梁恩云, 劉耀榮, 鄒光均, 魏方輝, 劉庚寅, 熊 苗

(湖南省地質(zhì)調(diào)查院,長沙 410116)

張家界地區(qū)志留系巖石地球化學與構造背景

梁恩云, 劉耀榮, 鄒光均, 魏方輝, 劉庚寅, 熊 苗

(湖南省地質(zhì)調(diào)查院,長沙 410116)

張家界地區(qū)志留系出露有蘭多弗里統(tǒng)及文洛克統(tǒng)，其中蘭多弗里統(tǒng)泥巖中SiO2含量平均61.59%，SiO2/Al2O3值平均3.63，K2O/ Na2O值平均4.80，Al2O3/(K2O+Na2O)值平均3.49，∑REE含量平均238.58×10-6，LREE含量平均213.89×10-6, LREE/HREE值平均8.68, B含量平均98.29×10-6，B/Ga值平均3.99，Th/U值平均5.61。通過構造環(huán)境判別圖解認為： 蘭多弗里統(tǒng)泥巖以活動大陸邊緣物源為主，混入部分大陸島弧物源，其古老物源則可能來自被動大陸邊緣； 已經(jīng)拼合在一起的華夏、揚子陸塊，在志留紀時期繼續(xù)向北西擠壓，形成多處隆升(黔中隆起、雪峰隆起等)，隨著進一步擠壓，雪峰隆起升出海面，為張家界地區(qū)提供了泥質(zhì)沉積物，擠壓導致島弧形成并提供了部分物源。

沉積巖； 地球化學； 構造背景； 張家界地區(qū)； 湘西北

0 引言

除了氣候、地形、搬運距離和成巖作用，一般認為碎屑巖組分主要受物源區(qū)母巖性質(zhì)和構造背景影響[1-3]，因此，利用碎屑巖的化學成分可以判斷母巖特征，并分析研究盆地沉積環(huán)境、大地構造背景和構造演化等[4-15]。在奧陶紀時期，張家界地區(qū)沉積了大量的碳酸鹽巖，而奧陶系—志留系之交的龍馬溪組則為炭質(zhì)頁巖，其作為烴源巖研究是當今熱點[16-22]； 志留系沉積了一套以碎屑巖為主的地層，而此后缺失了石炭系，石炭系的缺失是由于加里東隆升導致沒有接受沉積還是沉積之后由于加里東隆升導致剝蝕仍沒有定論[23-26]。為此，研究當時的沉積環(huán)境與構造背景有一定的意義。至今為止，湖南省地質(zhì)調(diào)查院在湘西北地區(qū)開展了大量的區(qū)域地質(zhì)調(diào)查工作，積累了豐富的野外資料及測試數(shù)據(jù)。本文擬以張家界地區(qū)志留系蘭多弗里統(tǒng)泥巖的地球化學特征為討論點，分析當時的沉積構造背景。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

張家界地區(qū)位于揚子陸塊東南緣，毗鄰華夏陸塊，其北西為石門—桑植復向斜，南東為武陵斷彎褶皺帶。區(qū)內(nèi)構造以NE向斷裂為主，為湘西北弧形構造帶的組成部分。區(qū)內(nèi)無巖漿巖出露，出露地層(圖1)由老到新有青白口系、南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、三疊系、白堊系和第四系。青白口系巖性以淺變質(zhì)砂巖為主，夾少量板巖； 南華系巖性主要為含冰磧礫泥巖、含冰磧礫粉砂巖、砂泥質(zhì)冰磧礫巖等； 震旦系、寒武系、奧陶系以碳酸鹽巖為主； 志留系主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、石英粉砂巖等； 泥盆系以石英砂巖為主，夾泥質(zhì)粉砂巖；二疊系、三疊系主要為碳酸鹽巖，夾石英砂巖、碳質(zhì)頁巖等； 白堊系主要為灰質(zhì)礫巖、泥質(zhì)粉砂巖。其中以志留系出露最廣，是本文探討的重點。

圖1 張家界地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Regional geological sketch of Zhangjiajie area

2 樣品及分析

在張家界地區(qū)，志留系僅出露蘭多弗里統(tǒng)及文洛克統(tǒng)，巖性主要為泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及石英粉砂巖等，自下而上，形成多個泥巖→砂巖旋回，本次研究對象為志留系蘭多弗里統(tǒng)泥巖。在楊家坪附近測制剖面及采集樣品(圖1)，有新灘組(S1x)、小河壩組(S1xh)、馬腳沖組(S1m)、溶溪組(S1r)、吳家院組(S1w)。本次采集了7件泥巖樣品(18-22、19-0、19-1、19-13、19-14、19-19和19-20)，分別采自新灘組、馬腳沖組和溶溪組。采樣時避免了風化及節(jié)理、裂隙，保證樣品新鮮、無污染。

樣品的分析在國土資源部長沙礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，使用儀器有原子熒光光度計(AFS-830 a)、原子吸收光度計(Z-2300)、ICP質(zhì)譜儀、ICP全譜儀(ICP-6300)等，分析環(huán)境溫度20 ℃、濕度65%。

3 地球化學特征

3.1 常量元素特征

樣品常量元素分析結果見表1。蘭多弗里統(tǒng)泥巖中，SiO2含量58.88%～64.07%，平均61.59%； Al2O3含量15.63%～19.21%，平均17.07%； K2O含量3.56%～4.53%，平均3.99%； Na2O含量0.57%～1.32%，平均0.90%； Fe2O3+ FeO含量6.32%～7.34%，平均6.82%； MnO含量0.04%～0.10%，平均0.07%； CaO含量0.41%～1.32%，平均0.67%； MgO含量2.16%～3.16%，平均2.62%; SiO2/Al2O3值3.07～4.10，平均3.63。K2O/Na2O值2.88～7.00，平均4.80; Al2O3/(K2O+Na2O)值3.27～3.75，平均3.49。

表1 常量元素分析結果

MgO/Al2O3值大致反映出該時期碎屑巖中海洋組分和陸源組分的比例[2]。全部樣品中，MgO/Al2O3值0.13～0.18，平均0.15，其離散程度較小，說明沉積-構造環(huán)境較為穩(wěn)定。K2O/ Na2O值明顯大于1，個別高達6.98，鉀含量大于鈉含量，表明陸緣組分占主體地位。ICV值0.33～0.38，平均0.35，CIA值66.08～73.37，平均70.86。當ICV值大于1時, 表明其含黏土礦物較少, 屬構造活動時期的初始沉積； 當ICV值小于1時, 表明其含較多黏土礦物,可能經(jīng)歷了再沉積作用或是強烈風化條件下的初始沉積[27]。而本次研究的蘭多弗里統(tǒng)泥巖中黏土礦物必然不少，其ICV值在0.35附近，可視其代表初始沉積，CIA值顯示當時為溫暖濕潤氣候條件[28]。

3.2 稀土元素特征

樣品稀土元素分析結果見表2。蘭多弗里統(tǒng)泥巖中，稀土元素含量總體較高，∑REE含量(不包括Y)215×10-6～261.33×10-6，平均238.58×10-6，明顯高于大陸上地殼的平均稀土元素總量(146.4×10-6)，也高于北美頁巖的平均值(173.2×10-6); LREE含量193.16×10-6～236.41×10-6，平均213.89×10-6； HREE含量21.84×10-6～28.01×10-6，平均24.70×10-6； LREE/HREE值7.61～9.49，平均8.68。

表2 稀土元素分析結果

LaN/YbN值7.85～10.66，平均8.97，表明樣品的輕、重稀土元素分異特別明顯。δEu值0.611～0.675，平均0.639，呈現(xiàn)明顯的Eu負異常，與北美頁巖標準值(δEu=0.65)比較接近。δCe值0.758～0.868，平均0.839，與華南褶皺系環(huán)境(δCe=0.84)差不多[29]。

從稀土元素球粒隕石標準化分布型式圖(圖2)及LREE/HREE值可知，其具輕稀土富集、重稀土平緩的特點，兼具銪負異常、鈰異常不明顯的特點，與典型的后太古宙頁巖和上陸殼相似(輕稀土富集、重稀土平坦、銪負異常顯著)。

圖2 稀土元素球粒隕石標準化分布型式圖Fig.2 Chondrite-normalized REE patterns

3.3 微量元素特征

樣品微量元素分析結果見表3。微量元素含量整體上與上地殼豐度[30]相差較大，其中Rb、Ga、Hf、Co、Pb約為1.5倍，Th、V約為2倍，B、Sc則大于3倍，Nb、Ta約為1/2，而Sr含量僅為1/5左右。Sr/Ba值0.126～0.199，平均0.167；Rb/Sr值1.47～2.33，平均2.03； Ba/Rb值2.38～3.80，平均3.04； Zr/Hf值16.24～22.78，平均19.37； Zr/Th值6.23～10.31，平均8.72；Sc/Cr值0.14～0.24，平均0.18。除Zr/Hf值、Zr/Th值變化范圍較大外，其他比值差異不大。微量元素B在陸相巖石中一般低于70×10-6，而海相巖石中一般大于100×10-6； 陸相環(huán)境中B/Ga值一般為3.0～3.3，海相環(huán)境中則大于4.5～5.0[31]。本次采集泥巖樣品中，B含量77×10-6～131×10-6，平均98.29×10-6，B/Ga值3.17～4.82，平均3.99，反映出蘭多弗里統(tǒng)泥巖的海相及陸相沉積特征均不明顯。

表3 微量元素分析結果

注： 上地殼豐度據(jù)參考文獻[30]。

4 構造背景判別方法

在沉積建造中，陸源碎屑巖不僅保留著源區(qū)母巖的相關信息，也直接記錄了沉積盆地構造演化軌跡。研究表明，盡管有沉積過程中的改造作用，但物源區(qū)的地球化學成分是碎屑巖成分的主要控制因素。因此，通過分析碎屑巖的化學成分即可確定母巖性質(zhì)(其通常與構造環(huán)境密切相關)，再造沉積盆地的構造演化歷史。

Bhatia[32]將大陸邊緣和大洋盆地劃分為大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣，并提出了一些以主量元素參數(shù)來判別構造環(huán)境的圖解(圖3(a))。Roser和Korsch[33]提出了砂巖和泥巖沉積盆地構造環(huán)境的K2O/Na2O-SiO2圖解(圖3(b))。其中活動大陸邊緣包括了一系列復雜的位于活動板塊邊界之上或鄰近板塊邊界的構造活動大陸邊緣，沉積物來自大陸邊緣巖漿弧或與走滑斷層有關的隆升區(qū)； 被動大陸邊緣包括了穩(wěn)定大陸邊緣的板內(nèi)盆地和克拉通內(nèi)部盆地，沉積物來自穩(wěn)定的大陸地區(qū)并沉積在遠離活動板塊邊緣的地方。在圖3(a)和圖3(b)中，研究區(qū)志留系樣品的投點均落入活動大陸邊緣范圍。

(a) 主量元素構造環(huán)境判別分析圖 (b) K2O/Na2O-SiO2構造環(huán)境判別圖

圖3巖石常量元素構造環(huán)境判別圖

Fig.3Tectonicsettingdiscriminationdiagramsofmajorelementsintherocks

REE、Th、U、Nb、Ta、Zr和Hf屬惰性元素范圍，性質(zhì)穩(wěn)定，較少或不受沉積過程的影響[34]。Bhatia[35]在研究澳大利亞古生代濁積雜砂巖的構造環(huán)境時，認為最具構造判別意義的是La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10及Th-Co-Zr/10 3種三角圖(圖4)。從圖4(a)可知，張家界地區(qū)志留系蘭多弗里統(tǒng)泥巖落入大陸島弧范圍內(nèi)，其在圖4(b)、4(c)中則落入活動大陸邊緣范圍及附近。在La/Y-Sc/Cr圖解[36]中，則主要落入被動大陸邊緣及其外圍，可能反映了古老物源特性(圖5)。

(a) La-Th-Sc(b) Th-Sc-Zr/10(c) Th-Co-Zr/10

圖4巖石微量元素構造判別圖

Fig.4Tectonicsettingdiscriminationdiagramsoftraceelementsintherocks

圖5 La/Y-Sc/Cr判別圖Fig.5 Discrimination diagrams of La/Y-Sc/Cr

5 討論

綜上所述，張家界地區(qū)志留系巖石主要顯示了活動大陸邊緣與大陸島弧的沉積環(huán)境信息，其古老物源則有被動大陸邊緣的特征。當然，這還要結合區(qū)域地質(zhì)資料來考慮。

戎嘉余等[37]認為奧陶紀晚期揚子地塊和華夏地塊匯聚拼合后引起隆升，且向西北擴大。志留紀蘭多維列世黔中古陸北緣和東北緣發(fā)生了一次短暫的向北擴展露出海面的地質(zhì)事件[38]。朱志軍等[39]提出渝東—湘西地區(qū)早志留世小河壩期碎屑巖沉積的物質(zhì)主要來自東南部的江南雪峰山隆起。馬義波等[40]在研究江南造山帶西南緣盆地演化時，認為貴州梵凈山地區(qū)從南華紀到奧陶紀經(jīng)歷了大陸裂谷盆地到被動大陸邊緣盆地的轉變，至志留紀形成前陸盆地。李斌等[26]認為，湘西地區(qū)志留系物源來自于東南部雪峰隆起，其沉積盆地構造演化經(jīng)歷了前陸盆地的形成期、發(fā)展期、萎縮期和消亡期幾個階段。梁恩云等[41]認為湘西北地區(qū)奧陶紀—志留紀地質(zhì)背景從伸展體制的被動大陸邊緣演化為擠壓體制的前陸盆地，并建立了沉積-構造演化模型。

元古宙基底陸源碎屑巖是揚子與華夏陸塊變質(zhì)基底的主體，揚子陸塊Th/U值為4.4～4.8，華夏陸塊Th/U值為5.3～5.4[42]。張家界地區(qū)志留系蘭多弗里統(tǒng)泥巖樣品的Th/U為5.01～6.20，平均5.61。由此可以認為，蘭多弗里統(tǒng)泥巖的物源為華夏陸塊。

張家界地區(qū)志留系時期的沉積構造背景為： 已經(jīng)拼合在一起的華夏、揚子陸塊，在志留紀時期繼續(xù)向北西擠壓，且形成多處隆升(黔中隆起、雪峰隆起等)，隨著進一步擠壓，雪峰隆起升出海面，在沉積間斷的同時遭受剝蝕。

6 結論

(1)張家界地區(qū)志留系巖石地球化學主要顯示了活動大陸邊緣與大陸島弧的沉積環(huán)境信息，物源為華夏陸塊，其古老物源則有被動大陸邊緣的特征。

(2)志留系蘭多弗里統(tǒng)時期的張家界地區(qū)附近存在島弧，且東南方向的雪峰隆起開始升出水面，提供沉積物源。

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GeochemicalcharacteristicsandtectonicsettingofSilurianrocksinZhangjiajiearea

LIANG Enyun, LIU Yaorong, ZOU Guangjun, WEI Fanghui,LIU Gengyin, XIONG Miao

(HunanInstituteofGeologicalSurvey,Changsha410116,China)

Silurian outcrops include Llandovery Series and Wenlock Series in Zhangjiajie area. In the mudstones of Llandovery Series, the contents of different compositions are as follows: the average content of SiO2is 61.59%, the average value of SiO2/Al2O3is 3.63, K2O/ Na2O is 4.80, Al2O3/(K2O+Na2O) is 3.49, the average content of ∑REE is 238.58×10-6，the average content of LREE is 213.89×10-6, the average value of LREE/HREE is 8.68, the average content of B is 98.29×10-6，the average value of B/Ga is 3.99 and the average value of Th/U is 5.61. According to the tectonic setting discrimination diagrams，the authors declared that the mudstones source of Llandovery Series is active continental margin, interfused with some continent island arc. And the older source could be passive continental margin. The authors concluded that after the combination of Cathaysia and Yangtze Plate, the new plate continued to extrude northwest and formed many uplifts (Qianzhong and Xuefeng uplifts). With further extrusion, Xuefeng uplift was raised above the sea level, which provided argillaceous sediment for Zhangjiajie area. The extrusion caused the formation of island arc and provided part source.

sedimentary rock; geochemistry; tectonic setting; Zhangjiajie area; Northwest Hunan

劉丹，劉永權)

10.19388/j.zgdzdc.2017.06.08

梁恩云，劉耀榮，鄒光均，等. 張家界地區(qū)志留系巖石地球化學與構造背景[J].中國地質(zhì)調(diào)查，2017,4(6)： 58-65.

P534.43

A

2095-8706(2017)06-0058-08

2017-04-05；

2017-11-09。

中國地質(zhì)調(diào)查局 “湖南1∶5萬尹家溪、溪口、三岔村幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查(編號： 12120114066201)” 和 “揚子工程湘西—鄂西成礦帶神農(nóng)架—花垣地區(qū)地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查(編號： DD20160029)” 項目聯(lián)合資助。

梁恩云(1983—)，男，高級工程師，主要從事區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查與研究。Email： 8832188@163.com。