吳年冬, 王忠偉, 倪戰(zhàn)旭, 彭 展

(廣西壯族自治區(qū)區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究院, 廣西 桂林 541003)

0 引 言

華南板塊由北西側(cè)的揚子地塊和南東側(cè)的華夏地塊組成,兩地塊的邊界為欽杭結(jié)合帶[1], 該帶是一個經(jīng)歷了多期演化的復(fù)雜構(gòu)造帶[2], 該界線的北東段(浙贛段)比較清楚(在萍鄉(xiāng)-江山-紹興等超殼斷裂帶之間)[3-4], 而此界線由萍鄉(xiāng)往南西延伸進入湖南之后, 由于蓋層覆蓋嚴重, 導(dǎo)致界線爭議很多。在2017年的《廣西地質(zhì)志》中, 該界線被認為在廣西境內(nèi)是沿峒中-小董-梧州-賀街斷裂帶。

欽杭結(jié)合帶東段由揚子與華夏地塊在晉寧期或四堡期(早新元古代)碰撞對接形成江南造山帶[3,5-9]， 但是江南造山帶往南西段(湘桂段)的延伸因南華紀—中生代巨厚沉積物覆蓋, 而無法明確限定的物質(zhì)記錄, 其構(gòu)造屬性仍存在較大分岐。

一種觀點認為華南板塊自新元古代后進入陸內(nèi)演化階段, 早古生代的加里東運動和中生代的印支運動均為陸內(nèi)造山作用[9-10]。另一種觀點認為晉寧運動后為一殘留洋盆, 且該盆地一直延續(xù)到加里東期[3, 5-8, 11-14]。還有一種觀點認為華南地區(qū)為特提斯洋的多島洋盆體系的一部分, 并認為揚子與華夏地塊之間(中段與南段)在加里東期拼合之前存在一個洋盆——南華洋[15]。

由上可見, 加里東期揚子地塊與華夏地塊之間盆地性質(zhì)的厘定, 對華南大地構(gòu)造的屬性的確定具有十分重要的意義。近年針對上述爭論，柏道遠等[16]、 杜曉東等[17]、 王鵬鳴等[18]通過對湘東南、 桂中的大瑤山-大明山、湘桂交界的苗兒山和湘南金雞嶺地區(qū)震旦-寒武系碎屑巖進行了巖相學(xué)、 地球化學(xué)的研究, 認為揚子地塊與華夏地塊之間新元古代—早古生代期間的沉積盆地不是深海槽或大洋, 而是位于被動大陸邊緣的淺海盆地[16-18]。 但是這些工作多集中在湘東南、 桂中、 桂北地區(qū), 而對揚子地塊與華夏地塊結(jié)合帶西南段湖南與廣西交界的桂東地區(qū)開展工作有限。因此, 本次研究對桂東大桂山地區(qū)賀街-梧州斷裂兩側(cè)寒武系砂巖進行了地球化學(xué)分析, 通過常量元素、 微量元素及稀土元素的研究, 確定了寒武系砂巖的構(gòu)造環(huán)境, 以此對該地區(qū)早古生代揚子與華夏地塊之間的盆地性質(zhì)進行限定。

1 地質(zhì)概況

桂東大桂山地區(qū)地處揚子地塊與華夏地塊的交接地帶(圖1), 區(qū)內(nèi)大量出露寒武紀地層, 多為復(fù)理石、 類復(fù)理石碎屑巖沉積，自下而上主要劃分為小內(nèi)沖組、 黃洞口組。小內(nèi)沖組主要為灰綠色雜砂巖、 長石石英雜砂巖、 不等粒雜砂巖與砂質(zhì)泥巖互層, 夾粉砂巖、 (含炭)泥巖, 發(fā)育水平紋層、 水平層理。黃洞口組巖性主要為灰綠色、 灰黃色厚層塊狀不等粒雜砂巖、 石英雜砂巖、 長石石英雜砂巖、 雜砂巖、 粉砂巖與泥巖、 粉砂質(zhì)泥巖不等厚互層, 局部含炭泥巖, 底部多為含細礫粗砂巖， 該組多見砂巖包裹泥巖碎屑、 泥礫等, 具槽模、 溝模構(gòu)造, 發(fā)育粒序?qū)永怼?交錯層理、 微斜層理及水平層理(圖2)。研究區(qū)內(nèi)未見頂, 其上為泥盆系蓮花山組礫巖不整合覆蓋。

2 砂巖地球化學(xué)特征

本次工作在賀街-梧州斷裂北西側(cè)賀州市信都鎮(zhèn)大桂山地區(qū)、 梧州市沙頭鎮(zhèn)天子位一帶采集了8件樣品, 在南東側(cè)賀州市鋪門鎮(zhèn)松坪村、 梧州市石橋鎮(zhèn)七星坪一帶采集了9件樣品, 總計17件。樣品采集地點覆蓋了大桂山地區(qū)大部分區(qū)域, 具有較廣泛的代表性。所分析的17件樣品, 主要為較新鮮的厚層塊狀中細粒砂巖, 部分為不等粒、 粗粒砂巖樣品, 砂巖主要礦物有石英(52%～76%)、 長石(0～10%)、 巖屑(1%～15%)、 云母(<5%), 粒徑為0.003 9～1 mm, 碎屑物呈次棱角狀-次磨圓狀。測試前對樣品進行了清洗、 粉碎, 主量元素、 微量元素和稀土元素分析由國土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成, 分析儀器分別為X熒光光譜儀(XRF-1800)、 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(X2)、 等離子發(fā)射光譜儀(ICAP6300)、 粉末固體進樣電弧發(fā)射光譜儀(CCD-I)。測試結(jié)果見表1。

2.1 主量元素分析

成分變化指數(shù)(ICV)被廣泛用于估計細屑巖的原始成分變化, 判斷一個細屑巖的巖石序列是代表第一次沉積的沉積物還是源于再循環(huán)的沉積物[19]。

圖1 大桂山地區(qū)所處大地構(gòu)造位置(a, 據(jù)2017年《廣西地質(zhì)志》修改)和區(qū)域地質(zhì)略圖(b)

圖2 大桂山地區(qū)寒武系砂巖淺水沉積環(huán)境的標(biāo)志

表1 桂東寒武紀砂巖巖石化學(xué)成分(wB/%)、 微量元素豐度(wB/10-6)及特征值

續(xù)表1

ICV=(Fe2O3+K2O+Na2O+CaO*+MgO+MnO+TiO2)/Al2O3,

式中: 氧化物含量為摩爾分數(shù); CaO*是指硅酸巖中的CaO; K2O經(jīng)過鉀化校正。 如果ICV值大于1, 表明它們含有很少的粘土礦物, 反映是在活動的構(gòu)造帶首次沉積，而ICV值小于1, 表明沉積物質(zhì)經(jīng)歷了再循環(huán)或是在強烈的化學(xué)風(fēng)化條件下首次沉積[19]。研究區(qū)ICV值均小于1, 平均值0.69, 表明沉積物中有大量的粘土礦物, 可能是經(jīng)歷了再沉積的產(chǎn)物或者是強化學(xué)風(fēng)化環(huán)境的首次沉積物。

化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)最初是作為能夠定量反映物源區(qū)源巖化學(xué)風(fēng)化程度的一個化學(xué)指標(biāo)。 隨后, 該指數(shù)被引用于定量地反映沉積物沉積時的古氣候環(huán)境研究[20], 其表達式為

CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)×100,研究區(qū)樣品的CIA指數(shù)除C1716為62.2、 C1719為87.5, 其余為66.8～81.7, 平均為76.5。 研究區(qū)樣品CIA值大部分在65～85, 反映溫暖、 濕潤條件下中-高等的化學(xué)風(fēng)化程度[19]。

K2O含量為1.5%～4.1%, Na2O為0.03%～2.17%。反應(yīng)淋濾程度的K2O/Na2O值變化于0.93～65.33, 平均值11.7， 不同樣品之間差別較大。K2O/Na2O值高的樣品可能表明樣品受過強烈的淋濾作用, 使Na大量淋濾丟失, 而K較多的保留。K2O/Na2O值同樣也受沉積盆地構(gòu)造環(huán)境的制約, 根據(jù)現(xiàn)代沉積物的組成特征, 火山活動強烈環(huán)境的現(xiàn)代深海濁積巖中的砂巖K2O/Na2O<1, 沉積盆地邊緣砂巖的K2O/Na2O>1[18], 研究區(qū)K2O/Na2O值基本>1, 由此可以判斷研究區(qū)的樣品主要為遠離火山活動的沉積盆地邊緣的碎屑巖。

Rollison等[21]提出了區(qū)分物源區(qū)主要是鐵鎂質(zhì)的、 中性的或長英質(zhì)火成巖和石英沉積巖的判別圖解。本文根據(jù)TiO2、 Al2O3、 Fe2O3、 MgO、 CaO、 Na2O、 K2O而建立的多變量判別函數(shù)圖解進行投圖, 研究區(qū)寒武系砂巖在限定物源區(qū)特征的圖解(圖3)中均投入石英巖沉積巖源區(qū); 在物源區(qū)指紋的判別圖解(圖4)中, 有7件樣品投入中性巖火成物源區(qū), 4件樣品投入長英質(zhì)火成物源區(qū), 6件樣品投入石英巖沉積巖源區(qū)。

圖3 砂巖限定物源區(qū)特征圖解(底圖據(jù)文獻[21])

圖4 砂巖物源區(qū)指紋判別圖解(底圖據(jù)文獻[21])

2.2 微量元素特征

大量研究表明, La、 Ce、 Th、 Zr、 Nd、 Y、 Hf、 Nb、 Sc、 Co和Ti等弱活動或不活動的稀土、 微量元素, 對于碎屑巖物源區(qū)的判別具有重要的意義。研究區(qū)微量元素含量特征見表1。

在TiO2-Ni圖解(圖5)中, 多數(shù)樣點落入長英質(zhì)區(qū)域、 泥巖、 砂巖區(qū)域及其附近, 明顯遠離鎂鐵質(zhì)區(qū)域, 反映其物源為長英質(zhì)巖石區(qū), 兼有成熟的再循環(huán)沉積物的特征。在La/Th-Hf圖解(圖6)中, 多數(shù)樣點來自上地殼、 長英質(zhì)源區(qū)、 古老沉積組分增加趨勢, 少量為長英質(zhì)與玄武質(zhì)混合源區(qū), 表明研究區(qū)寒武系碎屑巖成分以來自地殼長英質(zhì)、 石英質(zhì)巖石為主, 含有少量的火成物源及古老再循環(huán)沉積物。

在微量元素上地殼標(biāo)準(zhǔn)化值蛛網(wǎng)圖上(圖7), 研究區(qū)樣品普遍表現(xiàn)為Nb、 Sr、 P、 Ti相對虧損, Th、 La、 Nd、 Sm、 Cr相對富集。這些特征與被動大陸邊緣的樣品相似, 具有成熟大陸殼的特點[17]。

圖5 TiO2-Ni圖解(底圖據(jù)文獻[17])

圖6 La/Th-Hf圖解(底圖據(jù)文獻[17])

圖7 研究區(qū)寒武系砂巖微量元素蛛網(wǎng)圖及其與不同構(gòu)造環(huán)境[17]對比(上地殼標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)引自文獻[21])

在La-Th-Sc圖解(圖8a)中, 寒武系砂巖樣品都落在活動大陸邊緣和被動大陸邊緣區(qū)域或附近;在Th-Sc-Zr/10圖解(圖8b)中, 有半數(shù)樣點都落入活動大陸邊緣, 一個樣點落入被動大陸邊緣, 其余樣點多數(shù)落在這兩者之間; 在Th-Co-Zr/10圖解(圖8c)中, 多數(shù)樣點也都落入活動大陸邊緣與被動大陸邊緣之間。

2.3 稀土元素特征

稀土元素含量及特征值見表1、 表2。 稀土元素含量總體較高,∑REE為(208.35～891.83)×10-6, 平均386.72×10-6。稀土元素中的LaN/YbN值是反映輕重稀土元素分餾程度的指數(shù),研究區(qū)寒武系砂巖的LaN/YbN為7.3～40.1, 平均為14.35, 表明輕重稀土的分餾程度較高; 輕稀土元素的LaN/SmN為3.22～6.46, 平均為4.4; 重稀土元素的GdN/YbN為1.58～2.62, 平均值為2.02, 表明輕稀土元素的分餾程度高, 重稀土元素的分餾程度低。

LREE/HREE值較高, 為6.99～15.23, 平均9.33, Eu/Eu*值為0.43～0.70, 平均為0.59, 具中等的銪負異常。Ce/Ce*值除樣品C1809大于1以外, 其余為0.23～0.97, 平均值0.78, 表明其沉積環(huán)境應(yīng)為氧化環(huán)境。

圖8 砂巖構(gòu)造環(huán)境La-Th-Sc(a)、 Th-Sc-Zr/10(b)、 Th-Co-Zr/10(c)判別圖(底圖據(jù)文獻[16])

表2 研究區(qū)與不同構(gòu)造背景下雜砂巖REE參數(shù)

稀土元素的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分模式呈明顯右傾型(圖9)，輕稀土富集， 與上地殼和后太古宙頁巖相似[21], 說明它們來自上地殼。

Bhatia對現(xiàn)代已知盆地構(gòu)造成因類型中砂巖、 泥巖的一些特征參數(shù)進行了總結(jié), 確定了不同構(gòu)造環(huán)境下砂巖稀土元素特征參數(shù)值(表2)。 研究區(qū)砂巖的La、 Ce、 ∑REE、 La/Yb、 LaN/YbN與被動大陸邊緣相似, LREE/HREE值與活動大陸邊緣相似, Eu/Eu*值與活動大陸邊緣、 被動大陸邊緣相似。

圖9 稀土元素的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線(球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值引自文獻[21])

3 沉積構(gòu)造環(huán)境分析

雖然風(fēng)化作用、 搬運作用、 沉積作用、 成巖作用和物源區(qū)的成分都會影響到沉積巖的化學(xué)組成, 但是沉積巖的化學(xué)成分也受沉積盆地的構(gòu)造環(huán)境控制, 因此, 一些沉積巖的地球化學(xué)指標(biāo)可以被用來分析風(fēng)化環(huán)境、 物源區(qū)成分和沉積盆地構(gòu)造環(huán)境等信息[17, 23]。

綜上所述, 研究區(qū)寒武系雜砂巖組分總體成熟度較低, 在溫暖、 濕潤條件下具中-高的化學(xué)風(fēng)化程度, 并且包含了一些再沉積的產(chǎn)物。

在研究區(qū)砂巖的主要元素判別圖解中(圖10), 寒武系雜砂巖樣點大部分投入活動大陸邊緣, 有2件樣品投入被動大陸邊緣、 2件樣品落入大陸島弧、 1件樣品落入大洋島弧。

在砂巖的雙變量判別圖解(圖11a)中, 有9件樣品落入大陸島弧中, 2件樣品落在活動大陸邊緣或附近, 其余各樣品比較分散； 而在圖11b的判別圖中, 樣品點比較分散, 1件樣品落在大洋弧中, 2件樣品落在大陸弧中, 2件樣品落在活動大陸邊緣, 1件樣品落在被動大陸邊緣, 其余均分散或靠近活動大陸邊緣、 被動大陸邊緣。

圖10 砂巖的構(gòu)造環(huán)境判別函數(shù)圖解(底圖據(jù)文獻[21])

在砂巖沉積盆地構(gòu)造環(huán)境的K2O/Na2O-SiO2圖解(圖12a)中， 樣品大部分落在被動大陸邊緣, 僅有4件落在活動大陸邊緣；在SiO2/Al2O3-K2O/Na2O圖解(圖12b)中, 樣品均落在被動大陸邊緣。

綜合微量元素的圖解特征，研究區(qū)寒武系樣品基本落在活動大陸邊緣或者被動大陸邊緣, 稀土元素的參數(shù)特征接近被動大陸邊緣, 主量元素的圖解中樣品基本落在活動大陸邊緣、 被動大陸邊緣, 兼具其他構(gòu)造環(huán)境的特征。

4 討 論

通過對大桂山地區(qū)寒武紀砂巖地球化學(xué)特征分析, 認為區(qū)內(nèi)在寒武紀為被動大陸邊緣環(huán)境, 并無洋盆的存在。這一推論, 還有以下證據(jù):

研究區(qū)內(nèi)寒武系中多處發(fā)現(xiàn)了砂巖包裹泥巖碎屑、 交錯層理、斜層理、泥礫等淺水沉積環(huán)境的標(biāo)志, 說明研究區(qū)早古生代沉積盆地為淺海環(huán)境, 而不是大洋。

鄰區(qū)的生物地層學(xué)、 古生態(tài)學(xué)、 沉積古地理等方面的研究顯示, 揚子地塊到華夏地塊于早古生代是連續(xù)統(tǒng)一的陸內(nèi)海盆, 兩者之間并不存在深海槽和大洋[17]。

圖及雙變量關(guān)系圖(底圖據(jù)文獻[21])

圖12 主量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解(a底圖據(jù)文獻[21]; b底圖據(jù)文獻[22])

通過對ICV值的分析表明, 桂東大桂山地區(qū)寒武系的砂巖可能是經(jīng)歷了再沉積的產(chǎn)物。從不同構(gòu)造背景下的剝蝕原巖(繼承性因素)來看, 被動大陸邊緣的地球化學(xué)特征可能包括較多的大陸島弧和活動大陸邊緣環(huán)境的地球化學(xué)信息[16]。桂東大桂山地區(qū)寒武系砂巖的地球化學(xué)特征顯示其主要具被動大陸邊緣、 活動大陸邊緣的環(huán)境信息, 極少量樣品顯示具大陸島弧、 大洋島弧構(gòu)造特征。因此認為該地區(qū)寒武系砂巖應(yīng)形成于被動大陸邊緣環(huán)境。

在鄰區(qū)湘東南、 桂中的大瑤山-大明山、 湘桂交界的苗兒山和湘南金雞嶺地區(qū)早古生代沉積巖的地球化學(xué)特征也表明，古生代沉積盆地為被動大陸邊緣的陸內(nèi)裂谷環(huán)境[16-18]。

5 結(jié) 論

(1)對主量元素TiO2、 Al2O3、 Fe2O3、 MgO、 CaO、 Na2O、 K2O建立的多變量判別函數(shù)圖解和微量元素、 稀土元素的TiO2-Ni、 La/Th-Hf圖解分析可以判斷, 研究區(qū)寒武系沉積物的物源區(qū)以上地殼長英質(zhì)、 石英質(zhì)巖石為主, 含有少量的火成物源及古老再循環(huán)沉積物。

(2)根據(jù)主量元素、CIA值等研究認為, 研究區(qū)寒武系砂巖是在溫暖、 濕潤且遠離火山活動的沉積盆地邊緣中沉積的碎屑巖; 通過稀土元素Ce及Ce/Ce*值的研究認為, 其沉積環(huán)境應(yīng)為氧化環(huán)境。