涂其軍，王剛

（新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，新疆 烏魯木齊 830000）

沉積巖尤其是細(xì)粒沉積巖（泥巖或頁巖）的礦物和地球化學(xué)組分不僅可用于推測(cè)源區(qū)的源巖性質(zhì)和源區(qū)構(gòu)造背景[1-7]，且可用以評(píng)價(jià)研究區(qū)上地殼成分[8]。許多元素，如高場(chǎng)強(qiáng)元素（Zr，Hf，Nb，Ta，Th，Y）和稀土元素，它們?cè)谒芤褐芯叩腿芙舛群蛶缀跞勘４嬗诔练e物中，因此通常作為判斷物源來源和源區(qū)構(gòu)造背景的重要依據(jù)[2,9]。本文主要通過對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣中二疊統(tǒng)蘆草溝組頁巖礦物學(xué)和地球化學(xué)特征的研究，意在探討該區(qū)蘆草溝組頁巖的地球化學(xué)組成及沉積期的源區(qū)母巖性質(zhì)和構(gòu)造背景。

1 地質(zhì)概況

準(zhǔn)噶爾盆地南緣東段沿博格達(dá)山北部邊緣分布（圖1），經(jīng)歷了晚石炭世早期裂谷擴(kuò)張期、晚石炭世中晚期坳陷-萎縮期、早二疊世的再次擴(kuò)張期和中二疊世的盆地拗陷擴(kuò)展期[10-12]。中二疊世晚期結(jié)束殘余陸表海環(huán)境進(jìn)入湖相盆地演化階段[10,12]，沉積了一套湖相頁巖（蘆草溝組），此時(shí)湖盆可能受間歇性海水影響[13]。蘆草溝組地層中發(fā)現(xiàn)的吐魯番鱈魚化石進(jìn)一步證實(shí)了湖相環(huán)境[12]。

研究區(qū)發(fā)育地層自石炭—第四系均有分布。其中二疊系包括下二疊統(tǒng)石人子溝組和塔什庫拉組；中二疊統(tǒng)的烏拉泊組、井井子溝組、蘆草溝組和紅雁池組；上二疊統(tǒng)的泉子街組、梧桐溝組和鍋底坑組。蘆草溝組與下伏井井子溝組和上覆紅雁池組呈整合接觸。

沉積相和古流分析表明，蘆草溝組沉積期準(zhǔn)南地區(qū)的物源，普遍認(rèn)為來自北部的卡拉麥里山地區(qū)[14-15]。上述源區(qū)在晚石炭—早二疊世為板塊俯沖碰撞造山和殘余洋盆消亡期[11]。

此次樣品采自黃山河露頭剖面和東堿溝露頭剖面，均位于準(zhǔn)噶爾盆地南緣（圖1）[16]。蘆草溝組為此次研究層段，主要由黑色至褐灰色頁巖組成，局部層段夾薄層狀或透鏡狀白云巖、粉砂巖和細(xì)砂巖條帶，可見魚化石及兩棲類、葉肢介和雙殼類化石等。

2 樣品及方法

樣品采自準(zhǔn)噶爾盆地南緣東堿溝和黃山河露頭剖面，采樣層位為中二疊統(tǒng)蘆草溝組，共采集樣品19件，采樣位置如圖1。采樣時(shí)掘去表面風(fēng)化頁巖至新鮮面進(jìn)行采樣，采樣完后樣品用錫紙包裹送實(shí)驗(yàn)室分析。樣品測(cè)試在新疆維吾爾自治區(qū)礦產(chǎn)實(shí)驗(yàn)研究所巖礦檢測(cè)室完成。頁巖樣品粉碎至200目進(jìn)行地球化學(xué)分析。常量元素分析使用美國ARL公司制造的X熒光光譜儀（規(guī)格型號(hào)為XRF-8680）測(cè)試，RD＜2%；微量元素測(cè)試使用X系列電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS），檢測(cè)依據(jù)ZBF-3.67-2005，誤差小于5%；重復(fù)樣分析結(jié)果吻合，樣品分析具較高精度。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣地質(zhì)圖及采樣位置Fig.1 The geological map of the Southern Junggar Basin and location of sampling sites

3 礦物學(xué)和地球化學(xué)

3.1 礦物學(xué)特征

蘆草溝組頁巖中礦物以粘土礦物為主，含量27%～56%，均值42%，石英含量27%～58%，均值40%，長(zhǎng)石含量0～22%，均值10%為主（圖2-A），含少量鐵白云石，0～35%，均值4.3%、方解石（0～15%，均值1.9%）和白云石（0～20%，均值1.7%）及微量石膏（0～2.0%，均值0.11%）。粘土礦物以伊利石（9%～42%，均值20%）和伊蒙混層（0～43%，均值19%）為主，含少量綠泥石（0～8%，均值1.4%）和高嶺石（0～10%，均值3.1%）（圖2-B）。長(zhǎng)石中以斜長(zhǎng)石為主（0～14%，均值 8.3%），鉀長(zhǎng)石次之（0～1%，均值2.4%）。

Degens等認(rèn)為海水影響沉積物中的粘土礦物以伊利石為主[17]，淡水影響沉積物中的粘土礦物以高嶺石為主。因此，上述蘆草溝組頁巖中的粘土礦物的組合特征（富伊利石，貧高嶺石）可能代表了一種受海水影響或咸化的水體條件。Carroll等和李倩倩基于對(duì)準(zhǔn)南蘆草溝組頁巖的研究認(rèn)為，蘆草溝組地層沉積于受海水影響的咸水湖盆中[18-20]。故上述結(jié)論與前人研究結(jié)果相一致。

3.2 地球化學(xué)特征

對(duì)比于上地殼常微量元素豐度[1]，蘆草溝組頁巖較富集P2O5，Ni和Cu；Na2O和Ta較為虧損；其他元素含量與上地殼對(duì)應(yīng)元素豐度相似（圖3）[1]。P2O5的富集與蘆草溝組沉積期凝灰質(zhì)火山灰的輸入有關(guān)[20-21]。Na2O的虧損歸因于化學(xué)風(fēng)化過程中母巖中斜長(zhǎng)石（Na的主要載體）具低抗風(fēng)化能力，Na被淋濾而以離子形式隨水體流失。蘆草溝組頁巖中的SiO2/Al2O3比值（4.2～8.0，均值5.5）高于上地殼（4.3）、后太古宙澳大利亞頁巖PAAS（3.3）、花崗閃長(zhǎng)巖（4.2）和英云閃長(zhǎng)巖（3.8），但與花崗巖（5.4）相似（表1），揭示蘆草溝組頁巖與上述巖石（除花崗巖）相比具更高的石英含量。頁巖中大多數(shù)元素的含量與上地殼相比相對(duì)虧損的原因可能與含更高的石英含量有關(guān)（石英起稀釋作用）。

相關(guān)分析表明，F(xiàn)e2O3，TiO2，K2O，Be，Cr，Ga，Rb，Zr，Nb，La，Hf，Pb和Th與Al2O3具顯著的正相關(guān)關(guān)系（r=0.68～0.99），揭示這些元素主要以鋁硅酸巖的形式存在且主要來源于陸源碎屑的輸入；P2O5與CaO具顯著正相關(guān)關(guān)系（r=0.84），揭示P主要存在于磷灰石中；Sr與P2O5和CaO均表現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系（r=0.64，0.76)，說明Sr出現(xiàn)于磷灰石和碳酸巖礦物中，這是因?yàn)镾r能夠置換磷灰石或方解石晶格中的Ca[22]；MnO（r=0.66）和MgO（r=0.55）與CaO的關(guān)系說明Mn和Mg主要出現(xiàn)于碳酸巖礦物中，如鐵白云石和白云石。

圖2 蘆草溝組頁巖的礦物組成（A）和黏土礦物組成（B）Fig.2 The mineralogical constituent(A)and clay mineral assemblage(B)for the Lucaogou Formation shales

圖3 蘆草溝組頁巖中常量和微量元素含量及其與上地殼豐度的對(duì)比Fig.3 The major and trace elements abundances of the Lucaogou Formation shales,compared with that of Upper Continental Crust

表1 蘆草溝組頁巖的物源判別指標(biāo)及與其他參考值的對(duì)比Table 1 The indices diagnostic of provenance of Lucaogou Formation shales,in comparsion to other referenced values

4 討論

4.1 母巖性質(zhì)

上述蘆草溝組頁巖中以斜長(zhǎng)石為主而鉀長(zhǎng)石次之的長(zhǎng)石礦物組合揭示源區(qū)母巖更為富集斜長(zhǎng)石，因?yàn)樾遍L(zhǎng)石比鉀長(zhǎng)石更容易遭受風(fēng)化[23]。一些難溶元素的比值常用以推測(cè)母巖性質(zhì)。Hayashi等提出Al2O3/TiO2比值介于3～8指示基性巖[3]，8～21指示中性巖和21～70為酸性巖。此次研究中，頁巖的Al2O3/TiO2比值介于20.7～22.5，均值21.4，揭示頁巖的源區(qū)母巖以中性-酸性巖為主；頁巖的Al2O3/TiO2比值非常接近于英云閃長(zhǎng)巖的Al2O3/TiO2比值（21.2），但低于上地殼、花崗巖和花崗閃長(zhǎng)巖（表1，圖4）[4]，說明源區(qū)母巖性質(zhì)類似于英云閃長(zhǎng)巖。蘆草溝組頁巖的TiO2-Zr圖解也說明源區(qū)母巖成分極為類似于英云閃長(zhǎng)巖（圖5）[4]。Floyd等使用TiO2-Ni圖解區(qū)分了酸性巖和基性巖[24]。此次研究中，所有樣品點(diǎn)均落入酸性巖區(qū)域，但TiO2和Ni含量均高于上地殼中對(duì)應(yīng)元素豐度（圖6）[24]，揭示蘆草溝組頁巖的源區(qū)母巖為酸性巖，但與上地殼相比，含更多的鐵鎂質(zhì)組分和更少的長(zhǎng)英質(zhì)組分。

稀土元素的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式是一種有效的源巖判別工具，因?yàn)橄⊥猎氐暮恐饕芸赜谀笌r性質(zhì)和風(fēng)化條件的影響，同沉積作用和成巖作用對(duì)其影響較小[25]。此次研究中，各樣品的稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化模式保持一致的分布樣式（圖7-A）[1,8]，揭示其來源于相似的陸源碎屑和構(gòu)造背景[26]。稀土元素的分布模式非常類似于上地殼和PAAS（長(zhǎng)英質(zhì)組分）的稀土元素分布模式（圖7-B）[1,8]，說明蘆草溝組頁巖的源區(qū)母巖主要為酸性巖。蘆草溝組頁巖的（La/Yb）N值介于3.7～6.4，均值5.2，說明輕重稀土元素較為分餾；（La/Sm）N值（1.8～3.3，均值為 2.9）和（Gd/Yb）N值（1.0～1.3，均值1.2）說明輕稀土元素相對(duì)分餾而重稀土元素?zé)o明顯分餾。稀土元素的這些值非常接近于英云閃長(zhǎng)巖中的值（表1）[1,28-29]，源區(qū)母巖性質(zhì)類似于英云閃長(zhǎng)巖。

圖4 蘆草溝組頁巖的Al2O3-TiO2圖解Fig.4 The Al2O3versus TiO2diagram of the Lucaogou Formation shales

圖5 蘆草溝組頁巖的TiO2-Zr圖解Fig.5 The plot of TiO2versus Zr of the Lucaogou Formation shales

圖6 蘆草溝組頁巖的TiO2-Ni圖解Fig.6 The TiO2versus Ni plot for the Lucaogou Formation shales

稀土元素的Eu異常常用以區(qū)分鐵鎂質(zhì)火成巖和長(zhǎng)英質(zhì)火成巖，鐵鎂質(zhì)火成巖中的Eu異常表現(xiàn)為輕微負(fù)異?；驘o異常，而長(zhǎng)英質(zhì)火成巖中的Eu異常表現(xiàn)為負(fù)異常[9,27]。蘆草溝組頁巖的Eu異常介于0.61～0.81，均值為0.70，此值高于上地殼和PAAS的Eu異常（0.66）（表1）[1,28-29]，揭示源區(qū)母巖以酸性巖為主，但與上地殼和PAAS成分相比，含更少的長(zhǎng)英質(zhì)組分。

圖7 蘆草溝組頁巖的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布模式（A）和其與上地殼和PAAS及下地殼分布模式對(duì)比（B）Fig.7 The chondrite-normalized REEs patterns for the Lucaogou Formation shales(A),in comparison with the upper continental crust(UCC)and post-Archean Australian shale as well as lower continental crust

稀土元素富集于長(zhǎng)英質(zhì)巖石而V，Cr，Co和Ni等富集于鐵鎂質(zhì)巖石[9,27]，因此它們的比值可以近似代表長(zhǎng)英質(zhì)和鐵鎂質(zhì)組分的相對(duì)貢獻(xiàn)。此次研究中，La/Cr和Th/Cr值非常接近于英云閃長(zhǎng)巖中的值（表1）[1,28-29]，指示源區(qū)母巖成分類似于英云閃長(zhǎng)巖。

4.2 過量硅

如上所述，蘆草溝組頁巖母巖成分非常近似于英云閃長(zhǎng)巖成分，但SiO2/Al2O3比值明顯高于英云閃長(zhǎng)巖SiO2/Al2O3比值且與花崗巖近似（表1），說明除碎屑輸入以外，其他因素控制著Si的富集（過量硅）。過量硅是指高出平均頁巖中碎屑成因的硅，計(jì)算公式為:

過量 SiO2=SiO2樣品-(SiO2/Al2O3)頁巖×Al2O3樣品[30]；(SiO2/Al2O3)頁巖值來自平均頁巖[22]，為3.11。基于上述公式計(jì)算可知，蘆草溝組頁巖中的過量SiO2介于17.7%～48.4%，均值30.1%；過量SiO2占總共SiO2含量的25.9%～61.3%，平均42.3%。盡管碎屑成因的SiO2占主導(dǎo)地位，但過量SiO2也是不可忽略的重要部分。

此次研究認(rèn)為，過量SiO2最可能來源于生物成因。一些指標(biāo)，如Al/(Al+Fe+Mn)比值和Si/(Si+Al+Fe)比值常用以 SiO2的成因判斷[31]。Al/(Al+Fe+Mn)比值高于0.6和Si/(Si+Al+Fe)比值高于0.9，指示硅的生物成因[31]。蘆草溝組頁巖的Al/(Al+Fe+Mn)比值介于0.53～0.66，平均為0.61，說明相當(dāng)部分的SiO2為生物成因；Si/(Si+Al+Fe)比值介于0.72～0.83，平均0.77，此值高于平均頁巖（0.67）[22]、北美頁巖（0.70）和PAAS（0.66）[1，32]，指示與上述頁巖相比，蘆草溝組頁巖含有更多的生物成因的SiO2。

4.3 源區(qū)構(gòu)造背景

盡管沉積巖的化學(xué)組分受母巖性質(zhì)、風(fēng)化條件、同沉積作用及成巖作用等多種因素的影響，但一些性質(zhì)穩(wěn)定化學(xué)組分（如稀土元素，大離子元素Rb，Zr，Y和Yb等）的地球化學(xué)特征研究可以推斷源區(qū)的構(gòu)造背景[4-7]。

Bhatia提出利用TiO2-(Fe2O3+MgO)圖解區(qū)分不同構(gòu)造背景[6]。蘆草溝組頁巖樣品點(diǎn)大多落入大陸島弧區(qū)（圖8）[6]，表明源區(qū)構(gòu)造背景主體為大陸島弧構(gòu)造背景。Bhatia總結(jié)了不同構(gòu)造環(huán)境下砂巖、泥巖的稀土元素特征判別標(biāo)志（表2）[25]，研究區(qū)樣品的稀土元素指標(biāo)La、Ce、∑REE、La/Yb、LREE/HREE、(La/Yb)N和Eu異常值非常接近于大陸島弧背景下沉積物的對(duì)應(yīng)稀土元素指標(biāo)值，揭示源區(qū)構(gòu)造背景為大陸島弧背景。

圖8 TiO2-(Fe2O3+MgO)構(gòu)造判別圖解Fig.8 TiO2-(Fe2O3+MgO)tectonic discrimination diagram

Floyd等認(rèn)為起源于不同構(gòu)造背景沉積物的上地殼標(biāo)準(zhǔn)化的多元素分布模式提供了區(qū)分構(gòu)造背景的重要信息[33]。在多元素分布模式中，元素包括相對(duì)難溶元素（Th-Ta）和易溶元素（Ni-K）且自左向右元素在水體中的滯留時(shí)間增加（圖9）[1,33]。蘆草溝組頁巖的上地殼標(biāo)準(zhǔn)化的多元素分布模式表明V，Cr，Ni和Ti表現(xiàn)出正異常；自Ni-K（除P外，P的正異常由火山灰的輸入引起），標(biāo)準(zhǔn)化值呈減小趨勢(shì)（圖9）[1,33]。這種分布模式（尤其是自Th-Ba）非常相似于大陸島弧-活動(dòng)大陸邊緣背景下沉積物的多元素分布模式，指示研究頁巖的源區(qū)構(gòu)造背景密切地與大陸島弧-活動(dòng)大陸邊緣背景有關(guān)。

表2 頁巖樣品均值和不同構(gòu)造背景沉積盆地砂巖的REE特征比較Table 2 The REE indices of the Lucaogou Formation shales,compared with those of graywackes derived from various tectonic settings

蘆草溝組頁巖的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布模式（圖10-A）[1,25,34]和PAAS標(biāo)準(zhǔn)化分布模式（圖10-B）非常相似于大陸島弧沉積物的分布模式，進(jìn)一步證實(shí)了大陸島弧的構(gòu)造背景。

圖9 蘆草溝組頁巖的多元素標(biāo)準(zhǔn)化模式，與大洋島弧、大陸島弧+活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣沉積物進(jìn)行比較；上地殼值來自Taylor和McLennanFig.9 Normalized multi-element patterns of the Lucaogou Formation shales compared with OIA(ocean island arc),CAAM(continental arc+active margin)and PM(passive margin)distributionsUCC(upper continental crust)

5 結(jié)論

（1）蘆草溝組頁巖的礦物組成以粘土礦物和石英為主，含少量的長(zhǎng)石和碳酸巖礦物；粘土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，含少量高嶺石。粘土礦物組合揭示蘆草溝組頁巖形成于受海水影響或咸水環(huán)境。

（2）對(duì)比上地殼元素豐度，蘆草溝組頁巖相對(duì)富集P2O5，V，Ni和Cu；Na2O和Ta較為虧損；其他元素含量與上地殼對(duì)應(yīng)元素豐度相似。P2O5的富集歸因于同沉積凝灰質(zhì)火山灰的輸入。

圖10 蘆草溝組頁巖的球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布模式（A）和PAAS標(biāo)準(zhǔn)化分布模式（B），與大洋島弧、大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣+構(gòu)造大陸邊緣沉積物的分布模式進(jìn)行對(duì)比；球粒隕石值和PAAS值Fig.10 The Chondrite-normalized and Post-Archean Australian Shale(PAAS)-normalized REEs patterns for the Lucaogou Formation shales,compared with those of OIA(oceanic island arc),CIA(continental island arc),ACM(active continental margin and PM-passive margin).Chondrite and,PAAS values

（3）源區(qū)母巖主要為酸性巖，但與上地殼相比，其含更多的鐵鎂質(zhì)組分和更少的長(zhǎng)英質(zhì)組分；母巖性質(zhì)非常類似于英云閃長(zhǎng)巖成分。

（4）蘆草溝組頁巖的SiO2/Al2O3比值明顯高于其母巖的對(duì)應(yīng)比值，揭示過量SiO2的存在。過量的SiO2最可能起因于生物成因。

（5）頁巖地化參數(shù)及構(gòu)造背景判別圖解揭示源區(qū)處于大陸島弧的構(gòu)造背景之下。