珠江口盆地漸-中新世古氣候及物源特征:以陽江東凹為例

于海洋 , 索艷慧 *, 杜曉東, 白海軍, 占華旺 , 周 潔 ,李璽瑤 , 王光增 , 劉 澤 , 劉 博 , 郭玲莉 , 李三忠

(1.深海圈層與地球系統(tǒng)教育部前沿科學中心, 海底科學與探測技術(shù)教育部重點實驗室, 中國海洋大學 海洋地球科學學院, 山東 青島 266100; 2.青島海洋科學與技術(shù)國家實驗室 海洋礦產(chǎn)資源評價與探測技術(shù)功能實驗室, 山東 青島 266100; 3.中海石油(中國)有限公司 深圳分公司, 廣東 深圳 518000)

0 引 言

1 區(qū)域地質(zhì)背景

珠江口盆地位于南海北部陸緣(圖 1a), 呈NEE-SWW 向展布于南海北部、華南大陸以南、海南島和臺灣島之間廣闊的大陸架和大陸坡區(qū), 面積約1.75×105km2。該盆地為一發(fā)育在中生代褶皺基底上的新生代伸展裂陷盆地, 也是中國近海最大的含油氣盆地之一。自北向南可劃分為北部隆起帶、北部坳陷帶(包括珠一坳陷和珠三坳陷)、中央隆起帶、南部坳陷帶(包括珠二坳陷)和南部隆起帶等構(gòu)造單元, 呈現(xiàn)“三隆夾兩坳”的構(gòu)造格局。盆地中斷裂主要為NNE-NE 向、NWW-NW 向以及近EW-NEE 向三組(程世秀等, 2012; 李三忠等, 2012a; 王鵬程等,2017), 其中, NNE 向斷裂為右行張扭性質(zhì), 切割巖石圈; NWW-NW 向斷裂為基底左行走滑斷裂; 近EW-NEE 向斷裂數(shù)量眾多, 但規(guī)模較小, 以鏟形正斷層為主(圖1b)。

陽江東凹是珠三坳陷東北部的一個負向構(gòu)造單元(圖1c), 是在前寒武系花崗巖為主的基底上發(fā)育的新生代陸緣拉張型斷陷(魯寶亮等, 2011; 孫曉猛等,2014), 東鄰珠一坳陷的恩平凹陷, 南接文昌A 洼, 陽江-一統(tǒng)暗沙斷裂從其東北部穿過。其自西向東依次發(fā)育陽江24 洼、恩平19 洼、恩平20 洼以及恩平21 洼。

在大地構(gòu)造位置上, 珠江口盆地陽江東凹處于太平洋構(gòu)造域與新特提斯構(gòu)造域的交匯處, 中-新生代長期處于兩大匯聚系統(tǒng)的聯(lián)合作用下, 被俯沖帶、走滑斷裂、被動大陸邊緣等不同類型的邊界圍限, 具有極為復雜的地球動力學背景和構(gòu)造演化歷史。

2 樣品采集和實驗方法

本次研究系統(tǒng)采集了珠江口盆地陽江東凹A 鉆井巖心中珠海組、珠江組、韓江組砂泥巖樣品, 共計37 件。所有樣品粗碎后用去離子水清洗, 干燥后壓碎至200 目, 然后在高溫爐中保持650 ℃恒溫2 h,以剔除有機質(zhì)及沉積物內(nèi)黏土礦物中的層間水, 再采用 HF+HNO3混合酸處理。主量元素分析采用電感耦合等離子光譜儀(IRIS ADVANTAGE ICP-AES), 微量元素和稀土元素分析采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀PE300D(ICP-MS), 分析誤差小于5%。樣品處理及測試均在中海油深圳實驗中心完成, 測試數(shù)據(jù)分別見附表 1～3(由于篇幅所限, 具體數(shù)據(jù)見網(wǎng)絡(luò)電子版http://www.ddgzyckx.com/)。

3 巖石學特征

珠海組分為上下兩段。下段以砂巖為主, 部分地區(qū)夾紅色或雜色巖層, 上部為砂泥巖互層。在海侵影響下, 珠江組下部普遍發(fā)育一套三角洲-濱岸相砂巖, 中上部為大段泥巖夾砂巖。珠海組和珠江組以泥質(zhì)砂巖為主, 也見砂質(zhì)泥巖, 可見白云石呈連晶狀膠結(jié), 鐵方解石含量豐富, 呈膠結(jié)、交代顆粒產(chǎn)出, 孔隙不發(fā)育或發(fā)育差(圖2a、b)。韓江組以灰綠色泥巖與砂巖、含礫砂巖互層組成的多個正韻律,泥巖不含鈣或微含鈣, 砂巖含鈣、海綠石和綠泥石,巖石樣品以砂質(zhì)泥巖為主, 也見泥質(zhì)砂巖、含礫砂巖, 碎屑顆粒以細粒到中粒為主, 分選較差到中等,見底棲有孔蟲, 體腔充填海綠石, 并見較多有機質(zhì),孔隙不發(fā)育(圖2c、d)。

4 地球化學特征

4.1 主量元素特征

巖石地球化學結(jié)果顯示, 研究區(qū)樣品 SiO2和Al2O3含量普遍較高, 總平均含量分別為70.29%和11.52%。其中 SiO2含量以珠海組最高, 平均值為75.79%; 而珠江組 SiO2含量相對較低, 平均值為66.28%。Al2O3含量以珠江組最高, 平均值為14.02%;而韓江組Al2O3含量相對較低, 平均值為9.62%。韓江組CaO 比較富集, 而珠江組和珠海組相對虧損;MgO 在韓江組、珠江組中虧損較少, 而珠海組中虧損多。與PAAS 相比, 研究區(qū)樣品富CaO 和SiO2, 貧Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、MgO、MnO、P2O5、TiO2。SiO2富集的程度較高, 說明研究區(qū)母巖以花崗巖等酸性巖漿巖為主; 而虧損Al2O3和K2O 可能與長石、伊利石、高嶺石等礦物含量較少有關(guān)。Ca一般與碳酸鹽巖有關(guān)、Mg 則主要存在于基性巖中,說明這3 組地層沉積環(huán)境存在差異或母巖性質(zhì)發(fā)生了變化。

4.2 微量元素特征

與PAAS 相比, 珠海組-韓江組樣品中微量元素呈大離子親石元素(Sr、Ba 等)富集, 而Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Rb、Zr、Nb、Hf、Th、U 相對虧損特征。Ba 平均含量為2313.48×10?6, 是PAAS 的3.56倍。過渡元素Cr 含量高于上地殼, 而遠遠低于下地殼, Cr 通常富集于基性和超基性巖石中, 說明其源區(qū)有基性和超基性巖石混入。不相容元素Th 含量高于上地殼, 遠遠高于下地殼, 由于Th 常富集在中酸性巖石中, 說明源區(qū)以中酸性巖石為主。低強場元素Th、U 平均含量略高于上地殼或含量與其相當,遠高于下地殼。Sr 元素含量在珠海組-韓江組差異較大, 珠海組Sr 平均含量為118.46×10?6, 低于下地殼(230×10?6), 遠低于上地殼(350×10?6); 珠江組Sr 平均含量為237.43×10?6, 高于下地殼, 遠低于上地殼;韓江組Sr 平均含量為306.35×10–6, 高于下地殼, 低于上地殼, 也說明珠海組、珠江組、韓江組沉積環(huán)境存在一定程度的差異。

圖1 珠江口盆地地理位置(a)、構(gòu)造單元(b, 修改自王鵬程等, 2017)和陽江東凹及鄰區(qū)構(gòu)造單元(c)Fig.1 Geographical location (a) and structural units of the Pearl River Mouth Basin (b), and structural units of the eastern Yangjiang Sag and adjacent areas of the Pearl River Mouth Basin (c)

4.3 稀土元素特征

珠海組-韓江組樣品稀土元素總量變化較大, 介于(77.54～234.75)×10?6之間, 平均值為164.55× 10?6。其中珠江組稀土元素總量最大, 平均值為189.74×10?6;珠海組次之, 平均值為158.14×10?6; 韓江組稀土元素總量較小, 平均值為140.76×10?6。其中輕稀土元素總量介于(69.26～208.57)×10?6之 , 平均值為146.00×10?6, 重稀土元素總量介于(8.28～26.50)×10?6之間, 平均值為 18.54×10–6, ΣLREE/ΣHREE 值為7.01～9.15, 平均值為7.91。除珠海組B1 和珠江組B25樣品外, 其余樣品δEu 值介于0.60～0.99 之間, 平均值為0.77, 均小于1, 顯示出明顯Eu 負異常。在球粒隕石標準化的稀土元素配分圖解(圖3)中, 除珠海組B1和珠江組B25 樣品外, 其余樣品表現(xiàn)出相對比較一致的展布特征, 呈明顯的輕稀土元素富集, 重稀土元素平坦的“V”型右傾特征, 并伴有Eu 輕度虧損; B1 和B25 樣品Eu 呈現(xiàn)出正異常, 可能與鎂鐵質(zhì)物源加入有關(guān)(Clift et al., 2008; 邵磊等, 2010)。

與傳統(tǒng)旅游有所不同，紅色旅游與生俱來帶著濃厚的政治色彩，導游講解時，要防止加入低級趣味或者迷信等方面的內(nèi)容，要帶著崇敬之心，認真對待革命歷史，要按照嚴肅性以及嚴謹性原則，以合理態(tài)度對待紅色旅游，從而對紅色旅游色彩與基調(diào)進行保證。

5 討 論

5.1 物源區(qū)特征分析

細碎屑沉積巖的地球化學特征被廣泛用于物源屬性判別。Hayashi et al. (1997)指出Al2O3/TiO2值在3～8 之間物源可能是鐵鎂質(zhì)巖石, 8～21 之間是中性火成巖, 21～70 是長英質(zhì)巖石。研究區(qū)珠海組Al2O3/TiO2值介于19.95～40.95 之間(平均值25.59), 下珠江組Al2O3/TiO2值介于20.49～24.00 之間(平均值21.99),上珠江組Al2O3/TiO2值介于6.03～20.83 之間(平均值16.24), 韓江組Al2O3/TiO2值介于9.44～29.49 之間(平均值19.16), 由此可知, 珠海組-韓江組物源主要為中性火成巖-長英質(zhì)巖石。

圖3 珠江口盆地陽江東凹珠海組-韓江組樣品球粒隕石標準化稀土元素配分圖解(標準化值來自Taylor and McLenann, 1985)Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns for samples from the Zhuhai and Hanjiang Formations in the eastern Yangjiang Sag

微量元素Cr 和Zr 主要反映鉻鐵礦和鋯石的含量, 其數(shù)值可以反映鎂鐵質(zhì)與長英質(zhì)對沉積物的相對貢獻(Wronkiewicz and Condie, 1989)。研究區(qū)珠海組-韓江組砂泥巖樣品Cr/Zr 基本都小于1, 指示物源主要來自長英質(zhì)巖石。Taylor and McLennan (1985)和Fedo et al. (1997)研究表明, Th/Sc 值也適應(yīng)于物源屬性的判別, 研究區(qū)珠海組-韓江組砂泥巖樣品Th/Sc 均大于1 或接近1, 也指示物源成分為長英質(zhì)巖石。

由TiO2-Al2O3判別圖解顯示, 研究區(qū)珠海組-韓江組沉積巖的原始物質(zhì)主要來源于長英質(zhì)巖(圖4a)。在F2-F1判別圖中, 研究區(qū)巖石樣品主要落在長英質(zhì)沉積巖物源區(qū), 韓江組有兩個樣品落在中性火山巖物源區(qū), 有一個樣品落在P2-P3-P4 邊界上。結(jié)合各樣品的主量元素特征, 研究區(qū)珠海組-韓江組沉積巖的原始物質(zhì)主要來源于長英質(zhì)巖(圖4b)。

由La/Th-Hf 圖解可得, 研究區(qū)巖石樣品主要落在大陸上地殼的長英質(zhì)物源區(qū)中(圖 5a)。在Co/Th-La/Sc 圖解中, 珠海組-韓江組巖石樣品主要落在長英質(zhì)火山巖和花崗巖之間, 且靠近長英質(zhì)火山巖的區(qū)域(圖5b)。一般來說, 源自上地殼的組分具輕稀土元素(LREE)富集、重稀土元素(HREE)含量穩(wěn)定和Eu 負異常特征(Taylor and McLennan, 1985)。球粒隕石標準化稀土元素配分圖中, 除珠海組B1 和珠江組B25 樣品外, 其余樣品都呈輕稀土元素富集、重稀土元素相對平坦、明顯Eu 負異常特征(圖3), 這與上地殼中稀土元素的分布形態(tài)幾乎一致。結(jié)合La/Th-Hf 和Co/Th-La/Sc 圖解, 說明研究區(qū)珠海組-韓江組沉積巖的原始物質(zhì)應(yīng)主要來自長英質(zhì)組分的上地殼, 并有鎂鐵質(zhì)巖石混入。

5.2 構(gòu)造背景判別

在TiO2-(Fe2O3+MgO)構(gòu)造背景判別圖解中(圖6),大部分樣品點落在大陸島弧和主動大陸邊緣區(qū)域內(nèi)。

與主量元素相比, 陸源碎屑巖中微量元素和部分稀土元素具有較好的穩(wěn)定性, 尤其是 La、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, 因此, 陸源碎屑巖的微量元素地球化學特征更適合進行源區(qū)類型及其大地構(gòu)造背景判別(Bhatia and Taylor, 1981; Bhatia and Crook,1986)。在Th-Co-Zr/10 圖解中, 除韓江組和珠海組部分樣品點, 其余樣品點均落在大陸島弧和主動大陸邊緣區(qū)域(圖7a); Th-Sc-Zr/10 圖解中, 除韓江組和珠江組各1 個樣品點外, 其余樣品點也都落在大陸島弧和主動大陸邊緣區(qū)域內(nèi)(圖7b)。

南海北部大陸邊緣位于歐亞板塊、太平洋板塊、印度-澳大利亞板塊的匯聚拼合地帶, 是太平洋構(gòu)造域和新特提斯構(gòu)造域相互作用的核心位置, 受到多個板塊的長期聯(lián)合作用(李三忠等, 2012a, 2012b)。晚中生代-新生代初期, 華南東部安第斯型活動大陸邊緣(Suo et al., 2019)可能發(fā)生了拆沉, 導致陸緣深部軟流圈地幔上涌, 華南大陸東緣巖石圈厚度大幅度減薄、強烈伸展(李思田等, 1998), 從而在中生代造山帶基底格局上發(fā)育一系列新生代裂谷盆地(由西向東為鶯歌海盆地、瓊東南盆地、北部灣盆地、珠江口盆地和臺西南盆地), 直至在34 Ma 左右陸殼破裂出現(xiàn)洋殼, 南海進入海底擴張階段, 才形成被動大陸邊緣。燕山期(侏羅紀和白堊紀)中國東南部古太平洋板塊(依澤奈崎板塊)俯沖于歐亞板塊之下,形成了主動大陸邊緣(Li et al., 2012; Suo et al., 2019),導致大陸巖漿弧和大陸碰撞, 并在福建沿海一帶形成大面積A 型花崗巖(黃萱等, 1986; Charvet et al.,1994; Martin et al., 1994; Li, 2000)。綜合以上研究顯示, 研究區(qū)的母巖特征和源區(qū)構(gòu)造背景與中國東南部大面積巖漿巖基本一致。

圖4 珠江口盆地陽江東凹珠海組-韓江組樣品物源屬性判別圖Fig.4 Discrimination diagrams of source provenances for samples from the Zhuhai and Hanjiang Formations in the eastern Yangjiang Sag

圖5 珠江口盆地陽江東凹珠海組-韓江組樣品物源屬性判別圖Fig.5 Discrimination diagrams of source provenances for samples from the Zhuhai and Hanjiang Formations in the eastern Yangjiang Sag

5.3 古氣候指示

化學蝕變指數(shù)(CIA)、斜長石蝕變指數(shù)(PIA)和化學風化指數(shù)(CIW)等作為反映源區(qū)物質(zhì)風化作用強度的地球化學指標, 也被廣泛應(yīng)用于源區(qū)物質(zhì)屬性指示的研究中。

Nesbitt and Young (1982)首次提出化學蝕變指數(shù)(chemical index of alteration, CIA), 用于判斷物源區(qū)的化學風化作用強度。當CIA 值介于50～65 之間,反映化學風化程度低, 對應(yīng)寒冷、干燥的氣候條件;CIA 值介于65～85 之間, 反映化學風化程度中等, 對應(yīng)溫暖、濕潤的氣候條件; CIA 值介于85～100 之間,反映化學風化程度強烈, 對應(yīng)炎熱、潮濕的熱帶亞熱帶氣候。由于鉀交代作用會導致CIA 數(shù)值出現(xiàn)偏差,因此需要對其進行校正。用CIAcorr表示巖石未發(fā)生鉀交代作用的CIA 值, CIAcorr可通過公式進行計算(Panahi et al., 2000):

圖6 珠江口盆地陽江東凹珠海組-韓江組碎屑巖源區(qū)的TiO2-(Fe2O3+MgO)構(gòu)造背景判別圖(據(jù)Bhatia, 1983)Fig.6 TiO2-(Fe2O3+MgO) diagram for clastic rocks from the Zhuhai and Hanjiang Formations in the eastern Yangjiang Sag

圖7 珠江口盆地陽江東凹珠海組-韓江組碎屑巖微量元素構(gòu)造背景判別圖Fig.7 Discrimination diagrams for clastic rocks from the Zhuhai and Hanjiang Formations in the eastern Yangjiang Sag

式中: K2Ocorr為未發(fā)生鉀交代作用的泥質(zhì)巖中 K2O含量,m表示母巖中K2O 比例(徐小濤和邵龍義,2018)。由該公式得到的CIAcorr數(shù)值與CIA 一致(附表1), 說明該CIA 值未受到后期成巖作用過程中鉀質(zhì)交代作用影響。從圖8 和附表1 可以看出, 研究區(qū)珠海組-韓江組樣品CIA 值呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性,其中珠海組樣品為67.89～78.98(平均值75.03), 珠江組下段樣品為71.92～77.29(平均值75.08), 珠江組上段樣品為59.47～78.59(平均值72.12), 韓江組樣品為63.29～75.29(平均值70.76)?？梢? 研究區(qū)珠海組-韓江組樣品源區(qū)風化作用強度中等, 對應(yīng)溫暖、濕潤的氣候條件, 且從早到晚氣溫降低、降水強度有所減弱。

化學風化指數(shù)(CIW)也可用于判斷化學風化作用強度(Harnois, 1988)。本次研究剖面中珠海組樣品CIW 值為83.60～96.11(平均值92.28), 珠江組下段樣品為84.89～93.34(平均值90.07), 珠江組上段樣品為 64.96～89.69(平均值 83.02), 韓江組樣品為81.76～92.36(平均值84.74)。CIW 特征顯示研究區(qū)氣候溫暖濕潤, 自下向上古風化作用強度呈現(xiàn)出減小的趨勢。

圖8 珠江口盆地陽江東凹鉆井珠海組-韓江組巖石地層和風化指數(shù)CIA、CIW、PIA 變化Fig.8 Litho-stratigraphy and weathering index of the Zhuhai and Hanjiang Formations in the eastern Yangjiang Sag

斜長石蝕變指數(shù)(PIA)用于指示斜長石的風化程度(Fedo et al., 1995)。研究結(jié)果顯示, 珠海組樣品的PIA 值為78.66～94.95(平均值89.90), 珠江組下段樣品為81.57～91.59(平均值87.69), 珠江組上段樣品為61.39～87.99(平均值80.19), 韓江組樣品為74.63～89.16(平均值80.86)。PIA 值指示研究區(qū)從珠海組到韓江組沉積期古風化作用強度呈現(xiàn)出減小的趨勢,對應(yīng)的溫度降低、降水強度也有所減弱, 這與CIA和CIW 兩化學指數(shù)指示的變化規(guī)律相吻合。

Mg/Ca 值在指示古氣候變化方面也具有重要意義(Taylor and McLennan, 1985)。但利用Mg/Ca 值判斷古氣候條件時, 需要考慮鉀鹽、鈉鹽是否參與沉淀: 若參與時, 則Mg/Ca 低值以及 K+和 Na+高值指示干熱氣候; 若不參與, 則Mg/Ca 高值指示干熱氣候。研究區(qū)樣品中K2O和Na2O 含量分別為1.88%～2.45%和0.87%～2.00%, 可見K+和 Na+較高, 說明它們參與沉淀, 因此, 潮濕氣候?qū)?yīng)高Mg/Ca 值,干燥氣候?qū)?yīng)低Mg/Ca 值。附表1 結(jié)果顯示, 陽江東凹珠海組樣品MgO/CaO 平均值為1.15, 珠江組樣品為0.62, 韓江組樣品為0.26, 因此其自下向上呈現(xiàn)出減小的趨勢, 即珠海組-韓江組自下向上潮濕程度降低, 與CIA、CIW 和PIA 值指示的特征一致。

6 結(jié) 論

通過對研究區(qū)珠海組-韓江組砂泥巖地球化學分析以及化學指數(shù)CIA、CIW、PIA 值等研究, 得到以下新認識:

(1) 珠江口盆地陽江東凹沉積物物源區(qū)以長英質(zhì)巖石為主, 并有鎂鐵質(zhì)巖石混入。構(gòu)造環(huán)境判別圖解顯示其為大陸弧和主動大陸邊緣。綜合研究表明，其源區(qū)巖石特征與中國東南沿海廣泛發(fā)育的巖漿巖相似。

(2) 古氣候指標揭示晚漸新世至中中新世研究區(qū)為溫暖、濕潤的氣候條件, 且從早到晚氣溫降低、降水量減少, 因此自下而上物源區(qū)經(jīng)歷的古風化作用強度呈現(xiàn)出減小的趨勢。