時(shí)蘊(yùn)琳 謝遠(yuǎn)云 康春國(guó) 遲云平 魏振宇 吳鵬 孫磊 汪燁輝

摘 要 【目的】砂礫石沉積物的沉積學(xué)、地球化學(xué)、鋯石U-Pb年代研究對(duì)于地層劃分、水系演化以及揭示山體的構(gòu)造隆升歷史和區(qū)域構(gòu)造巖漿事件等具有重要意義。然而，呼倫貝爾巴彥塔拉砂礫石剖面薄弱的認(rèn)知限制了其地層劃分以及區(qū)域地表過程的深入理解?！痉椒ā繛榇耍瑢?duì)該剖面進(jìn)行了沉積學(xué)、重礦物、地球化學(xué)和鋯石U-Pb年代學(xué)分析。【結(jié)果】（1）沉積學(xué)、重礦物、地球化學(xué)特征和地貌證據(jù)以及鋯石U-Pb年齡綜合分析顯示，巴彥塔拉砂礫石剖面沉積物主要是來自大興安嶺北段的中—酸性巖漿母巖，是初次循環(huán)的結(jié)果，沉積物堆積后經(jīng)歷了中等程度的化學(xué)風(fēng)化；（2）結(jié)合宏觀和微觀角度（重礦物和地球化學(xué)指標(biāo)等），并與大興安嶺東麓白土山組標(biāo)準(zhǔn)剖面對(duì)比，認(rèn)為巴彥塔拉砂礫石剖面沉積物是在溫暖偏干的氧化環(huán)境下形成的沖—洪積物堆積，其地層單位可以劃分為白土山組；（3）構(gòu)造背景判別圖解表明構(gòu)造背景為被動(dòng)大陸邊緣，碎屑鋯石U-Pb年齡在100～200 Ma和250～350 Ma的年齡峰值記錄了大興安嶺北段在古亞洲洋的閉合和古太平洋的俯沖、回退的區(qū)域構(gòu)造背景下觸發(fā)的多期巖漿構(gòu)造事件?！窘Y(jié)論】該研究為大興安嶺地區(qū)第四紀(jì)地層的劃分和早更新世區(qū)域地表過程的重建提供了新的證據(jù)。

關(guān)鍵詞 鋯石U-Pb測(cè)年；地球化學(xué)；地層劃分；沉積環(huán)境；白土山組；大興安嶺

第一作者簡(jiǎn)介 時(shí)蘊(yùn)琳，女，1999年出生，碩士，第四紀(jì)地質(zhì)與環(huán)境變化，E-mail： 1720926526@qq.com

通信作者 謝遠(yuǎn)云，男，博士，教授，第四紀(jì)地質(zhì)與環(huán)境變化，E-mail： xyy0451@hrbnu.edu.cn

中圖分類號(hào) P535 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

沉積環(huán)境在沉積學(xué)研究中起著至關(guān)重要的作用，沉積學(xué)特征作為地層對(duì)比與劃分的基礎(chǔ)，在探究源巖性質(zhì)、化學(xué)風(fēng)化與分選循環(huán)等沉積環(huán)境信息時(shí)，對(duì)詳細(xì)的沉積學(xué)特征分析有著深刻的科學(xué)意義[1?2]。近幾年，地球化學(xué)、礦物學(xué)等一些新興學(xué)科開始迅速發(fā)展，這導(dǎo)致在恢復(fù)和重建古沉積環(huán)境中，廣泛應(yīng)用了重礦物[3?5]、元素地球化學(xué)[6?7]、年代學(xué)[8]、古地磁、孢粉等手段，補(bǔ)充沉積學(xué)研究的不足。在這些方法中，由于沉積物中的一些地球化學(xué)元素對(duì)氧化還原敏感，且在特定條件下會(huì)進(jìn)行遷移、富集并重新組合，因此地球化學(xué)元素能夠判斷物源，在恢復(fù)和重建氣候環(huán)境研究中也發(fā)揮作用[9]；在物源條件一致時(shí)，重礦物表現(xiàn)出相似的組合特征，在物源條件不同時(shí)，因經(jīng)歷搬運(yùn)與風(fēng)化作用，從而導(dǎo)致重礦物組合特征發(fā)生明顯變化[10]，因此重礦物可以表明物源、源巖屬性和沉積環(huán)境等特征，進(jìn)而分析構(gòu)造—?dú)夂虻鸟詈详P(guān)系；碎屑鋯石年齡記錄了碎屑礦物的物源與地層的最大沉積年齡等信息，進(jìn)而成為探究沉積構(gòu)造環(huán)境的重要手段之一[11?13]。因此碎屑沉積物的元素地球化學(xué)、重礦物和鋯石U-Pb測(cè)年研究，對(duì)于恢復(fù)沉積環(huán)境和探究構(gòu)造背景至關(guān)重要[14]。

白土山地層作為大興安嶺地區(qū)的第四紀(jì)下限，對(duì)于第四紀(jì)地層的劃分和重建早更新世區(qū)域環(huán)境等具有重要的意義。早期對(duì)其的研究?jī)H限于巖性特征，缺乏對(duì)地層全面屬性的認(rèn)知，其沉積環(huán)境與構(gòu)造事件也存在較大爭(zhēng)議[15?22]，并且對(duì)于呼倫貝爾砂礫石剖面，目前還沒有確定其地層年代。因此，對(duì)呼倫貝爾砂礫石剖面的沉積學(xué)、礦物學(xué)、地球化學(xué)屬性以及鋯石U-Pb年齡進(jìn)行分析，為區(qū)域地層劃分和對(duì)比提供了新的依據(jù)，厘定沉積時(shí)代，探討沉積環(huán)境特征，確定地層劃分歸屬，對(duì)第四紀(jì)地層劃分以及更好地認(rèn)識(shí)呼倫貝爾砂礫石剖面及其周邊地區(qū)的構(gòu)造演化提供了新的指示。

1 研究區(qū)概況

大興安嶺地區(qū)位于古生代古亞洲洋構(gòu)造東部與中生代環(huán)太平洋構(gòu)造強(qiáng)烈疊加—轉(zhuǎn)換區(qū)域，自古生代以來受到多次塊體拼合與陸內(nèi)演化的復(fù)合影響，對(duì)探究中亞造山帶的構(gòu)造演化歷史具有重要的作用[23?25]。大興安嶺北段地區(qū)位于興安地塊和額爾古納地塊上（圖1a），在構(gòu)造上屬于興蒙造山帶，存在古生代古亞洲洋與中生代蒙古—鄂霍茨克洋兩大構(gòu)造域之間的疊加轉(zhuǎn)換和中—新生代環(huán)太平洋構(gòu)造域的俯沖增生等復(fù)雜的構(gòu)造演化歷程[26]。中生代以來，隨著蒙古—鄂霍次克洋的閉合與太平洋向西俯沖，大量中酸性巖漿噴發(fā)和侵蝕，伴隨產(chǎn)生了中酸性火山巖，以及出現(xiàn)了一系列E—W和WS—EN走向的斷裂構(gòu)造活動(dòng)帶。

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾海拉爾區(qū)（49°06′～49°28′ N，119°28′～120°34′ E），大興安嶺西麓的低山丘陵與呼倫貝爾高平原東部邊緣的交界處（圖1b）。呼倫貝爾地處中溫帶，大陸性氣候顯著，冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季溫涼短促，降水量變率大，分布不均，年際變化也大。根據(jù)野外巖層組合、原巖建造、化石特征和地質(zhì)接觸關(guān)系等，研究區(qū)共出露8個(gè)地層單元，分別為第四紀(jì)沉積物、白堊紀(jì)花崗巖、侏羅紀(jì)花崗巖、二疊紀(jì)花崗巖、石炭紀(jì)變質(zhì)巖、泥盆紀(jì)粉砂巖、奧陶紀(jì)板巖和下元古界片巖[27]（圖1c）。

2 樣品與方法

2.1 樣品采集與處理

呼倫貝爾巴彥塔拉砂礫石剖面（49°1′56″ N，119°43′3″ E），呈“穹型”暴露于地表，最厚處約15 m（圖1d）。本研究對(duì)沉積學(xué)特征進(jìn)行觀察和分析，包括礫石特征與基質(zhì)性質(zhì)以及透鏡體和層理特點(diǎn)等；極細(xì)砂和細(xì)砂透鏡體沉積物用于重礦物研究，共6件；基質(zhì)和泥質(zhì)—粉砂透鏡體樣品用于地球化學(xué)分析，共7件；具有代表性的透鏡體樣品用于U-Pb鋯石年代學(xué)研究，共1件（表1）。此外，為了對(duì)大興安嶺兩側(cè)砂礫石沉積物進(jìn)行對(duì)比，引用了大興安嶺東麓龍江縣和平安鎮(zhèn)白土山剖面的重礦物與地球化學(xué)數(shù)據(jù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

選用范圍為1.5 m×1.5 m的網(wǎng)格法對(duì)呼倫貝爾砂礫石剖面礫石進(jìn)行采樣，并在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)選取不少于100顆礫石，觀測(cè)每個(gè)礫石產(chǎn)狀、成分、礫徑、磨圓度和風(fēng)化程度并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。礫石巖性特征均通過觀察被敲開的礫石新鮮面進(jìn)行判斷并制成相應(yīng)圖表。

重礦物鑒定具體過程如下：首先使用分樣篩獲取樣品63～250 μm的粒度組分并低溫烘干（<60 ℃），根據(jù)礦物比重的差異進(jìn)行淘洗，再通過三溴甲烷（重液）分離，然后酒精反復(fù)沖洗被分離的樣品，恒溫烘干后稱重，使用電磁法對(duì)樣品進(jìn)行磁選[28?29]，最后，以雙目鏡和偏光鏡為工具，進(jìn)行重礦物的鑒定與識(shí)別，并且每個(gè)重礦物的鑒定數(shù)目大于900顆[30]。

地球化學(xué)樣品測(cè)試具體過程如下：樣品室內(nèi)烘干后研磨至粉末狀，然后用分樣篩獲得小于63 μm的粒度組分用于地球化學(xué)分析，由于礦物類型與組合的不均勻可能造成X射線系數(shù)吸收差異，因此常量元素在樣品制成熔片后通過XRF光譜儀完成，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確[31]，實(shí)驗(yàn)誤差小于3％。在測(cè)試微量和稀土元素時(shí)使用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICPMS）完成，測(cè)量過程中加入國(guó)際樣品、重復(fù)樣以及空白樣品來保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性[32]，實(shí)驗(yàn)誤差小于2%，具有很高的可靠性。

鋯石U-Pb測(cè)年具體過程如下：使用準(zhǔn)分子193 nm激光剝蝕106 系統(tǒng)（NewWave， NWR193）和AnalytikJena AG PQMS030 elite ICP-MS 儀器（德國(guó)）進(jìn)行分析。激光條件為：激光束斑直徑30 μm，激光能量密度10 J/cm2，剝蝕頻率8 Hz；載氣使用高純度He氣輔助氣為Ar氣。用于儀器校準(zhǔn)的NIST SRM 610的濃度值參考Pearce et al.[33]和Yuan et al. [34]給出的詳細(xì)校準(zhǔn)過程；標(biāo)準(zhǔn)鋯石Plesovice[35]和Qinghu[36]為監(jiān)控盲樣。使用Glitter軟件進(jìn)行同位素比值及元素含量的計(jì)算；諧和年齡及圖像使用Isoplot 4.15[37]得出；分析數(shù)據(jù)及鋯石U-Pb諧和圖給出的誤差為1 σ，表示95%的置信度。

3 結(jié)果

3.1 沉積學(xué)特征

剖面整體向兩側(cè)延伸約30 m，傾向?yàn)?05°，沉積物巖性以灰白色砂礫石堆積為主，局部見鐵染與鐵盤，夾灰白色黏土透鏡體（圖2a），透鏡體最大厚度達(dá)2～3 m。沉積物局部可見平行層理發(fā)育（圖2b）；多層鐵板層—鐵板層的球形彎曲發(fā)育，產(chǎn)狀為10°∠4°（圖2d）；弱固結(jié)鐵銹色砂礫層底部測(cè)量產(chǎn)狀，為320°∠5°；在剖面頂部，發(fā)現(xiàn)大量鈣質(zhì)結(jié)核，砂礫石堆積上覆灰白色亞砂土。

礫石粒徑以0～80 mm為主，最大可達(dá)160 mm（圖3a）；基質(zhì)以砂—粉砂和泥質(zhì)為主；磨圓以次棱角（71%）為主，次圓（19%）次之，圓和棱角占比不足1%（圖3b）；風(fēng)化程度以無（95.5%）—弱風(fēng)化（4.5%）為主（圖3c）；礫石主要為石英質(zhì)（61.2%）和凝灰?guī)r（34.9%），其次是陸源碎屑巖（2.6%）和流紋巖（1.3%）（圖2c、圖3d）。

3.2 重礦物

共鑒定出11種重礦物（表2），包括白鈦石、綠簾石、角閃石、金紅石、鋯石、榍石、石榴子石、銳鈦礦、鈦鐵礦、磁鐵礦、赤/褐鐵礦。呼倫貝爾砂礫石剖面重礦物以白鈦石（32.54%）和鈦鐵礦（33.01%）占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其次為磁鐵礦（12.11%）、ZTR（6.53%）、赤褐鐵礦（5.47%）和銳鈦礦（1.34%）和綠簾石（0.52%）和石榴子石（0.11%）含量不足1%，其他礦物含量占8.38%，而榍石、金紅石、角閃石僅在個(gè)別樣品中出現(xiàn)且含量極低，為偶見礦物。

3.3 地球化學(xué)元素特征

3.3.1 常量元素

沉積物常量元素含量呈現(xiàn)出不同程度的變化，以SiO2（平均值為63.77%，下同）、Al2O3（16.65%）、Fe2O3 （12.32%）、FeO（11.08%）、K2O（2.52%）為主。與大陸上地殼（UCC）相比，F(xiàn)e2O3、TiO2和FeO明顯富集，而MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、P2O5明顯虧損，SiO2和Al2O3與UCC含量則比較相近（圖4a）。

3.3.2 微量元素

沉積物微量元素含量呈現(xiàn)復(fù)雜的變化（圖4b），相較于UCC，在過渡元素（TTE）中，V、Zn、Ga、Ni明顯富集，Cu、Cr、Co波動(dòng)較大，而Sc與UCC含量比較接近；在大離子親石元素（LILE）中，Rb、Ba總體虧損，Sr明顯虧損，Cs明顯富集，而Pb波動(dòng)較大；在高場(chǎng)強(qiáng)元素（HFSE）中，Nb、Ta 明顯虧損，Th、U、Zr、Hf 明顯富集。

3.3.3 稀土元素

沉積物稀土總量（ΣREE）介于74.26～211.77，平均值為134.17，低于UCC（146.37）和后太古宙頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)值（PAAS，184.77），分配模式趨勢(shì)的呈現(xiàn)與UCC呈現(xiàn)相似，即左陡右緩，Eu處呈現(xiàn)V字形，表明樣品輕稀土富集、重稀土虧損和Eu負(fù)異常的分布特征（圖4c）。

沉積物的輕稀土元素富集，總量（ΣLREE）介于66.67～190.61，平均值為117.48；而重稀土元素虧損，總量（ΣHREE）介于7.58～27.459；ΣLREE/ΣHREE介于4.54～9.01，平均值為7.45。δEu 介于0.65～0.95（平均值為0.74），δCe介于0.81～1.03（平均值為0.91），即樣品存在Ce、Eu 負(fù)異常。（La/Sm）N 介于3.15～10.55，平均值為4.96，（Gd/Yb）N 比值介于0.68～1.32，平均值為1.01，表明輕重稀土分餾程度都比較明顯。

3.4 鋯石U?Pb 年齡

鋯石是一種極穩(wěn)定的重礦物，在沉積過程中，成分和年齡基本不受影響，因此被廣泛用于判別物源特征[38?39]。選取呼倫貝爾砂礫石剖面1個(gè)透鏡體樣品開展鋯石U-Pb測(cè)年分析，其中Th/U比值大部分大于0.3，表明鋯石主要是巖漿成因。剔除諧和度小于90% 的鋯石年齡數(shù)據(jù)，大于1 000 Ma 的鋯石選擇207Pb/206Pb年齡，小于1 000 Ma的年齡選擇206Pb/238U年齡，最終繪制了碎屑鋯石U-Pb年齡譜（圖5）。

此次鋯石年齡數(shù)據(jù)大部分位于諧和線上或附近，說明得到的年齡結(jié)果是可靠的。其碎屑鋯石年齡譜具有兩個(gè)年齡段組合，分別為100～200 Ma（中生代白堊紀(jì)—侏羅紀(jì)）和250～350 Ma（晚古生代二疊紀(jì)—石炭紀(jì)），其中中生代的年齡峰值為～126 Ma，晚古生代的年齡峰值為～302 Ma。

4 討論

4.1 化學(xué)風(fēng)化與沉積循環(huán)

4.1.1 化學(xué)風(fēng)化特征

在沉積過程中，化學(xué)風(fēng)化起著十分重要的作用，對(duì)沉積物地球化學(xué)組成產(chǎn)生了很大的影響[41?42]，因此研究沉積物的化學(xué)風(fēng)化特征，不僅可以確定物源，還可以作為恢復(fù)和重建古氣候的重要手段[43?45]。風(fēng)化作用會(huì)導(dǎo)致物質(zhì)發(fā)生一定的改變，但元素是否存在仍由自身的性質(zhì)決定，在化學(xué)風(fēng)化過程中，Al3+等穩(wěn)定的陽(yáng)離子大部分可以在風(fēng)化殘留物中保存；而Na+、K+、Ca+等不穩(wěn)定的陽(yáng)離子則容易從母巖中流失并改變，進(jìn)而在風(fēng)化產(chǎn)物的堿金屬中Al 的比例增加[46]，以此為依據(jù)，提出了許多化學(xué)風(fēng)化指數(shù)來衡量化學(xué)風(fēng)化程度。Nesbitt et al.[47]提出化學(xué)蝕變指數(shù)CIA來判斷源區(qū)風(fēng)化程度，而為了排除成巖作用過程中鉀交代作用增加的鉀元素干擾，Harnois[48]又提出了化學(xué)風(fēng)化指數(shù)（CIW）來評(píng)價(jià)沉積物的風(fēng)化程度，CIA、CIW公式分別如下：

CIA = 100 × [Al2O3/（Al2O3 + CaO* + Na2O +K2O） ] （1）

CIW = [Al2O3/（Al2O3 + Na2O + CaO* ） ] （2）

式中：CaO*是硅酸鹽中的CaO含量，常量元素含量用摩爾濃度表示。通常CIW、CIA的值和化學(xué)風(fēng)化程度呈正比例關(guān)系[49?50]。（1）式中依據(jù)風(fēng)化程度可以大致分為未風(fēng)化、初級(jí)風(fēng)化、中等風(fēng)化、強(qiáng)烈風(fēng)化四個(gè)等級(jí)；（2）式中，當(dāng)CIW值為50～60時(shí)，即受到化學(xué)風(fēng)化影響較微弱，當(dāng)CIW大于70時(shí)，即受到化學(xué)風(fēng)化影響較強(qiáng)烈。砂礫石剖面樣品的CIA 值介于65.24～86.61，平均值為71.16，與上陸殼均值48相比較高；CIW值介于73.2～92.96，平均值為80.48，二者皆指示沉積物遭受了較高程度的化學(xué)風(fēng)化。

除化學(xué)風(fēng)化指數(shù)外，一些三元圖解也可以用來化學(xué)風(fēng)化及其趨勢(shì)的預(yù)判。Nesbitt et al.[47]提出了A-CN-K三角模型圖來判斷化學(xué)風(fēng)化程度與趨勢(shì)，在圖解中，沉積物落點(diǎn)都高于斜長(zhǎng)石—鉀長(zhǎng)石連線，并且處于PAAS上方，說明了化學(xué)風(fēng)化程度中等；沉積物的趨勢(shì)線大致平行于A-CN連線且接近于A-K連線，指示斜長(zhǎng)石基本被風(fēng)化，并產(chǎn)生了風(fēng)化產(chǎn)物伊利石，表明經(jīng)歷了中等的化學(xué)風(fēng)化程度；樣品點(diǎn)的分布也比較集中，這說明沉積物的化學(xué)風(fēng)化過程穩(wěn)定（圖6a）。A-CNK-FM三元圖解也常用于評(píng)估沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度，在圖中樣品點(diǎn)絕大部分處于斜長(zhǎng)石—FM連線與綠泥石—伊利石連線之間，這同樣說明樣品沉積物的風(fēng)化程度較高（圖6b）。

在沉積環(huán)境中，Rb與Sr的地球化學(xué)行為存在差異，在風(fēng)化過程中Rb不穩(wěn)定且易淋濕，而Sr表現(xiàn)較穩(wěn)定，因而判別風(fēng)化強(qiáng)度時(shí)常用Rb/Sr比值[51]，其比值越高說明化學(xué)風(fēng)化作用越強(qiáng)。剖面沉積物的Rb/Sr值介于0.25～0.95，平均值為0.50，比UCC均值高，說明沉積物的風(fēng)化程度中等。

沉積學(xué)也可以為砂礫石剖面沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度提供佐證。礫石的風(fēng)化程度可以表明沉積物的風(fēng)化程度[52]，觀察礫石的表面特征，可知礫石經(jīng)歷了無—弱風(fēng)化作用，但其致密的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不易被風(fēng)化，所以指示樣品遭受了較高程度的化學(xué)風(fēng)化。在重礦物不斷的剝離、搬運(yùn)、沉積時(shí)，化學(xué)風(fēng)化作用一直影響重礦物的含量與組合，樣品沉積物的地球化學(xué)元素組成相似說明有穩(wěn)定的物源；礫石以次棱角—次圓為主的磨圓度說明搬運(yùn)距離較短，所以對(duì)砂礫石剖面沉積物而言，重礦物組合受物源和搬運(yùn)距離因素的影響較小，主要受化學(xué)風(fēng)化程度的控制。重礦物的穩(wěn)定性與抗風(fēng)化水平成正比，穩(wěn)定重礦物在風(fēng)化過程后仍然存在，不穩(wěn)定重礦物在風(fēng)化作用下則逐漸溶解消失。從樣品的重礦物含量可以看出，白鈦石、鈦鐵礦等穩(wěn)定重礦物呈富集狀態(tài)，角閃石和榍石等不穩(wěn)定重礦物含量極低，結(jié)合Rb/Sr比值、化學(xué)風(fēng)化指標(biāo)與三角圖解共同指示了砂礫石剖面沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度中等。

4.1.2 分選與沉積循環(huán)

識(shí)別沉積物的分選與沉積循環(huán)過程對(duì)恢復(fù)沉積物沉積過程具有重要意義。沉積物在搬運(yùn)過程中受物理和化學(xué)作用的影響而出現(xiàn)分選現(xiàn)象，從而導(dǎo)致沉積物中非黏土礦物的增加和黏土礦物的減少，即不穩(wěn)定元素含量會(huì)受到影響，進(jìn)而地球化學(xué)特征也會(huì)發(fā)生變化，以此為依據(jù)，Cox et al.[53]提出了成分變異指數(shù)（ICV）用來反映沉積物成分成熟度以及判別沉積再循環(huán)過程。Parker[54]也根據(jù)元素（K、Ca、Na、Mg）與氧結(jié)合的鍵作為加權(quán)因子可以反映巖石的風(fēng)化情況以及風(fēng)化的敏感程度，提出使用風(fēng)化指數(shù)（WIP）來估算沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度甚至區(qū)分初次沉積和再循環(huán)沉積[54?55]。ICV、WIP公式分別如下：

ICV = （CaO + K2O + Na2O + Fe2O3 + MgO +TiO2 + MnO）/Al2O3 （3）

WIP = 100 × （CaO*/0.7 + 2Na2O/0.35 +2K2O/0.25 + MgO/0.9） （4）

式中：常量元素含量用摩爾濃度表示，（3）式中，ICV越高與沉積物的成熟度成反比，ICV大于1表明沉積物成熟度低，說明沉積物可能是在構(gòu)造活動(dòng)背景下經(jīng)歷了首次循環(huán)沉積作用[56]；ICV小于1表明沉積物成熟度高，為再循環(huán)沉積，也可能是在強(qiáng)烈化學(xué)風(fēng)化條件下進(jìn)行了初次循環(huán)[57]。（4）式中，化學(xué)風(fēng)化和再循環(huán)程度越強(qiáng)，WIP越低。近年來，又提出利用CIA-WIP的二元圖解來辨析沉積物是否經(jīng)歷再循環(huán)，經(jīng)歷初次循環(huán)時(shí)，CIA/WIP小于10，而經(jīng)歷再循環(huán)時(shí)，CIA/WIP大于10。砂礫石剖面樣品ICV介于0.56～2.32，平均值為1.22；CIA/WIP值介于1.22～3.84，均未超過10；在CIA-WIP圖解中（圖7a），樣品點(diǎn)顯示出顯著的線性關(guān)系，并處于UCC風(fēng)化趨勢(shì)線周圍，這些均表明砂礫石剖面沉積物成熟度較低、屬于初次循環(huán)的產(chǎn)物。

Zr/Sc-Th/Sc二元圖解[58?59]被廣泛應(yīng)用于評(píng)價(jià)沉積物是否經(jīng)歷分選與再循環(huán)。沉積物再分選與再循環(huán)過程中，穩(wěn)定重礦物不斷富集導(dǎo)致某些元素（如Zr、Th、Sc等）的富集，其中Zr主要富集在鋯石中，所以Zr/Sc 常用于反映鋯石增加進(jìn)而判斷沉積物再循環(huán)[60]，而Th/Sc比值在沉積再循環(huán)過程中沒有明顯的變化，因此可作為判斷化學(xué)分異的指標(biāo)[58]，當(dāng)沉積物經(jīng)歷初次循環(huán)時(shí)，Th/Sc比值隨Zr/Sc比值增加而增加，即樣品點(diǎn)沿著巖漿成分趨勢(shì)線分布；當(dāng)沉積物經(jīng)歷再循環(huán)時(shí)，隨著Zr/Sc比值的增加，Th/Sc比值平緩分布，即樣品點(diǎn)偏離了巖漿成分趨勢(shì)線。呼倫貝爾砂礫石剖面樣品點(diǎn)均分布在再循環(huán)趨勢(shì)線周圍，指示在沉積過程中主要受再循環(huán)的影響，這可能是鋯石富集且含有部分陸源碎屑巖所致（圖7b）。

4.2 沉積物源

礫石的發(fā)育常伴隨造山活動(dòng)，通常帶有豐富的物源地信息，因此在追蹤物源時(shí)常統(tǒng)計(jì)分析礫石特征[61?62]。呼倫貝爾砂礫石剖面地處大興安嶺西麓，礫石的磨圓度較差（圖3b），說明其搬運(yùn)距離較近，在沉積過程受到風(fēng)化作用的影響有限，因而剖面的礫石特征可以被用來反映源區(qū)[63?64]。在礫石巖性組成中，凝灰?guī)r和流紋巖等長(zhǎng)英質(zhì)巖石占97.4%（圖3d），代表其母巖主要為中—酸性巖漿巖，且大興安嶺地區(qū)廣泛發(fā)育該巖石，說明大興安嶺可能為呼倫貝爾砂礫石剖面物源。

而這一觀點(diǎn)也得到了重礦物與地球化學(xué)證據(jù)的支持，通過對(duì)比分析研究區(qū)與潛在物源區(qū)的重礦物與地球化學(xué)特征可以判別物源。前人對(duì)于大興安嶺地區(qū)的研究已經(jīng)比較全面，主要通過河流沉積物來反映其重礦物和地球化學(xué)的整體性特征，因此收集總結(jié)了潛在物源區(qū)大興安嶺東側(cè)河流沉積物的重礦物與地球化學(xué)數(shù)據(jù)[62，65]，如多布庫(kù)爾河、諾敏河、阿倫河等，以此來代表大興安嶺地區(qū)重礦物與元素地球化學(xué)的綜合性特征，并與呼倫貝爾砂礫石剖面重礦物與元素地球化學(xué)對(duì)比且展開分析。大興安嶺地區(qū)東側(cè)碎屑重礦物主要為綠簾石和鈦鐵礦，赤褐鐵礦、角閃石與輝石次之，指示母巖主要為中—酸性巖漿巖，與研究區(qū)基本一致；二者元素地球化學(xué)所揭示的源區(qū)母巖性質(zhì)基本一致（圖8）。因此，綜合沉積學(xué)、重礦物與地球化學(xué)特征，并結(jié)合其區(qū)域地質(zhì)背景，初步推斷呼倫貝爾砂礫石剖面物源來自大興安嶺。

碎屑沉積物的地球化學(xué)研究被廣泛應(yīng)用于追蹤沉積物源[69?70]。REE不易受遷移、沉積和成巖作用的影響，可以穩(wěn)定保留在沉積物中并有效反映母巖性質(zhì)。通常來說長(zhǎng)英質(zhì)巖石的ΣLREE/ΣHREE比值較高，Eu負(fù)異常；而鐵鎂質(zhì)巖石的ΣLREE/ΣHREE比值低，Eu呈現(xiàn)無異?；蛘惓?。呼倫貝爾砂礫石剖面沉積物稀土配分曲線趨勢(shì)波動(dòng)較小，稀土配分模式為輕稀土富集、重稀土虧損和Eu 負(fù)異常，與UCC和PAAS的分布模式相似，指示其源巖主要來自長(zhǎng)英質(zhì)火成巖。Al2O3/TiO2比值是指示沉積物源巖的主要手段之一[71]，當(dāng)Al2O3/TiO2小于14時(shí)，表明源巖主要為鎂鐵質(zhì)巖石，當(dāng)Al2O3/TiO2比值介于19～28時(shí)，表明源巖主要為長(zhǎng)英質(zhì)巖石。呼倫貝爾砂礫石剖面沉積物的Al2O3/TiO2 值介于15.56～46.13，平均值為26.49，指示了沉積物的長(zhǎng)英質(zhì)母巖屬性。

一些不活動(dòng)元素及其比值常用來指示碎屑沉積物的母巖性質(zhì)[72]。由于沉積分選和再循環(huán)過程中，Hf含量隨著鋯石的富集而增加，因此La/Th-Hf的二元圖解常用于判別母巖性質(zhì)以及沉積再循環(huán)特征[66]。砂礫石剖面La/Th比值（1.69～2.42，平均值為1.97）和Hf 含量（6.98～20.14，平均值為13.18）整體較低，在La/Th-Hf判別圖解中（圖8a），樣品點(diǎn)集中在長(zhǎng)英質(zhì)酸性源區(qū)附近。一般來說，La和Th等元素更多賦存在長(zhǎng)英質(zhì)巖石中，Sc、Co等元素則更多在鐵鎂質(zhì)巖石中富集[73]，因此Co/Th-La/Sc判別圖解可以較好地判別母巖的性質(zhì)[67]，砂礫石剖面沉積物L(fēng)a/Sc 值介于2.1～3.16，Co/Th值介于0.21～1.48，樣品點(diǎn)分布在長(zhǎng)英質(zhì)火山巖的周圍（圖8b）。并且，沉積物的Cr/Th比值為1.29～3.41，Th/Sc 比值介于1～1.72，在Th/Sc-Cr/Th二元圖解中，樣品點(diǎn)主要分布在長(zhǎng)英質(zhì)火山巖附近（圖8c）。在TiO2-Zr雙變量圖中，沉積物全部分布在長(zhǎng)英質(zhì)火成巖區(qū)域[68]（圖8d），以上皆指示砂礫石剖面碎屑物具有長(zhǎng)英質(zhì)母巖屬性，這也與稀土元素富集和Eu負(fù)異常的特點(diǎn)相符合。

綜合礫石特征、重礦物與元素地球化學(xué)、稀土元素配分模式與地球化學(xué)元素比值和判別圖解，確定了長(zhǎng)英質(zhì)巖漿母巖的物源貢獻(xiàn)，這指示呼倫貝爾砂礫石剖面沉積物來自大興安嶺的中—酸性巖漿母巖。

鋯石有極高的硬度與封閉溫度，因而在風(fēng)化、剝蝕、磨蝕等過程中，U-Pb同位素體系仍可以在經(jīng)歷各種地質(zhì)過程后穩(wěn)定存在[74?75]，因此碎屑鋯石年齡組合分布能夠很好地判斷沉積物的來源，通過對(duì)比分析研究區(qū)與潛在物源區(qū)的鋯石U-Pb年齡分布特征進(jìn)行物源判別[76]。為了進(jìn)一步追蹤物源，對(duì)呼倫貝爾砂礫石剖面進(jìn)行了鋯石U-Pb測(cè)年分析并繪制了年齡諧和圖和年齡頻譜圖，在此基礎(chǔ)上收集總結(jié)了前人對(duì)于潛在物源區(qū)大興安嶺北段的年代學(xué)研究成果[40]，繪制了鋯石U-Pb年齡譜（圖5），并與呼倫貝爾地區(qū)鋯石年齡分布特征對(duì)比并展開分析。結(jié)果顯示，呼倫貝爾碎屑鋯石年齡峰值特征與大興安嶺北段極其相似，具有100～200 Ma 和250～350 Ma 的鋯石年齡峰值，說明呼倫貝爾砂礫石剖面的物源主要為大興安嶺北段。

4.3 沉積環(huán)境

砂礫石剖面地層的沉積環(huán)境可以從沉積學(xué)、地球化學(xué)特征和重礦物組成進(jìn)行判斷，其中沉積學(xué)主要從礫石礫徑、磨圓度、分選性以及堆積情況等方面來指示沉積環(huán)境特點(diǎn)[64，77]。呼倫貝爾砂礫石剖面礫石礫徑集中在0～80 mm，分選性與磨圓度較差，礫徑大小不同且以次棱角和次圓為主要優(yōu)勢(shì)的礫石混雜堆積；局部夾雜著灰白色黏土透鏡體；碎屑沉積物為初次循環(huán)，指示其搬運(yùn)距離較短，并且存在明顯發(fā)育的平行層理，表明有定向水流的改造。綜合上述沉積學(xué)特征，認(rèn)為砂礫石剖面沉積物為近距離搬運(yùn)的沖—洪積物堆積。

在沉積物經(jīng)歷化學(xué)風(fēng)化過程中，穩(wěn)定元素不斷富集，而堿金屬元素遷移流失，因此在判別沉積物古氣候時(shí)元素地球化學(xué)被廣泛應(yīng)用[78?79]。為了判別沉積過程中的氣候條件，繪制了SiO2-Al2O3+K2O+Na2O的關(guān)系圖，沉積物全部分布在干旱區(qū)域，指示在干旱條件下形成了砂礫石剖面沉積物（圖9a）。古氣候特征也可以利用Rb/Sr比值來指示[80]，沉積時(shí)古氣候越濕潤(rùn)，代表風(fēng)化作用越強(qiáng)烈，致使Sr淋失得越徹底，Rb/Sr值越大。沉積物Rb/Sr介于0.25～0.95，平均值為0.5，指示砂礫石剖面屬于干旱古氣候。

在沉積過程中，沉積物受到氧化還原反應(yīng)的影響，因此微量元素的含量及比值可以表明其沉積環(huán)境[81?83]。V元素在風(fēng)化、成巖過程中受到的影響很小，穩(wěn)定地存在于沉積物中；而Ni、Co元素在氧化還原性質(zhì)不同的環(huán)境表現(xiàn)不同，因此在判別沉積環(huán)境中V/Cr、Ni/Co比值被廣泛使用[84]，V/Cr>4.5、Ni/Co>7指示為缺氧環(huán)境，V/Cr<2、Ni/Co>5 指示為富氧環(huán)境。在V/Cr-Ni/Co圖解中，沉積物絕大部分分布在含氧—缺氧的過渡區(qū)間，指示其沉積環(huán)境為氧化環(huán)境（圖9b）。

穩(wěn)定重礦物有很強(qiáng)的抗風(fēng)化的能力，在沉積過程中可以保存源巖的信息，因此可以用來判別沉積物的物源，進(jìn)而為沉積演化的提供佐證[85]。呼倫貝爾砂礫石剖面沉積物的重礦物以穩(wěn)定的白鈦石和鈦鐵礦占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（表2），這兩種礦物都是氧化環(huán)境下的產(chǎn)物，且基本沒有不穩(wěn)定礦物（角閃石和輝石），這指示沉積物經(jīng)歷了很強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度，與沉積物較高的CIA值（圖6）相對(duì)應(yīng)，也和氧化條件相匹配。

結(jié)合礫石特征、地球化學(xué)特征及其重礦物組成，認(rèn)為呼倫貝爾砂礫石剖面是在溫暖偏干的氧化條件下近距離搬運(yùn)的沖—洪積物堆積。

4.4 地層對(duì)比與劃分

將未劃分地層的剖面與已經(jīng)確定地層歸屬的剖面進(jìn)行地層屬性的對(duì)比，是一種判斷地層劃分歸屬的重要方法[86]，經(jīng)典的白土山組是以黑龍江省龍江縣朱家坎白土山剖面為標(biāo)準(zhǔn)建立，之后灰白色夾黏土透鏡體的砂礫石巖性特征作為白土山組地層劃分的依據(jù)被廣泛應(yīng)用，據(jù)此大興安嶺東麓龍江縣和平安鎮(zhèn)均被劃歸為白土山組[87?88]，而一直以來呼倫貝爾砂礫石剖面的地層劃分歸屬尚未有定論，存在諸多的不確定性。屬性的全面建立是地層劃分的基礎(chǔ)，因此結(jié)合研究新成果，整合分析了沉積學(xué)、礦物巖石學(xué)以及地質(zhì)年代學(xué)等多種手段，在此基礎(chǔ)上將呼倫貝爾砂礫石剖面與大興安嶺東麓龍江縣和平安鎮(zhèn)白土山剖面進(jìn)行對(duì)比，判斷其地層劃分歸屬。

從沉積物顏色上看，三者同為灰白色砂礫石堆積（圖2）；從礫石的磨圓度和風(fēng)化程度來看，研究區(qū)磨圓度以次棱角—次圓為主，處于龍江縣白土山組和平安鎮(zhèn)白土山組之間，這可能是由于呼倫貝爾砂礫石剖面為近源沉積，且三者CIA數(shù)值接近，皆為較強(qiáng)的風(fēng)化程度；從礫石的巖性對(duì)比可以看出，呼倫貝爾砂礫石剖面以石英質(zhì)和凝灰?guī)r為主，其次為陸源碎屑巖和流紋巖，龍江縣白土山以流紋巖、脈石英、凝灰?guī)r為主，其次為陸源碎屑巖及花崗巖，平安鎮(zhèn)白土山巖性以凝灰?guī)r為主，流紋巖和石英巖質(zhì)巖石次之，三者礫石巖性相似；另外，三者基質(zhì)均為砂—粉砂和泥；從地層結(jié)構(gòu)來看，三者的細(xì)顆粒物質(zhì)均以透鏡體的方式存在；從沉積物的成因類型來看，三者均為沖—洪積物堆積；從剖面所在區(qū)域氣候環(huán)境來看，三者皆為干旱氧化環(huán)境。此外三者重礦物種類及含量大致相同，均以白鈦石、綠簾石、鈦鐵礦、ZTR、赤褐鐵礦和銳鈦礦為主，但個(gè)別礦物（如綠簾石）含量受區(qū)位特征、氣候等因素影響略有差異，且三者地球化學(xué)元素的含量與變化趨勢(shì)以及母巖性質(zhì)均十分相近（圖8，10）。

根據(jù)沉積物的各類屬性特征，包括沉積物顏色、礫石特點(diǎn)與基質(zhì)性質(zhì)、地層結(jié)構(gòu)、沉積物成因類型和氣候環(huán)境、重礦物和母巖性質(zhì)等，可判斷呼倫貝爾砂礫石剖面為白土山組。但仍然需要年代學(xué)證據(jù)的支撐來判斷剖面的地層歸屬，因此在下一步工作中將開展呼倫貝爾砂礫石剖面的年代學(xué)研究，如ESR和埋藏測(cè)年等。

4.5 構(gòu)造意義

4.5.1 構(gòu)造背景重建

在經(jīng)歷地質(zhì)構(gòu)造作用時(shí)，碎屑沉積物的產(chǎn)生可以用來揭示源區(qū)的構(gòu)造演化。隨著地球化學(xué)測(cè)試技術(shù)的提高，對(duì)碎屑沉積物的地球化學(xué)組成進(jìn)行分析是現(xiàn)今常用的重建源區(qū)構(gòu)造背景的方法[89?91]。在沉積過程中，由于受到風(fēng)化和成巖作用的影響，常量元素不穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致被誤判，而不活動(dòng)的微量元素穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致受到的影響很小，所以被廣泛用于判別源區(qū)的構(gòu)造背景[90]。砂礫石沉積物化學(xué)風(fēng)化程度中等，因而可以使用微量元素重建構(gòu)造背景，La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10圖解常用來判斷沉積物源區(qū)的構(gòu)造背景[92]，砂礫石沉積物樣品點(diǎn)均落在被動(dòng)大陸邊緣區(qū)域，與大興安嶺處于板塊內(nèi)部且構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定的情況相符（圖11）。

4.5.2 對(duì)區(qū)域構(gòu)造巖漿事件的指示

大興安嶺北段位于興蒙造山帶東部，其構(gòu)造演化可分為早古生代微板塊拼合、中生代蒙古—鄂霍茨克洋俯沖閉合、古太平洋板塊的俯沖與回退等多個(gè)構(gòu)造域作用下的多階段構(gòu)造演化，具有十分復(fù)雜的地質(zhì)演化歷史，揭示其背后的動(dòng)力學(xué)背景并重建區(qū)域構(gòu)造歷史顯得尤為重要。

地球化學(xué)指標(biāo)在指示構(gòu)造環(huán)境中通常存在不確定性[93]，因而判別沉積物的構(gòu)造環(huán)境時(shí)需要一同分析地質(zhì)構(gòu)造事件。有研究顯示，東北沙地的碎屑鋯石年齡非常穩(wěn)定[94]，因此呼倫貝爾砂礫石剖面單個(gè)樣品的碎屑鋯石U-Pb年齡數(shù)據(jù)仍具有很強(qiáng)的代表性，可以有效代表剖面的整體特征。此外，碎屑鋯石每個(gè)年齡峰值均代表源區(qū)在該時(shí)期發(fā)生過一定規(guī)模的構(gòu)造—巖漿事件[95]，因而，呼倫貝爾砂礫石剖面100～200 Ma和250～350 Ma兩個(gè)主要年齡峰值，是對(duì)大興安嶺北段多期次構(gòu)造巖漿事件的綜合響應(yīng)。

晚二疊世以來，古亞洲洋板塊俯沖與華北克拉通發(fā)生碰撞，并沿索倫—西拉木倫—長(zhǎng)春—延吉縫合帶自西向東于晚二疊世—早三疊世呈剪刀式閉合[96?98]。在此期間板塊內(nèi)部產(chǎn)生大量造山運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致大興安嶺北段廣泛發(fā)育了構(gòu)造—巖漿事件[99]，呼倫貝爾鋯石出現(xiàn)250～350 Ma的年齡峰值是對(duì)這一時(shí)期巖漿構(gòu)造事件的響應(yīng)。

自早侏羅世開始，蒙古—鄂霍茨克洋向南俯沖并呈剪刀式閉合。此外，古太平洋板塊開始向西俯沖，與同時(shí)期燕山運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了疊加作用從而形成區(qū)域擴(kuò)展構(gòu)造背景，導(dǎo)致巖石圈的減薄、上地幔底侵并發(fā)生熔融作用進(jìn)而了發(fā)生了大量巖漿活動(dòng)[100?103]。早白堊世晚期，東北陸邊緣巖漿作用的空間范圍逐漸向東收縮，古太平洋板塊開始向東回退[104?105]，地殼弧后延伸、巖石圈地幔減薄，導(dǎo)致上地幔頂部軟流層物理化學(xué)性質(zhì)等發(fā)生巨變且區(qū)域巖漿上涌而產(chǎn)生了大規(guī)模巖漿活動(dòng)[106?109]，這也與呼倫貝爾鋯石～126 Ma的年齡峰值相對(duì)應(yīng)。

綜上，呼倫貝爾砂礫石剖面的中生代—古生代（100～350 Ma）鋯石年齡為古亞洲洋閉合和古太平洋俯沖、回退的時(shí)間提供了新的證據(jù)。

5 結(jié)論

（1） 呼倫貝爾砂礫石剖面巖性以灰白砂礫石堆積為主，夾雜黏土透鏡體，局部可見平行層理以及多層鐵板層—鐵板層的球形彎曲。礫石分選與磨圓度較差，風(fēng)化程度為無—弱風(fēng)化，基質(zhì)為砂—粉砂和泥。礫石巖性以石英質(zhì)（61.2%）和凝灰?guī)r（34.9%）為主，其次為陸源碎屑巖（2.6%）和流紋巖（1.3%）。

（2） 呼倫貝爾砂礫石剖面重礦物以白鈦石（32.54%）和鈦鐵礦（33.01%）為主，磁鐵礦（12.11%）、ZTR（6.53%）、赤褐鐵礦（5.47%）和銳鈦礦（1.34%）次之，綠簾石（0.52%）、金紅石（0.07%）和石榴子石（0.11%）含量較低，其他礦物含量為8.38%，未見或極少見不穩(wěn)定礦物，表明砂礫石剖面沉積物經(jīng)歷了較強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化作用。

（3） 呼倫貝爾砂礫石剖面沉積物CIA、CIW指數(shù)和Rb/Sr 比值均較高，結(jié)合A-CN-K 和A-CNK-FM 圖解，研究區(qū)經(jīng)歷了中等程度的化學(xué)風(fēng)化作用；ICV值與Th/Sc-Zr/Sc、CIA-WIP圖解表明砂礫石剖面沉積物成熟度較低，屬于初次循環(huán)的產(chǎn)物。綜合礫石特征、重礦物與元素地球化學(xué)、稀土元素配分模式、地球化學(xué)元素比值和源巖性質(zhì)判別圖解，確定了來自大興安嶺的長(zhǎng)英質(zhì)巖漿母巖的物源貢獻(xiàn)，并通過與大興安嶺北段地區(qū)碎屑鋯石年齡譜對(duì)比，進(jìn)一步證明物源區(qū)來自大興安嶺北段。

（4） 沉積學(xué)、地球化學(xué)和重礦物特征共同指示呼倫貝爾砂礫石剖面屬于溫暖偏干的氧化條件中近距離搬運(yùn)的沖—洪積物堆積，并可與大興安嶺東麓龍江縣和平安鎮(zhèn)白土山組進(jìn)行對(duì)比，初步判斷呼倫貝爾砂礫石剖面為白土山組。

（5） 砂礫石剖面為被動(dòng)大陸邊緣構(gòu)造背景，在古亞洲洋的閉合和古太平洋俯沖、回退的區(qū)域構(gòu)造背景下，觸發(fā)多期構(gòu)造—熱事件并產(chǎn)生大量巖漿活動(dòng)，這與呼倫貝爾鋯石峰值年齡（100～200 Ma，250～350Ma）相對(duì)應(yīng)。

致謝 地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)得到了蘭州大學(xué)甘肅省西部礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室閆曉麗、陳萬峰、熊聰慧老師的支持，重礦物組成得到了河北廊坊誠(chéng)信地質(zhì)公司張佩萱老師的指導(dǎo)，碎屑鋯石年齡得到了誠(chéng)譜檢測(cè)技術(shù)（廊坊） 有限公司李鵬、張雁子、劉銘平和王根濤的幫助。研究生趙延卓參與了鋯石U?Pb 測(cè)年的實(shí)驗(yàn)處理，劉俊賀、宋瑩、劉若男、高宏宇、趙慧瑩、張?chǎng)稳愫头\霞參加了實(shí)驗(yàn)室樣品處理工作，在此一并表示感謝。對(duì)提供寶貴修改意見的評(píng)審專家，一并謹(jǐn)致謝忱。感謝辛勤付出的編輯部老師，使論文得以完善。

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