沙啟舟，張華鋒，孫繼超，童 英

(1. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 地球科學(xué)與資源學(xué)院， 北京 100083； 2. 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院 地質(zhì)研究所， 北京離子探針中心，北京 100037)

沉積地球化學(xué)方法是研究砂巖、硅質(zhì)巖等沉積巖物源以及沉積構(gòu)造環(huán)境等問(wèn)題的有力工具(Bhatia， 1983； Bhatia and Crook， 1986； Condie， 1986； Murrayetal., 1991； McLennanetal., 1993； Murray， 1994； Fralick and Kronberg， 1997； Lietal., 2005； 閆臻等， 2007； 張聰?shù)龋?2017)。對(duì)于遭受過(guò)不同程度變質(zhì)作用的沉積巖來(lái)說(shuō)，其化學(xué)成分相對(duì)于原巖必然會(huì)發(fā)生程度不等的變化，采用活動(dòng)元素示蹤沉積物源的方法勢(shì)必產(chǎn)生較大的不確定性，而不活動(dòng)元素及其比值常常能夠保持穩(wěn)定而具有重要的判別價(jià)值(Fralick and Kronberg， 1997)。已有的大量研究顯示，在巖相學(xué)和礦物學(xué)研究基礎(chǔ)上，利用沉積地球化學(xué)分析方法可以獲得變質(zhì)沉積巖可靠的物源和形成的構(gòu)造環(huán)境等重要信息(McLennanetal., 1993； Fedoetal., 1995； Jahn and Condie， 1995； Fralick and Kronberg， 1997； Lietal., 2005； Yanetal., 2006， 2012)。

五臺(tái)雜巖是華北克拉通新太古代典型的花崗綠巖帶，經(jīng)歷新太古代-古元古代多期巖漿-變質(zhì)熱事件，是深入認(rèn)識(shí)地球早期地殼形成、保存和演化的絕佳場(chǎng)所。前人對(duì)五臺(tái)雜巖的形成時(shí)代、物質(zhì)來(lái)源和構(gòu)造環(huán)境等方面進(jìn)行了較為豐富的研究(如Liuetal., 2004； Wildeetal., 2004， 2005； Lietal., 2008； 萬(wàn)渝生等， 2010； 錢加慧等， 2013； 陳雪等， 2015； Liuetal., 2016a， 2016b)，但對(duì)五臺(tái)雜巖形成的大地構(gòu)造環(huán)境仍有不同看法，包括大洋島弧(白瑾，1986； 李繼亮等， 1990； Wangetal., 1996； Liu S Wetal., 2004； Liu C Hetal., 2016a)、活動(dòng)大陸邊緣(Guanetal., 2002； Zhaoetal., 2007)和弧前或弧間盆地(Lietal., 2008； 錢加慧等， 2013)。Liu 等(2004)通過(guò)對(duì)五臺(tái)雜巖中的鈣堿性花崗巖的地球化學(xué)和Nd同位素研究，提出五臺(tái)雜巖的起源與演化獨(dú)立于阜平雜巖，形成于大洋島弧環(huán)境，代表發(fā)育于俯沖帶上盤大洋島弧中的年輕組合。Li等(2008)通過(guò)五臺(tái)群變質(zhì)沉積巖巖石地球化學(xué)、Nd同位素和鋯石U-Pb年齡提出五臺(tái)群變質(zhì)沉積巖形成于弧前盆地或弧間盆地中。錢家慧等(2013)通過(guò)五臺(tái)群石榴云母片巖的巖石地球化學(xué)研究，支持五臺(tái)雜巖形成于島弧環(huán)境的認(rèn)識(shí)并進(jìn)一步推測(cè)五臺(tái)群沉積于弧前或弧間環(huán)境。最近，Liu 等(2016a， 2016b)對(duì)五臺(tái)群玄武巖和變質(zhì)沉積巖進(jìn)行了同位素定年、巖石地球化學(xué)和Nd同位素的研究， 提出五臺(tái)群應(yīng)形成于洋內(nèi)弧盆地。

值得注意的是， 前人重點(diǎn)研究的是五臺(tái)群變質(zhì)沉積巖中的大套片巖(Lietal., 2008； 錢加慧等， 2013； Liuetal., 2016a)， 缺乏對(duì)變質(zhì)砂巖的有關(guān)研究。最近， 筆者從五臺(tái)雜巖的酸性片巖中識(shí)別出一套呈透鏡狀分布的變質(zhì)砂巖， 對(duì)其進(jìn)行沉積物源與構(gòu)造環(huán)境的研究勢(shì)必會(huì)為深入理解本區(qū)新太古代末地殼演化提供重要參考。因此， 本文對(duì)該變質(zhì)砂巖進(jìn)行了巖石地球化學(xué)分析， 利用沉積地球化學(xué)方法并配合巖相學(xué)特征厘定其巖石類型， 并分析其物質(zhì)來(lái)源和源區(qū)風(fēng)化特征， 探討了其形成的構(gòu)造環(huán)境。

1 地質(zhì)背景

五臺(tái)雜巖位于華北克拉通中北部的五臺(tái)地區(qū)(圖1)， 主要由新太古代TTG變質(zhì)侵入巖、火山巖以及變質(zhì)表殼巖組成。其中變質(zhì)沉積巖統(tǒng)稱為五臺(tái)群， 其上不整合覆蓋有古元古代滹沱群變質(zhì)沉積巖(白瑾， 1986； 李繼亮等， 1990； 苗培森等， 1999)。五臺(tái)雜巖與阜平雜巖以龍泉關(guān)韌性剪切帶為界， 與恒山雜巖以滹沱河為界(白瑾， 1986； 李江海等， 1991； 田永清， 1991； Zhangetal., 2009； 圖1)。

圖 1 五臺(tái)地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖(據(jù)張少穎等， 2017)Fig. 1 Geological map of Wutai area (after Zhang Shaoying et al., 2017)

根據(jù)巖石組合和變質(zhì)程度的差別， 五臺(tái)群自下而上分為3個(gè)亞群：石咀亞群、臺(tái)懷亞群、高凡亞群(白瑾， 1986)。石咀亞群主要由變質(zhì)玄武巖、安山巖、英安巖、砂巖、粉砂巖、頁(yè)巖、條帶狀含鐵建造(BIF)和少量灰?guī)r組成， 變質(zhì)程度達(dá)到角閃巖相。變質(zhì)火山-沉積巖的地球化學(xué)特征和年代學(xué)特征表明， 石咀亞群的主要沉積時(shí)代為2.53 Ga， 屬新太古代 (王凱怡等， 2000； Wildeetal., 2004； Lietal.,2008； 陳雪等， 2015)，具有弧前或弧內(nèi)盆地沉積特征(王凱怡等， 2000； Polatetal., 2005； Lietal., 2008； 錢家慧等， 2013)。 Liu 等(2016a)則認(rèn)為石咀亞群應(yīng)形成于洋內(nèi)弧盆地。臺(tái)懷亞群包含基底變質(zhì)礫巖、絹云母片巖、綠泥石-石英片巖、橄欖巖、拉斑玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖和少量變質(zhì)碎屑沉積巖， 還有一些變質(zhì)輝長(zhǎng)巖和變質(zhì)超鎂鐵質(zhì)巖侵入體， 綠片巖相變質(zhì)。鋯石定年結(jié)果顯示該亞群形成于2.55～2.52 Ga(Liuetal., 1985； Wildeetal., 2004； Liuetal., 2016b)。Wang等(2004)提出該亞群形成于由島弧玄武巖、弧后盆地玄武巖和洋中脊玄武巖組成的弧后構(gòu)造環(huán)境。Liu 等 (2016a)根據(jù)臺(tái)懷亞群中的黑云長(zhǎng)石石英片巖和變質(zhì)礫巖中獲得最年輕鋯石年齡2 513 Ma和2 523 Ma， 提出該亞群應(yīng)形成于洋內(nèi)弧盆地。高凡亞群以變質(zhì)礫巖、砂巖、粉砂巖、泥巖為主， 夾少量酸性到基性火山巖， 低綠片巖相變質(zhì)。根據(jù)從長(zhǎng)英質(zhì)片巖、絹云綠泥石英巖和變質(zhì)凝灰?guī)r獲得的鋯石年齡， 前人將高凡亞群限定在2 350～2 150 Ma之間(Wildeetal., 2004； Liuetal., 2016a； Pengetal., 2017)。萬(wàn)渝生等(2010)從石英巖中獲得最年輕碎屑鋯石年齡為2.47±0.03 Ga， 認(rèn)為其沉積于古元古代早期。變質(zhì)粉砂巖的鮑馬層序和旋回層理， 指示高凡亞群形成于深水濁流沉積環(huán)境(白瑾， 1986)。

滹沱群位于五臺(tái)群西南， 主要由碎屑巖和碳酸鹽巖組成， 綠片巖相變質(zhì)。滹沱群與下伏五臺(tái)群、五臺(tái)花崗巖類和阜平雜巖為不整合接觸關(guān)系?；谒樾紟r的碎屑鋯石U-Pb年齡和Lu-Hf同位素?cái)?shù)據(jù)， Liu等(2011)提出滹沱群在2.1 Ga后沉積于弧后盆地；另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為滹沱群沉積巖及其基性火山巖形成于陸內(nèi)裂谷環(huán)境(杜利林等， 2010； Duetal., 2015)。

區(qū)內(nèi)還發(fā)育大量的花崗質(zhì)巖石(圖1)， 與五臺(tái)群多呈構(gòu)造接觸， 包括2.56～2.52 Ga的強(qiáng)變形TTG巖系(Liuetal., 1985； Wildeetal., 1997， 2005； Liuetal., 2004； Wangetal., 2004)、2.18～2.08 Ga的弱變形正長(zhǎng)斑巖(Wildeetal., 1997， 2005； Duetal., 2013； 杜利林等， 2018)和1.8 Ga侵入的未變形花崗巖(白瑾等， 1992)， 另外， 還發(fā)育有多期基性巖墻， 時(shí)代從元古宙延續(xù)至中生代(Pengetal., 2005； Houetal., 2006； Wangetal., 2008)。

2 樣品特征與分析方法

2.1 樣品特征

新近發(fā)現(xiàn)的變質(zhì)砂巖位于山西省五臺(tái)縣白云村葉臘石礦附近， 歸屬于五臺(tái)群中部臺(tái)懷亞群,呈透鏡狀產(chǎn)出， 整體為東西走向， 變質(zhì)砂巖被滹沱群變質(zhì)底礫巖不整合覆蓋(圖2)。變質(zhì)砂巖呈灰白-灰綠色， 塊狀構(gòu)造， 變余細(xì)砂狀結(jié)構(gòu)， 露頭上清楚記錄了兩期變形， 局部在表面可見絹云母化(圖3a、3b)。層理清晰， 發(fā)育暗色條帶。變質(zhì)砂巖主要由碎屑和粘土質(zhì)膠結(jié)物組成(圖3c、3d、3e、3f)。碎屑約占巖石總量的90%(體積分?jǐn)?shù)，下同)， 顆粒細(xì)小， 主要由石英和長(zhǎng)石組成， 石英在碎屑中約占70%～75%， 主要為棱角狀， 可見定向拉長(zhǎng)， 直徑約為1～3 mm； 長(zhǎng)石在碎屑中約占15%～20%， 直徑約為1～2 mm。膠結(jié)物和重結(jié)晶礦物約占變質(zhì)砂巖總含量的8%～10%， 膠結(jié)物為微細(xì)粒泥質(zhì)， 主要由石英和粘土礦物組成， 重結(jié)晶礦物為綠泥石和絹云母。

圖 2 五臺(tái)地區(qū)地層分布(據(jù)孫繼超， 2018)Fig. 2 Stratigraphic distribution in Wutai area (after Sun Jichao, 2018)

圖 3 五臺(tái)群變質(zhì)砂巖野外及顯微特征Fig. 3 Field and microscopic characteristics of metamorphosed sandstones of Wutai Groupa、b—砂粒的定向排列； c、d—石英定向拉長(zhǎng)(+)； e—流動(dòng)構(gòu)造和眼球狀構(gòu)造(+)； f—石英和絹云母組成的雜基(+)； 礦物縮寫據(jù)Whitney and Evans (2010)： Qtz—石英； Ser—絹云母 a, b—orientation arrange of sands； c, d—directional lengthening of quartzes(+)； e—flow structures and orbicular structures(+)； f—matrix formed by quartzes and sericites(+)； mineral abbreviations after Whitney and Evans (2010): Qtz—quartz； Ser—sericite

2.2 分析方法

樣品的主、微量元素分析實(shí)驗(yàn)在加拿大溫哥華Acme分析實(shí)驗(yàn)室完成，Sc元素在澳實(shí)分析檢測(cè)(廣州)有限公司完成。準(zhǔn)確稱取0.02 g樣品粉末，與 1.5 g LiBO2助熔劑共同放置于石墨坩堝內(nèi)充分混合， 然后在馬弗爐上加熱15 min， 加熱溫度為1 050℃。然后取去離子水和ACS級(jí)別純度的硝酸所配置單5%濃度的HNO3100 mL， 提取熔融后的混合物并倒入其中， 搖晃2 h使其充分溶解， 之后取其中的一部分置入聚丙烯分析試管內(nèi)， 主量元素通過(guò)采用X射線熒光光譜的方法(XRF)進(jìn)行分析， 微量元素采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)分析。主量元素的分析精度為0.01%， 微量元素的分析精度為10-7～10-6， 其中稀土元素分析精度為5×10-8～5×10-7。

3 結(jié)果

變質(zhì)砂巖主量元素含量變化較大， SiO2含量范圍為64.51%～71.80%(平均68.24%)， TiO2含量范圍為0.32%～0.68%(平均0.56%)， Al2O3含量范圍為14.25%～17.12%(平均15.74%)， Fe2O3T含量范圍為3.19%～7.07%(平均4.30%)， MgO含量范圍為0.14%～2.73%(平均1.22%)， CaO含量范圍為0.25%～2.86%(平均0.62%)， Na2O含量范圍為1.02%～6.11%(平均3.68%)， K2O含量范圍為0.12%～3.62%(平均2.14%)， P2O5含量范圍為0.08%～0.22%(平均0.15%)(表1)。樣品的SiO2、Al2O3、P2O5與大陸上地殼(后太古代澳大利亞頁(yè)巖PAAS)(Taylor and McLennan， 1985)相近， TiO2、Fe2O3T、MgO、CaO、P2O5含量偏低， 而Na2O含量偏高。變質(zhì)砂巖的SiO2/Al2O3值為3.98～4.73(平均4.35)， 低于石英砂巖(86.73)和長(zhǎng)石砂巖(8.86)， 與雜砂巖(4.94)相近， 表明成熟度較低， 沉積物成分較復(fù)雜(Pettijohnetal., 1972)， 與巖相學(xué)觀察相一致。TiO2-SiO2變質(zhì)巖原巖恢復(fù)圖解中， 除3個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)落入變質(zhì)巖漿巖區(qū)， 大都位于變質(zhì)沉積巖區(qū)， 原始沉積物可能含有火成來(lái)源的碎屑(Winchester and Max， 1982， 1984)。

變質(zhì)砂巖的稀土元素總量較低(57×10-6～153×10-6)， 輕稀土元素相對(duì)富集， 輕重稀土元素分餾明顯[LREE/HREE值為4.5～14.0， (La/Yb)N為5.3～15.8)](圖4a)。(La/Sm)N為3.4～4.6， (Gd/Yb)N為1.2～2.4， 輕稀土元素分餾程度大于重稀土元素。Eu、Ce異常不明顯(δEu=0.80～1.12， δCe=0.80～1.15)。La的含量為12×10-6～33×10-6， La/Yb值范圍為7.4～22.0。不同樣品之間同一元素的含量相近并表現(xiàn)出了相似的配分模式(圖4a)。所有樣品的稀土元素配分趨勢(shì)與后太古代澳大利亞頁(yè)巖(PAAS)(Taylor and McLennan， 1985)十分接近， 只是略微虧損重稀土元素， 暗示本文變質(zhì)砂巖物源以大陸上地殼物質(zhì)為主。

表 1 五臺(tái)群變質(zhì)砂巖的主量元素(wB/%)、微量元素(wB/10-6)分析結(jié)果Table 1 Major(wB/%) and trace(wB/10-6) elements of the metamorphic sandstones from the Wutai Group

從變質(zhì)砂巖的PAAS標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖4b)可以看出， 各元素含量均與大陸地殼平均含量接近， 只略微虧損Th、Nb、Ta， 含量范圍分別為1.8×10-6～7.4×10-6、2.7×10-6～6.4 ×10-6、0.30×10-6～0.50×10-6。大離子親石元素(LILE)Rb、Ba的含量變化較大， 普遍低于PAAS的成分， 分別為3×10-6～141×10-6、40×10-6～679×10-6。Sr的含量為92×10-6～278×10-6。Rb/Sr值為0.03～1.13， 大部分低于PAAS(Rb/Sr=0.8)， 說(shuō)明變質(zhì)砂巖受到風(fēng)化作用的影響較小(McLennanetal., 1993)。部分大離子親石元素(LILE)與K2O具有良好的協(xié)變關(guān)系(Rb與K2O的相關(guān)系數(shù)r=0.97， Ba與K2O的相關(guān)系數(shù)r=0.81)， 說(shuō)明粘土礦物控制了這些元素的含量(Bhat and Ghosh， 2001)。

圖 4 五臺(tái)群變質(zhì)砂巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(a， 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值據(jù)Sun and MacDonough， 1989)和PAAS標(biāo)準(zhǔn)化微量元素配分圖(b， 標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值據(jù)Taylor and McLennan， 1985)Fig. 4 Chondrite-normalized rare earth element patterns (a, Sun and MacDonough, 1989) and PAAS-normalized spider diagrams (b, Taylor and McLennan, 1985) of the metamorphosed sandstones of the Wutai Group

4 討論

4.1 原巖性質(zhì)

變質(zhì)巖原巖恢復(fù)是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的過(guò)程， 應(yīng)結(jié)合野外地質(zhì)產(chǎn)狀、變形特征、巖石組合、巖相學(xué)、變余結(jié)構(gòu)特征、地球化學(xué)成分等方面進(jìn)行綜合判斷。五臺(tái)群變質(zhì)砂巖明顯遭受過(guò)多期變質(zhì)-變形作用影響， 雖然其原有的完整沉積組構(gòu)等鑒別特征受到一定程度的改造， 但變質(zhì)砂巖受到風(fēng)化作用的影響較小， 可以借助其巖石地球化學(xué)幫助進(jìn)行有效的原巖恢復(fù)。

從野外和鏡下可以看出所有變質(zhì)砂巖原巖均為雜砂巖， 從碎屑沉積巖微量元素判別圖解來(lái)看， 雖然前人的五臺(tái)群變沉積巖數(shù)據(jù)變化范圍較大， 但本次研究的樣品均集中在雜砂巖或雜砂巖與頁(yè)巖過(guò)渡區(qū)域(圖5)， 進(jìn)一步支持本文樣品的原巖為雜砂巖， 與鏡下觀察一致(圖3)。主量元素分類圖顯示本文樣品多數(shù)仍能夠保持原巖特征， 說(shuō)明成巖后的變質(zhì)變形作用對(duì)其影響較弱， 這與其后期變質(zhì)程度較弱相適應(yīng)， 表明此變質(zhì)砂巖的巖石地球化學(xué)組成仍然保持相對(duì)穩(wěn)定， 其惰性元素及比值能夠?yàn)槲镌磁c沉積的構(gòu)造環(huán)境判別提供可靠約束。

圖 5 五臺(tái)群變質(zhì)砂巖Fe2O3T/K2O-SiO2/Al2O3圖解(Herron, 1988； 五臺(tái)群變質(zhì)沉積巖據(jù)Li et al., 2008； 錢加慧等， 2013； Liu et al., 2016a)Fig. 5 Fe2O3T/K2O-SiO2/Al2O3 diagram of the metamorphosed sandstones of the Wutai Group (Herron, 1988; date of the metamorphosed sedimentary of the Wutai Group from Li et al., 2008; Qian Jiahui et al., 2013; Liu et al., 2016a)

4.2 砂巖的物質(zhì)來(lái)源

碎屑沉積巖的巖石化學(xué)組成主要受源巖成分、化學(xué)風(fēng)化、分選、成巖作用等多因素的影響， 在應(yīng)用于物質(zhì)來(lái)源判別時(shí)需要十分小心。如， 在基于主量元素的F1-F2物源判別圖解中， 本文研究的變質(zhì)砂巖樣品主要落入長(zhǎng)英質(zhì)火成巖來(lái)源， 少量落入中性火成巖來(lái)源(圖6a)， 與其惰性微量元素比值判別物源的結(jié)果基本一致。

圖 6 五臺(tái)群變質(zhì)砂巖物源判別圖Fig. 6 Provenance diagrams for the metamorphosed sandstones of the Wutai Groupa—F1-F2來(lái)源圖解(據(jù)Bhatia and Crook， 1986； Roser and Korsch， 1988； F1、F2表達(dá)式見表1)； b—La/Th-Hf圖解(據(jù)Floyed and Leveridge， 1987)； c—La/Yb-ΣREE圖解(據(jù)Allegre and Michard， 1974)； d—La/Yb-ΣREE圖解(據(jù)王仁民等， 1986)； e—Th/La-Sm/La圖解(據(jù)Plank, 2005)； f—Zr/Hf-Y/Ho圖解(巖漿巖據(jù)Liu et al., 2004； Wang et al., 2004； Polat et al., 2005； Liu et al., 2016b及未發(fā)表數(shù)據(jù)； 五臺(tái)群變質(zhì)沉積巖據(jù)Li et al., 2008； 錢加慧等， 2013； Liu et al., 2016a)a—F1-F2 diagram (Bhatia and Crook, 1986； Roser and Korsch, 1988)； b—La/Th-Hf diagram (Floyed and Leveridge, 1987)； c—La/Yb-ΣREE diagram (Allegre and Michard, 1974)； d—La/Yb-ΣREE diagram (Wang Renmin et al., 1986)； e—Th/La-Sm/La diagram (Plank, 2005)； f—Zr/Hf-Y/Ho diagram (date of magmatism from Liu et al., 2004； Wang et al., 2004； Polat et al., 2005； Liu et al., 2016b and unpublished data； data of the metamorphic sedimentary of the Wutai Group from Li et al., 2008； Qian Jiahui et al., 2013； Liu et al., 2016a)

REE和高場(chǎng)強(qiáng)元素(如Zr、Hf、Sc、Y、Th等)在水中的溶解度很小， 不易受風(fēng)化和蝕變的影響， 特別是惰性元素對(duì)， 其比值一般不會(huì)發(fā)生解耦， 對(duì)于沉積巖的物源和構(gòu)造環(huán)境判別等方面具有重要的指示意義(Nance and Taylor， 1976； Taylor and McLennan， 1985； Bhatia and Crook， 1986； Feng and Kerrich， 1990； Fralick and Kronberg， 1997)。在La/Th-Hf圖解(圖6b)、La/Yb-∑REE圖解(圖6c)和La/Yb-∑REE 圖解(圖6d)中， 五臺(tái)群變質(zhì)砂巖大部分落入長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合區(qū)和沉積巖區(qū)/砂質(zhì)巖和雜砂巖區(qū)。將五臺(tái)群變質(zhì)砂巖以及前人獲得的五臺(tái)群變質(zhì)沉積巖數(shù)據(jù)(Lietal., 2008； 錢加慧等， 2013； Liuetal., 2016a)與五臺(tái)地區(qū)出露的花崗巖類和變質(zhì)火山巖(Liuetal., 2004； Wangetal., 2004； Polatetal., 2005； Liuetal., 2016b及未發(fā)表數(shù)據(jù))的不活動(dòng)元素比值進(jìn)行比較， 結(jié)果顯示Th/La值和Sm/La值在各類巖石中相對(duì)集中， 穩(wěn)定性好。五臺(tái)群變質(zhì)砂巖的Th/La值范圍為0.11～0.48， Sm/La值范圍為0.14～0.19(圖6e)， 總體上與五臺(tái)地區(qū)酸性火山巖(Th/La=0.10～0.97和Sm/La=0.10～0.27)非常相似， 而與酸性侵入巖(Th/La=0.02～2.31和Sm/La=0.05～0.23)、中性巖(Th/La=0.09～0.76和Sm/La=0.17～0.40)和基性巖(Th/La=0.02～0.26和Sm/La=0.16～1.79)區(qū)別明顯。同時(shí)， 變質(zhì)砂巖Zr/Hf值范圍為33～43， Y/Ho值范圍為25～31， 也與五臺(tái)地區(qū)酸性火山巖(Zr/Hf=33～42和Y/Ho=21～31)高度吻合， 明顯區(qū)別于其它物源特征(圖6f)， 這些巖石地球化學(xué)特征表明變質(zhì)砂巖的碎屑沉積物主要來(lái)自于酸性火山巖， 而不是酸性侵入巖和中基性火山巖。

4.3 源區(qū)風(fēng)化特征

變質(zhì)沉積巖受到風(fēng)化、成巖、變質(zhì)等地質(zhì)作用的影響， 失去了原有的組構(gòu)特征， 通常需要借助地球化學(xué)特征來(lái)分析其源區(qū)物質(zhì)組成、風(fēng)化程度和構(gòu)造環(huán)境(Nesbitt and Young， 1982； Taylor and McLennan， 1985； McLennanetal., 1993； Fedoetal., 1995； Bhat and Ghosh， 2001； Jooetal., 2005)， 包括化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)、化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIW)、斜長(zhǎng)石蝕變指數(shù)(PIA)(Nesbitt and Young， 1982； Harnois， 1988； Fedoetal., 1995)等。在計(jì)算CIA和PIA指數(shù)時(shí)， 其公式中CaO*的計(jì)算方法為CaO*=CaO-5 P2O5/3， 如果計(jì)算后的CaO*高于Na2O， 則CaO*取Na2O的數(shù)值進(jìn)行CIA和PIA指數(shù)的計(jì)算， 如果計(jì)算后的CaO*低于Na2O， 則使用計(jì)算后的CaO*數(shù)值(McLennanetal., 1993； Fedoetal., 1995)， 如樣品L4-D07計(jì)算后的CaO*=2.73， 低于該樣品Na2O數(shù)值(5.79)， 則使用CaO*=2.73計(jì)算CIA和PIA指數(shù)， 其余變質(zhì)砂巖CaO含量均低于1%， 且無(wú)明顯的碳酸鹽化， 因此， 這些變質(zhì)砂巖的CaO含量可以作為硅酸鹽中CaO的近似含量。

化學(xué)蝕變指數(shù)CIA和化學(xué)風(fēng)化指數(shù)CIW可以測(cè)量碎屑沉積巖源區(qū)物質(zhì)受風(fēng)化影響的程度(Nesbitt and Young， 1982； Fedoetal., 1995； Harnois， 1988)。通常情況下， 巖石風(fēng)化程度越高， CIA指數(shù)越高， 未經(jīng)歷風(fēng)化的巖漿巖CIA指數(shù)小于50， 太古宙上地殼平均CIA指數(shù)為45， 強(qiáng)烈風(fēng)化的沉積巖產(chǎn)生高嶺石、三水鋁石等殘余粘土礦物， CIA指數(shù)接近100。五臺(tái)群變質(zhì)砂巖的CIA指數(shù)為60～76(表1)， CIW指數(shù)為63～91(表1)。對(duì)比后太古代澳大利亞頁(yè)巖(PAAS)(Taylor and McLennan, 1985)、北美頁(yè)巖(NASC)(Grometetal.,1984)和前寒武紀(jì)克拉通頁(yè)巖(ASC)(Condie, 1993)的CIA指數(shù)(分別為79、73和81)和CIW指數(shù)(分別為89、88和94)， 結(jié)果表明， 五臺(tái)群變質(zhì)砂巖的源區(qū)物質(zhì)相對(duì)經(jīng)歷了弱到中等的風(fēng)化作用。該特征與大量石英顆粒呈棱角狀的形態(tài)特征吻合。另外， 斜長(zhǎng)石蝕變指數(shù)PIA指數(shù)常用來(lái)單獨(dú)指示斜長(zhǎng)石的風(fēng)化程度， 新鮮巖石的PIA指數(shù)為50， 富含粘土礦物(如高嶺石、伊利石和蒙脫石等)的巖石PIA指數(shù)可達(dá)100(Fedoetal., 1995)。五臺(tái)群變質(zhì)砂巖的PIA指數(shù)為61～89(表1)， 表明五臺(tái)群變質(zhì)砂巖的粘土礦物含量相差較大， 與鏡下觀察中膠結(jié)物主要為石英和粘土礦物相符(圖3f)， 說(shuō)明本文變質(zhì)砂巖的源區(qū)物質(zhì)只經(jīng)歷了中等程度的風(fēng)化作用。上述特征表明組成五臺(tái)群砂巖的物質(zhì)主要為近源風(fēng)化碎屑物， 經(jīng)歷近距離的搬運(yùn)并快速沉積而成。

綜上所述， 五臺(tái)群變質(zhì)砂巖主要來(lái)源于五臺(tái)地區(qū)變質(zhì)酸性火山巖的風(fēng)化物沉積而成。

4.4 砂巖的構(gòu)造環(huán)境及意義

某些惰性微量元素的含量及其比值能夠用于沉積巖的大地構(gòu)造環(huán)境判別并劃分出幾個(gè)典型的構(gòu)造環(huán)境， 如大洋島弧、大陸弧、活動(dòng)大陸邊緣、被動(dòng)大陸邊緣(Bhatia， 1983； Bhatia and Crook， 1986； McLennan and Taylor， 1991)。五臺(tái)群變質(zhì)砂巖的La、Ce、∑REE含量接近大陸邊緣弧， 且相關(guān)的微量元素比值也與大陸邊緣弧一致或相似(如Eu/ Eu*、Rb/Sr、Zr/Th、La/Sc、Zr/Hf)(表2)。實(shí)際上， 除了惰性微量元素外， 多個(gè)微量元素三元圖解和微量元素對(duì)圖解也都給出相一致的結(jié)果， 如在Th-Sc-Zr/10、La-Th-Sc圖中(圖7c、7d)， 五臺(tái)群變質(zhì)砂巖落在大陸邊緣弧區(qū)域； 在Ti/Zr-La/Sc圖中(圖7e)， 雖有部分樣品落入活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域， 但主要落入大陸邊緣弧區(qū)域； 在Th-Hf-Co判別圖解中， 則全部落入與弧相關(guān)的雜砂巖區(qū)域(圖7f)， 進(jìn)一步說(shuō)明本文砂巖應(yīng)形成于具有大陸邊緣弧特征的構(gòu)造環(huán)境之中。另外， 由于前述的風(fēng)化作用對(duì)巖石地化影響較小， 利用主量元素圖解， 如在TiO2-(Fe2O3T+MgO)和Al2O3/SiO2-(Fe2O3T+MgO)的構(gòu)造環(huán)境判別圖解中， 五臺(tái)群變質(zhì)砂巖也都與大陸邊緣弧砂巖特征一致(圖7a、7b)。

表 2 五臺(tái)群變質(zhì)砂巖與其他構(gòu)造背景變質(zhì)砂巖的地球化學(xué)參數(shù)對(duì)比Table 2 Comparation of geochemical parameters between the metamorphic sandstones from Wutai Group and different tectonic settings

圖 7 五臺(tái)群變質(zhì)砂巖構(gòu)造環(huán)境判別圖解(底圖據(jù)Condie， 1986； Bhatia and Crook， 1986； 五臺(tái)群變質(zhì)沉積巖據(jù)Li et al., 2008； 錢加慧等， 2013； Liu et al., 2016a)Fig. 7 Tectonic setting discriminant diagrams for the metamorphic sandstones of the Wutai Group (after Condie, 1986； Bhatia and Crook, 1986； data of the metamorphosed sedimentary of the Wutai Group from Li et al., 2008； Qian Jiahui et al., 2013； Liu et al., 2016a)

五臺(tái)群中的石咀亞群和臺(tái)懷亞群的最大沉積年齡為2 535～2 516 Ma(Liuetal., 2016a)。Li等(2008)獲得的石咀亞群變質(zhì)沉積巖碎屑鋯石年齡集中于～2.53 Ga。陳雪等(2015)通過(guò)對(duì)石咀亞群片麻狀花崗巖的LA-ICP-MS鋯石U-Pb測(cè)年研究， 推定五臺(tái)群的沉積上限年齡約為2.5 Ga。本文研究顯示五臺(tái)群臺(tái)懷亞群中的變質(zhì)砂巖原巖沉積于大陸邊緣弧環(huán)境， 暗示五臺(tái)群地層參與華北克拉通化過(guò)程的時(shí)間應(yīng)晚于2.5 Ga， 這從前人對(duì)本區(qū)其它方面的研究中也可見一斑(Wangetal., 2010)。五臺(tái)群形成之后， 經(jīng)歷了2.3～2.2 Ga或2.5～2.2 Ga和1.95～1.80 Ga兩期變質(zhì)(Wangetal., 2010)。不整合覆蓋于五臺(tái)雜巖之上的滹沱群， 其初始沉積時(shí)代為～2.2 Ga(Duetal., 2015)， 而五臺(tái)群的變形歷史比滹沱群至少多一期(Lietal., 2010)， 說(shuō)明五臺(tái)群形成之后和滹沱群形成之前本區(qū)發(fā)生過(guò)變質(zhì)變形作用，因此有理由推測(cè)五臺(tái)群在2.5～2.3(2.2)Ga期間發(fā)生過(guò)變質(zhì)變形作用(Wangetal., 2010； Zhai and Santosh， 2011； Liuetal., 2020)， 與早期的克拉通化過(guò)程有關(guān)。而本文的砂巖正是在此期間發(fā)生了第一次變質(zhì)變形作用。其后， 本區(qū)進(jìn)入古元古代中期的陸內(nèi)裂谷階段并接受滹沱群的沉積覆蓋及古元古代末期克拉通化作用引起的共同變質(zhì)變形作用。

5 結(jié)論

五臺(tái)群變質(zhì)砂巖的原巖為雜砂巖， 物源主要來(lái)自風(fēng)化的酸性火山巖， 源區(qū)巖石經(jīng)歷過(guò)弱-中等的風(fēng)化作用并發(fā)生快速沉積作用。巖石地球化學(xué)組成特征顯示其沉積的構(gòu)造環(huán)境與大陸邊緣弧的砂巖相似。

致謝感謝中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)博士研究生張少穎和許元全對(duì)本研究的幫助， 感謝閆臻老師對(duì)全文的修訂及修改意見， 感謝匿名評(píng)審專家提出的寶貴意見。