大興安嶺中段索倫地區(qū)林西組巖石地球化學(xué)特征與沉積構(gòu)造環(huán)境

仲米山,呂東霖,王岐,張化南,敖光,吳子杰,5,楊運(yùn)來(lái),王藝龍,譚超

(1.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,吉林 長(zhǎng)春 130061;2.遼寧省地質(zhì)勘查院有限責(zé)任公司,遼寧 大連 116100；3.遼寧省地礦集團(tuán)能源地質(zhì)有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110013;4.遼寧省地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110032;5.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580)

0 引言

大興安嶺中段索倫地區(qū)位于中亞造山帶東段，興安地塊中南部，該區(qū)火山活動(dòng)強(qiáng)烈，火成巖的研究程度較高[1-5]，但沉積巖類(lèi)的報(bào)道較少。二疊系林西組分布廣泛，為索倫地區(qū)重要的沉積地層單元。近年來(lái)，前人已在林西官地地區(qū)的林西組中發(fā)現(xiàn)了烴源巖層[6-9]，但僅有李福來(lái)等[10]根據(jù)鹽度、氧化還原環(huán)境分析了索倫地區(qū)林西組的沉積相與沉積環(huán)境，尚未涉及古氣候變化與構(gòu)造環(huán)境。氣候和構(gòu)造環(huán)境是控制烴源巖發(fā)育狀況的重要因素，并影響著生烴母質(zhì)生物的生存環(huán)境和有機(jī)質(zhì)的保存條件[11-14]。通過(guò)對(duì)林西組開(kāi)展巖石地球化學(xué)分析，本文恢復(fù)了林西組沉積時(shí)期的古環(huán)境與古氣候，探討了其沉積期間大地構(gòu)造環(huán)境與烴源巖形成的關(guān)系，以期為該區(qū)的烴源巖勘查提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況及樣品特征

根據(jù)《內(nèi)蒙古自治區(qū)巖石地層》[15]的劃分方案，研究區(qū)的晚古生代地層屬北疆—興安地層大區(qū)，興安地層區(qū)，東烏—呼瑪?shù)貙臃謪^(qū)；中生代與新生代地層屬濱太平洋地層區(qū)，大興安嶺—燕山地層分區(qū)，博克圖—二連浩特地層小區(qū)[15](圖1(a))。區(qū)內(nèi)的晚古生代和新生代地層共劃分為5個(gè)組級(jí)單位：二疊系上統(tǒng)林西組為一套淺變質(zhì)沉積碎屑巖；侏羅系上統(tǒng)滿克頭鄂博組為一套爆發(fā)間溢流相的酸性火山巖系；上侏羅統(tǒng)瑪尼吐組以發(fā)育安山質(zhì)火山巖為特征；下白堊統(tǒng)白音高老組主要為流紋質(zhì)火山碎屑巖；下更新統(tǒng)西口組不整合覆于老地層及白堊紀(jì)侵入巖之上，巖性組合主要為輝石玄武安山巖與氣孔狀輝石玄武安山巖。區(qū)內(nèi)侵入巖十分發(fā)育，包括晚石炭世中細(xì)粒正長(zhǎng)花崗巖和早白堊世細(xì)粒石英二長(zhǎng)閃長(zhǎng)巖、中細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖、細(xì)粒正長(zhǎng)花崗巖、中細(xì)粒正長(zhǎng)花崗巖及中細(xì)粒石英堿長(zhǎng)正長(zhǎng)巖6個(gè)侵入序列(圖1(b))。區(qū)內(nèi)構(gòu)造主要以NE向和NW向斷裂為主，其中晚期的NW向斷裂將早期斷裂及地層界線錯(cuò)斷，褶皺構(gòu)造不發(fā)育。

圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置(a)及地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b)Fig.1 Geotectonic location and geological sketch map of the study area

二疊系上統(tǒng)林西組是區(qū)內(nèi)出露最古老的地層，大致沿NNE向呈條帶狀展布于研究區(qū)東部(圖1)。下部巖性主要以變質(zhì)中細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖為主，夾含碳絹云泥質(zhì)板巖，底部泥質(zhì)板巖中碳質(zhì)含量較高，為可能的烴源巖層位；上部巖性主要為絹云泥質(zhì)板巖、絹云粉砂質(zhì)板巖夾少量中細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖等。林西組原巖為泥質(zhì)巖、粉砂質(zhì)泥巖及長(zhǎng)石雜砂巖等，該組多被中生代地層不整合覆蓋，未見(jiàn)頂?shù)?，疊置厚度為567～2 914 m(圖2)。

本研究共采集7件林西組樣品，采樣位置如圖1(b)和圖2所示。樣品巖性主要為含碳絹云泥質(zhì)板巖(圖3(a))、含碳絹云粉砂質(zhì)板巖(圖3(b))和變質(zhì)細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖(圖3(c))，巖石普遍受到區(qū)域淺變質(zhì)作用，發(fā)育變余泥質(zhì)、粉砂質(zhì)、砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，板狀構(gòu)造，斜長(zhǎng)石絹云母化，石英可見(jiàn)波狀消光。原巖由泥質(zhì)碎屑、粉砂質(zhì)碎屑及砂質(zhì)碎屑組成，總體以細(xì)碎屑為主，指示沉積環(huán)境較穩(wěn)定。碳質(zhì)在巖石中不均勻分布或沿板理分布，有機(jī)質(zhì)含量較高。

圖2 林西組實(shí)測(cè)剖面圖及樣品位置Fig.2 Measured profiles and sample location of Linxi Formation

(a)含碳絹云泥質(zhì)板巖 (b)含碳絹云粉砂質(zhì)板巖 (c)變質(zhì)細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖圖3 林西組變質(zhì)巖顯微照片F(xiàn)ig.3 Micrographs of metamorphism rocks in Linxi Formation

2 分析方法及測(cè)試結(jié)果

2.1 分析方法

樣品粉碎和測(cè)試工作由河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成。采用X射線熒光光譜儀進(jìn)行主量元素測(cè)定;采用三酸一水溶礦法,運(yùn)用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀ICP-MS(X Serise2)進(jìn)行微量元素和稀土元素測(cè)定，化學(xué)溶解方法和微量元素含量分析過(guò)程參考Ren等[16]。使用標(biāo)準(zhǔn)樣品AGV-1、BCR-2、BHVO-2與G-2監(jiān)測(cè)溶樣和分析過(guò)程，測(cè)試結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差<5%。

2.2 主量元素

樣品的主量元素含量見(jiàn)表1，其中K2O/ Al2O3值為0.14～0.20，平均值0.16，表明原巖中堿性長(zhǎng)石含量較少；K2O/Na2O值為0.58～2.01，平均值1.02，表明樣品中鉀與鈉的含量相似；MgO/Al2O3值為0.06～0.17，平均值0.11，表明碎屑巖中海水組分和陸源組分離散程度較小，沉積-構(gòu)造環(huán)境較為穩(wěn)定，有利于生物生長(zhǎng)和烴源巖形成；ICV值為0.56～0.83，平均值0.65，小于1的ICV值表明其成分成熟度較高，含較多黏土礦物，可能經(jīng)歷了強(qiáng)烈風(fēng)化后的再沉積作用[17]；CIA值為67.72～76.26，平均值72.41，說(shuō)明物源區(qū)經(jīng)歷了中等化學(xué)風(fēng)化作用[18]。

表1 林西組主量元素含量及特征參數(shù)Tab.1 Cotent and characteristic parameters of major elements in Linxi Formation

2.3 微量元素與稀土元素

研究區(qū)林西組微量元素、稀土元素含量及特征參數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)表2，微量元素蛛網(wǎng)圖上曲線明顯向右傾斜(圖4)，顯示出大離子親石元素相對(duì)富集、高場(chǎng)強(qiáng)元素相對(duì)虧損的特點(diǎn)，其中Sr、Nb、P、Ti相對(duì)虧損，Rb、K、La、Ce相對(duì)富集。林西組的原巖是以黏土質(zhì)為主的細(xì)碎屑巖，Sr受斜長(zhǎng)石約束，隨著斜長(zhǎng)石風(fēng)化分解為黏土礦物而流失，Ti可能受鈦鐵礦控制，P主要受磷灰石控制，Ti和P虧損指示原巖的鈦鐵礦和磷灰石含量較低。Th、Ce、Zr、Sm、La為不活潑元素，它們的相對(duì)富集可能與原巖富含這些元素有關(guān)。

林西組稀土元素配分曲線見(jiàn)圖4。通常認(rèn)為REE作為最不易溶解的微量元素，在低級(jí)變質(zhì)作用、風(fēng)化作用和熱液蝕變作用中可以保持相對(duì)的不活潑性，因此變質(zhì)作用和熱液活動(dòng)對(duì)巖石的ΣREE沒(méi)有顯著影響。研究區(qū)樣品中ΣREE的平均值(183.41)比陸殼平均含量(167.6)略高，可能是由于原巖中含有較多的黏土成分。稀土配分曲線右傾，均屬輕稀土富集型，重稀土相對(duì)虧損，表現(xiàn)出負(fù)Eu異常。

表2 林西組微量元素與稀土元素含量及特征參數(shù)Tab.2 Cotent and characteristic parameters of trace elements and REE in Linxi Formation

圖4 林西組微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(左)及稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式(右)[19-20]Fig.4 Primitive mantle-normalized trace element spider diagram(left) and Chondrite-normalized REE pattern diagram(right) of Linxi Formation[19-20]

3 討論

3.1 沉積環(huán)境及古氣候

微量元素含量作為分析沉積盆地古環(huán)境的重要信息被廣泛應(yīng)用[19-28]，其中Sr、Li、Ga 含量可指示水體鹽度的變化，Sr含量(800～1 000)×10-6、Li含量>150 ×10-6、Ga含量<8 ×10-6，指示海相(鹽水)沉積環(huán)境；Sr含量(100～500)×10-6、Li含量<90 ×10-6、Ga含量>17 ×10-6，指示陸相(淡水)沉積環(huán)境[24]。研究區(qū)除樣品MP16Y17外，Sr含量均小于500×10-6，Li 含量小于90×10-6；除樣品MP16Y1外，其他樣品Ga含量均高于17×10-6。研究區(qū)Sr、Li、Ga含量指示林西組總體為淡水—微咸水沉積環(huán)境。

Sr/Ba 值可作為水體鹽度的判別指標(biāo)，當(dāng)Sr/Ba值>1.0指示海相環(huán)境，Sr/Ba 值<0.6指示陸相環(huán)境，處于0.6～1.0之間為半咸水環(huán)境[25]。研究區(qū)除樣品MP16Y17的Sr/Ba 值為0.85，其他樣品均小于0.6，說(shuō)明林西組沉積時(shí)主要為陸相(淡水)環(huán)境，僅局部為半咸水環(huán)境。林西組的古水體鹽度分析顯示其環(huán)境適宜動(dòng)植物生長(zhǎng)，具有形成烴源巖的物質(zhì)條件。

V/(V + Ni) 值可用來(lái)判斷沉積物沉積時(shí)的氧化還原環(huán)境[26]。V/(V + Ni) 值>0.46指示還原環(huán)境，反之指示氧化環(huán)境。研究區(qū)林西組樣品的V/(V + Ni)值均大于0.46，說(shuō)明林西組沉積于還原環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的保存。

Sr/Cu 值可反映沉積物沉積時(shí)的古氣候[27]。Sr為喜干型元素，Cu為喜濕型元素，Sr/Cu 值小于10代表濕潤(rùn)氣候，反之代表干熱氣候。除樣品MP16Y17的Sr/Cu值為18.21，其他樣品均小于10，指示林西組沉積時(shí)總體為溫濕氣候，是藻類(lèi)及動(dòng)植物生長(zhǎng)的有利條件。

3.2 大地構(gòu)造環(huán)境

沉積建造中巖石的地球化學(xué)組分主要受物源區(qū)碎屑巖控制，且與構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān)，因此通過(guò)分析沉積巖的化學(xué)成分不僅可以確定原巖性質(zhì)，還可以恢復(fù)沉積盆地的構(gòu)造演化歷史。

Jewell等[20]提出使用Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值指示沉積巖沉積期間的大地構(gòu)造環(huán)境，比值介于0.1～0.4指示洋脊海嶺環(huán)境，介于0.4～0.7指示遠(yuǎn)洋深海環(huán)境，介于0.7～0.9指示大陸邊緣環(huán)境，研究區(qū)林西組Al2O3/(Al2O3+Fe2O3)值為0.83～0.94，平均值0.9，指示林西組可能沉積于大陸邊緣環(huán)境。

研究區(qū)樣品的K2O/Na2O- SiO2投圖顯示多數(shù)點(diǎn)落于活動(dòng)大陸邊緣(圖5)[29]。Bhatia等[30]指出從大洋島弧到大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣以及被動(dòng)大陸邊緣，La、Ce、∑REE及La/Yb值、(La/Yb)N值增加，δEu降低。從表4可以看出，研究區(qū)林西組沉積期間整體處于活動(dòng)大陸邊緣與大陸島弧之間。

扎魯特地區(qū)和松遼盆地外圍的地表露頭和鉆孔巖心資料顯示，林西組物源區(qū)的構(gòu)造背景主要為

圖5 林西組K2O/Na2O- SiO2圖解[29]Fig.5 Diagram of K2O/Na2O-SiO2 in Linxi Formation[29]

表4 林西組原巖形成的構(gòu)造環(huán)境判別[21]Tab.4 The structural environmental discrimination of the original rock Formation in Linxi Formation [21]

活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧，前人推測(cè)為形成于靠近大陸島弧的活動(dòng)大陸邊緣，沉積環(huán)境由海陸過(guò)渡相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴?，水體由半咸水逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榈甗31-35]，這與本研究的結(jié)果基本一致，說(shuō)明從內(nèi)蒙古中東部至齊齊哈爾一帶，林西組沉積環(huán)境基本穩(wěn)定，均形成于靠近大陸島弧的活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境。

4 結(jié)論

(1)主量元素含量及比值顯示研究區(qū)林西組沉積-構(gòu)造環(huán)境較穩(wěn)定，可能經(jīng)歷了中等—較強(qiáng)風(fēng)化后的再沉積作用。

(2)微量元素含量及比值顯示研究區(qū)林西組總體為淡水—微咸水的還原環(huán)境，氣候溫濕,適合生物活動(dòng)并有利于有機(jī)質(zhì)的保存。

(3)研究區(qū)林西組的巖石地球化學(xué)特征顯示其位于靠近大陸島弧的活動(dòng)大陸邊緣，為古亞洲洋閉合演化的一部分，在華北板塊與西伯利亞板塊南北向閉合擠壓運(yùn)動(dòng)的作用下，陸殼抬升，古環(huán)境由早期弧后盆地的海陸過(guò)渡相半咸水環(huán)境向陸相的淡水環(huán)境演化，有利于有機(jī)質(zhì)的富集和保存，是尋找烴源巖的有利層位。

致謝：感謝中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的項(xiàng)目資助，感謝項(xiàng)目組其他同事在項(xiàng)目野外工作中給予的幫助，感謝論文審稿人對(duì)論文提出的建設(shè)性修改意見(jiàn)。