歐龍布魯克微地塊下奧陶統(tǒng)復理石物源和構造背景研究

孫嬌鵬，陳世悅，彭 淵，邵鵬程，馬 帥，劉 金

（1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室/地質學系，陜西西安710069；2.中國石油大學地球科學與技術學院，山東青島266580；3.中國地質科學院地質力學所，北京100081）

歐龍布魯克微地塊下奧陶統(tǒng)復理石物源和構造背景研究

孫嬌鵬1，2，陳世悅2，彭 淵3，邵鵬程2，馬 帥2，劉 金2

（1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室/地質學系，陜西西安710069；2.中國石油大學地球科學與技術學院，山東青島266580；3.中國地質科學院地質力學所，北京100081）

利用地球化學測試資料，依據(jù)大地構造學理論，對大煤溝剖面石灰溝組碎屑巖物源區(qū)性質及構造屬性進行研究。結果表明：石灰溝組砂巖具有中等風化、快速堆積的特點，碎屑物質來源于上地殼酸性巖類，形成于活動大陸邊緣構造背景；早奧陶世晚期，碎屑物質來自南側灘間山陸-弧碰撞帶的復理石向北的遠端超覆，造成歐龍布魯克微地塊南緣大煤溝-城墻溝一帶發(fā)生沉積巖、沉積相類型乃至沉積體系的轉換；研究區(qū)不晚于488～471 Ma進入陸-弧碰撞階段，寒武紀-早奧陶世，歐龍布魯克海盆處于弧后位置，并非是被動大陸邊緣盆地，而是與洋陸俯沖陸-弧碰撞有關的弧后盆地。關鍵詞：歐龍布魯克微地塊；下奧陶統(tǒng)；復理石；地球化學；柴北緣洋；弧陸碰撞

柴東北緣早古生代洋陸俯沖、陸陸碰撞等的研究一直是中國地質界的熱點，但迄今為止未見沉積學證據(jù)的支撐。復理石作為具有大地構造指示意義的沉積建造，對其進行研究可以示蹤碎屑顆粒物源區(qū)［1-2］，明確盆地大地構造性質，為毗鄰盆地的活動構造帶地質演化提供約束。筆者依據(jù)砂巖地球化學測試結果，對盆地構造背景進行分析，復原柴北緣及鄰區(qū)早奧陶世構造-古地理格局，為柴北緣構造帶演化提供約束。

1　地質概況

歐龍布魯克微地塊夾持于柴達木地塊與祁連地塊之間，其南界為柴北緣構造帶，北界為宗務隆構造帶（圖1（a））。區(qū)內早古生代發(fā)育寒武系歐龍布魯克群與下奧陶統(tǒng)下部多泉山組以臺地淺灘及臺緣斜坡為主的碳酸鹽巖巖系及下奧陶統(tǒng)上部石灰溝組復理石建造，其下與震旦系區(qū)域性角度不整合接觸，其上被上泥盆統(tǒng)牦牛山組磨拉石建造角度不整合超覆（圖1（b））。

石灰溝組僅在大煤溝及城墻溝兩地出露（圖1（c）），其下與多泉山組斜坡相碳酸鹽巖及暗色泥巖連續(xù)沉積，其上與泥盆系礫巖層不整合接觸（圖1（b），圖2（a）），大致可分為兩段，下部為暗色泥頁巖夾薄層泥晶灰?guī)r段，上部為暗色泥頁巖與砂巖互層段（圖1（b）、（c）），古生物資料顯示其沉積于早奧陶世晚期Floian階（距今488～471 Ma）［4］。以大煤溝剖面為例，該剖面復理石段可分為兩個沉積旋回；單一旋回下部主要發(fā)育鮑馬序列A段，砂巖層厚一般為60～80 cm，呈現(xiàn)多個中厚層塊狀層理砂巖的沖刷疊置，夾若干層5～50 cm厚的泥巖（圖2（b））；旋回上部以泥巖為主，砂巖多為薄層，泥/砂比約2/1～5/1（圖2（c））；砂巖底部槽模、溝模及沖刷、侵蝕、火焰等沉積構造屢見不鮮，對稱波痕、粒序層理和塊狀層理等也普遍發(fā)育（圖2（e）、（f）、（g））。鏡下鑒定顯示，石灰溝組砂巖中碎屑顆粒質量分數(shù)為90%，碎屑顆粒以石英（約88%）及巖屑（約12%）為主，不含碳酸鹽巖巖屑；雜基含量較高，約9%；膠結物主要為方解石，含量約1%。顆粒分選與磨圓中等偏差，顆粒之間為顆粒—雜基支撐（圖2（d））。

圖1　研究區(qū)地質簡圖（據(jù)孫嬌鵬等［3］，2014）Fig.1 Sketch geological map of study area（after sun et al，2014）

對采集到的15個砂巖進行測試分析，采樣時盡量去除風化表面，在河北地礦所粉碎至74 μm，主、微量與稀土元素含量測試在廣州澳實礦物實驗室完成。主量元素采用ME-XRF06法測試，稀土元素和微量元素含量分別采用ME-MS81和ME-MS61法測試。分析測試結果及測試精度見表1。

圖2　石灰溝組典型沉積特征露頭照片F(xiàn)ig.2 Typical outcrop sedimentary characteristics pictures of Shihuigou Formation

表1　石灰溝組碎屑巖特征元素測試結果Table 1 Typical elements compositions of detrital stones from Shihuigou Formation

續(xù)表

2　主量元素地球化學特征

主量元素測試結果（表2）表明，石灰溝組砂巖SiO2含量中等偏高，分布在65.79%～80.97%，平均74.48%；Al2O3/SiO2在0.12%～0.21%，平均0.14%；K2O/Na2O值偏高（1.16%～2.57%），表明巖石形成過程中存在富鉀堿性長石礦物的攝入，這與長石風化過程中鉀交代有關；Al2O3含量為7.2%～14.2%，平均10.35%，明顯低于大陸上地殼（15.2%）［5-6］，說明測試樣品黏土礦物含量較低，也暗示樣品中的雜基主要為極細的長英質碎屑顆粒；TFe2O3+MgO中等，最大為9.37%，最小為3.37%，平均為5.92%。

樣品CIA指數(shù)平均為64.2，說明源區(qū)的風化程度中等偏低［6］，A-CN-K圖解表明源區(qū)風化主要發(fā)生長石向黏土礦物的轉化（圖3（a））。ICV指數(shù)在0.83～1.45，大部分大于1，CIA及ICV指數(shù)均表明該復理石屬構造活動背景下的初始沉積［5-6］，風化沉積和成巖—后生作用對主量元素保存的源區(qū)信息影響不大。

從主量元素含量及元素比值來看，石灰溝組砂巖成分成熟度中等。在Roser等［7-8］的SiO2-K2O/ Na2O圖解上，樣品數(shù)據(jù)主體落入活動大陸邊緣區(qū)，少量位于活動大陸與被動陸緣界限附近（圖3（b））。與Bhatia［9］總結出的不同構造環(huán)境下砂巖的特征主量元素指標相比（表2），各特征值與大洋島弧砂巖存在明顯差異，SiO2含量明顯低于被動大陸邊緣砂巖，TFe2O3+MgO、TiO2含量極為接近大陸島弧活動大陸邊緣砂巖含量，但不穩(wěn)定氧化物Al2O3、K2O、Na2O含量存在一定差別（表2），這與風化過程中鉀交代、鈉離子淋濾及長石向黏土礦物轉化等有關。Al2O3/TiO2比值為21.8±2.3，介于19～28，說明碎屑物質來源于長英質巖石［10］。在Roser等［8］根據(jù)7種氧化物建立的判別函數(shù)交會圖上，投點大部分位于成熟大陸石英巖區(qū)，少量位于中酸性火成巖靠近石英巖物源區(qū)一側，明顯遠離鎂鐵質區(qū)域（圖3（c））。

綜上所述，石灰溝組復理石沉積于構造活動較為活躍的大陸邊緣地區(qū)，源區(qū)以長英質巖石為主，不含或極少含有鎂鐵質巖石。

表2　石灰溝組主量元素特征對比Table 1 Comparison of major element geochemical characteristics of Shihuigou Formation

圖3　石灰溝組砂巖主量元素判別圖解Fig.3 Major element discrimination diagram of Shihuigou Formation sandstone

3　稀土元素地球化學特征

樣品稀土元素含量特征比值及標準化后的分配形式顯示（表3，圖4），∑REE在133.5～161.6 μg/ g之間，平均為152.4 μg/g，介于北美頁巖（173.21 μg/g）與大陸上地殼（146.37 μg/g）之間；La/Yb在10.24～18.15之間，平均為14.27；∑LREE/∑HREE最大值為10.66，最小值為6.85，平均值為8.84；（La/Yb）N平均值為9.64，介于6.92～12.27之間；δEuN為0.56～0.72，平均為0.62，介于殼型花崗巖（0.46）與殼幔型花崗巖（0.84）之間，接近于北美頁巖（0.65）；δCeN均值為0.97，介于0.93～1.05之間；球粒隕石標準化的稀土元素分配型式曲線明顯右傾，輕稀土富集，重稀土平坦，Eu中等負異常，Ce無明顯異常；各樣品相同元素含量變化較小，變化趨勢一致，表明它們之間親緣關系密切，來自同一物源（圖4）。

表3　石灰溝組微量元素特征對比Table 3 Comparison of geochemical characteristics of trace element in Shihuigou Formation

McLennan［11］認為沉積物在水體中停留時間較短時REE快速沉積，與水體交換分異弱，北美頁巖標準化的REE分配模式平緩，Ce呈正常型或弱負異常，分配曲線斜率（La/Yb）NASC值約為1。測試樣品北美頁巖（NASC）標準化的REE分配模式極為平緩，（La/Yb）NASC為1.38±0.22，δCeNASC為0.93±0.08（圖4），這表明石灰溝組復理石具有較快的沉積速率，屬活動構造背景下的沉積產(chǎn)物，樣品REE較好地反映了源區(qū)巖石REE信息。

LREE的富集表明樣品中大離子親石元素含量較高，上地殼缺少導致HREE分餾的因素導致HREE無明顯變化，源區(qū)巖石由于長石的分異導致Eu負異常，這一致表明源區(qū)物質缺少基性巖石，以上地殼中酸性巖類為主，可以排除大洋島弧環(huán)境。由于切割巖漿弧上隆基底以及克拉通內部構造高地的巖石組合均以上地殼中酸性富硅質巖類為主，3種構造背景下砂巖La/Yb、（La/Yb）N、LREE/HREE及δEu等稀土元素特征值較為接近（表3）。

與Bhatia［9］總結出的不同構造環(huán)境下砂巖的特征稀土元素指標相比（表3），各特征值整體介于大陸島弧環(huán)境砂巖與活動大陸邊緣砂巖之間，整體明顯低于被動大陸邊緣砂巖。北美頁巖（NASC）標準化的REE圖解顯示，石灰溝組砂巖稀土元素與北美頁巖差別不大，同樣指示介于大陸島弧與活動大陸邊緣之間的構造背景，與大洋島弧及被動大陸邊緣差別明顯（圖4）。

圖4　石灰溝組砂巖稀土元素標準化圖解Fig.4 Normalized REE distribution patterns for sandstones from Shihuigou Formation

4　微量元素地球化學特征

在Zr/Sc-Th/Sc圖解（圖5（b））上，15個樣品測試值與成分演化線（BFG）較為接近，表明沉積分選和再循環(huán)作用影響不大，巖石微量元素成分主要受源區(qū)物質組成及構造背景控制。

從大陸上地殼標準化的微量元素蛛網(wǎng)圖（圖5（a））上可以看出，除Th、Y明顯偏高，Rb、Pb、Ba、K、Nb、Sr、Co明顯偏低之外，石灰溝組復理石微量元素與大陸上地殼整體較為接近。大離子親石元素整體接近上地殼平均值（U、La、Ce、Nd），部分低于平均值（Rb、Pb、Ba）；高場強元素整體明顯虧損，Zr、Hf弱虧損，Nb、Ta強虧損；Ni、Co、V、Sc等鐵鎂質元素中等富集—中等虧損，整體無明顯異常。

Th/U值（5.9±1.1）高于大陸上地殼（3.8），La/ Sc（4.33）、Th/Sc（2.07）、Th/Co（3.10）、Th/Cr（0.45）等特征值均與大陸上地殼（分別為2.7、0.97、1.07、0.31）極為接近，明顯不同于大陸下地殼（分別為0.3、0.03、0.03、0.005），均表明碎屑物質來源于上地殼，源區(qū)巖石成分偏酸性，缺少中基性巖石組分［11］。在Hf-La/Th［13］圖解（圖5（c））中，樣品點均落于大陸上地殼附近，而與中基性物質偏多的大陸下地殼差異明顯，但Hf的含量要略偏低于大陸上地殼，Hf及Zr等高場強元素的偏低含量也客觀反映了碎屑物質風化再循環(huán)程度不高?！芌EELa/Yb［14］圖解（圖5（d））、La/Sc-Co/Th［15］圖解、（圖5（e））及Zr/Sc-Th/Sc［16］圖解（圖5（b））也均顯示該套復理石建造微量元素與大陸上地殼中酸性巖類具有極強的“親緣性”。

與Bhatia（1986）［9］給出的不同構造環(huán)境不活動元素含量比值指標相比（表3），Th、U、Hf、Rb/Sr、Th/U、La/Y、La/Sc、Th/Sc明顯不同于大洋島弧及被動大陸邊緣砂巖，大多數(shù)指標介于大陸島弧及活動大陸邊緣（表3）。這與微量元素蛛網(wǎng)圖（圖5（a））及La/Sc-Ti/Zr［9］、Zr/10-Th-Sc［9］、Th-Zr/10 -Co［9］判別圖解（圖5（f）、（g）、（h））反映的構造環(huán)境結論完全一致。

5　源區(qū)性質、盆山格局及地質意義

厚層、多期次、不同層次、非穩(wěn)定性濁積巖的形成暗示源區(qū)構造活動較強、應力釋放頻繁、物質充足且搬運路徑坡角較陡。歐龍布魯克微地塊在寒武紀—早奧陶世早期沉積了數(shù)千米厚的碳酸鹽巖，很難想象如此厚的碳酸鹽巖中存在一條碎屑顆粒運移通道，且通過該通道搬運的碎屑物質所形成的砂巖內不含碳酸鹽巖巖屑。石灰溝組砂巖中測得的古水流向以N或NNE向為主，與早期S或SE向展布［17-18］的碳酸鹽巖沉積體系完全相反，因此該復理石沉積建造與早古生代早期臺地相—斜坡相碳酸鹽巖沉積是兩個巖石學類型、沉積相類型及展布方向完全不同的沉積體系。雖然各類地化指標均排除源區(qū)為大洋島弧的可能性，但樣品點均落入活動大陸邊緣和大陸島弧范圍內或附近。從洋陸俯沖—洋陸碰撞—陸陸碰撞演化時序角度來看，活動大陸邊緣是洋陸俯沖晚期弧-陸碰撞環(huán)境產(chǎn)物，晚于大陸島弧形成時限。樣品地化參數(shù)指示的活動大陸邊緣與大陸島弧“混源”表明，源區(qū)大量卷入大陸島弧物質，構成由大陸上地殼與島弧物質組成的上隆基底，弧-陸碰撞已經(jīng)開始，即石灰溝組形成于弧后前陸盆地，碎屑物質來自南部毗鄰活動大陸邊緣的灘間山巖漿島弧造山帶（圖6）。

圖5　石灰溝組砂巖微量元素判別圖解Fig.5 Trace element distribution diagrams for sandstones from Shihuigou Formation

圖6　奧陶紀初期柴北緣地區(qū)構造-沉積剖面簡圖Fig.6 Sketch structure-sedimentary section diagram of north Qaidam area during early Ordovician

目前不少觀點認為柴北緣洋俯沖開始于中—晚奧陶世［17］，與此對應，沉積-古地理研究結論一致認為寒武紀—中早奧陶世歐龍布魯克微地塊發(fā)育向南傾斜的被動大陸邊緣盆地［17］。石灰溝組復理石碎屑物質來自南側由大陸上地殼與島弧物質組成的上隆基底，這表明研究區(qū)南側發(fā)育由柴達木板塊和歐龍布魯克板塊俯沖、碰撞作用形成的活動構造帶，即灘間山弧陸碰撞地體。由于研究區(qū)位置略偏北，考慮到復理石向北超覆、研究區(qū)對活動大陸邊緣沉積響應存在一定時間滯后性，因此認為早于距今488～471 Ma弧-陸碰撞已經(jīng)開始，洋陸俯沖島弧初始形成時間要更早。研究區(qū)加里東期島弧火山巖形成、榴輝巖變質年齡分別分布在距今540～450 Ma、520～450 Ma［17，19］，表明寒武紀初期柴北緣洋已經(jīng)開始俯沖，歐龍布魯克微地塊處于灘間山島弧以北，早期應發(fā)育弧后伸展盆地，但不晚于距今488～471 Ma已轉為弧后擠壓前陸盆地。

6　結 論

（1）主量元素、微量元素和稀土元素含量比值及判別圖解一致表明，石灰溝組砂巖具有中等風化、快速堆積的特點，該復理石物源區(qū)以上地殼酸性巖類為主，形成于活動大陸邊緣—大陸島弧構造背景。

（2）早奧陶世晚期，歐龍布魯克地塊南緣大煤溝—城墻溝一帶發(fā)生沉積巖類型、沉積相類型乃至沉積體系的轉換，表現(xiàn)為碎屑物質來自南側灘間山陸-弧碰撞帶的復理石向北的遠端超覆，該轉換事件受柴達木地塊與灘間山弧陸碰撞帶的逆沖擠壓控制。

（3）研究區(qū)不晚于距今488～471 Ma已經(jīng)進入陸-弧碰撞階段，寒武紀—早奧陶世歐龍布魯克海盆處于弧后位置，并非是被動大陸邊緣盆地，而是與洋陸俯沖陸-弧碰撞有關的活動大陸邊緣盆地。

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（編輯 修榮榮）

Provenance and tectonic background of the Lower Ordovician flysch in Oulongbuluke microplate

SUN Jiaopeng1，2，CHEN Shiyue2，PENG Yuan3，SHAO Pengcheng2，MA Shuai2，LIU Jin2
（1.Department of Geology，State Key Laboratory of Continental Dynamics，Northwest University，Xi'an 710069，China；2.School of Geosciences in China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；3.Institute of Geomechanics，Chinese Academy of Geological Sciences，Beijing 100081，China）

Using the geochemistry data，provenance property and structural attributes of Shihuigou formation clastic rocks from Dameigou outcrop were studied under the guidance of the sedimentary geotectonic theories.The results indicate that the provenance of the Shihuigou Formation with characteristics of moderately weathered and rapid accumulation is the upper crust acidic rocks，deposited in the active continental margin tectonic setting.From the early period of Early Ordovician，detrital material from Tanjianshan arc-continental collision zone distal overlapped from the south to the north，leading to the transition of sedimentary petrology types，sedimentary facie types and sedimentary system；By 488-471 Ma，the study area had entered into the stage of continental-arc collision period；During the Cambrian to Early Ordovician period，the Oulongbuluke sea basin was located in the back-arc position，which is not a passive continental margin basin，but a back-arc basin related to the subduction-arc collision.

Oulongbuluke microplate；Lower Ordovician；flysch；geochemistry；North Qaidam Ocean；arc-continental collision

TE 121.2

A

1673-5005（2015）05-0027-09

10.3969/j.issn.1673-5005.2015.05.004

2015-05-10

國土資源地調項目（資［2014］03-025-002，12120113040000-3）

孫嬌鵬（1988-），男，博士，博士后，研究方向為大地構造與沉積學。E-mail：sunjiaopeng@163.com。

引用格式：孫嬌鵬，陳世悅，彭淵，等.歐龍布魯克微地塊下奧陶統(tǒng)復理石物源和構造背景研究［J］.中國石油大學學報：自然科學版，2015，39（5）：27-35.

SUN Jiaopeng，CHEN Shiyue，PENG Yuan，et al.Provenance and tectonic background of the Lower Ordovician flysch in Oulongbuluke microplate［J］.Journal of China University of Petroleum（Edition of Natural Science），2015，39（5）：27-35.