遼北地區(qū)南華系地球化學(xué)特征及其對(duì)沉積環(huán)境的制約

張林，曹煜昊, ，阮昕，徐聳，盧崇海

（1.遼寧省礦產(chǎn)勘查院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110031；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819）

0 引言

南華系（成冰系）由全國(guó)地層委員會(huì)于2001年正式提出（全國(guó)地層委員會(huì)，2001，2002），代表地球歷史上一個(gè)寒冷的氣候時(shí)期，以冰川活動(dòng)的廣泛出現(xiàn)為其特征（高振家和陳克強(qiáng)，2003）。隨著研究的深入，對(duì)于南華系的內(nèi)涵及底界（GSSP）的選取等問(wèn)題取得了越來(lái)越多的共識(shí)，但對(duì)于南華系底界年限和中國(guó)北方是否存在南華系冰期地層等問(wèn)題一直存在很大的爭(zhēng)議（王東方和林蔚興，1988；曲洪祥等，2011；尹崇玉和高林志，2013；田德欣等，2018；盧崇海等，2018），盧崇海等（2018）、曹煜昊等（2020）通過(guò)系統(tǒng)的研究，初步在遼北地區(qū)確定了兩期冰磧作用階段，肯定了遼寧北方南華系的存在，并將新元古代原殷屯組巖石地層單位重新劃分，但該研究區(qū)域新劃的南華系巖石地層碎屑沉積巖缺少系統(tǒng)的地球化學(xué)研究分析，本次通過(guò)新劃的南華系巖石地層碎屑沉積巖的地球化學(xué)研究，對(duì)遼北地區(qū)南華系該地層巖石的形成時(shí)氣候的指示、物源區(qū)組成特征和形成的構(gòu)造環(huán)境進(jìn)行了系統(tǒng)討論。

1 區(qū)域地質(zhì)概況及采樣

研究區(qū)位于遼寧省北部鐵嶺殷屯—陳千戶一帶，華北陸塊（Ⅱ），遼東新元古代坳陷帶（Ⅲ），龍崗隆起（Ⅳ），汎河中新元古代裂陷盆地（Ⅴ）中。地層分區(qū)屬華北地層大區(qū)，遼東地層分區(qū)，汎河地層小區(qū)。研究區(qū)內(nèi)涉及的巖石地層單位有：中元古界薊縣系，新元古界青白口系、南華系，及中生代侏羅系、白堊系等。構(gòu)造有北東向、北西向和近東西向；侵入巖主要有新太古代、中元古代和中生代脈巖。盧崇海等（2018）將該區(qū)出露的原震旦系殷屯組進(jìn)行了解體，重新厘定出新元古界青白口系永寧組為冰期前河流相沉積，南華系下統(tǒng)殷屯組為冰磧雜礫巖巖石組合，南華系下統(tǒng)陳千戶組為陸源河流相間冰期沉積，南華系中統(tǒng)汎河組為細(xì)礫冰磧雜礫巖組合（圖1）。

圖1 遼寧省構(gòu)造簡(jiǎn)圖（a，據(jù)楊中柱等，2014修改）和遼寧鐵嶺地區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡(jiǎn)圖（b，盧崇海等，2018）

本次工作采集鐵嶺殷家屯地區(qū)典型地質(zhì)剖面殷屯組、陳千戶組、汎河組等三個(gè)組的樣品6個(gè)，巖性為中細(xì)粒巖屑石英砂巖、絹云泥質(zhì)砂質(zhì)板巖和含電氣石中細(xì)粒長(zhǎng)石石英砂巖。殷屯組與下伏中元古界薊縣系霧迷山組為角度不整合接觸，頂部與陳千戶組為平行不整合或整合接觸，為一套復(fù)成分冰磧礫巖（雜礫巖）夾含礫長(zhǎng)石石英砂巖、砂礫巖層及透鏡體的巖石地層，該組共采集樣品2個(gè)。陳千戶組在鐵嶺殷屯地區(qū)整合或假整合伏于南華系中統(tǒng)汎河組之下，為一套中厚層含礫中粗粒長(zhǎng)石石英砂巖夾礫巖的巖石地層，該組共采集樣品2個(gè)。汎河組在遼北鐵嶺地區(qū)未見(jiàn)上覆地層，為一套灰綠色中厚層細(xì)礫冰磧礫巖與灰綠色粉砂巖的巖石地層，該組共采集樣品2個(gè)，本次野外樣品均采集自遠(yuǎn)離巖漿巖侵入體及其脈體的新元古代地層中。（圖2）

圖2 遼北鐵嶺地區(qū)南華系下統(tǒng)殷屯組（Nhyt）、陳千戶組（Nh?q）、汎河組（Nhf）地質(zhì)TP1剖面圖（盧崇海等，2018）

2 樣品分析

樣品的化學(xué)分析在自然資源部沈陽(yáng)礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心進(jìn)行。在進(jìn)行常量元素測(cè)試時(shí)，首先將樣品清洗并烘干，磨至200目以下后壓片，利用X射線熒光光譜儀進(jìn)行元素測(cè)量，檢測(cè)依據(jù)為：GB/14506.3-12-93；在進(jìn)行微量和稀土元素測(cè)試時(shí)，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）進(jìn)行元素測(cè)量，檢測(cè)依據(jù)為：DZG-93。分析結(jié)果見(jiàn)表1～2。

表1 遼北研究區(qū)南華系各組沉積巖主量元素分析結(jié)果表/%

3 地球化學(xué)特征

3.1 主量元素

在遼北鐵嶺地區(qū)殷屯組樣品中SiO2含量平均值為87.76%，陳千戶組樣品中SiO2含量為89.35%，汎河組砂巖樣品SiO2含量為90.46%，說(shuō)明樣品中富硅礦物石英的含量相對(duì)較高。汎河組板巖樣品SiO2含量為70.14%，明顯低于其他組砂巖樣品。遼北鐵嶺地區(qū)各組樣品中K2O含量介于1.17%～4.40%，其中汎河組板巖樣品K2O較高，說(shuō)明其鉀長(zhǎng)石含量高于砂巖樣品。殷屯組、陳千戶組、汎河組樣品CaO、MgO含量低，分別為0.25%～0.65%和0.45%～2.96%，與鏡下僅見(jiàn)微量或未見(jiàn)碳酸鹽礦物這一特點(diǎn)吻合。殷屯組Na2O含量平均值為0.21%，陳千戶組Na2O含量平均值為0.17%，汎河組Na2O含量值為0.18%。K2O/Al2O3的值除殷屯組TP4YQ4外，全部樣品均小于0.4，說(shuō)明母巖中只含少量的堿性長(zhǎng)石。K2O/Na2O的值為5.84～22.0，表明樣品受中等風(fēng)化淋濾程度。各組樣品K2O/Na2O（摩爾量比）為4.54～14.51，與鏡下觀察長(zhǎng)石種類(lèi)主要為鉀長(zhǎng)石的情況相符，說(shuō)明巖屑中長(zhǎng)石未受到富鉀粘土礦物交代或交代程度較低。汎河組砂巖樣品Al2O3/TiO2值為11.66小于14，其余樣品均大于14，接近17或大于17，推測(cè)其母巖來(lái)自長(zhǎng)英質(zhì)巖。殷屯組TFe2O3含量平均值為2.85%，陳千戶組TFe2O3含量為2.47%，汎河組TFe2O3含量為3.43%。TFe2O3+MgO含量介于2.61%～7.32%之間，說(shuō)明其原巖不是鎂鐵質(zhì)巖，其結(jié)論與Al2O3/TiO2值所得結(jié)論一致。

3.2 微量元素

遼北鐵嶺地區(qū)沉積巖樣品稀土元素總量∑REE值為66.34×10-6～175.51×10-6，全部樣品低于沉積巖的平均含量202.5×10-6，汎河組板巖樣品含量高于大陸上地殼（UCC）平均值（148.14×10-6）。研究區(qū)含泥質(zhì)巖樣品稀土總量相對(duì)砂巖較高，反映細(xì)粒沉積物中較高含量的粘土礦物對(duì)稀土元素具有較強(qiáng)的吸附作用(Condie，1991)。研究區(qū)所有樣品稀土均表現(xiàn)為右傾斜的REE配分模式，呈中等程度的輕稀土(LREE)富集和相對(duì)平坦的重稀土(HREE)配分模式(LREE/HREE=8.14～9.82)。(La/Yb)N值為8.42×10-6～11.01×10-6，說(shuō)明輕重稀土中等分餾，輕稀土元素富集。研究區(qū)樣品(La/Sm)N值為3.85×10-6～5.83×10-6，表明輕稀土元素間分異中等，輕稀土富集。研究區(qū)樣品(Gd/Yb)N值為1.39×10-6～1.75×10-6，表明樣品重稀土元素的分異不太明顯，其值比值小于2.0，表明研究區(qū)母巖主要來(lái)自太古代后期。經(jīng)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后，δEu為0.65～0.77，呈明顯的Eu負(fù)異常。源自于長(zhǎng)英質(zhì)巖石的稀土元素通常具有較高的LREE/HREE，并且Eu具負(fù)異常，因此推測(cè)鐵嶺地區(qū)沉積巖來(lái)源于長(zhǎng)英質(zhì)巖區(qū)。根據(jù)趙英利（2010）研究表明中性斜長(zhǎng)巖（1.01<δEu<2.33），一般具Eu正異常，玄武巖（0.90<δEu<1.00），大多沒(méi)有Eu異常，而花崗巖（δEu<0.9）多為Eu負(fù)異常。鐵嶺地區(qū)樣品δEu<0.9，進(jìn)一步證實(shí)了其物質(zhì)主要來(lái)源于長(zhǎng)英質(zhì)巖。Ce異常δCe值為0.86～0.95，Ceanom值為-0.080～-0.029，表明遼北鐵嶺地區(qū)沉積巖以還原環(huán)境為主。

研究區(qū)大離子親石元素Rb、Ba、Sr中，殷屯組TP4GP4樣品和汎河組板巖樣品Rb含量大于大陸地殼的豐度值，其他樣品均低于大陸地殼的豐度值。汎河組板巖樣品Ba含量高于大陸地殼豐度值，其余樣品均低于大陸地殼的豐度。所有樣品Sr元素含量均低于大陸地殼的豐度值。高場(chǎng)強(qiáng)元素中，

全部樣品Ta、Nb、Sm元素都低于大陸地殼的豐度值。汎河組板巖樣品La、Sm、Yb、Nd、Ce、Nd元素高于大陸地殼的豐度值，其余樣品均低于大陸地殼豐度值。全部樣品Hf元素值高于大陸地殼的豐度值。研究區(qū)Sr/Ba平均值均小于0.2，因此推測(cè)遼北鐵嶺地區(qū)殷屯組、陳千戶組、汎河組均為陸相沉積（孫立廣等，2000）

表2 遼北研究區(qū)沉積巖微量元素分析結(jié)果/×10-6

4 討論

4.1 古氣候分析

Nesbitt and Young（1984）提出CIA應(yīng)用于元古代氣候研究。研究表明CIA值受碎屑巖粒度影響較小，但沉積物的再循環(huán)使粘土礦物比例增加，從而使CIA值得到累積。研究表明當(dāng)CIA＜65時(shí)，反映寒冷、干燥的氣候條件，當(dāng)65＜CIA＜80時(shí)，反映溫暖、濕潤(rùn)的氣候條件，當(dāng)CIA＞80時(shí)，反映炎熱、潮濕的熱帶、亞熱帶氣候條件。遼北鐵嶺地區(qū)只有殷屯組所有樣品均小于65，說(shuō)明處于寒冷-干燥的環(huán)境。陳千戶組、汎河組沉積巖的CIA值介于63～72之間，表明環(huán)境處于干燥-寒冷與溫暖-濕潤(rùn)之間變換的環(huán)境。

由于黏土礦物比非黏土礦物含有較高的A12O3，而K2O、Na2O和CaO含量較低，因此成分變異指數(shù)ICV(index of compositional variability)可以反映碎屑巖的成分成熟度，判斷碎屑巖石經(jīng)歷了活動(dòng)大陸邊緣初次循環(huán)還是被動(dòng)大陸邊緣多次的再循環(huán)過(guò)程。Cox et al.（1995）研究表明沉積物在循環(huán)過(guò)程中非粘土性礦物的降低與粘土性礦物的增長(zhǎng)，或者第一次循環(huán)碎屑輸入量的降低，都將導(dǎo)致ICV值降低。因此如果細(xì)屑巖的ICV值>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。而粘土礦物含量較高的碎屑巖ICV值<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。元古代之前的沉積巖不發(fā)育，沉積再循環(huán)作用對(duì)物源成分的影響很小，元古代之后沉積巖已經(jīng)十分發(fā)育，因此沉積再循環(huán)作用對(duì)于物源成分的影響就不容忽略了，因此研究對(duì)象要選取ICV值大于1的樣品（馮連君等，2003）。經(jīng)計(jì)算遼北鐵嶺地區(qū)樣品ICV值全部大于1，因此沉積物均為活動(dòng)大陸邊緣初次循環(huán)沉積，避免了再循環(huán)作用對(duì)CIA值的影響。

沉積巖中微量元素的分配、組合及其比值的變化都在一定程度上指示著古氣候環(huán)境的變化特征。干燥氣候條件下由于水分的蒸發(fā)，水介質(zhì)的堿性增強(qiáng)，Sr被大量析出形成各種鹽類(lèi)沉積在水底，所以它們的含量相對(duì)增高，對(duì)應(yīng)為低湖面期，反映的氣候則為暖干或干寒期（熊小輝和肖加飛，2011）。鐵嶺地區(qū)沉積巖樣品，Sr元素的值為6.98～25.4，其變化范圍較大，其中殷屯組Sr值高于陳千戶組和汎河組，說(shuō)明殷屯組環(huán)境要比陳千戶組和汎河組干旱。根據(jù)各樣品對(duì)應(yīng)的CIA值判定，殷屯組氣候處于這幾組環(huán)境中的最低溫，其他組有溫濕到干寒期變化的趨勢(shì)。根據(jù)劉剛和周東升（2007）研究表明Sr/Cu比值介于1.3～5之間指示濕潤(rùn)氣候，而大于5指示干熱氣候。鐵嶺地區(qū)樣品Sr/Cu為0.34～4.27。推測(cè)各組沉積巖存在濕潤(rùn)和干熱氣候的轉(zhuǎn)變，殷屯組Sr/Cu值最高，說(shuō)明殷屯組處于相對(duì)干旱環(huán)境。

綜上所述，殷屯組處于寒冷、干燥期，陳千戶組、汎河組處于相對(duì)溫暖和寒冷的轉(zhuǎn)變環(huán)境。

4.2 物源區(qū)分析

碎屑巖的地球化學(xué)特征對(duì)確定它們的源區(qū)性質(zhì)有重要意義。Roser and Korsch(1988)提出了一套適用于砂、泥巖的主量元素多變量物源區(qū)環(huán)境的判別函數(shù)，劃分出基性火山巖源區(qū)、中性火山巖源區(qū)、酸性火山巖源區(qū)、石英質(zhì)沉積巖源區(qū)等4個(gè)物源區(qū)。遼北鐵嶺地區(qū)殷屯組、陳千戶組和汎河組部分樣品落入富含石英質(zhì)沉積巖物源區(qū)（圖3a，據(jù)Roser and Korsch,1988），可能為古老的地質(zhì)體或克拉通。

盡管碎屑巖主要化學(xué)組成易受風(fēng)化、成巖作用等地質(zhì)作用的影響，但抗風(fēng)化能力較強(qiáng)的稀土及其他不活潑的微量元素可有效進(jìn)行源區(qū)示蹤。Cullers（2000）研究表明過(guò)渡族元素Ni為相容元素，巖漿分異傾向富集于鎂鐵質(zhì)-超鎂鐵質(zhì)巖石中，高場(chǎng)強(qiáng)元素Th、Zr、Hf等均較穩(wěn)定，其中很多元素的比值能很好的區(qū)分源巖是基性巖還是酸性巖。Ti/Zr：鎂鐵質(zhì)巖一般＞＞50；長(zhǎng)英質(zhì)巖＜20。La/Co：以長(zhǎng)英質(zhì)為源巖比值為1.8～13.8；以鎂鐵質(zhì)為源巖比值為0.14～0.38。根據(jù)遼北鐵嶺地區(qū)各組沉積巖的Ti/Zr值介于7.53～13，所有樣品均小于20。La/Co值介于1.92～5.16之間，表明遼北鐵嶺地區(qū)沉積巖的源巖為長(zhǎng)英質(zhì)巖。綜上，推測(cè)遼北鐵嶺地區(qū)沉積巖的源巖為長(zhǎng)英質(zhì)巖。

Bhatia（1985a）研究表明REE常被認(rèn)為是非遷移的，在沉積作用過(guò)程中僅僅顯示微小的變化，源區(qū)巖石中的豐度以及風(fēng)化條件是控制沉積物中REE的主要因素，而沉積時(shí)和沉積后的作用，對(duì)沉積物中REE含量的改變很微弱，因此源區(qū)巖石REE特征能夠被可靠地保存在沉積物中，花崗巖和長(zhǎng)英質(zhì)變質(zhì)巖以及來(lái)自大陸源區(qū)的沉積巖等Eu多顯示為負(fù)異常，記錄了源巖的Eu虧損。鐵嶺地區(qū)沉積巖δEu值0.65～0.77，均為負(fù)異常，記錄了源巖的Eu虧損。稀土元素的配分型式可以客觀的反映沉積物物源性質(zhì)。遼北鐵嶺地區(qū)沉積巖呈現(xiàn)輕稀土富集、重稀土平坦及Eu負(fù)異常特征，與大陸上地殼稀土元素配分型式極為相似，表明其沉積物主要來(lái)源于上地殼，其原因在于上地殼中大離子親石元素的含量相對(duì)于原始地幔明顯偏高，導(dǎo)致輕稀土富集重稀土虧損，而上地殼內(nèi)缺少使重稀土分餾的因素，因而重稀土含量均勻，Eu的負(fù)異常是由于元素分異作用使上地殼中Eu元素缺失造成的。

將遼北鐵嶺地區(qū)沉積巖樣品數(shù)據(jù)投在(La/Yb)-REE源巖判別圖上（圖3b，據(jù)Bhatia，1985b），殷屯組、陳千戶組、汎河組砂巖樣品全部落入沉積巖區(qū)，汎河組板巖樣品落入玄武巖、花崗巖和沉積巖的交叉區(qū)域。結(jié)合之前(Gd/Yb)N的比值所推測(cè)遼北鐵嶺地區(qū)沉積巖的源區(qū)母巖來(lái)自于克拉通。在Th-Hf-Co判別圖上（圖3c，據(jù)Bhatia and Crook，1986），遼北鐵嶺地區(qū)沉積巖樣品陳千戶組全部落入長(zhǎng)石砂巖區(qū)域。殷屯組和汎河組樣品落入長(zhǎng)石砂巖區(qū)域和靠近長(zhǎng)石砂巖區(qū)域的邊緣。利用Hf-La/Th圖解判別源巖屬性，對(duì)沉積巖樣品的原始屬性進(jìn)行分析，殷屯組和陳千戶組樣品落在長(zhǎng)英質(zhì)物源區(qū)接近上地殼位置和靠近長(zhǎng)英質(zhì)物源區(qū)的長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合物源區(qū)（圖3d，據(jù)Floyd P A，1987）。汎河組砂巖樣品落入長(zhǎng)英質(zhì)物源區(qū)接近上地殼的位置，板巖樣品落入有效區(qū)外。因此推測(cè)汎河組、殷屯組、陳千戶組源巖主要為長(zhǎng)英質(zhì)巖，源巖主要來(lái)自于上地殼。

圖3 遼北地區(qū)南華系地層源區(qū)判別圖解

綜上所述，遼北地區(qū)殷屯組、陳千戶組和汎河組沉積物源的原始物質(zhì)主要來(lái)自上地殼的長(zhǎng)英質(zhì)物源，混入少量長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合物源。

4.3 構(gòu)造背景

沉積物的風(fēng)化剝蝕條件、搬運(yùn)過(guò)程和成巖作用等因素是影響陸源沉積物形成的主要因素，以上因素受控于沉積盆地的構(gòu)造環(huán)境（Bhatia,1983），這就為利用陸源沉積物的化學(xué)組成研究沉積盆地構(gòu)造環(huán)境提供了一種可行性方法（Bhatia,1983,1985a,1985b）。因?yàn)槌练e物的化學(xué)成分與沉積構(gòu)造環(huán)境之間關(guān)系復(fù)雜，且多數(shù)源區(qū)在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史過(guò)程中容易被剝蝕，這使得利用沉積巖中的主量元素和微量元素來(lái)判別古代沉積盆地的構(gòu)造性質(zhì)成為一種重要方法。Bhatia（1983）根據(jù)澳大利亞?wèn)|部古生代濁積砂巖的主量、微量元素特征，提出了判別沉積盆地構(gòu)造環(huán)境的主量、微量元素標(biāo)志。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析（表3），遼北鐵嶺地區(qū)殷屯組物源區(qū)的元素特征與活動(dòng)大陸邊緣特征基本吻合，少量微量元素特征與大陸島弧特征吻合。陳千戶臺(tái)組物源區(qū)的元素特征與活動(dòng)大陸邊緣特征相似度較高，部分微量元素特征與被動(dòng)大陸邊緣特征吻合。汎河組物源區(qū)的元素特征與活動(dòng)大陸邊緣元素特征相似程度較高，部分元素特征與大陸島弧特征相似。

表3 不同構(gòu)造環(huán)境沉積巖的元素特征對(duì)比

由于碎屑沉積巖的地球化學(xué)特征主要取決于其物質(zhì)組成，而物質(zhì)組成與其物源和大地構(gòu)造環(huán)境有著非常密切的關(guān)系，因此不同物源類(lèi)型的碎屑沉積巖在主量元素上差異很明顯，其地球化學(xué)特征可以作為判別構(gòu)造背景的標(biāo)識(shí)。Bhatia（1983）通過(guò)研究給出了氧化物的影響系數(shù)，通過(guò)函數(shù)關(guān)系來(lái)表達(dá)所有主量元素與構(gòu)造背景間的聯(lián)系，創(chuàng)立了判別函數(shù)F1、F2作為砂巖構(gòu)造背景圖解，并劃分出4種不同的構(gòu)造背景區(qū)（圖4），遼北鐵嶺地區(qū)殷屯組、陳千戶組和汎河組沉積巖樣品均落入活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域。

圖4 碎屑巖構(gòu)造背景函數(shù)判別圖解（據(jù)Bhatia，1983）

綜上所述，遼北鐵嶺地區(qū)南華系殷屯組、陳千戶組和汎河組沉積巖構(gòu)造環(huán)境為活動(dòng)大陸邊緣，該結(jié)論與ICV值所推測(cè)的代表活動(dòng)大陸邊緣的首次沉積的產(chǎn)物一致。

5 結(jié)論

（1）遼北地區(qū)碎屑沉積巖樣品的成分變異指數(shù)（ICV）均大于1，說(shuō)明其成熟度較低，形成環(huán)境相對(duì)比較活動(dòng)，是活動(dòng)大陸邊緣首次沉積形成的。

（2）CIA分布特征表明，遼北地區(qū)南華系殷屯組源區(qū)物質(zhì)處于寒冷-干燥的環(huán)境。陳千戶組、汎河組源區(qū)物質(zhì)處于干燥-寒冷和溫暖-濕潤(rùn)之間變換的環(huán)境。

（3）主要化學(xué)成分、微量元素組成及判別圖解綜合表明，遼北地區(qū)殷屯組、陳千戶組和汎河組沉積物源的原始物質(zhì)主要來(lái)自上地殼的長(zhǎng)英質(zhì)物源，混入少量長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合物源，構(gòu)造環(huán)境為活動(dòng)大陸邊緣。