西藏南部侏羅紀—古近紀砂巖重礦物分析：探討巖漿弧與大陸地塊物源差異性

傅焓埔，胡修棉*，梁文棟，EDUARDO Garzanti

1. 南京大學 地球科學與工程學院，南京 210023；2. Department of Earth and Environmental Sciences, University of Milano-Bicocca, Milano 20126, Italy

物源分析是古地理重建與盆地分析的重要手段（Dickinson and Suczek, 1979; Weltje and von Eynatten, 2004; Allen, 2008）。Dickinson和Suczek （1979）基于全球前寒武紀—全新世88件砂巖的碎屑組分（石英、長石和巖屑）將物源區(qū)分為：“大陸地塊物源”、“巖漿弧物源”、“再旋回造山帶物源”，很好地區(qū)分了不同構造背景下的砂巖（大陸尺度，Ingersoll, 1990）?，F(xiàn)代砂的研究表明重礦物組合也可以區(qū)分不同的大地構造背景（如巖漿弧、大陸地塊）（如Garzanti and Andò, 2007a, b; Garzanti et al., 2014, 2015, 2017）。由于化學風化、水動力分選、成巖作用會改造原有的重礦物組合，因此現(xiàn)代砂的重礦物組合規(guī)律并不能直接應用于古代砂巖（Milliken, 2007; Morton and Hallsworth, 2007; Garzanti et al., 2018）。目前缺乏巖漿弧與大陸地塊來源古代砂巖的重礦物研究（Garzanti et al., 2007b）。藏南侏羅紀—古近紀砂巖物源明確——亞洲大陸的岡底斯弧或印度大陸地塊（如Hu et al., 2010, 2012, 2016; Wang et al., 2011; An et al., 2014; DeCelles et al., 2014），因此是研究巖漿弧與大陸地塊來源的古代砂巖重礦物組成的絕佳場所。本文對西藏日喀則弧前盆地與特提斯喜馬侏羅紀—古近紀16件砂巖進行定量重礦物分析，試圖探討巖漿弧與大陸地塊來源的古代砂巖重礦物組成特征。

1 地質背景

1.1 地質概況

從北向南，青藏高原南部主要由拉薩地體、雅魯藏布縫合帶、特提斯喜馬拉雅三個地質單元組成（圖1）。雅魯藏布縫合帶由雅魯藏布蛇綠巖套、修康混雜巖和碰撞后的礫巖帶組成（Hébert et al., 2012; Wang et al., 2013; An et al., 2017）。雅魯藏布縫合帶以北的拉薩地體根據(jù)基底和蓋層可以分為北、 中、南三個地體（潘桂棠等, 2006; Zhu et al., 2011) 。北拉薩地體以侏羅紀—白堊紀的沉積巖和火成巖為主（潘桂棠等, 2006; Zhu et al., 2009） ； 中拉薩地體以石炭紀—二疊紀變沉積巖和早侏羅世—晚白堊世火山—沉積地層為主（Kapp et al., 2005; Zhu et al., 2011）；南拉薩地體以晚三疊世—古近紀持續(xù)活動的岡底斯弧和白堊紀—古近紀的林子宗火山序列為主，分布少量的晚三疊世—白堊紀沉積蓋層（潘桂棠等, 2006; Ji et al., 2009） 。沿拉薩地體南緣出露的日喀則弧前盆地從白堊紀至古近紀持續(xù)接受岡底斯弧為主的物質充填（Wang et al., 2012; An et al., 2014; Orme et al., 2015; Hu et al., 2016）。雅魯藏布縫合帶以南的特提斯喜馬拉雅發(fā)育古生代—始新世沉積（Jadoul et al., 1998; Li et al., 2005）。

1.2 相關地層單元

日喀則弧前盆地早白堊世至古新世的沖堆組、昂仁組、帕達那組和加拉孜組（圖2）為亞洲活動大陸邊緣沉積，物源主要來自岡底斯?。ˋn et al., 2014; Orme et al., 2015; Hu et al., 2016）。特提斯喜馬拉雅晚侏羅世至古新世的門卡墩組、古錯村組、蹬崗組和基堵拉組（圖2）為印度被動大陸邊緣沉積，物源來自印度大陸地塊（包括一些火山巖）（陳蕾等，2007；Hu et al., 2010, 2012; Wang et al., 2011; DeCelles et al., 2014; 胡修棉等，2017）；古新世—始新世的桑單林組、者雅組、恩巴組和扎果組（圖2）為印度—亞洲大陸同碰撞沉積，物源主要來自岡底斯?。℉u et al., 2012; Wang et al., 2011; DeCelles et al., 2014）。

2 方法

16件樣品（表1）粉碎后，取約40 g使用標準的鋼制篩網(wǎng)進行濕篩（32～500 μm）（Garzanti et al., 2009）。烘干后，樣品在多鎢酸鈉重液（密度～2.90 g/cm3）中進行離心分離，通過液氮冷凍收集重礦物后稱重，最后使用加拿大樹脂將重礦物粘至載玻片上計數(shù)。13件樣品通過面積法統(tǒng)計200～250顆透明重礦物（Mange and Maurer, 1992）；3件樣品由于重礦物數(shù)量不足，用Fleet法進行統(tǒng)計。肉眼難以判斷的重礦物利用拉曼光譜進行確認（Andò and Garzanti, 2014）。蝕變顆粒、氧化物、巖屑、頁硅酸鹽或碳酸鹽均不計入重礦物。

表1 藏南侏羅紀—古近紀日喀則弧前盆地與特提斯喜馬拉雅砂巖樣品信息（巖性分類據(jù)Garzanti，2016)Table 1 Analyzed sandstones of Jurassic-Paleogene Xigaze forearc basin and Tethys Himalaya

ZTR指數(shù)是鋯石、電氣石和金紅石之和相對于總透明重礦物的比例（Hubert，1962），通常用來評估重礦物組合的穩(wěn)定性（即再旋回或成巖作用對重礦物的影響）?？傊氐V物濃度（HMC）和透明重礦物濃度（tHMC）按體積百分比進行計算，指示重礦物相對含量。透明重礦物的豐度可以分為極低(tHMC ＜0.1)、很低(0.1≤tHMC ＜0.5)、低(0.5≤tHMC＜1)、較 低(1≤tHMC ＜2)、較 高(2≤tHMC ＜5)、高(5≤tHMC ＜10)（Garzanti and Andò, 2007a; Garzanti et al., 2018）。

3 結果

相關重礦物已按重要程度列出（表2）。

表2 藏南侏羅紀—古近紀日喀則弧前盆地與特提斯喜馬拉雅砂巖重礦物組合特征(物源中的弧為岡底斯弧，大陸地塊為印度次大陸)Table 2 Heavy mineral assemblages of Jurassic-Paleogene Xigaze forearc basin and Tethys Himalayan sandstones in Southern Tibet

3.1 日喀則弧前盆地

沖堆組透明重礦物含量很低，以綠簾石（89%）為主，含少量磷灰石、石榴子石和鉻尖晶石，ZTR=2（圖3a）。昂仁組下段透明重礦物含量高，以綠簾石（100%）為主，ZTR=0（圖3b）。昂仁組中段透明重礦物含量很低，以綠簾石（96%）為主，可見鋸齒邊等溶蝕結構（圖3h），含少量磷灰石、石榴子石和鉻尖晶石，ZTR=2（圖3c）。昂仁組上段透明重礦物含量很低，以鋯石、電氣石和金紅石為主（ZTR=65），含較多磷灰石（28%），可見鋸齒邊等溶蝕結構（圖3g），見少量鉻尖晶石、石榴子石和綠簾石（圖3d）。帕達那組透明重礦物含量極低，一件樣品以綠簾石為主（71%）（圖3e），含少量磷灰石和鉻尖晶石，ZTR=19；另一件樣品以鋯石、電氣石和金紅石為主（ZTR=55），含少量磷灰石、綠簾石和鉻尖晶石。加拉孜組透明重礦物含量很低，以綠簾石為主（94%），含少量石榴子石、電氣石、鋯石和磷灰石，ZTR=3（圖3f）。

圖3 日喀則弧前盆地砂巖重礦物顯微照片F(xiàn)ig. 3 Micrographs of heavy minerals in sandstones from Xigaze forearc basin

3.2 特提斯喜馬拉雅

3.2.1 物源來自印度大陸地塊的砂巖

門卡墩組透明重礦物含量極低，以電氣石（92%）為主，見少量鋯石和金紅石（ZTR=100）（圖4a）。古錯村組透明重礦物含量較低，以鋯石（64%）和磷灰石為主（19%），含少量金紅石和電氣石（ZTR=81）（圖4b）。蹬崗組透明重礦物含量極低，以電氣石、鋯石、金紅石、磷灰石和綠簾石為主，見少量石榴子石和鉻尖晶石，兩件樣品的ZTR指數(shù)分別為76和81（圖4c）。基堵拉組透明重礦物含量很低，以金紅石（50%）和電氣石（41%）為主，含少量鋯石，見綠簾石、磷灰石和鉻尖晶石，ZTR=97（圖4d）。

3.2.2 物源來自岡底斯弧的砂巖

桑單林組透明重礦物含量極低，以電氣石、磷灰石、鋯石、金紅石為主，見少量綠簾石和鉻尖晶石，ZTR=55（圖4e）。者雅組透明重礦物含量很低，以綠簾石為主（90%），含少量磷灰石、石榴子石和鉻尖晶石，ZTR=6（圖4f）。恩巴組透明重礦物含量很低，以磷灰石（54%）和電氣石（27%）為主，含少量金紅石、鋯石、綠簾石、鉻尖晶石和石榴子石，ZTR=38（圖4g）。扎果組透明重礦物含量很低，以磷灰石（53%）、電氣石（19%）和鋯石（10%）為主，含少量金紅石、石榴子石、綠簾石和鉻尖晶石，ZTR=33（圖4h）。

圖4 特提斯喜馬拉雅砂巖重礦物顯微照片F(xiàn)ig. 4 Micrographs of heavy minerals from Tethys Himalayan sandstones

4 討論

4.1 岡底斯弧與印度大陸地塊來源砂巖的重礦物特征

物源以岡底斯弧為主的砂巖要么以綠簾石為主（日喀則弧前盆地砂巖與者雅組），要么以磷灰石為主（桑單林組、恩巴組和扎果組），HMC集中在0.1～1（表2）。這些砂巖的ZTR指數(shù)較低，大部分小于38（圖5），昂仁組上段與桑單林組較高的ZTR指數(shù)（分別是65與55）可能與中拉薩地體提供較多物質有關（Wang et al., 2011; An et al., 2014）。昂仁組下段的大量綠簾石（全巖的5.5%）表明砂巖經(jīng)歷了沉積后的低級變質作用，類似的還有沖堆組、昂仁組中段和者雅組。

物源來自印度大陸地塊的砂巖（門卡墩組、古錯村組、基堵拉組和蹬崗組）以極高的ZTR指數(shù)為特征（75～100）（圖5）。源區(qū)還包括部分火山巖（如Rajmahal和Deccan溢流玄武巖）的砂巖含少量磷灰石和鉻尖晶石（表2，古錯村組和蹬崗組）。

圖5 藏南日喀則弧前盆地與特提斯喜馬砂巖重礦物組合Fig. 5 Heavy mineral suites of Xigaze forearc basin and Tethys Himalayan sandstones

4.2 成巖作用對重礦物組合的影響

藏南侏羅紀—古近紀砂巖的部分重礦物顯示溶蝕結構（圖3g, h）；重礦物組合要么以綠簾石為主，要么以抗成巖作用的重礦物為主，如鋯石、電氣石、金紅石、磷灰石和鉻尖晶石，HMC集中在0.1～1（圖5, 圖6b）。而岡底斯弧來源的現(xiàn)代砂以角閃石為主，HMC為1～10（圖6a, b）（Garzanti et al., 2017）；印度大陸地塊來源的現(xiàn)代砂以角閃石、綠簾石、石榴子石為主（圖6a）（Sinha et al., 2009）。這表明目前砂巖的重礦物組合已經(jīng)被成巖過程強烈改造，大量不穩(wěn)定的重礦物，如輝石、角閃石已消失?；贖MC推測（藏南砂巖HMC集中在0.1～1，現(xiàn)代砂HMC集中在1～10），目前保留的重礦物可能不足原始的10%。這與尼羅河、墨西哥灣、孟加拉扇等地的重礦物特征類似（Milliken, 2007; Morton and Hallsworth, 2007; Garzanti et al., 2018）。

圖6 岡底斯弧、印度大陸地塊來源現(xiàn)代與古代沉積的重礦物特征Fig. 6 Heavy mineral suites of modern and ancient sediments from Gangdese arc and Indian continental block

除了選擇性地溶蝕一些不穩(wěn)定的礦物，成巖作用還導致自生綠簾石的出現(xiàn)（日喀則弧前盆地砂巖與者雅組）。這是因為火山質巖石在低級變質作用下很容易形成綠簾石(Garzanti, 1985) ，如西喜馬拉雅印度弧前盆地砂巖中普遍含有自生綠簾石（Garzanti and Van Haver, 1988; Henderson et al., 2010）。

4.3 碎屑組分與重礦物物源分析方法對比

碎屑組分可以指示物源區(qū)的巖石組成，是目前物源分析的有效手段（Garzanti, 2016）。藏南岡底斯弧來源的砂巖以大量的火山巖巖屑、較低的石英含量為特征（日喀則弧前盆地砂巖、桑單林組、者雅組、恩巴組和扎果組）；而大部分印度大陸地塊來源的砂巖以極高的石英含量為特征（門卡墩組、蹬崗組和基堵拉組），源區(qū)為印度大陸地塊且有部分火山巖的砂巖也呈現(xiàn)出大量火山巖巖屑與較低石英含量的特征（古錯村組和蹬崗組）（圖7）。因此碎屑組分可以區(qū)分岡底斯弧來源與印度大陸地塊來源的砂巖，但不能很好地區(qū)分岡底斯弧與有部分火山巖的印度大陸地塊來源的砂巖。

圖7 藏南日喀則弧前盆地與特提斯喜馬拉雅砂巖碎屑組分特征Fig. 7 Petrographic composition of Xigaze forearc basin and Tethys Himalayan sandstones

重礦物種類豐富（常見的有50種），能獲取源區(qū)豐富的巖石學信息，是物源分析的重要對象（Mange and Maurer, 1992; Morton and Hallsworth, 2007; Garzanti et and Andò, 2007a, b）。盡管古代砂巖會經(jīng)歷成巖作用，保留的重礦物信息與源區(qū)存在一定偏差（Milliken, 2007; Morton and Hallsworth, 2007; Garzanti et al., 2018），但就本次研究而言，重礦物組合仍能很好地區(qū)分岡底斯弧、印度大陸地塊與印度大陸地塊且有部分火山巖來源的砂巖。岡底斯弧來源的砂巖以綠簾石或磷灰石為主，絕大多數(shù)ZTR指數(shù)小于40；印度大陸地塊來源的砂巖以鋯石、電氣石和金紅石為主， ZTR指數(shù)大于75；源區(qū)為印度大陸地塊且有部分火山巖的砂巖以鋯石、電氣石和金紅石為主，含少量磷灰石，ZTR指數(shù)為55～75（圖5）。與碎屑組分分析相比，重礦物分析能較好地區(qū)分岡底斯弧與印度大陸地塊且有部分火山巖來源的砂巖。因此，對古代砂巖來說，重礦物分析仍不失為一種有效的物源分析手段（如Morton et al., 2011, 2016）。

5 結論

西藏日喀則弧前盆地與特提斯喜馬拉雅侏羅紀—古近紀砂巖的定量重礦物分析表明，大部分砂巖的重礦物濃度很低—極低，主要由一些相對穩(wěn)定的、抗成巖作用強的礦物（鋯石、電氣石、金紅石、磷灰石等）組成。成巖作用導致角閃石、輝石等不穩(wěn)定礦物消失，綠簾石等自生礦物出現(xiàn)（如昂仁組下段）。盡管如此，重礦物組合可以很好地區(qū)分巖漿弧與大陸地塊來源的砂巖：岡底斯弧來源的砂巖以綠簾石或磷灰石為主，絕大多數(shù)ZTR指數(shù)小于40；印度大陸地塊來源的砂巖以極高的ZTR指數(shù)為特征（ZTR指數(shù)大于75），源區(qū)有部分火山巖的會含有一些磷灰石和鉻尖晶石，ZTR指數(shù)為55～75。

致謝：感謝審稿人的建設性意見。感謝意大利比可卡大學Mara Limonta, Sergio Andò在重礦物實驗處理中的幫助。