桂東大桂山地區(qū)寒武系砂巖地球化學(xué)特征及沉積構(gòu)造環(huán)境分析

吳年冬, 王忠偉, 倪戰(zhàn)旭, 彭 展

(廣西壯族自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究院, 廣西 桂林 541003)

0 引 言

華南板塊由北西側(cè)的揚(yáng)子地塊和南東側(cè)的華夏地塊組成,兩地塊的邊界為欽杭結(jié)合帶[1], 該帶是一個(gè)經(jīng)歷了多期演化的復(fù)雜構(gòu)造帶[2], 該界線的北東段(浙贛段)比較清楚(在萍鄉(xiāng)-江山-紹興等超殼斷裂帶之間)[3-4], 而此界線由萍鄉(xiāng)往南西延伸進(jìn)入湖南之后, 由于蓋層覆蓋嚴(yán)重, 導(dǎo)致界線爭(zhēng)議很多。在2017年的《廣西地質(zhì)志》中, 該界線被認(rèn)為在廣西境內(nèi)是沿峒中-小董-梧州-賀街?jǐn)嗔褞А?/p>

欽杭結(jié)合帶東段由揚(yáng)子與華夏地塊在晉寧期或四堡期(早新元古代)碰撞對(duì)接形成江南造山帶[3,5-9]， 但是江南造山帶往南西段(湘桂段)的延伸因南華紀(jì)—中生代巨厚沉積物覆蓋, 而無(wú)法明確限定的物質(zhì)記錄, 其構(gòu)造屬性仍存在較大分岐。

一種觀點(diǎn)認(rèn)為華南板塊自新元古代后進(jìn)入陸內(nèi)演化階段, 早古生代的加里東運(yùn)動(dòng)和中生代的印支運(yùn)動(dòng)均為陸內(nèi)造山作用[9-10]。另一種觀點(diǎn)認(rèn)為晉寧運(yùn)動(dòng)后為一殘留洋盆, 且該盆地一直延續(xù)到加里東期[3, 5-8, 11-14]。還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為華南地區(qū)為特提斯洋的多島洋盆體系的一部分, 并認(rèn)為揚(yáng)子與華夏地塊之間(中段與南段)在加里東期拼合之前存在一個(gè)洋盆——南華洋[15]。

由上可見(jiàn), 加里東期揚(yáng)子地塊與華夏地塊之間盆地性質(zhì)的厘定, 對(duì)華南大地構(gòu)造的屬性的確定具有十分重要的意義。近年針對(duì)上述爭(zhēng)論，柏道遠(yuǎn)等[16]、 杜曉東等[17]、 王鵬鳴等[18]通過(guò)對(duì)湘東南、 桂中的大瑤山-大明山、湘桂交界的苗兒山和湘南金雞嶺地區(qū)震旦-寒武系碎屑巖進(jìn)行了巖相學(xué)、 地球化學(xué)的研究, 認(rèn)為揚(yáng)子地塊與華夏地塊之間新元古代—早古生代期間的沉積盆地不是深海槽或大洋, 而是位于被動(dòng)大陸邊緣的淺海盆地[16-18]。 但是這些工作多集中在湘東南、 桂中、 桂北地區(qū), 而對(duì)揚(yáng)子地塊與華夏地塊結(jié)合帶西南段湖南與廣西交界的桂東地區(qū)開(kāi)展工作有限。因此, 本次研究對(duì)桂東大桂山地區(qū)賀街-梧州斷裂兩側(cè)寒武系砂巖進(jìn)行了地球化學(xué)分析, 通過(guò)常量元素、 微量元素及稀土元素的研究, 確定了寒武系砂巖的構(gòu)造環(huán)境, 以此對(duì)該地區(qū)早古生代揚(yáng)子與華夏地塊之間的盆地性質(zhì)進(jìn)行限定。

1 地質(zhì)概況

桂東大桂山地區(qū)地處揚(yáng)子地塊與華夏地塊的交接地帶(圖1), 區(qū)內(nèi)大量出露寒武紀(jì)地層, 多為復(fù)理石、 類復(fù)理石碎屑巖沉積，自下而上主要?jiǎng)澐譃樾?nèi)沖組、 黃洞口組。小內(nèi)沖組主要為灰綠色雜砂巖、 長(zhǎng)石石英雜砂巖、 不等粒雜砂巖與砂質(zhì)泥巖互層, 夾粉砂巖、 (含炭)泥巖, 發(fā)育水平紋層、 水平層理。黃洞口組巖性主要為灰綠色、 灰黃色厚層塊狀不等粒雜砂巖、 石英雜砂巖、 長(zhǎng)石石英雜砂巖、 雜砂巖、 粉砂巖與泥巖、 粉砂質(zhì)泥巖不等厚互層, 局部含炭泥巖, 底部多為含細(xì)礫粗砂巖， 該組多見(jiàn)砂巖包裹泥巖碎屑、 泥礫等, 具槽模、 溝模構(gòu)造, 發(fā)育粒序?qū)永怼?交錯(cuò)層理、 微斜層理及水平層理(圖2)。研究區(qū)內(nèi)未見(jiàn)頂, 其上為泥盆系蓮花山組礫巖不整合覆蓋。

2 砂巖地球化學(xué)特征

本次工作在賀街-梧州斷裂北西側(cè)賀州市信都鎮(zhèn)大桂山地區(qū)、 梧州市沙頭鎮(zhèn)天子位一帶采集了8件樣品, 在南東側(cè)賀州市鋪門(mén)鎮(zhèn)松坪村、 梧州市石橋鎮(zhèn)七星坪一帶采集了9件樣品, 總計(jì)17件。樣品采集地點(diǎn)覆蓋了大桂山地區(qū)大部分區(qū)域, 具有較廣泛的代表性。所分析的17件樣品, 主要為較新鮮的厚層塊狀中細(xì)粒砂巖, 部分為不等粒、 粗粒砂巖樣品, 砂巖主要礦物有石英(52%～76%)、 長(zhǎng)石(0～10%)、 巖屑(1%～15%)、 云母(<5%), 粒徑為0.003 9～1 mm, 碎屑物呈次棱角狀-次磨圓狀。測(cè)試前對(duì)樣品進(jìn)行了清洗、 粉碎, 主量元素、 微量元素和稀土元素分析由國(guó)土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成, 分析儀器分別為X熒光光譜儀(XRF-1800)、 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(X2)、 等離子發(fā)射光譜儀(ICAP6300)、 粉末固體進(jìn)樣電弧發(fā)射光譜儀(CCD-I)。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

2.1 主量元素分析

成分變化指數(shù)(ICV)被廣泛用于估計(jì)細(xì)屑巖的原始成分變化, 判斷一個(gè)細(xì)屑巖的巖石序列是代表第一次沉積的沉積物還是源于再循環(huán)的沉積物[19]。

圖1 大桂山地區(qū)所處大地構(gòu)造位置(a, 據(jù)2017年《廣西地質(zhì)志》修改)和區(qū)域地質(zhì)略圖(b)

圖2 大桂山地區(qū)寒武系砂巖淺水沉積環(huán)境的標(biāo)志

表1 桂東寒武紀(jì)砂巖巖石化學(xué)成分(wB/%)、 微量元素豐度(wB/10-6)及特征值

續(xù)表1

ICV=(Fe2O3+K2O+Na2O+CaO*+MgO+MnO+TiO2)/Al2O3,

式中: 氧化物含量為摩爾分?jǐn)?shù); CaO*是指硅酸巖中的CaO; K2O經(jīng)過(guò)鉀化校正。 如果ICV值大于1, 表明它們含有很少的粘土礦物, 反映是在活動(dòng)的構(gòu)造帶首次沉積，而ICV值小于1, 表明沉積物質(zhì)經(jīng)歷了再循環(huán)或是在強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化條件下首次沉積[19]。研究區(qū)ICV值均小于1, 平均值0.69, 表明沉積物中有大量的粘土礦物, 可能是經(jīng)歷了再沉積的產(chǎn)物或者是強(qiáng)化學(xué)風(fēng)化環(huán)境的首次沉積物。

化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)最初是作為能夠定量反映物源區(qū)源巖化學(xué)風(fēng)化程度的一個(gè)化學(xué)指標(biāo)。 隨后, 該指數(shù)被引用于定量地反映沉積物沉積時(shí)的古氣候環(huán)境研究[20], 其表達(dá)式為

CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)×100,研究區(qū)樣品的CIA指數(shù)除C1716為62.2、 C1719為87.5, 其余為66.8～81.7, 平均為76.5。 研究區(qū)樣品CIA值大部分在65～85, 反映溫暖、 濕潤(rùn)條件下中-高等的化學(xué)風(fēng)化程度[19]。

K2O含量為1.5%～4.1%, Na2O為0.03%～2.17%。反應(yīng)淋濾程度的K2O/Na2O值變化于0.93～65.33, 平均值11.7， 不同樣品之間差別較大。K2O/Na2O值高的樣品可能表明樣品受過(guò)強(qiáng)烈的淋濾作用, 使Na大量淋濾丟失, 而K較多的保留。K2O/Na2O值同樣也受沉積盆地構(gòu)造環(huán)境的制約, 根據(jù)現(xiàn)代沉積物的組成特征, 火山活動(dòng)強(qiáng)烈環(huán)境的現(xiàn)代深海濁積巖中的砂巖K2O/Na2O<1, 沉積盆地邊緣砂巖的K2O/Na2O>1[18], 研究區(qū)K2O/Na2O值基本>1, 由此可以判斷研究區(qū)的樣品主要為遠(yuǎn)離火山活動(dòng)的沉積盆地邊緣的碎屑巖。

Rollison等[21]提出了區(qū)分物源區(qū)主要是鐵鎂質(zhì)的、 中性的或長(zhǎng)英質(zhì)火成巖和石英沉積巖的判別圖解。本文根據(jù)TiO2、 Al2O3、 Fe2O3、 MgO、 CaO、 Na2O、 K2O而建立的多變量判別函數(shù)圖解進(jìn)行投圖, 研究區(qū)寒武系砂巖在限定物源區(qū)特征的圖解(圖3)中均投入石英巖沉積巖源區(qū); 在物源區(qū)指紋的判別圖解(圖4)中, 有7件樣品投入中性巖火成物源區(qū), 4件樣品投入長(zhǎng)英質(zhì)火成物源區(qū), 6件樣品投入石英巖沉積巖源區(qū)。

圖3 砂巖限定物源區(qū)特征圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[21])

圖4 砂巖物源區(qū)指紋判別圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[21])

2.2 微量元素特征

大量研究表明, La、 Ce、 Th、 Zr、 Nd、 Y、 Hf、 Nb、 Sc、 Co和Ti等弱活動(dòng)或不活動(dòng)的稀土、 微量元素, 對(duì)于碎屑巖物源區(qū)的判別具有重要的意義。研究區(qū)微量元素含量特征見(jiàn)表1。

在TiO2-Ni圖解(圖5)中, 多數(shù)樣點(diǎn)落入長(zhǎng)英質(zhì)區(qū)域、 泥巖、 砂巖區(qū)域及其附近, 明顯遠(yuǎn)離鎂鐵質(zhì)區(qū)域, 反映其物源為長(zhǎng)英質(zhì)巖石區(qū), 兼有成熟的再循環(huán)沉積物的特征。在La/Th-Hf圖解(圖6)中, 多數(shù)樣點(diǎn)來(lái)自上地殼、 長(zhǎng)英質(zhì)源區(qū)、 古老沉積組分增加趨勢(shì), 少量為長(zhǎng)英質(zhì)與玄武質(zhì)混合源區(qū), 表明研究區(qū)寒武系碎屑巖成分以來(lái)自地殼長(zhǎng)英質(zhì)、 石英質(zhì)巖石為主, 含有少量的火成物源及古老再循環(huán)沉積物。

在微量元素上地殼標(biāo)準(zhǔn)化值蛛網(wǎng)圖上(圖7), 研究區(qū)樣品普遍表現(xiàn)為Nb、 Sr、 P、 Ti相對(duì)虧損, Th、 La、 Nd、 Sm、 Cr相對(duì)富集。這些特征與被動(dòng)大陸邊緣的樣品相似, 具有成熟大陸殼的特點(diǎn)[17]。

圖5 TiO2-Ni圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[17])

圖6 La/Th-Hf圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[17])

圖7 研究區(qū)寒武系砂巖微量元素蛛網(wǎng)圖及其與不同構(gòu)造環(huán)境[17]對(duì)比(上地殼標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[21])

在La-Th-Sc圖解(圖8a)中, 寒武系砂巖樣品都落在活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣區(qū)域或附近;在Th-Sc-Zr/10圖解(圖8b)中, 有半數(shù)樣點(diǎn)都落入活動(dòng)大陸邊緣, 一個(gè)樣點(diǎn)落入被動(dòng)大陸邊緣, 其余樣點(diǎn)多數(shù)落在這兩者之間; 在Th-Co-Zr/10圖解(圖8c)中, 多數(shù)樣點(diǎn)也都落入活動(dòng)大陸邊緣與被動(dòng)大陸邊緣之間。

2.3 稀土元素特征

稀土元素含量及特征值見(jiàn)表1、 表2。 稀土元素含量總體較高,∑REE為(208.35～891.83)×10-6, 平均386.72×10-6。稀土元素中的LaN/YbN值是反映輕重稀土元素分餾程度的指數(shù),研究區(qū)寒武系砂巖的LaN/YbN為7.3～40.1, 平均為14.35, 表明輕重稀土的分餾程度較高; 輕稀土元素的LaN/SmN為3.22～6.46, 平均為4.4; 重稀土元素的GdN/YbN為1.58～2.62, 平均值為2.02, 表明輕稀土元素的分餾程度高, 重稀土元素的分餾程度低。

LREE/HREE值較高, 為6.99～15.23, 平均9.33, Eu/Eu*值為0.43～0.70, 平均為0.59, 具中等的銪負(fù)異常。Ce/Ce*值除樣品C1809大于1以外, 其余為0.23～0.97, 平均值0.78, 表明其沉積環(huán)境應(yīng)為氧化環(huán)境。

圖8 砂巖構(gòu)造環(huán)境La-Th-Sc(a)、 Th-Sc-Zr/10(b)、 Th-Co-Zr/10(c)判別圖(底圖據(jù)文獻(xiàn)[16])

表2 研究區(qū)與不同構(gòu)造背景下雜砂巖REE參數(shù)

稀土元素的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式呈明顯右傾型(圖9)，輕稀土富集， 與上地殼和后太古宙頁(yè)巖相似[21], 說(shuō)明它們來(lái)自上地殼。

Bhatia對(duì)現(xiàn)代已知盆地構(gòu)造成因類型中砂巖、 泥巖的一些特征參數(shù)進(jìn)行了總結(jié), 確定了不同構(gòu)造環(huán)境下砂巖稀土元素特征參數(shù)值(表2)。 研究區(qū)砂巖的La、 Ce、 ∑REE、 La/Yb、 LaN/YbN與被動(dòng)大陸邊緣相似, LREE/HREE值與活動(dòng)大陸邊緣相似, Eu/Eu*值與活動(dòng)大陸邊緣、 被動(dòng)大陸邊緣相似。

圖9 稀土元素的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線(球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值引自文獻(xiàn)[21])

3 沉積構(gòu)造環(huán)境分析

雖然風(fēng)化作用、 搬運(yùn)作用、 沉積作用、 成巖作用和物源區(qū)的成分都會(huì)影響到沉積巖的化學(xué)組成, 但是沉積巖的化學(xué)成分也受沉積盆地的構(gòu)造環(huán)境控制, 因此, 一些沉積巖的地球化學(xué)指標(biāo)可以被用來(lái)分析風(fēng)化環(huán)境、 物源區(qū)成分和沉積盆地構(gòu)造環(huán)境等信息[17, 23]。

綜上所述, 研究區(qū)寒武系雜砂巖組分總體成熟度較低, 在溫暖、 濕潤(rùn)條件下具中-高的化學(xué)風(fēng)化程度, 并且包含了一些再沉積的產(chǎn)物。

在研究區(qū)砂巖的主要元素判別圖解中(圖10), 寒武系雜砂巖樣點(diǎn)大部分投入活動(dòng)大陸邊緣, 有2件樣品投入被動(dòng)大陸邊緣、 2件樣品落入大陸島弧、 1件樣品落入大洋島弧。

在砂巖的雙變量判別圖解(圖11a)中, 有9件樣品落入大陸島弧中, 2件樣品落在活動(dòng)大陸邊緣或附近, 其余各樣品比較分散； 而在圖11b的判別圖中, 樣品點(diǎn)比較分散, 1件樣品落在大洋弧中, 2件樣品落在大陸弧中, 2件樣品落在活動(dòng)大陸邊緣, 1件樣品落在被動(dòng)大陸邊緣, 其余均分散或靠近活動(dòng)大陸邊緣、 被動(dòng)大陸邊緣。

圖10 砂巖的構(gòu)造環(huán)境判別函數(shù)圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[21])

在砂巖沉積盆地構(gòu)造環(huán)境的K2O/Na2O-SiO2圖解(圖12a)中， 樣品大部分落在被動(dòng)大陸邊緣, 僅有4件落在活動(dòng)大陸邊緣；在SiO2/Al2O3-K2O/Na2O圖解(圖12b)中, 樣品均落在被動(dòng)大陸邊緣。

綜合微量元素的圖解特征，研究區(qū)寒武系樣品基本落在活動(dòng)大陸邊緣或者被動(dòng)大陸邊緣, 稀土元素的參數(shù)特征接近被動(dòng)大陸邊緣, 主量元素的圖解中樣品基本落在活動(dòng)大陸邊緣、 被動(dòng)大陸邊緣, 兼具其他構(gòu)造環(huán)境的特征。

4 討 論

通過(guò)對(duì)大桂山地區(qū)寒武紀(jì)砂巖地球化學(xué)特征分析, 認(rèn)為區(qū)內(nèi)在寒武紀(jì)為被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境, 并無(wú)洋盆的存在。這一推論, 還有以下證據(jù):

研究區(qū)內(nèi)寒武系中多處發(fā)現(xiàn)了砂巖包裹泥巖碎屑、 交錯(cuò)層理、斜層理、泥礫等淺水沉積環(huán)境的標(biāo)志, 說(shuō)明研究區(qū)早古生代沉積盆地為淺海環(huán)境, 而不是大洋。

鄰區(qū)的生物地層學(xué)、 古生態(tài)學(xué)、 沉積古地理等方面的研究顯示, 揚(yáng)子地塊到華夏地塊于早古生代是連續(xù)統(tǒng)一的陸內(nèi)海盆, 兩者之間并不存在深海槽和大洋[17]。

圖及雙變量關(guān)系圖(底圖據(jù)文獻(xiàn)[21])

圖12 主量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解(a底圖據(jù)文獻(xiàn)[21]; b底圖據(jù)文獻(xiàn)[22])

通過(guò)對(duì)ICV值的分析表明, 桂東大桂山地區(qū)寒武系的砂巖可能是經(jīng)歷了再沉積的產(chǎn)物。從不同構(gòu)造背景下的剝蝕原巖(繼承性因素)來(lái)看, 被動(dòng)大陸邊緣的地球化學(xué)特征可能包括較多的大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境的地球化學(xué)信息[16]。桂東大桂山地區(qū)寒武系砂巖的地球化學(xué)特征顯示其主要具被動(dòng)大陸邊緣、 活動(dòng)大陸邊緣的環(huán)境信息, 極少量樣品顯示具大陸島弧、 大洋島弧構(gòu)造特征。因此認(rèn)為該地區(qū)寒武系砂巖應(yīng)形成于被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。

在鄰區(qū)湘東南、 桂中的大瑤山-大明山、 湘桂交界的苗兒山和湘南金雞嶺地區(qū)早古生代沉積巖的地球化學(xué)特征也表明，古生代沉積盆地為被動(dòng)大陸邊緣的陸內(nèi)裂谷環(huán)境[16-18]。

5 結(jié) 論

(1)對(duì)主量元素TiO2、 Al2O3、 Fe2O3、 MgO、 CaO、 Na2O、 K2O建立的多變量判別函數(shù)圖解和微量元素、 稀土元素的TiO2-Ni、 La/Th-Hf圖解分析可以判斷, 研究區(qū)寒武系沉積物的物源區(qū)以上地殼長(zhǎng)英質(zhì)、 石英質(zhì)巖石為主, 含有少量的火成物源及古老再循環(huán)沉積物。

(2)根據(jù)主量元素、CIA值等研究認(rèn)為, 研究區(qū)寒武系砂巖是在溫暖、 濕潤(rùn)且遠(yuǎn)離火山活動(dòng)的沉積盆地邊緣中沉積的碎屑巖; 通過(guò)稀土元素Ce及Ce/Ce*值的研究認(rèn)為, 其沉積環(huán)境應(yīng)為氧化環(huán)境。