川東北緣二疊系哲斯組和林西組砂巖物源區(qū)及其古構造環(huán)境

川東北緣二疊系哲斯組和林西組砂巖物源區(qū)及其古構造環(huán)境

0構造-沉積條件大興安嶺南部位于中亞造山帶東段，與華北板塊和西伯利亞板塊相連（國內(nèi)文獻稱之為“興蒙造山帶”）。自晚古生代以來，它經(jīng)歷了古代亞洲海洋的減少，即華北板塊和西伯利亞板塊的陸地邊界形成并擴散的進化歷史。中生代以來，它一直受到太平洋板塊活動的強烈變化和重疊，成為地學界的研究熱點。近年來,眾多地質(zhì)學家對興蒙造山帶的構造演化進行了深入研究,并在該區(qū)域內(nèi)先后發(fā)現(xiàn)了多條蛇綠巖、藍片巖帶以及與板塊俯沖、碰撞有關的火山-深成巖。一致認為,興蒙造山帶應為眾多輾轉(zhuǎn)游弋于西伯利亞和華北2個古大陸板塊之間的微板塊(或地塊)不斷碰撞拼貼的產(chǎn)物。然而各微板塊的相繼拼合,最終導致華北板塊與西伯利亞板塊閉合是一個極為復雜的演化過程,一直是存在爭議的焦點問題。目前,大多數(shù)地質(zhì)學家均是通過對與板塊俯沖、碰撞相關的構造巖的地球化學以及年代學的研究來探討兩大板塊的構造演化特征,并給予了相應的演化模式。在造山帶前陸盆地、山間盆地的沉積建造中,物源區(qū)母巖經(jīng)過風化、剝蝕、搬運、成巖作用一系列物理、化學過程中,一些不穩(wěn)定成分雖然遭到破壞,但碎屑巖的地球化學成分仍然主要受物源區(qū)控制,從而使得其地球化學特征同樣也為判別其母巖區(qū)的巖性特征、大地構造環(huán)境及演化過程等問題提供了有力證據(jù)。研究區(qū)克什克騰旗、林西和索倫3個地區(qū)位于大興安嶺中南段、賀根山縫合帶與西拉木倫河縫合帶之間,晚古生代二疊紀地層在區(qū)內(nèi)較為發(fā)育,是研究華北和西伯利亞兩大板塊晚古生代構造演化的典型區(qū)域。筆者通過對研究區(qū)二疊紀砂巖主量元素地球化學特征的研究,判別其物源區(qū)的構造環(huán)境,以便探討中亞造山帶東段構造演化過程。1以德物群及沉積序列為組成成分的地層分類及采樣位置研究區(qū)克什克騰旗(克旗)、林西、索倫地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部草原區(qū)、大興安嶺中南段,構造單元屬性上處于賀根山縫合帶的南側(cè),西拉木倫河縫合帶的北側(cè)(圖1)。研究區(qū)內(nèi)晚古生代二疊紀、中生代侏羅紀地層、白堊紀火山碎屑巖及火山熔巖廣泛出露,地質(zhì)構造復雜,并蘊含豐富的礦產(chǎn)資源(煤、金、銅、鉛及石油等)。二疊紀地層整體呈寬緩褶皺出露,褶皺軸向NE,發(fā)育的地層由老至新依次為:大石寨組(P1ds)、哲斯組(P2z)、林西組(P3l)。下二疊統(tǒng)大石寨組主要為一套海相火山巖,由下至上形成一套火山噴發(fā)-沉積韻律,向上熔巖比例逐漸減少,碎屑巖、碳酸鹽巖組分增多,總體顯示火山作用由強變?nèi)醯奶卣?中二疊統(tǒng)哲斯組為一套典型的海相沉積,其下段為灰?guī)r,中段發(fā)育砂頁巖夾灰?guī)r,而上段為砂礫巖夾灰?guī)r,盛產(chǎn)著名的哲斯動物群化石,與下伏大石寨組呈角度不整合接觸。哲斯組沉積序列反映了完整的海侵、海退環(huán)境,中段為最大海侵期沉積,上、下段分別為海侵初期和海退期產(chǎn)物。上二疊統(tǒng)林西組為一套泥巖、砂巖、含礫砂巖、礫巖夾灰?guī)r,局部夾火山碎屑巖,以殘留海灣相-瀉湖相泥砂質(zhì)為主的碎屑建造,多以整合形式覆蓋于哲斯組之上,局部呈低角度不整合接觸。林西組沉積序列反映了沉積環(huán)境由水體較深向淺水相轉(zhuǎn)變,海盆范圍逐漸萎縮,且具有內(nèi)陸海的特點。哲斯組與林西組野外出露面積較廣,且連續(xù)性較好,尤其以索倫、克旗及林西地區(qū)最為典型。用于主量元素地球化學分析的中、晚二疊統(tǒng)哲斯組及林西組的砂巖樣品采自于克旗、林西及索倫地區(qū)3個典型的剖面。具體的采樣位置及采樣層位為:克旗地區(qū)哲斯組砂巖樣品位于克什克騰旗西側(cè)(43°13.9′N,117°14.1′E);林西地區(qū)林西組位于林西縣南(43°32.5′N,118°03.4′E);索倫地區(qū)哲斯組位于索倫鎮(zhèn)南好仁村(46°31.1′N,121°24.2′E);索倫地區(qū)林西組位于索倫鎮(zhèn)北山地區(qū)(46°37.9′N,121°14.9′E)(圖2,3)。樣品共計32塊。2砂巖巖相學特征2.1巖屑及副礦物組成克旗地區(qū)哲斯組砂巖均為中、細粒碎屑結(jié)構,多數(shù)樣品分選中等或較差,磨圓度一般,多以次棱角狀、次圓狀為主。碎屑成分主要由石英(35%～55%)、長石(5%～20%)、巖屑(20%～35%)及少量白云母(<5%)和副礦物組成(圖4a)。其中:石英以單晶石英為主(>75%);長石高嶺土化及絹云母化明顯;巖屑以火山巖屑為主(>75%);副礦物主要以磁鐵礦、褐鐵礦為主,并含少量輝石、榍石、鋯石等。索倫鎮(zhèn)好仁地區(qū)哲斯組砂巖同樣多為中、細粒碎屑結(jié)構,顆粒分選中等,磨圓度一般。碎屑顆粒由巖屑(40%～45%)、長石(20%～30%)、石英(20%～30%)及少量白云母構成(圖4b)。其中:巖屑以火山巖巖屑為主,并含有少量沉積巖巖屑;長石以斜長石為主;石英主要為單晶石英。2.2砂巖特征及巖屑特征林西地區(qū)林西組砂巖均為中、細粒碎屑結(jié)構,顆粒分選較差,磨圓較差,多為棱角狀,由石英(30%～40%)、長石(10%～20%)、巖屑(25%～45%)及少量白云母(<3%)組成(圖4c)。石英顆粒中多晶石英<10%,長石多為斜長石。巖屑以火山巖屑和沉積巖屑為主。與林西地區(qū)相似,索倫北山林西組砂巖礦物顆粒組成以石英(25%～45%)、巖屑(20%～35%)、長石(15%～30%)為主,含少量云母,方解石和黏土礦物(圖4d)。石英以單晶石英為主,含少量多晶石英;巖屑以火山巖屑為主,少量沉積巖屑;長石多見斜長石聚片雙晶特征,表面多呈絹云母化。林西組與哲斯組整體反映了成分成熟度低,物源區(qū)相對不穩(wěn)定,具快速剝蝕、快速搬運的特點;其含有大量的火山巖巖屑,反映源區(qū)應為巖漿弧物源;野外露頭觀察顯示,哲斯組整體巖性以泥巖為主,夾數(shù)層砂巖,整體反映其沉積水體較深,為還原環(huán)境;林西組內(nèi)砂巖增多,且粒度變粗,常見有礫石出現(xiàn),反映了水體變淺的過程。3x-射線熒光光譜法xrf樣品的主量元素地球化學分析在西北大學大陸動力學國家重點實驗室完成,采用玻璃熔片大型X射線熒光光譜法(XRF),分析過程使用BCR-2和GBW07105標樣進行校正,主要元素分析精度和準確度優(yōu)于5%。林西、克旗及索倫地區(qū)二疊系哲斯組及林西組砂巖樣品的主量元素地球化學分析數(shù)據(jù)見表1。3.1主量地球化學特征砂巖氧化物質(zhì)量分數(shù)分析表明,中二疊統(tǒng)哲斯組砂巖中SiO2質(zhì)量分數(shù)較高,為67.54%～75.96%,平均值為71.55%;Al2O3次之,為11.42%～16.58%,平均值為14.02%;Fe2O3為1.32%～5.21%,平均值為3.19%。而上二疊統(tǒng)林西組砂巖中SiO2質(zhì)量分數(shù)(54.68%～73.95%)相對較低,平均值67.62%;并含Al2O3(11.35%～17.26%,平均值14.07%)和Fe2O3(2.32%～7.03%,平均值4.27%)。研究區(qū)內(nèi)除少數(shù)砂巖樣品外,CaO和MgO的質(zhì)量分數(shù)均較低,說明砂巖樣品中碳酸鹽巖的含量很低。少量的MnO和P2O5質(zhì)量分數(shù),推斷砂巖中重礦物(如磷灰石,綠簾石)的存在。Bhatia等總結(jié)了澳大利亞東部古生代典型構造環(huán)境雜砂巖地球化學特征,給出了雜砂巖地球化學元素之間的相關系數(shù),證實砂巖石英顆粒、長石碎屑及不穩(wěn)定巖屑存在著一定的相關性,同時砂巖中含有的各種元素之間也存在一定的關系。筆者對二疊系哲斯組與林西組砂巖樣品的主量地球化學數(shù)據(jù)進行了相關性研究,結(jié)果見表2和表3。研究區(qū)內(nèi)各組砂巖中Si與Ti、Fe、Mn和P元素呈顯著的負相關關系,表明砂巖中石英及硅酸鹽礦物顆粒很大程度上影響了全巖的化學性質(zhì);Si與Al元素也存在較強的負相關性(相關系數(shù)r林西=-0.683,r哲斯=-0.594),說明砂巖樣品中石英和富鋁質(zhì)黏土礦物含量影響了其地球化學特征。Fe與Mg、Mn、Ti元素呈明顯的正相關關系,反映了鐵鎂質(zhì)組分中主量元素的構成。TiO2與Al2O3具有較強的正相關性(r林西=0.735,r哲斯=0.573),表明TiO2可能在經(jīng)風化作用后的鋁硅酸巖中富集。其較為顯著的K2O與Al2O3的正相關性(r林西=0.790,r哲斯=0.491)可能指示了長石類碎屑礦物對砂巖中化學成分含量的貢獻,同時也指出了砂巖中存在富鋁、高鉀的黏土礦物最終導致伊利石的形成。3.2砂巖風化效果主量元素的氧化物含量經(jīng)常用于砂巖的地球化學分類,其中:SiO2/Al2O3反映了石英、黏土礦物以及長石類礦物成分的富集,Na2O/K2O指示了其化學成熟度,Fe2O3/K2O指示了砂巖在風化過程中鐵、鎂質(zhì)礦物的穩(wěn)定程度。哲斯組和林西組大部分砂巖樣品均含有偏低的Fe2O3/K2O和較高的SiO2/Al2O3,落入雜砂巖區(qū)域(圖5);但林西組砂巖更趨向于含有相對高的Fe2O3/K2O,少數(shù)樣品落入頁巖區(qū),而哲斯組少數(shù)樣品Fe2O3/K2O略低,落入長石砂巖區(qū)域。上述氧化物比值的分析結(jié)果反映林西組砂巖中可能含有相對較多的富鐵礦物,如黑云母、綠泥石等,這些易風化礦物的保存,進一步可以推測林西組砂巖可能經(jīng)歷了相對近源或較為快速的成巖過程。3.3巖石化學組分變化物源區(qū)母巖中所含的不穩(wěn)定的元素氧化物(CaO、Na2O、K2O和MgO)和相對穩(wěn)定的元素氧化物(Al2O3、ZrO2、TiO2)在母巖遭受風化作用或是成巖過程中的化學交代作用后其含量會發(fā)生明顯的變化。所以在對盆地沉積物的研究中,經(jīng)常通過一些指數(shù),如化學蝕變指數(shù)(chemicalindexofalteration,CIA)、化學風化作用指數(shù)(chemicalindexofweathering,CIW)、斜長石蝕變指數(shù)(plagioclaseindexofalteration,PIA)和化學組分變化指數(shù)(indexofcompositionalvariabitlity,ICV)來判斷母巖的古風化強度和化學蝕變強度[20,26,27,28,33,34]。各指數(shù)的計算方法詳見表1注。風化過程中長石類礦物和堿性鋁硅酸巖礦物經(jīng)常形成黏土礦物,風化作用使得不穩(wěn)定的元素氧化物(CaO、Na2O、K2O)丟失,而相對穩(wěn)定的元素氧化物(Al2O3)相對增加,所以CIA值的增加反映了風化強度的增加。CIA值可以通過A-CN-K三角圖解反映。斜長石-鉀長石風化形成黏土礦物過程應該沿著A-CN-K圖中的A-CN一側(cè)變化。即巖石如果沒有受到鉀交代作用,那么風化作用將沿著平行A-CN的方向進行(圖6中虛線和點滑線箭頭方向)。根據(jù)砂巖化學組分變化趨勢,可以推斷發(fā)生風化作用以前的斜長石/鉀長石比率。砂巖風化過程中,由于鉀的交代作用,使高嶺石發(fā)生伊利石化,因此造成實際風化過程相對圖6中虛線向右傾斜(圖6中實線箭頭方向),從而使得CIA值相對降低。經(jīng)過鉀交代作用,仍然能夠大致估計風化作用以前的斜長石與鉀長石比率,但由于風化過程中外界鉀元素通過交代作用進入風化形成的黏土礦物中,導致原始黏土礦物中其他成分的相對降低。二疊系哲斯組、林西組砂巖的CIA值見表1和圖6。其中林西組砂巖的CIA值在41～68之間變化,主要集中在41～55,平均值為54;而哲斯組CIA值略高,在56～85,主要集中于61～73,平均為67。數(shù)據(jù)表明,哲斯組砂巖的物源區(qū)經(jīng)受的風化作用較林西組的物源區(qū)相對要強些,這一結(jié)果可能是由于兩組沉積物母巖的特性或是物源區(qū)的構造環(huán)境以及沉積物的搬運速度、距離不同所導致的風化程度的差異。假設母巖沒有經(jīng)受鉀交代作用,那么它們的風化作用將沿著平行A-CN向A-K方向發(fā)展,如圖6中虛線和點滑線表示理想的風化趨勢,而理想風化線的右側(cè)區(qū)域則為受到鉀交代作用影響的CIA值。由此可見,林西組砂巖的實際風化趨勢更接近理想的風化線,說明林西組砂巖在成巖過程中受到鉀交代作用的影響很小,而哲斯組砂巖受到鉀交代作用的影響相對較大。在受到鉀交代作用前的CIA值可以在A-CN-K圖解中得到,其方法是連接K端點與樣品點在理想風化線上投影點的CIA值。結(jié)果表明,林西組砂巖在經(jīng)受鉀交代作用前的CIA值最高可達到72,比實際計算的CIA值高出大約4。而哲斯組砂巖受鉀交代作用前的CIA值最高可達90,這比實際計算的CIA值高出5。上述數(shù)據(jù)表明,二疊紀砂巖是經(jīng)歷了強烈的風化作用后形成的,并且由于受到鉀交代作用而使得CIA值降低,也證實了哲斯組砂巖受到鉀交代作用相對林西組砂巖略大一些。鉀交代作用的強弱程度可以由砂巖樣品中斜長石的含量所反映出來,其中強的鉀交代作用對應于低的斜長石和高的高嶺石含量。通過鉀交代作用的對比說明林西組砂巖中斜長石含量高于哲斯組砂巖,這與巖相學觀測得到的結(jié)果基本一致。在A-CN-K圖解中,風化趨勢線與斜長石和鉀長石連線的交點反映了砂巖的碎屑源巖斜長石含量比鉀長石要高,可能代表了物源區(qū)母巖具有英云閃長巖和花崗閃長巖的特征(圖6),其中哲斯組砂巖母巖更接近花崗閃長巖的端元組分,而林西組砂巖的母巖更接近英云閃長巖端元組分。大量研究表明,由于鉀的交代作用使得鉀元素在沉積物中要比其在物源區(qū)母巖中更為富集,為消除K2O的影響,Harnois引入了化學風化作用指數(shù)(CIW)。分析數(shù)據(jù)表明,少數(shù)哲斯組砂巖呈現(xiàn)很高的CIW值(96～100),可能說明其母巖具富鉀的特征。Fedo等提出了斜長石蝕變指數(shù)PIA,可以更好地判別母巖的風化程度。研究區(qū)砂巖分析數(shù)據(jù)表明,中二疊統(tǒng)哲斯組砂巖中PIA(57～100)明顯高于上二疊統(tǒng)林西組砂巖(39～55),反映了哲斯組物源區(qū)風化程度較深,所得結(jié)論與CIA和CIW值所反映的結(jié)果一致。Cox等引入了化學組分變化指示ICV,可用于估計砂巖碎屑源巖組分,并證實了非黏土礦物碎屑源巖組分比黏土礦物組分ICV值高。其中主要由黑云母、閃石或輝石組成,而黏土礦物含量較低的砂巖ICV值一般要比1大得多,這種砂巖經(jīng)常作為第一次旋回的沉積物在構造上活動的地區(qū)沉積。在強烈的風化作用過程中形成的第一次旋回陸源沉積物,在黏土中居留較長時間,可能進一步被風化,因此使得ICV值趨向于小于1。ICV值大于1的砂巖很可能為第一次旋回的沉積物,而ICV值小于1的砂巖可能被再旋回或者為經(jīng)過強烈風化的第一次旋回沉積物。研究區(qū)林西組砂巖的ICV值為0.75～1.56,平均值1.03>1,推測可能為第一次旋回的沉積物;而哲斯組砂巖的ICV為0.33～0.95,平均值為0.73<1,且明顯低于林西組砂巖,說明可能為被再旋回或者經(jīng)過強烈風化的第一次旋回沉積物。整體上分析,上二疊統(tǒng)林西組砂巖較中二疊統(tǒng)哲斯組砂巖可能具有更快的固結(jié)成巖過程,從而導致了較弱的風化程度,推斷這一差別可能是與碎屑物經(jīng)母巖風化后搬運的距離或是兩個時代母巖區(qū)所處的構造背景不同造成的。4巖質(zhì)源區(qū)結(jié)構環(huán)境分析4.1大陸島弧物源區(qū)特征碎屑沉積巖的地球化學特征主要取決于其組成成分,而成分與其物源和大地構造環(huán)境有著非常密切的關系。成巖的構造背景對物源同樣具有一定的控制作用,沉積物的化學組成記錄了沉積成巖過程中構造活動變化情況。因此,沉積巖的成分對恢復物源區(qū)構造背景發(fā)揮了重要作用。研究區(qū)二疊紀砂巖主量元素w(Fe2O3+MgO)-w(TiO2),w(Fe2O3+MgO)-Al2O3/SiO2判別圖解表明:絕大多數(shù)哲斯組及林西組砂巖落入大陸島弧及活動大陸邊緣物源區(qū)域內(nèi),僅個別巖樣落入大洋島弧物源區(qū);從沉積層序來看,由哲斯組向林西組呈現(xiàn)出由活動大陸邊緣向大陸島弧型物源區(qū)變化的趨勢(圖7)。砂巖主量元素K2O/Na2O-w(SiO2)判別圖解指示了哲斯組和林西組絕大多數(shù)砂巖樣品具有活動大陸邊緣的物源區(qū)特點(圖8),少數(shù)樣品落入被動大陸邊緣和大洋大陸島弧的物源區(qū);同樣從沉積層序的整體角度上看,物源區(qū)有從被動大陸邊緣向活動大陸邊緣至大洋大陸島弧構造背景演化的趨勢。而在F1-F2判別圖解中,砂巖物源區(qū)主要以長英質(zhì)火成巖為主,并含有少量的石英巖沉積物和中性火成巖物質(zhì)(圖9),砂巖物源區(qū)呈現(xiàn)由沉積物物源區(qū)向火成巖物源區(qū)演化的趨勢;從物源區(qū)母巖形成的構造背景上分析,中、酸性火成巖主要在島弧-活動大陸邊緣帶大量發(fā)育,而在靠近活動大陸邊緣向大洋島弧一側(cè)呈現(xiàn)酸性漸弱的趨勢。而經(jīng)歷長時間的風化、搬運、分選過程所形成的石英巖,其典型的構造背景是處于一個相對穩(wěn)定的構造環(huán)境(如被動大陸邊緣)。上述二疊紀砂巖的F1-F2判別圖解中母巖區(qū)所反映的構造背景與K2O/Na2O-w(SiO2)判別圖解的結(jié)論基本一致。綜上,從時間尺度上分析可見,中二疊世砂巖物源區(qū)處在相對穩(wěn)定的構造環(huán)境,而到了晚二疊世構造運動開始活躍,其影響因素可能與二疊紀末期的古亞洲洋的閉合有關。4.2巖石學和地質(zhì)背景砂巖樣品的地球化學特征判別圖解揭示了二疊紀砂巖樣品的物源區(qū)主要為活動大陸邊緣和大陸島弧型物源的特點。F1-F2判別方程圖解以及砂巖樣品的A-CN-K圖解均揭示了物源區(qū)母巖具有長英質(zhì)火成巖和中性火成巖的特征。研究表明:區(qū)域內(nèi)發(fā)育的大石寨組火山巖與研究區(qū)北側(cè)及北西的蘇尼特左旗—錫林浩特—西烏珠穆沁旗南部巖漿弧(圖1)中廣泛分布著英云閃長巖、石英閃長巖、花崗閃長巖、二長花崗巖和安山巖等長英質(zhì)及中性巖漿巖,都與砂巖地球化學分析結(jié)果揭示的母巖特征一致。此外,韓國卿等報道了克旗與林西地區(qū)相同的二疊系砂巖的碎屑鋯石LA-ICP-MSU-Pb年齡,結(jié)果表明,哲斯組及林西組砂巖均明顯存在～280Ma和～320Ma的2個主要年齡峰期并含有少量～380Ma,～430Ma,～460Ma,～500Ma和古老的1800～2500Ma年齡數(shù)據(jù)。其中～280Ma的年齡峰期與該區(qū)域上廣泛分布的大石寨組火山巖時代相當,而～320Ma左右的年齡峰期僅在研究區(qū)北側(cè)及北西側(cè)蘇尼特左旗寶力道巖漿弧和西烏旗南巖漿弧等地區(qū)有所報道,證實了這組年齡應來自北側(cè)及北西側(cè)蘇尼特左旗—錫林浩特—西烏旗南巖漿弧。而蘇尼特左旗—錫林浩特—西烏珠穆沁旗南部巖漿弧一線也存在一期較為強烈的早古生代巖漿弧事件,～380Ma,～430Ma,～460Ma和～500Ma這幾組碎屑鋯石年齡可能與此相關。Miao等報道了索倫—林西地區(qū)蛇綠巖的年齡為～280Ma,證實了哲斯組和林西組沉積時,索倫—林西縫合帶已閉合或近于閉合,所以來自索倫—林西縫合帶北側(cè)的蘇尼特左旗—錫林浩特—西烏旗南巖漿弧物源是可以合理解釋的。另外,1800～2500Ma的鋯石年齡則記錄了來自古老的華