燕山中段常州溝組砂巖巖石學(xué)、地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

陳 超，修 迪，王海敏，專少鵬，陳宏強(qiáng)，王金貴，趙華平，楊 瑞

(1. 河北省區(qū)域地質(zhì)調(diào)查院，河北 廊坊 065000； 2. 河北省地礦局 第一地質(zhì)大隊(duì)，河北 邯鄲 056800)

燕山地區(qū)長城紀(jì)常州溝組是華北克拉通北緣燕山地區(qū)變質(zhì)結(jié)晶基底上的第一套沉積蓋層，不整合覆蓋于新太古代各類片麻巖之上，巖性以陸源碎屑巖為主，記錄了地殼的初始破裂及裂谷作用的早期過程，對于認(rèn)識華北克拉通中元古代早期構(gòu)造演化具有重要意義，一直備受國內(nèi)外研究學(xué)者的關(guān)注(李懷坤等，1995； 柳永清等，1997； 和政軍等，2000； 高林志等，2010； 喬秀夫等，2014； 蘇文博，2016)。和政軍等(1994)對包括常州溝組在內(nèi)的燕山長城紀(jì)地層的沉積類型進(jìn)行了總結(jié)，編制出“常州溝期巖相古地理圖”，并對長城紀(jì)燕山盆地的同沉積斷裂系統(tǒng)進(jìn)行了研究； 孫立新等(1999)根據(jù)常州溝組底部礫巖特征，認(rèn)為底部發(fā)育河流相、沖積扇相等陸相沉積； 肖竣文等(2016)根據(jù)對遷安常州溝組底礫巖巖石學(xué)特征和剖面沉積特征分析，認(rèn)為常州溝組底礫巖為干旱氧化環(huán)境下山間河流沉積產(chǎn)物，具有多次搬運(yùn)、近源快速沉積的特點(diǎn)，物源可能來自盆地東南部的山海關(guān)古隆起； 鐘焱等(2011)對薊縣剖面常州溝組底部砂巖的宏觀沉積特征和微觀特征進(jìn)行詳細(xì)研究，認(rèn)為常州溝組底部含礫粗砂巖屬海侵初期的近岸潮汐砂灘沉積，華北克拉通在中元古代早期地殼尚未穩(wěn)定，不具備形成厚的河流沉積背景； 李懷坤等(2011)在北京密云地區(qū)常州溝組下伏花崗斑巖脈獲得鋯石U-Pb同位素年齡為1 673±10 Ma，據(jù)此認(rèn)為常州溝組底界年齡應(yīng)小于1 670 Ma； 陳賢等(2014)根據(jù)薊縣地區(qū)常州溝組砂巖碎屑組分特征，對其物質(zhì)來源和構(gòu)造背景進(jìn)行了初步探討。上述研究主要集中在年代學(xué)、地層學(xué)、沉積學(xué)等方面，關(guān)于常州溝組沉積環(huán)境演化仍有不同觀點(diǎn)，尤其是底部存在陸相與海相的爭論； 構(gòu)造背景還存在克拉通內(nèi)部裂解、弧后擴(kuò)張等多種認(rèn)識； 古氣候、源區(qū)屬性等關(guān)鍵性問題的研究仍不夠深入。

本文在燕山中段唐山地區(qū)進(jìn)行1∶5萬區(qū)域地質(zhì)野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，以中元古代常州溝組碎屑沉積巖為研究對象，通過巖石學(xué)、沉積學(xué)、地球化學(xué)等方面研究，揭示其古環(huán)境、古氣候、物質(zhì)來源和構(gòu)造背景，進(jìn)而為探討華北克拉通大地構(gòu)造演化提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華北燕山地區(qū)東段唐山市遷西地區(qū)，屬華北克拉通北緣。區(qū)內(nèi)出露太古宙變質(zhì)巖系及其上的長城系、薊縣系、青白口系、寒武系和奧陶系等地層(圖1)。其中長城系自下而上包括常州溝組、串嶺溝組和大紅峪組，缺失團(tuán)山子組。區(qū)域上，在灤縣青龍山及以東地區(qū)大紅峪組超覆在下伏不同時(shí)代地層之上。常州溝組角度不整合于太古宙變質(zhì)巖系之上，底部斷續(xù)發(fā)育礫巖透鏡體，主要分布于山葉口-王家灣子一帶(圖2a)，遷西縣等地零星出露，厚度在0～100 m不等。礫巖中發(fā)育疊瓦狀構(gòu)造(圖2b)、粒序?qū)永砗蜎_刷面。礫巖之上主要為淺灰色石英砂巖、長石石英砂巖、巖屑石英砂巖、長石砂巖等，夾少量薄層粉砂巖，下部發(fā)育板狀交錯(cuò)層理(圖2c)、平行層理、槽狀交錯(cuò)層理等，上部發(fā)育浪成波紋層理、雙向交錯(cuò)層理、脈狀層理、波狀層理等(圖2d～2g)。串嶺溝組整合于常州溝之上，下部為灰綠色、灰黑色頁巖、粉砂巖，發(fā)育水平層理； 上部為淺灰色石英砂巖、長石石英砂巖、灰白色長石砂巖，發(fā)育平行層理、楔狀交錯(cuò)層理等。大紅峪組平行不整合于串嶺溝組之上，主要巖性為紫灰色長石砂巖、灰白色巖屑長石砂巖、長石石英砂巖、石英砂巖、灰綠色泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖等，發(fā)育楔狀交錯(cuò)層理、波狀層理、脈狀層理、水平層理、干裂、波痕等； 底部發(fā)育少量不穩(wěn)定礫巖； 研究區(qū)東南部趙店子?xùn)|部和青龍山一帶夾少量灰綠色蝕變玄武巖、紅褐色蝕變輝石粗面巖，厚度<15 m。薊縣系大面積分布于研究區(qū)中部、西部和南部，由下至上發(fā)育有高于莊組、楊莊組和霧迷山組，主體巖性均為白云巖，厚度巨大。青白口系出露于王官營一帶，包括龍山組和景兒峪組，龍山組為一套濱海碎屑巖組合，景兒峪組主要由泥晶灰?guī)r、粉晶灰?guī)r等組成。寒武系和奧陶系集中出露在研究區(qū)中部南王官營附近向斜核部，巖性主要為一套淺海-潮坪相碳酸鹽巖。侏羅系分布于研究區(qū)中北部新集一帶，為一套陸相火山、碎屑沉積建造。

圖1 燕山地區(qū)遷西縣一帶地質(zhì)略圖(據(jù)趙華平等，2014?； 專少鵬等，2018 ?)Fig.1 Geological sketch map of Qianxi County, Yanshan Mountains area(after Zhao Huaping et al., 2014?； Zhuan Shaopeng et al., 2018?)1—太古宙變質(zhì)巖系； 2—常州溝組； 3—串嶺溝組； 4—大紅峪組； 5—薊縣系； 6—青白口系； 7—寒武系-奧陶系； 8—侏羅系； 9—平行不整合界線； 10—角度不整合界線； 11—斷層； 12—采樣位置和編號1—Archean metamorphic rock series； 2—Changzhougou Formation； 3—Chuanlinggou Formation； 4—Dahongyu Formation； 5—Jixian stratum； 6—Qingbaikou stratum； 7—Cambrian-Ordovician stratum； 8—Jurassic stratum； 9—disconformity boundary； 10—unconformity boundary； 11—fault； 12—sample locations

2 樣品特征和分析方法

本次測試8件地球化學(xué)樣品采自多條剖面(圖1)，均為常州溝組代表性巖石，新鮮無蝕變，組構(gòu)清晰，且無脈體穿插。樣品PM9-1、PM9-2位于山葉口剖面，巖性均為粉黃色長石砂巖，細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，發(fā)育交錯(cuò)層理。樣品PM19-2、PM19-3位于王家灣子剖面，巖性分別為紫紅色巖屑長石砂巖和紫紅色長石石英砂巖，中粒砂狀結(jié)構(gòu)； 樣品PM26-1、PM36-1分別采自遷西縣剖面和黃巖剖面，巖性均為淺紫紅色長石石英砂巖； 樣品PM37-1、PM37-2位于崔家莊剖面，巖性分別為灰白色巖屑石英砂巖和灰白色石英砂巖。另外，在王家灣子常州溝組剖面礫巖層之上的砂巖層段由下至上依次采集了8件砂巖樣品進(jìn)行了粒度分析，樣品編號依次為PM19-1～PM19-8，巖性主要為紫紅色中粒巖屑長石砂巖、紫紅色中粒長石石英砂巖、淺灰色細(xì)粒石英砂巖等。

? 趙華平，劉增校，魏文通，等. 2014. 河北1∶5萬鐵廠幅、遷西幅、火石營幅、野雞坨幅地質(zhì)圖.

? 專少鵬，陳 超，趙華平，等. 2018. 河北1∶5萬沙流河幅、左家塢幅、鴉鴻橋幅、豐潤幅地質(zhì)圖.

圖2 常州溝組碎屑巖沉積構(gòu)造及顯微特征Fig.2 The sedimentary structure and microscopic characteristics of clastic sedimentary rocks from Changzhougou Formation a—常州溝組底部礫巖宏觀特征； b—礫巖疊瓦狀構(gòu)造； c—大型板狀交錯(cuò)層理砂巖； d—浪成波紋層理砂巖； e—雙向交錯(cuò)層理砂巖； f—脈狀層理砂巖； g—波狀層理細(xì)砂巖； h—石英砂巖正交偏光照片； i—長石石英砂巖正交偏光照片； Qtz—石英； Fs—長石； Lt—巖屑a—field characteristics of conglomerate； b—imbricate structure of conglomerate； c—large tabular cross bedding sandstone； d—wave ripple bedding sandstone； e—bidirectional cross bedding sandstone； f—flaser bedding sandstone； g—wavy bedding sandstone； h—cross-polarized microscopic photomicrograph of quartz sandstone； i—cross-polarized microscopic photomicrograph of feldspathic quartz sandstone； Qtz—quartz； Fs—feldspar； Lt—lithic

巖礦鑒定、全巖主微量元素分析和粒度分析均在河北地礦局廊坊實(shí)驗(yàn)室完成。主量元素采用XRF法，使用荷蘭帕納科公司研制的Axios X射線熒光光譜儀測定，F(xiàn)eO應(yīng)用氫氟酸-硫酸溶樣、重鉻酸鉀滴定的容量法測試，分析精度優(yōu)于2%； 稀土和微量元素采用X Series II 型等離子體光質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定，分析精度優(yōu)于1%～5%。因?yàn)樗悠肪鶠橹旅軒r石，故將其磨制成薄片，在奧林巴斯BX53偏光顯微鏡下進(jìn)行粒度分析，每件樣品統(tǒng)計(jì)和分析顆粒數(shù)量均大于300顆，且碎屑成分統(tǒng)計(jì)分析的成分顆粒大于0.03 mm。

3 巖相學(xué)特征

常州溝組主體巖性為石英砂巖、長石石英砂巖等。

石英砂巖由陸源砂屑和填隙物組成(圖2h)。陸源碎屑成分為石英(95%)、長石(1%～3%)、巖屑(1%～5%)組成，次圓狀-次棱角狀，粒度以0.05～0.25 mm的細(xì)粒為主，部分0.5～0.85 mm的粗粒及0.25～0.5 mm的中粒相對呈層狀分布。石英粒內(nèi)輕波狀消光，常見具次生加大邊； 長石為鉀長石，輕高嶺土化，局部具次生加大邊； 巖屑成分為硅質(zhì)巖、石英巖等，局部見少量葉片狀白云母。填隙物(1%～5%)由硅質(zhì)膠結(jié)物和少量粘土質(zhì)雜基組成，填隙狀分布于陸源砂屑間，屬于顆粒支撐，孔隙式膠結(jié)，粘土質(zhì)重結(jié)晶為自生長石，呈鉀長石的次生加大邊； 硅質(zhì)重結(jié)晶為石英的次生加大邊。

長石石英砂巖由陸源砂屑和填隙物組成(圖2i)。陸源碎屑主要為石英(85%～90%)，其次為長石及少量巖屑，次棱角-次圓狀，雜亂分布，粒度一般0.25～0.5 mm為中砂，部分0.5～0.9 mm為粗砂，部分0.05～0.25 mm為細(xì)砂。長石主為鉀長石，少數(shù)為斜長石，鉀長石高嶺土化，部分可見格子雙晶，多見次生加大邊； 斜長石高嶺土化、絹云母化。石英粒內(nèi)輕波狀消光，部分可見次生加大邊。巖屑成分為硅質(zhì)巖、石英巖等。填隙物由硅質(zhì)膠結(jié)物及少量粘土質(zhì)雜基組成，顆粒支撐，接觸式膠結(jié)。硅質(zhì)膠結(jié)物生長在石英砂粒邊緣，成為石英的次生加大邊，使石英砂?；ハ嘟佑|。粘土質(zhì)多數(shù)受重結(jié)晶作用成為鉀長石的次生加大邊； 少數(shù)已變?yōu)轺[片狀絹云母等，片徑<0.02 mm，填隙狀分布。

4 地球化學(xué)特征

4.1 主量元素

研究區(qū)常州溝組砂巖樣品SiO2含量很高(表1)，范圍為79.13%～96.28%，平均91.2%，非常接近于Condie(1993)提出的典型石英砂巖(平均值91.5%)。Al2O3含量較高，為2.17%～9.78%，平均4.21%。CaO含量較低，為0.04%～0.12%，平均0.06%。(Fe2O3T+MgO)范圍為0.24%～2.19%，平均0.96%。Al2O3/SiO2值非常低，范圍為0.02～0.12，平均0.05。砂巖樣品K2O/Na2O值較高，在21.33～87.50之間，平均35.62。Al2O3/(CaO+Na2O)值總體較低，除樣品PM9-2含少量粘土雜基，Al2O3/(CaO+Na2O)值略高外，其余樣品Al2O3/(CaO+Na2O)值為19.77～34.76，表明粘土礦物組分含量較少。

4.2 微量元素

8件砂巖樣品稀土元素地球化學(xué)分析結(jié)果顯示，稀土元素總量變化范圍較大，介于55.32×10-6～220.31×10-6之間(表1)。輕重稀土元素比值為7.90～13.43，平均10.12，輕稀土元素相對富集，重稀土元素相對虧損。(La/Yb)N值范圍為7.66～14.68，平均9.22； (La/Sm)N為2.51～6.68，平均4.87； (Gd/Yb)N為1.26～1.62，平均1.48。具有顯著的Eu負(fù)異常，δEu值為0.45～0.72，平均0.57。Ce異常不明顯，δCe值為0.94～1.00，平均0.98。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分模式總體呈右傾型，輕稀土元素陡傾，重稀土元素平坦。澳大利亞后太古宙平均頁巖(PAAS)標(biāo)準(zhǔn)化稀土配分曲線表現(xiàn)出平坦配分模式(圖3)，說明其原始物質(zhì)主要來源于上地殼。

常州溝組砂巖樣品部分大離子親石元素含量相對較高(表1)，如： Rb(10.65×10-6～101.20×10-6)、Sr(11.70×10-6～45.58×10-6)、Ba(19.67×10-6～431.00×10-6)。高場強(qiáng)元素Zr也具有較高含量，為96.79×10-6～687.30×10-6，Th、U含量分別為3.93×10-6～21.93×10-6、0.74×10-6～4.09×10-6，平均為10.77×10-6和2.15×10-6，二者均與中國東部大陸上地殼Th、U含量(9.00×10-6、1.60×10-6)相近(高山等，1999)。在大陸上地殼標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖上(圖3)，各地層樣品顯示出相似的特征，除大離子親石元素Sr和高場強(qiáng)元素Nb、Ta明顯虧損以外，其它大部分微量元素與大陸上地殼元素豐度相當(dāng)或略低。

5 粒度特征

本次在王家灣子常州溝組剖面采集的8件砂巖樣品采用薄片圖像法進(jìn)行粒度分析。每件樣品在鏡下測量大于300個(gè)顆粒的最大視粒徑，并換算成φ值，然后以0.25φ為間隔分組，分別統(tǒng)計(jì)各組內(nèi)顆粒百分比及累計(jì)百分比，各樣品的粒度特征參數(shù)見表2，在此基礎(chǔ)上繪制頻率曲線、累積曲線和概率累積曲線(圖4)。

表1 常州溝組砂巖主量元素(wB/%)及微量元素(wB/10-6)分析結(jié)果Table 1 Major (wB/%) and trace (wB/10-6) element contents of sandstones from Changzhougou Formation

圖3 常州溝組砂巖球粒隕石與PAAS標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖及大陸地殼標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖[球粒隕石及大陸地殼標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Taylor and McLennan(1985)； PAAS標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)據(jù)McLennan(1989)]Fig.3 Chondrite and PAAS normalized REE patterns and continental crust-normalized trace element pattern of sandstones in Changzhougou Formation(chondrite and continental crust values after Taylor and McLennan, 1985; PAAS normalized values after McLennan,1989)

表2 常州溝組剖面砂巖粒度特征參數(shù)Table 2 Grain size character parameters of sandstones in Changzhougou Formation

6 討論

6.1 沉積環(huán)境分析

常州溝組底部發(fā)育不穩(wěn)定礫巖，分布于盆地邊緣變質(zhì)基底古隆起帶。野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，礫巖在遷安市王家灣子、山葉口等地最為發(fā)育，呈楔狀向北西方向散開變薄尖滅，宏觀呈扇狀展布。礫石成分主要為變質(zhì)石英砂巖、脈石英和石英巖(約占80%±)，磁鐵石英巖、變質(zhì)花崗巖、片麻巖等(20%±)少量。礫石大小一般5～20 cm，大者可達(dá)30 cm以上，礫石圓度和球度均好，以次圓狀、圓狀為主，礫石支撐為主，雜基支撐次之。礫巖中發(fā)育疊瓦狀構(gòu)造、正粒序?qū)永淼龋瓜虺练e序列具向上逐漸變細(xì)。以上這些特征指示該套礫巖形成于沖積扇環(huán)境。礫巖之上主要為砂巖，其中下部以紫紅色中粗粒長石砂巖、巖屑長石砂巖為主，夾礫巖透鏡體(圖2c)，發(fā)育大型板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理、平行層理及沖刷面等，具有辮狀河相砂巖特征； 中部、上部為棕黃色、黃白色中細(xì)粒長石石英砂巖、長石砂巖，夾灰色薄層粉砂巖，發(fā)育浪成波紋層理、雙向交錯(cuò)層理砂巖、脈狀層理、波狀層理等(圖2c)，指示其形成于具有雙向水流的潮坪環(huán)境。

粒度分析數(shù)據(jù)顯示，常州溝組下部樣品PM19-1、PM19-2和PM19-3平均粒徑為0.56～1.67φ，以中粗砂為主； 粒度偏差較大，σI介于0.91～0.94之間，表明砂巖分選性中等； 偏度(SKI)為-0.14～0.14； 峰度(KG)為0.81～1.11，尖銳程度中等。這3件樣品的粒度頻率曲線具明顯的雙峰特征(圖4a)，且粒度范圍較寬，具有河流砂體的粒度分布特征； 累計(jì)曲線不夠陡直(圖4b)，分選中等； 概率累積曲線呈兩段式，由跳躍總體和懸浮總體組成，跳躍總體(A)和懸浮總體(B)之 間細(xì)截點(diǎn)(S截點(diǎn))為2.12～3φ，表明水動力條件較強(qiáng)； 跳躍總體(A)范圍為-1～3φ，從中砂到粗砂級別均有，斜率在40°左右(圖4c)，其中樣品PM19-1呈低斜率多段式，顯示出河流環(huán)境下不穩(wěn)定動蕩水流堆積的特點(diǎn)。其余5件樣品依次采自常州溝組中部和上部，粒度特征與下部砂巖明顯不同，平均粒徑(Mz)為1.46～3.39φ，主要為中細(xì)砂； 粒度偏差σI在0.44～0.66之間，表明砂巖分選性中等至較好； 偏度(SKI)為-0.24～0.03，近于對稱或負(fù)偏態(tài)； 峰度(KG)為1.05～1.45，屬尖銳型。粒度頻率曲線呈明顯的單峰形態(tài)(圖4a)，且粒度分布范圍較窄； 累計(jì)曲線陡直(圖4b)，分選較好； 概率累積曲線呈兩段式，跳躍總體(A)和懸浮總體(B)之間細(xì)截點(diǎn)(S截點(diǎn))為2.78～4.29φ； 跳躍總體(A)范圍為0～4.29φ，斜率為50°～55°(圖4c)，其中樣品PM19-6跳躍總體被分成兩個(gè)直線段，是由于其中包括了沖流和回流兩種沉積作用，具有濱岸砂體的粒度特點(diǎn)。另外在標(biāo)準(zhǔn)偏差-偏度離散圖(Friedman，1967)，常州溝組下部3件砂巖樣品均分布于右側(cè)河流砂區(qū)域； 5件中部、上部砂巖樣品落入左側(cè)海灘砂范圍(圖4d)。通過上述巖相學(xué)特征、沉積構(gòu)造及縱向變化和粒度分析，研究區(qū)常州溝組沉積環(huán)境演化由下至上依次劃分為沖積扇→辮狀河→碎屑潮坪。

圖4 常州溝組砂巖粒度分析圖解Fig.4 Grain size analysis diagrams of sandstones from Changzhougou Formationa—頻率曲線； b—粒度累積曲線； c—粒度概率累積曲線； d—標(biāo)準(zhǔn)偏差-偏度離散圖a—frequency curve； b—accumulation curve； c—probability accumulation curve； d—standard deviation skewness dispersion diagram

6.2 風(fēng)化條件及古氣候分析

砂巖成分除受源區(qū)巖石性質(zhì)決定以外，風(fēng)化作用、搬運(yùn)作用、成巖作用等過程對其成分影響較大。為了定量研究碎屑巖的源區(qū)巖石的化學(xué)風(fēng)化程度，Nesbitt等(1982)利用地球化學(xué)的方法研究加拿大古元古代Huronian超群碎屑巖過程中，首次提出化學(xué)蝕變指數(shù)CIA的概念，并將其作為判斷源區(qū)風(fēng)化程度的指標(biāo)。該指數(shù)對沉積源巖形成時(shí)的氣候具有一定的指示意義(馮連君等，2003； 王自強(qiáng)等，2006； 童勤龍等，2013； 張英利等，2020； 王金貴等，2020)。常州溝組碎屑巖化學(xué)蝕變指數(shù)CIA介于52.00～73.23之間，似乎暗示源區(qū)處于中低級風(fēng)化程度，然而在A-CN-K圖解(圖5a)中可以看到，數(shù)據(jù)點(diǎn)集中分布于A-K連線鉀長石、白云母和伊利石附近，表明樣品一定程度遭受鉀交代作用，巖相學(xué)特征也能得到證實(shí)，表現(xiàn)為粘土質(zhì)重結(jié)晶為鉀長石的次生加大邊。鉀交代作用會使鉀元素增多，從而導(dǎo)致CIA值偏小，那么實(shí)際源區(qū)風(fēng)化程度應(yīng)更高。在A-CN-K圖解還可以看出，斜長石幾乎風(fēng)化完全，斜長石中Ca和Na元素虧損，Al元素強(qiáng)烈富集，這與砂巖組分中的長石端員主要為鉀長石相一致，反映物源區(qū)風(fēng)化比較強(qiáng)烈。為消除K2O的影響，Harnois(1988)引入了化學(xué)風(fēng)化作用指數(shù)(CIW)，CIW值越高代表的物源區(qū)風(fēng)化程度越強(qiáng)。常州溝組碎屑巖化學(xué)風(fēng)化作用指數(shù)較高，CIW值范圍為93.04～98.68，平均95.34，指示源區(qū)風(fēng)化程度較強(qiáng)，反映的物源區(qū)古氣候溫暖、潮濕。

在風(fēng)化作用和氧化作用中，U相對于Th更容易流失，沉積巖的Th/U值隨著風(fēng)化作用強(qiáng)度的增加而增加(Taylor and McLennan，1985)。通常情況下，當(dāng)Th/U值>4時(shí)，沉積巖石的形成與風(fēng)化歷史有關(guān)，而>5時(shí)反映了母巖曾經(jīng)歷了明顯的風(fēng)化作用過程(McLennan and Taylor，1991)。除1件樣品Th/U值較低以外，其余7件常州溝組砂巖樣品Th/U值在4.07～6.87之間，平均5.48，明顯高于上地殼平均值(3.8)(圖5b)，反映了中等-較高的化學(xué)風(fēng)化程度。一般以化學(xué)作用為主的風(fēng)化過程是在相對長期而穩(wěn)定的構(gòu)造背景下進(jìn)行的，不穩(wěn)定碎屑組份(巖屑等)可以充分地溶蝕分解而只留下成份穩(wěn)定的碎屑(石英等)(和政軍等，2005)，這與常州溝組砂巖中含有大量石英及硅質(zhì)巖、石英巖等穩(wěn)定組份的巖相學(xué)特征相吻合，再次表明氣候環(huán)境應(yīng)為溫濕氣候。

圖5 常州溝組砂巖A-CN-K圖解(a，據(jù)Nesbitt and Young, 1982)和Th/U-Th圖解(b, 據(jù)Gu et al., 2002)Fig.5 A-CN-K (a, after Nesbitt and Young, 1982) and Th/U-Th (b, after Gu et al., 2002) diagram of sandstones from Changzhougou Formation

6.3 物源分析

碎屑巖中一些微量元素具有非遷移性，在母巖風(fēng)化、搬運(yùn)和成巖過程中相對穩(wěn)定、難于溶解，隨沉積物沉積成巖后仍能反映源巖的地球化學(xué)特征，成為識別物源性質(zhì)很好的指示標(biāo)簽，如大離子親石元素Rb、Ga、Ba、Sr等和高場強(qiáng)元素Nb、Ti、Hf、Zr等。Zr主要存在于鋯石中，代表長英質(zhì)組分，而Cr主要存在于鉻鐵礦、橄欖石和輝石中，可以代表超鎂鐵-鎂鐵質(zhì)組分，因此Cr/Zr值可以反映源區(qū)鎂鐵質(zhì)與長英質(zhì)巖石對沉積物的相對貢獻(xiàn)(Wronkiewicz and Condie, 1989)。Th是高度不相容元素，而Sc是較相容元素，它們在沉積過程中的重礦物分異效應(yīng)小，Th在長英質(zhì)巖石中趨于富集，而Sc則在鐵鎂質(zhì)巖石中富集，那么Th/Sc值也可以反映源區(qū)中鎂鐵質(zhì)與長英質(zhì)物質(zhì)的相對比例(沈渭洲等，2009； 魏震洋等，2009)。常州溝組砂巖Cr/Zr值介于0.04～0.23之間，平均0.15，明顯低于1； Th/Sc值為1.76～16.01，平均6.10，反映它們主要來源于長英質(zhì)巖石。樣品Ba/Sr值為0.45～10.82，平均值為7.25，Rb/Sr值為0.25～2.97，平均值為1.82，均明顯高于大陸上地殼值(1.57和0.32，Taylor and McLennan，1985)和中國東部上地殼值(2.55和0.31，高山等，1999)，說明本區(qū)物源來自上地殼，而該比值較高的原因是本區(qū)Sr值較低，可能受其在物源隆起區(qū)強(qiáng)烈風(fēng)化作用的影響。常州溝組砂巖具有輕稀土元素富集、重稀土元素平坦和銪負(fù)異常的稀土元素配分曲線(圖3a)，也指示沉積母巖主要為長英質(zhì)。為了更明確地反映物源區(qū)性質(zhì)，利用La/Th-Hf源巖屬性判別圖解對研究區(qū)常州溝砂巖的源巖屬性進(jìn)行了分析。在La/Th-Hf圖解上(圖6)，常州溝樣品大部分落入長英質(zhì)物源區(qū)和長英質(zhì)、基性巖混合源區(qū)，并有少量古老沉積巖成分加入，再次表明源區(qū)屬性主要為上地殼環(huán)境。另外，根據(jù)肖竣文(2014)對遷安、遷西地區(qū)常州溝組底部礫巖觀察統(tǒng)計(jì)，礫石巖性主要為石英砂巖(45%)、長石石英砂巖(21%)、長石巖屑砂巖(6%)、硅質(zhì)巖(11%)、含礦石英巖(6%)、巖屑石英砂巖(11%)，進(jìn)一步指示原巖成分以長英質(zhì)巖石為主。

圖6 常州溝組砂巖La/Th-Hf源巖判別圖解(據(jù)Floyd and Leveridge, 1987)Fig.6 Source rock discrimination of sandstones from Changzhougou Formation (after Floyd and Leveridge, 1987)

6.4 構(gòu)造屬性分析

呂梁運(yùn)動后，華北克拉通結(jié)晶基底形成，從此拉開了地臺演化階段的序幕(趙宗溥，1993； 趙太平等，2015，2019)。古元古代晚期至中元古代早期，華北克拉通進(jìn)入伸展構(gòu)造體制，基底抬升，產(chǎn)生基性巖墻群和非造山巖漿活動，其內(nèi)部和邊緣發(fā)生了一系列裂解事件，熊耳裂陷槽、燕遼裂陷槽、渣爾泰-白云鄂博裂陷槽相繼打開，并開始接受巨量的中-新元古代的沉積(翟明國等，2007，2014； 耿元生等，2019)。一直以來地質(zhì)學(xué)家們對燕遼裂陷槽的盆地類型及發(fā)展演化史仍存在多種認(rèn)識。趙太平(2004)、胡良俊等(2007)根據(jù)大廟斜長巖雜巖體和大紅峪組高鉀火山巖的形成時(shí)代和成因，認(rèn)為燕遼裂陷槽屬克拉通內(nèi)部裂解(即內(nèi)陸克拉通盆地)，在盆地發(fā)展演化過程中雖有火山作用，但并未達(dá)到大陸地殼裂開、洋殼出現(xiàn)的程度，是一個(gè)夭折的板內(nèi)裂谷。黃學(xué)光等(2001)通過對區(qū)域地層調(diào)查和研究，認(rèn)為燕遼裂陷槽是華北原地臺北緣東西向大規(guī)模破裂時(shí)伸進(jìn)大陸內(nèi)部的一支廢棄裂谷。喬秀夫等(2007)根據(jù)中新元古代地層中存在的地震記錄和火山活動，認(rèn)為燕遼裂陷槽是弧后擴(kuò)張的產(chǎn)物，代表溝-弧-盆板塊體系下的弧后擴(kuò)張盆地。曲永強(qiáng)等(2010)和潘建國等(2013)通過對中元古界幾個(gè)重要不整合面的分析，認(rèn)為燕遼裂陷槽的演化經(jīng)歷了裂谷-被動大陸邊緣-活動大陸邊緣-碰撞抬升-伸展幾個(gè)階段，即經(jīng)歷大陸內(nèi)裂谷-大陸間裂谷-大洋的完整過程。常州溝組作為燕遼裂陷槽初始沉積蓋層，可以記錄地殼的初始破裂及裂谷作用的早期過程。燕山地區(qū)中段常州溝組砂巖主量元素具有高SiO2、Al2O3和K2O，低TiO2、Fe2O3、FeO、MgO的特點(diǎn)。Al2O3/SiO2值大致表示石英的富集程度，可以作為碎屑沉積物成熟度的指標(biāo)(Roser and Korsch, 1999； 顧雪祥等，2003)。常州溝組Al2O3/SiO2值非常低，平均0.05，說明石英比較富集，顯示砂巖具有較高的成分成熟度； 較低的(Fe2O3T+MgO)值(平均0.96%)，表明巖石中相對基性的組分很少； K2O/Na2O和Al2O3/(CaO+Na2O)值分別為21.33～87.50(平均35.62)和19.77～69.86(平均31.93)，均遠(yuǎn)高于被動大陸邊緣環(huán)境下形成的砂巖(表3)。在TiO2-(Fe2O3+MgO)、Al2O3/SiO2-(Fe2O3+MgO)、K2O/Na2O-SiO2構(gòu)造背景判別圖(圖7)中，樣品均非?？拷蚵淙氡粍哟箨戇吘墔^(qū)(包括穩(wěn)定大陸邊緣的板內(nèi)盆地和克拉通內(nèi)部盆地)。另外，沉積巖中的一些微量元素，如La、Th、Zr、Ti、Sc等活動性較弱，能夠很好地反映母巖性質(zhì)和盆地構(gòu)造環(huán)境(Taylor and McLennan，1985； Bhatia，1983)。通過與不同構(gòu)造環(huán)境砂巖地球化學(xué)特征參數(shù)對比，可以發(fā)現(xiàn)常州溝組砂巖的δEu、Th/U、La/Sc、Th/Sc、Rb/Sr、Ba/Sr值與被動大陸邊緣砂巖相似(表3)。在Ti/Zr-La/Sc構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖8a)中，除2件樣品在圖外，其余樣品均位于被動大陸邊緣區(qū)域； 在Th-Sc-Zr/10三角圖解(圖8b)，大部分樣品分布于被動大陸邊緣區(qū)或其周圍。結(jié)合物源分析，常州溝組物源主要來自克拉通，暗示燕遼裂陷槽應(yīng)屬于克拉通內(nèi)部裂解。

圖7 常州溝組砂巖主量元素構(gòu)造背景判別圖(a，b據(jù)Bhatia，1983； c據(jù)Roser and Korsch，1986； d據(jù)和政軍等，2003)Fig.7 Tectonic setting discrimination diagrams based on the constant elements for sandstones from Changzhougou Formation (a, b after Bhatia, 1983; c after Roser and Korsch, 1986; d after He Zhengjun et al., 2003)

那么燕遼裂陷槽盆地基底是否裂開出現(xiàn)洋殼，如果出現(xiàn)大洋環(huán)境，則意味著裂解深度已達(dá)上地幔，沉積物中將會有幔源物質(zhì)加入。由于幔源物質(zhì)與上地殼物質(zhì)在成分上差異十分明顯，因而一些抗擾動能力強(qiáng)的稀土元素和相對不活潑元素對的比值變化能敏感反映沉積時(shí)期內(nèi)是否有幔源物質(zhì)加入(McLennanetal., 1990； 于炳松等，1998)。本區(qū)常州溝組的Eu負(fù)異常明顯，它們的δEu值為0.45～0.72，平均0.57，接近上地殼，Tb/Yb值范圍0.25～0.31，平均0.28<1，La/Sc值為5.60～17.87，平均10.14>2.8，La/Th值為0.52～3.55，平均2.37接近2.8，Th/Sc值為1.76～16.01，平均6.10>1(沈渭洲等，2009)。這些特征參數(shù)指示，常州溝期燕遼裂陷槽屬于華北克拉通陸殼基底上形成的濱淺海，未達(dá)到大陸地殼裂開、洋殼出現(xiàn)的程度，與前人根據(jù)巖漿巖等方面研究的結(jié)構(gòu)相一致，從不同方面印證了燕遼裂陷槽的構(gòu)造演化特點(diǎn)。

圖8 常州溝組砂巖Ti/Zr-La/Sc和Th-Sc-Zr/10構(gòu)造判別圖解(據(jù)Bhatia et al., 1986)Fig.8 Tectonic setting discrimination diagrams of Ti/Zr-La/Sc, Th-Sc-Zr/10 of sandstones from Changzhougou Formation (after Bhatia et al., 1986)

7 結(jié)論

(1) 根據(jù)巖性組合、沉積構(gòu)造、粒度分析結(jié)果，將燕山中段遷西地區(qū)常州溝組沉積環(huán)境演化由下至上依次劃分為沖積扇→辮狀河→碎屑潮坪。

(2) 通過化學(xué)蝕變指數(shù)CIA、A-CN-K圖解、Th/U-Th圖解和古氣候判別圖綜合分析，常州溝組源區(qū)經(jīng)歷較強(qiáng)的風(fēng)化作用，古氣候溫暖、潮濕。

(3) 燕山中段遷西地區(qū)常州溝組砂巖的源區(qū)屬性主要為上地殼環(huán)境，原巖成分以長英質(zhì)巖石為主，且源區(qū)構(gòu)造屬性非常穩(wěn)定，物源主要來自克拉通。

(4) 燕山地區(qū)中段常州溝組砂巖成熟度很高，燕遼裂陷槽應(yīng)屬于華北克拉通陸殼基底上形成的濱淺海，未達(dá)到大陸地殼裂開、洋殼出現(xiàn)的程度。

致謝中國地質(zhì)調(diào)查局天津地質(zhì)調(diào)查中心王惠初、辛后田研究員和中國地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)所胡健民研究員對本項(xiàng)目研究工作給予了長期指導(dǎo)和大力支持，在此表示衷心感謝！