阿爾泰造山帶古生代地層的地球化學(xué)特征及其對(duì)沉積環(huán)境的制約

沈瑞峰, 張?輝, 唐?勇, 呂正航

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阿爾泰造山帶古生代地層的地球化學(xué)特征及其對(duì)沉積環(huán)境的制約

沈瑞峰1,2, 張?輝1*, 唐?勇1, 呂正航1

(1. 中國(guó)科學(xué)院 地球化學(xué)研究所, 貴州 貴陽(yáng)?550002; 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京?100049)

對(duì)阿爾泰造山帶古生代地層的地球化學(xué)研究表明, 淺變質(zhì)碎屑巖的原巖多為泥砂質(zhì)沉積巖, 包含少量來(lái)自火成巖或火山巖物質(zhì)。樣品的成分變異指數(shù)(ICV)值分布于0.83~1.61之間, 絕大部分大于1.0, 表明碎屑巖的成熟度較差, 代表活動(dòng)大陸邊緣的首次沉積的產(chǎn)物?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)(CIA)值分布于50~82之間, 其中石炭紀(jì)庫(kù)馬蘇組以高CIA值(71~79)為特征, 指示源區(qū)物質(zhì)可能經(jīng)歷了溫暖-炎熱、濕潤(rùn)-潮濕條件下的中等-強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化作用, 而哈巴河群、庫(kù)魯姆提群、康布鐵堡組、阿勒泰組和紅山嘴組顯示低的CIA值(50~70), 指示源區(qū)物質(zhì)經(jīng)歷了相對(duì)寒冷、干燥的條件下的弱的化學(xué)風(fēng)化作用。古生代地層中(Fe2O3T+MgO)、TiO2含量以及Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值, 稀土元素La、Ce含量以及微量元素Th/Sc、La/Sc值顯示, 哈巴河群、庫(kù)魯姆提群、康布鐵堡組、阿勒泰組碎屑沉積巖主體形成于大陸島弧背景, 庫(kù)馬蘇組、紅山嘴組沉積與大陸島弧-活動(dòng)大陸邊緣具有成因聯(lián)系。以上地球化學(xué)特征表明, 阿爾泰古生代碎屑巖可能沉積于活動(dòng)大陸邊緣的大陸島弧相關(guān)環(huán)境, 為阿爾泰古生代多塊體增生構(gòu)造演化模式提供依據(jù)。

地球化學(xué); 原巖恢復(fù); 源區(qū)特征; 沉積環(huán)境; 古生代地層; 阿爾泰造山帶

0?引?言

中亞造山帶[1–3]是全球顯生宙陸殼增生和改造最顯著的地區(qū), 而阿爾泰造山帶是中亞造山帶的重要組成部分, 也是重要的金屬礦產(chǎn)成礦帶, 因此對(duì)于阿爾泰造山帶的構(gòu)造-巖漿-成礦作用研究吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的極大關(guān)注[4–14]。盡管前人對(duì)該地區(qū)進(jìn)行了詳細(xì)的研究, 但是對(duì)于阿爾泰地區(qū)的構(gòu)造演化模式還存在著爭(zhēng)議, 并且主要集中在古生代構(gòu)造演化歷史和地殼的增生方式上, 總的可以概括為開(kāi)合構(gòu)造模式和島弧增生兩種基本模式, 開(kāi)合構(gòu)造模式強(qiáng)調(diào)阿爾泰造山帶在古生代處于閉合-拉張的構(gòu)造環(huán)境中[15–18], 島弧增生模式則認(rèn)為阿爾泰造山帶是由長(zhǎng)期存在的單一島弧持續(xù)的俯沖碰撞形成的[6,19]。最近越來(lái)越多的研究表明阿爾泰造山帶不可能由單一島弧形成, 而是由各種不同的地體(如蛇綠巖套、島弧、海山、增生楔和微陸塊)合并形成[9,10,13,14,20–25,26–28], 這些成果多是基于對(duì)該區(qū)域的巖漿巖的研究得到的。而對(duì)于該地區(qū)大面積分布的古生代地層的研究相對(duì)較少, 主要是對(duì)單個(gè)地層的年代厘定[26,29–33], 變質(zhì)熱演化歷史[34–37]和深變質(zhì)巖[38–40], 近些年, 一些學(xué)者[14,26,41–44]通過(guò)對(duì)哈巴河群、康布鐵堡組和阿勒泰組的碎屑沉積巖的地球化學(xué)特征, 碎屑鋯石U-Pb年齡以及Hf同位素等的研究, 得到了其形成于靠近大陸島弧的活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境, 為阿爾泰構(gòu)造演化歷史提供了重要的證據(jù), 但是對(duì)阿爾泰完整的古生代地層的系統(tǒng)研究還相對(duì)缺乏。

沉積巖能夠?yàn)殛憵さ奈镔|(zhì)組成、構(gòu)造演化和地殼的生長(zhǎng)演化等提供重要的信息, 如能夠揭示古氣候條件[45–47], 制約源區(qū)的物質(zhì)組成特征[48–51]以及恢復(fù)沉積構(gòu)造環(huán)境[52–55]等, 阿爾泰由于泥巖和砂巖的微量元素含量較高并且較為平均, 已經(jīng)成為研究沉積巖地球化學(xué)的理想對(duì)象[45,47,55,56]。但是近年來(lái)利用淺變質(zhì)碎屑沉積巖對(duì)源區(qū)物質(zhì)組成特征和地殼演化的研究也取得了不錯(cuò)的成果[57–59]。本文采集了阿爾泰造山帶一套完整的古生代淺變質(zhì)碎屑沉積巖, 旨在通過(guò)對(duì)古生代淺變質(zhì)碎屑沉積巖的地球化學(xué)研究, 揭示該套巖石的源區(qū)風(fēng)化、物質(zhì)組成特征和形成的構(gòu)造環(huán)境, 為恢復(fù)阿爾泰古生代的大地構(gòu)造背景提供一定的制約。

1?區(qū)域地質(zhì)背景

阿爾泰造山帶位于中亞造山帶的西南部, 從西經(jīng)過(guò)俄羅斯、哈薩克斯坦、中國(guó)北部, 向東到達(dá)蒙古國(guó)境內(nèi), 全長(zhǎng)2500 km, 寬800 km, 南依準(zhǔn)噶爾盆地, 北臨西伯利亞克拉通。前人根據(jù)該地區(qū)的地層學(xué)、變質(zhì)和變形特征、巖漿活動(dòng)以及火成巖年代學(xué), 把阿爾泰造山帶劃分為3個(gè)構(gòu)造單元[15]或者6個(gè)地塊[2]。近些年研究表明把阿爾泰造山帶劃分為4個(gè)地塊更為合理[12–14,26–28,31,42,43], 從北向南以紅山嘴-諾爾特?cái)嗔?、?kù)爾提-阿巴宮斷裂和額爾齊斯斷裂將阿爾泰造山帶分為北阿爾泰、中阿爾泰、瓊庫(kù)爾地塊和南阿爾泰。北阿爾泰主要由晚泥盆紀(jì)-早石炭紀(jì)碎屑沉積巖、花崗巖和綠片巖相變質(zhì)巖組成[60–61], 其中庫(kù)馬蘇組主要以長(zhǎng)石石英砂巖、石英砂巖和絹云綠泥千枚巖等為主, 紅山嘴組以石英砂巖、長(zhǎng)石砂巖和泥質(zhì)板巖為特征。中阿爾泰主要有中奧陶紀(jì)-早泥盆紀(jì)地層和大面積的花崗巖組成, 發(fā)育地層主要有奧陶紀(jì)哈巴河群和志留紀(jì)庫(kù)魯姆提群, 奧陶紀(jì)哈巴河群以石英片巖、黑云母石英片巖和千枚巖為主。早期研究認(rèn)為該地塊可能發(fā)育有前寒武紀(jì)基底[62],最近研究表明存在前寒武紀(jì)古老基底的可能性微乎其微[12,26–28,33,42,43,63–65]。瓊庫(kù)爾地塊主要有志留紀(jì)庫(kù)魯姆提群、早泥盆紀(jì)的康布鐵堡組、中泥盆晚阿勒泰組和大面積出露的花崗巖組成, 其中庫(kù)魯姆提群以變質(zhì)較淺的變質(zhì)粗砂巖、細(xì)砂巖和變質(zhì)較深的石英片巖夾少量的片麻巖和混合巖為主, 阿勒泰組以千枚巖和石英片巖為特征, 康布鐵堡組多發(fā)育石英片巖和變質(zhì)石英砂巖。南阿爾泰主要發(fā)育泥盆紀(jì)含化石沉積巖和石炭紀(jì)火山碎屑巖。向南為額爾齊斯斷裂帶, 發(fā)育一套片麻巖系。

阿爾泰造山帶古生代地層主要分布于北阿爾泰、中阿爾泰和瓊庫(kù)爾構(gòu)造單元中, 其中哈巴河群 (O2hb1–3)主要在富蘊(yùn)縣西北部地區(qū)、東部地區(qū)(可可托海鎮(zhèn)和庫(kù)威溝)以及青河縣境內(nèi)分布, 庫(kù)魯姆提群 (S2–4k1–2)主要分布于福海縣北部的卡魯安、阿祖拜和瓊庫(kù)爾等地區(qū), 康布鐵堡組(D1k1–4)主要分布在富蘊(yùn)西北至阿勒泰市一線, 阿勒泰組 (D2al1–3)分布于阿勒泰市東北的阿巴宮、富蘊(yùn)縣東部的托克拜-達(dá)拉吾孜村地區(qū)一帶, 庫(kù)馬蘇組(D3C1k1)和紅山嘴組 (C1hshz1–3)主要出露于北阿爾泰構(gòu)造單元的諾爾特地區(qū)。鑒于一些學(xué)者[14,29,33,42,43]對(duì)阿爾泰南緣泥盆紀(jì)地層和阿爾泰西北部地層的研究, 本次研究樣品主要采自中阿爾泰, 少量樣品采自北阿爾泰和瓊庫(kù)爾構(gòu)造單元, 所采集的古生代地層樣品分布見(jiàn)圖1。

2?樣品描述及分析方法

2.1?樣品描述

本次野外地質(zhì)工作中, 采集均遠(yuǎn)離巖漿巖侵入體及其脈體的古生代地層的新鮮樣品, 自下而上包括奧陶紀(jì)哈巴河群、志留紀(jì)庫(kù)魯姆提群、泥盆紀(jì)康布鐵堡組和阿勒泰組、石炭紀(jì)庫(kù)馬蘇組和紅山嘴組。由于震旦-寒武紀(jì)的喀納斯群第一至第四亞群僅在阿爾泰山零星出露, 而二疊紀(jì)喀喇額爾齊斯組、特斯巴組汗和庫(kù)爾提組在研究區(qū)出露很少, 因此, 在本次研究中不予考慮。

采集樣品多為淺變質(zhì)和未變質(zhì)的碎屑巖(圖2a、2b), 主要巖性為云母片巖、石英片巖和變質(zhì)砂巖, 共40余件, 本文所分析的32件樣品是在室內(nèi)顯微鏡下初步觀察的基礎(chǔ)上選取的。

2.2?分析測(cè)試方法

樣品的主元素和微量元素分析均在中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所礦床地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成, 其中巖石中主要化學(xué)組成由AXIOS XRF分析測(cè)試制成玻璃片獲得; 熔片法, 具體包括：取0.7 g樣品和7 g助熔劑(Li2B4O7), 攪拌均勻倒入鉑金坩堝中, 再加少量LiBr和LiNO3, 在熔樣爐中加熱至1100 ℃熔融制成玻璃片。微量元素分析在四級(jí)桿型電感耦合等離子體質(zhì)譜(Q-ICP-MS)上進(jìn)行, 先采用HF+HNO3密閉高壓溶樣, 溶解好的樣品溶液在四級(jí)桿等離子體質(zhì)譜儀上測(cè)定, 溶樣和分析流程見(jiàn)文獻(xiàn)[66]。上述分析中主元素的分析相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)<1%, 微量元素(包括REE)的分析相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)< 10%。

圖1?阿爾泰造山帶區(qū)域地質(zhì)及采樣分布圖

數(shù)字1–4分別代表北阿爾泰、中阿爾泰、瓊庫(kù)爾和南阿爾泰構(gòu)造單元, 據(jù)文獻(xiàn)[2], [13], [15]和[27]改編

1–4 represent North Altai Domain, Central Domain, Qiongkuer Domain, South Altai Domain, after reference [2], [13], [15] and [27]

圖2?阿爾泰古生代淺變質(zhì)碎屑巖野外和顯微照片(c 單偏光, d正交偏光)

3?結(jié)?論

3.1?巖相學(xué)特征

采集樣品的主要巖性為云母石英片巖、變粉砂巖和板巖。其中黑云母石英片巖為灰綠色, 鱗片變晶結(jié)構(gòu), 粒狀變晶結(jié)構(gòu), 顯微變晶結(jié)構(gòu), 礦物組成為斜長(zhǎng)石(35%~40%), 云母(35%~40%), 石英(25%~ 30%), 黃鐵礦(<5%)。斜長(zhǎng)石呈粒狀, 部分呈卵圓狀, 較大顆粒邊緣發(fā)育港灣狀結(jié)構(gòu); 云母呈細(xì)小鱗片狀, 多為白云母; 黑云母含量較少, 石英呈梭狀、長(zhǎng)條狀和細(xì)小鱗片狀, 定向分布。變質(zhì)粉砂巖為灰黑色, 變余礫狀結(jié)構(gòu), 交代殘余結(jié)構(gòu), 變余構(gòu)造, 主要礦物有斜長(zhǎng)石(30%~40%), 石英(40%~45%), 云母(5%~10%), 磁鐵礦(<5%), 基質(zhì)(10%~15%)。斜長(zhǎng)石為不均勻顆粒, 部分蝕變?yōu)樵颇?、綠泥石和黃鐵礦; 石英呈卵圓狀, 多裂隙; 云母包括黑云母和白云母, 呈細(xì)小鱗片狀或者長(zhǎng)條狀, 在基質(zhì)中分布較多(圖2c)。板巖為灰黑色、灰綠色, 鱗片變晶結(jié)構(gòu), 條帶狀, 礦物定向排列, 主要為斜長(zhǎng)石(40%~45%)、云母(40%~45%)以及少量的石英和磁鐵礦等副礦物(<15%)。斜長(zhǎng)石和云母呈細(xì)小鱗片狀, 顯微變晶結(jié)構(gòu), 均勻分布, 定向排列, 有時(shí)呈條帶狀(圖2d)。

3.2?地球化學(xué)特征

3.2.1?主要化學(xué)組成

古生代地層不同巖性巖石主要化學(xué)組成分析結(jié)果列于表1。

在哈巴河群11個(gè)樣品中, 除HB-6外, 其他10個(gè)樣品中SiO2、Al2O3變化于59.80%~80.80%、8.80%~17.90%之間; Fe2O3T、MgO、CaO 分布于2.75%~7.97%、1.53%~6.69%、0.20%~2.80%范圍; K2O、Na2O 則變化于0.96%~3.78%、0.30%~3.39%之間。其中Fe2O3+MgO、TiO2含量分布于4.35%~14.50%、0.40%~0.92%之間, Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值分布于0.11~0.30、0.39~9.54、2.26~32.67之間; 除半數(shù)樣品顯示較高的Fe2O3+MgO (8.73%~14.50%)、TiO2(0.73%~0.92%)外, 其他化學(xué)組成明顯區(qū)別于形成于大洋島弧背景下砂巖的化學(xué)組成, 與形成于大陸島弧背景下砂巖的化學(xué)組成相似。

表1?阿爾泰造山帶古生代地層的主要化學(xué)組成(%)

(續(xù)表1)

注: Fe2O3T為總鐵; 樣號(hào)標(biāo)“*”者數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[67]

所研究的庫(kù)魯姆提群6個(gè)樣品中, SiO2、Al2O3變化于57.20%~77.00%、10.20%~15.80%之間; Fe2O3T、MgO、CaO分布于3.33%~8.15%、1.85%~ 5.87%、0.28%~2.30%范圍; K2O、Na2O 則變化于1.48%~3.22%、0.68%~2.27%之間。其中Fe2O3+MgO、TiO2含量分布于5.85%~14.02%、0.53%~0.89%之間, Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值分布于0.13~0.34、0.75~3.80、2.76~8.48之間; 除2個(gè)樣品 (KL-1、KL-5)顯示較高的Fe2O3+MgO (11.69%、14.02%)、TiO2(0.80%、0.89%)外, 所有樣品的其他化學(xué)組成相似于形成于大陸島弧背景下砂巖的化學(xué)組成。

6個(gè)康布鐵堡組樣品中SiO2、Al2O3變化于73.56%~79.10%、10.78%~18.50%之間; Fe2O3T、MgO、CaO分布于2.78%~4.44%、0.12%~2.42%、0.15%~1.40%范圍; K2O、Na2O則變化于0.40%~ 8.21%、0.56%~6.19%之間。其中Fe2O3+MgO、TiO2含量分布于2.90%~6.90%、0.08%~0.55%之間, Al2O3/ SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值分布變化于0.14~0.17、0.07~14.56、1.85~15.01之間; 除樣品KB-1和KB-4顯示較高的Al2O3/(CaO+Na2O)值(8.01、15.01)以及半數(shù)的樣品TiO2含量和K2O/Na2O值較低外, 所有樣品的其他化學(xué)組成相似于形成于大陸島弧背景下砂巖的化學(xué)組成。

4個(gè)阿勒泰組樣品中SiO2、Al2O3變化于61.60%~68.00%、14.50%~18.50%之間; Fe2O3T、MgO、CaO 分布于3.72%~6.83%、3.07%~4.98%、0.71%~2.98%范圍; K2O、Na2O則變化于1.69%~ 7.58%、1.60%~3.67%之間。其中Fe2O3+MgO、TiO2含量分布于6.79%~11.80%、0.55%~0.69%之間, Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值變化于0.28~0.32、0.46~4.74、2.18~7.52之間; 除ALT-1、ALT-2顯示較高的Fe2O3+MgO (11.80%、10.05%) 以及所有樣品顯示較高的Al2O3/SiO2值外, 所有樣品的其他化學(xué)組成與形成于大陸島弧背景下砂巖的化學(xué)組成相似。

在庫(kù)馬蘇組群5個(gè)樣品中, 除KM-5外, 其他4個(gè)樣品中SiO2、Al2O3變化于57.60%~74.40%、11.60%~19.50%之間; Fe2O3T、MgO、CaO分布于3.37%~8.51%、1.73%~5.40%、0.23%~4.79%范圍; K2O、Na2O則變化于2.37%~3.06%、0.47%~1.60%之間。其中Fe2O3+MgO、TiO2含量分布于5.10%~ 13.90%、0.73%~0.90%之間, Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值分布于0.16~0.34、1.80~5.00、7.88~13.19之間; 除樣品KM-4外, 其他3個(gè)樣品顯示較高的Fe2O3+MgO (12.00%~13.90%)、Al2O3/SiO2值(0.26~0.34), 但所有4個(gè)樣品的其他化學(xué)組成與形成于大陸島弧背景下砂巖的化學(xué)組成相似。

4個(gè)紅山嘴組樣品中SiO2、Al2O3變化于66.40%~ 80.20%、9.00%~13.90%之間; Fe2O3T、MgO、CaO分布于2.95%~8.17%、2.11%~3.44%、0.26%~0.43%范圍; K2O、Na2O則變化于1.13%~3.89%、1.14%~2.19%之間。其中Fe2O3+MgO、TiO2含量分布于5.11%~11.40%、0.46%~1.01%之間, Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值分布于0.11~0.21、0.68~2.24、6.41~7.82之間; 除H-1、H-4顯示較高的Fe2O3+MgO (11.40%、8.95%)、TiO2(1.01%、0.72%)含量外, 所有樣品的其他化學(xué)組成與形成于大陸島弧背景下砂巖的化學(xué)組成相似。

3.2.2?微量元素地球化學(xué)

古生代地層不同巖性巖石微量元素組成分析結(jié)果列于表2。除HB-6樣品外, 其他10個(gè)哈巴河群樣品REE含量在89.2~199.5 μg/g之間,Eu=0.51~ 0.86; (La/Yb)N、(Gd/Yb)N變化于6.26~9.67、1.23~2.06之間, 指示輕重稀土之間分異明顯, 而中重稀土之間分異不明顯。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE分布模式為L(zhǎng)REE富集、弱負(fù)Eu異常的右傾直線型(圖3a)。6個(gè)庫(kù)魯姆提群樣品REE含量在79.7~171.0 μg/g之間,Eu=0.66~0.80; (La/Yb)N、(Gd/Yb)N變化于5.25~ 8.88、1.08~1.52之間, 指示存在明顯的輕重稀土之間分異, 而中重稀土之間分異不明顯; 球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE分布模式為L(zhǎng)REE富集、弱負(fù)Eu異常的右傾直線型(圖3b); 6個(gè)康布鐵堡組樣品REE含量在117.7~233.6 μg/g之間,Eu=0.31~0.90; (La/Yb)N、(Gd/Yb)N變化于3.03~9.06、0.87~1.64之間, 指示存在明顯的輕重稀土之間分異, 弱的中重稀土之間分異; 球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE分布模式為L(zhǎng)REE富集、弱負(fù)Eu異常的右傾直線型(圖3c); 4個(gè)阿勒泰組樣品REE含量在102.1~313.1 μg/g之間,Eu=0.54~0.66; (La/Yb)N、(Gd/Yb)N變化于5.70~9.09、1.13~1.63之間, 指示輕重稀土之間分異明顯, 而中重稀土之間分異不明顯; 球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE分布模式為L(zhǎng)REE富集、弱負(fù)Eu異常的右傾直線型(圖3d); 除樣品KM-5外, 其他4個(gè)庫(kù)馬蘇組樣品REE含量變化于140.7~271.1 μg/g范圍,Eu=0.61~0.72, (La/ Yb)N、(Gd/Yb)N變化于7.12~12.74、1.50~1.83之間, 球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE分布模式為L(zhǎng)REE富集、弱負(fù)Eu異常的右傾直線型(圖3e); 而樣品KM-5以弱負(fù)Eu異常(Eu=0.90), 低的La、Ce和REE含量(分別為12.1、26.8和73.7 μg/g), 最小的輕重稀土之間分異((La/Yb)N=3.83)為特征, 明顯不同于其他庫(kù)馬蘇組樣品。4個(gè)紅山嘴組樣品REE含量分布于144.61~ 211.13 μg/g范圍,Eu=0.56~0.71; (La/Yb)N、(Gd/Yb)N變化于4.52~13.34、1.67~2.18之間, 指示輕重稀土之間分異明顯, 而中重稀土之間分異不明顯, 球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE分布模式為L(zhǎng)REE富集、弱負(fù)Eu異常的右傾直線型(圖3f)。

表2?阿爾泰造山帶古生代地層的微量元素組成 (μg/g)

(續(xù)表2)

注: 球粒隕石數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[68]; Eu/Eu*=EuN/(SmN+GdN)0.5

圖3?阿爾泰造山帶古生代地層球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE分布模式

球粒隕石數(shù)據(jù)引至文獻(xiàn)[68]

Chondrite data after Reference [68]

哈巴河群、庫(kù)魯姆提群和阿勒泰組樣品中的Th/Sc值主要變化于0.49~1.58之間, 明顯不同于形成于大洋島弧、活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣的砂巖中的Th/Sc比值 (分別為0.15、2.59和3.06), 與形成于大陸島弧砂巖中Th/Sc值(0.85)及上地殼平均值(0.97)相當(dāng); 6個(gè)康布鐵堡組樣品中Th/Sc值變化于1.24~3.52之間, 其中4個(gè)樣品顯示Th/Sc值變化于1.24~1.69之間, 與形成于大陸島弧砂巖中Th/Sc值及上地殼平均值相當(dāng); 而庫(kù)馬蘇組和紅山嘴組樣品中Th/Sc值變化于0.19~2.34范圍, 除去KM-5的Th/Sc值為0.19以外, 4個(gè)樣品(KM-2、KM-3、H-1和H-4)顯示Th/Sc值變化于0.49~1.33之間, 與形成于大陸島弧砂巖中Th/Sc值及上地殼平均值相當(dāng); 其他4個(gè)樣品(KM-1、KM-4、H-2和H-3) Th/Sc值范圍為2.10~2.34, 與形成于活動(dòng)大陸邊緣砂巖中的Th/Sc值接近。此外, 哈巴河群、庫(kù)魯姆提群和阿勒泰組樣品中La/Sc值主要變化于1.23~3.67范圍, 明顯不同于形成于大洋島弧、活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣的砂巖中的La/Sc值(分別為0.55、4.55和6.24), 與形成于大陸島弧砂巖La/Sc值(1.82)及上地殼平均值(2.73)相當(dāng); 而來(lái)自庫(kù)馬蘇組和紅山嘴組的9個(gè)樣品中La/Sc值主要變化于1.65~5.18范圍, 除去KM-5的La/Sc值為0.56以外, 4個(gè)樣品 (KM-2、KM-3、H-1和H-4)的La/Sc值變化于1.65~3.03之間, 與形成于大陸島弧砂巖中La/Sc值及上地殼平均值相當(dāng); 其他4個(gè)樣品(KM-1、KM-4、H-2和H-3)的La/Sc比值變化于4.63~5.18之間, 與活動(dòng)大陸邊緣背景下形成的砂巖中La/Sc值一致。

4?討?論

4.1?原巖恢復(fù)

變質(zhì)巖的原巖恢復(fù)可以了解阿爾泰地區(qū)古生代地層原巖類型及其沉積環(huán)境。已有的研究顯示, 利用西蒙尼圖解、K-A圖解以及DF指數(shù)判別法能有效判別變質(zhì)巖的原巖類型[70]。阿爾泰造山帶中古生代地層的原巖恢復(fù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果列于表3。除泥盆紀(jì)康布鐵堡組3個(gè)樣品(KB-3、KB-5、KB-6)和阿勒泰組2個(gè)樣品(ALT-3、ALT-4)的DF≥0外, 其余樣品的DF值均為負(fù)值, 主要分布于–1 ~ –9范圍, 表明阿爾泰造山帶中古生代淺變質(zhì)碎屑巖的原巖主要為沉積巖。在K-A圖解中, 除少數(shù)奧陶紀(jì)哈巴河群(HB-3、HB-4、HB-6)、泥盆紀(jì)康布鐵堡組(KB-3、KB-5、KB-6)和阿勒泰組(ALT-3)、石炭紀(jì)庫(kù)馬蘇組(KM-5)樣品落入火成巖區(qū)外, 其他所有樣品落入了沉積的泥質(zhì)粉砂質(zhì)亞區(qū)(圖4a)。在西蒙尼圖解中, 除少數(shù)奧陶紀(jì)哈巴河群 (HB-6)、泥盆紀(jì)康布鐵堡組(KB-3、KB-5)和阿勒泰組(ALT-4)、石炭紀(jì)庫(kù)馬蘇組(KM-5)樣品落入火山巖區(qū)外, 絕大部分的樣品落入了沉積巖區(qū), 且以泥砂質(zhì)沉積巖為主 (圖4b)。綜上所述, 阿爾泰地區(qū)古生代淺變質(zhì)碎屑原巖為泥砂質(zhì)沉積巖。

4.2?源區(qū)風(fēng)化-沉積特征

已有研究顯示, 碎屑巖的化學(xué)組成容易受源區(qū)巖石性質(zhì)和化學(xué)風(fēng)化作用強(qiáng)度的制約。Nesbitt.在對(duì)加拿大古元古代Huronian超群的碎屑巖研究時(shí)發(fā)現(xiàn), 上地殼的化學(xué)風(fēng)化作用能夠使長(zhǎng)石分解, 形成黏土礦物, 伴隨活潑陽(yáng)離子(如Ca2+、Na+、K+)的流失, 導(dǎo)致殘留元素(如Al3+、Ti4+)與活潑元素的比值變大, 而化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA, chemical index of alteration)就是通過(guò)元素比值的變化來(lái)反映源區(qū)風(fēng)化程度的較為有效的方法。CIA<70, 反映源區(qū)經(jīng)歷了寒冷、干燥的條件下的弱的化學(xué)風(fēng)化作用, CIA=70~75, 反映源區(qū)經(jīng)歷了溫暖、濕潤(rùn)條件下的中等化學(xué)風(fēng)化作用, CIA>75, 說(shuō)明源區(qū)經(jīng)歷了炎熱、潮濕條件下的強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用[45–46]。由于黏土礦物比非黏土礦物含有較高的Al2O3, 而K2O、Na2O和CaO含量較低, 因此成分變異指數(shù)(ICV, index of compositional variability)可以反映碎屑巖的成分成熟度, 判斷碎屑巖石經(jīng)歷了活動(dòng)大陸邊緣初次循環(huán)還是被動(dòng)大陸邊緣多次的再循環(huán)過(guò)程。因此, ICV>1.0, 指示原巖中含有少量黏土礦物, 碎屑巖的成熟度差, 代表活動(dòng)大陸邊緣的首次循環(huán)產(chǎn)物[47,71], 反之, ICV<1.0, 指示原巖中含有大量的黏土礦物, 碎屑巖的成熟度較高, 反映了被動(dòng)大陸邊緣多次循環(huán)過(guò)程或者強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化條件下的首次沉積過(guò)程[72]。

由表3可知, 阿爾泰古生代地層樣品中, 除奧陶紀(jì)哈巴河群中1個(gè)樣品(HB-1)顯示高的CIA值外, 哈巴河群樣品CIA分布于50~70之間, 志留紀(jì)庫(kù)魯姆提群CIA分布于57~68之間, 泥盆紀(jì)康布鐵堡組CIA分布于50~67之間, 泥盆紀(jì)阿勒泰組CIA主要分布于52~60之間(其中1個(gè)樣品ALT-1顯示CIA=71), 石炭紀(jì)紅山嘴組CIA主要分布于66~68范圍(其中1個(gè)樣品H-4顯示CIA=76), 而石炭紀(jì)的庫(kù)馬蘇組CIA主要分布于71~79之間, 其中2個(gè)樣品(KM-1、KM-3) 顯示CIA>75 (分別為77和79), 僅1個(gè)樣品(KM-5)顯示低的CIA值(60)。上述CIA值分布特征表明, 形成哈巴河群、庫(kù)魯姆提群、康布鐵堡組、阿勒泰組、紅山嘴組源區(qū)物質(zhì)經(jīng)歷了相對(duì)寒冷、干燥的條件下的弱的化學(xué)風(fēng)化作用, 而形成石炭紀(jì)的庫(kù)馬蘇組的源區(qū)物質(zhì)可能經(jīng)歷了溫暖-炎熱、濕潤(rùn)-潮濕條件下的中等-強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化作用。

表3?阿爾泰造山帶中古生代地層原巖恢復(fù)相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果

注: A=Al2O3/(K2O+Na2O+Al2O3+CaO)×100, K=K2O/(K2O+Na2O)×100。圖4b中西蒙尼圖解中Si′=SiO2/60, al′=Al2O3/102, fm′=2×Fe2O3T/ 160+MgO/40+MnO/71, c′=CaO/56, alk′=Na2O/62+K2O/94, Total=al′+fm′+c′+alk′, Si=Si′/Total, al=al′/Total, fm=fm′/Total, c=c′/Total, alk=alk′/Total; DF =-0.21SiO2-0.32Fe2O3T-0.98MgO+0.55CaO+1.46Na2O+0.54K2O+10.44(質(zhì)量分?jǐn)?shù)); CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O), 其中氧化物為摩爾分?jǐn)?shù), CaO*為硅酸鹽礦物中的CaO, 上述數(shù)據(jù)已校正[69]; ICV=(Fe2O3T+K2O+Na2O+CaO+MgO+TiO2)/Al2O3(摩爾分?jǐn)?shù))

圖4?阿爾泰造山帶中古生代地層原巖恢復(fù)K-A圖解(a)和西蒙圖解(b)(據(jù)文獻(xiàn)[70])

所研究的古生代地層, 自下而上包括奧陶紀(jì)哈巴河群、志留紀(jì)庫(kù)魯姆提群、泥盆紀(jì)康布鐵堡組和阿勒泰組、石炭紀(jì)庫(kù)馬蘇組和紅山嘴組, 總體顯示ICV>1.0, 主要分布于1.04~1.61, 指示其形成原巖中含有少量黏土礦物, 碎屑巖的成熟度較差, 很可能代表活動(dòng)大陸邊緣首次直接沉積的產(chǎn)物(圖5); 而少數(shù)樣品顯示ICV<1.0, 而HB-1 (CIA=82)、HB-2 (CIA=70), 庫(kù)馬蘇組KM-3 (CIA=77)、KM-4 (CIA= 74)則很可能反映出經(jīng)歷溫暖-炎熱、濕潤(rùn)-潮濕條件下的中等-強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化條件下的首次沉積產(chǎn)物。其中康布鐵堡組KB-1 (CIA=67)、KB-3 (CIA=51)、KB-5 (CIA=51)、KB-6 (CIA=52), 阿勒泰組ALT-4 (CIA=60)、紅山嘴組H-21 (CIA=67)因是弱的化學(xué)風(fēng)化作用產(chǎn)物, 應(yīng)是經(jīng)歷了多次循環(huán)的再沉積過(guò)程。

圖5?阿爾泰造山帶古生代地層ICV-CIA指數(shù)圖解(據(jù)文獻(xiàn)[45]和[47])

4.3?源區(qū)組成特征

碎屑巖的地球化學(xué)特征對(duì)確定它們的源區(qū)性質(zhì)有重要的意義。盡管碎屑巖主要化學(xué)組成易受風(fēng)化、成巖作用等地質(zhì)作用的影響, 但抗風(fēng)化能力較強(qiáng)的稀土及其他不活潑的微量元素可有效進(jìn)行源區(qū)示蹤[48]。在La/Sc-Sc/Th圖解中[49,73], 樣品點(diǎn)顯示負(fù)的線性相關(guān)性, 絕大多數(shù)樣品集中在上地殼附近, 而顯著不同于洋殼平均組成和地殼平均組成, 表明阿爾泰地區(qū)古生代地層可能來(lái)源于與上地殼組分相似的物質(zhì)源區(qū) (圖6a)。在La/Th-Hf圖解中[50], 絕大多數(shù)樣品落在了長(zhǎng)英質(zhì)源區(qū), 遠(yuǎn)離被動(dòng)邊緣源區(qū)以及大洋島弧源區(qū), 指示其源區(qū)物質(zhì)可能以中-酸性大陸島弧火山巖為主(圖6b)。

4.4?沉積構(gòu)造環(huán)境

已有研究顯示, 砂巖的化學(xué)組成與其所處的沉積盆地的構(gòu)造環(huán)境有密切的成因關(guān)系, 因此利用砂巖的主要化學(xué)組成和相對(duì)不活潑的微量元素含量, 如La、Sc、Th、Zr、Hf等, 可以判別沉積盆地形成的構(gòu)造背景。已有的研究揭示, 從大洋島弧?大陸島弧?活動(dòng)大陸邊緣?被動(dòng)大陸邊緣, 其砂質(zhì)巖石中 (Fe2O3T+MgO)、TiO2、Al2O3/SiO2值和Eu/Eu*值逐漸降低, 而La、Ce、REE含量及K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)、Th/Sc、La/Sc、(La/Yb)N值明顯增大[52–55,74,75]。

圖6?阿爾泰造山帶古生代地層源區(qū)判別圖解(據(jù)文獻(xiàn)[49], [50]和[51])

由表4可知, 哈巴河群樣品(除HB-6外)、庫(kù)魯姆提群、康布鐵堡組、阿勒泰組、庫(kù)馬蘇組(除KM-5外)和紅山嘴組樣品中(Fe2O3T+MgO)、TiO2含量以及Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值明顯區(qū)別于大洋島弧背景下形成的砂巖的化學(xué)組成, 而微量元素(包括REE)組成, 如La、Ce、REE含量及Th/Sc、La/Sc、(La/Yb)N值明顯不同于形成于大洋島弧背景下的砂巖, 而與形成于大陸島弧背景下砂巖或上地殼背景值相當(dāng)。值得注意的是, 庫(kù)馬蘇組(除KM-5外)和紅山嘴組樣品的微量元素組成涵蓋了大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣背景下形成的砂巖的微量元素組成, 如庫(kù)馬蘇組(除KM-5外)和紅山嘴組樣品中La/Sc、Th/Sc值分別為1.69~5.18、1.65~5.06和0.49~2.34、0.75~2.29, 包含了大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣背景下形成的砂巖中的1.82、4.55和0.85、2.59。

表4?阿爾泰造山帶古生代地層與不同構(gòu)造環(huán)境下砂巖地球化學(xué)參數(shù)對(duì)比

在微量元素圖解La-Th、Th-Sc-Zr/10和La-Th- Sc的圖解中, 絕大部分的樣品點(diǎn)投在了大陸島弧區(qū)域, 其中康布鐵堡組KB-3、KB-6樣品點(diǎn)分別投在被動(dòng)和活動(dòng)大陸緣區(qū), 阿勒泰組ALT-3樣品點(diǎn)投在活動(dòng)大陸邊緣區(qū), 庫(kù)馬蘇KM-5樣品點(diǎn)投在大洋島弧區(qū), 紅山嘴組H-21樣品點(diǎn)投在被動(dòng)大陸邊緣區(qū)(圖7)。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素分布模式圖解上, 哈巴河群、庫(kù)魯姆提群、康布鐵堡組、阿勒泰組、庫(kù)馬蘇組(除KM-5外)和紅山嘴組樣品總體顯示LREE富集、弱的負(fù)Eu異常的右傾直線型, 與形成于大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣背景下砂巖REE分布模式相似, 而明顯不同于大洋島弧背景下形成的砂巖(圖8)。因此, 阿爾泰地區(qū)古生代碎屑沉積巖的地球化學(xué)特征表明碎屑沉積巖沉積在靠近大陸島弧的活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境。一些學(xué)者[26,29,41–44]對(duì)阿爾泰地區(qū)哈巴河群、康布鐵堡組和阿勒泰組的碎屑沉積巖的地球化學(xué)特征、碎屑鋯石U-Pb年齡以及Hf同位素的研究結(jié)果也表明其形成于大陸島弧相關(guān)的構(gòu)造環(huán)境, 與本文觀點(diǎn)一致。

5?結(jié)?論

(1) 阿爾泰造山帶中古生代淺變質(zhì)碎屑巖的原巖主要為泥砂質(zhì)沉積巖, 包含少量火山巖或火成巖的風(fēng)化剝蝕的產(chǎn)物。

圖7?阿爾泰造山帶古生代地層構(gòu)造判別圖解(據(jù)文獻(xiàn)[55])

圖8?阿爾泰造山帶古生代地層與不同構(gòu)造背景下砂巖的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化REE分布模式比較

(球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[68]; 不同構(gòu)造環(huán)境形成的砂巖REE數(shù)據(jù)引文獻(xiàn)[55])

Chondrite data after Reference [68]; REE contents of the sandstone in various tectonic setting after Reference [55])

(2) CIA分布特征表明, 形成奧陶紀(jì)哈巴河群 (CIA=50~70)、志留紀(jì)庫(kù)魯姆提群 (CIA=57~68)、泥盆紀(jì)康布鐵堡組(CIA=50~67)和阿勒泰組 (CIA=52~60)、石炭紀(jì)紅山嘴組 (CIA=66~68)源區(qū)物質(zhì)經(jīng)歷了相對(duì)寒冷、干燥條件下弱的化學(xué)風(fēng)化作用, 而形成石炭紀(jì)的庫(kù)馬蘇組 (CIA=71~79)的源區(qū)物質(zhì)可能經(jīng)歷了溫暖-炎熱、濕潤(rùn)-潮濕條件下的中等-強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化作用。

(3) 哈巴河群、庫(kù)魯姆提群、康布鐵堡組、阿勒泰組、庫(kù)馬蘇組和紅山嘴組, 總體顯示ICV>1.0 (主要分布于1.04~1.61), 指示碎屑巖的成熟度較差, 代表首次直接沉積的產(chǎn)物; 少數(shù)樣品顯示ICV<1.0, 指示碎屑巖的成熟度較高, 代表經(jīng)歷了多次循環(huán)的再沉積或溫暖-炎熱、濕潤(rùn)-潮濕條件下的中等-強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化條件下的首次直接沉積過(guò)程。

(4) 主要化學(xué)組成及微量元素組成顯示, 哈巴河群、庫(kù)魯姆提群、康布鐵堡組、阿勒泰組碎屑沉積巖主體形成于大陸島弧背景, 而庫(kù)馬蘇組、紅山嘴組與大陸島弧-活動(dòng)大陸邊緣背景具有成因聯(lián)系。

野外工作得到了新疆有色集團(tuán)701和706地質(zhì)隊(duì)的熱情幫助; 在分析測(cè)試過(guò)程中, 感謝師兄弟給予的大力幫助; 在文章修改過(guò)程中, 兩位審稿人提出了諸多寶貴的意見(jiàn), 在此一并表示衷心的感謝。

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Geochemical characteristics of Paleozoic strata and its restriction on depositional environment in Altay orogen, north Xinjiang, China

SHEN Rui-feng1,2, ZHANG Hui1*, TANG Yong1and Lü Zheng-hang1

1. Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang?550002, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing?100049, China

The geochemical studies of Paleozoic strata in the Altai orogen show that the protolith of the low-grade metamorphosed clastic rocks are mainly pelitic-arenaceous sedimentary rocks and igneous or volcanic rocks, in a small amount. The Index of Composition Variation (ICV) of our samples is in the range of 0.83–1.61, mostly over 1.0, indicating poor maturity, which may be the product of the first deposition in active continental margin. The Chemical Index of Alteration (CIA) is in the range of 50–82. The CIA of Carboniferous Kumasu group characterized by high ratios (71–79), indicating the source material may have experienced a moderate-intense chemical weathering in warm-hot, humid-moist condition, whereas that of Habahe group, Kulumuti group, Kangbutiebao group, Altay group and Hongshanzui group is low (50–70), indicating the source material has undergone relatively weak chemical weathering in cold, dry condition. According to the contents of (Fe2O3T+MgO), TiO2, La, Ce and rations of Al2O3/SiO2, K2O/Na2O, Al2O3/(CaO + Na2O), Th/Sc, La/Sc, the clastic sedimentary rocks of Habahe, Kulumuti, Kangbutiebao and Altay Groups are formed in the continental island arc settings, whereas that of Kumasu and Hongshanzui Groups have a genetic link with continental island arc-active continental margin. The above geochemical characteristics suggest a sedimentary environment related to continental island arcs for the Paleozoic clastic rocks in the Altai orogen, and provide the basic evidences for the tectonic evolution mode of multi-block amalgamation for the Altai orogen in the Paleozoic era.

geochemistry; protolith reconstruction; source characteristics; depositional environment; Paleozoic strata; Altai orogen

P59; P53

A

0379-1726(2015)01-0043-18

2014-01-23;

2014-03-01;

2014-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(41372104); 新疆有色金屬工業(yè)集團(tuán)地質(zhì)科研項(xiàng)目(YSKY2011-02)

沈瑞峰(1989–), 男, 碩士研究生，巖石地球化學(xué)、礦床地球化學(xué)研究方向。E-mail: rfshen@163.com

ZHANG Hui, E-mail: zhanghui@vip.gyig.ac.cn; Tel: +86-851-5891494