，男，中國(guó)地質(zhì)大學(xué) (北京)在讀碩士，礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)專業(yè)。E－mail:hamo9527@163.com