南祁連山野牛脊地區(qū)鹽池灣組碎屑巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

[摘要]南祁連山野牛脊一帶出露的奧陶系鹽池灣組為一套碎屑巖組合，對(duì)其物源區(qū)性質(zhì)、構(gòu)造背景研究可以為南祁連南部弧后前陸盆地的演化提供良好的指示作用。對(duì)該套地層進(jìn)行巖石學(xué)、地球化學(xué)特征研究，結(jié)果表明奧陶系鹽池灣組碎屑巖富SiO2、Na2O、CaO、K2O，貧TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO；富Ba、Th、U、Zr、Hf、Sc，貧Rb、Nb、Sr、Ti；稀土元素中總量為142.93×10-6～252.67×10-6，輕重稀土元素分餾程度高，輕稀土元素相對(duì)富集，具負(fù)的Eu異常。各類(lèi)判別圖解顯示物源區(qū)為酸性火山巖區(qū)，物質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主，物源區(qū)具有大陸島弧-活動(dòng)大陸邊緣轉(zhuǎn)化的特征。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化歷史，認(rèn)為該地層是黨河南山-拉脊山、柴北緣洋盆雙向俯沖消減背景下沉積的產(chǎn)物，物源區(qū)可能為南祁連巖漿弧帶。

[關(guān)鍵詞]奧陶系；鹽池灣組；地球化學(xué)特征；構(gòu)造背景；南祁連巖漿弧帶

研究區(qū)屬于南祁連陸塊的南祁連南部弧后前陸盆地，南以宗務(wù)隆山斷裂、南祁連山山前斷裂帶與宗務(wù)隆山—青海南山裂陷槽分野，北以中祁連南緣斷裂與野馬南山—化隆巖漿弧帶分隔[1]。奧陶系鹽池灣組主要分布于南祁連南部弧后前陸盆地南祁連巖漿弧帶，前人對(duì)該地層沉積學(xué)研究較多[2-3]，但地球化學(xué)特征研究相對(duì)較少，因此筆者選取南祁連巖漿弧帶奧陶系鹽池灣組為研究對(duì)象，分析其沉積地球化學(xué)特征，進(jìn)一步探討了劍門(mén)關(guān)組物源區(qū)性質(zhì)、構(gòu)造背景。

1.地質(zhì)背景

祁連造山帶地處青藏高原東北緣，隸屬于秦-祁-昆中央造山系中段，北以阿拉善南緣斷裂與阿拉善地塊相連，南以柴北緣造山帶與柴達(dá)木地塊相接，西被阿爾金走滑斷裂所截，向東延入秦嶺造山帶[4-5]。

研究區(qū)地處祁連山造山帶南西緣，大地構(gòu)造位置屬西域板塊（Ⅲ）南祁連陸塊（Ⅲ4）的南祁連南部弧后前陸盆地（Ⅲ4-2）（圖1-1（a）[6]）。區(qū)域地層出露以早古生代淺海相—河流相碎屑巖、火山碎屑巖及晚古生代-中生代復(fù)理石碎屑巖地層為主，加里東期中—酸性巖漿侵入活動(dòng)較強(qiáng)，北西西向?qū)掗煆?fù)式向斜構(gòu)造及同褶皺期的北西西向斷裂帶發(fā)育。

鹽池灣組分布于研究區(qū)北部野牛脊山南、中部伊克達(dá)坂和南部烏別勒真吐-烏珠爾哈德等地，呈北西西或近東西向展布，與區(qū)域主構(gòu)造線基本一致，未見(jiàn)底。鹽池灣組為一套淺變質(zhì)粗碎屑巖建造，下部為灰色夾灰綠色中-厚層狀變質(zhì)石英粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖為主，夾少量變石英細(xì)砂巖、石英千枚巖。上部以褐灰、灰-深灰及灰綠色等雜色中厚層、塊狀變質(zhì)中粗粒、中細(xì)粒長(zhǎng)石巖屑砂巖、變質(zhì)含礫長(zhǎng)石巖屑砂夾同色粉砂巖、含礫粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖、砂質(zhì)板巖、絹云板巖或不等厚互層，其與上覆上奧陶統(tǒng)多索曲組成整合接觸或斷層接觸。局部地段其頂部與上覆二疊系呈角度不整合接觸（圖1）。

2.樣品采集與分析

7件樣品均采自上奧陶統(tǒng)鹽池灣組實(shí)測(cè)剖面，巖性均為碎屑巖。樣品新鮮，未發(fā)生明顯礦化、蝕變，或次生風(fēng)化作用。在室內(nèi)將所采集樣品細(xì)碎至0.071mm（200目），主量元素采用X熒光光譜儀分析，微量元素采用等離子發(fā)射光譜儀分析，其均由武漢綜合巖礦測(cè)試中心完成，精度滿足要求。

3.地球化學(xué)特征

3.1主量元素

測(cè)區(qū)7件樣品主要元素分析結(jié)果見(jiàn)表1。研究區(qū)鹽池灣組碎屑巖中SiO2含量在63.26%～71.36%之間，平均值為69.07%，Al2O3含量在12.66%～12.79%之間，平均值為13.93%。這與富含長(zhǎng)石、云母、粘土類(lèi)礦物有關(guān)。與澳大利亞后太古代頁(yè)巖（PAAS）[7]相比，發(fā)現(xiàn)研究區(qū)碎屑巖主量元素富SiO2、Na2O、CaO、K2O，貧TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO，而P2O5、MnO與其含量基本相當(dāng)。

3.2微量元素

研究區(qū)鹽池灣組碎屑巖微量元素含量及特征值見(jiàn)表2，與大陸上地殼微量元素含量相比，研究區(qū)鹽池灣組鐵族碎屑巖元素V低于上地殼豐度值，Cr與上地殼豐度值相當(dāng)，Zr高于上地殼豐度值，放射性元素Th、U均略高于上地殼豐度值。Th，U均略低于上地殼含量。微量元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖曲線呈“M”型緩右傾（圖2），大多數(shù)樣品微量元素含量及變化趨勢(shì)近乎一致。碎屑巖主體表現(xiàn)為富Ba、Th、U、Zr、Hf、Sc，貧Rb、Nb、Sr、Ti。

3.3稀土元素

研究區(qū)鹽池灣組碎屑巖中稀土元素分析結(jié)果如表3。

研究區(qū)鹽池灣組碎屑巖稀土元素分析結(jié)果（表3）：該組碎屑巖稀土總量變化范圍為142.93×10-6～252.67×10-6，ΣREE平均值為210.12×10-6，LREE/HREE變化范圍為6.05～11.31、平均值9.38，遠(yuǎn)大于1，輕重稀土元素分餾程度高，輕稀土元素相對(duì)富集。球粒隕石稀土元配分曲線（圖2）弱右傾，輕、重稀土元素曲線特征稍有差別。（La/Sm）N=2.78～4.39，平均值3.91，遠(yuǎn)大于1，說(shuō)明輕稀土元素較富集，且輕稀土元素分餾程度較低。（Ta/Yb）N=0.98～1.52，平均值1.24（>1），說(shuō)明重稀土元素分餾程度低。（La/Yb）N比值變化范圍在4.86～12.62之間、平均9.50，δEu平均值為0.65，弱的負(fù)Eu異常，δCe平均值0.98，Ce基本無(wú)異常。研究區(qū)碎屑巖具有相似的稀土元素配分模式，曲線近于平行，說(shuō)明沉積物可能來(lái)自同一物源區(qū)。

4.討論

4.1物源區(qū)性質(zhì)

4.1.1主量元素的指示

K2O/AL2O3值也可以用來(lái)確定細(xì)碎屑巖源區(qū)巖石的成分，黏土礦物和長(zhǎng)石的K2O/AL2O3值就存在明顯的差別。在堿性長(zhǎng)石中，K2O/AL2O3值為0.4～1，在伊利石中大約為0.3，在其他黏土礦物中則接近于0[9-10]。研究區(qū)碎屑巖K2O/AL2O3值在0.14～0.35之間，平均值為0.25，小于0.4，說(shuō)明母巖堿性長(zhǎng)石較少。

Girty等[11]認(rèn)為，沉積物AL2O3/TiO3值小于14時(shí)，沉積物物源可能來(lái)源鐵鎂質(zhì)巖石，而AL2O3/TiO3值在20～30之間時(shí)，物源可能來(lái)自于安山質(zhì)和流紋質(zhì)（或者花崗閃長(zhǎng)質(zhì)和英云閃長(zhǎng)質(zhì)）巖石。研究區(qū)細(xì)碎屑巖樣品的AL2O3/TiO3值都在25～33.65之間，平均值為29.02，表明其物源主要為長(zhǎng)英質(zhì)巖石，而非鎂鐵質(zhì)巖石。

4.1.2微量元素的指示

微量元素Sc、Th能區(qū)分碎屑巖中長(zhǎng)英質(zhì)、鐵鎂質(zhì)來(lái)源的成分[12-13]，Taylor等[13]的研究表明，Th/Sc比值是最適合判斷物源區(qū)性質(zhì)的指標(biāo)的之一。研究區(qū)鹽池灣組碎屑巖TH/Sc比值變化范圍為0.65～1.13之間，平均值為0.88，其小于上地殼平均值，表明鹽池灣組源區(qū)物質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主。微量元素Cr/Zr值能反映鎂鐵質(zhì)和長(zhǎng)英質(zhì)對(duì)沉積巖的貢獻(xiàn)[14]。研究區(qū)鹽池灣組Cr/Zr值范圍為0.02～0.11，平均值0.06，均<1，表明物源區(qū)物質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主。

4.1.3稀土元素的指示

稀土元素是沉積過(guò)程中最穩(wěn)定的元素，可有效判別碎屑沉積巖源區(qū)成分特征。[15-16]

研究區(qū)鹽池灣組碎屑巖在La/Yb-∑REE（圖3）圖解投影點(diǎn)大部分投在花崗巖區(qū)與沉積巖交界處，且與PASS值相鄰。在Hf-La/Th（圖4）圖解中，研究區(qū)鹽池灣組投影點(diǎn)落于長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合物源區(qū)及附近，且有酸性島弧物源向被動(dòng)大陸邊緣物源演化的趨勢(shì)。銪元素異常（δEu）也是反映沉積體系內(nèi)地球化學(xué)狀態(tài)的靈敏指標(biāo)，可以作為鑒別物質(zhì)來(lái)源的重要參數(shù)[18]。趙振華等[19]對(duì)各種巖類(lèi)的Eu異常做了總結(jié)：花崗巖多為Eu負(fù)異常（δEu<0.9），中性斜長(zhǎng)巖一般具Eu正異常（1.01<δEu<2.33），玄武巖大多數(shù)沒(méi)有異常（0.90<δEu<1.0），其中具有負(fù)異常的樣品多來(lái)自酸性火成巖。研究區(qū)鹽池灣組砂巖δEu為弱的負(fù)異常，在0.51～0.80變化，平均值為0.65，說(shuō)明其形成沉積物中的碎屑源巖多為酸性火山巖類(lèi)。

綜上可得，研究區(qū)鹽池灣組碎屑巖源自上地殼，物源區(qū)為酸性火山巖區(qū)，物質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主。

4.2物源區(qū)構(gòu)造背景

4.2.1主量元素構(gòu)造環(huán)境判別

運(yùn)用碎屑巖中的SiO2、K2O、Na2O、TiO2、A12O3等主量元素的比值及相關(guān)性可將沉積盆地的構(gòu)造環(huán)境分為大洋島弧、大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣、被動(dòng)大陸邊緣等4種類(lèi)型[21-24]。在Al2O3/（Ca2O+Na2O）-Fe2O3總+MgO構(gòu)造環(huán)境判別圖中投影點(diǎn)主要落于活動(dòng)大陸邊緣，K2O/Na2O-Fe2O3總+MgO構(gòu)造環(huán)境判別圖、TiO2-Fe2O3總+MgO構(gòu)造環(huán)境判別圖中投影點(diǎn)在活動(dòng)大陸邊緣及大陸島弧均有分布，綜上，研究區(qū)鹽池灣組碎屑巖源區(qū)的構(gòu)造環(huán)境主要為大陸島弧-活動(dòng)大陸邊緣。

4.2.2微量元素構(gòu)造環(huán)境判別

微量元素對(duì)構(gòu)造背景的判別，主要是運(yùn)用沉積巖中La，Th，Sc，Co，Zr，U，Hf等元素的比值或相關(guān)性可判別構(gòu)造環(huán)境[25]。因?yàn)椴煌瑯?gòu)造位置砂巖的微量元素豐度和比值是不同的。當(dāng)La/Th為（6.7±2.0），Hf含量約為2×10-6時(shí)，為大洋島弧構(gòu)造背景；當(dāng)La/Th約為4.5，Hf含量為4×10-6～5×10-6時(shí)，為大陸島弧構(gòu)造背景；當(dāng)La/Th約為2.6，Hf含量一般大于5×10-6時(shí)，為活動(dòng)大陸邊緣或被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造背景。

根據(jù)以上的判別方法，對(duì)研究區(qū)樣品在La-Th-Sc、Sc-Th-Zr/10（圖6），為大陸島弧-活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造背景；研究區(qū)樣品的La/Th值3.3×10-6～5.1×10-6，Hf含量在4.9×10-6～10.2×10-6，說(shuō)明本次研究的物源區(qū)也具有活動(dòng)大陸邊緣的背景。

4.2.3地質(zhì)意義

以上主量、微量元素物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境判別結(jié)果表明，研究區(qū)鹽池灣組物源區(qū)為大陸島弧-活動(dòng)邊緣構(gòu)造環(huán)境。綜合前人研究結(jié)果，研究區(qū)所在南祁連巖漿弧帶組成演化經(jīng)歷了古元古代結(jié)晶基底、早奧陶世-志留紀(jì)火山-巖漿弧、石炭紀(jì)-新生代火山-巖漿弧、中生代海陸交互相碎屑巖-碳酸鹽巖沉積、新生代斷陷盆地河湖相沉積。南祁連巖漿弧帶在早奧陶世開(kāi)始，受南北兩側(cè)（黨河南山-拉脊山、柴北緣）洋盆雙向俯沖消減作用的制約，在南祁連地塊的南北兩側(cè)邊緣地區(qū)由早期被動(dòng)邊緣轉(zhuǎn)化為活動(dòng)邊緣盆地，發(fā)育了以中基性-中酸性系列火山巖為標(biāo)志的火山-巖漿弧。在早奧陶世洋盆進(jìn)一步擴(kuò)張，區(qū)內(nèi)及鄰區(qū)形成中晚奧陶世鹽池灣組復(fù)理石碎屑巖建造，晚奧陶世開(kāi)始出現(xiàn)俯沖消減，形成由北而南的奧陶系島弧火山巖組合。研究區(qū)鹽池灣組碎屑巖地球化學(xué)特征研究進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論。其可能的物源區(qū)為南祁連山巖漿弧帶。

5.結(jié)論

（1）鹽池灣組物源相對(duì)單一，物源區(qū)為酸性火山巖區(qū)，物質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主。

（2）地球化學(xué)顯示，南祁連山野牛脊鹽池灣組碎屑巖物源區(qū)構(gòu)造背景復(fù)雜，具有大陸島弧-活動(dòng)大陸邊緣轉(zhuǎn)化的過(guò)程。

（3）結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化歷史，認(rèn)為可能的物源區(qū)為南祁連山巖漿弧帶。

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