興城地區(qū)常州溝組沉積物源及其構(gòu)造背景分析

修銘，高福紅，賈嘯宇，龔輝

吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長春 130061

0 引言

興城地區(qū)位于遼寧西部，大地構(gòu)造位置上處于華北板塊北部燕山臺褶帶東段，先后經(jīng)歷了華北板塊基底形成階段、華北板塊蓋層發(fā)展階段和大陸板內(nèi)變形活化階段。區(qū)域構(gòu)造活動頻繁且強烈，常見北北西、北北東和近南北向的韌性斷裂構(gòu)造，呈多方向、多期次特點[1]。興城地區(qū)地層出露集中且相對完整，其中普遍發(fā)育有太古宙綏中花崗巖，中新元古界的長城系、薊縣系以及青白口系等古老地層，也出露有古生界，中生界和新生界較為年輕的地層單元。

興城地區(qū)較系統(tǒng)的區(qū)域地質(zhì)研究工作開始于20世紀(jì)50～60年代，遼寧省地質(zhì)局于1966—1967年和1998—2003年先后完成了1∶20萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查和1∶5萬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查工作，對本地區(qū)的地質(zhì)概況有所總結(jié)。李懷坤等[2]曾對北京密云地區(qū)的花崗斑巖巖脈進行研究，該巖脈頂部被常州溝組含礫砂巖不整合覆蓋，經(jīng)LA-MC-ICPMS進行鋯石U-Pb年代學(xué)研究，判定常州溝組的形成時代要晚于(1 637±10)Ma。和政軍等[3]在常州溝組下部環(huán)斑花崗巖風(fēng)化殼的碎屑鋯石測年中獲得的結(jié)果與李懷坤等基本一致，據(jù)此推斷常州溝組底界年齡為1 650 Ma，為興城地區(qū)常州溝組的研究提供一定依據(jù)。近年來，陸續(xù)有學(xué)者在該地區(qū)開展了巖石學(xué)研究和地球化學(xué)研究[4-6]，但主要集中在利用同位素年代學(xué)對地層形成時代的約束，關(guān)于區(qū)內(nèi)中元古界長城系常州溝組的沉積環(huán)境及物源區(qū)構(gòu)造背景等關(guān)鍵性問題仍認(rèn)識不清，研究不夠深入。本文采用在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上開展室內(nèi)研究的思路，通過巖石學(xué)研究奠定研究基礎(chǔ)，進行樣品鏡下分析，查明粒度、碎屑組分等，為后續(xù)室內(nèi)研究提供基礎(chǔ)巖石學(xué)依據(jù)；通過地球化學(xué)研究提供技術(shù)分析，在前期已經(jīng)開展的常州溝組巖石學(xué)研究的基礎(chǔ)上，進一步對所采集的巖石樣本進行地球化學(xué)特征分析，主要包括主量元素、微量元素、稀土元素等內(nèi)容，分析結(jié)果可用于揭示該地層巖石物源的風(fēng)化程度、物源組成等方面內(nèi)容，也為研究該地區(qū)構(gòu)造背景提供判斷依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

在區(qū)域大地構(gòu)造位置上，興城地區(qū)處于華北板塊(華北地臺)北部燕山臺褶帶東段，其東南部為華北斷坳(新生代渤海灣盆地)，北部為內(nèi)蒙地軸[7-8](圖1)。燕山地臺褶帶基底是由太古宇建平(巖)群和片麻狀綏中花崗巖兩套巖石組成。由于中、新元古代大陸裂谷的影響，形成強烈沉降區(qū)，即燕山裂陷槽，沉積了厚度巨大的燕山型中、新元古界地層；古生界底層有典型華北型沉積特點；中生代受到環(huán)太平洋構(gòu)造帶活動疊加改造，印支運動、燕山運動的強烈作用使北東、北北東向斷裂發(fā)育，形成一系列北東、北北東向隆起與中、小型斷陷盆地相間排列的構(gòu)造格局，斷陷盆地內(nèi)發(fā)育陸相火山-沉積巖系[9-11]。新生代燕山地區(qū)以隆升剝蝕為主，其南部則發(fā)育大陸裂谷盆地。

1.綏中花崗巖;2.中侏羅世花崗巖;3.侏羅紀(jì)盆地;4.早白堊世盆地;5.向斜;6.背斜;7.角度不整合;8.正斷層;9.逆斷層;10.剖面位置。圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Geological sketch map of study area

研究區(qū)中新元古代地層出露較多，主要包括常州溝組、串嶺溝組、團山子組、大紅峪組和高于莊組。其中，常州溝組多出露于葫蘆島、月亮山、團山子和夾山等地，與下伏的太古代綏中花崗巖不整合接觸。本文選擇的常州溝組巖石樣品主要集中在興城地區(qū)夾山西剖面(圖2a)，經(jīng)實地踏勘，野外露頭可見常州溝組地層底部與綏中花崗巖呈不整合接觸關(guān)系(圖2b)，這一地層接觸特征與薊縣常州溝組角度不整合于太古宙遷西群片麻巖之上的宏觀巖石特征吻合[12]，存在明顯粒序?qū)永?圖2c)，并可見層理變形尖滅等地質(zhì)特征(圖2d)。

a.夾山西采樣點；b.與綏中花崗巖沉積接觸；c.粒序?qū)永?；d.層理變形尖滅。圖2 研究區(qū)夾山公路西常州溝組野外露頭照片F(xiàn)ig.2 Outcrop of Changzhougou Formation in study area

2 研究內(nèi)容

2.1 巖石學(xué)特征

對所采集的常州溝組砂巖樣品進行薄片磨制,通過鏡下顆粒成分統(tǒng)計分析可知，研究區(qū)常州溝組地層砂巖主要由石英、長石和巖屑所組成(表1)。

表1 研究區(qū)常州溝組砂巖顆粒成分統(tǒng)計表Table 1 Content of sandstones from Changzhougou Formation in study area

其中，石英含量最高，約為59%，且單晶石英多于多晶石英，鏡下可見因膠結(jié)作用產(chǎn)生的次生加大邊結(jié)構(gòu)(圖3a)；長石含量次之，約為34%，主要為堿性長石和斜長石，顆粒界限明顯，通過鏡下觀察，可見蝕變作用形成的絹云母化現(xiàn)象(圖3b)；巖屑含量最少，約為7%，主要為沉積硅質(zhì)巖屑。根據(jù)常州溝組地層砂巖各組分的含量，在QFL三角圖[13]上進行投圖，得到研究區(qū)常州溝組砂巖QFL三角圖(圖4)，可見常州溝組砂巖主要由長石石英砂巖和長石砂巖組成。

a.石英的次生加大邊結(jié)構(gòu)(正交偏光40×10)；b.長石絹云母化(正交偏光40×10)。圖3 研究區(qū)常州溝組砂巖樣品鏡下顯微特征Fig.3 Microscopic characteristics of sandstones from Changzhougou Formation in study area

Ⅰ.石英砂巖;Ⅱ.長石石英砂巖;Ⅲ.巖屑石英砂巖;Ⅳ.長石砂巖;Ⅴ.巖屑長石砂巖;Ⅵ.長石巖屑砂巖; Ⅶ.巖屑砂巖。圖4 研究區(qū)常州溝組砂巖QFR三角圖Fig.4 Q--F--R triangular diagram of sandstones from Changzhougou Formation in study area

2.2 地球化學(xué)特征

在研究常州溝組巖石學(xué)特征的基礎(chǔ)上，為進一步了解常州溝組物源及其構(gòu)造背景，筆者對常州溝組巖石開展了地球化學(xué)研究，在厘清常州溝組物源區(qū)特征、風(fēng)化程度、構(gòu)造演化等方面尋求地球化學(xué)方面的支撐。將樣品主量元素、微量元素等數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到研究區(qū)常州溝組16xchc樣品主量元素和微量元素分析表(表2)。

表2 研究區(qū)常州溝組16xchc樣品主量元素和微量元素分析結(jié)果Table 2 Major and trace element data of sample 16xchc from Changzhougou Formation in study area

2.2.1 主量元素

據(jù)表2可知，研究區(qū)樣品w(SiO2)變化范圍為52.89%～78.90%，平均為62.23%；w(Al2O3)變化范圍為8.13%～21.81%，平均為16.52%；w(CaO)變化范圍較小，平均為0.02%；w(Na2O)變化范圍為0.09%～0.15%，平均為0.12%；w(K2O)變化范圍為6.57%～10.20%，平均為8.64%，在粉砂巖中含量更高；w(TFe2O3+MgO)為5.65%～11.35%，平均值為9.16%，證明樣品中存在一定的鐵鎂組分，且粉砂巖樣品中的鐵鎂組分含量明顯高于細(xì)粒砂巖中鐵鎂組分含量。用Al2O3/(CaO+Na2O)比值判斷樣品中穩(wěn)定組分和不穩(wěn)定組分的相對含量，所測樣品該比值平均為110.3，表明其不穩(wěn)定組分相對含量較少。研究沉積巖地球化學(xué)特征時，通常進行澳大利亞后太古代頁巖(PAAS)標(biāo)準(zhǔn)化對比分析[14]，以PAAS數(shù)據(jù)對樣品的主量元素進行標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到蛛網(wǎng)圖(圖5)，K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對富集，MnO和 Na2O 質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對略微虧損，CaO質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對虧損，SiO2、Al2O3和TFe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)與PAAS數(shù)據(jù)相對保持一致。

圖5 研究區(qū)常州溝組16xchc樣品主量元素蛛網(wǎng)圖Fig.5 Spider diagram for major elements of 16xchc samples from Changzhougou Formation in study area

CaO為碳酸鹽中的CaO，即全巖中的CaO扣除掉化學(xué)沉積CaO的摩爾分?jǐn)?shù)[15]。下角標(biāo)N代表球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值。

2.2.2 微量元素

據(jù)表2可知，研究區(qū)樣品微量元素變化范圍較大，w(Sc)為3.3%～17.4%，平均為11.94%；w(V)為18%～103%，平均值為66.83%；w(Sr)為67.6%～334%，平均值為66.83%；w(Th)為3.02%～21.9%，平均值為11.25%。對樣品微量元素進行PAAS標(biāo)準(zhǔn)化處理后得到蛛網(wǎng)圖(圖6)，Rb質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對富集，Cr、Ba、Sr和Th質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對略微虧損，V質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對虧損，Y質(zhì)量分?jǐn)?shù)與PAAS數(shù)據(jù)相對保持一致。

圖6 研究區(qū)常州溝組16xchc樣品微量元素蛛網(wǎng)圖Fig.6 Spider diagram for trace elements of 16xchc samples from Changzhougou Formation in study area

2.2.3 稀土元素

由表2可知，常州溝組樣品稀土元素總量較高，∑REE為(218.84～399.63)×10-6μg/g，平均值為287.17×10-6μg/g，高于PAAS(183.00×10-6μg/g)；輕稀土元素富集，∑LREE為(204.01～378.91)×10-6μg/g，平均值為269.19×10-6μg/g；重稀土元素相對穩(wěn)定，∑HREE為(11.48～24.72)×10-6μg/g，平均值為17.98×10-6μg/g；LREE/HREE為10.86～19.39，平均值為15.25；La/Yb值較高，為20.34～49.47，平均值為32.67。

對樣品稀土元素分別進行球粒隕石數(shù)據(jù)[16]和PAAS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理可得到稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線(圖7)和PAAS標(biāo)準(zhǔn)化曲線(圖8)。常州溝組樣品球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線呈現(xiàn)右傾趨勢，且Eu負(fù)異常明顯，重稀土元素分異較小，呈直線分布；常州溝組樣品PAAS標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線為PAAS型模式。

圖7 研究區(qū)常州溝組16xchc樣品稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns of sample 16xchc samples from Changzhougou Formation in study area

圖8 研究區(qū)常州溝組16xchc樣品稀土元素PAAS標(biāo)準(zhǔn)化曲線Fig.8 PAAS-normalized REE patterns of 16xchc samples from Changzhougou Formation in study area

3 討論

3.1 源區(qū)風(fēng)化特征

在巖石的風(fēng)化過程中，由于元素離子特性不同，有的被保存下來呈富集狀態(tài)(如Al3+、Ti4+等)，有的會流失形成虧損(如K+、Ca2+等)，因此可以運用碎屑沉積物的地球化學(xué)指數(shù)來研究源巖的風(fēng)化強度和蝕變程度等，從而分析物源區(qū)的風(fēng)化特征[17]。常用的化學(xué)指數(shù)有CIA、ICV等。

Nesbitt et al.[18]提出用化學(xué)變異指數(shù)(CIA)來定量化分析硅酸鹽礦物風(fēng)化程度的方法。CIA的計算公式為：

CIA=[(Al2O3)/(CaO*+Na2O+K2O+Al2O3)]×100

(1)

式中:氧化物是以克分子含量形式表示,CaO*只是硅酸鹽礦物中的CaO,而磷酸鹽和碳酸鹽礦物中的CaO除外。由此可得研究區(qū)常州溝組地層CIA值為54.86～69.39，平均值為63.74，說明物源區(qū)物質(zhì)經(jīng)歷了中等程度的化學(xué)風(fēng)化作用。

Cox et al.[19]提出用成分變異指數(shù)(ICV)來定量反應(yīng)沉積物的成分成熟度。成分成熟度低的碎屑巖含有較高比例的非黏土硅酸鹽礦物，ICV值表現(xiàn)較高[20]；而含有較多黏土礦物的碎屑巖，其ICV值表現(xiàn)較低。ICV的計算公式為：

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

(2)

由ICV-CIA圖(圖9)，結(jié)合表2可知，研究區(qū)常州溝組地層CIA值為54.86～69.39，平均值為63.74；研究區(qū)常州溝組地層ICV值為0.75～1.34，平均值為0.97，說明該地層經(jīng)歷了中等風(fēng)化作用，物源區(qū)物質(zhì)相對成熟，呈近緣堆積特征。

圖9 研究區(qū)常州溝組砂巖ICV--CIA圖解Fig.9 ICA versus CIA diagram of sandstones from Changzhougou Formation in study area

Th/U值和Rb/Sr值會在化學(xué)風(fēng)化和成巖作用的影響下顯著升高，利用這一特性，研究化學(xué)風(fēng)化趨勢和沉積循環(huán)特征時，也可以從研究Th/U值和Rb/Sr值的變化入手[21-22]。據(jù)表2可知，常州溝組地層砂巖樣品Th/U值為2.35～6.48，平均值為4.28，接近PAAS值(4.97)，且均略高于上地殼平均值(3.80)；常州溝組砂巖樣品Rb/Sr值為1.32～6.32，平均值為2.79。Th/U值和Rb/Sr值特征均指示常州溝組物源區(qū)物質(zhì)經(jīng)歷了較弱的化學(xué)風(fēng)化作用和一個相對簡單的沉積演化過程。這一結(jié)論與研究區(qū)常州溝組砂巖ICV-CIA圖解分析出的結(jié)果一致。

3.2 沉積分選與再循環(huán)

Zr、Th、Sc等元素受沉積物搬運、分選、沉積環(huán)境及成巖作用等因素影響較小，隨著沉積物分選和再循環(huán)的進行，富含此類元素的重礦物發(fā)生富集，因此可以利用相關(guān)元素的比值如Zr/Sc，Th/Sc等來分析源巖信息[23-24]。鋯石是元素Zr的主要富集礦物，且穩(wěn)定性較高，會隨著沉積再循環(huán)作用而富集于沉積物中[25]。元素Th一般賦存于酸性巖中，元素Sc更多賦存于基性巖中，Th/Sc值在沉積再循環(huán)的過程中不發(fā)生改變[26]。因此，可用Zr/Sc衡量沉積物分選程度和重礦物富集程度，Th/Sc來分析沉積物的成分變化[27]。從Zr/Sc-Th/Sc圖解(圖10)可知：常州溝組地層中的砂巖集中于UCC附近，說明其成分接近于大陸地殼的平均成分，且相對單一，這也從側(cè)面說明其物源區(qū)為一個構(gòu)造背景相對穩(wěn)定的地區(qū)，多為被動陸緣的物質(zhì)。

圖10 研究區(qū)常州溝組地層砂巖(Zr/Sc)--(Th/Sc)圖解Fig.10 Zr/Sc versus Th/Sc diagram of sandstones from Changzhougou Formation in study area

3.3 物源母巖類型

由于稀土元素在地球化學(xué)過程中的分異作用與特征，可以用稀土元素來指示物源信息。一般情況下，Sc、Ni、Cr和Co等元素傾向于在基性巖石中富集[28]，而La、Th、Hf、Zr以及稀土元素傾向于賦存在酸性巖石中[29]。結(jié)合表2可知，常州溝組砂巖呈La和REE富集，說明其原巖多為酸性巖石；∑REE-La/Yb圖解[30](圖11)中可知：常州溝組地層砂巖樣品的源巖可能是沉積巖和花崗巖混合體。

圖11 研究區(qū)常州溝組地層砂巖REE--La/Yb圖解Fig.11 REE versus La/Yb diagram of sandstones from Changzhougou Formation in study area

3.4 源區(qū)構(gòu)造背景

3.4.1 巖石學(xué)證據(jù)

砂巖中碎屑顆粒受成巖作用影響較小，因此砂巖碎屑成分常被用來分析物源區(qū)和大地構(gòu)造背景。圖12為常州溝組砂巖迪金森三角圖解，由圖可以看出幾乎所有常州溝組砂巖的物源組分都落在了陸塊物源區(qū)，且成熟度和穩(wěn)定性為中等到好，指示其構(gòu)造背景相對穩(wěn)定。

圖12 研究區(qū)常州溝組砂巖迪金森判別圖解Fig.12 Dickinson tectonic discrimination diagrams of sandstones from Changzhougou Formation in study area

3.4.2 主量元素證據(jù)

大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣是幾種典型的構(gòu)造環(huán)境[31]。沉積物構(gòu)造環(huán)境可以依據(jù)主量元素含量及其比值的變化進行判別。根據(jù)主量元素的物源區(qū)構(gòu)造背景的判別圖解[32-33](圖13)，在(MgO+Fe2O3)-TiO2、(MgO+Fe2O3)-(Al2O3/SiO2)和SiO2-(K2O+Na2O)圖解中，可以清晰地看到砂巖樣品大都投在了大陸島弧區(qū)域。同時，結(jié)合化學(xué)蝕變指數(shù)和成分變異指數(shù)可以對物源區(qū)巖石進行判斷，從一定程度上來揭示其構(gòu)造背景。由ICV-CIA圖(圖9)可知，常州溝組砂巖經(jīng)歷了中等程度的風(fēng)化作用， ICV值大多<1，有少量樣品>1，說明陸緣碎屑巖源區(qū)比較成熟，且源區(qū)含大量黏土礦物，說明其是一個被動環(huán)境下的沉積再循環(huán)，物源區(qū)構(gòu)造背景相對穩(wěn)定。

a.大洋島??； b.大陸島??； c.活動陸緣； d.被動陸緣。圖13 研究區(qū)常州溝組地層砂巖主量元素物源構(gòu)造背景判別圖解Fig.13 Provenance discriminate diagrams for major elements of sandstones from Changzhougou Formation in study area

3.4.3 微量元素和稀土元素證據(jù)

稀土元素和微量元素在沉積巖成巖過程中比較穩(wěn)定且最難溶解，因此可以較好地反映源區(qū)特征。不同構(gòu)造環(huán)境下的碎屑巖有不同的微量元素和稀土元素含量特征，活動大陸邊緣與被動大陸邊緣的碎屑沉積物的微量元素和稀土元素特征表現(xiàn)為：La、Ce、Th、U、Hf、REE含量及LaN/YbN比值高，Eu/Eu*降低；逐步過渡到大陸島弧碎屑巖再到大洋島弧碎屑巖，La、Ce、Th、U、Hf、REE含量及LaN/YbN比值逐漸降低，Eu/Eu*升高。

在微量元素Th-Sc-(Zr/10)圖解(圖14a)中常州溝組砂巖樣品投點基本落在大陸島弧區(qū)域，在 La-Th-Sc圖解(圖14b)中，常州溝組砂巖樣品投點基本落在被動大陸邊緣區(qū)域，與常州溝組砂巖樣品稀土元素表現(xiàn)出的輕微Eu負(fù)異常、較高的稀土元素總量、高LaN/YbN比值等地化特征相吻合。結(jié)合常州溝組砂巖樣品(Zr/Sc)-(Th/Sc)圖解(圖10)、∑REE-(La/Yb)圖解(圖11)等，常州溝組地層中的砂巖集中于UCC附近，說明其成分接近于大陸地殼的平均成分，多為被動陸緣的物質(zhì)，源巖可能為沉積巖和花崗巖混合體，與來自被動大陸邊緣構(gòu)造背景的沉積物的特征相似，這也從側(cè)面說明其物源區(qū)為一個構(gòu)造背景相對穩(wěn)定的地區(qū)。

a.大洋島弧; b.大陸島弧; c.活動大陸邊緣; d.被動大陸邊緣。圖14 研究區(qū)常州溝組砂巖微量元素構(gòu)造環(huán)境構(gòu)造判別圖解Fig.14 Tectonic setting discriminate diagrams for trace elements of sandstones from Changzhougou Formation in study area

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)常州溝組地層主要巖石類型為長石砂巖和長石石英砂巖等，可見明顯的粒序?qū)永淼鹊刭|(zhì)特征。

(2)通過對主量元素和微量元素等地化參數(shù)的分析可知，研究區(qū)常州溝組巖石樣品物源多來自于相對成熟的酸性巖石，以沉積巖和花崗巖為主，經(jīng)歷中等偏弱的風(fēng)化作用，沉積物源區(qū)較為成熟，為被動環(huán)境下的沉積再循環(huán)。

(3)研究區(qū)常州溝組源區(qū)沉積構(gòu)造背景相對比較穩(wěn)定，最有可能的構(gòu)造背景為被動大陸邊緣。