鄂西宣恩志留系細砂巖地球化學(xué)特征及物源構(gòu)造環(huán)境分析

劉 力, 潘龍克, 羅 華, 梅小元

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

鄂西宣恩志留系細砂巖地球化學(xué)特征及物源構(gòu)造環(huán)境分析

劉 力, 潘龍克, 羅 華, 梅小元

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

鄂西宣恩志留系較為發(fā)育,自下而上可分為新灘組、羅惹坪組、紗帽組,為一套粉砂巖、細砂巖夾頁巖的碎屑巖沉積。筆者在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查過程中,對鄂西宣恩地區(qū)新灘組、羅惹坪組、紗帽組內(nèi)細砂巖(粉砂巖)進行了地球化學(xué)取樣分析,顯示碎屑巖母巖來自火山島弧和穩(wěn)定陸塊。結(jié)合區(qū)內(nèi)志留系沉積序列特征表明:鄂西早志留世階段,中上揚子區(qū)為穩(wěn)定陸塊基底上發(fā)育而成的被動陸緣克拉通盆地。

細砂巖;地球化學(xué);鄂西

沉積盆地中的碎屑巖從其源巖區(qū)經(jīng)歷了風化、剝蝕、搬運等地質(zhì)作用后到達現(xiàn)今所在位置沉積下來,其過程中雖然經(jīng)歷了一系列的物理化學(xué)變化,但必定還保留了許多其源巖最原始的信息。特別是化學(xué)信息,由于不同的化學(xué)元素在地質(zhì)作用過程中有著不同的遷移及賦存規(guī)律,據(jù)此,利用碎屑巖所攜帶的地球化學(xué)信息,對物源區(qū)進行分析研究是可行的。沉積學(xué)將現(xiàn)代不同類型盆地中碎屑巖組成進行系統(tǒng)研究,并將其與已知大地構(gòu)造背景的源區(qū)巖石組合進行對比,總結(jié)出來源于不同構(gòu)造背景下沉積盆地中碎屑巖組合以及相關(guān)地球化學(xué)特點,利用這些信息可對源區(qū)進行反演研究。筆者在進行1∶5萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查中,對志留系內(nèi)發(fā)育的細砂巖進行了地球化學(xué)采樣分析,來探討其形成的物源構(gòu)造背景及演化規(guī)律。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于中上揚子區(qū),處在四川盆地以東、江南—雪峰構(gòu)造帶以西的湘鄂西褶沖帶內(nèi),區(qū)內(nèi)主要沉積寒武系—三疊系,構(gòu)造樣式以發(fā)育北東向隔槽式褶皺帶為特點,斷層多為走滑性質(zhì),以北北東向展布為主。研究區(qū)出露的志留系自下而上可分為:新灘組(S1x)、羅惹坪組(S1lr)和紗帽組(S1s),均為一套細碎屑巖沉積。各組地層特征如下:

新灘組下部為灰—灰綠色中薄層狀泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)頁巖、泥巖,上部為灰綠色中薄層粉砂巖夾泥質(zhì)粉砂巖,偶夾細砂巖層;羅惹坪組下部為灰綠色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖夾粉砂質(zhì)頁巖、粉砂質(zhì)泥巖,偶見灰色薄層狀細砂巖,上部為灰綠色粉砂質(zhì)頁巖夾薄層狀泥質(zhì)粉砂巖,夾有數(shù)層紫紅色中薄層狀粉砂巖;紗帽組下部為灰色中薄層狀細砂巖夾粉砂質(zhì)頁巖、中薄層狀粉砂巖,發(fā)育水平層理、塊狀層理、泥質(zhì)結(jié)核;上部為灰綠色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖夾薄層狀粉砂巖、細砂巖,偶夾細砂巖透鏡體,產(chǎn)三葉蟲、腕足類等化石。

2 采樣位置及分析方法

樣品采集于湖北省恩施州宣恩縣南香水河和荊竹埡地區(qū)(圖1),其中新灘組取樣5件(D2010/1-1、D2010/7-1、D2010/17-2、D1202-1和D1202-2),羅惹坪組取樣2件(D2011/27-1和D1203-1),紗帽組取樣3件(D1051/37-1、D2012/44-1和D1204-1)。其中樣品D1202-1、D1202-2、D1203-1、D1204-1在湖北地質(zhì)局鄂東北實驗室分析測試,其余樣品在國土資源部武漢綜合巖礦測試中心完成測試。其中主量元素測試采用RIX2100型X射線熒光光譜分析儀進行分析,分析精度優(yōu)于5%。稀土、微量元素測試采用Agilent 7500a ICP-MS分析完成,分析精度優(yōu)于5%～10%。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖及采樣位置圖Fig.1 Geological sketch map of study area and sampling locations1.第四系;2.中三疊統(tǒng);3.早三疊統(tǒng);4.泥盆—二疊系;5.紗帽組;6.羅惹坪組;7.新灘組;8.奧陶系;9.寒武系;10.斷層;11.采樣位置;12.研究區(qū)。

表1 志留系砂巖主量元素分析結(jié)果(wt%)Table 1 Analysis results of major elements of Silurian sandstone

3 地球化學(xué)特征與物源區(qū)大地構(gòu)造背景

圖2 lg[w(SiO2)/w(Al2O3)]-lg[w(K2O)/w(Na2O)]砂巖分類圖解(據(jù)Pettijohn等,1987[1])Fig.2 Sandstone classification diagram of lg[w(SiO2)/w(Al2O3)]-lg[w(K2O)/w(Na2O)]

表2 志留紀各組砂巖與不同構(gòu)造背景砂巖主量元素特征數(shù)值比較Table 2 Numerical comparison of main elements in sandstone of silurian formations with Sandstone in different strnctural background

注:不同構(gòu)造背景砂巖主量元素特征參數(shù)引自Bhatia(1985)。

由于地球化學(xué)元素在沉積巖形成的全過程中都存在變化,因此應(yīng)用地球化學(xué)數(shù)據(jù)在沉積學(xué)的研究中必然具有多解性。那么在以地球化學(xué)特征為依據(jù)來判別物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境的時候,任何一個參數(shù)都有其局限性,必須綜合利用。

Roser(1988)[3]提出利用主量元素判別函數(shù)來分析物源成分,其中:

判別函數(shù)因子f1=-1.773×TiO2+0.607×Al2O3+0.76×Fe2O3-1.5×MgO+0.616×CaO+0.509×Na2O-1.224×K2O-9.09;

判別函數(shù)因子f2=0.445×TiO2+0.07×Al2O3-0.25×Fe2O3-1.142×MgO+0.438×CaO+1.475×Na2O+1.426×K2O-6.861。

根據(jù)上面兩個判別式計算數(shù)據(jù)成圖可區(qū)分出4種物源區(qū)類型:長英質(zhì)火成物源區(qū)、石英巖沉積物源區(qū)、中性巖火成物源區(qū)和鎂鐵質(zhì)火成物源區(qū)。根據(jù)調(diào)查區(qū)志留系細砂巖測試結(jié)果計算判別函數(shù)投點(圖3),可見新灘組基本落入長英質(zhì)火成物源區(qū)和石英巖沉積物源區(qū);羅惹坪組基本落入長英質(zhì)火成物源區(qū);紗帽組全部落入石英巖沉積物源區(qū),表明羅惹坪組及新灘組碎屑巖母巖為穩(wěn)定陸塊和火山島弧,紗帽組碎屑巖母巖為穩(wěn)定陸塊。

Roser & Korsch(1988)探討了沉積物顆粒大小對其化學(xué)成分的影響,認為不同粒度的沉積物化學(xué)成分的變化在其構(gòu)造環(huán)境判別圖上可顯示一定的變化趨勢,由此可以得到有用的信息。他們提出利用氧化物含量進行計算、投點,反映其構(gòu)造環(huán)境。將調(diào)查區(qū)志留系細砂巖主量元素比值投入w(SiO2)-lg[w(K2O)/w(Na2O)]和lg[w(K2O)/w(Na2O)]-w(SiO2)/w(Al2O3)判別圖解(圖4)中,新灘組、羅惹坪組、紗帽組細砂巖均落入被動陸緣的構(gòu)造環(huán)境。

圖3 主量元素判別函數(shù)限定物源區(qū)特征圖解(據(jù)Roser等,1988[3])Fig.3 Diagram of provenance characteristics limited by the discriminant function of major elements

沉積物中Fe、Ti元素不易流失,且在海水中駐留時間較短,可以較好地反映其母源性質(zhì),Mg雖不如Fe和Ti,但也基本可以代表母源的原始含量,故砂巖中這幾種元素氧化物的含量可作為反映母源區(qū)性質(zhì)及構(gòu)造背景的良好參數(shù)。Bhatia(1983)[4]提出利用氧化物含量及其相對比值如(Fe2O3+MgO)、TiO2、Al2O3/SiO2、K2O/Na2O及Al2O3/( CaO+Na2O)等參數(shù),將其配對組成二端元圖進行沉積巖的構(gòu)造環(huán)境判別。對志留系細砂巖的主量元素測試結(jié)果進行投圖,在(Fe2O3+MgO)-TiO2圖、(Fe2O3+MgO)-Al2O3/ SiO2圖、(Fe2O3+MgO)-Al2O3/(CaO+Na2O)圖和(Fe2O3+MgO)-K2O/Na2O圖(圖5)中,投點雖然較為分散,但紗帽組細砂巖基本落入被動陸緣附近,新灘組大部分落入被動陸緣附近,羅惹坪組偏離較遠。雖然樣品在各判別圖解上有所差異,但是總體上仍然反映出調(diào)查區(qū)志留系物源區(qū)構(gòu)造背景以被動陸緣為主。

圖4 砂巖的化學(xué)成分與板塊構(gòu)造環(huán)境關(guān)系圖解(據(jù)Roser & Korsch,1988[3])Fig.4 The relationship between chemical composition of sandstone and plate tectonic environmentARC.大洋島弧;ACM.活動陸緣;PM.被動陸緣;A1.島弧背景;A2.演化的島弧背景。

圖5 細砂巖主量元素化學(xué)成分的構(gòu)造背景判別圖解(據(jù)Bhatia,1983[4])Fig.5 Structural background discrimination of chemical composition of major elements in fine sandstoneA.大洋島弧;B.大陸島弧;C.活動大陸邊緣;D.被動大陸邊緣。

陸源碎屑巖中的微量元素具有較大的穩(wěn)定性,尤其是Hf、Th、Ti、Zr、Sc等元素,在風化搬運和沉積過程中很少受其他地質(zhì)作用的影響。其含量變化與構(gòu)造背景之間有著內(nèi)在的必然聯(lián)系,可以反映物源區(qū)的大地構(gòu)造背景、構(gòu)造演化特征。因此,陸源碎屑的微量元素地球化學(xué)特征更適宜于研究源區(qū)類型及其大地構(gòu)造背景。

Bhatia等(1986)[5]通過對砂巖、泥砂質(zhì)巖進行稀土和微量元素的長期研究分析,歸納總結(jié)了與其對應(yīng)的4大類物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境,它們依次是大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣、被動大陸邊緣。利用Hf、Th、Ti、Zr、Sc等具更強穩(wěn)定性的元素為端元組成的三角構(gòu)造環(huán)境判別圖解,在Th-Hf-Co圖解(圖6)中,調(diào)查區(qū)志留系細砂巖母巖來自于長英質(zhì)火山巖、頁巖和長石砂巖,物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境以火山島弧和克拉通盆地為主;在 Th-Sc-Zr/10判別圖解(圖7)中,新灘組大部分和紗帽組物源區(qū)均顯示了被動大陸邊緣的構(gòu)造環(huán)境,羅惹坪組物源區(qū)則位于活動大陸邊緣和大陸島弧附近。

志留紀為加里東運動主要活動期,受秦嶺海槽逐漸關(guān)閉的向東運動與來自南面古太平洋板塊和華夏板塊的區(qū)域應(yīng)力作用,包括研究區(qū)在內(nèi)的整個中上揚子區(qū)處于擠壓應(yīng)力狀態(tài),克拉通內(nèi)部為擠壓坳陷盆地,早期的古陸和由于加里東運動形成的古隆起為陸源碎屑物源供應(yīng)區(qū),整個中上揚子區(qū)沉積格局為大隆大坳相間、淺海深水盆地環(huán)境[6]。何衛(wèi)紅等(2014)[7]研究認為湘鄂西奧陶系頂部—下志留統(tǒng)底部以筆石頁巖、硅質(zhì)巖為主,下志留統(tǒng)下部以粉砂巖、細砂巖或夾灰?guī)r和頁巖為主,表明了該期海平面逐漸下降以及盆地逐漸被填滿;上揚子內(nèi)部其余地區(qū)晚奧陶世—志留紀仍為砂巖與頁巖互層或夾碳酸鹽巖,為混積臺地—深水陸棚,或為隆起區(qū)。研究區(qū)位于湘鄂西,志留紀時接收來自周緣上揚子北緣隆起、川中隆起、黔中隆起、雪峰隆起等的碎屑物質(zhì)沉積,其物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境多為被動大陸邊緣。

圖6 Th-Hf-Co判別圖解(據(jù)Bhatia等,1986[5])Fig.6 Discrimination diagram of Th-Hf-CoA.長英質(zhì)火山巖;B.頁巖(克拉通盆地);C.石英巖(克拉通盆地);D.長石砂巖;E.雜砂巖(島弧)。

圖7 Th-Sc-Zr/10判別圖解(據(jù)Bhatia等,1986[5])Fig.7 Discrimination diagram of Th-Sc-Zr/10A.大洋島弧;B.大陸島弧;C.活動大陸邊緣;D.被動大陸邊緣。

4 結(jié)論

綜上,鄂西宣恩地區(qū)志留系以粉砂巖、細砂巖夾頁巖等碎屑巖沉積為主,整體上指示了海水水體向上變淺的沉積序列,表明盆地逐漸被沉積物充填和海平面相對下降的過程。宣恩地區(qū)志留系細砂巖以巖屑砂巖和長石砂巖為主,其地球化學(xué)特征反映了沉積物源區(qū)當時處于被動大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境,碎屑巖母巖來自火山島弧和穩(wěn)定陸塊。

[1] Pettijohn F J,Potter P E,and Siever R.Sand et al..Second Edition[M].Berlin.Springer-verlag,1987:1-553.

[2] 裴先治,胡楠,劉成軍,等.東昆侖南緣哥日卓托地區(qū)馬爾爭組砂巖碎屑組成、地球化學(xué)特征與物源構(gòu)造環(huán)境分析[J].地質(zhì)論評,2015,61(2):307-323.

[3] Roser B P,Korsch R J.Provenance signatures of sandstone-mudstone suites determined using discriminant function analysis of major-element data[J].Chemical Geology,1988,67:119-139.

[4] Bhatia M R.Plate tectonics and geochemical composition of sandstones[J].Journal of Geology,1983,91:611-627.

[5] Bhatia M R,Crook K A W.Trace element characteristics of graywacks and tectonic setting discrimination of sedimentary basins[J].Contributions to Mineralogy and Petrology,1986,92(2):181-193.

[6] 黃福喜,陳洪德,侯明才,等.中上揚子克拉通加里東期(寒武—志留紀)沉積序列充填過程與演化模式[J].巖石學(xué)報,2011,27(8):2299-2317.

[7] 何衛(wèi)紅,唐婷婷,樂明亮,等.華南南華紀—二疊紀沉積大地構(gòu)造演化[J].地球科學(xué)——中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報,2014,39(8):929-953.

(責任編輯:于繼紅)

Analysis on Geochemical Characteristics and Provenance Tectonic Environmentof Silurian Fine Sandstone in Xuan’en Region of the Western Hubei

LIU li, PAN Longke, LUO Hua, MEI Xiaoyuan
(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

Silurian strata in Xuan’en region of the western Hubei is quite developed which can be divided into Xintan Formation,Luoreping Formation from bottom to top,Shamao Formation,and it is a sequence of clastic deposit with siltstone,fine sandstone with intercalation of shale.During the regional geologic investigations,the authors analyzed the geochemical characteristics of fine sandstone in Silurian strata.Research results show that the parent rocks of clasolite come from volcanic arc and stable landmass.The Silurian sedimentary sequence characteristics indicate that the middle and upper Yangtze Region is passive margin cratonic basin which developes from stable landmass basement in Early Silurian.

fine sandstone; geochemical; western Hubei

2016-08-30;改回日期:2017-01-05

本文為中國地質(zhì)調(diào)查局基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查項目(編號:12120113062000)資助。

劉力(1986-),男,工程師,地質(zhì)學(xué)專業(yè),從事巖漿巖巖石學(xué)及區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究工作。E-mail:505651703@qq.com

P588.21+2.3; P59

A

1671-1211(2017)02-0131-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.003

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0825.022.html 數(shù)字出版日期:2017-03-14 08:25