東昆侖黑海地區(qū)沙松烏拉組變質(zhì)碎屑巖的地球化學(xué)特征及其對(duì)物質(zhì)來(lái)源的約束

王繼林，周漢文，高繼雷，武志敬，李兆令，靳立杰*，李春稼

(1.中國(guó)冶金地質(zhì)總局山東局測(cè)試中心,山東 濟(jì)南 250100;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)，湖北 武漢 430074；3.山東省第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院,山東 濟(jì)南 250104;4.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局第五地質(zhì)大隊(duì),山東 泰安 271000)

0 引言

東昆侖造山帶是東特提斯構(gòu)造域的重要組成部分，經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化過(guò)程和多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，受到地學(xué)界的廣泛關(guān)注[1-5]。前人研究表明，沙松烏拉組、納赤臺(tái)群碎屑巖段和賽什騰組共同構(gòu)成了東昆侖地區(qū)原特提斯洋盆在由打開(kāi)到俯沖消減直至最后碰撞閉合的一套完成的沉積記錄[6-7]。沙松烏拉組原相當(dāng)于萬(wàn)寶溝群的上碎屑巖段和下碎屑巖段，阿成業(yè)等[8]在其內(nèi)獲得了早寒武世微古植物化石及小殼動(dòng)物群化石，因此將其從萬(wàn)寶溝群中解體出來(lái)，并建立該組。陳靜等[9]，靳立杰等[7]分別通過(guò)碎屑鋯石對(duì)沙松烏拉組的物質(zhì)來(lái)源及源區(qū)構(gòu)造熱事件進(jìn)行了分析。然而對(duì)于其地球化學(xué)特征及源區(qū)大地構(gòu)造背景等尚未進(jìn)行研究。

碎屑沉積物是盆地沉積和構(gòu)造演化的直接證據(jù)和重要標(biāo)志，能夠記錄海陸變遷、盆-山構(gòu)造格局形成及與周?chē)h(huán)境相互作用的演化歷史[10-11]。盡管碎屑沉積物的成分受到風(fēng)化、侵蝕、搬運(yùn)、沉積和成巖等一系列作用的影響，但其地球化學(xué)成分仍主要受物源區(qū)控制[12-13]，因此其地球化學(xué)特征能夠?yàn)榫_鑒別母巖性質(zhì)及源區(qū)構(gòu)造背景提供可靠依據(jù)[14]。本次依托東昆侖黑海地區(qū)的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，對(duì)沙松烏拉組的變質(zhì)碎屑巖進(jìn)行了巖相學(xué)和元素地球化學(xué)研究，獲取了其巖石組成及元素地球化學(xué)特征，對(duì)其物質(zhì)來(lái)源區(qū)的大地構(gòu)造背景及物質(zhì)來(lái)源等問(wèn)題進(jìn)行了探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

東昆侖造山帶(圖1)是昆侖造山帶阿爾金斷裂以東的一段，北部為柴達(dá)木地塊和塔里木地塊，南部為可可西里盆地與巴顏喀拉地塊，其內(nèi)部可以分為東昆北地塊、東昆中構(gòu)造混雜巖帶和東昆南增生楔混雜帶[7]。研究對(duì)象沙松烏拉組出露于東昆中構(gòu)造混雜巖帶，呈斷夾塊出露于東昆南增生雜巖楔中，與周?chē)貙咏佑|關(guān)系較為復(fù)雜，與萬(wàn)寶溝群呈斷層接觸，與洪水川組呈角度不整合接觸，并可見(jiàn)晚三疊世石英斑巖侵入其中。

1—第四系；2—洪水川組；3—納赤臺(tái)群碳酸鹽巖組合；4—納赤臺(tái)群碎屑巖組合；5—沙松烏拉組；6—萬(wàn)寶溝群；7—花崗閃長(zhǎng)巖；8—二長(zhǎng)花崗巖；9—英云閃長(zhǎng)巖；10—正斷層；11—逆斷層；12—性質(zhì)不明斷層；13—角度不整合界線；14—地質(zhì)界線；15—地層產(chǎn)狀；16—同位素年齡及采樣位置；17—剖面位置；18—化學(xué)分析采樣位置圖1 東昆侖黑海地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

沙松烏拉組代表整個(gè)東昆侖地區(qū)早古生代最早的海相沉積，在研究區(qū)主要表現(xiàn)為一套變質(zhì)碎屑巖，巖性主要為變長(zhǎng)石石英砂巖、含礫變砂巖、板巖夾變石英砂巖，總體看上部及下巖石粒度較粗，中部較細(xì)，板巖較多(圖2)。碎屑的成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度較低 ，變余碎屑含量占60%～80%，主要由石英、長(zhǎng)石組成；變余填隙物含量占20%～40%，顆粒粒度細(xì)小，礦物多難以辨認(rèn)。根據(jù)巖性組合，巖石粒度變化以及沉積序列，可以認(rèn)為其沉積環(huán)境為濱淺海，并且經(jīng)歷了海水由淺變深的過(guò)程。

a—變砂巖野外特征；b—變砂巖發(fā)生強(qiáng)烈的劈理化；c—鏡下特征(Pl—斜長(zhǎng)石；Mus—白云母)圖2 沙松烏拉組變質(zhì)碎屑巖的巖石學(xué)及礦物學(xué)特征

2 分析方法

本次在野外地質(zhì)調(diào)查和剖面測(cè)量的基礎(chǔ)上，對(duì)采集的4件典型樣品進(jìn)行了元素地球化學(xué)分析?；瘜W(xué)分析在澳實(shí)分析檢測(cè)(廣州)有限公司完成，其中全巖主量元素采用XRF方法測(cè)定，采用3080E型X射線熒光光譜儀進(jìn)行分析；微量及稀土元素采用ICP-MS方法測(cè)定，所用儀器為Agilent7500a型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀。全程為無(wú)污染操作，分析數(shù)據(jù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%，主量、微量及稀土元素分析結(jié)果分別見(jiàn)表1、表2、表3。

表1 沙松烏拉組碎屑巖主量元素分析結(jié)果 單位：%

表2 沙松烏拉組碎屑巖微量元素分析結(jié)果 單位：×10-6

表3 沙松烏拉組碎屑巖稀土元素分析結(jié)果

3 分析結(jié)果

主量元素分析結(jié)果顯示，其SiO2、Al2O3、Fe2O3含量變化范圍分別為60.61%～75.76%、8.37%～12.45%、2.49%～5.59%，平均值分別為69.60%、10.12%、3.99%。本次研究樣品具有較高的Na2O含量為1.26%～2.61%，K2O的含量為1.32%～2.28%，除樣品PM60-7-1表現(xiàn)為Na2O

微量元素分析結(jié)果顯示，少數(shù)大離子親石元素相對(duì)富集，沙松烏拉組砂巖中Ba含量為(221～909)×10-6，平均值為514.50×10-6；Rb含量為(63.5～107)×10-6，平均值為91.58×10-6；Sr含量為(87.9～271)×10-6，平均值為160.08×10-6。

稀土元素分析結(jié)果顯示，稀土元素總量較高(∑REE=(171.8～220)×10-6，平均值為194.4×10-6)，顯示明顯的輕稀土富集(∑LREE=(131.2～171.2)×10-6，平均值為146.6×10-6)，重稀土平坦特征，輕重稀土分異明顯(LaN/YbN=5.56～10.11，平均值為8.833)。另外，沙松烏拉組稀土元素配分曲線顯示明顯的Eu負(fù)異常(δEu=0.58～0.71，平均值為0.635)，δCe無(wú)明顯異常(δCe=0.96～1.01，平均值為0.991)。

4 討論

4.1 巖石類型及源巖特征

巖石的地球化學(xué)特征可用于判斷巖石類型及恢復(fù)母巖性質(zhì)。巖石中SiO2/Al2O3比值指示石英、黏土礦物以及長(zhǎng)石類礦物成分的富集程度，Na2O/K2O比值可以反映其化學(xué)成熟度[15]，利用這2個(gè)參數(shù)形成的Log(Na2O/K2O)-Log(SiO2/Al2O3)圖解可判斷巖石類型，將沙松烏拉組地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行投圖(圖3)，顯示樣品均落入雜砂巖、巖屑砂巖區(qū)域內(nèi)，與巖相學(xué)研究結(jié)果基本一致。

圖3 主量元素地球化學(xué)劃分

通過(guò)La/Th-Hf判別圖解[16-17]對(duì)沙松烏拉組的源巖特征進(jìn)行了判別，結(jié)果顯示(圖4)：多數(shù)點(diǎn)落入長(zhǎng)英質(zhì)源附近，1個(gè)點(diǎn)落入增加古老沉積組分的范圍之中，說(shuō)明沙松烏拉組的源巖主要為長(zhǎng)英質(zhì)，并且在沉積過(guò)程中存在古老沉積組分的加入。

圖4 沙松烏拉組碎屑巖La/Th-Hf源巖判別圖解

OIA—大洋島?。籆IA—大陸島??；ACM—活動(dòng)大陸邊緣；PM—被動(dòng)大陸邊緣圖5 沙松烏拉組變質(zhì)碎屑巖主量元素的構(gòu)造背景判別圖解

4.2 物源區(qū)構(gòu)造背景

碎屑巖中的主量元素組成受到源區(qū)構(gòu)造背景的控制，不同構(gòu)造背景中的沉積巖有著主量元素的組成及特點(diǎn)，因此可利用主量元素特征對(duì)沙松烏拉組的源區(qū)構(gòu)造背景進(jìn)行恢復(fù)。Bhatia通過(guò)主量元素特征對(duì)物源區(qū)構(gòu)造背景進(jìn)行了深入研究[10,15]，并建立了Fe2O3+MgO-Al2O3/SiO2、Fe2O3+MgO-Na2O/K2O、Fe2O3+MgO-Al2O3/(Na2O+CaO)一系列判別圖解對(duì)大洋島弧、大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣4種構(gòu)造背景進(jìn)行判別。圖解顯示(圖5)：沙松烏拉組樣品多落入活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧區(qū)域內(nèi)，說(shuō)明沙松烏拉組物源區(qū)大地構(gòu)造背景主要為活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧。

微量元素特別是不活潑的微量元素在陸源碎屑中具有較大的穩(wěn)定性，即使經(jīng)歷風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積、成巖過(guò)程，微量元素依然可以在沉積物中保持穩(wěn)定，并且一些微量元素的比值不會(huì)發(fā)生明顯改變[14,18]，因此沉積物中微量元素的含量及組成能夠?qū)υ磶r的特征及源區(qū)大地構(gòu)造背景進(jìn)行有效示蹤[18]。對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的微量元素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了La-Th、Th-Zr判別圖解(圖6)分析得到，沙松烏拉組主要物源區(qū)的大地構(gòu)造背景為大陸島弧與活動(dòng)大陸邊緣/被動(dòng)陸緣。

OIA—大洋島?。籆IA—大陸島??；ACM—活動(dòng)大陸邊緣；PM—被動(dòng)大陸邊緣圖6 沙松烏拉組變質(zhì)碎屑巖微量元素大地構(gòu)造背景判別圖

稀土元素的分析結(jié)果(圖7)顯示：沙松烏拉組樣品的稀土元素配分模式均屬輕稀土富集，重稀土平坦型，說(shuō)明沙松烏拉組變質(zhì)碎屑巖物源區(qū)大體一致，沉積過(guò)程中無(wú)大的構(gòu)造事件影響。

1—樣品PM60-2-2；2—樣品PM60-7-1；3—樣品PM60-20 -1；4—樣品PM60-20-2圖7 沙松烏拉組變質(zhì)碎屑巖稀土元素配分模式圖 (球粒隕石數(shù)據(jù)自Taylor and Mclennan[14])

經(jīng)過(guò)與Bhatia[19]提出的不同沉積盆地構(gòu)造背景下雜砂巖的稀土元素特征(表4)相對(duì)比可見(jiàn)沙松烏拉組稀土元素特征多數(shù)介于大陸島弧與活動(dòng)陸緣之間，說(shuō)明沙松烏拉組主要物源區(qū)大地構(gòu)造背景應(yīng)為大陸島弧和活動(dòng)陸緣，少量參數(shù)(LREE/HREE)存在異常，可能是其他物源混入原因。

通過(guò)上述主量元素、微量元素及稀土元素地球化學(xué)特征的綜合判別，可以確定沙松烏拉組物質(zhì)來(lái)源區(qū)的構(gòu)造背景主要為大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣，少量物源來(lái)自被動(dòng)大陸邊緣。

4.3 對(duì)物質(zhì)來(lái)源的約束

沙松烏拉組的前期研究[7]表明，變質(zhì)碎屑巖的結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度均較低，指示其為近源堆積；將沙松烏拉組碎屑鋯石年齡與東昆侖及其北部鄰區(qū)地質(zhì)體年齡對(duì)比，推測(cè)其主要物源為小廟群、萬(wàn)寶溝群、晉寧期巖漿巖，次要物源為白沙河組。小廟群主要由石英巖、云母石英片巖、變粒巖等組成[20]，其原巖為泥質(zhì)巖、砂巖、雜砂巖或硅質(zhì)巖，夾拉斑玄武巖，形成背景為陸內(nèi)裂谷環(huán)境[21]；萬(wàn)寶溝群整體為一套溢流相的基性火山巖夾少量的碳酸鹽巖-硅質(zhì)巖、泥質(zhì)巖，形成環(huán)境為大洋島弧環(huán)境[22]；晉寧期大量中酸性巖漿巖是Rodina超大陸匯聚、裂解事件重要的物質(zhì)記錄[23]；白沙河組巖石類型主要為片麻巖、變粒巖、斜長(zhǎng)角閃巖、大理巖，夾有石英片巖、石英巖，原巖為泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖、黏土巖、碳酸鹽巖、基性火山巖，形成于大陸島弧或活動(dòng)大陸邊緣相關(guān)的構(gòu)造環(huán)境[21,24]。上述物源中，基性火山巖、碳酸鹽巖或大理巖中鋯石較少或缺乏，碎屑鋯石方法對(duì)這些物質(zhì)來(lái)源的示蹤具有一定的局限性，需通過(guò)地球化學(xué)手段進(jìn)行佐證。

小廟群的形成環(huán)境為陸內(nèi)裂谷環(huán)境，白沙河組的形成環(huán)境為大陸島弧或活動(dòng)大陸邊緣，與通過(guò)地球化學(xué)手段恢復(fù)的沙松烏拉組的物源區(qū)構(gòu)造背景一致；此外，通過(guò)源巖性質(zhì)判別圖解(圖4)，得到沙松烏拉組的源巖主要為長(zhǎng)英質(zhì)及部分古老沉積組分，小廟群、萬(wàn)寶溝群、白沙河組及晉寧期巖漿巖，均存在大量長(zhǎng)英質(zhì)巖石，與沙松烏拉組源巖性質(zhì)一致，白沙河組、小廟群中的變質(zhì)碎屑巖則代表古老沉積組。因此，通過(guò)地球化學(xué)研究得到沙松烏拉組的源區(qū)構(gòu)造背景及源巖性質(zhì)，佐證了前期對(duì)其物質(zhì)來(lái)源的判斷。

表4 沙松烏拉組與不同沉積盆地構(gòu)造背景下雜砂巖的REE特征對(duì)比

5 結(jié)論

(1)沙松烏拉組主要由一套淺變質(zhì)碎屑巖組成，巖石已發(fā)生褶皺、千枚巖化和劈理化，沉積構(gòu)造基本被破壞；顯微特征顯示其碎屑組分的結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度均較低，指示其為近源堆積產(chǎn)物。

(2)通過(guò)系列判別圖解，得到沙松烏拉組的巖石類型為雜砂巖、巖屑砂巖，源巖主要為長(zhǎng)英質(zhì)及部分古老沉積組分；得到物源區(qū)大地構(gòu)造環(huán)境主要為大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣，少量物源來(lái)自被動(dòng)大陸邊緣。

(3)將本次地球化學(xué)手段得到的沙松烏拉組的源區(qū)構(gòu)造背景及源巖性質(zhì)與前期通過(guò)碎屑鋯石法得到的幾個(gè)物源的形成環(huán)境及巖石性質(zhì)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)果較為吻合。因此，沙松烏拉組的地球化學(xué)特征佐證了其物源區(qū)的判斷。