準噶爾盆地南緣蘆草溝組稀土元素地球化學特征、物源性質(zhì)和構(gòu)造背景分析

涂其軍，徐仕琪（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，新疆 烏魯木齊 830000）

準噶爾盆地南緣蘆草溝組稀土元素地球化學特征、物源性質(zhì)和構(gòu)造背景分析

涂其軍，徐仕琪
（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，新疆 烏魯木齊 830000）

基于稀土元素地球化學特征研究，著重探討了準噶爾盆地南緣中二疊統(tǒng)蘆草溝組頁巖稀土元素豐度和賦存狀態(tài)、源區(qū)母巖性質(zhì)和構(gòu)造背景，結(jié)果表明：蘆草溝組頁巖稀土元素含量類似上地殼稀土元素豐度，與輕稀土元素相比，重稀土元素具富集趨勢，這可能與頁巖中有機質(zhì)對重稀土元素的吸附有關；頁巖中輕稀土元素主要受控于粘土礦物，而重稀土元素受鋯石、磷酸鹽礦物和有機質(zhì)的共同影響；準噶爾盆地南緣中二疊世物源區(qū)母巖以長英質(zhì)組分為主，母巖性質(zhì)非常類似于英云閃長巖成分；物源區(qū)以大陸島弧構(gòu)造背景為主。

準噶爾盆地南緣；蘆草溝組；稀土元素；構(gòu)造背景

稀土元素因具穩(wěn)定的化學性質(zhì)和不受各種地質(zhì)作用干擾而成為研究巖石地質(zhì)成因的地球化學指示劑[1]。因此，稀土元素含量、分布模式和Eu異常等特征已廣泛應用于火成巖的成因研究、沉積巖源區(qū)母巖分析和構(gòu)造背景判別及煤中礦物的成因研究中[2,3-9]。例如，酸性巖中Eu表現(xiàn)為明顯負異常而基性巖中無Eu異?；蚵燥@正Eu異常；稀土元素含量在酸性巖中較基性巖更為富集；酸性巖比基性巖具更高的稀土元素分餾程度，這些特征為源區(qū)母巖性質(zhì)的判別提供了很好的依據(jù)[4-5]。

準噶爾盆地南緣中二疊統(tǒng)蘆草溝組為一套厚度很大的富有機質(zhì)的頁巖，前人據(jù)沉積體系分析對頁巖沉積環(huán)境和物源進行過相關研究[10-11]，但源區(qū)母巖性質(zhì)和源區(qū)構(gòu)造背景未見報道。目前，主要通過對準噶爾盆地南緣中二疊統(tǒng)蘆草溝組頁巖稀土元素地球化學特征的研究，解決稀土元素成因類型及應用稀土元素指標判別蘆草溝組沉積期的源區(qū)母巖性質(zhì)和構(gòu)造背景，為該區(qū)基礎地質(zhì)研究（如源區(qū)母巖性質(zhì)、構(gòu)造背景及構(gòu)造劃分和演化）提供重要信息。

1　地質(zhì)概況

準噶爾盆地南緣位于準噶爾盆地南部和博格達山北麓（圖1），經(jīng)歷了晚石炭世早期裂谷擴張期、晚石炭世中晚期坳陷-萎縮期、早二疊世再次擴張期和中二疊世盆地坳陷-擴展期[12-13]。中二疊世晚期研究區(qū)結(jié)束殘余陸表海環(huán)境進入湖相盆地演化階段，沉積了一套湖相頁巖（蘆草溝組），但此時湖盆仍受間歇性海水影響[13,14]。研究區(qū)地層自石炭系至第四系均有出露。二疊系有下二疊統(tǒng)石人子溝組、塔什庫拉組；中二疊統(tǒng)烏拉泊組、井井子溝組、蘆草溝組和紅雁池組；上二疊統(tǒng)泉子街組、梧桐溝組和鍋底坑組。蘆草溝組為此次研究層段，主要由黑色至褐灰色頁巖組成，與下伏井井子溝組和上覆紅雁池組呈整合接觸。

先前研究認為，蘆草溝組沉積期準南地區(qū)的物源來源于北部卡拉麥里山，而柴窩堡凹陷來源于北天山[10-11]，此時博格達山地區(qū)為凹陷中心，為深湖相沉積。

2　樣品及方法

此次分析樣品采自柴窩堡凹陷的2個剖面和準噶爾盆地南緣（準南）的4個剖面，其中，采樣點PM-Ⅰ和PM-Ⅱ位于柴窩堡凹陷，PM-Ⅲ、PM-Ⅳ、PM-Ⅴ和PM-Ⅵ位于準南（圖1）。采樣層位為中二疊統(tǒng)蘆草溝組，共采樣品23件。采樣時，掘去表面風化頁巖至新鮮面，采樣后樣品用錫紙包裹送實驗室分析。樣品測試在新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)實驗研究所巖礦檢測室完成。頁巖樣品粉碎至200目進行地球化學分析。稀土元素測試使用X系列電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS），檢測儀ZBF-3.67-2005，誤差小于5%，重復樣分析結(jié)果吻合，樣品分析具有較高精度。

圖1　準噶爾盆地南緣地質(zhì)圖及采樣位置Fig.1 The geological map of the Southern Junggar Basin and location of sampling sites

3　稀土元素地球化學

3.1稀土元素豐度

對比上地殼中稀土元素豐度[3]，蘆草溝組頁巖中輕稀土元素（La-Eu）含量低于上地殼豐度但重稀土與上地殼相似或略高（圖2）。據(jù)富集因子(蘆草溝組頁巖/上地殼)小于0.5指示虧損，高于2指示富集，介于0.5~2.0為相似[15]，蘆草溝組頁巖中的稀土元素含量與上地殼相似。自La至Lu，蘆草溝組頁巖的富集因子具增大趨勢，揭示重稀土元素有富集趨勢，這種現(xiàn)象可能與頁巖中有機質(zhì)對離子狀態(tài)稀土元素的吸附有關。在物源區(qū)和物源向沉積盆地搬運過程中，母巖在遭受風化過程中伴隨著礦物分解，在此過程中重稀土元素比輕稀土元素更易從礦物中淋濾出而呈離子狀態(tài)存在[1,8-9,16]。這些離子狀態(tài)的重稀土元素，在沉積盆地中易與有機質(zhì)結(jié)合形成復雜集合體[9]，故呈現(xiàn)重稀土元素富集趨勢。

圖2　蘆草溝組頁巖中稀土元素含量與上地殼豐度的對比Fig.2 The rare earth elements abundances of the Lucaogou Formation shales,compared with that of Upper Continental Crust

蘆草溝組頁巖中稀土元素含量（106.6×10-6）低于上地殼（146.4×10-6）和北美頁巖（136.4×10-6），但高于下地殼中稀土元素含量（66.9×10-6）[3,17,18]。輕重稀土比值為6.4，揭示了其具中等程度輕重稀土元素的分餾(表1)。

3.2稀土元素賦存狀態(tài)

前人研究認為稀土元素主要賦存于磷酸鹽礦物、粘土礦物和鋯石中，硫化物和碳酸鹽礦物對其貢獻較小[1]。此外，有機質(zhì)對稀土元素的吸附作用是不可忽視的[9]。在當前研究中，分別做稀土元素與常量元素和選擇性微量元素（如Zr）的相關關系，據(jù)相關系數(shù)確定稀土元素的可能賦存形式。相關分析表明，頁巖中稀土元素與Al2O3、TiO2、P2O5和Zr呈不同程度的正相關，揭示多種礦物載體（粘土礦物、磷酸鹽礦物、鋯石）控制著稀土元素的分布。稀土元素與SiO2/Al2O3呈不同程度的負相關，揭示石英對稀土元素含量起稀釋作用。此外，不同稀土元素的礦物載體明顯不同。重稀土元素（Dy-Lu）與P2O5（r=0.45~86）和Zr（r=0.40~0.85）具較顯著關系，而輕稀土元素與P2O5和Zr無明顯關系，說明重礦物（如鋯石）和磷酸鹽礦物是重稀土元素的重要載體。該磷酸鹽礦物極可能為磷釔礦，因為獨居石富集輕稀土元素、磷灰石富集中稀土元素[19]。Al2O3和TiO2與輕稀土元素具較好相關關系，與重稀土元素無明顯關系，揭示鋁硅酸鹽礦物（如粘土礦物）是輕稀土元素的重要載體。Bauluz等研究認為，輕稀土元素主要受控于粘土礦物而重稀土元素受控于鋯石和磷酸鹽礦物[20]。重稀土元素比輕稀土元素和Zr具更好的相關關系，主要是重稀土元素離子半徑更接近Zr離子且易置換鋯石中的Zr[21]。

表1　蘆草溝組頁巖的稀土元素含量及其與上地殼的對比Table 1 The rare earth elements abundances of the Lucaogou Formation shales, together with the Upper Continental Crust for comparison　單位：×10-6

4　討論

4.1母巖性質(zhì)

圖3　蘆草溝組頁巖的球粒隕石標準化分布模式（A）和與上地殼和下地殼分布模式的對比（B）Fig.3 The chondrite-normalized REEs patterns for the Lucaogou Formation shales(A),in comparison with the upper continental crust and lower continental crust

稀土元素球粒隕石或上地殼標準化模式是一種有效的源巖判別法，因為稀土元素的豐度主要受控于母巖性質(zhì)和風化條件，后沉積階段地質(zhì)作用對其影響較小[7]。當前研究中，各樣品稀土元素球粒隕石標準化保持相似的分布模式（圖3-A），揭示其來自相同或相似的物源供給和構(gòu)造背景[8]。研究區(qū)頁巖的稀土元素分布模式非常類似上地殼（長英質(zhì)組分）的稀土元素分布（圖3-B），但與下地殼存在明顯差異，揭示蘆草溝組頁巖的源區(qū)母巖主要為長英質(zhì)組分。研究區(qū)頁巖的（La/Yb）N值為2.30~7.37，均值5.81，揭示輕重稀土元素較分餾；（La/Sm）N值（2.47~3.91，均值2.98）和（Gd/Yb）N值（0.60~1.59，均值1.29）揭示輕稀土元素相對分餾而重稀土元素無明顯分餾。稀土元素的上述指標非常接近英云閃長巖[22]（（La/Yb）N為6.3，（La/Sm）N為2.9，（Gd/Yb）N為1.4），說明蘆草溝組頁巖的源區(qū)母巖性質(zhì)非常類似于英云閃長巖。Eu異常值常用以區(qū)分鐵鎂質(zhì)火成巖和長英質(zhì)火成巖，鐵鎂質(zhì)火成巖中的Eu異常表現(xiàn)為輕微負異?；驘o異常，而長英質(zhì)火成巖中的Eu異常表現(xiàn)為負異常[4,23]。蘆草溝組頁巖的Eu異常為0.61~0.85，均值0.72，略高于上地殼的Eu異常（0.66）[3]，但明顯低于下地殼的Eu異常（1.15）[18]，揭示源區(qū)母巖以長英質(zhì)組分為主，但與上地殼成分相比，其含相對較少的長英質(zhì)組分。由于稀土元素富集于長英質(zhì)組分而Cr富集于鐵鎂質(zhì)組分[4,23]，La/Cr比值可近似反映長英質(zhì)與鐵鎂質(zhì)組分在沉積巖中的相對貢獻。蘆草溝組頁巖的La/Cr值為0.56，與英云閃長巖中的值（0.61）非常接近[22]，揭示準噶爾盆地南緣中二疊世物源區(qū)母巖成分非常類似于英云閃長巖。

4.2源區(qū)構(gòu)造背景

利用不同構(gòu)造背景下沉積物的稀土元素球粒隕石標準化和PAAS標準化分布模式可推斷源區(qū)構(gòu)造背景[7]。研究區(qū)頁巖的球粒隕石標準化分布模式和PAAS標準化分布模式非常接近大陸島弧背景下沉積物的稀土元素標準化分布樣式(圖4-A，B)，揭示源區(qū)為大陸島弧構(gòu)造背景。

Bhatia總結(jié)了不同構(gòu)造背景下砂巖、泥巖稀土元素判別指標（表2）[7]，研究區(qū)頁巖樣品稀土元素指標La、Ce、REE、La/Yb、LREE/HREE、(La/Yb)N和Eu異常值非常接近大陸島弧構(gòu)造背景下沉積物的對應稀土元素參數(shù)值，揭示源區(qū)為大陸島弧構(gòu)造背景。為更好地確定物源區(qū)構(gòu)造背景，需結(jié)合物源區(qū)（卡拉麥里山）火成巖地球化學特征綜合分析?？ɡ溊锷绞肯祷鹕綆r分布廣泛，總體屬高鉀鈣堿性火山巖系，SiO2與其他氧化物具良好的線性演化關系[25]，此特征與典型的大陸弧或活動大陸邊緣弧火山巖較接近[26]。同時，火山巖的強不相容元素和大離子親石元素的地球化學特征及相關圖解也呈匯聚板塊邊緣陸緣弧火山巖特征[25]。因此，可推測石炭—二疊紀時期物源區(qū)(卡拉麥里山地區(qū))構(gòu)造背景可能為大陸島弧環(huán)境。

5　結(jié)論

（1）蘆草溝組頁巖的稀土元素含量類似于上地殼稀土元素豐度，但相比輕稀土元素，重稀土元素具富集趨勢，可能與頁巖中有機質(zhì)對重稀土元素的吸附有關。

（2）研究區(qū)頁巖中輕稀土元素主要受控于粘土礦物，而重稀土元素受鋯石、磷酸鹽礦物和有機質(zhì)的共同影響。

圖4　蘆草溝組頁巖的球粒隕石標準化（A）和PAAS標準化（B）分布模式，與大洋島弧、大陸島弧和活動大陸邊緣+構(gòu)造大陸邊緣沉積物的分布模式進行比較；球粒隕石值和PAAS值Fig.4 The Chondrite-normalized(A)and Post-Archean Australian Shale(PAAS)-normalized(B)REEs patterns for the Lucaogou Formation shales,compared with those of OIA(oceanic island arc),CIA(continental island arc), ACM(active continental margin and PM-passive margin)Chondrite data,PAAS

表2　蘆草溝組頁巖稀土元素指標值和不同構(gòu)造背景沉積盆地砂巖的REE指標比較Table 2 The REE indices of the Lucaogou Formation shales,in comparison with those of graywackes derived from various tectonic settings　單位:×10-6

（3）準噶爾盆地南緣中二疊世物源區(qū)母巖以長英質(zhì)組分為主，但與上地殼相比，含較少長英質(zhì)組分，母巖性質(zhì)非常類似于英云閃長巖成分。

（4）物源區(qū)構(gòu)造背景以大陸島弧環(huán)境為主。

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TheREE Geochemistry of theLucaogou Formation in theSouthern J unggar Basin and Analysisof Parent Rock and Tectonic Setting in Sediment-sourceRegion

Tu Qijun,Xu Shiqi
（Xinjiang Institute of Geological Survey,Urumqi,Xinjiang,830000,China）

REE geochemistry of the Middle Permian Lucaogou Formation shales in the southern Junggar basin,Xinjiang Province,have been investigated to determine the abundance and occurrence mode of REE,and to infer parent rock nature and tectonic setting.These results show that REE contents of the analysed shales are similar to those of UCC,but HREE are enriched relative to LREE,which is ascribed to the organic matter absorption on HREE.The LREE is most likely hosted in clay minerals while HREE is influenced by zircon,phosphate mineral and organic matter.The provenance is thought to be mainly derived from felsic igneous rock which is comparable with tonalite in the Mideele Permian in the southern Junggar basin.The tectonic setting of sediment-source region is predominated by Continental Island Arc setting.

The southern Junggar Basin;Lucaogou Formation;Rare earth element;Tectonic setting

1000-8845(2016)03-345-05

P595；P542

A

項目資助:新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院“新疆準噶爾盆地南緣頁巖氣資源遠景調(diào)查”項目（12120114031901）資助

2016-01-12;

2016-04-11;作者E-mail:511450271@qq.com

涂其軍（1976-），男，新疆伊犁人，高級工程師，2000年畢業(yè)于東北大學，中國地質(zhì)大學（北京）在讀博士，現(xiàn)從事礦產(chǎn)勘查、多目標化探、科研和技術管理工作