鄂西南來鳳地區(qū)紗帽組碎屑巖地球化學特征及其物源區(qū)和構(gòu)造背景分析

李琳靜， 李 朋， 翁茂芝， 廖明芳

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

碎屑沉積巖是由于機械破碎的母巖經(jīng)過搬運、沉積、壓實、膠結(jié)最后形成的，其成分蘊含大量與當時沉積環(huán)境相關(guān)的信息。因此，對其進行地球化學方面的系統(tǒng)研究有助于分析其沉積環(huán)境、物質(zhì)來源、地質(zhì)構(gòu)造背景等。前人研究顯示：較穩(wěn)定的微量元素(REE、Th、Co等)不易在沉積過程中發(fā)生變化，可被用于分析母巖來源和沉積構(gòu)造背景等；而易受環(huán)境影響發(fā)生變化的微量元素，尤其是某些相關(guān)元素的比值可直接反映沉積環(huán)境、構(gòu)造演化等特征[1]。本文以鄂西南來鳳地區(qū)紗帽組碎屑巖為例，對其進行全面的地球化學分析，研究其物質(zhì)來源及構(gòu)造背景，以期為恢復鄂西南地區(qū)地質(zhì)演化史提供一定依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

來鳳地區(qū)位于湖北省西南部,大地構(gòu)造位置位于揚子板塊湘鄂西褶皺沖斷帶內(nèi),為東側(cè)的黃陵背斜、北側(cè)的神農(nóng)架、東南側(cè)的江南—雪峰山構(gòu)造帶和西側(cè)的四川盆地所夾持。區(qū)內(nèi)自下而上出露有寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系、白堊系和第四系。區(qū)內(nèi)志留系分布較為廣泛,自下而上可分為新灘組、羅惹坪組和紗帽組。紗帽組整合于羅惹坪組之上,其上被泥盆系云臺觀組平行不整合覆蓋;該組下部為黃綠色頁巖、泥質(zhì)粉砂巖以及粉砂巖夾砂巖，上部為灰綠色中厚層狀細粒石英砂巖夾中—薄層狀粉砂巖、灰?guī)r透鏡體,產(chǎn)腕足類、三葉蟲、雙殼類等化石;發(fā)育波痕、蟲跡和交錯層理,厚226 m;整體為一套淺海陸棚相的碎屑巖沉積。

2 樣品采集和分析方法

本次研究的樣品主要采自鄂西南來鳳地區(qū)志留系紗帽組地層,剖面上紗帽組巖石出露完整,層序清楚,所采樣品較為新鮮,包括粉砂巖樣品4件，由下至上依次為PM410- 4-1、PM410-9-1、PM410-32-1、PM410- 41-1。樣品送至湖北省地質(zhì)實驗測試中心進行測試,其中主量元素采用X射線熒光光譜儀(XRF-1800)測定,檢測方法依據(jù)GB/T 14506.28—2010;FeO和燒失量采用等離子質(zhì)譜儀測定。微量元素、稀土元素由電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(X2)測定,監(jiān)測方法依據(jù)DZ/T 0233—2001。樣品測試結(jié)果見表1-表3。

圖1 鄂西南來鳳地區(qū)地質(zhì)簡圖及采樣位置圖

表1 紗帽組主量元素(%)及特征值分析結(jié)果

表2 紗帽組碎屑巖微量元素分析數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)(wB/(μg·g-1))

表3 紗帽組碎屑巖稀土元素分析數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)(wB/(μg·g-1))

3 地球化學特征

3.1 主量元素

由表1可見,紗帽組粉砂巖主量元素特征顯示：下部SiO2含量普遍較高,而在上部逐漸降低,可能受到灰?guī)r透鏡體同時沉積的影響;CaO含量為0.05%～8.79%,普遍較低,個別較高;P2O5的含量為0.1%～0.22%,部分高于上地殼平均值0.15%,主要是受少量含磷礦物(膠磷礦、磷灰石)影響;TFe2O3+MgO的含量為3.21%～14.58%,平均6.62%;Al2O3/(CaO+Na2O)含量為0.92%～135.22%,平均36.3%,而K2O/Na2O比值為0.72～78.25,同樣具大范圍變化的特征,應(yīng)是粉砂巖遭受后期風化作用所致,巖石中原始的長石類礦物發(fā)生粘土化、堿金屬離子流失,則K2O/Na2O比值會相應(yīng)增高[2];粉砂巖樣品的燒失量變化范圍較大,為1.79%～11.54%,可能是因為某些樣品富含碳酸鹽或遭受后期風化作用所致。上述主量元素除SiO2,TiO2,MnO,CaO,P2O5有少數(shù)個別樣品高于上地殼外,其余都略低于上地殼。源巖可能會導致主量元素的明顯變化,由于主量元素較為活躍,源巖在風化剝蝕、搬運沉積以及后期的成巖及變質(zhì)作用過程中主量元素都極有可能發(fā)生變化[3-5],因此,對源巖的特征研究必須要結(jié)合微量元素特征。

3.2 微量元素

紗帽組碎屑巖的微量元素數(shù)值(表2)和原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(圖2-(a))皆顯示,微量元素含量變化較大。大離子親石元素Rb、Sr、Ce、Ba的含量分別為35.15～128.60 μg/g、49.6～163.3 μg/g、27.41～100.53 μg/g、138.9～343 μg/g(均值為79.09 μg/g、87.5 μg/g、56.36 μg/g、261.54 μg/g)。高場強元素Nb、U、Zr、Hf的含量分別為5.58～16.57 μg/g、1.40～7.54 μg/g、142.1～241.5 μg/g、3.6～5.8 μg/g(均值為9.79 μg/g、3.31 μg/g、188.08 μg/g、4.78 μg/g)。微量元素蛛網(wǎng)圖表現(xiàn)為“三峰四谷一平坦型”,具有富集Rb、Th、La、Nd以及虧損Ba、Nb、Sr、P、Ti等特征?？傮w上,巖石樣品的微量元素蛛網(wǎng)圖與典型后太古代澳大利亞頁巖(PAAS)和上地殼配分模式圖曲線分布相似(圖2-(a)),反映其具有相似的物源。

3.3 稀土元素

稀土元素分析結(jié)果表明(表3)：紗帽組樣品的稀土總量的變化范圍在77.92×10-6～257.32×10-6,變化范圍很大;輕重稀土比值LREE/HREE介于5.74～8.05,顯示LREE相對富集,而HREE相對虧損。LaN/YbN比值代表稀土元素球粒隕石標準化圖解中分布曲線的斜率,其介于7.14～9.88,表明輕重稀土元素分異較大。δEu介于0.66～0.74,具有明顯的負銪異常。δCe在0.82～0.99,輕微虧損。以球粒隕石標準值對巖石樣品進行標準化處理后發(fā)現(xiàn)，各樣品的稀土元素分布模式非常一致,均表現(xiàn)為輕稀土富集、重稀土變化平緩、δEu虧損明顯且δCe異常較弱(圖2-(b)),與典型的后太古代澳大利亞頁巖(PAAS)和上地殼配分模式圖相似,表明碎屑巖樣品物源來自上地殼。

4 討論

4.1 沉積物源區(qū)分析

4.1.1物源區(qū)風化沉積特征

成分分異指數(shù)ICV(index of compositional variability)[8],可用于判別再循環(huán)沉積作用對碎屑巖成分的改造程度。ICV值以1為界線,高于1則表示該巖石貧粘土礦物,反映首次沉積于構(gòu)造活動帶;低于1則表明巖石富粘土礦物,反映沉積物遭受了沉積再循環(huán)作用的改造或是首次沉積于強烈的化學風化背景之下。紗帽組巖石樣品的ICV值為0.91～1.32(表1),均值1.20,反映絕大部分巖石母巖為不成熟環(huán)境產(chǎn)物,首次沉積于構(gòu)造活動帶;僅一個樣品ICV值<1,反映其含有較多的粘土礦物,可能經(jīng)歷過沉積再循環(huán)作用或遭受過強烈的風化作用(圖3左)。

圖2 紗帽組碎屑巖微量元素原始地幔標準化蛛網(wǎng)圖(a)[6]和稀土元素球粒隕石配分模式圖(b)[7]

化學蝕變指數(shù)CIA(Chemical index of alteration)常被用于定量研究不同地區(qū)冰期沉積物所遭受的化學風化作用強度[9-13]。當CIA值介于50～65,反映巖石經(jīng)歷了干冷氣候下低等化學風化作用;當CIA值介于65～85,反映巖石經(jīng)歷了溫潤氣候下中等化學風化作用;當CIA值介于85～100,反映巖石經(jīng)歷了濕熱的亞熱帶氣候下強烈化學風化作用。紗帽組碎屑沉積巖的CIA值為58.45～77.57(表1),均值66.62,反映了巖石主要遭受溫潤氣候條件下中等風化作用,少量經(jīng)歷了干冷氣候條件下低等化學風化作用。ICV和CIA的關(guān)系(圖3左)[14]表明巖石由下至上具有不成熟、弱風化向成熟、強風化方向演化的趨勢特征。

Th/U比值的變化可以反映碎屑沉積物風化沉積的過程特征[15]。本區(qū)碎屑沉積巖的Th/U比值(2.12～6.18,平均4.56)略高于上地殼平均值3.8(圖3右),反映該套巖石經(jīng)歷過相對復雜的沉積演化過程。此外,Rb/Sr比值也因與成巖作用和風化作用程度呈正相關(guān)關(guān)系,而常被用于示蹤沉積及風化作用的循環(huán)[16]。本區(qū)碎屑沉積巖的Rb/Sr比值較高,為0.57～1.51(表4),平均為0.98,高于上地殼的平均值0.32,反映其沉積演化過程相對復雜。上述特征都指示紗帽組絕大多數(shù)碎屑沉積巖的演化過程都相對復雜。

圖3 紗帽組碎屑巖CIA-ICV指數(shù)圖解和Th-Th/U圖解(底圖據(jù)參考文獻[14])

表4 紗帽組粉砂巖與不同構(gòu)造環(huán)境砂巖地球化學參數(shù)對比

綜合上述分析顯示：紗帽組碎屑沉積巖是不成熟的物源區(qū)物質(zhì)首次沉積于構(gòu)造活動帶內(nèi),且經(jīng)歷了復雜的沉積演化。

4.1.2物源區(qū)成分特征

Al2O3/TiO2比值可反映沉積物源區(qū)成分[17]。當比值介于19～28時,反映物源巖石成分多為長英質(zhì);當比值<14時,則反映物源巖石成分多為鐵鎂質(zhì)。本區(qū)碎屑巖樣品的Al2O3/TiO2比值介于16.67～22.84,平均值為19.37,反映了本區(qū)碎屑巖物源巖石主要為長英質(zhì)。

TiO2-Ni關(guān)系圖可以反映碎屑沉積巖源巖特征[18]。本區(qū)碎屑沉積巖樣品在TiO2-Ni圖解中(圖4-(a))[18-20],投點全部落于長英質(zhì)源區(qū)內(nèi)。

輕稀土元素Sm/Nd比值也可以用來確定物源類型,如地幔為0.260～0.375,大洋玄武巖為0.234～0.425,而源于地殼的花崗巖類以及各類沉積巖一般均<0.3[21]。本區(qū)碎屑沉積巖樣品的Sm/Nd比值介于0.20～0.24,均值0.22,反映物源來自上地殼。

Th/U比值同樣是反映物質(zhì)來源的重要參數(shù)之一[22]。當比值等于6,其物源主要是再旋回沉積巖,源巖可能存在Th礦化(獨居石、釷石);當比值等于4.5,其物源主要是上地殼沉積巖;當比值介于2.5～3時,其物源主要是島弧火山巖[23-24]。本研究區(qū)碎屑巖樣品的Th/U比值為2.11～6.19,均值4.56(表4),反映它們來源于上地殼沉積巖源區(qū)。

為進一步探究源巖特征,本文增加了La/Th-Hf、Co/Th-La/Sc和Th/Sc-La/Sc源巖判別圖解[25-26]。在La/Th-Hf圖解中(圖4-(b)),數(shù)據(jù)點投點主要落在長英質(zhì)源區(qū)、上地殼平均成分的附近，少量落在古老沉積巖源區(qū),這些特征表明本研究區(qū)碎屑沉積巖源巖以上地殼中的長英質(zhì)巖石為主,并伴有少量古老沉積物混入。在Co/Th-La/Sc圖解中(圖4-(c)),本區(qū)的碎屑巖的Co/Th和La/Sc值具有相對低且穩(wěn)定的特征現(xiàn)象,投點基本落在長英質(zhì)火山巖附近,同樣表明源巖以長英質(zhì)為主。在Th/Sc—La/Sc圖解[20]上(圖4-(d)),投影點落于上地殼平均成分區(qū)域附近,并且呈明顯的線性關(guān)系,再一次驗證碎屑沉積巖源巖來自于上地殼。

綜合上述分析表明,本區(qū)紗帽組碎屑沉積巖源巖來自于上地殼的長英質(zhì)巖石,是上地殼源區(qū)剝蝕—搬運—沉積的產(chǎn)物。

圖4 紗帽組碎屑巖物源區(qū)特征判別圖解

4.2 構(gòu)造環(huán)境分析

在沉積后,成巖作用、風化作用、變質(zhì)作用等都可能引起沉積巖化學成分的改變,但元素分析仍被成功地用于沉積盆地構(gòu)造環(huán)境判別。

前人對東澳大利亞發(fā)育的已知物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境背景下的古代細粒碎屑巖的研究，指示La、Th、Zr、Nb、Y、Sc、Co、Ti等元素和構(gòu)造環(huán)境有密切關(guān)系[27],并提出數(shù)種微量元素變量圖解用以區(qū)分不同類型的島弧和大陸邊緣環(huán)境下的砂巖。因此,本文采用La-Th-Sc,Th-Sc-Zr/10和Th-Co-Zr/10三變量圖解[28]和La/Y-Sc/Cr及La-Th雙變量圖解對紗帽組砂巖樣品分析并進行投點(圖5)。由圖5可知紗帽組砂巖樣品在La-Th-Sc圖解中投點全部落在活動大陸邊緣和被動大陸邊緣區(qū)域(圖5-(a));在Th-Sc-Zr/10圖解中,投點大多數(shù)落入大陸島弧區(qū),個別落在被動大陸邊緣區(qū)域(圖5-(b));在Th-Co-Zr/10圖解中,投點主要落在大陸島弧內(nèi)及其附近(圖5-(c))。另外在La/Y-Sc/Cr圖解中,投點主要落于被動大陸邊緣區(qū)域,少量介于大陸島弧區(qū)域和被動大陸邊緣區(qū)域(圖5-(d));而在La-Th圖解中,投點主要落在大陸島弧區(qū)域(圖5-(e))。

稀土元素也是分析研究構(gòu)造背景的重要手段之一。大陸島弧構(gòu)造背景的特點：物源區(qū)為切割的巖漿弧沉積物,稀土元素以較高的ΣREE和LaN/YbN比值、Eu弱負異常為特征。大洋島弧構(gòu)造背景特點：物源區(qū)為未切割的巖漿弧沉積物,稀土元素以較低的ΣREE值、LREE呈現(xiàn)弱富集、Eu正異常為特征。而活動大陸邊緣、安第斯型被動大陸邊緣、克拉通盆地和地臺的構(gòu)造背景特點是物源區(qū)為克拉通盆地內(nèi)構(gòu)造高地和隆起基底的沉積物,稀土元素以高ΣREE和LaN/YbN比值、Eu明顯負異常為特征[29]。紗帽組粉砂巖含有高的稀土總量和LaN/YbN比值：ΣREE平均值為147.24 μg/g,LaN/YbN平均值為7.94;明顯的Eu負異常,δEu平均值為0.7,數(shù)值與大陸島弧較為接近(表4)。

圖5 紗帽組碎屑巖構(gòu)造背景判別圖(據(jù)參考文獻[27])

綜上所述,可以認為本區(qū)紗帽組碎屑沉積巖的物源區(qū)為大陸島弧和被動大陸邊緣的構(gòu)造背景。

5 結(jié)論

(1) 紗帽組地層砂巖樣品的成分分異指數(shù)(ICV)均值1.2，化學蝕變指數(shù)(CIA)均值66.62以及Th/U和Rb/Sr比值,均表明其是不成熟的物源區(qū)物質(zhì)首次沉積于構(gòu)造活動帶內(nèi),且經(jīng)歷了復雜的沉積演化。

(2) 紗帽組地層碎屑巖樣品的Al2O3/TiO2比值與上地殼長英質(zhì)物質(zhì)相似,Sm/Nd比值也與上地殼相似,在TiO2-Ni、Hf-La/Th和La/Sc-Co/Th圖解上,投影點主要落在長英質(zhì)巖石源區(qū)內(nèi)。這些特征都清晰地反映了紗帽組碎屑沉積物物源均來自于上地殼的長英質(zhì)巖石。

(3) 紗帽組地層碎屑巖樣品的Th/U、Rb/Sr比值和ΣREE、δEu、LaN/YbN特征以及多變量圖解(La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10、Th-Co-Zr/10、La/Y-Sc/Cr和La-Th)投點結(jié)果,都反映了物源區(qū)以大陸島弧和被動大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境為主。通過地球化學分析所判定的紗帽組沉積物源區(qū)構(gòu)造背景與前人的研究結(jié)果相一致,從地球化學等方面為鄂西地區(qū)早志留世以前的古構(gòu)造演化提供了依據(jù)。