吳忠銀，顧尚義

(貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025)

在新元古代出現(xiàn)的全球性冰期事件形成 “雪球地球”[1]。然而，新元古代冰期地球表面是完全被冰覆蓋還是在海洋中存在開(kāi)放的水域，學(xué)界仍有較大的爭(zhēng)議[2-3]。越來(lái)越多的沉積學(xué)證據(jù)表明，新元古代全球性冰期存在明顯的氣候波動(dòng)[2,4-6]。氣候波動(dòng)會(huì)被記錄在反映源區(qū)化學(xué)風(fēng)化程度的同冰期沉積的碎屑沉積巖的礦物組成及化學(xué)組成中[2]。研究地質(zhì)歷史時(shí)期的氣候變化情況最廣泛的手段是碎屑沉積巖的化學(xué)蝕變指數(shù)(chemical index of alteration，簡(jiǎn)稱(chēng)CIA)[2,7-10]。

Fedo等[7]通過(guò)前人對(duì)前寒武紀(jì)頁(yè)巖、古土壤等大量的研究，計(jì)算其CIA指數(shù)，發(fā)現(xiàn)在A-CN-K三角圖中，鉀明顯偏向A-K軸，被解釋為鉀的交代作用，并被廣泛引用[11-15]。然而，研究者通過(guò)A-CN-K圖解釋鉀交代時(shí)，極少提供交代作用的巖石學(xué)證據(jù)。

華南地區(qū)南沱組是新元古代冰期研究最為廣泛的地層，作者選擇了華南地區(qū)一鉆孔巖芯中的南沱組進(jìn)行詳細(xì)的巖石學(xué)和地球化學(xué)研究，以期探討源巖組成對(duì)巖石CIA指數(shù)的影響，進(jìn)而揭示南沱冰期巖石組成中鉀的富集作用并非成巖過(guò)程中鉀交代的結(jié)果，而是其源區(qū)不同巖石組成所致。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)位于貴州省松桃縣，地處揚(yáng)子板塊中部(圖1)[16]。揚(yáng)子板塊和華夏板塊在新元古代沿?fù)P子板塊東南緣的江南造山帶碰撞融合[17-18]，形成Rodinia超大陸的一部分。隨后Rodinia超大陸在新元古代晚期發(fā)生裂解，在華南形成裂谷盆地，裂谷盆地內(nèi)形成南華系沉積[19-20]。

區(qū)域內(nèi)南華系包括大塘坡、富祿間冰期沉積和南沱冰期沉積[17]。間冰期大塘坡組主要巖性為頁(yè)巖、泥巖、粉砂巖[21]。南沱組在內(nèi)陸棚的厚度為幾米到幾十米，在盆地環(huán)境的厚度可大于2000 m[16-17]。在斜坡和盆地環(huán)境中，南沱組與下伏地層大塘坡和富祿組整合接觸[22]，與上覆陡山沱組蓋帽碳酸鹽巖，即3至6 m厚的白云巖也呈整合接觸。所采鉆孔中南沱組主要為斜坡沉積。

圖1 揚(yáng)子板塊南沱期古地理圖(據(jù)Jiang等2011修改)Fig.1 Paleogeographic map of the nantuo formation in the yangtze block (modified from Jiang et al., 2011)

2 采樣與分析方法

以大塘坡組為底，陡山沱組為頂，編錄巖芯260 m，詳細(xì)觀察巖芯的巖性和沉積構(gòu)造特征變化情況。巖性變化和構(gòu)造特征顯著巖芯段，用劈芯法進(jìn)行采樣，分別磨制薄片和進(jìn)行化學(xué)分析。該段南沱組厚245.5 m，自上而下采集16個(gè)樣品。化學(xué)分析樣品不取全巖，用合金鉆頭電鉆鉆取雜礫巖的細(xì)粒組分，在采樣位置鉆取時(shí)，盡可能淺而多。鉆取的粉末用瑪瑙研缽研磨到小于200目后，分別送至廣州澳實(shí)礦物實(shí)驗(yàn)室做主量元素分析和貴州星月測(cè)試科技有限公司做微量元素分析。主量元素采用X射線(xiàn)熒光光譜儀熔融法分析，微量元素采用ICP-MS法分析。

3 巖石學(xué)特征

3.1 結(jié)構(gòu)特征

鉆孔102(ZK102)巖芯814.8～1060.3 m為南沱組，共245.5 m。南沱組與下伏地層頂部灰至深灰色粉砂質(zhì)泥巖呈過(guò)渡關(guān)系，以礫石的出現(xiàn)作為南沱組的底。下伏地層含黑色炭質(zhì)頁(yè)巖夾灰黑色、鋼灰色條帶狀菱錳礦，確定為大塘坡組。上覆地層為灰色、灰白色白云巖，厚約2.40 m，確定為陡山沱組底部“蓋帽白云巖”。巖芯連續(xù)完整，除采取巖芯時(shí)造成的巖芯破碎外，巖芯中未發(fā)現(xiàn)構(gòu)造破碎帶(圖2)。巖性以雜礫巖、砂巖為主，含少量粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，下部夾一層薄層白云巖。簡(jiǎn)述如下：

圖2 鉆孔102巖芯照片F(xiàn)ig.2 Photographs showing sedimentology of Nantuo Formation

粉砂巖：深灰色粉砂巖，在南沱組中出現(xiàn)兩段，第二段中含有少量礫石，礫石含量小于5%，以石英為主，礫石顆粒較大，粒徑大于7 mm，有粒徑大于50 mm，部分發(fā)育同生沉積構(gòu)造層理。共12.0 m，約占南沱組4.9%。

雜礫巖：灰色-深灰色，礫石含量在3%～35%之間，主要含量為30%左右。礫石以石英、淺變質(zhì)巖、長(zhǎng)石等為主，有少量碳酸鹽巖和花崗巖，細(xì)粒組分為砂巖，與陡山沱組相接約有7 m為粉砂質(zhì)泥巖；底部礫石以“孤石”形式存在于砂巖中；分選較差，2～40 mm，偶見(jiàn)大于50 mm礫石，分布不均一，呈次圓狀、次棱角狀、棱角狀、“熨斗狀”。礫石含量較少，較小部分沉積構(gòu)造發(fā)育，有扭曲層理、包卷層理(圖2(c)、(d)、(e))。約187.5 m，占南沱組76.3%左右。

砂巖：灰色至淺灰色砂巖，巖芯中很少存在不含礫石的砂巖。6 m，占南沱組2.4%左右。

白云巖：灰白色細(xì)晶白云巖，晶洞較為發(fā)育，下部有裂隙被方解石脈充填，2.5 m，占南沱組1.0%左右。

泥質(zhì)粉砂巖：灰白色泥質(zhì)粉砂巖，該段南沱組中出現(xiàn)三段，部分有裂隙被方解石脈充填，37.5 m，占南沱組不到15.3%。

3.2 礦物學(xué)特征

巖芯薄片中礫石成分主要為長(zhǎng)石和石英，填隙物主要礦物為石英，還含有數(shù)量不等的鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石。光學(xué)顯微鏡下主要呈碎屑結(jié)構(gòu)，碎屑顆粒有石英，鉀長(zhǎng)石、斜長(zhǎng)石和伊利石。鉀長(zhǎng)石以條紋長(zhǎng)石多見(jiàn)，風(fēng)化較弱，呈次圓狀和次棱角狀(圖3)，沿解理及邊緣見(jiàn)伊利石化現(xiàn)象(圖3(b)，(d))；斜長(zhǎng)石聚片雙晶發(fā)育(圖3(c)、(d))，呈次棱角狀，多風(fēng)化較嚴(yán)重，部分斜長(zhǎng)石完全絹云母化(圖3(e)、(f))；少量斜長(zhǎng)石表面平整，風(fēng)化弱。

注：Qtz—石英；Kfs—鉀長(zhǎng)石；Pl—斜長(zhǎng)石；It—伊利石；Ser—絹云母圖3 松桃南沱組正交偏光鏡下照片F(xiàn)ig.3 Photomicrographs of Nantuo Formation from Songtao in the crossed polarizer

3.3 地球化學(xué)特征

16件樣品的硅酸鹽全分析結(jié)果如表1。樣品主要成分為SiO2，其含量60.89%～73.60%；其次為Al2O3，Al2O3含量11.64%～19.08%；其中K2O含量為2.23%～4.40%；Na2O含量為0.77%～2.92%；TFe2O3含量為3.12%～7.71%；除了ST-21、ST-22、ST-24，其他樣品K2O/Na2O均大于1。MgO、CaO，其總含量4.34%～11.43%；含量較少的元素TiO2、P2O5、MnO，其含量總和不足1%，均與上地殼大陸含量相差不大。不同樣品含量變化不明顯。

表1 鉆孔102南沱組主量元素組成(%)Tab.1 Major element compositions (%) of Nantuo Formation of 102 Drill Core

運(yùn)用CIA指數(shù)[23]來(lái)表示化學(xué)風(fēng)化程度，計(jì)算公式如下：

其中CaO*為硅酸鹽礦物中的CaO成分，由于未分析樣品中的CO2含量，CaO*按照McLennan方法計(jì)算[24]。樣品CIA值范圍在58～72之間，平均為65。將樣品的組成用Al2O3，CaO*+Na2O，K2O組成圖(A-CN-K三角圖)反映可知，樣品的風(fēng)化趨勢(shì)和現(xiàn)代風(fēng)化剖面趨勢(shì)并不吻合，現(xiàn)代風(fēng)化剖面的風(fēng)化趨勢(shì)是平行于A-CN軸，而樣品所展現(xiàn)的風(fēng)化趨勢(shì)偏向K端(圖4)，即Fedo等[7]研究前寒武系樣品時(shí)指出的鉀交代。

4 討論

樣品薄片中發(fā)現(xiàn)大量風(fēng)化較弱的鉀長(zhǎng)石和斜長(zhǎng)石，部分斜長(zhǎng)石表面光滑(圖3(c))及少部分鉀長(zhǎng)石沿邊緣及解理裂隙風(fēng)化、蝕變成伊利石(圖3(b)、(d))。大部分斜長(zhǎng)石風(fēng)化蝕變成伊利石，未見(jiàn)進(jìn)一步的風(fēng)化產(chǎn)物高嶺石等粘土礦物。結(jié)合南沱期所處的冰期環(huán)境，作者認(rèn)為，此時(shí)的化學(xué)風(fēng)化作用整體較弱。

注：Ka—高嶺石，Gi—三水鋁石；Chl—綠泥石；Sm—蒙脫石；It—伊利石；Pl—斜長(zhǎng)石；Kfs—鉀長(zhǎng)石圖4 南沱組A-CN-K三角圖Fig.4 Trilateral proportions of molar Al2O3, CaO+Na2O and K2O in samples from the Nantuo Formation

薄片中未發(fā)現(xiàn)成巖鉀交代現(xiàn)象。鉀交代最常見(jiàn)的是鉀長(zhǎng)石顆粒狀結(jié)構(gòu)在斜長(zhǎng)石顆粒的外部區(qū)域形成，并圍繞斜長(zhǎng)石顆粒向中心交代，原始斜長(zhǎng)石顆粒被鉀長(zhǎng)石取代，鉀長(zhǎng)石顆粒逐漸增大；少數(shù)情況下交代從斜長(zhǎng)石顆粒邊緣和沿裂縫開(kāi)始，向斜長(zhǎng)石內(nèi)部進(jìn)行交代[25]。薄片中發(fā)現(xiàn)較多細(xì)小斜長(zhǎng)石碎屑發(fā)生伊利石化(圖3(b)，(d)，(e))。未發(fā)現(xiàn)斜長(zhǎng)石鉀長(zhǎng)石化和高嶺石伊利石化的證據(jù)，因此，認(rèn)為樣品中即使存在成巖鉀交代現(xiàn)象，其比例也較小。

樣品的CIA值不僅受源區(qū)氣候條件的限制，還受源區(qū)巖石的組成、搬運(yùn)過(guò)程的分選、沉積物的再循環(huán)、沉積環(huán)境、沉積后的成巖作用等因素影響。成巖作用的影響主要指鉀交代，表現(xiàn)在A-CN-K圖上，不只是成巖鉀交代會(huì)導(dǎo)致風(fēng)化趨勢(shì)偏離正常的A-CN軸，不同源區(qū)巖石的混合同樣也會(huì)導(dǎo)致這一趨勢(shì)發(fā)生。研究區(qū)位于斜坡相，前述巖芯中的巖石組合變化、沉積構(gòu)造等特征均表明南沱組不同層位源巖可能會(huì)有差異。

為進(jìn)一步證明此觀點(diǎn)，引入另一個(gè)反映巖石源區(qū)化學(xué)風(fēng)化的指標(biāo)Parker風(fēng)化指數(shù)[26](Weathering Index of Parker，簡(jiǎn)稱(chēng)WIP)。其計(jì)算公式如下(均為摩爾數(shù))：

化學(xué)風(fēng)化越強(qiáng)烈，則計(jì)算得到的CIA值越高，WIP值越低；而化學(xué)風(fēng)化越弱，計(jì)算得出的CIA值越低，WIP值越高。因此，若源區(qū)風(fēng)化巖石組成一致，樣品計(jì)算的CIA值與WIP值應(yīng)該呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。作出研究巖芯中的16個(gè)樣品CIA值與WIP值關(guān)系圖(圖5(a))，從圖中可以看出，二者無(wú)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明16個(gè)樣品的源巖復(fù)雜。為反映樣品與預(yù)測(cè)風(fēng)化趨勢(shì)之間的偏離程度，圖中標(biāo)出大陸上地殼(UCC)與太古代后澳大利亞頁(yè)巖(PAAS)。Gashnig等[27]研究表明，冰期雜礫巖的細(xì)?；|(zhì)組份能有效地反映當(dāng)時(shí)大陸上地殼組成，而PAAS組成則反映了UCC風(fēng)化結(jié)果[28]。因此，研究的冰期巖石風(fēng)化應(yīng)接近于沿圖中UCC和PAAS的連線(xiàn)分布。然而，研究樣品散點(diǎn)卻分布散亂(如圖5(a))。

圖5 風(fēng)化指數(shù)與物質(zhì)循環(huán)的影響Fig.5 Influence of recycling assessed with chemical indices

與CIA不同的是，WIP分析的是沉積物或沉積巖中Na，K，Mg和Ca的絕對(duì)含量，受石英含量的影響顯著。前已述及，研究的南沱組雜礫巖中的礫石成分中有變質(zhì)巖和沉積碎屑巖，因此，如果由于源區(qū)巖石混合使礦物中SiO2含量增加導(dǎo)致WIP指數(shù)發(fā)生變化，因硅酸巖分析的總量為100%，SiO2含量增加，其他礦物(CaO、Na2O、K2O、MgO)含量相對(duì)減少，那么WIP值與樣品中的SiO2含量應(yīng)該呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。研究樣品SiO2與WIP呈顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(如圖5(b))，進(jìn)一步說(shuō)明研究區(qū)南沱組源巖不一致。故不同源區(qū)巖石混合是造成研究區(qū)南沱組CIA值變化的主要原因，源區(qū)富含鉀長(zhǎng)石和伊利石巖石被冰川搬運(yùn)混合后形成的雜礫巖中，在冰期氣候條件下較弱的風(fēng)化作用導(dǎo)致了巖石中鉀的富集。由于風(fēng)化作用主要受氣候影響，在冰期階段，整個(gè)華南地區(qū)氣候條件相差不大，所以其南沱組地層在南沱冰期受弱風(fēng)化作用。

5 結(jié)論

(1)巖性組合及沉積構(gòu)造反映南沱冰期冰川動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)；

(2)研究南沱組化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)主要受源區(qū)控制，不能作為反映源區(qū)化學(xué)風(fēng)化作用及氣候變化的可靠指標(biāo)；

(3)礦物學(xué)和地球化學(xué)研究共同表明華南地區(qū)南沱組中鉀的富集并非成巖鉀交代引起，而是鉀長(zhǎng)石和伊利石等富鉀礦物在冰期氣候條件下風(fēng)化作用較弱導(dǎo)致。