徐剛, 王越, 劉子暢, 呂行, 高淑芳
(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所,成都 610041; 2.四川省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局川西北地質(zhì)隊(duì),綿陽(yáng) 621000; 3.青海油田勘探開(kāi)發(fā)研究院,敦煌 736202)
碎屑沉積巖記錄了源巖的成分特征、物源區(qū)風(fēng)化條件和大地構(gòu)造背景等信息,其地球化學(xué)特征可用于分析沉積源區(qū)性質(zhì)和構(gòu)造環(huán)境。稀土元素及某些微量元素在沉積水體中的溶解度低,且在沉積過(guò)程中很少發(fā)生分異,相對(duì)穩(wěn)定,可有效地指示地質(zhì)作用過(guò)程、物源區(qū)性質(zhì)及大地構(gòu)造環(huán)境[1-7],也可反映物源區(qū)古風(fēng)化特征,為古氣候研究提供地球化學(xué)證據(jù)。此外,泥質(zhì)巖因粒度細(xì)、成分均勻、吸附性強(qiáng)而被廣泛應(yīng)用于地球化學(xué)特征研究。
四川盆地是以龍門(mén)山斷裂為西界、七曜山斷裂為東界、城口斷裂為北界、峨眉—瓦山斷裂為南界的菱形構(gòu)造兼地貌盆地[8-9]。早白堊世劍門(mén)關(guān)組主要分布于四川盆地北部,前人對(duì)該地層進(jìn)行了較多的沉積學(xué)研究[10-12],但地球化學(xué)特征研究相對(duì)薄弱。因此,筆者選取四川盆地北部早白堊世劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖為研究對(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、古風(fēng)化作用及其對(duì)古氣候的指示作用。
四川盆地位于揚(yáng)子地塊西部,是周緣造山帶共同疊加形成的多旋回構(gòu)造疊合盆地[8]。印支期揚(yáng)子地臺(tái)西部松潘—甘孜地塊、北部秦嶺造山帶及東部雪峰—武陵褶皺帶,向揚(yáng)子地臺(tái)俯沖,揚(yáng)子地臺(tái)北緣發(fā)生構(gòu)造反轉(zhuǎn),四川盆地開(kāi)始沉積,進(jìn)入盆地的形成和演化階段。四川盆地的演化分為晚三疊世周緣前陸盆地演化階段、早—晚侏羅世陸內(nèi)前陸盆地演化階段、早白堊世盆地萎縮階段和中白堊世—新近紀(jì)盆地衰亡階段4個(gè)階段[13-18]。
劍門(mén)關(guān)組是四川盆地構(gòu)造演化晚期萎縮階段沉積的一套陸相磨拉石建造,對(duì)四川盆地早白堊世構(gòu)造演化研究具有重要意義。研究區(qū)位于四川省蒼溪縣高坡鎮(zhèn)附近,早白堊世劍門(mén)關(guān)組超覆不整合于蓮花口組之上,與下伏蓮花口組呈平行不整合接觸(圖1)。
1.第四系沖積物; 2.早白堊世漢陽(yáng)鋪組; 3.早白堊世劍門(mén)關(guān)組; 4.晚侏羅世蓮花口組; 5.晚侏羅世遂寧組; 6.中侏羅世沙溪廟組; 7.實(shí)測(cè)剖面及編號(hào)
圖1 研究區(qū)大地構(gòu)造位置(a)及地質(zhì)簡(jiǎn)圖(b)[7]
Fig.1 Tectonic location (a) and geological sketch (b) of the study area[7]
研究區(qū)早白堊世劍門(mén)關(guān)組可分為2段。
劍門(mén)關(guān)組一段: 粗碎屑巖,厚112.7~312.5 m,以紫紅色、灰紫色厚—巨厚層狀和中厚層狀的中粒、中細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石巖屑砂巖(圖2(a))和不等粒巖屑砂巖為主,夾紫紅色和少量黃灰色鈣質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等,局部底部出露礫巖透鏡體。該段發(fā)育槽狀交錯(cuò)層理(圖2(b))、斜層理(圖2(c))、平行層理和水平層理,可見(jiàn)蟲(chóng)跡(蟲(chóng)管)(圖2(d))潛穴構(gòu)造。鈣質(zhì)泥巖中可見(jiàn)姜狀鈣質(zhì)結(jié)核。
(a) 長(zhǎng)石巖屑砂巖 (b) 槽狀交錯(cuò)層理 (c) 斜層理
(d) 蟲(chóng)管 (e) 鈣質(zhì)粉砂巖 (f) 沙紋層理
Q.石英; F.長(zhǎng)石; R.巖屑; Cal.方解石
圖2 研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組野外地質(zhì)特征及顯微鏡下特征照片
Fig.2 Field and microscopic characteristics of Jianmenguan Formation in the study area
劍門(mén)關(guān)組二段: 細(xì)碎屑巖,厚46.6~478.4 m,以紫紅色、磚紅色薄層狀和中厚層狀泥巖、粉砂巖、鈣質(zhì)泥巖和鈣質(zhì)粉砂巖(圖2(e))為主,夾淺灰綠色、黃灰色、紫紅色中粒、中細(xì)粒巖屑長(zhǎng)石砂巖、巖屑砂巖和長(zhǎng)石砂巖,局部夾礫巖透鏡體。該段發(fā)育水平層理、沙紋層理(圖2(f))、平行層理、斜層理、交錯(cuò)層理、重荷模、泥裂等沉積構(gòu)造。
9件樣品均采自早白堊世劍門(mén)關(guān)組實(shí)測(cè)剖面(圖3)上,巖性為泥質(zhì)巖。樣品較新鮮,未發(fā)生明顯蝕變、礦化或次生風(fēng)化作用。主量元素和微量元素地球化學(xué)測(cè)試工作在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)綜合利用研究所完成。按《GB/T 14506—2010硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》[19]對(duì)樣品進(jìn)行分析。將樣品粉碎后過(guò)200目篩,保證樣品粒徑<74 μm,在105 ℃預(yù)干燥2~4 h后,置于干燥器中,冷卻至室溫。主量元素采用X熒光光譜分析,采用熔片法,取0.7 g樣品、5.2 g無(wú)水四硼酸鋰、0.4 g氟化鋰和 0.3 g 硝酸銨在瓷坩堝中拌均勻后,移入鉑金合金坩堝中,并加入1 ml溴化鋰溶液,在熔樣機(jī)中加熱至1 150~1 250 ℃融制成片。微量元素采用等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)試,采用HF+HNO3密閉高壓溶樣,溶解好的樣品溶液在等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)上測(cè)定,溶樣和分析流程見(jiàn)《GB/T 14506—2010硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法》[19]。元素分析誤差<5%,重復(fù)樣分析結(jié)果吻合。
早白堊世劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖主量元素含量及特征參數(shù)見(jiàn)表1。與澳大利亞后太古宙平均頁(yè)巖(PAAS)[3]對(duì)比,發(fā)現(xiàn)研究區(qū)泥質(zhì)巖主量元素富CaO、MgO,貧Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、TiO2、P2O5、MnO,SiO2含量與PAAS相當(dāng)。
表1 研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖主量元素含量及特征參數(shù)
注: CIA=[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)]×100,式中化學(xué)成分含量均為摩爾分?jǐn)?shù),CaO*指巖石硅酸鹽CaO的含量。
研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖微量元素含量及特征參數(shù)見(jiàn)表2。與大陸上地殼(UCC)微量元素含量[3]相比(圖4),劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖富Cr、Cs、V,貧Sr、Nb及放射性元素U、Hf,Zr、Th、Co含量與大陸上地殼相當(dāng)??傮w來(lái)看,劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖微量元素豐度與上地殼微量元素豐度相當(dāng),與其形成于陸相盆地的構(gòu)造背景相吻合。
表2 研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖微量元素含量及特征參數(shù)
圖4 研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖UCC
研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖稀土元素含量及特征參數(shù)見(jiàn)表3。稀土元素總量為(164.96~234.35)×10-6,平均值為185.26×10-6,與PAAS值(184.77×10-6)相當(dāng)。LREE/HREE(輕稀土/重稀土)值為11.77~15.87,平均值為13.42,遠(yuǎn)>1,輕、重稀土元素分餾程度高,輕稀土元素相對(duì)富集。PAAS標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線(圖5)弱右傾,輕、重稀土元素曲線特征稍有差別。(La/Sm)N=1.01~1.46,平均值為1.19(>1),說(shuō)明輕稀土元素較富集,且輕稀土元素分餾程度較低; (Tb/Yb)N=1.15~1.42,平均值為1.24(>1),說(shuō)明重稀土元素分餾程度較低。泥質(zhì)巖具有弱的正Eu異常(δEu=1.08~1.15,平均值為1.10),Ce基本無(wú)異常(δCe為0.85~1.13,平均值為1.06)。此外,研究區(qū)泥質(zhì)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)源于同一物源區(qū)。
表3 研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖稀土元素含量及特征參數(shù)
續(xù)表
圖5 研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖PAAS標(biāo)
5.1.1 主量元素的指示
當(dāng)泥質(zhì)巖K2O/Al2O3值>0.5時(shí),說(shuō)明母巖含有相當(dāng)數(shù)量的堿性長(zhǎng)石; 當(dāng)泥質(zhì)巖K2O/Al2O3值<0.4時(shí),說(shuō)明母巖含有少量的堿性長(zhǎng)石[20-21]。Girty等[22]認(rèn)為,沉積物Al2O3/TiO2值<14時(shí),物源可能來(lái)源于鎂鐵質(zhì)巖石; 沉積物Al2O3/TiO2值為19~28時(shí),物源可能來(lái)源于安山質(zhì)和流紋英安質(zhì)(或花崗閃長(zhǎng)質(zhì)和英云閃長(zhǎng)質(zhì))巖石。研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖K2O/Al2O3值為0.18~0.22(平均值為0.20),Al2O3/TiO2值為16.98~21.84(平均值為19.03)(表1),表明劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖母巖中堿性長(zhǎng)石含量較低,物源主要來(lái)源于長(zhǎng)英質(zhì)巖石,而非鎂鐵質(zhì)巖石。
5.1.2 微量元素的指示
泥質(zhì)巖的微量元素地球化學(xué)特征可應(yīng)用于判別物源區(qū)的性質(zhì)[21],Cr/Zr值可反映鎂鐵質(zhì)與長(zhǎng)英質(zhì)對(duì)沉積物的相對(duì)貢獻(xiàn)[23]。研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖Cr/Zr值為0.27~0.54,平均值為0.39(表2),說(shuō)明源區(qū)物質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主。泥質(zhì)巖Cr/Th值為6.13~8.06,平均值為7.15(表2),位于長(zhǎng)英質(zhì)源區(qū)范圍[24],進(jìn)一步表明研究區(qū)碎屑巖源區(qū)物質(zhì)以長(zhǎng)英質(zhì)為主。
5.1.3 稀土元素的指示
稀土元素、高場(chǎng)強(qiáng)元素及部分過(guò)渡金屬元素是沉積過(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[25-26]。La/Yb-∑REE圖解(圖6)中,研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖投影點(diǎn)全部落在沉積巖區(qū),且與PAAS投點(diǎn)緊鄰,說(shuō)明研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組沉積巖的原始物質(zhì)源自上地殼,物源區(qū)為沉積巖。在Hf-La/Th圖解(圖7)中,研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖投影點(diǎn)落于長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合物源區(qū)附近,并有向安山巖島弧物源區(qū)演化的趨勢(shì)。沉積物中Eu的來(lái)源包括陸緣碎屑、海底熱液、沉積物從海水中吸附的生物及隕石等[28],研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖具有弱的正Eu異常,來(lái)源于陸源碎屑,物源區(qū)可能出露富含斜長(zhǎng)石、重晶石等富Eu礦物的巖石,進(jìn)一步反映四川盆地劍門(mén)關(guān)組成熟度較低,為近距離搬運(yùn)的產(chǎn)物。
圖6 研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖La/Yb-∑REE圖解[27]
圖7 研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖Hf-La/Th圖解[29]
綜上,四川盆地劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖源自上地殼,物源區(qū)為長(zhǎng)英質(zhì)巖區(qū),可能出露富含斜長(zhǎng)石、重晶石等富Eu礦物的巖石。
5.2.1 主量元素構(gòu)造環(huán)境判別
利用碎屑巖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)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣4種類(lèi)型[30-32]。在TiO2-(TFe2O3+MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖8(a))、Al2O3/SiO2-(TFe2O3+MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖8(b))中,研究區(qū)泥質(zhì)巖樣品投影點(diǎn)主要落在島弧區(qū)內(nèi); 在Al2O3/(CaO+Na2O)-(TFe2O3+MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖8(c))中,研究區(qū)泥質(zhì)巖樣品投影點(diǎn)主要落在與島弧相鄰的不確定區(qū),反映劍門(mén)關(guān)組物源區(qū)具有復(fù)雜的構(gòu)造背景; 在K2O/Na2O-SiO2構(gòu)造環(huán)境判別圖(圖8(d))中,研究區(qū)泥質(zhì)巖樣品投影點(diǎn)主要落在島弧和活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域,反映物源區(qū)具有活動(dòng)大陸邊緣向大陸島弧轉(zhuǎn)化的構(gòu)造環(huán)境特點(diǎn)。綜上,研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組碎屑巖源區(qū)的構(gòu)造環(huán)境主要為大陸島弧。
(a) TiO2-(TFe2O3+MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖 (b) Al2O3/SiO2-(TFe2O3+MgO)構(gòu)造環(huán)境判別圖
(c) Al2O3/(CaO+Na2O)-(TFe2O3+MgO) (d) K2O/Na2O-SiO2構(gòu)造環(huán)境判別圖構(gòu)造環(huán)境判別圖
A.大洋島弧; B.大陸島弧; C.活動(dòng)大陸邊緣; D.被動(dòng)大陸邊緣;.劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖
圖8 研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖主量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖
Fig.8 Tectonic setting discrimination diagrams of major elements composition of the mudstones of Jianmenguan Formation
5.2.2 微量元素構(gòu)造環(huán)境判別
利用碎屑巖La、Th、Sc、Co、Zr、U、Hf等元素比值及相關(guān)性可判別構(gòu)造環(huán)境[33]。Bhatia[31]認(rèn)為: 當(dāng)Th/U值為2.5~3時(shí),物源主要為島弧火山巖; 當(dāng)Th/U值約為4.5時(shí),物源主要以沉積巖為主,可能有島弧火山巖碎屑混入; 當(dāng)Th/U值約為6時(shí),物源主要為再旋回沉積巖,且源巖可能存在Th礦化; 當(dāng)La/Th值為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值約為4.5,Hf含量為(4~5)×10-6時(shí),為大陸島弧構(gòu)造背景; 當(dāng)La/Th值約為2.6,Hf含量>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。研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖Th/U值為6.34~7.33,平均值為6.72,說(shuō)明物源主要是再旋回沉積巖,與La/Yb-∑REE圖解(圖6)一致; La/Th值為3.16~6.62,平均值為4.29,Hf含量為(1.82~2.77)×10-6,平均值為2.47×10-6,說(shuō)明物源區(qū)為島弧構(gòu)造環(huán)境。在Co-Th-Zr/10和Zr-Th判別圖解中(圖9),研究區(qū)泥質(zhì)巖全部落入大陸島弧區(qū),說(shuō)明研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組物源區(qū)為大陸島弧構(gòu)造環(huán)境,與燕山期龍門(mén)山持續(xù)隆起的構(gòu)造背景相對(duì)應(yīng)。
5.2.3 構(gòu)造判別結(jié)果
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)劍門(mén)關(guān)組物源區(qū)為大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境。綜合前人研究成果[7-9,13-18],認(rèn)為四川盆地經(jīng)歷了前印支期(古生代)泛揚(yáng)子西緣長(zhǎng)期被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境后,進(jìn)入三疊紀(jì),尤其是中、晚三疊世,隨著揚(yáng)子古陸向北、向西俯沖,古特提斯洋關(guān)閉,此為四川盆地早期周緣前陸盆地演化階段。隨著古特提斯洋的消亡,晚三疊世諾利晚期—瑞替期的勞亞陸塊、羌塘—昌都陸塊及揚(yáng)子陸塊碰撞拼貼,最終形成NE-SW向松潘—甘孜褶皺帶,原來(lái)具周緣前陸盆地性質(zhì)的巴顏喀拉—松潘—甘孜海槽幾乎全被褶皺侵位,導(dǎo)致?lián)P子板塊西部邊緣發(fā)生板內(nèi)俯沖,龍門(mén)山隆起,從而進(jìn)入陸內(nèi)類(lèi)前陸盆地演化階段,其間分布陸緣島弧,為盆地提供了沉積物源。至此,四川盆地由前印支期的被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境轉(zhuǎn)化為晚三疊世以來(lái)具有島弧特征的活動(dòng)大陸邊緣環(huán)境,并持續(xù)至今。劍門(mén)關(guān)組是該構(gòu)造環(huán)境下的沉積產(chǎn)物,與燕山期龍門(mén)山持續(xù)隆起有關(guān)。研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖地球化學(xué)特征研究結(jié)果進(jìn)一步印證了上述結(jié)論。
A.大洋島??; B.大陸島??; C.活動(dòng)大陸邊緣; D.被動(dòng)大陸邊緣; .劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖
5.3.1 A-CN-K圖解
研究表明,在A-CN-K判別圖解中,斜長(zhǎng)石-鉀長(zhǎng)石風(fēng)化形成黏土礦物的過(guò)程應(yīng)平行圖解的CN一側(cè),未風(fēng)化的英云閃長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖和花崗巖投影(T、Gd和G)應(yīng)在長(zhǎng)石連線上[34]。將研究區(qū)泥質(zhì)巖樣品數(shù)據(jù)投影到A-CN-K判別圖解(圖10)中,并畫(huà)出預(yù)測(cè)風(fēng)化趨勢(shì)線,可知實(shí)際風(fēng)化過(guò)程相對(duì)圖中虛線具有向右傾斜的趨勢(shì)。風(fēng)化過(guò)程中,巖石發(fā)生鉀交代作用,可能有2種方式: 一是富A1礦物如高嶺石、長(zhǎng)石發(fā)生伊利石化; 二是斜長(zhǎng)石變成自生鉀長(zhǎng)石??衫蔑L(fēng)化趨勢(shì)線與鉀長(zhǎng)石-斜長(zhǎng)石連線的交點(diǎn)估算風(fēng)化作用前斜長(zhǎng)石與鉀長(zhǎng)石的比例。劍門(mén)關(guān)組源巖發(fā)生鉀交代作用,長(zhǎng)石中的高嶺石發(fā)生伊利石化,使風(fēng)化趨勢(shì)線向右與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)化趨勢(shì)線呈夾角。風(fēng)化趨勢(shì)線反向延長(zhǎng)與斜長(zhǎng)石-鉀長(zhǎng)石連線的交點(diǎn),與花崗閃長(zhǎng)巖端員幾乎重合,可估算物源區(qū)斜長(zhǎng)石與鉀長(zhǎng)石的比例約為4∶1。
T.英云閃長(zhǎng)巖; Gd.花崗閃長(zhǎng)巖; G.花崗巖; A=Al2O3;
CN=CaO+Na2O; K=K2O;.劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖
圖10 研究區(qū)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖A-CN-K判別圖解
Fig.10 A-CN-K discrimination diagram of the mudstones of Jianmenguan Formation
5.3.2 CIA指數(shù)
劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖CIA值為66.04~74.15,平均值為69.93,利用A-CN-K判別圖解可估算泥質(zhì)巖未受鉀交代作用的CIA值約為83。由此可知,研究區(qū)泥質(zhì)巖是在溫暖、濕潤(rùn)條件下經(jīng)歷中等程度的化學(xué)風(fēng)化作用形成的,且在風(fēng)化過(guò)程中發(fā)生了鉀交代作用。
(1)四川盆地早白堊世劍門(mén)關(guān)組沉積物源區(qū)構(gòu)造地質(zhì)背景復(fù)雜,具有活動(dòng)大陸邊緣向大陸島弧轉(zhuǎn)化的特點(diǎn),與燕山期龍門(mén)山持續(xù)隆起的構(gòu)造背景相對(duì)應(yīng)。
(2)劍門(mén)關(guān)組泥質(zhì)巖來(lái)源于同一物源,為近物源再旋回沉積巖,源巖為沉積巖。
(3)劍門(mén)關(guān)組源巖可能富含斜長(zhǎng)石、重晶石等富Eu礦物,斜長(zhǎng)石含量高于鉀長(zhǎng)石。物源區(qū)為溫暖、濕潤(rùn)的氣候,源巖在沉積前經(jīng)歷了中等程度的化學(xué)風(fēng)化作用,并發(fā)生了鉀交代作用。