四川盆地北部早白堊世劍門關(guān)組泥質(zhì)巖地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

徐剛， 王越， 劉子暢， 呂行， 高淑芳

(1.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所，成都 610041； 2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局川西北地質(zhì)隊(duì)，綿陽 621000； 3.青海油田勘探開發(fā)研究院，敦煌 736202)

0 引言

碎屑沉積巖記錄了源巖的成分特征、物源區(qū)風(fēng)化條件和大地構(gòu)造背景等信息，其地球化學(xué)特征可用于分析沉積源區(qū)性質(zhì)和構(gòu)造環(huán)境。稀土元素及某些微量元素在沉積水體中的溶解度低，且在沉積過程中很少發(fā)生分異，相對穩(wěn)定，可有效地指示地質(zhì)作用過程、物源區(qū)性質(zhì)及大地構(gòu)造環(huán)境[1-7]，也可反映物源區(qū)古風(fēng)化特征，為古氣候研究提供地球化學(xué)證據(jù)。此外，泥質(zhì)巖因粒度細(xì)、成分均勻、吸附性強(qiáng)而被廣泛應(yīng)用于地球化學(xué)特征研究。

四川盆地是以龍門山斷裂為西界、七曜山斷裂為東界、城口斷裂為北界、峨眉—瓦山斷裂為南界的菱形構(gòu)造兼地貌盆地[8-9]。早白堊世劍門關(guān)組主要分布于四川盆地北部，前人對該地層進(jìn)行了較多的沉積學(xué)研究[10-12]，但地球化學(xué)特征研究相對薄弱。因此，筆者選取四川盆地北部早白堊世劍門關(guān)組泥質(zhì)巖為研究對象，分析其沉積地球化學(xué)特征，進(jìn)一步探討了劍門關(guān)組物源區(qū)性質(zhì)、構(gòu)造背景、古風(fēng)化作用及其對古氣候的指示作用。

1 地質(zhì)背景

四川盆地位于揚(yáng)子地塊西部，是周緣造山帶共同疊加形成的多旋回構(gòu)造疊合盆地[8]。印支期揚(yáng)子地臺西部松潘—甘孜地塊、北部秦嶺造山帶及東部雪峰—武陵褶皺帶，向揚(yáng)子地臺俯沖，揚(yáng)子地臺北緣發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn)，四川盆地開始沉積，進(jìn)入盆地的形成和演化階段。四川盆地的演化分為晚三疊世周緣前陸盆地演化階段、早—晚侏羅世陸內(nèi)前陸盆地演化階段、早白堊世盆地萎縮階段和中白堊世—新近紀(jì)盆地衰亡階段4個階段[13-18]。

劍門關(guān)組是四川盆地構(gòu)造演化晚期萎縮階段沉積的一套陸相磨拉石建造，對四川盆地早白堊世構(gòu)造演化研究具有重要意義。研究區(qū)位于四川省蒼溪縣高坡鎮(zhèn)附近，早白堊世劍門關(guān)組超覆不整合于蓮花口組之上，與下伏蓮花口組呈平行不整合接觸(圖1)。

1.第四系沖積物； 2.早白堊世漢陽鋪組； 3.早白堊世劍門關(guān)組； 4.晚侏羅世蓮花口組； 5.晚侏羅世遂寧組； 6.中侏羅世沙溪廟組; 7.實(shí)測剖面及編號

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置(a)及地質(zhì)簡圖(b)[7]

Fig.1 Tectonic location (a) and geological sketch (b) of the study area[7]

2 劍門關(guān)組巖性特征

研究區(qū)早白堊世劍門關(guān)組可分為2段。

劍門關(guān)組一段： 粗碎屑巖，厚112.7～312.5 m，以紫紅色、灰紫色厚—巨厚層狀和中厚層狀的中粒、中細(xì)粒巖屑長石砂巖、長石砂巖、長石巖屑砂巖(圖2(a))和不等粒巖屑砂巖為主，夾紫紅色和少量黃灰色鈣質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等，局部底部出露礫巖透鏡體。該段發(fā)育槽狀交錯層理(圖2(b))、斜層理(圖2(c))、平行層理和水平層理，可見蟲跡(蟲管)(圖2(d))潛穴構(gòu)造。鈣質(zhì)泥巖中可見姜狀鈣質(zhì)結(jié)核。

(a) 長石巖屑砂巖 (b) 槽狀交錯層理 (c) 斜層理

(d) 蟲管 (e) 鈣質(zhì)粉砂巖 (f) 沙紋層理

Q.石英； F.長石； R.巖屑； Cal.方解石

圖2 研究區(qū)劍門關(guān)組野外地質(zhì)特征及顯微鏡下特征照片

Fig.2 Field and microscopic characteristics of Jianmenguan Formation in the study area

劍門關(guān)組二段： 細(xì)碎屑巖，厚46.6～478.4 m，以紫紅色、磚紅色薄層狀和中厚層狀泥巖、粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖和鈣質(zhì)粉砂巖(圖2(e))為主，夾淺灰綠色、黃灰色、紫紅色中粒、中細(xì)粒巖屑長石砂巖、巖屑砂巖和長石砂巖，局部夾礫巖透鏡體。該段發(fā)育水平層理、沙紋層理(圖2(f))、平行層理、斜層理、交錯層理、重荷模、泥裂等沉積構(gòu)造。

3 樣品采集及分析方法

9件樣品均采自早白堊世劍門關(guān)組實(shí)測剖面(圖3)上，巖性為泥質(zhì)巖。樣品較新鮮，未發(fā)生明顯蝕變、礦化或次生風(fēng)化作用。主量元素和微量元素地球化學(xué)測試工作在中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所完成。按《GB/T 14506—2010硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》[19]對樣品進(jìn)行分析。將樣品粉碎后過200目篩，保證樣品粒徑<74 μm，在105 ℃預(yù)干燥2～4 h后，置于干燥器中，冷卻至室溫。主量元素采用X熒光光譜分析，采用熔片法，取0.7 g樣品、5.2 g無水四硼酸鋰、0.4 g氟化鋰和 0.3 g 硝酸銨在瓷坩堝中拌均勻后，移入鉑金合金坩堝中，并加入1 ml溴化鋰溶液，在熔樣機(jī)中加熱至1 150～1 250 ℃融制成片。微量元素采用等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)測試，采用HF+HNO3密閉高壓溶樣，溶解好的樣品溶液在等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)上測定，溶樣和分析流程見《GB/T 14506—2010硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》[19]。元素分析誤差<5%，重復(fù)樣分析結(jié)果吻合。

4 地球化學(xué)特征

4.1 主量元素

早白堊世劍門關(guān)組泥質(zhì)巖主量元素含量及特征參數(shù)見表1。與澳大利亞后太古宙平均頁巖(PAAS)[3]對比，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)泥質(zhì)巖主量元素富CaO、MgO，貧Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、TiO2、P2O5、MnO，SiO2含量與PAAS相當(dāng)。

表1 研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖主量元素含量及特征參數(shù)

注： CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100,式中化學(xué)成分含量均為摩爾分?jǐn)?shù)，CaO*指巖石硅酸鹽CaO的含量。

4.2 微量元素

研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖微量元素含量及特征參數(shù)見表2。與大陸上地殼(UCC)微量元素含量[3]相比(圖4)，劍門關(guān)組泥質(zhì)巖富Cr、Cs、V，貧Sr、Nb及放射性元素U、Hf，Zr、Th、Co含量與大陸上地殼相當(dāng)?？傮w來看，劍門關(guān)組泥質(zhì)巖微量元素豐度與上地殼微量元素豐度相當(dāng)，與其形成于陸相盆地的構(gòu)造背景相吻合。

表2 研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖微量元素含量及特征參數(shù)

圖4 研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖UCC

4.3 稀土元素

研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖稀土元素含量及特征參數(shù)見表3。稀土元素總量為(164.96～234.35)×10-6，平均值為185.26×10-6，與PAAS值(184.77×10-6)相當(dāng)。LREE/HREE(輕稀土/重稀土)值為11.77～15.87，平均值為13.42，遠(yuǎn)>1，輕、重稀土元素分餾程度高，輕稀土元素相對富集。PAAS標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線(圖5)弱右傾，輕、重稀土元素曲線特征稍有差別。(La/Sm)N=1.01～1.46，平均值為1.19(>1)，說明輕稀土元素較富集，且輕稀土元素分餾程度較低； (Tb/Yb)N=1.15～1.42，平均值為1.24(>1)，說明重稀土元素分餾程度較低。泥質(zhì)巖具有弱的正Eu異常(δEu=1.08～1.15，平均值為1.10)，Ce基本無異常(δCe為0.85～1.13，平均值為1.06)。此外，研究區(qū)泥質(zhì)巖具有相似的稀土元素配分模式，曲線近于平行，說明沉積物可能來源于同一物源區(qū)。

表3 研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖稀土元素含量及特征參數(shù)

續(xù)表

圖5 研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖PAAS標(biāo)

5 討論

5.1 物源區(qū)性質(zhì)

5.1.1 主量元素的指示

當(dāng)泥質(zhì)巖K2O/Al2O3值>0.5時，說明母巖含有相當(dāng)數(shù)量的堿性長石； 當(dāng)泥質(zhì)巖K2O/Al2O3值<0.4時，說明母巖含有少量的堿性長石[20-21]。Girty等[22]認(rèn)為，沉積物Al2O3/TiO2值<14時，物源可能來源于鎂鐵質(zhì)巖石； 沉積物Al2O3/TiO2值為19～28時，物源可能來源于安山質(zhì)和流紋英安質(zhì)(或花崗閃長質(zhì)和英云閃長質(zhì))巖石。研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖K2O/Al2O3值為0.18～0.22(平均值為0.20),Al2O3/TiO2值為16.98～21.84(平均值為19.03)(表1)，表明劍門關(guān)組泥質(zhì)巖母巖中堿性長石含量較低，物源主要來源于長英質(zhì)巖石，而非鎂鐵質(zhì)巖石。

5.1.2 微量元素的指示

泥質(zhì)巖的微量元素地球化學(xué)特征可應(yīng)用于判別物源區(qū)的性質(zhì)[21]，Cr/Zr值可反映鎂鐵質(zhì)與長英質(zhì)對沉積物的相對貢獻(xiàn)[23]。研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖Cr/Zr值為0.27～0.54，平均值為0.39(表2)，說明源區(qū)物質(zhì)以長英質(zhì)為主。泥質(zhì)巖Cr/Th值為6.13～8.06，平均值為7.15(表2)，位于長英質(zhì)源區(qū)范圍[24]，進(jìn)一步表明研究區(qū)碎屑巖源區(qū)物質(zhì)以長英質(zhì)為主。

5.1.3 稀土元素的指示

稀土元素、高場強(qiáng)元素及部分過渡金屬元素是沉積過程中最穩(wěn)定的元素，可有效判別碎屑沉積巖源區(qū)成分特征[25-26]。La/Yb-∑REE圖解(圖6)中，研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖投影點(diǎn)全部落在沉積巖區(qū)，且與PAAS投點(diǎn)緊鄰，說明研究區(qū)劍門關(guān)組沉積巖的原始物質(zhì)源自上地殼，物源區(qū)為沉積巖。在Hf-La/Th圖解(圖7)中，研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖投影點(diǎn)落于長英質(zhì)、基性巖混合物源區(qū)附近，并有向安山巖島弧物源區(qū)演化的趨勢。沉積物中Eu的來源包括陸緣碎屑、海底熱液、沉積物從海水中吸附的生物及隕石等[28]，研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖具有弱的正Eu異常，來源于陸源碎屑，物源區(qū)可能出露富含斜長石、重晶石等富Eu礦物的巖石，進(jìn)一步反映四川盆地劍門關(guān)組成熟度較低，為近距離搬運(yùn)的產(chǎn)物。

圖6 研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖La/Yb-∑REE圖解[27]

圖7 研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖Hf-La/Th圖解[29]

綜上，四川盆地劍門關(guān)組泥質(zhì)巖源自上地殼，物源區(qū)為長英質(zhì)巖區(qū)，可能出露富含斜長石、重晶石等富Eu礦物的巖石。

5.2 物源區(qū)構(gòu)造背景

5.2.1 主量元素構(gòu)造環(huán)境判別

利用碎屑巖SiO2、K2O、Na2O、TiO2、A12O3等主量元素的比值及相關(guān)性可將沉積盆地的構(gòu)造環(huán)境分為大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣4種類型[30-32]。在TiO2-(TFe2O3+MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖8(a))、Al2O3/SiO2-(TFe2O3+MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖8(b))中，研究區(qū)泥質(zhì)巖樣品投影點(diǎn)主要落在島弧區(qū)內(nèi)； 在Al2O3/(CaO+Na2O)-(TFe2O3+MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖8(c))中，研究區(qū)泥質(zhì)巖樣品投影點(diǎn)主要落在與島弧相鄰的不確定區(qū)，反映劍門關(guān)組物源區(qū)具有復(fù)雜的構(gòu)造背景; 在K2O/Na2O-SiO2構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖8(d))中，研究區(qū)泥質(zhì)巖樣品投影點(diǎn)主要落在島弧和活動大陸邊緣區(qū)域，反映物源區(qū)具有活動大陸邊緣向大陸島弧轉(zhuǎn)化的構(gòu)造環(huán)境特點(diǎn)。綜上，研究區(qū)劍門關(guān)組碎屑巖源區(qū)的構(gòu)造環(huán)境主要為大陸島弧。

(a) TiO2-(TFe2O3+MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖 (b) Al2O3/SiO2-(TFe2O3+MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖

(c) Al2O3/(CaO+Na2O)-(TFe2O3+MgO) (d) K2O/Na2O-SiO2構(gòu)造環(huán)境判別圖構(gòu)造環(huán)境判別圖

A.大洋島?。?B.大陸島弧; C.活動大陸邊緣； D.被動大陸邊緣;.劍門關(guān)組泥質(zhì)巖

圖8 研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖主量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖

Fig.8 Tectonic setting discrimination diagrams of major elements composition of the mudstones of Jianmenguan Formation

5.2.2 微量元素構(gòu)造環(huán)境判別

利用碎屑巖La、Th、Sc、Co、Zr、U、Hf等元素比值及相關(guān)性可判別構(gòu)造環(huán)境[33]。Bhatia[31]認(rèn)為: 當(dāng)Th/U值為2.5～3時，物源主要為島弧火山巖； 當(dāng)Th/U值約為4.5時，物源主要以沉積巖為主，可能有島弧火山巖碎屑混入； 當(dāng)Th/U值約為6時，物源主要為再旋回沉積巖，且源巖可能存在Th礦化； 當(dāng)La/Th值為6.7±2.0，Hf含量約為2×10-6時，為大洋島弧構(gòu)造背景； 當(dāng)La/Th值約為4.5，Hf含量為(4～5)×10-6時，為大陸島弧構(gòu)造背景； 當(dāng)La/Th值約為2.6，Hf含量>5×10-6時，為活動大陸邊緣或被動大陸邊緣構(gòu)造背景。研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖Th/U值為6.34～7.33，平均值為6.72，說明物源主要是再旋回沉積巖，與La/Yb-∑REE圖解(圖6)一致； La/Th值為3.16～6.62，平均值為4.29，Hf含量為(1.82～2.77)×10-6，平均值為2.47×10-6，說明物源區(qū)為島弧構(gòu)造環(huán)境。在Co-Th-Zr/10和Zr-Th判別圖解中(圖9)，研究區(qū)泥質(zhì)巖全部落入大陸島弧區(qū)，說明研究區(qū)劍門關(guān)組物源區(qū)為大陸島弧構(gòu)造環(huán)境，與燕山期龍門山持續(xù)隆起的構(gòu)造背景相對應(yīng)。

5.2.3 構(gòu)造判別結(jié)果

以上主量、微量元素物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境判別結(jié)果表明，研究區(qū)劍門關(guān)組物源區(qū)為大陸島弧和活動大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境。綜合前人研究成果[7-9,13-18]，認(rèn)為四川盆地經(jīng)歷了前印支期(古生代)泛揚(yáng)子西緣長期被動大陸邊緣環(huán)境后，進(jìn)入三疊紀(jì)，尤其是中、晚三疊世，隨著揚(yáng)子古陸向北、向西俯沖，古特提斯洋關(guān)閉，此為四川盆地早期周緣前陸盆地演化階段。隨著古特提斯洋的消亡，晚三疊世諾利晚期—瑞替期的勞亞陸塊、羌塘—昌都陸塊及揚(yáng)子陸塊碰撞拼貼，最終形成NE-SW向松潘—甘孜褶皺帶，原來具周緣前陸盆地性質(zhì)的巴顏喀拉—松潘—甘孜海槽幾乎全被褶皺侵位，導(dǎo)致?lián)P子板塊西部邊緣發(fā)生板內(nèi)俯沖，龍門山隆起，從而進(jìn)入陸內(nèi)類前陸盆地演化階段，其間分布陸緣島弧，為盆地提供了沉積物源。至此，四川盆地由前印支期的被動大陸邊緣環(huán)境轉(zhuǎn)化為晚三疊世以來具有島弧特征的活動大陸邊緣環(huán)境，并持續(xù)至今。劍門關(guān)組是該構(gòu)造環(huán)境下的沉積產(chǎn)物，與燕山期龍門山持續(xù)隆起有關(guān)。研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖地球化學(xué)特征研究結(jié)果進(jìn)一步印證了上述結(jié)論。

A.大洋島??； B.大陸島??； C.活動大陸邊緣； D.被動大陸邊緣; .劍門關(guān)組泥質(zhì)巖

5.3 物源區(qū)古風(fēng)化作用及對古氣候的指示

5.3.1 A-CN-K圖解

研究表明，在A-CN-K判別圖解中，斜長石-鉀長石風(fēng)化形成黏土礦物的過程應(yīng)平行圖解的CN一側(cè)，未風(fēng)化的英云閃長巖、花崗閃長巖和花崗巖投影(T、Gd和G)應(yīng)在長石連線上[34]。將研究區(qū)泥質(zhì)巖樣品數(shù)據(jù)投影到A-CN-K判別圖解(圖10)中，并畫出預(yù)測風(fēng)化趨勢線，可知實(shí)際風(fēng)化過程相對圖中虛線具有向右傾斜的趨勢。風(fēng)化過程中，巖石發(fā)生鉀交代作用，可能有2種方式： 一是富A1礦物如高嶺石、長石發(fā)生伊利石化； 二是斜長石變成自生鉀長石?？衫蔑L(fēng)化趨勢線與鉀長石-斜長石連線的交點(diǎn)估算風(fēng)化作用前斜長石與鉀長石的比例。劍門關(guān)組源巖發(fā)生鉀交代作用，長石中的高嶺石發(fā)生伊利石化，使風(fēng)化趨勢線向右與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)化趨勢線呈夾角。風(fēng)化趨勢線反向延長與斜長石-鉀長石連線的交點(diǎn)，與花崗閃長巖端員幾乎重合，可估算物源區(qū)斜長石與鉀長石的比例約為4∶1。

T.英云閃長巖； Gd.花崗閃長巖； G.花崗巖； A=Al2O3；

CN=CaO+Na2O； K=K2O;.劍門關(guān)組泥質(zhì)巖

圖10 研究區(qū)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖A-CN-K判別圖解

Fig.10 A-CN-K discrimination diagram of the mudstones of Jianmenguan Formation

5.3.2 CIA指數(shù)

劍門關(guān)組泥質(zhì)巖CIA值為66.04～74.15，平均值為69.93，利用A-CN-K判別圖解可估算泥質(zhì)巖未受鉀交代作用的CIA值約為83。由此可知，研究區(qū)泥質(zhì)巖是在溫暖、濕潤條件下經(jīng)歷中等程度的化學(xué)風(fēng)化作用形成的，且在風(fēng)化過程中發(fā)生了鉀交代作用。

6 結(jié)論

(1)四川盆地早白堊世劍門關(guān)組沉積物源區(qū)構(gòu)造地質(zhì)背景復(fù)雜，具有活動大陸邊緣向大陸島弧轉(zhuǎn)化的特點(diǎn)，與燕山期龍門山持續(xù)隆起的構(gòu)造背景相對應(yīng)。

(2)劍門關(guān)組泥質(zhì)巖來源于同一物源，為近物源再旋回沉積巖，源巖為沉積巖。

(3)劍門關(guān)組源巖可能富含斜長石、重晶石等富Eu礦物，斜長石含量高于鉀長石。物源區(qū)為溫暖、濕潤的氣候，源巖在沉積前經(jīng)歷了中等程度的化學(xué)風(fēng)化作用，并發(fā)生了鉀交代作用。