皖北地區新元古代構造背景的轉換:來自碎屑巖地球化學的證據

孫林華, 桂和榮

宿州學院地球科學與工程學院, 安徽宿州 234000

皖北地區新元古代構造背景的轉換:來自碎屑巖地球化學的證據

孫林華, 桂和榮

宿州學院地球科學與工程學院, 安徽宿州 234000

在對安徽省北部宿州新元古代史家組砂巖地球化學特征分析的基礎上, 結合前人發表的淮南和鳳陽新元古代劉老碑組頁巖的地球化學數據, 對它們的物源和構造背景進行了對比討論。結果表明: 劉老碑組頁巖的地球化學特征表明其來自于中-酸性火成巖高程度的首次風化, 而史家組砂巖則來自于經歷了再循環的古老地殼物質較低程度的風化。劉老碑組頁巖相對史家組砂巖具有高(MgO+Fe2O3)、TiO2含量和Al2O3/SiO2比值的特征, 結合La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10判別圖解, 表明二者可能沉積于不同的構造背景, 其中前者屬于大陸島弧(也可能是弧后盆地), 而后者則形成于相對穩定的被動大陸邊緣或者板內。結合前人關于皖北新元古代研究的相關進展, 證實了華北板塊東南緣構造背景在新元古代時期經歷了從活動向穩定的轉變。

地球化學; 碎屑巖; 新元古代; 構造背景; 皖北

碎屑沉積巖對于研究它們的源區組成、地質演化、風化程度及構造背景等具有不可替代的作用(Taylor et al., 1985), 尤其是對于火成巖缺乏的地區, 如華北板塊東南緣。目前對于碎屑沉積巖的研究主要集中于巖石學和地球化學方法, 但由于巖石學方法存在的一些問題, 如源區的巖石成分不能完全有效地在 QFL(石英-長石-巖屑)三角圖中表示出來、礦物成分統計時存在的不確定性等(Fedo et al., 1995), 導致越來越多的地質工作者逐漸傾向于使用地球化學的方法對碎屑沉積物的物源和構造背景進行研究(如李雙應等, 2003, 2004; Cullers, 2000; Yan et al., 2002; Armstrong-Altrin et al., 2004; Rashid, 2005)。

地球化學方法在碎屑沉積巖上的應用主要基于風化過程中難遷移的元素, 如高場強元素(Th、Sc及Zr)、稀土元素及其相應比值(如La/Sc、La/Th、Co/Th等)被廣泛應用于碎屑沉積巖物源和構造背景的研究(Taylor et al., 1985; Bhatia et al., 1986; McLennan et al., 1991)。此外, 主量元素亦被廣泛應用, 如Al2O3/TiO2比 值 、 (SiO2/20)-(K2O+Na2O)-(MgO+ TiO2+FeO*)判別圖解等(Hayashi et al., 1997)。

關于皖北地區新元古代大地構造演化一直存在爭議, 主要集中于兩個方面: 首先是沉積時限的爭議, 如楊杰東等(2001)及鄭文武等(2004)給出的沉積時限為 750～900 Ma, 而孫林華等(2010)根據 Sr同位素與 Kumar等(2002)對比認為該時限為 800～1000 Ma。隨著近年來年代學研究的進展(柳永清等, 2005; 王清海等, 2011), 基本上把皖北新元古界的時限限制在了8～10億年。其次是構造背景的爭議,目前仍有待進一步的研究, 如潘國強等(2000)強調本區處于板內環境, 李雙應等(2003)則認為皖北新元古代時期為弧后盆地, 而王清海等(2011)則認為本區新元古代為板內陸緣伸展環境。

新元古代時期巖漿記錄的不足和單一對理解該區大地構造演化造成了重要影響, 因此有必要進行其他方面的工作以解決上述爭議。安徽省宿州市東部發育有完整的新元古代沉積記錄, 是研究皖北地區新元古代大地構造演化的重要材料。同時, 考慮到碎屑沉積巖在區域大地構造演化研究中的重要意義, 本文在對該區新元古代史家組砂巖地球化學測試的基礎上, 結合李雙應等(2003)報道的淮南劉老碑組頁巖的地球化學特征, 利用地球化學手段對皖北地區新元古代兩個不同時期的兩組碎屑巖的物質來源和構造背景進行了探討, 以期為進一步深化認識華北板塊東南緣新元古代時期大地構造演化提供信息。

1 區域地質背景與樣品巖石學特征

研究區位于華北板塊東南緣, 區內地層以新元古代和古生代為主, 并遭受燕山期華北-揚子兩大板塊擠壓而形成一系列北東向延伸的褶皺。研究區以蚌埠隆起劃分為北部淮北-宿縣地層分區和淮南地層分區, 區內新元古代地層保留良好, 與本文研究有關的新元古代地層從老到新依次為五山組、劉老碑組、四十里長山組、賈園組、趙圩組、倪園組、九頂山組、張渠組、魏集組、史家組和望山組(安徽省地質礦產局, 1987)。其中新元古代碎屑巖地層在淮南分區以劉老碑組為代表, 而在淮北-宿縣分區以史家組為代表。前人在關于皖北地區新元古代地層對比的認識上存在差異, 如安徽省地質礦產局(1987)將史家組劃歸為上震旦統而沒有與劉老碑組進行對比, 但李雙應等(2003)更傾向于認為史家組和劉老碑組相當。

總體而言, 根據各組的巖性特征, 皖北地區新元古代地層從五山組直到望山組大體上可以劃分為兩個旋回: 五山組-魏集組以碎屑巖為主逐漸變化為碳酸鹽巖為主, 而史家組-望山組同樣具有由淺變深的特征。研究區內輝綠巖以巖床或巖脈的形式侵位于新元古代地層中, 被侵位地層包括賈園組、趙圩組、倪園組、九頂山組和望山組等(柳永清等, 2005;王清海等, 2011及圖1B)。其中侵位于趙圩組和倪園組的輝綠巖年齡為976～1038 Ma(柳永清等, 2005),而侵位于九頂山組的輝綠巖年齡約為 890 Ma(王清海等, 2011)。

皖北地區史家組僅限于在安徽省宿州市東北欄桿鄉黑峰嶺一帶出露, 該區魏集組、史家組及望山組為單斜地層, 賈園組、趙圩組及倪園組以逆沖推覆形式覆蓋在它們之上, 且史家組中部有寬約40 m的輝綠巖侵入(圖 1B)。其中史家組下部為淺灰白色夾紫紅色頁巖及粘土巖, 含泥質石英粉砂巖, 底部以白色風化粘土層與魏集組假整合接觸; 上部為淺黃灰色中厚層含海綠石石英砂巖及薄層條帶狀石英粉砂巖, 與望山組整合接觸。所采集樣品為黃綠色石英粉砂巖及石英砂巖, XRD分析顯示主要由石英和堿性長石(主要為鉀長石和微斜長石)組成, 副礦物包括黑、白云母和少量巖屑。此外, 大部分樣品具有一定程度的方解石膠結(地球化學組成中表現為高CaO含量)。由于史家組出露有限, 僅采集了7個樣品進行分析。

Pt3jy-賈園組; Pt3zw-趙圩組; Pt3ny-倪園組; Pt3jd-九頂山組; Pt3zq-張渠組; Pt3wj-魏集組; Pt3sj-史家組; Pt3ws-望山組; Pt3jsz-金山寨組; Pt3gh-溝后組Pt3jy-Jiayuan Formation; Pt3zw-Zhaowei Formation; Pt3ny-Niyuan Formation; Pt3jd-Jiudingshan Formation; Pt3zq-Zhangqu Formation; Pt3wj-Weiji Formation; Pt3sj-Shijia Formation; Pt3ws-Wangshan Formation; Pt3jsz-Jinshanzhai Formation; Pt3gh-Gouhou Formation

2 測試方法

樣品首先經切割表層和超純水清洗后, 用瑪瑙缽研磨至 200目, 然后送實驗室進行分析。主量元素采用 XRF(Axios-PW4400)進行分析, 并用標樣GSR-1和GSR-3進行監控, 測試精度優于5%。微量元素(含稀土元素)用 ICP-MS(Finnigan MATELEMENT)進行測試, 標樣為 OU-6、AMH-1和GBPG-1, 相對標準偏差在1%~5%之間。以上測試在中國科學院地球化學研究所礦床地球化學國家重點實驗室完成。

3 結果

史家組 7個砂巖分析樣品的主微量元素組成列于表 1。下文中劉老碑組頁巖數據引自李雙應等(2003), 同時引用了上地殼組成(UCC, McLennan, 2001)作為對比。

3.1 主量元素

與上地殼組成相比, 史家組砂巖具有明顯偏高的SiO2(75.83%~82.45%, 平均78.82%)和K2O含量(2.91%～5.07%, 平均 4.18%), 但Al2O3含量明顯偏低(4.70%～9.06%, 平均6.64%)(表1)。此外, 史家組砂巖具有相對上地殼偏低的 TiO2、Fe2O3、MnO、MgO、Na2O和P2O5含量(圖2A), 可能與石英的“稀釋”作用有關。

控制碎屑沉積巖主量元素組成的礦物(包括粘土礦物和造巖礦物)可以由 ICV指數((Fe2O3+K2O+ Na2O+CaO+MgO+MnO)/Al2O3)進行估計。一般高嶺石、伊利石和云母的 ICV值小于 1, 而造巖礦物如斜長石和鉀長石的ICV值大于1(Cox et al., 1995)。史家組砂巖的ICV值除1個樣品小于1外, 其他均大于1(平均1.68), 表明其主量元素組成主要由造巖礦物控制。此外, 史家組砂巖的 K2O/Al2O3為 0.64,表明史家組砂巖中大量長石的存在對巖石化學成分具有控制作用(Cox et al., 1995)。

3.2 微量元素

從圖2B可以看出, 史家組砂巖具有與上地殼相似的大離子親石元素(如Rb、Ba)組成, 但Sr含量明顯較上地殼偏低。Zr和Hf明顯高于上地殼組成, 并顯示出較高的Zr/Hf比值(平均40.2), 表明砂巖中含有大量的鋯石, 因為其 Zr/Hf值與鋯石相似(39, Murali et al., 1983)。此外, 過渡族元素如Sc、V和Co等明顯低于上地殼組成, 表明其中鎂鐵質礦物含量偏低。對于稀土元素而言, La、Ce、Sm、Eu、Yb及Lu均低于上地殼組成, 同部分主量元素一樣, 可能與石英的“稀釋”作用有關。

經上地殼標準化的稀土元素配分型式見圖2C。從圖中可以看出, 史家組砂巖總體表現出輕稀土虧損而重稀土富集的特征, 稀土總量低于上地殼。單純就元素比值而言, 史家組砂巖的 La/Yb及 La/Sm值分別為8.33和6.67, 其中La/Yb低于上地殼組成而La/Sm與上地殼相近。

表1 史家組砂巖主量元素(%)和微量元素(×10-6)組成Table 1 Major (%) and trace elements (×10-6) concentrations of Shijia Formation sandstone

圖2 上地殼標準化史家組砂巖和劉老碑組頁巖主量元素(A)、微量元素(B)和稀土元素(C)Fig.2 UCC normalized major(A), trace(B) and rare earth(C) elements of Shijia Formation sandstone and Liulaobei Formation shale

4 討論

4.1 碎屑物物源分析

在Roser等(1988)提出的判別圖解中, 史家組砂巖顯示其具有石英巖-沉積巖的物源, 而劉老碑組頁巖除一個樣品具有石英巖物源外, 其他樣品顯示中性-鎂鐵質火成巖的物源(圖 3A)。根據 Hayashi等(1997)提出 的(SiO2/20)-(Na2O+K2O)-(MgO+TiO2+ FeO*)判別圖解(FeO*=Fe2O3×0.9), 史家組砂巖位于流紋巖附近, 而劉老碑組頁巖則位于安山巖附近(圖3B)。

此外, Al2O3-(CaO+Na2O)-K2O(A-CN-K)圖解不僅可以被用于估算化學風化程度, 也可以被用于推斷碎屑沉積物的物源。化學風化指數CIA的計算公式 為 : CIA=100×Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O) (Nesbitt et al., 1982), 其中各氧化物均為摩爾值, CaO*特指硅酸鹽礦物中的CaO含量。在計算之前采用了McLennan(1993)提出的方法對CaO含量進行校正(CaO*= CaO-10/3×P2O5)。如果CaO*小于Na2O的摩爾數, 采用CaO*作為硅酸鹽礦物的CaO含量, 反之則采用Na2O作為硅酸鹽礦物的CaO含量。從校正后的A-CN-K圖(圖4)可以看出, 史家組砂巖可能來自于鉀長石含量偏高的酸性物源且經歷了較低程度的風化, 而劉老碑組頁巖則可能是斜長石偏高的中性-基性源區經高程度風化的產物。

圖4 史家組砂巖及劉老碑組頁巖A-CN-K圖解Fig.4 A-CN-K diagram of the Shijia Formation sandstone and Liulaobei Formation shale

部分元素(如 Th、Zr、Hf、Sc、V、Co和稀土元素)對碎屑沉積物源區具有良好的指示意義(Bhatia, 1985)。鎂鐵質會導致碎屑沉積物中 Sc、V和Co等元素的升高, 而長英質則會引起La、Zr和Th等元素的增加。從表1及圖2可以發現, 史家組砂巖與上地殼相比具有明顯偏低的Sc、V和Co含量, 但極其富集的Zr和僅少量虧損的La和Th表明其物源更可能是長英質的。與史家組砂巖不同, 劉老碑組頁巖具有接近上地殼的上述元素組成, 而 Sc甚至高于上地殼組成, 表明劉老碑組頁巖的物源具有相對上地殼偏高的鎂鐵質物源貢獻。

此外, 史家組砂巖的Co/Th (0.45)明顯低于上地殼 的 值 (1.59), 而 Zr/Hf(40.2)、 Th/Sc(1.81)和La/Sc(3.63)則高于上地殼組成(32.8、0.8和 2.2), 表明其物源鎂鐵質貢獻很低, 而主要來自于酸性的源區。但對于劉老碑組頁巖而言, 其 Co/Th(1.56)、Zr/Hf(34.3)、Th/Sc(0.70)和La/Sc(2.31)均接近上地殼組成, 表明其物源和上地殼類似, 且具有較史家組砂巖偏高的鎂鐵質物源貢獻。

根據Condie(1989)提出的Th-Hf-Co物源判別圖解(圖 5A), 史家組砂巖位于板內石英巖及長石砂巖區, 而劉老碑組頁巖則位于頁巖和島弧雜砂巖區,表明二者的物源存在區別, 前者更可能具有穩定板內環境下的物源, 而后者則更可能與活動性質的物源有關。進一步而言, 在 Hf-La/Th判別圖解中(圖 5B), 史家組砂巖具有明顯高于劉老碑組頁巖的Hf含量, 暗示其被動大陸邊緣物質增加, 而劉老碑組頁巖具有長英質島弧的物源。

圖5 Th-Hf-Co(據Condie, 1989) (A)及Hf-La/Th物源判別圖解(B) (據Floyd et al., 1987)Fig.5 Th-Hf-Co (A) (after Condie, 1989) and Hf-La/Th provenance discrimination diagram (B) (after Floyd et al., 1987)

總之, 從主量和微量元素可以看出, 史家組砂巖和劉老碑組頁巖應該具有不同的物源, 前者以板內穩定物源為主, 而后者可能以島弧長英質物源為主。此外, 由于沉積巖物源的地球化學特征可能因為再循環受到改變, 在 Al2O3-Zr-TiO2圖解中(圖 6),史家組砂巖具有明顯Zr富集的趨勢, 表明其物源與再循環有關, 間接證實了史家組砂巖來自于穩定古老物質的觀點, 而劉老碑組頁巖則無這一趨勢, 說明它們可能是火成巖首次風化后沉積的產物。

圖6 10×Al2O3-Zr-200×TiO2三角圖Fig.6 Triangle diagram of 10×Al2O3-Zr-200×TiO2

圖7 SiO2-(K2O/Na2O)構造背景判別圖解(據Roser et al., 1988)Fig.7 SiO2-(K2O/Na2O) tectonic discrimination diagram(after Roser et al., 1988)

4.2 構造背景的確定與轉變

研究表明, 碎屑沉積巖地球化學特征在很大程度上受到其所處構造背景的控制, 因此不同構造背景下形成的碎屑巖具有不同的地球化學特征(Bhatia, 1985; Roser et al., 1988)。根據Roser等(1988)提出的K2O/Na2O-SiO2判別圖解, 史家組砂巖和劉老碑組頁巖絕大多數投點于被動大陸邊緣。但這一結果是值得懷疑的, 因為從圖 4中可以發現, 劉老碑組頁巖投點近平行于A-K邊分布, 因此它們可能受到了明顯后期鉀交代的影響, 導致K2O含量及K2O/Na2O的增加, 從而使得在判別圖上出現誤判。因此, 進一步使用 Bhatia(1983)提出的(Fe2O3+MgO)-TiO2及(Fe2O3+MgO)-Al2O3/SiO2判別圖進行識別(圖 8), 史家組砂巖以低的(Fe2O3+MgO)、TiO2含量及Al2O3/SiO2而位于被動大陸邊緣, 而劉老碑組頁巖則位于大陸島弧和大洋島弧之間。此外, 在微量元素La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10判別圖解上(圖9, Bhatia et al., 1986)也得到了相似的結論。

圖8 (Fe2O3+MgO)-TiO2(A)及(Fe2O3+MgO)-Al2O3/SiO2構造背景判別圖(B) (據Bhatia, 1983)Fig.8 (Fe2O3+MgO)-TiO2(A) and (Fe2O3+MgO)-Al2O3/SiO2tectonic discrimination diagram (B) (after Bhatia, 1983)

圖9 La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10構造背景判別圖解(據Bhatia et al., 1986)Fig.9 La-Th-Sc and Th-Sc-Zr/10 tectonic discrimination diagram (after Bhatia et al., 1986)

由于碎屑沉積物地球化學特征的繼承性, 在識別碎屑巖構造背景上可能存在一些問題, 其中最為典型的是該構造背景反映的是物源區的構造背景還是沉積時的構造背景(李雙應等, 2004)。但從上述物源分析和構造背景判別可以看出, 劉老碑組和史家組碎屑巖在物源供給上存在差別是可以肯定的。結合我們曾報道的賈園組(孫林華等, 2010)的情況來看,賈園組混積巖中陸源碎屑的特征與劉老碑組的類似(均顯示出島弧的特征), 因此我們認同安徽省地質礦產局(1987)的觀點, 即劉老碑組和史家組并不對應, 前者應屬于賈園組更下部層位的地層。

巖相古地理研究表明, 皖北地區前寒武紀構造格局以現今東西向為主(安徽省地質礦產局, 1987)。也就是說, 能夠對宿州地區供給碎屑物源的可能主要來自于北部和南部, 北部為華北板塊腹地, 而南部則為華北板塊南緣(可能是淮陽古陸?)。北部華北板塊腹地具有古老的結晶基底, 從而能夠有效地為皖北地區提供具有再循環性質的、長英質的且具有板內性質的古老物源(如史家組物源), 而華北板塊南緣存在的中-新元古代安山巖的風化可以為劉老碑組提供物源(李雙應等, 2003), 這一推斷與碎屑巖地球化學特征反映的相一致(圖3、5和6)。由于物源供給存在差異, 皖北地區在劉老碑組和史家組沉積時期的構造背景也應該是存在差異的: 劉老碑組時期為南部供給, 因此華北板塊東南緣應該是南高北低, 到史家組時期則轉為北高南低。

如前所述, 關于皖北地區新元古代構造演化存在很大的爭議。從皖北新元古代的基本沉積特征(安徽省地質礦產局, 1987)來看, 從五山組、劉老碑組一直到魏集組屬于華北板塊東南緣新元古代第一次伸展期, 而史家組到望山組則對應于第二次伸展。由于近年來報道的年代學數據逐漸表明皖北新元古代沉積時限在 800~1000 Ma之間(柳永清等, 2005; 王清海等, 2011), 而史家組年齡大致為820~846 Ma(安徽省地質礦產局, 1987; 孫林華等, 2010)。同時, 考慮到史家組及其下部魏集組之間假整合的事實(白色風化粘土層, 見前文), 并結合Rodinia超大陸的相關進展(Li et al., 2008)可以推斷,皖北地區新元古代第一次伸展應該對應于 Rodinia超大陸的匯聚期(>0.8 Ga), 而第二次伸展對應于Rodinia超大陸的裂解期(<0.8 Ga)。這與劉老碑組頁巖可能處于弧后盆地而史家組砂巖產于被動大陸邊緣或者板內的認識是一致的(李雙應等, 2003及本文數據)。

5 結論

通過對安徽省北部宿州新元古代史家組砂巖的地球化學分析, 結合前人發表的淮南新元古代劉老碑組頁巖的地球化學數據及皖北新元古代相關研究進展, 取得了如下認識:

(1)皖北新元古代史家組砂巖源于經歷過再循環的古老地殼物質較低程度的風化, 而劉老碑組頁巖則來自于中-酸性火成巖的首次高程度風化;

(2)史家組砂巖形成于相對穩定的構造背景, 可能是被動大陸邊緣或板內環境, 而劉老碑組頁巖形成于活動的構造背景, 可能是弧后盆地或大陸島弧;

(3)皖北新元古代時期經歷了構造背景從活動向穩定的轉變, 從而保留了對應于Rodinia超大陸匯聚和裂解的沉積學證據。史家組之前的沉積對應于Rodinia超大陸的匯聚而史家組-望山組期間的伸展則可能與Rodinia超大陸的裂解相對應。

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Transition of Neoproterozoic Tectonic Background in Northern Anhui Province: Evidence from Geochemistry of Clastic Rocks

SUN Lin-hua, GUI He-rong
School of Earth Science and Engineering, Suzhou University, Suzhou, Anhui 234000

Based on a geochemical analysis of sandstones of Neoproterozoic Shijia Formation in Suzhou of northern Anhui Province, in combination with previously published geochemical data of shales of Neoproterozoic Liulaobei Formation, the authors made a comparatively study of the provenance and tectonic setting of these two suites of clastic rocks.The results indicate that the shales of Liulaobei Formation might have originated from the first cycle of intermediate-felsic volcanic rocks with intense weathering, whereas sandstones of Shijia Formation were probably generated by low-intense weathering of the recycled old crust material.The shales of Liulaobei Formation are characterized by high (MgO+Fe2O3) and TiO2content and Al2O3/SiO2ratios relative to the sandstones of Shijia Formation.These data, together with La-Th-Sc and Th-Sc-Zr/10 discrimination diagrams, imply that they were deposited in different settings, i.e., the former was deposited in a continental island arc (probably back-arc basin), whereas the latter was in a passive continental margin or intra-plate environment.In combination with previous studies of the Neoproterozoic evolution in northern Anhui Province, these results demonstrate that the tectonic background of the southeast margin of North China Craton underwent transition from active to passive during Neoproterozoic.

geochemistry; clastic rock; Neoproterozoic; tectonic setting; northern Anhui Province

P595; P588.21; P542.4

A

10.3975/cagsb.2011.05.02

本文由安徽省高校優秀青年人才基金(編號: 2010SQRL190)和宿州學院科研平臺項目(編號: 2010YKF30)聯合資助。

2011-07-19; 改回日期: 2011-08-30。責任編輯: 魏樂軍。

孫林華, 男, 1981 年生。博士, 講師。主要從事巖石地球化學的研究與教學工作。通訊地址: 234000, 安徽省宿州市汴河路71號。電話: 0557-2871038。E-mail: sunlinh@hotmail.com。