甘肅北山三個井組碎屑巖地質(zhì)、地球化學(xué)特征及其沉積構(gòu)造背景

翁 凱，張 雪，梁積偉

（1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院，西安 710054；2.西安地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，西安 710054）

0 引言

沉積巖是在地表及地下不太深的地方，常溫常壓條件下由風(fēng)化作用、生物作用和某種火山作用形成的物質(zhì)經(jīng)改造而成的巖石，其沉積物組成主要由沉積巖源區(qū)的巖石組合決定［1－2］。不同的大地構(gòu)造環(huán)境具有一定的物源區(qū)特征和沉積過程，可以為沉積盆地提供大量的具有特定巖石組成和地化特征的沉積物［3－4］。因此，對造山帶內(nèi)盆地中碎屑巖的組成和地球化學(xué)特征的研究，可用來判別沉積物源區(qū)的性質(zhì)和大地構(gòu)造背景，進而推斷該區(qū)的構(gòu)造演化歷史，目前已成為造山帶沉積學(xué)研究的重要手段［5－7］。

研究發(fā)現(xiàn)，礫巖中的礫石成分可以指示其母巖性質(zhì)，含變質(zhì)巖礫石多的礫巖主要來源于由變質(zhì)巖組成的陸源區(qū)；礫巖層中的礫石主要為巖漿巖，其來源區(qū)主要分布巖漿巖。砂巖成分以富石英、貧巖屑為特征，表明其沉積于裂谷盆地中；含大量火山巖屑、多晶石英和斜長石等碎屑的雜砂巖、長石砂巖組合多沉積于弧前盆地，物源主要來自島弧火山巖、花崗巖及島弧蓋層和增生楔；火山碎屑巖主要沉積于弧后盆地［8－9］。這些成果都為造山帶沉積的研究提供了可靠的依據(jù)。但由于砂、礫巖在成巖過程中經(jīng)歷了多種地質(zhì)作用，改變了碎屑巖的結(jié)構(gòu)和組成，從而降低了研究成果的可信度。而碎屑巖的地球化學(xué)特征卻能很好地反映其物源信息［10－11］。因此，將礫巖、粗砂巖的巖石學(xué)研究和細砂巖、泥巖的地球化學(xué)研究結(jié)合起來，能夠很好地反映沉積物源、沉積環(huán)境和造山帶演化歷史。

北山地區(qū)為地處甘肅西部安西、金塔以北的低緩山區(qū)。長期以來，前人對北山地區(qū)古生代蛇綠巖和火山巖進行了大量的研究［13－14］，但對該區(qū)造山帶中沉積巖卻鮮有研究。本文主要研究泥盆系三個井組沉積巖碎屑組成、地球化學(xué)成分和沉積物的來源，討論其形成時的大地構(gòu)造背景。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

圖1 甘肅北山地區(qū)墩墩山一帶地質(zhì)簡圖及剖面位置圖（據(jù)楊合群，2008；修改）Fig.1 The geological sketch of Dundun mountain area in Gansu Beishan area showing the section position

甘肅北山三個井組分布于弓形黑山—三個井—墩墩山—石板墩一線（圖1），出露形態(tài)呈半環(huán)型，面積約152.1km2，為厚達數(shù)千米的碎屑巖夾中－中酸－酸性火山巖巖系，部分地段夾碳酸鹽巖透鏡體。該組與下伏寒武系雙鷹山組（∈s）、奧陶系羅雅楚山組（Ol）與花牛山群（OH）等地層呈角度不整合接觸，與上覆墩墩山群（DD）火山巖呈小角度不整合接觸（圖2a，圖2b）。在三個井組出露區(qū)北部為平頭山逆沖推覆體，多出露前寒武系；在其南部和東部發(fā)育晚古生代石英閃長巖，侵入接觸面或發(fā)育斷層。

2 三個井組地質(zhì)特征

三個井組分為下部礫巖段和上部砂巖段。下部礫巖段由礫巖、砂礫巖、含礫石巖及粗粒巖屑砂巖組成（圖2c），其中底部為塊狀礫巖、角礫巖，分選和磨圓均很差，礫石成分以硅質(zhì)巖、石英巖為主，填隙物為砂巖；上部為細礫巖與粗粒巖屑石英砂巖互層（圖2d），其礫石成分復(fù)雜，有花崗巖、石英巖、片麻巖、流紋巖和英安巖等，分選和磨圓良好，填隙物為砂屑，主要由巖屑和石英組成，接觸式膠結(jié)。

三個井組砂巖主要分2類。一是長石巖屑砂巖，細粒砂狀結(jié)構(gòu)，碎屑含量90%以上，碎屑分選中等，磨圓度中等，多為次棱角狀、次圓狀；碎屑主要由巖屑組成（占45%～55%），其次為石英（20%～30%）、長石（20%～30%）；巖屑主要是火山巖或凝灰?guī)r，少量的千枚巖和灰?guī)r類，充填物較少，主要為細碎屑物和碳酸鹽（圖2e，圖2f）。二是復(fù)成分砂巖，細砂結(jié)構(gòu)，石英占20%～30%，火山碎屑20%～30%，灰?guī)r40%～50%，云母3%～5%，長石10%～20%；火山巖屑包括熔巖或凝灰?guī)r，長石、石英呈棱角狀、次棱角狀，灰?guī)r多為碎屑狀；長石、石英可能以陸源碎屑為主。

圖2 三個井組野外地質(zhì)特征及顯微鏡下特征照片F(xiàn)ig.2 The field and microscopic characteristics of the Three wells formation

3 三個井組地球化學(xué)特征

從表1可見，三個井組碎屑巖中不同砂巖的SiO2質(zhì)量分數(shù)較高（58.47%～73.9%），其他成分（TiO2，MgO和CaO）質(zhì)量分數(shù)較低，表明砂巖的成熟度較高。砂巖樣品中Al2O3／SiO2＝0.1～0.3，沒有出現(xiàn)明顯的變化。砂巖中w（TiO2）較低，w（Fe2O3）較高，說明樣品中金紅石、鈦磁鐵礦等含鈦的重礦物含量較低，赤鐵礦等富含鐵氧化物碎屑的礦物含量較高。隨著砂巖成熟度的提高和長石及其他易溶組分轉(zhuǎn)變?yōu)楦烩涴ね恋V物，K2O／Na2O值增大，常作為砂巖類型和砂巖形成大地構(gòu)造背景的判別指標。典型的來源于活動大陸邊緣背景下的砂巖K2O／Na2O值（0.27～1.34）較低［15］。三個井組砂巖雖有較高的成熟度，但其K2O／Na2O值仍較低，大多為0.27～1.34，表明物源主要來自活動大陸邊緣。

三個井組砂巖的稀土元素總量w（REE）＝80.51×10－6～244.06×10－6，其中 w（LREE）＝60.71×10－6～186.67×10－6，w（HREE）＝7.7×10－6～24.5×10－6，LREE／HREE＝6.13～12.45，（La／Yb）N＝5.94～24.23，平均8.33，δ（Eu）＝0.42～0.78，δ（Ce）＝0.91～1.01。在稀土配分曲線圖（圖3）上呈右傾單斜，銪負異常明顯的特征，表明其形成于與島弧有關(guān)的活動大陸邊緣，其物源可能是遭受剝蝕而出露的火山巖或變質(zhì)地體以及發(fā)生分異的酸性火山巖［16］。

4 沉積構(gòu)造環(huán)境

4.1 碎屑成分與構(gòu)造環(huán)境

圖3 三個井組砂泥巖稀土配分曲線Fig.3 REE pattern of sandstone and mudstone in the three wells formation

表1 三個井組砂巖、泥巖化學(xué)分析結(jié)果Table 1 Chemical analysis of of sandstone and mudstong in the three wells formation

圖4 三個井組QFL物源區(qū)大地構(gòu)造背景判別圖Fig.4 The QFL provenance tectonic background discrimination diagram of three wells formation

研究表明，可用砂巖碎屑組分探討其物源區(qū)的大地構(gòu)造背景。以石英、長石和巖屑為端元組分繪制出三角圖解，通過與現(xiàn)代沉積物對比，大致劃分出陸塊物源區(qū)、巖漿弧物源區(qū)和再旋回造山帶物源區(qū)的范圍［17］。通過觀察三個井組砂巖薄片，發(fā)現(xiàn)該區(qū)砂巖中碎屑組分以巖屑為主，對其進行定量統(tǒng)計投圖，砂巖樣品大多投在巖漿弧物源區(qū)范圍內(nèi)（圖4）。

4.2 碎屑巖地球化學(xué)與構(gòu)造環(huán)境

研究表明，元素Fe，Ti具不易溶于海水、在海水中快速沉淀的特性；元素Mg雖在海水中溶解能力較強，但其在滲透率極差的濁積巖中能夠很好地反映物源區(qū)巖石的性質(zhì)；Al2O3／SiO2可用來判別砂巖中石英的富集程度。這些元素特征可很好地反映沉積物源區(qū)巖石性質(zhì)［18］。將三個井組砂巖樣品投在（Fe2O3＋MgO）—TiO2和（Fe2O3＋MgO）—Al2O3／SiO2判別圖（圖5）中，發(fā)現(xiàn)樣品在圖中較分散，落到了大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣、被動大陸邊緣區(qū)域，而被動大陸邊緣區(qū)相對較少。少量被動大陸邊緣物源信息的出現(xiàn)，可能是由于沉積物在沉積作用過程中，受各種物理化學(xué)作用的影響發(fā)生不同程度均一化所致［19］。

圖5 三個井組砂巖、泥巖形成構(gòu)造背景的巖石化學(xué)判別圖Fig.5 Geotecnic background discrimination diagram of sandstone and mudstong in the Three wells formation

圖6 三個井組砂巖、泥巖形成構(gòu)造背景的微量元素判別圖Fig.6 Geotectonic background discrimination diagram of sandstone and mudstong in the Three wells formation

沉積物中稀土元素的含量主要由源區(qū)巖石成分決定，這是因為不可溶的REE在海水中含量極低。因此，存在于沉積巖中的REE主要是呈顆粒物質(zhì)搬運的，反映了它們的物源區(qū)的地球化學(xué)特征。比較而言，后期的風(fēng)化和成巖作用的效應(yīng)對其含量影響較?。?0］。研究表明，具有銪負異常的砂巖常存在于與島弧相關(guān)的沉積盆地中［4］。三個井組砂巖的稀土配分曲線總體具有輕稀土富集、銪負異常、重稀土元素平坦的特征，表明沉積巖形成于與島弧相關(guān)的沉積盆地中。

沉積學(xué)家認為，La，Co，Nd，Y，Th，Zr，Hf，Nb，Ti及Sc等相對不活潑元素的組合可用來確定沉積源區(qū)的類型和構(gòu)造背景，并在研究澳大利亞東部古生代濁積巖時得以驗證［19］。將三個井組砂巖樣品 投 在 La—Th—Sc，Th—Sc—Zr／10， Th—Co—Zr／10和Th—La圖版上（圖6），發(fā)現(xiàn)樣品幾乎都落在了大洋島弧和大陸島弧之中。

沉積巖稀土微量元素比值可很好地劃分其沉積背景區(qū)。大洋島弧背景區(qū)La／Sc＜1，Ti／Zr＞40，La／Y＜0.5；大陸弧背景 La／Sc＝1～3，Ti／Zr＝10～35，La／Y＝0.5～1.0；活動大陸邊緣 La／Sc＝3～6，La／Y＝1～1.5；被動大陸邊緣 La／Sc＝3～9，Ti／Zr＜10［19］。三個井組砂巖微量元素比值都較接近（La／Sc＝1.64～4.57，均值2.8；Ti／Zr＝8.35～49.1，均值19.35；La／Y＝0.85～1.25，均值1.07），將砂巖樣品投在 La／Sc—Ti／Zr圖（圖7）上，發(fā)現(xiàn)樣品幾乎都落在了大洋島弧和大陸島弧范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

（1）北山地區(qū)三個井組礫巖中礫石成分復(fù)雜，以硅質(zhì)巖、石英巖為主，填隙物為砂巖，分選磨圓良好。粗粒砂巖主要為長石巖屑砂巖和復(fù)成分砂巖，分選中等，多為棱角狀。說明物源主要來自造山帶地區(qū)，具有快速堆積的特征。

圖7 三個井組砂巖、泥巖形成構(gòu)造背景的Ti／Zr—La／Sc判別圖Fig.7 The Ti／Zr－La／Sc geotectonic background discrimination diagram of sandstone and mudstong in the three wells formation

（2）細砂巖、泥巖巖石地球化學(xué)研究表明，三個井組沉積物物源環(huán)境主要為火山島弧，但也存在活動大陸邊緣構(gòu)造背景源區(qū)。早泥盆世哈薩克斯坦板塊的旱山微大陸與塔里木板塊的北山地體間發(fā)生由南向北俯沖碰撞造山，兩個板塊拼接在一起，形成統(tǒng)一大陸［21－23］，殘留下一條沿紅柳河—牛圈子—洗腸井分布的古生代蛇綠巖［24－25］，作為這次碰撞的沉積響應(yīng)，在墩墩山一帶形成厚度巨大、橫向變化極大的三個井組磨拉石建造，物質(zhì)來源于遭受剝蝕的造山帶。

（3）三個井組自下而上由水下扇體系→河流－湖泊相沉積體系→河流－洪積扇沉積體系組成，垂向?qū)有虮憩F(xiàn)出粗－細－粗，色調(diào)由紅、綠－綠、灰－紅，水體由淺－深－淺的特點，具有典型的周緣前陸盆地沉降沉積構(gòu)造旋回特征。

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