汪 彪 , 施立志, 阮 壯, 黃靜宜, 羅立艷

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 北京 100037;2)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; 3)防災(zāi)科技學(xué)院, 河北三河 065201

研究區(qū)位于我國(guó)內(nèi)蒙古自治區(qū)正鑲白旗貢淖爾地區(qū), 大地構(gòu)造位置上處于華北板塊北緣與華北板塊和西伯利亞板塊形成的興蒙造山帶南緣拼合部位(圖1)。前人為解決古亞洲洋的閉合時(shí)限、位置以及區(qū)內(nèi)大地構(gòu)造屬性及演化等科學(xué)問(wèn)題, 對(duì)區(qū)域內(nèi)額里圖組的研究形成了一系列成果認(rèn)識(shí)。其中, 田樹剛等(2011, 2012, 2016a, b, 2018, 2021)研究認(rèn)為研究區(qū)晚古生代還存在通暢的海洋環(huán)境。朱俊賓和和政軍(2017)、和政軍等(1997)認(rèn)為額里圖組為正常陸相沉積。梅楊等(2013)則認(rèn)為額里圖組是在海相、濱海相沉積的三面井組的沉積后形成的陸相火山巖和湖相碎屑巖。陳井勝等(2015)認(rèn)為額里圖組的沉積環(huán)境是海陸過(guò)渡相、三角洲相。額里圖組作為二連盆地及外圍地區(qū)晚古生代形成的重要地層, 同時(shí)被認(rèn)為是我國(guó)北方晚古生代重要的潛在含油氣地層(中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所, 2019)。因此,厘清其物源類型、源區(qū)大地構(gòu)造背景以及沉積盆地屬性, 對(duì)正確認(rèn)識(shí)我國(guó)北方石炭—二疊紀(jì)構(gòu)造古地理演化并指導(dǎo)區(qū)域油氣勘探具有重要意義。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)與構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig. 1 Geologic and geotectonic sketch map of Zhengxiangbaiqi, Inner Mongolia

運(yùn)用沉積巖全巖的主量元素、微量元素和稀土元素及 Nd同位素特征, 可以很好地識(shí)別沉積巖源區(qū), 并進(jìn)而重建盆地的氣候特點(diǎn)及其大地構(gòu)造背景,是地球科學(xué)研究的有力手段(Zhang, 2004; Zhang et al., 2006, 2007, 2012, 2017; 孫林華和桂和榮, 2011;徐小濤和邵龍義, 2018)。Zhang(2004), Zhang et al.(2006, 2007, 2012)、李明龍等(2019)認(rèn)為細(xì)粒沉積物的微量元素地球化學(xué)受后期成巖作用以及風(fēng)化作用影響相對(duì)較小, 用細(xì)碎屑沉積巖的微量元素地球化學(xué)特征能夠可靠的進(jìn)行源區(qū)和環(huán)境示蹤。因此, 本文在前人的研究基礎(chǔ)上, 通過(guò)對(duì)野外剖面的修測(cè),在厘定各層段的巖性組合特征和沉積構(gòu)造的基礎(chǔ)上,系統(tǒng)采集了該組地層中發(fā)育的細(xì)碎屑巖樣品, 進(jìn)行了全巖的主、微量元素和稀土元素特征分析, 粗碎屑巖開展了鏡下巖相學(xué)觀察, 探討了研究區(qū)貢淖爾剖面額里圖組下段的細(xì)碎屑巖的物源類型、源區(qū)大地構(gòu)造背景, 進(jìn)而推斷了對(duì)應(yīng)的沉積盆地類型, 這將為我國(guó)北方晚古生代油氣地質(zhì)調(diào)查的有利潛在含油氣區(qū)帶的優(yōu)選提供重要參考依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于中亞造山帶的東段(興蒙造山帶)南緣的溫都爾廟—翁牛特旗造山帶(Windley et al.,2007), 處于赤峰—巴彥敖包斷裂為界限的華北板塊北緣和以二連—賀根山斷裂縫合帶為界的西伯利亞板塊南緣之間, 緊靠華北板塊北緣(圖1)。額里圖組在內(nèi)蒙古自治區(qū)東部廣泛分布, 為晚古生代大陸邊緣弧后濱岸盆地沉積, 下部為雜色含礫粗粒長(zhǎng)石砂巖、石英砂巖、細(xì)砂巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)頁(yè)巖夾火山碎屑巖; 上部為灰色與灰黑色凝灰角礫巖、安山巖(內(nèi)蒙古自治區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)局, 1991)。以整合或平行不整合沉積于下二疊統(tǒng)三面井組之上, 上覆地層為中二疊統(tǒng)于家北溝組, 兩者呈整合接觸(鄭月娟等, 2018)。

貢淖爾剖面位于內(nèi)蒙古自治區(qū)正鑲白旗南東東約28 km處(圖1), 剖面長(zhǎng)度約2.4 km, 累計(jì)地層厚度約1790 m。剖面由底到頂共被劃分35層, 剖面起點(diǎn)坐標(biāo)為 E115°22′10.58″, N42°14′45.07″, 剖面終點(diǎn) E115°22′2.56″, N42°13′30.83″, 剖面方向?yàn)?85°。剖面由底到頂巖性見(jiàn)綜合柱狀圖中的巖性描述(圖3)。

剖面下部(第 3層(圖2A, B)、第10層(圖2C))的砂巖顆粒主要為棱角狀的石英、半自形的長(zhǎng)石(多為斜長(zhǎng)石和條紋長(zhǎng)石)、火山巖屑(主要為凝灰質(zhì)巖屑和安山巖巖屑), 顆粒間呈接觸式支撐, 填隙物主要是泥質(zhì)雜基和絹云母, 其中火山巖屑含量相對(duì)偏少但含量有所增加。剖面中-上部(第14層中上部及以后(圖2D-H))的砂巖: 顆粒主要是巖屑, 其中以火山巖屑為主, 火山巖屑成分是安山巖和凝灰?guī)r,巖屑表面明顯發(fā)生了溶蝕現(xiàn)象, 主要是斜長(zhǎng)石被蝕變成絹云母, 另外, 自形的棱角狀的斜長(zhǎng)石顆粒表面也發(fā)生了絹云母化, 其次是出現(xiàn)沉積巖巖屑, 主要是次圓狀-圓狀的燧石巖屑, 再其次是棱角狀的石英, 分選差, 顆粒粗大的石英表面有裂紋, 顆粒之間的接觸方式由顆粒支撐變?yōu)殡s基支撐, 膠結(jié)物為凝灰物質(zhì), 并且隨著地層變新, 燧石巖屑和凝灰物質(zhì)的含量越來(lái)越多。上述特征表明, 貢淖爾剖面額里圖組的碎屑巖具有極近源的火山巖和遠(yuǎn)距離的古老沉積巖的雙重物源供給特征, 并且主要為極近源的且快速堆積的火山巖物質(zhì), 古老沉積巖遠(yuǎn)距離供給為輔, 沉積過(guò)程中伴隨著強(qiáng)烈的火山作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng), 即研究區(qū)在額里圖期處于構(gòu)造極為活躍的狀態(tài)。

圖2 正鑲白旗額里圖組貢淖爾剖面下段砂巖鏡下特征照片F(xiàn)ig. 2 Microphotographs of sandstone from the lower part of the Elitu Formation in the Gongnaoer area,Zhengxiangbaiqi, Inner Mongolia

2 樣品特征與分析測(cè)試方法

2.1 樣品描述

共分析 18塊樣品, 巖性為灰黑色泥巖-頁(yè)巖、灰黑色泥質(zhì)粉砂巖或深灰色-灰黑色粉砂巖?？紤]到該剖面中發(fā)育大量的暗色泥頁(yè)巖、粉砂巖, 采樣規(guī)則主要是根據(jù)每層暗色泥頁(yè)巖、泥質(zhì)粉砂巖在各層段中的發(fā)育情況, 有規(guī)律的采集, 在發(fā)育較厚的部位則在其頂?shù)捉缦薷浇约爸胁扛鞑杉患? 保證采樣具有代表性。具體采樣位置見(jiàn)圖3。

圖3 正鑲白旗額里圖組貢淖爾剖面綜合柱狀圖Fig. 3 Synthetic columnar diagram of the Elitu Formation in the Gongnaoer area, Zhengxiangbaiqi, Inner Mongolia

2.2 分析測(cè)試方法

在北京核工業(yè)地質(zhì)研究院對(duì)樣品進(jìn)行了全巖主微量元素分析。主量元素在AB104L, Axios-mAX波長(zhǎng)色散 X射線熒光光譜儀上完成, 依據(jù) GB/T 14506.14-2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法 第14部分: 氧化亞鐵量測(cè)定》, GB/T 14506.28-2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法 第28部分: 16個(gè)主次成分量測(cè)定》, 巖石礦物分析*《第四版 16.20 灼燒減量的測(cè)定》, 相對(duì)偏差＜5%。微量元素(含稀土元素)依據(jù)GB/T 14506.30-2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法第30部分: 44個(gè)元素量測(cè)定》, 在ELEMENT XR等離子體質(zhì)譜儀上進(jìn)行, 分析精度優(yōu)于3%。

3 分析結(jié)果

3.1 主量元素

分析結(jié)果見(jiàn)表1。其中 SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為55.03%～62.51%(平均值為58.19%); Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 17.03%～20.85%(平均值為 19.68%); K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 3.50%～6.30%(平均值為 4.96%); Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.52%～2.07%(平均值為1.33%); Fe2O3T(全鐵)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 4.37%～8.35%(平均值為 6.92%);FeO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 1.43%～6.61%(平均值為3.92%);MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.94%～2.93%(平均值為2.48%);CaO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.41%～1.70%(平均值為0.78%);MnO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03%～0.18%(平均值為1.10%);TiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 0.75%～1.00%(平均值為 0.86%);P2O5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.19%～0.30%(平均值為0.23%)。SiO2與其他氧化物表現(xiàn)出不同程度的相關(guān)性:TiO2(r= -0.02), Al2O3(r= -0.34), Fe2O3T(r= -0.37),MnO(r= -0.01), MgO(r= -0.07), CaO(r= -0.08),Na2O(r= -0.08)和K2O(r=0.05)。表明沉積巖中的碳酸鹽巖碎屑或基質(zhì)是原生的而非次生的(Feng and Kerrich, 1990; Gu et al., 2002; Zhang, 2004; Zhang et al., 2012)。其中SiO2與Na2O的負(fù)相關(guān)性, 可能與長(zhǎng)石發(fā)生次生蝕變有關(guān)(Zhang, 2004; 張英利等,2011; Zhang et al., 2012), 筆者采集的砂巖鏡下特征均顯示出斜長(zhǎng)石表面大多發(fā)生了絹云母化和綠泥石化(圖2), 這也映證了這一點(diǎn)。

表1 貢淖爾剖面額里圖組細(xì)碎屑巖主量元素分析結(jié)果(wt. %)Table 1Major elemental composition(wt. %) of fine-grained siliciclastic rocks from the ElituFormation in the Gongnaoer section, Zhengxiangbaiqi, Inner Mongolia

化學(xué)風(fēng)化指數(shù)(CIW)和化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)通?？梢杂脕?lái)表征碎屑巖母巖遭受古化學(xué)風(fēng)化程度,通常CIW值、CIA值越大表明母巖風(fēng)化程度越強(qiáng)(馮連君等, 2003; 楊江海等, 2007)。一般認(rèn)為CIA值在50±, 碎屑巖母巖未遭受化學(xué)風(fēng)化, CIA值在100±,表明碎屑巖母巖遭受了強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化(Zhang,2004; Zhang et al., 2012; 徐小濤和邵龍義, 2018)。樣品 CIA 值為 64～75(平均值為 70); CIW 值為79～95(平均值為87)。指示出母巖總體上遭受了一定程度(中等強(qiáng)度)的化學(xué)風(fēng)化。并且CIA值和CIW值在縱向剖面上呈現(xiàn)出升高-降低-升高-降低的整體趨勢(shì), 表明在時(shí)間軸上呈現(xiàn)出化學(xué)風(fēng)化增強(qiáng)→減弱→增強(qiáng)→減弱的趨勢(shì)。

成分變異指數(shù)(ICV)可以用來(lái)表征碎屑巖源巖的成分成熟度。沉積物在循環(huán)過(guò)程中非黏土礦物含量的降低或第一次循環(huán)碎屑輸入量的降低, 都將導(dǎo)致 ICV值的降低; 黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的巖石ICV值一般＞1, 多屬于構(gòu)造活動(dòng)地區(qū)第一次旋回的沉積物; 黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的碎屑巖ICV值≤1, 形成于構(gòu)造平靜的環(huán)境, 此背景下第一次循環(huán)沉積物的再循環(huán)十分發(fā)育(Bhatia and Crook, 1986;田洋等, 2015)。樣品中ICV值均為0.86～1.21(平均值為 1.04), 僅有個(gè)別樣品(GNR-9和 GNR-10)ICV值明顯小于1, 其余均明顯大于1, 指示其沉積物大多屬于構(gòu)造活躍地區(qū)第一次旋回的沉積物, 個(gè)別層段處于構(gòu)造平靜期, 這與剖面上的特征相一致。

3.2 微量元素特征

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。將樣品的微量元素與平均上地殼(UCC)元素含量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(圖4A)和球粒隕石進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理(圖4B)。從圖4A可以發(fā)現(xiàn), 相對(duì)于平均上地殼元素含量, 大離子親石元素Sr、Hf、Zr呈現(xiàn)虧損, 尤其是Sr呈現(xiàn)較明顯的虧損。Cs呈現(xiàn)明顯的正異常, U含量與平均上地殼含量幾乎相當(dāng), 個(gè)別樣品的Rb含量略低于平均上地殼值, 但大多數(shù)高于平均上地殼含量, 其余元素均高于平均上地殼含量。盡管不同樣品的含量不盡一致, 但是標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)顯示整體趨勢(shì)一致, 說(shuō)明采自該剖面不同層位的細(xì)碎屑巖具有相似源區(qū)及大地構(gòu)造背景。從圖4B可以看出, 其中大離子親石元素(如Ba、Th、La、Ce、Nd)含量均較高, 并呈現(xiàn)明顯的正異常, 但Sr呈明顯的負(fù)異常, Zr含量較低。然而, 該剖面的細(xì)碎屑巖的微量元素與球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后整體趨勢(shì)保持一致, 能夠用來(lái)進(jìn)行源區(qū)示蹤。標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)顯示與上地殼的特征非常接近, 說(shuō)明貢淖爾剖面的物源區(qū)為上地殼性質(zhì), 而明顯的Sr的虧損與其沉積水體環(huán)境有關(guān), Zr的負(fù)異常表明鋯石未經(jīng)歷沉積分異,暗示了其母巖非再循環(huán)的沉積物。

圖4 正鑲白旗額里圖組貢淖爾剖面碎屑巖微量元素上地殼標(biāo)準(zhǔn)化圖(A; 數(shù)據(jù)引自Taylor and McLennan, 1985)和球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖(B)(數(shù)據(jù)引自Sun and McDonough, 1989)Fig. 4 UCC-normalized (A, after Taylor and McLennan, 1985) and chondrite-normalized (B, after Sun and McDonough,1989) trace element diagrams of fine-grained clastic rocks from the Elitu Formation in Gongnaoer section, Zhengxiangbaiqi,Inner Mongolia

表2 貢淖爾剖面額里圖組碎屑巖微量元素分析結(jié)果(×10-6)Table 2Trace element (×10-6) compositionof fine-grained clastic rocks from the Elituformation in the Gongnaoer section, Zhengxiangbaiqi, Inner Mongolia

3.3 稀土元素特征

稀土元素分析結(jié)果見(jiàn)表3。稀土元素總量(ΣREE)為 218×10-6～325×10-6, 平均值為 273×10-6。輕稀土(LREE)和重稀土(HREE)含量分別為195×10-6～297×10-6和 22.5×10-6～30.1×10-6, 平均值分別為248×10-6和25.5×10-6。LREE/HREE在8.0～13之間, 平均值為 9.78。δEu在 0.55～0.68之間, 平均值為 0.62, 表現(xiàn)為明顯的負(fù)異常。LaN/YbN范圍為7.2～13, 平均值為 11, 表明輕重稀土分異明顯。除了GNR-8和GNR-9兩個(gè)樣品的δCe明顯小于1之外, 其余樣品的 δCe值均在 1附近, 幾乎無(wú)異常。前人的研究表明, δCe＞1 表示還原環(huán)境, δCe＜0.95 表示氧化環(huán)境(韋剛健等, 2001; Zhang, 2004; Zhang et al., 2012, 2017)。根據(jù)δCe值的特征, 顯示沉積時(shí)期的環(huán)境為弱氧化-還原的淺水-半深水環(huán)境。盡管不同的樣品的稀土元素組成含量變化較大, 然而, 在與球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土元素曲線(圖5)中, 所有樣品整體表現(xiàn)出相似的趨勢(shì), 其特征為輕稀土元素呈右傾富集、重稀土相對(duì)平坦并伴有明顯的銪負(fù)異常。表明貢淖爾剖面的細(xì)碎屑巖具有同源性或相似的大地構(gòu)造背景特征。且與上地殼的組成特征以及安第斯型活動(dòng)大陸邊緣特征相一致(圖5), 表明貢淖爾剖面的細(xì)碎屑巖的源區(qū)具有安第斯型活動(dòng)大陸邊緣的構(gòu)造特征。

圖5 正鑲白旗額里圖組貢淖爾剖面細(xì)碎屑巖稀土元素與球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化圖Fig. 5 Chondrite-normalized REE diagram of fine-grained clastic rocks from the Elitu Formation in Gongnaoer section,Zhengxiangbaiqi, Inner Mongolia

表3 貢淖爾剖面額里圖組碎屑巖稀土元素分析結(jié)果(×10-6)Table 3REE composition(×10-6) of fine-grained clastic rocks from the Elituformation in the Gongnaoer section, Zhengxiangbaiqi, Inner Mongolia

4 討論

4.1 物源區(qū)古氣候分析

對(duì)于古環(huán)境的研究, 已經(jīng)發(fā)生了由定性描述到半定量或定量方向的轉(zhuǎn)變。其中運(yùn)用全巖地球化學(xué)特征判別古氣候特征不斷地得到了發(fā)展, 早在 20世紀(jì)80年代Nesbitt等就提出了利用CIA指數(shù)確定物源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化程度的方法。一般而言, 風(fēng)化程度的強(qiáng)度與所處的古氣候條件有關(guān)。溫暖濕潤(rùn)的氣候條件下, 巖石受風(fēng)化程度更強(qiáng)烈, 寒冷干燥的氣候條件下, 巖石受風(fēng)化程度相對(duì)較弱(馮連君等,2003)。根據(jù)主量元素的CIA值、CIW值(表1)在剖面縱向上呈現(xiàn)出升高—降低—升高—降低的整體趨勢(shì)的特征, 表明古氣候在時(shí)間軸上呈現(xiàn)出由略微寒冷干燥→溫暖濕潤(rùn)→略微寒冷干燥→溫暖濕潤(rùn)→略微寒冷干燥的演變特征, 但是總體表現(xiàn)為溫暖潮濕的氣候特征, 這與張泓等(1999)研究認(rèn)為華北板塊晚石炭世—早二疊世期間處于熱帶雨林氣候的結(jié)果一致, 同時(shí), 剖面中的砂巖、上部凝灰質(zhì)砂巖中發(fā)育的鈣藻+古石孔藻以及苔蘚蟲生物礁也證明了溫暖潮濕的氣候特征。

4.2 源區(qū)成分特征

前人的研究成果表明, 通過(guò)碎屑巖的主量元素、微量元素、稀土元素及其比值法分析可以有效的分析判別沉積物源區(qū)的性質(zhì)(Zhang, 2004; Zhang,et al., 2006, 2007, 2012; 徐小濤和邵龍義, 2018)。根據(jù)Roser and Korsch(1986)提出的TiO2-SiO2圖解判斷物源區(qū)的類型進(jìn)行投圖(圖6A), 結(jié)果顯示貢淖爾剖面的額里圖組細(xì)碎屑巖的物源主要來(lái)源于火成巖區(qū), 個(gè)別點(diǎn)落入沉積巖區(qū), 指示火成巖物源區(qū)是貢淖爾剖面額里圖組的主要貢獻(xiàn)者。Roser and Korsch(1988)提出了利用主量元素判別函數(shù)確定沉積物源區(qū)的類型。圖6B中, 數(shù)據(jù)絕大部分落入長(zhǎng)英質(zhì)火成物源區(qū), 少部分落入石英質(zhì)沉積巖物源區(qū)。表明貢淖爾剖面額里圖組的物源區(qū)成分是長(zhǎng)英質(zhì)火成巖區(qū)和石英質(zhì)沉積巖物源區(qū), 粗碎屑巖中發(fā)育的火山巖巖屑和沉積巖巖屑也映證了這一結(jié)論。

圖6 正鑲白旗額里圖組貢淖爾剖面細(xì)碎屑巖物源區(qū)判別分析圖Fig. 6 Discrimination diagrams illustrating sedimentary provenance of fine-grained clastic rocks from the Elitu Formation in Gongnaoer section, Zhengxiangbaiqi, Inner Mongolia

一些微量元素、稀土元素因其化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定, 幾乎不受風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積作用的影響, 通常完整地保留了母巖的信息(Taylor and McLennan,1985; Bhatia and Crook, 1986; Roser and Korsch,1988; Zhang, 2004; Zhang et al., 2006, 2007, 2012,2017; 孫林華和桂和榮, 2011; 張英利等, 2011; 藍(lán)先洪等, 2018)。因此, 常用微量元素及其比值法圖解能夠有效判別源區(qū)成分屬性。根據(jù)前人的研究成果, 將額里圖組貢淖爾剖面的數(shù)據(jù)進(jìn)行投圖。在Th/Sc-Zr/Sc圖解(圖6C)中, 樣品集中落在安山巖和長(zhǎng)英質(zhì)火山巖演化連線上, 暗示物源區(qū)應(yīng)當(dāng)包含了中性和酸性火成巖的性質(zhì), 沒(méi)有沉積再循環(huán)的物質(zhì)加入, 這與主量元素投圖(圖6A, B)結(jié)果和CIA值、ICV值以及CIW值分析結(jié)果相一致。在Co/Th-La/Sc圖解(圖6D)中, 樣品集中落在長(zhǎng)英質(zhì)火山巖附近,但是La/Sc值略有偏高, 而Co/Th值變化范圍較大,說(shuō)明額里圖組貢淖爾剖面的沉積物存在多源區(qū)背景提供物源的特征。在 La/Yb-ΣREE圖解中, 樣品點(diǎn)集中落在堿性玄武巖、花崗巖與沉積巖-鈣質(zhì)泥巖的重疊區(qū)(圖6E)。在La/Th-Hf圖解中, 樣品點(diǎn)幾乎全部落入長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合物源區(qū)域, 僅有一個(gè)樣品落入?yún)⒖紖^(qū)域之外(圖6F)。而根據(jù)樣品的平均微量元素與球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后(圖7A), 發(fā)現(xiàn)除了個(gè)別大離子親石元素(如 Sr)發(fā)生了較為明顯的虧損外,整體趨勢(shì)與上地殼的相一致。根據(jù)樣品的平均稀土元素與球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化后(圖7B), 樣品的標(biāo)準(zhǔn)化曲線與上地殼標(biāo)準(zhǔn)化曲線平行且更富集。這與前人研究的在同構(gòu)造背景下泥巖的 REE質(zhì)量分?jǐn)?shù)要高于雜砂巖的REE質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%±(李福來(lái)等, 2016)認(rèn)識(shí)相一致。綜上所述, 內(nèi)蒙古正鑲白旗貢淖爾地區(qū)額里圖組下段沉積物母巖成分為長(zhǎng)英質(zhì)火成巖物源區(qū)和石英質(zhì)沉積巖物源區(qū)的混合源區(qū), 來(lái)自大陸上地殼。

圖7 正鑲白旗額里圖組貢淖爾剖面細(xì)碎屑巖微量元素(A)、稀土元素標(biāo)(B)與球粒隕石準(zhǔn)化圖Fig. 7 Chondrite-normalized trace-elements (A) and REE diagram (B) of fine-grained clastic rocks from the Elitu Formation in Gongnaoer section, Zhengxiangbaiqi, Inner Mongolia

4.3 源區(qū)構(gòu)造背景

前人研究表明, K2O/Na2O值與SiO2含量之間的相關(guān)關(guān)系可以有效識(shí)別碎屑巖的母巖形成的構(gòu)造背景(Roser and Korsch, 1988; Zhang, 2004; Zhang et al.,2012)。在K2O/Na2O-SiO2圖解中, 大部分樣品落入活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣, 僅有一個(gè)點(diǎn)落入島弧環(huán)境(圖8A)。由于長(zhǎng)石發(fā)生蝕變作用, 尤其是鈉長(zhǎng)石較鉀長(zhǎng)石更易發(fā)生風(fēng)化蝕變, 因此原巖的K2O/Na2O值較現(xiàn)今的比值應(yīng)當(dāng)更低。根據(jù)Bhatia(1983)提出的運(yùn)用常量元素區(qū)分源區(qū)構(gòu)造背景的判別函數(shù) F1’和 F2’進(jìn)行投圖后, 結(jié)果樣品全部落在活動(dòng)大陸邊緣區(qū)域(圖8B), 而圖6中顯示出的源區(qū)母巖成分特征也表明原巖的大地構(gòu)造背景不可能是來(lái)自被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境, 同時(shí)高K2O也表明源區(qū)與活動(dòng)大陸邊緣有關(guān)。

圖8 正鑲白旗額里圖組貢淖爾剖面細(xì)碎屑巖主量元素構(gòu)造環(huán)境分析圖Fig. 8 Tectonic discrimination plots by using major element of fine-grained clastic rocks from the Elitu formation in Gongnaoer section, Zhengxiangbaiqi, Inner Mongolia

微量稀土元素因其地球化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定, 構(gòu)造活動(dòng)、成巖作用對(duì)其影響很小, 而保存在碎屑組分中的一些微量元素和稀土元素特征包含了源區(qū)的大地構(gòu)造環(huán)境信息(Bhatia, 1983; Roser and Korsch,1986, 1988; McLennan, 1993; Zhang, 2004; Zhang et al., 2006, 2007, 2012, 2017)。因此, 根據(jù)上述特性,地質(zhì)學(xué)家研究沉積巖母巖、沉積盆地性質(zhì)以及大地構(gòu)造背景時(shí), 常用稀土元素和微量元素進(jìn)行示蹤。本文通過(guò)La-Th-Sc、Th-Co-Zr/10和Th-Sc-Zr/10三角圖解進(jìn)行判別正鑲白旗額里圖組貢淖爾剖面的原巖大地構(gòu)造背景, 結(jié)果顯示La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10圖解中樣品點(diǎn)集中落入大陸島弧及其附近(圖9A,C), 而 Th-Co-Zr/10圖解中樣品點(diǎn)比較分散地落入活動(dòng)大陸邊緣內(nèi)及其附近, 僅有 1個(gè)點(diǎn)落入大陸島弧內(nèi)(圖9B)。結(jié)合主量元素判別圖解、原巖成分特征判別結(jié)果和稀土元素示蹤結(jié)果綜合分析, 認(rèn)為內(nèi)蒙古正鑲白旗地區(qū)貢淖爾剖面額里圖組下段的母巖大地構(gòu)造背景與大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣相關(guān)。

圖9 正鑲白旗額里圖組貢淖爾剖面細(xì)碎屑巖微量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖(據(jù)Bhatia and Crook, 1986)Fig. 9 Trace elements tectonic discrimination diagrams of fine-grained clastic rocks from Elitu Formation in Gongnaoer section, Zhengxiangbaiqi, Inner Mongolia (after Bhatia and Crook, 1986)

而根據(jù)剖面的特征顯示內(nèi)蒙古正鑲白旗地區(qū)貢淖爾剖面額里圖組下段的碎屑巖具有以近源火山碎屑快速堆積為主遠(yuǎn)距離的沉積巖碎屑補(bǔ)充為輔的雙物源供給的特征(圖2), 筆者參考了區(qū)域上大地構(gòu)造演化資料, 在晚石炭—二疊世, 華北北緣因古亞洲洋的俯沖而表現(xiàn)為安第斯型活動(dòng)大陸邊緣, 由華北板塊北緣向北發(fā)育完整的弧-溝體系(Xiao et al.,2003)。同時(shí), 在赤峰—巴彥敖包斷裂帶一線及以北地區(qū)廣泛發(fā)育的石炭紀(jì)—二疊紀(jì)的鈣堿性花崗侵入巖和二疊紀(jì)的島弧火山巖, 尤其是研究區(qū)西部白乃廟以及研究區(qū)東北部可丹山地區(qū)均廣泛發(fā)育石炭—早二疊紀(jì)島弧火山巖(Hong et al., 1995; Xiao et al.,2003)。最新的研究表明, 研究區(qū)西南部額里圖組的下伏早二疊世三面井組為島弧型陸緣, 并伴隨著強(qiáng)烈的火山活動(dòng)(田樹剛等, 2021)。上述兩處島弧可以為盆地提供大量以火山物質(zhì)為主的沉積物。而南部的華北克拉通不可能提供諸如本文上述特征的大量火山碎屑的近源沉積物, 但是不排除提供長(zhǎng)距離搬運(yùn)的沉積巖屑(石英砂巖巖屑)的可能。同時(shí), 區(qū)內(nèi)額里圖組二段發(fā)育的安山巖、凝灰質(zhì)安山巖也可能指示島弧的存在, 只是額里圖組一段沉積巖中的火山巖屑的更準(zhǔn)確的親緣性還有待進(jìn)一步研究驗(yàn)證。因此, 綜合區(qū)域上的大地構(gòu)造演化資料, 結(jié)合本文取得的認(rèn)識(shí), 筆者認(rèn)為研究區(qū)額里圖組的沉積盆地性質(zhì)為弧后盆地。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)剖面出露的巖性特征以及代表性砂巖的鏡下特征, 額里圖組下段低成熟度的沉積物為近源快速堆積的結(jié)果, 并且沉積過(guò)程中伴隨著強(qiáng)烈的火山作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。

(2)內(nèi)蒙古正鑲白旗貢淖爾剖面額里圖組下段常量元素特征表明, 研究區(qū)額里圖期古氣候呈現(xiàn)出由略微寒冷干燥→溫暖濕潤(rùn)→略微寒冷干燥→溫暖濕潤(rùn)→略微寒冷干燥的演變趨勢(shì), 但是總體表現(xiàn)為溫暖潮濕的氣候特征, 并且, 巖母巖遭受了中等程度的化學(xué)風(fēng)化作用。

(3)沉積物大多屬于構(gòu)造活躍地區(qū)第一次旋回的沉積物, 母巖成分主要是來(lái)自上地殼的長(zhǎng)英質(zhì)火成巖和石英質(zhì)沉積巖源區(qū)。

(4)綜合主量元素、微量元素和稀土元素的特征,并結(jié)合前人的研究, 內(nèi)蒙古正鑲白旗貢淖爾剖面額里圖組下段沉積物的源區(qū)的大地構(gòu)造背景與大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣相關(guān), 沉積盆地為弧后盆地。

致謝:感謝中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)研究所的田樹剛老師和中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所的張英利老師分別在地質(zhì)認(rèn)識(shí)和巖石地球化學(xué)與大地構(gòu)造背景之間的聯(lián)系方面提供的指導(dǎo)和幫助, 以及一起進(jìn)行采樣、記錄、拍照、剖面測(cè)制、樣品整理的同學(xué)們,北京核工業(yè)地質(zhì)研究院的樣品測(cè)試的老師, 以及對(duì)本文提出修改意見(jiàn)的評(píng)審專家和編輯部工作人員,在此我真心地向他們一并表示感謝！

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No. 202016000000180202), Central Public-interest Scientific Institution Basal Research Fund (No. KK2005), and National Natural Science Foundation of China (No. 41572098).