北淮陽(yáng)帶北緣石炭系碎屑巖地球化學(xué)特征及物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境

沈仕豪， 劉家云， 張晉喆， 管后春， 汪雅菲

(安徽省地質(zhì)調(diào)查院，安徽 合肥 230001)

北淮陽(yáng)構(gòu)造帶為一條沿大別山造山帶北緣展布的狹長(zhǎng)構(gòu)造帶，是揚(yáng)子陸塊與華北陸塊碰撞造山的產(chǎn)物，其組成物質(zhì)的物源及其構(gòu)造屬性研究對(duì)揭示揚(yáng)子與華北兩陸塊的構(gòu)造演化過(guò)程十分關(guān)鍵。前人針對(duì)該構(gòu)造帶開(kāi)展了一系列研究，涉及地層、古生物、巖相古地理、巖石學(xué)及區(qū)域構(gòu)造等方面[1-8]。但目前學(xué)術(shù)界對(duì)北淮陽(yáng)構(gòu)造帶的構(gòu)造屬性及其成因的認(rèn)識(shí)仍存在較大分歧，如杜建國(guó)等[6]認(rèn)為其屬于中元古代陸內(nèi)裂解基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的古島弧；林偉等[7]認(rèn)為其為揚(yáng)子陸塊陸內(nèi)俯沖之后折返產(chǎn)物的一部分(大別山為折返的主體)；黃鵬等[8]認(rèn)為其源于揚(yáng)子陸塊向華北陸塊俯沖—碰撞，其物質(zhì)組成具有雙源性，主體部分來(lái)源于揚(yáng)子陸塊。

近年來(lái)，有關(guān)碎屑巖地球化學(xué)特征及其構(gòu)造環(huán)境的研究已成為熱點(diǎn)[9-15]。筆者在北淮陽(yáng)構(gòu)造帶北部開(kāi)展1∶5萬(wàn)區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查時(shí)，發(fā)現(xiàn)該區(qū)三仙山一帶出露一套未變質(zhì)或輕微變質(zhì)的石炭系地層，是研究碎屑巖物源及其構(gòu)造環(huán)境的良好材料，對(duì)豐富北淮陽(yáng)構(gòu)造帶的地質(zhì)演化認(rèn)識(shí)具有重要意義。為此筆者在三仙山地區(qū)采集了石炭系碎屑巖樣品，通過(guò)分析巖石主量、微量及稀土元素組成特征，探討其物源區(qū)及構(gòu)造環(huán)境，為北淮陽(yáng)構(gòu)造帶構(gòu)造環(huán)境識(shí)別及其成因解釋提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)所處的北淮陽(yáng)構(gòu)造帶位于桐柏—大別山北麓，南部以磨子潭—桐城斷裂為界，北部以金寨—舒城斷裂為界，西接南陽(yáng)盆地，東部被郯廬斷裂帶所截切，整體上呈NWW-SEE向展布的狹長(zhǎng)帶狀(圖1)。北淮陽(yáng)構(gòu)造帶安徽段的石炭系主要出露于該構(gòu)造帶北緣的金寨縣三仙山地區(qū)，巖性為一套未變質(zhì)或輕微變質(zhì)的碎屑巖。

2 地層巖性特征

三仙山地區(qū)自北向南依次出露楊山組(C1y)、道人沖組(C2d)和胡油坊組(C2h)(圖2)。

(1) 楊山組。下部為淺灰色—灰白色厚層—塊狀石英質(zhì)礫巖、含礫粗砂巖、石英粗砂巖，局部夾青灰色、灰綠色薄—中薄層狀泥質(zhì)粉砂巖。上部為石英粉砂巖夾煤層。巖石中礫石成分以石英和燧石為主，成分成熟度高。巖性組合具向上變細(xì)的正粒序結(jié)構(gòu)特征，指示沉積環(huán)境由河流相→沼澤相的變化。

圖1 北淮陽(yáng)構(gòu)造帶東段地質(zhì)略圖(據(jù)參考文獻(xiàn)[16])Fig.1 Geological map of the eastern segment of North Huaiyang structural belt

(2) 道人沖組。下部為灰白色—乳白色厚層—塊狀石英質(zhì)礫巖、含礫石英砂巖及巖屑石英砂巖，局部夾青灰色、灰綠色中薄層—中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖，上述巖性組成沉積韻律或旋回。上部為青灰色、灰綠色泥質(zhì)粉砂巖夾灰白色—乳白色厚層—塊狀石英砂巖、含礫石英砂巖，部分地段組成沉積韻律或旋回。巖性組合總體上具有向上變細(xì)的正粒序結(jié)構(gòu)特征，指示沉積環(huán)境由河流相→濱(淺)湖相的變化。

(3) 胡油坊組。下部為淺灰色—深灰色塊狀復(fù)成分礫巖、灰色—深灰色塊狀含礫石英砂巖、灰色—灰黃色厚層—塊狀(巖屑)石英砂巖組成韻律或旋回。復(fù)成分礫巖中礫石成分復(fù)雜，大小混雜，成分成熟度低。上部為灰色—深灰色塊狀細(xì)(微)晶灰?guī)r、灰綠色塊狀鈣質(zhì)粉砂巖、灰色—灰黃色厚層—塊狀巖屑石英砂巖夾灰綠色薄層狀泥質(zhì)粉砂巖。巖性組合指示沉積環(huán)境由濱湖相→淺湖相→半深湖相→淺湖相的變化。

3 巖石地球化學(xué)特征

3.1 主量元素特征

三仙山地區(qū)石炭系碎屑巖的主量元素組成如表1所示。從表1可以看出，石炭系碎屑巖SiO2含量變化較大，為56.50%～92.58%(平均81.08%)，其中道人沖組SiO2含量最高(85.29%～92.58%)，楊山組次之(82.10%)，胡油坊組最低(56.50%～73.46%)。Al2O3含量為3.28%～13.89%(平均6.88%)，MgO含量為0.066%～3.83%(平均1.19%)，CaO含量為0.032%～7.05%(平均1.98%)，Na2O含量為0.048%～1.75%(平均0.32%)，K2O含量為0.61%～2.46%(平均1.33%)，F(xiàn)e2O3含量為0.51%～7.20%(平均1.94%)，TiO2含量為0.048%～1.89%(平均0.40%)。因此，石炭系不同地層的碎屑巖主量元素含量變化較大，K2O含量均高于Na2O，道人沖組巖石中Al2O3、MgO含量較低。

表1 三仙山地區(qū)石炭系碎屑巖主量元素組成(%)Table 1 Composition of major elements of Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

圖2 三仙山地區(qū)石炭系地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphic histogram of Carboniferous in Sanxianshan area

3.2 微量與稀土元素特征

研究區(qū)稀土元素分析結(jié)果(表2)表明，石炭系碎屑巖ΣREE為28.76×10-6～142.88×10-6，平均為86.03×10-6，其中道人沖組ΣREE最低，為28.76×10-6～79.43×10-6，平均為54.45×10-6；胡油坊組含較多泥質(zhì)砂巖，ΣREE最高，為138.07×10-6～142.88×10-6，平均為140.47×10-6。石炭系碎屑巖具有明顯的負(fù)Eu異常(δEu為0.48～0.83，平均0.70)與較弱的負(fù)Ce異常(δCe為0.88～1.04，平均0.97);(La/Yb)N為3.26～20.76，平均為13.38，表明輕重稀土元素分異程度較大。稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分配模式圖(圖3-a)顯示，石炭系碎屑巖具有輕稀土富集的右傾型特征。

表2 三仙山地區(qū)石炭系碎屑巖稀土元素和微量元素組成Table 2 Composition of REE and trace elements of Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

石炭系碎屑巖特征微量元素Th、U、Sc、Zr和Y的平均值分別為9.09×10-6、2.44×10-6、7.15×10-6、95.63×10-6、13.0×10-6，Rb/Sr值為1.95，Th/U為3.73，La/Y為1.74，La/Sc為4.02，Th/Sc為2.1。從微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(圖3-b)可以看出，石炭系碎屑巖中大離子親石元素Rb、K、Th相對(duì)富集，高場(chǎng)強(qiáng)元素Ba、Sr、Nb、P和Ti相對(duì)虧損。

圖3 三仙山地區(qū)石炭系碎屑巖稀土元素分配模式圖(a)和微量元素蛛網(wǎng)圖(b)Fig.3 REE distribution patterns (a) and trace elements spider diagram (b) of Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

4 物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境分析

碎屑巖在沉積過(guò)程中受風(fēng)化、剝蝕及成巖作用等影響，會(huì)發(fā)生物理化學(xué)性質(zhì)的變化，其中的化學(xué)元素必然有其遷移及賦存規(guī)律，如Ti、Al、Th、Co、Sr和REE等性質(zhì)穩(wěn)定的化學(xué)元素只隨著碎屑沉積物搬運(yùn)，從而能在巖石中保存下來(lái)，對(duì)物源區(qū)的地球化學(xué)性質(zhì)有較好的指示作用[17]。因此，通過(guò)對(duì)研究區(qū)碎屑巖地球化學(xué)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究，將其與已知物源區(qū)巖石的地球化學(xué)特征進(jìn)行對(duì)比，可以判別其物源區(qū)并重建沉積盆地的大地構(gòu)造格架。

4.1 主量元素分析判別

主要利用Al2O3、Na2O、K2O等主量元素的含量百分比來(lái)確定物源類型和構(gòu)造屬性。可采用Roser等[17]提出的主量元素綜合系數(shù)F1-F2圖解來(lái)分析物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境，其中F1與F2判別函數(shù)分別為：

F1=-1.773×TiO2+0.607×Al2O3+0.760×Fe2O3-1.500×MgO+0.616×CaO+0.509×Na2O-1.224×K2O-9.090

(1)

F2=-0.445×TiO2+0.070×Al2O3-0.250×Fe2O3-1.142×MgO+0.438×CaO+1.475×Na2O+1.426×K2O-6.861

(2)

將采用上述兩個(gè)判別函數(shù)計(jì)算所得的判別值進(jìn)行投點(diǎn)(圖4)，可見(jiàn)楊山組、道人沖組和胡油坊組樣品基本落入P4區(qū)域，反映研究區(qū)石炭系碎屑巖具有穩(wěn)定的石英質(zhì)物質(zhì)來(lái)源，其源區(qū)可能為成熟大陸石英質(zhì)源區(qū)，如穩(wěn)定克拉通、古老的地質(zhì)體、再旋回造山帶等。

4.2 微量元素分析判別

碎屑巖中Th、Zr、La、Sc等微量元素在沉積、成巖過(guò)程中具有較低的活動(dòng)性，且在一般的天然水體中難以溶解，因此其在沉積巖中的含量組合特征能夠較好地反映物源區(qū)構(gòu)造屬性[18-22]。

圖4 三仙山地區(qū)石炭系碎屑巖源區(qū)性質(zhì)判別圖解(底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[17])Fig.4 Discrimination diagram of provenance properties ofCarboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

Bhatia等[21]發(fā)現(xiàn)雜砂巖中部分特征微量元素含量與其物源區(qū)的構(gòu)造環(huán)境有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了不同構(gòu)造背景下的微量元素三角圖解。將研究區(qū)石炭系碎屑巖的特征微量元素含量與Bhatia等總結(jié)的不同構(gòu)造背景下的雜砂巖進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)石炭系碎屑巖與大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境接近(表3)。將研究區(qū)石炭系碎屑巖樣品投影到La-Th-Sc三角圖(圖5-a)和Th-Sc-Zr/10三角圖(圖5-b)，發(fā)現(xiàn)楊山組樣品落入D區(qū)，指示其源巖具有被動(dòng)大陸邊緣的構(gòu)造屬性；道人沖組樣品較為分散，主體落入C區(qū)，表明其源巖構(gòu)造屬性主要為活動(dòng)大陸邊緣；胡油坊組樣品主體落入B區(qū)和B與C區(qū)交界部位，說(shuō)明其源巖構(gòu)造屬性為大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣。

綜上所述，石炭系碎屑巖的物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境以大陸島弧為主，其次為活動(dòng)大陸邊緣及被動(dòng)大陸邊緣。

4.3 稀土元素分析判別

Bhatia[22]認(rèn)為大洋島弧區(qū)雜砂巖的ΣREE較低，LREE略有富集，沒(méi)有負(fù)Eu異常；大陸島弧區(qū)雜砂巖的ΣREE較高，(La/Yb)N比值較大，存在弱負(fù)Eu異常；

表3 三仙山地區(qū)石炭系碎屑巖與不同構(gòu)造背景雜砂巖微量元素含量對(duì)比Table 3 Composition of trace element contents between Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area and miscellaneous sandstones with different tectonic settings

圖5 三仙山地區(qū)石炭系碎屑巖微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解(底圖據(jù)參考文獻(xiàn)[21])Fig.5 Tectonic environment discrimination diagram of trace element in Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

而產(chǎn)于活動(dòng)大陸邊緣、被動(dòng)大陸邊緣、地臺(tái)和克拉通盆地的雜砂巖則是LREE相對(duì)于HREE更加富集，負(fù)Eu異常更加明顯。研究區(qū)石炭系碎屑巖存在負(fù)Eu異常(δEu平均值為0.70)與弱負(fù)Ce異常(δCe平均值為0.97)，輕重稀土元素分異程度較大((La/ Yb)N平均值為13.38)，與Bhatia的研究成果(表4)對(duì)比，可以看出石炭系碎屑巖的物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境可能主要為大陸島弧，其次為活動(dòng)大陸邊緣與被動(dòng)大陸邊緣，與采用主量元素和微量元素進(jìn)行判別所取得的認(rèn)識(shí)相一致。

表4 三仙山地區(qū)石炭系碎屑巖與不同構(gòu)造背景雜砂巖稀土元素含量對(duì)比Table 4 Composition of REE contents between Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area and miscellaneous sandstones with different tectonic settings

高山等[23]研究了華北陸塊、揚(yáng)子陸塊的大陸地殼結(jié)構(gòu)與成分組成，與之相比，研究區(qū)石炭系道人沖組的稀土元素含量特征與揚(yáng)子陸塊上地殼接近，表明該組碎屑巖可能為源自揚(yáng)子陸塊北緣的活動(dòng)大陸邊緣沉積。石炭系胡油坊組稀土元素含量特征介于揚(yáng)子陸塊和華北陸塊之間，反映其可能同時(shí)接受華北陸塊南緣的活動(dòng)大陸邊緣沉積和揚(yáng)子陸塊北緣的大陸島弧—活動(dòng)大陸邊緣沉積。

前人研究表明，秦嶺—大別造山帶在古生代經(jīng)歷過(guò)復(fù)雜的大洋俯沖、島弧增生、弧—陸碰撞過(guò)程，形成了復(fù)雜的島弧體系[24-25]，并且北秦嶺古生代俯沖增生造山帶可向東延伸至北淮陽(yáng)金寨及相鄰地區(qū)[26]。趙宗舉等[27]、李寶芳等[28]研究認(rèn)為，石炭紀(jì)時(shí)期北淮陽(yáng)地區(qū)為前陸盆地，古水流分析表明該地區(qū)石炭系沉積主要來(lái)自南部北淮陽(yáng)構(gòu)造帶和大別地塊。此外，前人在胡油坊組礫石中發(fā)現(xiàn)了華北陸塊本溪組底部分子[29]；碎屑鋯石微量元素指示北淮陽(yáng)地區(qū)石炭系源區(qū)主要為陸殼，不存在洋殼物質(zhì)[30]。結(jié)合本文石炭系碎屑巖地球化學(xué)特征可知，楊山組和道人沖組碎屑巖物源區(qū)為揚(yáng)子古老陸塊或再旋回造山帶，而揚(yáng)子陸塊與華北陸塊可能共同為胡油坊組提供物源。石炭系碎屑巖的微量元素和稀土元素指示，晚石炭世物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境為大陸島弧或活動(dòng)大陸邊緣。以上證明在晚古生代，華北陸塊與揚(yáng)子陸塊間不存在分隔性的大洋；在晚石炭世之前，北淮陽(yáng)構(gòu)造帶與華北陸塊已拼接連為一體。由此可以說(shuō)明，秦嶺—大別島弧系和華北陸塊的碰撞應(yīng)在早古生代末期或者泥盆紀(jì)。

表5 三仙山地區(qū)石炭系地層與地殼稀土元素含量對(duì)比Table 5 Composition of REE contents between Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area and crust

5 結(jié)論

(1) 北淮陽(yáng)構(gòu)造帶三仙山地區(qū)的石炭系主體以礫巖、含礫砂巖、石英砂巖夾煤層、泥質(zhì)粉砂巖、灰?guī)r為主，沉積環(huán)境總體經(jīng)歷了由河流相→沼澤→河流相→濱(淺)湖相→淺湖相的變化。

(2) 三仙山地區(qū)石炭系碎屑巖地球化學(xué)特征顯示，沉積物源區(qū)當(dāng)時(shí)處于大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣的構(gòu)造環(huán)境，楊山組和道人沖組物源區(qū)為揚(yáng)子古老陸塊或再旋回造山帶，胡油坊組由揚(yáng)子陸塊和華北陸塊共同提供物源。