湯 超, 魏佳林, 陳路路, 徐增連, 肖 鵬, 劉華健

松遼盆地長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組碎屑巖地球化學(xué)特征及其對(duì)物源與構(gòu)造背景的制約

湯 超1, 2, 魏佳林1, 2, 陳路路1, 2, 徐增連1, 2, 肖 鵬1, 2, 劉華健1, 2

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 天津地質(zhì)調(diào)查中心, 天津 300170; 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局 鈾礦地質(zhì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300170)

通過對(duì)松遼盆地長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組碎屑巖巖石學(xué)和地球化學(xué)特征的分析, 揭示了研究區(qū)四方臺(tái)組碎屑巖的物質(zhì)組分特征及其物源區(qū)的大地構(gòu)造背景。四方臺(tái)組砂巖以長(zhǎng)石巖屑砂巖為主, 結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度中等。碎屑顆粒相對(duì)貧石英(Q)、富巖屑(L)和長(zhǎng)石(F), 平均值分別為42.10%、37.83%和20.07%, Q/(F+L)平均值為0.80, 具有鈦鐵礦、石榴子石、鋯石、磁鐵礦、綠簾石等重礦物組合, 指示源巖以中酸性巖漿巖及變質(zhì)巖為主。Dickinson判別圖解表明物源主要來自再旋回造山帶和巖漿弧物源區(qū)。四方臺(tái)組碎屑巖具有較高的Si含量和較低的Fe、Mg含量, SiO2為60.42%～83.39%, K2O/Na2O值較低(0.91～1.52), (TFe2O3+MgO)為1.11%～9.14%; 富集親石元素Rb、Sr、Ba、Pb及高場(chǎng)元素U, 虧損親鐵鎂元素Sc、V、Cr、Co、Ni等及高場(chǎng)元素Th、Zr、Hf、Nb; ΣREE介于66.6×10?6～236×10?6之間, 球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線與上地殼相似, 呈現(xiàn)輕稀土元素富集, 重稀土元素平坦, 中等Eu負(fù)異常。碎屑巖化學(xué)蝕變指數(shù)CIA為46.72～64.49, 平均56.54, 成分變異指數(shù)ICV為0.99～1.39, 平均1.12, 表明物源區(qū)經(jīng)歷了較弱的風(fēng)化作用, 物源主要為構(gòu)造帶首次沉積, 不具備沉積再循環(huán)特征。碎屑巖主量、微量元素、稀土元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解及特征比值分析表明, 四方臺(tái)組沉積時(shí)源區(qū)構(gòu)造環(huán)境為活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧; 源巖屬性判別圖解表明, 源巖主要為長(zhǎng)英質(zhì)火山巖, 并混有中酸性或基性火山巖。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化, 認(rèn)為長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組物源主要來自張廣才嶺和吉黑東部構(gòu)造混雜巖帶發(fā)育的顯生宙中酸性花崗巖、火山巖和變質(zhì)巖。

碎屑巖; 地球化學(xué); 物源區(qū); 構(gòu)造背景; 四方臺(tái)組; 長(zhǎng)垣南端; 松遼盆地

0 引 言

碎屑沉積巖是物源區(qū)巖石經(jīng)各種地質(zhì)作用(如風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積及成巖作用等)再改造而形成的, 其客觀記錄了形成過程中的各種地質(zhì)營(yíng)力和形成環(huán)境。因此, 碎屑巖組成及地球化學(xué)特征不僅可以揭示物源區(qū)性質(zhì)、構(gòu)造環(huán)境及沉積盆地構(gòu)造屬性和演化歷史, 而且可為盆山耦合關(guān)系研究提供依據(jù)(Dickinson and Suczek, 1979; Dickinson and Valloni, 1983; Taylor and McLennan, 1985; Mclennan, 1993; Girty et al., 1994; Zerfasset al., 2004; Yan et al., 2006)。目前, 對(duì)于碎屑沉積巖地球化學(xué)研究主要是利用一些特征元素含量、比值、多變量判別圖與判別方程來指示物源區(qū)性質(zhì)和構(gòu)造背景(Bhatia, 1983; Bhatia and Crook, 1986; Roser and Korsch, 1986; McLennan and Tayler, 1991; Cullers, 2000; Armstrong-Altrin et al., 2004; 楊江海等, 2007)。盡管砂巖在沉積過程中存在改造作用, 會(huì)發(fā)生一些化學(xué)成分的遷移和溶解交代, 但其總的地球化學(xué)成分變化不大, 主要還是受物源區(qū)控制(邵磊等, 2000)。近年來, 國(guó)內(nèi)利用碎屑巖組分和地球化學(xué)特征判別巖石大地構(gòu)造背景及物源區(qū)性質(zhì)等方面取得了顯著成果, 為認(rèn)識(shí)盆地演化提供了新的依據(jù)(陳翠華等, 2003; 葛玉魁等, 2012; 田洋等, 2015; 王叢山等, 2016; 劉彬和王學(xué)求, 2018; 單芝波, 2019; 司慶紅等, 2021)。

松遼盆地是一個(gè)具多沉積旋回的中新生代斷?坳型大型陸相盆地, 也是我國(guó)重要的油氣資源基地, 為中亞砂巖型鈾礦巨型成礦帶的東延伸段。隨著松遼盆地北部中國(guó)白堊紀(jì)大陸科學(xué)鉆探松科1井、松科2井的實(shí)施(高有峰等, 2008, 2009; 王璞珺等, 2017)及“油田資料二次開發(fā)”技術(shù)方法的利用, 在該區(qū)四方臺(tái)組中發(fā)現(xiàn)了大量鈾礦化(湯超等, 2018), 因此松遼盆地的研究引起了很多生產(chǎn)和科研單位的關(guān)注。前期研究主要集中在白堊紀(jì)地層層序結(jié)構(gòu)與古氣候特征(韓建輝等, 2009; 張雷等, 2009; 徐增連等, 2018；徐增連等, 2021)、四方臺(tái)組沉積微相與沉積環(huán)境演化(程日輝等, 2009; 王國(guó)棟等, 2011)、含鈾層位礦化特征及鈾礦物賦存狀態(tài)(湯超等, 2017)等方面。對(duì)于四方臺(tái)組物源方向和母巖性質(zhì)的研究, 肖鵬等(2018)通過構(gòu)造分析、砂體展布特征及重礦物分析等手段, 認(rèn)為大慶長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組物源主要來自張廣才嶺、吉黑東部及盆地東南部地區(qū), 但尚缺乏精確的地球化學(xué)證據(jù)予以支持。本文在前人研究的基礎(chǔ)上, 綜合碎屑巖顆粒組成及地球化學(xué)特征, 對(duì)松遼盆地長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組碎屑巖風(fēng)化程度、物源及構(gòu)造背景進(jìn)行系統(tǒng)探討, 為松遼盆地北部構(gòu)造沉積演化及鈾礦床鈾源評(píng)價(jià)等提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

松遼盆地位于中國(guó)東北部, 是由大小興安嶺、張廣才嶺環(huán)繞的一個(gè)大型沉積盆地, 跨越黑龍江、吉林、遼寧三省, 面積約2.6×105km2。根據(jù)基底性質(zhì)、斷裂特征及區(qū)域地層分布, 可分為西部斜坡區(qū)、中央凹陷區(qū)、北部?jī)A沒區(qū)、東北隆起區(qū)、東南隆起區(qū)、西南隆起區(qū)6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元和49個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元。研究區(qū)位于中央坳陷內(nèi)二級(jí)正向構(gòu)造單元大慶長(zhǎng)垣南端, 東鄰三肇凹陷和朝陽溝階地, 西接齊家?古龍凹陷(圖1a、c)。盆地基底主要由中深變質(zhì)巖、淺變質(zhì)巖和花崗巖組成。中深變質(zhì)巖系主體沿盆地長(zhǎng)軸方向呈帶狀展布, 巖性主要為片麻巖、花崗片麻巖、片巖和變質(zhì)砂巖等; 淺變質(zhì)巖系分布在中深變質(zhì)巖系兩側(cè), 以板巖、變質(zhì)砂巖為主; 花崗巖侵入體主要分布在盆地北部。上述基底巖石類型在盆地邊緣均有出露, 其很大程度上控制了盆地內(nèi)中生代沉積巖的組成和分布。盆地沉積蓋層主要由侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系組成, 包括有上侏羅統(tǒng)火石嶺組, 下白堊統(tǒng)沙河子組、營(yíng)城組、登婁庫組、泉頭組, 上白堊統(tǒng)青山口組、姚家組、嫩江組、四方臺(tái)組、明水組, 古近系依安組、新近系大安組、泰康組及第四系; 其中, 白堊系發(fā)育齊全, 厚度最大。松遼盆地周邊廣泛分布有加里東期、海西期和燕山期火山巖, 這些巖石經(jīng)風(fēng)化剝蝕可為盆地鈾成礦提供豐富的物源。

四方臺(tái)組是松遼盆地坳陷沉降萎縮階段的產(chǎn)物, 主要分布在盆地的中部, 即昌五?肇源?扶余以西, 巨寶?富拉爾基?鎮(zhèn)賚?白城以東, 沉積中心位于黑帝廟?乾安一帶, 盆地北部的地層厚度為200～400 m。四方臺(tái)組下部為磚紅色含細(xì)礫的砂、泥巖夾棕灰色、灰綠色砂巖和泥質(zhì)粉砂巖, 呈正韻律層; 中部為灰白色、灰色細(xì)砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與磚紅色、紫紅色泥巖互層; 上部以紅色、紫色泥巖為主, 夾少量灰白色、灰綠色粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖(圖1b)。四方臺(tái)組與下伏嫩江組呈不整合接觸, 與上覆明水組呈平行不整合接觸, 沉積相為沖泛平原相?三角洲相?濱淺湖相序列, 以曲流河亞相和淺湖亞相為主。

2 樣品采集及分析方法

本次研究的中四方臺(tái)組砂巖和泥巖樣品均采自松遼盆地內(nèi)部鉆井(圖1c), 從中篩選 20 件砂巖樣品進(jìn)行巖相學(xué)及碎屑組分研究, 24件砂巖樣品和12件泥巖樣品進(jìn)行巖石地球化學(xué)分析。取樣過程中, 盡量選擇風(fēng)化蝕變及成巖作用弱的新鮮樣品, 以降低風(fēng)化強(qiáng)度或成巖后生變化對(duì)元素再分配的影響。巖石地球化學(xué)樣品加工及測(cè)試均在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成, 首先將樣品無污染粉碎至200目干燥后備用, 全巖主量元素在X射線熒光光譜儀(AXIOS)上測(cè)試, 微量元素與稀土元素在電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)上進(jìn)行分析, 測(cè)試精度均優(yōu)于5%。

3 分析結(jié)果

3.1 砂巖碎屑組成

碎屑巖組成統(tǒng)計(jì)采用點(diǎn)計(jì)數(shù)法(Dickinson, 1985), 每個(gè)薄片樣品統(tǒng)計(jì)的顆粒數(shù)不低于 350 個(gè)。統(tǒng)計(jì)內(nèi)容為: 石英顆?？倲?shù)(Q), 包括單晶石英(Qm)與多晶石英(Qp); 長(zhǎng)石顆?？倲?shù)(F), 包括斜長(zhǎng)石(P)和鉀長(zhǎng)石(K); 不穩(wěn)定巖屑總數(shù)(L), 包括火成巖巖屑(Lv)與沉積巖或變質(zhì)巖巖屑(Ls); 所有巖屑總數(shù)Lt=L+Qp。本文共獲得砂巖碎屑組分?jǐn)?shù)據(jù)36組, 分析結(jié)果見表1。

長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組巖性主要為淺灰綠色、淺灰色、紫紅色及褐紅色中細(xì)砂巖、泥質(zhì)粉砂巖與粉砂質(zhì)泥巖(圖2a～f)。砂巖以長(zhǎng)石巖屑砂巖為主(圖2g～i), 碎屑顆粒平均含量為85%。砂巖中石英含量變化較大35%～63%, 平均46.4%, 以單晶石英為主(平均含量37.9%), 呈次棱角狀、次圓狀, 多晶石英含量較低, 主要為變質(zhì)石英巖、燧石等硅質(zhì)巖屑, 約占4%～19%, 單晶石英和多晶石英比例為3∶1～12∶1; 長(zhǎng)石含量約占碎屑組分總量的16%～30%, 主要為鉀長(zhǎng)石(條紋長(zhǎng)石、微斜長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石等)和斜長(zhǎng)石, 呈板條狀或次棱角狀, 發(fā)育高嶺石化和絹云母化, 個(gè)別斜長(zhǎng)石可見聚片雙晶紋; 巖屑含量較高, 平均含量為42.3%(24%～70%), 以變質(zhì)巖和火成巖為主, 并見少量沉積巖巖屑, 變質(zhì)巖屑以石英巖、板巖及少量片巖、千枚巖為主, 火成巖屑主要為火山噴發(fā)巖和花崗質(zhì)侵入巖。Q/(Q+F+L)為0.30～0.33, 平均0.42; Qm/Q為0.60～0.92, 平均0.82, 表明碎屑顆粒石英較少, 且以單晶石英為主。砂巖粒徑范圍0.06～ 1.1 mm, 中細(xì)粒結(jié)構(gòu), 分選中等, 磨圓較差, 成分成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度中等, Q/(F+L)為0.72～1.21, 平均0.96。另外, 砂巖普遍含鈦鐵礦、石榴子石、鋯石、磁鐵礦、綠簾石為主的重礦物組合。上述特征表明四方臺(tái)組砂巖碎屑未經(jīng)長(zhǎng)距離搬運(yùn), 為近源沉積, 源區(qū)母巖類型以中酸性巖漿巖及變質(zhì)巖為主。

圖1 松遼盆地構(gòu)造分區(qū)圖(a;據(jù)張雷等, 2009)、四方臺(tái)組地層綜合柱狀圖(b)和取樣鉆孔平面位置圖(c)

表1 長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組砂巖碎屑組分統(tǒng)計(jì)表

注: 石英端元Q=Qm+Qp, Qm為單晶石英, Qp為多晶石英; 長(zhǎng)石端元F=F'+GRF, F' 為單顆粒長(zhǎng)石, GRF為花崗質(zhì)巖屑, L為巖屑; Lt = L+Qp。

(a) 褐紅色細(xì)巖; (b) 褐紅色粉砂巖; (c) 灰色泥巖夾粉砂巖, 發(fā)育水平層理; (d) 淺紅色細(xì)砂巖; (e) 淺灰色細(xì)砂巖, 發(fā)育炭質(zhì)紋層; (f) 灰黑色泥巖夾灰色粉砂巖; (g) 綠灰色細(xì)砂巖; (h) 綠灰色細(xì)砂巖, 石英見波狀消光, 斜長(zhǎng)石絹云母化; (i) 淺灰色細(xì)砂巖, 見細(xì)小鱗片狀黏土礦物填充粒間孔隙, 含硅質(zhì)巖巖屑。

3.2 地球化學(xué)特征

3.2.1 主量元素

樣品主量元素含量及特征參數(shù)見表2。結(jié)果顯示, 砂巖中SiO2含量較高, 為60.42%～83.39%(平均74.72%), 表明砂巖中石英或富含SiO2礦物的含量較高; Al2O3含量次之, 介于8.20%～13.58%之間(平均為10.53%); Al2O3/SiO2值為0.10～0.20(平均0.14); K2O+Na2O含量較高, 為4.30%～5.63%, 且K2O/ Na2O值為0.93～1.52(平均1.08), 說明巖石中鉀長(zhǎng)石與斜長(zhǎng)石含量基本相等; TFe2O3+MgO含量較低, 為1.11%～4.40%(平均2.34%), 表明巖石中鐵鎂質(zhì)成分較少; CaO 含量低, 多數(shù)介于0.73%～7.95%之間(樣品TT13YS2為13.4%, 平均2.08%), Al2O3/(CaO+Na2O)值較低, 為0.53～3.61(平均2.60); TiO2含量較低, 為0.14%～0.59%(平均0.28%); MnO、P2O5含量均較低, 平均為0.09%和0.05%。相比砂巖樣品, 泥巖中SiO2含量較低, 為60.73%～73.07%(平均64.67%); Al2O3含量較高, 為12.15%～14.99%(平均14.13%), 表明其含量與泥質(zhì)沉積物的含量有關(guān); K2O+Na2O含量與砂巖基本一致, 為4.77%～5.35%(平均5.09%); TFe2O3+MgO含量較高, 為3.55%～9.14%(平均6.63%), 表明泥巖中鐵鎂質(zhì)源巖成分較砂巖多; CaO 含量較砂巖低, 為0.71%～4.18%(平均1.26%); TiO2含量較砂巖高, 為0.54%～0.71%(平均0.63%)。砂巖和泥巖主量元素組成可以看出四方臺(tái)組碎屑巖具有多物源特征。

從樣品主量元素相關(guān)性可以看出, SiO2含量與Al2O3、MgO、CaO、TFe2O3、Fe2O3、TiO2呈較顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系, 與CaO、MnO、FeO、K2O、Na2O、P2O5呈微弱的負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖3), 說明SiO2主要賦存在碎屑物質(zhì)中, 且隨著礦物成熟度的增加, 不穩(wěn)定成分(長(zhǎng)石和巖屑)逐漸降低。SiO2與MgO、CaO的負(fù)相關(guān)性表明碎屑巖中碳酸鹽為原生沉積(Gu et al., 2002)。Ti作為惰性元素, 其化學(xué)性質(zhì)比較穩(wěn)定, 風(fēng)化后不易形成可容性絡(luò)合物, 樣品TiO2與TFe2O3、MgO、Al2O3相關(guān)性明顯, 反映陸源特征, 且TFe2O3、MgO、TiO2之間為顯著正相關(guān)關(guān)系, 表明物源區(qū)以巖漿巖為主。

表2 大慶長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組碎屑巖主量元素分析結(jié)果(%)

注: “*”表示不含揮發(fā)份的含量, 表4同; TFe2O3=Fe2O3+1.11×FeO;1,2函數(shù)系數(shù)據(jù)Bhatia, 1983;3,4函數(shù)系數(shù)數(shù)據(jù)Roser and Korsch, 1988。

圖3 長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組碎屑巖主量元素關(guān)系圖解

Fig.3 Major element plots of the clastic rocks of the Sifangtai Formation at the southern end of Changyuan trap

3.2.2 微量元素

樣品的微量元素含量及特征參數(shù)見表 3。結(jié)果顯示, 樣品微量元素含量總體均低于澳大利亞后太古代平均頁巖(PAAS)和上地殼(UCC)。在PASS標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中, 砂巖中Sr、Ba、U元素相對(duì)富集, 其余元素普遍虧損(圖4a), 泥巖中Sr、Zn、Y、Ba、U元素相對(duì)富集, 其余元素普遍虧損(圖4b), 且砂巖虧損程度普遍大于泥巖。在UCC標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖中, 砂巖中Rb、Ba、U元素相對(duì)富集, 而Sr元素相對(duì)虧損(圖4c), 泥巖中Rb、Y、Pb、Nb元素及部分樣品的Zn、Ba、U元素相對(duì)富集, 其余元素均虧損(圖4d)。整體上, 四方臺(tái)組碎屑巖富集元素主要為親石元素Rb、Sr、Ba、Pb及高場(chǎng)元素U, 而親鐵鎂元素Sc、V、Cr、Co、Ni等及高場(chǎng)元素Th、Zr、Hf、Nb等均為虧損。U元素相對(duì)富集可能與研究區(qū)鈾礦化有關(guān), 即后期地下水中U6+在還原條件下被還原成U4+而在碎屑巖中富集沉淀。親鐵鎂元素Sc、V、Cr、Co、Ni等顯著虧損, 呈現(xiàn)出偏酸性的趨勢(shì), 反映碎屑巖物源區(qū)鐵鎂質(zhì)源巖貢獻(xiàn)較少。

表3 大慶長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組碎屑巖微量元素分析結(jié)果(×10?6)

注: 后太古代平均頁巖(PASS)據(jù)Taylor and Mclennan (1985); 上地殼(UCC)據(jù)Rudnick and Gao (2003)。

圖4 四方臺(tái)組碎屑巖PASS和UCC標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖

Fig.4 PASS and UCC normalized spider diagrams of the clastic rocks of the Sifangtai Formation

3.2.3 稀土元素

樣品稀土元素含量及特征比值見表4, 結(jié)果顯示: 砂巖稀土元素含量變化較大, ΣREE為66.6× 10?6～155×10?6(平均106×10?6), 低于后太古代平均頁巖(PAAS)和上地殼(UCC)稀土元素總量; (La/Yb)N值為9.72～15.32(平均12.72), LREE/HREE值范圍為9.00～12.87(平均10.65), 具明顯的輕稀土元素富集; (La/Sm)N值為3.81～5.04(平均4.49), (Gd/Yb)N值為1.48～2.65(平均1.85), 顯示輕稀土元素分餾作用較明顯, 重稀土元素分餾不明顯; δEu值為0.53～0.99(平均0.76), 呈中等Eu負(fù)異常; δCe值為0.80～1.03(平均0.92), Ce異常總體不明顯。從球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖上看出, 砂巖樣品稀土元素特征基本相同, 均位于上地殼配分曲線之下, 且呈輕稀土元素富集, 重稀土元素平坦和中度Eu負(fù)異常(圖5a)。泥巖稀土元素含量較高, ΣREE為135×10?6～236×10?6(平均169×10?6), 明顯高于砂巖稀土元素總量, 但低于后太古代平均頁巖(PAAS)稀土元素總量, 高于上地殼(UCC)稀土元素總量; LREE/HREE值為7.71～10.84(平均9.24), (La/Yb)N值為7.97～13.73(平均9.94), (La/Sm)N值為3.68～4.79(平均4.17), (Gd/Yb)N值為1.10～2.02(平均1.58), δEu值為0.57～0.68(平均0.65), δCe值為0.92～0.97(平均0.94), 具輕稀土元素富集、重稀土元素平坦和顯著Eu負(fù)異常的特征, 與上地殼球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線高度相似(圖5b)。

4 討 論

4.1 化學(xué)成分與風(fēng)化作用

雖然源區(qū)母巖成分是控制沉積巖成分的重要因素, 但是風(fēng)化作用強(qiáng)度與沉積再循環(huán)、沉積分選、成巖作用等對(duì)碎屑巖成分的影響也很大。因此, 在研究沉積物物源特征以前, 對(duì)上述因素進(jìn)行分析評(píng)估。

4.1.1 成巖后生作用

成巖及其后生作用常造成碎屑巖主量元素出現(xiàn)異常。如鈣化造成CaO分布的離散(Gu, 1994), 熱液作用造成SiO2含量的突然升高(Kasanzu et al., 2008), Na+的流失造成K2O/Na2O 值的異常等。研究區(qū)四方臺(tái)組碎屑巖樣品中CaO、SiO2含量和K2O/Na2O值變化不大(表2), 主量元素與特征值相關(guān)性好, 與UCC相比沒有出現(xiàn)異常(圖6), 表明成巖及其后生作用對(duì)樣品成分并沒有顯著影響。

表4 大慶長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組碎屑巖稀土元素分析結(jié)果(×10?6)

注: 后太古代平均頁巖(PASS)據(jù)Taylor and Mclennan (1985); 上地殼(UCC)據(jù)Rudnick and Gao (2003)。

圖5 四方臺(tái)組碎屑巖球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖(標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Taylor and Mclennan, 1985)

Fig.5 Chondrite-normalized REE patterns of the clastic rocks of the Sifangtai Formation

圖6 四方臺(tái)組碎屑巖主量元素特征值分布圖

4.1.2 沉積分選與再循環(huán)

沉積分選及再循環(huán)可導(dǎo)致重礦物富集, 從而導(dǎo)致某些元素(如Zr)富集, 進(jìn)而改變沉積物的成分(Mclennan et al., 1990)。陸源碎屑沉積物中Zr/Sc和Th/Sc值呈正相關(guān)關(guān)系反映了其物源區(qū)具有類似巖漿分異的成分變化趨勢(shì)。沉積巖Th/Sc值反映了物源區(qū)的平均比值, 而Zr/Sc值隨著沉積物的改造以及鋯石的富集而逐漸增加, 因此, Zr/Sc和Th/Sc值可以反映沉積物的成分變化、分選程度和重礦物的含量(Mclennan et al., 1993)。四方臺(tái)組砂巖Zr含量33.5×10?6～77.8×10?6(平均54.9×10?6), 泥巖Zr含量71.3×10?6～142×10?6(平均109×10?6), 均低于上地殼平均值(193×10?6)。在Th/Sc-Zr/Sc圖解中(圖7), 樣品點(diǎn)呈現(xiàn)出與成分變化演化線(BFG)相似趨勢(shì), 表明樣品成分主要受源區(qū)巖石成分控制, 沉積分選和再循環(huán)作用影響不大, 為近源沉積, 分選較差。

4.1.3 風(fēng)化作用

源區(qū)母巖中的不穩(wěn)定元素氧化物(CaO、Na2O、K2O、MgO)和相對(duì)穩(wěn)定元素氧化物(Al2O3、ZrO2、TiO2)在風(fēng)化作用或成巖過程中含量會(huì)發(fā)生明顯的變化, 元素的丟失程度取決于化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度(Condie et al., 1992)。Nesbitt and Young (1982)提出利用化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)來定量評(píng)價(jià)巖石遭受的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度。其中CIA=100×[Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)], 式中CaO*僅指硅酸鹽礦物中的CaO摩爾百分含量。對(duì)于CaO*的計(jì)算和校正, McLennan (1993)提出利用 P2O5含量除去磷灰石中的 CaO, 本文采用計(jì)算方法: CaO**=CaO?10/3×P2O5(摩爾量), 再計(jì)算CaO**/ Na2O的摩爾比值, 若CaO**/Na2O≥1, 則以Na2O的摩爾含量來代替CaO*; 若CaO**/Na2O<1, 則以CaO**摩爾含量來代替CaO*?；瘜W(xué)風(fēng)化越強(qiáng)烈, CIA值就越大, 當(dāng) CIA=50～65, 反映寒冷、干燥的氣候條件下低等風(fēng)化程度; CIA=65～80, 反映溫暖、濕潤(rùn)條件下中等風(fēng)化程度; 而 CIA=80～100, 則反映炎熱、潮濕條件強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化程度。另外, Cox et al. (1995)也提出用成分變異指數(shù)(ICV)估計(jì)碎屑巖的原始成分變化程度, 來判斷碎屑巖是代表第一次沉積的沉積物還是源于再循環(huán)的沉積物或沉積物經(jīng)歷強(qiáng)烈風(fēng)化作用。其中ICV=(Fe2O3+K2O+N2O+CaO*+ MgO+MnO+TiO2)/A12O3, 式中CaO*仍指硅酸巖中的CaO摩爾百分含量。當(dāng)ICV>1, 表明它們含有很少的黏土礦物, 反映細(xì)屑巖在活動(dòng)的構(gòu)造帶首次沉積; ICV<1, 表明沉積物質(zhì)經(jīng)歷了再循環(huán)或是經(jīng)歷了強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用。計(jì)算獲得的CIA值及ICV值見表2, 結(jié)果顯示, 四方臺(tái)組砂巖CIA值為46.72～ 60.35(平均53.76), ICV值為0.99～1.39(平均1.12), 泥巖CIA值為53.84～64.69(平均61.86), ICV值為1.02～1.35(平均1.11); 全部樣品CIA值平均56.54, ICV值平均1.12, 表明巖石中含有較少的黏土礦物, 物源主要為構(gòu)造帶首次沉積, 沒有經(jīng)歷沉積再循環(huán), 同時(shí)也暗示四方臺(tái)組碎屑巖經(jīng)歷干燥氣候條件下較低的化學(xué)風(fēng)化作用。

B. 玄武巖; F. 長(zhǎng)英質(zhì)巖石; G. 花崗巖。

A-CN-K三角圖解不僅能直觀地反映出沉積物的風(fēng)化趨勢(shì)和風(fēng)化程度, 而且能夠判別碎屑源巖成分(Fedo et al. 1995)。斜長(zhǎng)石?鉀長(zhǎng)石風(fēng)化形成黏土礦物過程應(yīng)該沿著平行A-CN一側(cè)變化, 即巖石如果沒有發(fā)生鉀交代作用, 那么風(fēng)化作用將沿著A-CN的方向進(jìn)行(圖8中虛箭頭線)。根據(jù)砂巖化學(xué)組分變化趨勢(shì), 還可以推斷發(fā)生風(fēng)化作用以前的斜長(zhǎng)石/鉀長(zhǎng)石比率。在A-CN-K圖解中(圖8), 四方臺(tái)組碎屑巖呈現(xiàn)出與A-CN邊界近于平行的趨勢(shì), 表明風(fēng)化過程是巖石主要的成分控制因素, 而沉積期后成巖作用或者變質(zhì)作用對(duì)巖石化學(xué)成分影響較小。另外在A-CN-K圖解中, 樣品風(fēng)化趨勢(shì)線與斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石的連線交點(diǎn)反映了碎屑源巖斜長(zhǎng)石含量比鉀長(zhǎng)含量石高, 可能代表物源區(qū)母巖具有花崗閃長(zhǎng)巖和花崗巖的特征, 且更接近花崗閃長(zhǎng)巖端元組分。

綜上, 四方臺(tái)組碎屑巖主要為近源沉積物, 地球化學(xué)成分主要受物源區(qū)母巖控制, 沉積和成巖?后生作用對(duì)物源的元素地球化學(xué)示蹤影響不大, 適宜于作為物源研究的對(duì)象。

圖8 四方臺(tái)組碎屑巖A-CN-K圖解(據(jù)Fedo et al., 1995修改)

4.2 沉積構(gòu)造背景

4.2.1 砂巖碎屑成分與物源區(qū)大地構(gòu)造性質(zhì)

Dickinson等通過對(duì)世界上近百個(gè)已確定區(qū)域構(gòu)造環(huán)境的現(xiàn)代海相和陸相砂巖組分的統(tǒng)計(jì)、對(duì)比和判別分析, 提出Qt-F-L和Qm-F-Lt判別圖解, 為判斷物源區(qū)和沉積盆地構(gòu)造環(huán)境提供了一種重要的途徑(Dickinson and Suczek, 1979; Dickinson and Valloni, 1980)。在Qt-F-L 圖解中, 四方臺(tái)組砂巖樣品均落入再旋回造山區(qū)和巖漿弧物源區(qū)(圖9a); 在Qm-F-Lt圖解中, 四方臺(tái)組砂巖主體落入再旋回造山區(qū)和混合物源區(qū), 少部分落入巖漿弧物源區(qū)(圖9b), 表明四方臺(tái)組砂巖物源成分混雜, 主要來自再旋回造山帶和巖漿弧物源區(qū)。再旋回造山帶物源區(qū)可分為3 種: ①板塊俯沖帶的混雜巖物源區(qū), 由已有構(gòu)造形變的蛇綠巖和大洋中其他物質(zhì)所組成; ②碰撞造山帶物源區(qū), 即兩個(gè)板塊相接合的地區(qū), 大部分由沉積、沉積變質(zhì)的推覆體和沖斷巖席所組成; ③前陸隆起物源區(qū), 為前陸褶皺?沖斷帶(巖石類型為沉積巖序列)所形成的高地, 被侵蝕后產(chǎn)生的碎屑可直接流入相鄰的前陸盆地內(nèi)(Dickinson and Suczek, 1979)。碎屑成分統(tǒng)計(jì)表明, 四方臺(tái)組砂巖巖屑顆粒總含量較高, 巖屑以變質(zhì)巖和火成巖為主, 變質(zhì)巖巖屑為石英巖、板巖及少量片巖和千枚巖, 而火成巖巖屑中見火山噴發(fā)巖和隱晶巖, 這些特征均指示物源區(qū)主要為碰撞造山帶物源區(qū)。巖漿弧區(qū)則代表了源區(qū)存在巖漿活動(dòng), 發(fā)育火山巖和侵入巖。

4.2.2 主量元素與源區(qū)構(gòu)造背景

Bhatia (1983)將大陸邊緣和大洋盆地劃分為大洋島弧、大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣4種構(gòu)造類型, 提出了判別沉積盆地構(gòu)造環(huán)境的主量元素地球化學(xué)參數(shù), 并建立了主量元素多變量構(gòu)造環(huán)境判別函數(shù)圖解和雙變量圖解, 其中最具判別意義的參數(shù)包括TFe2O3+MgO、TiO2、Al2O3/SiO2、K2O/Na2O及Al2O3/(CaO+Na2O)值等。在主量元素多變量構(gòu)造環(huán)境判別函數(shù)圖解中, 砂巖樣品分布于大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣, 以大陸島弧為主, 但活動(dòng)大陸邊緣的樣品非常集中, 泥巖樣品主要分布于被動(dòng)大陸邊緣(圖10a)。與Bhatia提出的參數(shù)相比(表5), 四方臺(tái)組砂巖(TFe2O3+MgO)*: 1.11%～4.40%, 平均2.34%; TiO2*: 0.14%～0.63%, 平均0.29%; Al2O3/SiO2: 0.10～0.20, 平均0.14; K2O/Na2O: 0.93～1.52, 平均1.08, 總體接近活動(dòng)大陸邊緣的特征值, 而泥巖樣品各類特征值更接近大陸島弧。在Al2O3/SiO2-(TFe2O3+MgO)圖解中, 砂巖樣品落入活動(dòng)大陸邊緣及被動(dòng)大陸邊緣上方, 泥巖樣品主要落入大陸島弧區(qū)(圖10b); 在TiO2-(TFe2O3+MgO)圖解中, 砂巖樣品主要落入活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣相交線附近, 但以活動(dòng)大陸邊緣為主, 泥巖樣品主體落入大陸島弧區(qū)(圖10c)。

Kumon and Kiminami (1994)提出了一種Al2O3/ SiO2-(TFe2O3+MgO)/(SiO2+K2O+Na2O)圖解, 用以區(qū)分不成熟島弧、進(jìn)化島弧和成熟巖漿弧, 其中Al2O3/SiO2大致代表長(zhǎng)石與石英的比例, (TFe2O3+ MgO)/(SiO2+K2O+Na2O)則代表相對(duì)基性組分與長(zhǎng)英質(zhì)組分的比率。在該圖解中, 砂巖樣品除個(gè)別樣品外全部分布于成熟巖漿弧區(qū), 而泥巖樣品主體位于進(jìn)化島弧區(qū)(圖10d)。其中Kumon and Kiminami (1994)所定義的成熟巖漿弧和進(jìn)化島弧分別相當(dāng)于Bhatia (1983)和Bhatia and Crook (1986)的活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧, 因此圖10d總體顯示出活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧構(gòu)造環(huán)境。

圖9 四方臺(tái)組碎屑巖Qt-F-L(a)和Qm-F-Lt(b)判別圖解(據(jù)Dickinson and Valloni, 1983修改)

PM. 被動(dòng)大陸邊緣; ACM. 主動(dòng)大陸邊緣; CIA. 大陸島弧; OIA. 大洋島弧。

表5 長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組碎屑巖與不同構(gòu)造環(huán)境下雜砂巖的化學(xué)組成對(duì)比表

續(xù)表5:

注:為樣品數(shù); 稀土球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)據(jù)Taylor and Mclennan (1985); 不同構(gòu)造環(huán)境雜砂巖數(shù)據(jù)據(jù)Bhatia (1983); Bhatia and Crook (1986)。*表示不含揮發(fā)分的含量。

4.2.3 微量、稀土元素與源區(qū)構(gòu)造背景

由于Sc、Th、Zr 等微量元素和REE化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定, 且在沉積介質(zhì)中停留時(shí)間短, 受風(fēng)化、搬運(yùn)和成巖等后期改造作用的影響較小, 因此可以作為判定物源區(qū)構(gòu)造背景的一種有效手段(Taylor and McLennan, 1985, 1995)。從表5中具判別意義的特征元素及其比值參數(shù)中可以看出, 四方臺(tái)組樣品的Th、Zr、Hf含量與大洋島弧雜砂巖相似; Rb、Sr含量和Ba/Rb、Ni/Co值與大陸島弧雜砂巖相似; Ba、Cr含量和Zr/Hf、Zr/Th、Th/Sc、Cr/Ni、Sc/Ni、Sc/Cr值與活動(dòng)大陸邊緣雜砂巖相似; 而Sc、V、Co、Ni、Zn含量和La/Sc值與被動(dòng)大陸邊緣雜砂巖相似。Bhatia and Crook (1986)提出了最具構(gòu)造判別意義的La-Th-Sc、Th-Co-Zr/10和Th-Sc-Zr/10三角圖解, 在La-Th-Sc判別圖解中, 砂巖樣品落入大陸邊緣弧及其與大陸島弧的夾角區(qū)域, 且更靠近大陸邊緣弧一側(cè), 泥巖樣品除1個(gè)樣品落入大陸邊緣區(qū)外, 其余樣品均落入大陸島弧區(qū)(圖11a); 在Th-Sc-Zr/10判別圖中, 樣品主要落入大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣及外圍(圖11b); 在Th-Co-Zr/10圖解中, 樣品也主要落入大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣及外圍(圖11c); 顯示四方臺(tái)組沉積時(shí)源區(qū)的構(gòu)造背景主要為活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧。

Bhatia (1985)對(duì)已知構(gòu)造背景雜砂巖、泥巖的地球化學(xué)特征參數(shù)進(jìn)行總結(jié), 確定了不同構(gòu)造環(huán)境下稀土元素及特征參數(shù)值(表5)。四方臺(tái)組樣品稀土元素平均值與之對(duì)比表明, La、Ce、∑REE含量具有大陸島弧特征, LREE/HREE值與活動(dòng)大陸邊緣最接近, La/Yb、(La/Yb)N值與被動(dòng)大陸邊緣接近, 表明四方臺(tái)組碎屑巖源區(qū)具大陸島弧或大陸邊緣構(gòu)造背景屬性。

A. 大洋島弧; B. 大陸島弧; C. 活動(dòng)大陸邊緣; D. 被動(dòng)大陸邊緣。

4.3 物源特征

4.3.1 主量元素與物源

Roser and Korsch (1988)根據(jù)砂巖和泥巖主量元素判別函數(shù)4-3, 將碎屑巖源巖劃分為4 個(gè)主要物源區(qū): ①鎂鐵質(zhì)的和少量中性火成巖源區(qū), 具有不成熟的海洋島弧性質(zhì); ②中性火成巖源區(qū), 砂巖中火山碎屑主要是安山巖, 屬于成熟的巖漿弧和不成熟的大陸邊緣巖漿弧; ③長(zhǎng)英質(zhì)火成巖源區(qū)(火山巖和侵入巖), 屬于成熟的大陸邊緣弧和大陸轉(zhuǎn)換邊緣(拉分盆地), 主動(dòng)的并且是被切割的大陸巖漿弧; ④被動(dòng)大陸邊緣、克拉通內(nèi)部沉積盆地和再循環(huán)的造山帶, 屬于成熟的大陸源區(qū), 石英含量達(dá)80%以上, 源區(qū)屬于深度風(fēng)化的花崗巖?片麻巖地質(zhì)體, 或者古老的沉積體。從4-3圖解顯示, 砂巖樣品主體落入長(zhǎng)英質(zhì)火成巖源區(qū), 少量落入富含石英質(zhì)沉積巖物源區(qū), 泥巖樣品全部落入富含石英質(zhì)沉積巖物源區(qū)(圖12), 表明四方臺(tái)組碎屑巖主要來自成熟的大陸邊緣弧和大陸轉(zhuǎn)換邊緣以及再循環(huán)造山帶, 源區(qū)屬長(zhǎng)英質(zhì)火成巖(火山巖和侵入巖)和富含石英質(zhì)沉積巖。

4.3.2 微量、稀土元素與物源

微量元素Th、Sc、Zr、Co等因其不易溶解、不易被風(fēng)化搬運(yùn)等性質(zhì), 可較好的反映源區(qū)的地球化學(xué)特征, 且其相關(guān)的Co/Th, La/Sc以及Th/Sc, Th/Sc值對(duì)于源區(qū)特征也具有指示意義(Taylor and Mclennan, 1985; Bhatia and Crook, 1986)。鎂鐵質(zhì)組分會(huì)導(dǎo)致碎屑沉積物中Sc、V和Co等含量升高, 而長(zhǎng)英質(zhì)則會(huì)引起La和Th等含量增加。與上地殼相比四方臺(tái)組砂巖Sc、V和Co含量明顯偏低, 且呈弱虧損的Th與富集的La含量(表3), La/Sc、Th/Sc、Th/Co平均值分別為: 5.35、1.38與1.22, 均大于上地殼比值, 不具有沉積再旋回特征, 表明源巖更可能是長(zhǎng)英質(zhì)巖石。Floyd and Leveridge (1987)利用La/Th-Hf圖解對(duì)不同構(gòu)造環(huán)境沉積物物源區(qū)進(jìn)行判別, 若沉積巖樣品中La/Th值較低(<5.0), 表明沉積物主要來源于酸性物質(zhì); 如果La/Th值>5.0且逐步增大, 則沉積物與中酸性?中性?基性物質(zhì)為主; 如果Hf含量較高, 則表明沉積物中有大量的古老沉積組分加入。四方臺(tái)組樣品La/Th值介于2.50～6.19之間(5個(gè)樣品大于5.0), 平均3.96, Hf含量較低(1.22～4.16, 平均2.27), 砂巖樣品主要落入長(zhǎng)英質(zhì)物源與安山巖島弧物源過渡區(qū)域, 部分砂巖樣品落入安山巖島弧物源區(qū), 泥巖樣品落入長(zhǎng)英質(zhì)物源區(qū)及長(zhǎng)英質(zhì)/基性巖混合物源區(qū)(圖13a), 全部樣品顯示具有長(zhǎng)英質(zhì)物源區(qū)向安山巖島弧物源區(qū)過渡的趨勢(shì), 但更靠近長(zhǎng)英質(zhì)物源區(qū), 表明物源主要來自長(zhǎng)英質(zhì)巖石, 但存在中酸性或基性火山巖的混入。在Co/Th-La/Sc中, 樣品呈現(xiàn)出低且穩(wěn)定的Co/Th值(Co/Th=0.22～1.41, 平均值 0.82), La/Sc 值變化較大(La/Sc=2.39～11.39, 平均值5.35), 樣品主要位于長(zhǎng)英質(zhì)火山巖?花崗巖閃長(zhǎng)巖?花崗巖之間, 更集中在長(zhǎng)英質(zhì)火山巖一側(cè)(圖13b), 指示四方臺(tái)組碎屑巖源巖主要長(zhǎng)英質(zhì)火山巖及花崗閃長(zhǎng)巖為主。

圖12 四方臺(tái)組碎屑巖F4-F3圖解(據(jù)Roser and Korsch, 1988)

稀土元素(REE)具有相對(duì)穩(wěn)定的特性, 淺變質(zhì)和輕微成巖作用對(duì)原巖稀土元素的改造作用相對(duì)較弱, 源區(qū)巖石REE特征能夠很好地保存在沉積物中,因此可以利用REE進(jìn)行物源分析和沉積環(huán)境解釋。δEu異?？梢苑从丑w系內(nèi)的地球化學(xué)狀態(tài), 并可作為鑒別物質(zhì)來源的重要參數(shù), 如花崗巖、長(zhǎng)英質(zhì)變質(zhì)巖以及來自大陸源區(qū)的沉積巖等Eu多顯示為負(fù)異常, 沉積巖中的稀土元素配分模式通常反映其源巖的稀土元素特征。前文分析表明, 四方臺(tái)組碎屑巖稀土元素具有與上地殼相似的配分型式, 砂巖樣品的δEu值為0.53～0.99,平均0.76, 泥巖樣品的δEu值為0.57～0.68, 平均0.65, 均顯示負(fù)異常, 記錄了源巖具Eu虧損, 表明沉積物主要來源于上地殼, 源巖以花崗巖和長(zhǎng)英質(zhì)變質(zhì)巖為主。另外, 在La/Yb-∑REE判別圖解中, 大部分樣品都落入花崗巖與沉積巖交匯區(qū), 部分樣品落入沉積巖區(qū)(圖14), 暗示物源為沉積巖?花崗巖。

4.3.3 物源分析

松遼盆地處于古亞洲洋構(gòu)造域與古太平洋構(gòu)造域的疊合交切部位, 盆地由額爾古納地塊、興安地塊、松嫩地塊、布列亞?佳木斯?興凱地塊等多個(gè)塊體拼合而成, 其主體位于松嫩地塊之上。早古生代, 受古亞洲洋俯沖消減作用影響, 額爾古納地塊、松嫩地塊、興安地塊和佳木斯地塊逐漸拼合, 形成統(tǒng)一的興蒙微板塊; 二疊紀(jì)末?中三疊世, 興蒙微板塊南緣與華北克拉通碰撞拼合, 標(biāo)志著古亞洲洋演化的結(jié)束, 盆地進(jìn)入以古太平洋板塊俯沖作用為主的演化階段(葛榮峰等, 2010; Yang et al., 2015)。180～145 Ma期間, 太平洋板塊朝N-NNW向運(yùn)動(dòng); 145～90 Ma, 轉(zhuǎn)為NNW向俯沖; 85 Ma后, 轉(zhuǎn)為正西向俯沖(Stepashko, 2006)。這種長(zhǎng)期快速的俯沖使大洋巖石圈下插到大陸之下很遠(yuǎn), 在東北亞陸緣形成NE向?qū)掗煹幕鹕綆r帶、左旋走滑斷層及弧后盆地(劉德來和陳發(fā)景, 1996; 李娟和舒良樹, 2002; 葛榮峰等, 2010)。從構(gòu)造演化看, 松遼盆地周緣主體處于活動(dòng)碰撞造山帶區(qū), 古老的沉積體較少。泥巖樣品所反映的富含石英質(zhì)沉積巖源區(qū)主要是在沉積穩(wěn)定階段, 源區(qū)風(fēng)化剝蝕不斷增強(qiáng), 深度風(fēng)化的花崗巖?片麻巖碎屑物質(zhì)進(jìn)入盆地沉積的反映。因此, 四方臺(tái)組碎屑巖源巖較復(fù)雜, 主要為長(zhǎng)英質(zhì)火山巖, 并混有中酸性或基性火山巖及部分變質(zhì)巖。

松遼盆地自晚白堊世早期泉頭組沉積期進(jìn)入熱降坳陷階段, 形成統(tǒng)一的大型坳陷盆地; 四方臺(tái)組沉積期開始(約73 Ma), 盆地進(jìn)入構(gòu)造反轉(zhuǎn)萎縮階段, 形成大慶長(zhǎng)垣等巨大的反轉(zhuǎn)構(gòu)造(胡望水等, 2005; 葛榮峰等, 2010), 盆地整體抬升, 其中東部隆升較強(qiáng), 致使湖泊中心向西遷移, 且東部地區(qū)暴露地表, 遭受剝蝕, 并成為物源供給區(qū)之一。肖鵬等(2018)研究顯示, 長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組地層碎屑鋯石年齡存在80～105 Ma、175～240 Ma及1.8 Ga三組年齡峰值, 這些年齡峰值與張廣才嶺、吉黑東部及盆地東南部地區(qū)巖漿活動(dòng)年齡相吻合, 由此認(rèn)為長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組沉積碎屑可能來源于張廣才嶺、吉黑東部及盆地東南部地區(qū)。事實(shí)上, 松遼盆地東部的張廣才嶺及盆地東南部的吉林?延吉一帶發(fā)育一套復(fù)雜的構(gòu)造混雜巖(邵濟(jì)安等, 2013; 周建波等, 2013), 區(qū)域上分布大量太古宙?元古宙中高級(jí)變質(zhì)巖, 古生代以來受太平洋板塊俯沖, 發(fā)生大規(guī)模褶皺造山, 并伴隨有強(qiáng)烈的巖漿侵入和火山噴發(fā)活動(dòng), 形成大面積的印支期、燕山期的花崗巖以及侏羅紀(jì)?白堊紀(jì)的火山巖(許文良等, 2013)。因此, 綜合研究認(rèn)為, 長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組沉積碎屑物源主要來自張廣才嶺和吉黑東部, 源巖以顯生宙中酸性花崗巖和火山巖為主, 并混有變質(zhì)巖。

圖13 四方臺(tái)組碎屑巖物源判別圖解(a據(jù)Floyd and Leveridge, 1987; b據(jù)Gu et al., 2002)

圖14 四方臺(tái)組碎屑巖物源判別圖解(據(jù)Allègre and Minster, 1978)

5 結(jié) 論

(1) 松遼盆地長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組以中細(xì)粒碎屑巖為主, 砂巖類型以長(zhǎng)石巖屑砂巖為主, 結(jié)構(gòu)成熟度和成分成熟度中等。砂巖中石英平均含量42.10%, 長(zhǎng)石20.07%, 巖屑37.83%, Q/(F+L)平均值為0.80, 巖屑以變質(zhì)巖和火成巖為主, 并發(fā)育少量的沉積巖巖屑, 具有鈦鐵礦、石榴子石、鋯石、磁鐵礦、綠簾石等重礦物組合。

(2)長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組碎屑巖具有較高的Si含量和較低的Fe、Mg 含量; 富集親石元素Rb、Sr、Ba、Pb及高場(chǎng)元素U, 虧損親鐵鎂元素Sc、V、Cr、Co、Ni等及高場(chǎng)元素Th、Zr、Hf、Nb; 稀土元素含量變化較大, ΣREE 介于66.6×10?6～236×10?6之間, 輕稀土元素明顯富集, 重稀土元素分餾不明顯, Eu為中等負(fù)異常, 球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線與上地殼相似。

(3) 長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組碎屑巖化學(xué)蝕變指數(shù)CIA值為46.72～64.49, 平均56.54, 成分變異指數(shù)ICV為0.99～1.39, 平均1.12, 指示經(jīng)歷了較低的化學(xué)風(fēng)化作用, 物源主要為構(gòu)造帶首次沉積, 不具備沉積再循環(huán)特征, 沉積和成巖?后生作用對(duì)物源的元素地球化學(xué)示蹤影響不大。

(4) 構(gòu)造判別圖解表明長(zhǎng)垣南端四方臺(tái)組物源區(qū)構(gòu)造背景為活動(dòng)大陸邊緣和大陸島弧, 物源巖石主要為長(zhǎng)英質(zhì)火山巖, 并混有中酸性或基性火山巖。結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化, 認(rèn)為其物源主要來自張廣才嶺和吉黑東部, 源巖以顯生宙中酸性花崗巖和火山巖為主, 并混有變質(zhì)巖。

吉林大學(xué)溫泉波副教授和另一位匿名審稿專家對(duì)本文提出了寶貴修改意見, 在此表示衷心感謝!

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Geochemical Characteristics of Clastic Rocks and Their Constrains on Source and Tectonic Background of the Sifangtai Formation at the Southern End of the Changyuan, Songliao Basin

TANG Chao1, 2, WEI Jialin1, 2, CHEN Lulu1, 2, XU Zenglian1, 2, XIAO Peng1, 2and LIU Huajian1, 2

(1. Tianjin center, China Geological Survey, Tianjin 300170, China; 2. Key Laboratory of Uranium Geology, China Geological Survey, Tianjin 300170, China)

By analyzing the petrological and geochemical characteristics of the clastic rocks of the Sifangtai Formation in the south end of the Changyuan trap in the Songliao Basin, the compositional characteristics and the tectonic background of the provenance area of the Sifangtai clastic rocks in the study area were discussed. The Sifangtai Formation sandstone consists mainly of feldspar sandstone with medium structure and composition maturity. The detrital particles are relatively low in quartz (Q), rich in debris (L) and feldspar (F). The average contents of quartz, debris and feldspar are 42.10%, 37.83%, and 20.07% respectively, and the average Q/(F+L) ratio is 0.80. The heavy mineral assemblage including garnet, zircon, magnetite, and epidote indicates that the source rocks are mainly acidic magmatic and metamorphic rocks. Dickinson discriminant diagram indicates that the sandstone mainly derived from recirculation orogenic belt and magmatic arc. Clastic rocks of the Sifangtai Formation have high Si content and low Fe and Mg contents. The rocks have SiO2contents of 60.42%–83.39%, low K2O/Na2O ratios (0.91–1.52) and (TFe2O3+MgO) values (1.11%–9.14%), and are characterized by high Rb, Sr, Ba, Pb, and U, low Sc, V, Cr, Co, Ni and Th, Zr, Hf, and Nb, with ΣREE of 66.6×10?6to 236×10?6. The clastic rocks have chondrite normalized REE patterns resemble that of the upper crust, showing light rare earth enrichment, flat heavy rare earth, and medium negative Eu anomalies. The chemical alteration index CIA is 46.72–64.49, with an average of 56.54, and the component variation index ICV is 0.99–1.39, with an average of 1.12, indicating that the provenance area of the clastic rocks experienced weak weathering. The provenance is mainly the first deposition in the structural zone without sedimentary recycling characteristics. Tectonic environment discrimination diagrams and characteristic ratios of major elements and trace elements show that the tectonic environment of the Sifangtai Formation is active continental margin and continental island arc. The discrimination diagrams show that the source rocks are mainly felsic volcanic rocks, mixed with medium acid or basic volcanic rocks. Based on the regional tectonic evolution, it is believed that the clastic materials of the Sifangtai Formation at the southern end of the Changyuan trap mainly came from the Mesozoic granites, volcanic and metamorphic rocks developed in the tectonic mixed zone of Zhangguangcailing and Eastern Jihei.

clastic rock; geochemistry; provenance area; tectonic background; Sifangtai Formation; southern end of Changyuan; Songliao Basin

2020-04-15;

2020-08-24

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局項(xiàng)目(DD20190121)和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)項(xiàng)目(2018YFC0604200)聯(lián)合資助。

湯超(1982–), 男, 碩士, 高級(jí)工程師, 從事礦床地球化學(xué)方面研究。Email: tjtangchao@163.com

P588.21

A

1001-1552(2021)05-0892-021

10.16539/j.ddgzyckx.2021.05.005