塔源地區(qū)吉祥溝巖組的地球化學(xué)特征及構(gòu)造意義

付忠才

(黑龍江省第九地質(zhì)勘查院， 黑龍江 齊齊哈爾 161006)

0 引 言

研究區(qū)位于大興安嶺北段，塔源—新林—大烏蘇一帶，大地構(gòu)造位置處于中亞造山帶東段[1-2]、額爾古納地塊與興安地塊結(jié)合部位[3-4]，是研究古亞洲洋形成演化的重要地區(qū)之一[5-6]。在塔源鎮(zhèn)東部及大烏蘇河流域分布有一套淺變質(zhì)海相火山-碎屑巖系，《黑龍江省巖石地層》(1997)將其定名為倭勒根群，李仰春等[7]認(rèn)為該套巖層不是單一的有序的地層單位，而是一構(gòu)造巖片，因此將其命名為倭勒根巖群，這一認(rèn)識(shí)已逐漸被廣大學(xué)者認(rèn)可并使用[8-11]。

倭勒根巖群自下而上劃分為吉祥溝巖組、大網(wǎng)子巖組，吉祥溝巖組主要為變沉積巖，大網(wǎng)子巖組主要為變基性火山巖。變沉積巖鋯石U-Pb年齡為453.2～560.0 Ma，變基性火山巖為419.4～482.1 Ma[5，8-9，12-13]，成巖時(shí)代應(yīng)為早奧陶世—早志留世。前人對(duì)大網(wǎng)子巖組的變火山巖地球化學(xué)特征研究較多，但對(duì)吉祥溝巖組變沉積巖地球化學(xué)特征研究較少[5，9]。筆者利用研究區(qū)內(nèi)1∶50 000區(qū)域地質(zhì)測(cè)量獲得的主、微量及稀土元素地球化學(xué)結(jié)果，探討吉祥溝巖組地球化學(xué)特征及源區(qū)構(gòu)造背景，為大興安嶺北部早古生代構(gòu)造演化研究提供一定的基礎(chǔ)資料。

1 地質(zhì)背景與樣品采集

研究區(qū)內(nèi)出露的地層分布廣泛(圖1)，主要有下奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)倭勒根巖群及下白堊統(tǒng)白音高老組、光華組、甘河組。倭勒根巖群巖石主要為變沉積巖及變火山巖，巖石普遍殘存原巖結(jié)構(gòu)，變質(zhì)程度較低。白音高老組巖石為中-酸性火山巖，光華組為酸性火山巖，甘河組為中基性火山熔巖。區(qū)內(nèi)侵入巖發(fā)育，主要有早奧陶世—早志留世花崗巖、二長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖及晚三疊世—早侏羅世花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造方向主要為北東向、北西向，大型北東向環(huán)宇—新林?jǐn)嗔芽v貫全區(qū)。褶皺構(gòu)造不發(fā)育，只在倭勒根巖群中見有小型協(xié)調(diào)褶皺、緊密褶皺。

圖1 塔源地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Geological sketch map of Tayuan area

文中研究樣品利用撿塊法采自實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面探槽內(nèi)的新鮮巖石，其中硅酸鹽樣品12件、微量及稀土元素分析樣品各15件。樣品分析由黑龍江省地礦測(cè)試研究所完成，硅酸鹽樣品利用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定，稀土微量元素樣品采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行測(cè)試，樣品分析精度優(yōu)于5%。

2 巖石學(xué)特征

吉祥溝巖組變沉積巖主要有變質(zhì)砂巖類、片巖及板巖，局部夾有大理巖。

綠泥綠簾石英片巖：呈灰綠色，鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，片狀構(gòu)造。巖石主要由體積分?jǐn)?shù)19%的顯微鱗片狀綠泥石、35%的粒狀綠簾石、45%的它形粒狀石英組成。綠泥石沿片理方向展布；綠簾石多與綠泥石相伴，粒度小于0.3 mm；石英具波狀消光，粒度小于0.3 mm。

綠泥石板巖：呈灰綠色，顯微鱗片狀變晶結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造。巖石主要由體積分?jǐn)?shù)5%的顯微鱗片狀絹云母、15%的粒狀石英、30%的顯微鱗片狀綠泥石、49%的隱晶質(zhì)集合體組成。石英粒度多小于0.3 mm，沿板理零散-雜亂分布；綠泥石沿板理方向條帶狀或均勻展布，絹云母多于綠泥石相伴生；隱晶質(zhì)集合體為隱晶長(zhǎng)英質(zhì)、硅質(zhì)，沿板理密集條帶狀或零散展布。

粉砂質(zhì)板巖：呈灰白色，變余砂狀結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造。巖石由體積分?jǐn)?shù)40%的顯微鱗片狀礦物、30%的隱晶質(zhì)-泥質(zhì)集合體和30%的砂質(zhì)碎屑物所組成。顯微鱗片狀礦物主要為綠泥石，呈條帶狀沿板理方向密集展布；隱晶質(zhì)-泥質(zhì)集合體主要為黏土礦物及殘余泥質(zhì)、長(zhǎng)英質(zhì)，沿板理密集-零散展布；粉砂質(zhì)碎屑物以石英為主，呈棱角狀，粒度均小于0.1 mm。

變質(zhì)細(xì)粒長(zhǎng)石雜砂巖：呈淺綠灰色，變余細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，致密塊狀構(gòu)造。巖石由體積分?jǐn)?shù)75%的碎屑及25%的膠結(jié)物組成，碎屑為斜長(zhǎng)石，粒度多為0. 25～0. 50 mm；膠結(jié)物主要為顯微鱗片狀絹云母，其次為微晶石英，粒度均小于0.1 mm。

變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖：呈灰白色，變余中細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)、顯微鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，變余層理構(gòu)造。巖石由體積分?jǐn)?shù)75%的碎屑及25%的膠結(jié)物組成，碎屑主要為石英，呈次圓狀-橢圓狀，占60%；斜長(zhǎng)石為更-中長(zhǎng)石，呈次棱角狀-次圓狀，占15%；膠結(jié)物具顯微鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)，礦物成分主要由重結(jié)晶的微晶石英、長(zhǎng)石和絹云母及少量鐵質(zhì)等組成，膠結(jié)類型屬孔隙式-基底式膠結(jié)。

變質(zhì)長(zhǎng)石砂巖：深灰色，變余細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，變余層理構(gòu)造。碎屑由體積分?jǐn)?shù)45%的石英、20%的鉀長(zhǎng)石和20%的斜長(zhǎng)石組成，膠結(jié)物占 15%，主要為綠泥石。膠結(jié)類型屬孔隙式膠結(jié)。

3 巖石地球化學(xué)特征

3.1 主量元素

吉祥溝巖組變沉積巖主量元素分析結(jié)果見表1、相關(guān)參數(shù)見表2，其中：ηCIA為化學(xué)蝕變指數(shù)，ηICV成分變異指數(shù)，nal、nfm、nc、nalk、nsi、nt、nqz為尼格里參數(shù)。樣品中SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO，Na2O、K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，TiO2、MnO、P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(表1)。變沉積巖中SiO2、Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、nt>0、nqz>12，說明鋁、硅過飽和，表明其碎屑物以石英、長(zhǎng)石為主； 全鐵、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，可看出巖石中應(yīng)含有黑云母、磁鐵礦等鐵鎂質(zhì)礦物碎屑。

表1 變沉積巖主元素分析數(shù)據(jù)Table 1 Major element compositions of meta-sedimentary rocks

表2 變沉積巖相關(guān)參數(shù)Table 2 Correlation parameter of meta-sedimentary rocks %

3.2 微量元素

由表3可以看出：Ba質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100×10-6～1 415×10-6，Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1×10-6～26.67×10-6，Th質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.6×10-6～60×10-6，與上地殼Ba、Co、Th豐度[14]基本一致；Rb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23×10-6～760×10-6，Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.3×10-6～236×10-6，Rb、Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，接近上地殼豐度[14]，遠(yuǎn)大于中地殼、下地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)；w(Sr)/w(Ba)小于1，具副變質(zhì)巖的特點(diǎn)；Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18×10-6～390×10-6，遠(yuǎn)低于上地殼及地殼豐度，出現(xiàn)Sr虧損的原因可能與變質(zhì)作用或物源區(qū)斜長(zhǎng)石含量密切相關(guān)[15]。

表3 變沉積巖微量元素分析數(shù)據(jù)Table 3 Trace element compositions of meta-sedimentary rocks

3.3 稀土元素

稀土元素總量較高，ΣwREE在65.52×10-6～270.70×10-6，平均值為177.29×10-6，其中，砂質(zhì)板巖、變質(zhì)雜砂巖各有1件樣品稀土總量分別為65.52×10-6、83.29×10-6，與其他樣品相比明顯偏低，可能和變質(zhì)過程中稀土元素的帶出有關(guān)。ΣwLREE在61.80×10-6～249.37×10-6、ΣwHREE在3.72×10-6～43.19×10-6，ΣwLREE/ΣwHREE在5.04～16.61，平均為9.84，輕稀土相對(duì)富集、重稀土相對(duì)虧損(表4)；w(La)N/w(Yb)N為4.33～21.52，平均為11.58，說明輕重稀土分異較大；δEu在0.43～0.89之間，平均為0.66，具有顯著Eu負(fù)異常，Eu虧損明顯。

表4 變沉積巖稀土元素分析數(shù)據(jù)Table 4 Rare earth element compositions of meta-sedimentary rocks

樣品稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線基本一致，呈輕稀土富集的右傾式，輕稀土曲線較陡、重稀土曲線相對(duì)平緩，具有明顯的Eu負(fù)異常，如圖2所示，圖2中不同構(gòu)造環(huán)境數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[16]。

圖2 變沉積巖稀土元素配分曲線Fig. 2 Plots of chondrite-normalized REE patterns of meta-sedimentary rocks

4 原巖恢復(fù)

樣品中w(SiO2)平均值為67.82%，低于Condie[17]的典型石英砂巖和長(zhǎng)石砂巖平均值，與古生代雜砂巖SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近；w(Al2O3)/w(SiO2) 在0.15～0.37，高于石英砂巖和長(zhǎng)石砂巖，與雜砂巖一致；TiO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.56%，與Pettijohn等[18]雜砂巖平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近。w(CaO)/w(MgO)小于1，w(K2O)/w(Na2O)大于1，說明原巖為沉積巖。w(Sr)/w(Ba)在0.11～0.70，具有副變質(zhì)巖的特點(diǎn)。

在nal+fm-nc+alk-nsi原巖判別圖解上樣品落入砂巖和厚層泥巖端(圖3)；在ΣwREE-w(La)/w(Yb)圖解上樣品皆落入砂質(zhì)巖和雜砂巖區(qū)域內(nèi)。

圖3 變沉積巖原巖判別圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[19])Fig. 3 Protolith discrimination of meta-sedimentary rocks(after refrence[19])

5 討 論

5.1 物質(zhì)來源分析

吉祥溝巖組變沉積巖與不同構(gòu)造環(huán)境中雜砂巖地球化學(xué)參數(shù)如表5所示，由表5可以看出：SiO2、TiO2、FeO平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)及w(FeO)/w(MgO)、w(Al2O3)/w(SiO2)、w(FeO)/w(MgO)和中國(guó)東部上地殼基本一致。吉祥溝巖組變沉積巖輕稀土元素富集、重稀土元素虧損，輕、重稀土元素分異明顯，具明顯的Eu負(fù)異常，表明母巖可能為長(zhǎng)英質(zhì)巖石，具有上地殼特點(diǎn)[15]。

表5 變沉積巖樣品與不同構(gòu)造環(huán)境中雜砂巖地球化學(xué)參數(shù)對(duì)比Table 5 Comparison of geochemical parameters between meta-sedimentary rocks and greywacke in various tectonic settings

在Th-Hf-Co圖解中樣品投在平均上地殼及其附近(圖4a)；在w(Rb)-w(K2O)圖解上樣品投在上地殼一端，遠(yuǎn)離下地殼，表明源區(qū)物質(zhì)成分與上地殼基本一致，來源于上地殼(圖4b)。在w(Ni)-w(TiO2)圖解上樣品投影在酸性巖漿巖區(qū)(圖4c)；wREE-w(La)/w(Yb)圖解中樣品大多落入花崗巖與沉積巖重疊區(qū)域，少量落在沉積巖及花崗巖區(qū)內(nèi)，說明其源區(qū)應(yīng)是花崗巖及沉積巖(圖4d)；在Roser等DF1-DF2源區(qū)判別圖解中，樣品投影點(diǎn)落入長(zhǎng)英質(zhì)火成物源區(qū)和石英巖沉積物源區(qū)內(nèi)(圖4e)。

成分變異指數(shù)ηICV平均值為1.33，除1個(gè)樣品外，其他皆大于1，表明吉祥溝巖組中變沉積巖含有少量黏土礦物，代表構(gòu)造活動(dòng)帶的首次沉積[28]。

化學(xué)蝕變指數(shù)ηCIA在53.47～78.64之間，表明物源區(qū)可能處于寒冷—溫暖、半干旱氣候條件，具中—低風(fēng)化程度，可能處于構(gòu)造活動(dòng)帶[29]。在w(Al2O3+K2O+Na2O)-w(SiO2)圖解中，樣品投影在化學(xué)成熟度較低的半干旱區(qū)，與化學(xué)蝕變指數(shù)判別一致(圖4f)。

圖4 變沉積巖物源區(qū)特征判別圖解Fig. 4 Identification of provenance characteristics of meta-sedimentary rocks

5.2 構(gòu)造背景判別

樣品SiO2、TiO2、FeO、Al2O3/SiO2、FeO/MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)及比值與大陸島弧基本一致(表5)。吉祥溝巖組變質(zhì)巖構(gòu)造背景圖解如圖5所示。

圖5 變質(zhì)巖構(gòu)造背景圖解 Fig. 5 Tectonic setting discrimination diagrams of meta-sedimentary rocks

在w(K2O)/w(Na2O)-(SiO2)及w(SiO2)/w(Al2O3)-w(K2O)/w(Na2O)構(gòu)造判別圖解中，除了3個(gè)樣品投在被動(dòng)大陸邊緣外，其他均落入活動(dòng)大陸邊緣內(nèi)(圖5a、b)。La、Ce、∑wREE、δEu等與活動(dòng)大陸邊緣一致(表5)。在稀土元素配分曲線圖上，除少數(shù)樣品REE分布模式與大陸島弧相似外，其他多與活動(dòng)大陸邊緣一致(圖2)。在F1-F2構(gòu)造背景函數(shù)判別圖解上，樣品主要投在活動(dòng)陸緣和大陸島弧內(nèi)(圖5c)；在Th-Co-Zr/10判別圖解中，樣品主要落入活動(dòng)大陸邊緣區(qū)及其附近(圖5d)。綜上可以認(rèn)為，吉祥溝巖組變沉積巖形成于活動(dòng)大陸邊緣—大陸島孤環(huán)境。

6 結(jié) 論

(1)變沉積巖主要為綠泥綠簾石英片巖、綠泥石板巖、粉砂質(zhì)板巖、變質(zhì)細(xì)粒長(zhǎng)石雜砂巖、變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖，其原巖主要為砂巖、雜砂巖及少量泥巖。

(2)變沉積巖SiO2、Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，nt>0、nqz>12，Ba、Th、Co元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與上地殼豐度一致，輕重稀土元素分異明顯，輕稀土富集重稀土虧損，Eu具有明顯的的負(fù)異常，成分變異指數(shù)多大于1，反映出源區(qū)物質(zhì)成分為來源于上地殼的長(zhǎng)英質(zhì)火成巖及沉積巖、巖石成分成熟度低。

(3)化學(xué)蝕變指數(shù)為53.47～78.64，表明物源區(qū)可能處于寒冷—溫暖、半干旱氣候條件，具中-低風(fēng)化程度，可能處于構(gòu)造活動(dòng)帶。

(4)吉祥溝巖組變沉積巖SiO2、TiO2、FeO、w(Al2O3)/w(SiO2)、w(FeO)/w(MgO)、La、 Ce、∑wREE、δEu等質(zhì)量分?jǐn)?shù)、比值及主微量元素構(gòu)造背景判別圖解、稀土元素配分模式表明,巖石沉積于活動(dòng)大陸邊緣—大陸島弧環(huán)境。