喬 雨，李紫源，鄭德順，劉思聰，徐江紅

(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院,河南 焦作 454003)

前言

物源分析是盆山耦合系統(tǒng)研究中重要的研究對象之一，通過對盆地內(nèi)碎屑沉積物組成、性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化研究，可再現(xiàn)盆地與造山帶之間的時空耦合過程[1]，為研究盆地沉降與山體隆升之間的關(guān)系、山體剝蝕過程與盆地沉積物以及盆山系統(tǒng)動力學(xué)演化等方面提供重要的依據(jù)[2]。泥質(zhì)巖等細粒陸源碎屑沉積物是地球演化作用的結(jié)果，其所含微量元素與稀土元素成分中蘊含著大量與地殼演化密切相關(guān)的信息，據(jù)此泥質(zhì)巖微量元素與稀土元素分析常用來對物源背景和地質(zhì)構(gòu)造背景進行研究[3-7]。

晚海西期—早印支期為北秦嶺洋閉合和(微)陸-陸碰撞發(fā)展階段，北秦嶺地殼向華北克拉通的俯沖碰撞作用，在華北克拉通南緣形成了一系列呈東西向分布的坳陷盆地，宜洛盆地就是其中之一。當前關(guān)于這一時期秦嶺造山帶爭論的焦點之一就是北秦嶺商丹洋盆關(guān)閉時限以及秦嶺微地塊與華北克拉通陸-陸碰撞的階段性問題[8-9]。過去研究更多的集中在秦嶺造山帶結(jié)構(gòu)和形變研究，對于造山過程，尤其是造山過程中的沉積響應(yīng)研究不夠[8]。宜洛盆地作為華北南緣的沉積中心之一，接受了大量來自外部的沉積物，盆地中的沉積物可能記錄了秦嶺造山帶構(gòu)造運動的細節(jié)，是理解秦嶺造山帶構(gòu)造運動過程和宜洛盆地充填演化的重要窗口[9]。當前對宜洛盆地研究程度較低，主要局限于盆地沉積地層和沉積環(huán)境等方面的研究[10-11]。物源變化是對構(gòu)造運動的有效響應(yīng)，對這一時期宜洛盆地物源屬性和物源構(gòu)造背景分析，可以反演秦嶺與華北克拉通南緣的碰撞過程，對探討北秦嶺商丹洋盆的關(guān)閉時限和豐富秦嶺階段性演化提供新的證據(jù)。因此，本文系統(tǒng)地采集了上二疊統(tǒng)—下三疊統(tǒng)泥質(zhì)巖樣品進行地球化學(xué)分析，擬在確定物源構(gòu)造背景和物源區(qū)構(gòu)造活動狀態(tài)基礎(chǔ)上分析物源來源，對提高宜洛盆地與秦嶺造山帶盆山系統(tǒng)演化認識上有一定意義。

1 地質(zhì)背景

華北克拉通形成于太古代，其內(nèi)部廣泛存在著3.3～3.8Ga的古老物質(zhì)[12-13]，是東亞大陸主要的克拉通。華北克拉通形成以來至顯生宙一直保持較為穩(wěn)定狀態(tài)[14]，晚古生代在秦嶺造山帶伸展構(gòu)造樣式作用背景下華北地臺在本溪期整體下降，海水自北東向南西向侵入，發(fā)育了華北地臺以潮坪、瀉湖為主的沉積體系。早二疊世，受華北地臺北緣興蒙造山帶隆升作用，華北地臺北部隆升，并接受古陰山碎屑沉積物，由于古陰山的持續(xù)隆升，其陸緣碎屑物可直達華北板塊南部；晚二疊世，秦嶺微地塊向北移動，與華北板塊碰撞加劇，造成華北南緣開始隆升，華北板塊由此整體隆升成陸進入克拉通內(nèi)陸坳陷盆地演化階段。

宜洛盆地位于華北克拉通南緣，南部緊鄰秦嶺造山帶，北靠太行山脈，為晚古生代—中生代疊合盆地，發(fā)育了較為完整連續(xù)的晚古生代—中生代地層[15-16]。在二疊紀，本區(qū)以淺水三角洲、河流和近海湖泊沉積為主，三疊紀主要發(fā)育河湖沉積體系[17]。宜洛盆地主要出露二疊系、三疊系、侏羅系、新近系與第四系，其晚古生代—早中生代地層發(fā)育完整且連續(xù)，包括上二疊統(tǒng)孫家溝組、下三疊統(tǒng)劉家溝組及和尚溝組，整體表現(xiàn)為炎熱干旱條件下的紅色砂泥巖組合。孫家溝組以細砂巖夾泥巖為主，劉家溝組具有明顯的河流“二元結(jié)構(gòu)”，和尚溝組則發(fā)育大套的泥巖，為淺湖相沉積(圖1)。

2 樣品與實驗方法

本文研究剖面位于宜陽縣城南2km大雨淋小學(xué)旁，該剖面出露良好，自下而上依次發(fā)育了二疊系石千峰組、三疊系劉家溝組、和尚溝組和二馬營組地層，巖性以泥質(zhì)巖和砂巖為主(圖2)。本次研究在對大雨淋剖面孫家溝組—和尚溝組地層實測的基礎(chǔ)上，根據(jù)野外分層情況進行了樣品采集工作。在野外取樣過程中采用取樣器盡可能取得較為新鮮的樣品，共取得樣品56件，經(jīng)觀察與風化、蝕變樣品剔除后，從中選出14件樣品進行了微量元素與稀土元素測試分析。微量元素與稀土元素分析測試工作由中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室完成。

測試過程前先對樣品表面去除風化物質(zhì)，進行了進一步新鮮化處理。樣品在碳化鎢體缽中研磨成200目，并置于烘箱中在105°溫度下烘干12h；稱取樣品50mg置于坩堝中，同時滴加1～2滴純凈水及1.5ml高純硝酸和1.5ml高純氫氟酸，并將坩堝放置在烘箱中在190°條件下烘干48小時；添加3ml 30%硝酸并再次置于190烘箱中加熱12h；將溶液轉(zhuǎn)入聚乙烯瓶中，添加2%硝酸稀釋至100g，之后采用POEMS(Plasma Optical Emission Mass Spectrometer)Ⅲ等離子體光質(zhì)譜儀進行測試，該儀器質(zhì)譜采用VG公司的PQ3ICP-MS，光譜采用TJA公司的IPIS高分辨率光譜。

3 稀土元素地球化學(xué)特征

泥質(zhì)巖樣品稀土元素分析結(jié)果見表2。由表可知，研究區(qū)ΣREE值為(32.3～276.22)×10-6，均值為159.65×10-6，其中孫家溝組ΣREE值范圍為(69.87～276.22)×10-6，平均為181.21×10-6，樣品B20、B22、B24的ΣREE值相對較低，這可能與樣品巖性為泥灰?guī)r有關(guān)，巖石中方解石和生物碎屑對稀土元素進行了稀釋[18]。劉家溝組ΣREE值范圍為(32.32～188.12)×10-6，平均值85.19×10-6；和尚溝組ΣREE值范圍為(153.32～195.71)×10-6，平均值為175.70×10-6。以上表明劉家溝組泥質(zhì)巖稀土元素與和尚溝組較為接近，都接近于PAAS值，劉家溝組泥質(zhì)巖稀土元素總量虧損。

圖1 華北克拉通構(gòu)造綱要(a)、宜陽地區(qū)地質(zhì)簡圖(b)和綜合柱狀圖(c)

(圖a、b據(jù)楊文濤內(nèi)部資料修改[16])

Fig.1 Tectonic outline of the North China craton (a), simplified geological map (b) and lithologic column (c) of the Yiyang region

宜洛盆地孫家溝組-和尚溝組泥質(zhì)巖樣品δCe整體變化不大，范圍值為0.6～1.0，均值0.92。除個別樣品外，整體δCe輕微虧損。孫家溝組δEu范圍為0.59～1.05，均值為0.85，巖石整體弱虧損。樣品(La/Yb)N均值1.36，其中(La/Sm)N均值0.99，(Gd/Yb)N均值1.33，表明稀土元素整體分餾程度較弱，輕重稀土分餾均不明顯。

從球粒隕石標準化稀土元素配分模式(圖2a)中可以看出，曲線La-Sm較陡，Eu為低谷，具有明顯的Eu負異常；曲線Dy-Lu 段較平緩，整體具有典型沉積巖稀土配分曲線的特點。圖2b為北美頁巖標準化稀土分布圖解，孫家溝組稀土元素整體富集，部分樣品顯示Eu負異常；劉家溝組泥質(zhì)巖稀土元素含量北美頁巖標準值顯示樣品稀土元素輕微虧損，曲線較為平坦，樣品顯示Eu略正異常，這可能與物源混入少量深源物質(zhì)有關(guān)；和尚溝組稀土曲線平坦，標準化值近似等于1。各組泥質(zhì)巖NASC標準化曲線顯示孫家溝組部分樣品Eu負異常明顯，劉家溝組與和尚溝組樣品曲線多表現(xiàn)為平坦，僅稀土元素含量相對不同，推斷這一時期其物源可能主要來自上地殼。

圖2 宜洛盆地二疊—三疊系泥質(zhì)巖稀土元素球粒隕石標準化(a)及北美頁巖標準化(b)配分模式圖

(球粒隕石標準化數(shù)值取自Boynton，1984[19]；平均上地殼標準化數(shù)值據(jù)Rudnivk，et al，2003[20])

Fig.2 Chondrite-normalized (a) and NASC-normalized (b) REE distribution patterns for the Permian to Triassic argillaceous rocks from the Yiluo Basin (Chondrite-normalized values from Boynton 1984; NASC-normalized values from Rudnivk et al., 2003)

4 討論

4.1 沉積物源屬性分析

沉積巖中一些微量元素相對穩(wěn)定，不易受到后期沉積成巖作用的影響，一旦被記錄在巖石體系中，較為容易保存，成為研究巖石地質(zhì)成因的地球化學(xué)指示劑[7]。利用微量元素這一特性，通過分析沉積巖微量元素成分，可以較好地反映物源區(qū)構(gòu)造演化背景和構(gòu)造演化特征[21]。前人通過對典型構(gòu)造背景下碎屑巖地球化學(xué)元素組成研究建立了一系列判別圖解，并且得到了地質(zhì)學(xué)界的廣泛認可和應(yīng)用[22-23]。

La/Th-Hf圖解[25]可用于分析物源區(qū)源巖屬性，由圖3a可以看出，宜洛盆地孫家溝組物源屬性相對較為復(fù)雜，孫家溝組下部平頂山砂巖段樣品落于被動大陸邊緣位置，表明孫家溝組早期物源主要來自被動大陸邊緣；孫家溝組土門段樣品大部落在長英質(zhì)源區(qū)和長英質(zhì)、基性巖混合源區(qū)內(nèi)，少量落在安山弧源右側(cè)，具有物源混源型特征；劉家溝組樣品2塊落在長英質(zhì)源，4塊落在長英質(zhì)、基性巖混合源范圍內(nèi)，物源與孫家溝組物源有了較大不同；和尚溝組樣品則位于長英質(zhì)火山巖和增加古老沉積物范圍內(nèi)，具有一定比例的再旋回沉積物。Co/Th- La/Sc判別圖解和La/Th-Hf判別圖解結(jié)果相似(圖3b)，孫家溝組樣品主要位于長英質(zhì)火山巖范圍，少量樣品趨近于花崗巖和安山巖源區(qū)；劉家溝組樣品大部位于長英質(zhì)火山巖范圍，有1塊樣品位于花崗巖范圍；和尚溝組樣品都位于長英質(zhì)源區(qū)內(nèi)。孫家溝組早期和劉家溝組樣品Co/Th值普遍較小，平均值為0.86，物源主要受酸性火山巖的影響。REE-La/Yb判別圖解(圖3c)可見劉家溝組樣品大部落在花崗巖和沉積巖區(qū)域，孫家溝組和和尚溝組樣品主要具有花崗巖的屬性。

4.2 沉積物源區(qū)構(gòu)造背景分析

沉積巖中稀土元素(REE)是非遷移的，在沉積巖中含量主要受物源區(qū)巖石組成控制，后期的風化、沉積成巖作用對其影響相對較弱[7,25,32]，其分布特征可以作為判別物源區(qū)構(gòu)造背景的有效方法。

圖3 宜洛盆地二疊—三疊系泥質(zhì)巖源巖屬性判別圖解

(Hf-La/Th圖解據(jù)Gu X X et al., 2002[25]；La/Sc-Co/Th圖解據(jù)Floyd et al., 1987[26]；REE-La/Yb圖解據(jù)Alleare, 1978[27];Zr/Sc-Th/Sc圖解據(jù)McLennan et al., 2003[7])

Fig.3 Discrimination diagram for the provenances of the Permian to Triassic argillaceous rocks from the Yiluo Basin

Bhatia等(1986)通過研究沉積巖微量元素成分與板塊構(gòu)造環(huán)境的關(guān)系，把沉積巖物源區(qū)構(gòu)造背景分為活動大陸邊緣、被動大陸邊緣、大陸島弧和大洋島弧4種類型[23]，并利用Th-Co-Zr/10與Th-Sc-Zr/10三角圖進行了構(gòu)造環(huán)境判別分析。

Th-Co-Zr/10與Th-Sc-Zr/10判別圖解(圖4a、b)可以看出，孫家溝組樣品主要落在被動大陸邊緣區(qū)域、活動大陸邊緣和大陸島弧區(qū)域，表明物源區(qū)構(gòu)造背景為被動大陸邊緣、活動大陸邊緣和大陸島弧為主的環(huán)境；劉家溝組樣品主要落在活動大陸邊緣和大陸島弧位置，另有1個樣品落在被動大陸邊緣區(qū)域，表明劉家溝組具有大陸島弧和活動大陸邊緣物源背景；和尚溝組樣品物源構(gòu)造背景較為單一，全部落在大陸島弧區(qū)間。

Bhatia等提出沉積巖中利用La/Th與Th/U的比值判別物源類型[4]，并提出當Th/U值約為2.5～3時，其源巖主要為島弧火山巖；Th/U值約為 4.5 的范圍時，物源主要以沉積巖為主同時可能有島弧火山巖碎屑巖的混入；當Th/U值約為 6時，可以認為其物源主要是再旋回沉積巖[7]。由表1可知，宜洛盆地孫家溝組Th/U比值范圍2.03～5.55，平均值為3.61，其中Th/U比值以2.55～5.55為主，表明物源以島弧火山巖和沉積巖物源為主，同時有少量再旋回沉積巖的存在；劉家溝組Th/U值為5.41～6.42，均值5.85，和尚溝組Th/U比值范圍5.12～6.22，平均值5.53，表明劉家溝組與和尚溝組物源風化程度較大，為沉積巖和再旋回沉積巖。

結(jié)合Th/U比值變化趨勢與La/Th-Hf源巖屬性判別圖解，宜洛盆地上二疊統(tǒng)—下三疊統(tǒng)物源經(jīng)歷了被動大陸邊緣為主-活動大陸邊緣和大陸島弧為主和被動大陸邊緣為輔-大陸島弧的演化過程。

圖4 宜洛盆地二疊系—三疊系物源區(qū)構(gòu)造背景判別[4]

Fig.4 Discrimination diagram for the tectonic interpretation of the Permian to Triassic argillaceous rocks from the Yiluo Basin (after Bkatia et al,1986)

4.3 大地構(gòu)造意義

秦嶺造山帶構(gòu)造演化史一直是國內(nèi)外研究的熱點。晚古生代—中生代北秦嶺造山帶依次經(jīng)歷了殘留商丹洋盆關(guān)閉和強烈的陸內(nèi)造山過程，但對于殘留商丹洋盆關(guān)閉時間與過程尚存在爭議[9]。宜洛盆地是形成和發(fā)展伴隨著秦嶺造山帶造山過程[28]，本文從盆山耦合的角度，通過對宜洛盆地物源與構(gòu)造背景分析來很好地還原當時的構(gòu)造演化過程。

稀土元素分析表明，上二疊統(tǒng)孫家溝組沉積物源來源多樣，沉積物主要來自活動大陸邊緣和大陸島弧，少量來自被動大陸邊緣。宜洛盆地位于華北克拉通南緣，克拉通本身可以提供被動大陸邊緣沉積物，但是大陸島弧沉積物難以越過弧后盆地進入宜洛盆地內(nèi)部，可能此時早期大陸島弧已經(jīng)與華北克拉通拼接，發(fā)生“弧-陸”碰撞，向宜洛盆地提供物源。劉家溝組物源與孫家溝組物源構(gòu)造背景屬性基本相同，均主要為活動大陸邊緣，并有少量被動大陸邊緣沉積物；和尚溝組物源屬性主要為大陸島弧，這一時期樣品普遍具有沉積再循環(huán)特征，有可能早期沉積物隨造山帶隆升過程中被剝蝕進入再循環(huán)的結(jié)果。

秦嶺造山帶由勉略縫合帶、秦嶺和商丹縫合帶三部分構(gòu)成。商丹洋盆在晚前寒武紀開始擴張并在寒武紀晚期開始向華北板塊俯沖，并逐漸關(guān)閉洋盆[28]；勉略洋盆擴張關(guān)閉時間較晚，在晚古生代勉略洋盆開始孕育發(fā)展，二疊紀—中三疊世之間向秦嶺微地塊俯沖碰撞，形成華北板塊南緣活動大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境。張國偉等(1996)在太白山和豫西西峽地區(qū)秦嶺造山帶內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了晚古生代俯沖碰撞型花崗巖體，如寶雞(262Ma)、祚水(264Ma)等，這表明秦嶺造山帶碰撞時間不會晚于上二疊統(tǒng)孫家溝組時期[30]。這一時期秦嶺微地塊向北俯沖克拉通基底，并逐步擠壓商丹洋盆并促使洋盆關(guān)閉。洋盆中殘留島弧被推覆至華北克拉通南緣之上，表現(xiàn)為“弧-陸”碰撞形式。因此筆者推斷，早古生代商丹洋盆與華北板塊南緣俯沖碰撞形成的活動大陸邊緣成為晚二疊世的主要物源。劉家溝組與和尚溝組物源具有再旋回沉積巖特征，結(jié)合北秦嶺造山帶構(gòu)造特征，認為物源可能為二郎坪弧后盆地沉積物剝蝕再次旋回[9,31]。

5 結(jié)論

(1)泥質(zhì)巖稀土元素球粒隕石標準化曲線顯示輕稀土元素富集，為右傾式曲線。元素Eu中度負異常，元素Ce輕微虧損，元素輕重稀土分異明顯，符合上地殼稀土元素分布特征。

(2)泥質(zhì)巖源區(qū)源巖屬性判別圖解顯示，宜洛盆地物源以長英質(zhì)巖為主，主要來自于上地殼，孫家溝組后期有少量古老地層混入。構(gòu)造背景判別圖解顯示，孫家溝組—劉家溝組沉積時期物源區(qū)主要形成在被動大陸邊緣、活動大陸邊緣和大陸島弧構(gòu)造背景中，和尚溝組則為大陸島弧構(gòu)造背景。物源經(jīng)歷了被動大陸邊緣為主-活動大陸邊緣主和被動大陸邊緣為輔-大陸島弧為主的演化過程。

(3)華北克拉通南緣和秦嶺是宜洛盆地重要物源區(qū)，華北地臺北部內(nèi)蒙古隆起可能提供了一定量的物源。孫家溝組早期以克拉通內(nèi)部物源為主，孫家溝組土門段之后南部秦嶺物源供給明顯，體現(xiàn)了華北克拉通南緣基底隆升，由被動大陸邊緣向秦嶺造山帶初始“弧-陸”碰撞隆升的構(gòu)造演化過程。