魯西隱伏含鐵巖系——前寒武紀濟寧巖群地球化學特征及沉積環境

宋明春，焦秀美，宋英昕，李培遠，萬國普

(1.山東省地質礦產勘查開發局，山東 濟南250013;2.成都理工大學 地球科學學院，四川 成都610059;3.山東省物化探勘查院，山東 濟南250013)

魯西隱伏含鐵巖系
——前寒武紀濟寧巖群地球化學特征及沉積環境

宋明春1，焦秀美1，宋英昕2，李培遠3，萬國普3

(1.山東省地質礦產勘查開發局，山東 濟南250013;2.成都理工大學 地球科學學院，四川 成都610059;3.山東省物化探勘查院，山東 濟南250013)

濟寧巖群是分布于山東省魯西南地區的隱伏淺變質地層，埋深大于900 m，由變火山碎屑巖組、含鐵巖組和千枚巖組組成，是一套海相火山－沉積巖系。巖石中SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O等親陸元素含量高，巖石化學的成熟度指數不高，反映其源巖是魯西TTG巖系;m值(4.75～31.86)和MnO/TiO2(0.05～0.2)值低，指示了海陸過渡性近岸淺海陸架沉積環境。富集輕稀土、重稀土平坦、銪異常不明顯;微量元素K、Rb、Ba富集，貧Nb、Ti和P、Cr。Sr/Ba值(主要為0.16～0.77)小，指示沉積時的鹽度較低;V/(V+Ni)值較高(＞0.46)，形成于還原環境。巖石的δ13CV－PDB=－4.7‰～－15‰，δ18OV－PDB=－12.1‰～－18.8‰，δ30SiNBS－28=－0.8‰～－1.2‰，數值較低，顯示了熱水沉積特征。濟寧巖群是受華北克拉通1.8 Ga大陸裂解事件影響形成的裂谷型熱水沉積。

濟寧巖群;地球化學;沉積環境;熱水沉積

0 引 言

濟寧巖群分布于山東省魯西南地區，大地構造位置處于華北板塊東部魯西隆起區的濟寧坳陷。由于濟寧巖群僅見于地表900 m深度以下，是一套完全隱伏地層，因此其研究程度較低。1970年，山東省地質局807隊在進行磁異常驗證時，發現了這套以千枚巖為標志的淺變質地層。20世紀80年代初，李評、亓潤章等對其地層劃分、形成時代進行了研究，90年代山東地礦局對其地層劃分進行了重新厘定(轉引自宋志勇等，1994;張增奇和劉明渭，1996)。

2006年以來，山東省物化探勘查院對濟寧顏店地區進行了磁異常驗證和鐵礦勘查，最深鉆孔深度達2086 m，獲取了大量濟寧巖群巖心，為重新認識濟寧巖群和開展相關研究提供了有利條件。目前，已控制濟寧巖群中鐵礦資源量18億噸以上，是國內罕見的超大型鐵礦床。筆者等已對鐵礦特征進行過初步研究(宋明春等，2008;韓玉珍等，2008;李培遠等，2010)。及時開展含鐵巖系的基礎地質研究，對于研究區域地質演化、分析鐵礦成因、指導進一步勘查具有重要意義。

1 地質背景

濟寧坳陷為新生代坳陷，位于華北平原南部。研究區附近除個別地區出露寒武系－奧陶系外，大部分地段被第四系覆蓋，第四系最大厚度近150 m。第四系下伏地層有:新太古界、中元古界、寒武系、奧陶系、石炭系－二疊系、侏羅系、白堊系和古近系(圖1)。隱伏斷裂按走向大致可分為兩組，主要的一組為近SN-NW走向，另一組為近EW-NE走向。

圖1 濟寧地區地質圖(據宋明春等，2008修編)Fig.1 Geological map of the Jining area

2 濟寧巖群含鐵巖系

濟寧巖群在山東省境內未見露頭，為全隱伏地層。在研究區內，濟寧巖群之上主要被寒武系、奧陶系和第四系覆蓋，上覆地層厚度大于900 m。濟寧巖群的主要巖性有:(綠泥)絹云千枚巖、碳質(綠泥)絹云千枚巖、方解絹云千枚巖、絹云凝灰質千枚巖、方解磁鐵石英巖、微晶大理巖、千枚狀變泥砂巖。主要變質礦物組合為絹云母+綠泥石+(石英)+(鈉長石)+(方解石)+磁鐵礦，變質程度屬低綠片巖相。

根據巖石組合特點，將濟寧巖群劃分為三部分(張成基等，2010):下部為變火山碎屑巖組，以出現變火山碎屑巖(圖2、圖3)和粒度相對粗的碎屑巖為特點，主要由絹云凝灰質千枚巖、方解絹云千枚巖、方解磁鐵石英巖和千枚狀變質泥砂巖(圖4)組成;中部為含鐵巖組，以出現含鐵石英巖和碳酸鹽巖為特點，主要由方解絹云千枚巖、方解磁鐵石英巖、微晶大理巖組成;上部為千枚巖組(圖5)，以細碎屑巖和普遍含綠泥石、赤鐵礦為特點，主要有綠泥絹云千枚巖、絹云千枚巖、含鐵(磁鐵礦、赤鐵礦)絹云千枚巖、含碳綠泥絹云千枚巖組成。顯微觀察發現，濟寧巖群碎屑巖系多數具變余凝灰結構(圖3)，部分具變余砂狀結構(圖4)，指示濟寧巖群形成于強烈的火山活動背景，為一套海相火山－沉積巖系。

鐵礦體賦存于濟寧巖群中部的含鐵巖組中，礦石類型主要有條帶狀方解磁鐵石英巖和磁鐵千枚巖，礦體圍巖和夾石有(含磁鐵)綠泥絹云千枚巖、方解絹云千枚巖、微晶大理巖、凝灰質千枚巖。礦石礦物主要為磁鐵礦、磁赤鐵礦、菱鐵礦，少量黃銅礦;脈石礦物有絹云母、綠泥石、石英、方解石。顏店礦區礦石平均品位:全鐵(TFe)28.99%，其中磁性鐵(mFe)21.51%、氧化鐵(OFe)4.50%、碳酸鐵(CFe)2.57%、硅酸鐵 (SiFe)0.32%、硫化鐵 (SFe)0.09%。礦石中有害組分含量低，S含量0.04%～0.46%，P 含量0.01%～0.05%。

圖2 變火山碎屑巖Fig.2 Photo of the meta-pyroclastic rock

圖3 變火山碎屑巖的變余凝灰結構Fig.3 Photo of the palimpsest tuffaceous texture in meta-pyroclastic rock

圖4 千枚狀變質泥砂巖的變余砂狀結構Fig.4 Photo of the blastopsammitic texture in the meta-argillaceous sandstone

圖5 千枚巖Fig.5 Photo of the phyllite

3 地球化學特征及其指示的沉積環境

3.1 主量元素

巖石化學成分分析結果(表1)顯示，主量元素含量變化大，SiO2為37.25%～73.18%，TiO2為0.05%～0.76%，Al2O3為 1.33%～19.84%，Fe2O3+FeO 為 2.28%～45.55%，MgO 為0.6%～5.54%，CaO 為0.39%～4.86%，Na2O 為 0.14%～2.95%，K2O 為0.04%～5.20%(宋明春等，2009)。分析結果中CO2和燒失量較高的原因是，巖石中含有較多碳酸鹽礦物(方解石)。不同巖石類型比較而言，泥質變質巖硅含量較低，鋁、鎂、鉀含量較高;砂質變質巖硅、鈉含量較高，鋁、鐵(Fe2O3)含量較低;變火山巖鎂、鉀含量較高，鈣、鈉較低;碳酸鹽巖硅、鋁、鈣、鈉、鉀含量明顯偏低，鐵和CO2含量顯著偏高。巖石中SiO2含量高，反映硅的來源相當豐富，可能與火山活動有關。火山活動不僅可以從地殼深部帶出大量含SiO2的火山灰、直接進入盆地的火山熱液以及形成作為物源區的富含SiO2的酸性火山巖和火山碎屑巖，而且火山活動帶來的熱量還可使海水的溫度升高，提高對硅的溶解度(楊振宇等，2009)。

濟寧巖群變質碎屑巖中(除碳酸鹽含量高的Jb4-1、Jb5 號樣品外)Al2O3、Fe2O3、K2O 等親陸元素

含量高，分別為 14.75%～19.84%、0.84%～3.23%、2.51%～5.2%，巖石化學的成熟度指數Al2O3/(K2O+Na2O)不高，為2.32～3.69，說明沉積物離物源區不遠。親陸元素含量與魯西變質基底主要巖石單元——太古宙TTG質花崗片麻巖中的元素含量接近，但K2O含量多較高，Na2O含量明顯低于TTG巖系，H2O和CO2含量高于TTG巖系。沉積巖的組成物質主要來源于遭受風化的母巖，兩者的化學成分特征既相似又有一定的差異。這種差異主要表現在沉積巖相對于母巖Fe2O3、K2O的增高和Na2O等的降低，以及H2O和CO2的增高(邱家驤和林景仟，1991)。濟寧巖群沉積巖化學成分相對于魯西TTG質花崗片麻巖符合這一特征，說明魯西TTG巖系應是濟寧巖群碎屑巖的主要源巖。

表1 濟寧巖群樣品的全巖主量元素(%)、微量元素和稀土元素(μg/g)化學分析結果Table 1 The major(%)，trace and rare earth elements(μg/g)concentrations of the rocks from the Jining Group

鎂鋁比值［m=(100×MgO/Al2O3)］是沉積環境的有效判別標志之一。隨著水體鹽度增大，m值逐漸增加:淡水環境m＜1，海陸過渡性沉積環境m為1～10，海水沉積環境(水體鹽度 ＞30.63%)m為10～500，陸表海環境(或潟湖沉積環境)m＞500(邱家驤和林景仟，1991)。濟寧巖群除Jb4-1號樣品m=149.62，Jb6、Jb9 號樣品m分別為4.75、5.49外，其余樣品m介于16.48～31.86，即多數樣品m位于海水環境范疇，少量樣品位于海陸過渡性沉積環境。

MnO/TiO2可用于判斷沉積環境，在海溝至深海范圍內，該比值大于0.5;在陸架和陸坡范圍內，小于0.5;在近岸淺海陸架內，小于0.2(Sugisaki et al.，1982)。濟寧巖群主要巖石的MnO/TiO2值甚小，為0.05～0.2，指示其原始沉積可能是近岸淺海陸架產物。

3.2 稀土元素和微量元素

稀土配分曲線向右傾斜(圖6a)，顯示出富集輕稀土、重稀土平坦、銪異常不明顯的特點(碳酸鹽巖稀土含量低，具正銪異常)，與對比巖石——澳大利亞后太古沉積巖和大陸上地殼巖石稀土元素型式類似(宋明春等，2009)。

微量元素含量方面，大離子親石元素K、Rb、Ba富集，高場強元素Nb、Ti較貧，P、Cr含量也較低。在相對于洋中脊玄武巖標準化的蛛網圖上(圖6b)，Sr、Nb、P、Ti、Cr值顯示為“V”型谷，暗示斜長石、磷灰石、鈦鐵礦含量少;Rb、Ce值呈尖峰狀，說明絹云母、榍石含量較高(宋明春等，2009)。

Sr、Ba對于不同沉積環境及其變化具有不同的地球化學行為，而且他們的豐度與巖性密切相關。Sr在泥質巖和碳酸鹽巖中含量較高，而Ba在陸源沉積巖中含量較高，在海相灰巖中含量較低(鄧宏文和錢凱，1993)。這兩種元素的地球化學特征，可以推斷古鹽度和古水溫的變化，分析離岸距離及古水深，判斷海平面的相對升降(李振清等，2001)。

Sr、Ba的化學性質相近，但Sr的遷移能力大于Ba，可遷移至大洋深處，而Ba多在近岸沉積物中富集，僅有少量進入深海。因此，Sr/Ba值常作為區分淡水和咸水的標志。當Sr/Ba＞1時，反映海相環境;當Sr/Ba＜1時，反映陸相環境(鄧宏文和錢凱，1993)。

圖6 濟寧巖群巖石的稀土配分曲線(a)和微量元素N-MORB標準化型式(b)(據宋明春等，2009)Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns and N-MORB normalized trace elements spider diagrams for the metamorphic rocks from the Jining Group

采自濟寧巖群沉積巖的8件樣品(表1)，其Sr/Ba值除Jb4-1微晶大理巖大于1外，其余樣品比值均小于1，指示沉積時的鹽度較低。Sr/Ba值在鉆孔垂直方向上呈現淺部和深部低、中部高的特點，說明濟寧巖群中部鹽度高，離岸較遠、水的深度較大。在Ba-Sr圖解中(圖7)，樣品主要投點于淡水區和半咸水區。說明濟寧巖群處于淡水向半咸水過渡的沉積環境。

根據V/(V+Ni)值可以判斷沉積環境(Hatch and Leventhal，1992;Jones and Manning，1994):V/(V+Ni)≥0.46指示還原環境，而 V/(V+Ni)≤0.46代表氧化環境。濟寧巖群樣品的V/(V+Ni)值為0.69～0.92，明顯高于0.46，指示它們是在還原環境中形成的。

圖7 濟寧巖群沉積巖樣品Ba-Sr圖解Fig.7 Ba-Sr diagram for the rocks from the Jining Group

3.3 穩定同位素

3.3.1 碳－氧同位素

碳同位素組成隨碳質來源可以有較大的變化范圍，來自火山成因的δ13CPDB=－3.1‰～－15‰，深部地幔來源的δ13CPDB=－4‰～－10‰，海底熱泉δ13CPDB=－4‰～－10‰(孫省利和曾允孚，2002)，沉積碳酸鹽巖來源的δ13C值在0左右，沉積巖、變質巖與火成巖中的有機碳(還原碳)的δ13C值在－25‰左右(韓吟文和馬振東，2004)。濟寧巖群巖石的 δ13CV-PDB=－4.7‰～－15‰(表2)，接近于火山成因碳同位素值，指示沉積物中的火山物質較多。研究認為，開放環境比封閉環境的δ13C要高，還原性(封閉型)越高，δ13C值越低(李振清等，2001)，濟寧巖群低的δ13C值反映其形成時處于還原性較強的環境。

濟寧巖群氧同位素 δ18OV-PDB值為－18.8‰～－12.1‰(表2)。碳、氧同位素值明顯低于薊縣中、新元古代碳酸巖的碳、氧同位素值(δ13CPDB=－3.53‰～1.08‰，δ18OPDB=－ 9.13‰～－ 4.49‰)(趙震，1995)，也低于山東淄博上寒武統的碳、氧同位素值(δ13CPDB=－0.07‰～0.13‰，δ18OPDB=－9.05‰～－8.51‰)(李振清等，2001)。可見，濟寧巖群碳、氧同位素值與正常海相碳酸鹽巖明顯不同，其中氧同位素值接近于甘肅西成(西和縣、成縣、徽縣一帶)礦化集中區(δ18OPDB=－20.2‰～－2‰)(孫省利和曾允孚，2002)和粵北大寶山(δ18OPDB=－24.91‰～－14.29‰)(楊震強，1997)熱水沉積碳酸鹽巖氧同位素值;碳同位素值接近和低于粵北大寶山熱水沉積碳酸鹽巖碳同位素值(δ13CPDB=－6.64‰～0.86‰)(楊震強，1997)。在δ18O-δ13C關系圖解中(圖8a)，濟寧巖群巖石投點于洋中脊熱液和密西西比河谷型礦床熱液之間。這些特征說明濟寧巖群具有熱水沉積的特點。

表2 濟寧巖群樣品的碳、氧、硅同位素組成(‰)Table 2 C，O，Si isotope data(‰)for the rocks from the Jining Group

3.3.2 硅同位素

硅同位素 δ30SiNBS-28值為－1.2‰～－0.8‰(表2)，均為負值，與各類沉積巖的硅同位素組成(δ30Si=－1.2‰～－0.2‰)(丁悌平等，1994)相近，位于黑煙囪硅質沉積硅同位素范圍的高值端(圖8b)。對遼寧鞍本地區弓長嶺太古宙條帶狀硅鐵建造的硅同位素研究表明，上、下含鐵帶的δ30Si值為－2.2‰ ～－0.9‰，認為弓長嶺BIF是在太古宙海盆中的熱水沉積環境中化學沉淀的產物，硅質來源于噴于海底的經過對流循環的熱水溶液(蔣少涌等，1992)。本區硅同位素值與弓長嶺礦區上含鐵帶 δ30Si值(－1.3‰～－0.9‰)一致，也說明濟寧巖群具有熱水沉積特點。

圖8 不同環境碳酸鹽組成的δ18O-δ13C圖解(a)和硅同位素對比圖(b)Fig.8 (a)δ18O vs δ13C plot for the carbonates and(b)Si isotope values for rocks from the Jining Group

4 討論和結論

魯西濟寧巖群是埋藏于地表900 m以下，伏于寒武系之下的隱伏淺變質火山－沉積巖系。巖石組合自下而上分為變火山碎屑巖組、含鐵巖組和千枚巖組三部分。主量元素和微量元素地球化學特征指示，濟寧巖群形成于淡水向半咸水過渡的還原環境。其較低的碳、氧、硅同位素值，與各地的熱水沉積相似。濟寧巖群中火山碎屑巖大量發育，指示其形成于強烈的火山活動背景，是一套海底噴發火山－沉積巖系。大規模的火山活動應是造成水溫升高和還原環境的主要原因。

以往同位素年齡研究，測試的濟寧巖群同位素年齡為1709.5 Ma(變質火山巖全巖K-Ar)和1753 Ma(千枚巖Rb-Sr全巖等時線);古生物研究發現少量超微體古植物化石——光面球藻、厚緣小球藻及瘤面球藻等，認為可與北方長城系中微古植物對比(張增奇和劉明渭，1996;亓潤章，1984;宋明春等，2009)。最近，測出了(2.61 ±0.01)Ga和(2.56 ±0.01)Ga的鋯石SHRIMP年齡(王偉等，2010)。本次工作，微古分析所獲化石仍然以簡單的球形疑源類為主，一些樣品出現最早見于俄羅斯地臺下里菲(中元古代至新元古代早期)的薄膜光面球藻和微小光面球藻，以及通常見于中元古代至新元古代早期的原始連球藻。綜合考慮濟寧巖群淺變質特征、區域對比和微古植物化石特征，筆者認為濟寧巖群的形成時代應確定為中元古代(宋明春等，2009)。

濟寧巖群的形成時代與華北克拉通南緣的熊耳群相當，后者被認為是一套陸緣裂谷火山－沉積建造(吳利仁和徐貴忠，1998)。濟寧巖群顯示了與熊耳群類似的大地構造背景特征，不同于現代活動大陸邊緣鈣堿性火山弧。

翟明國和卞愛國(2000)研究指出，在全球中元古代晚期的Grenville造山事件形成Rodinia超大陸和800～600 Ma的Rodinia大陸再裂解之前，華北克拉通曾有過2.5 Ga大陸拼合和1.8 Ga大陸裂解事件。非造山型巖漿作用(包括花崗巖、基性巖墻群和裂谷型火山－深成巖組合)是1.8 Ga地質事件的重要特征(翟明國和卞愛國，2000;胡俊良等，2007)。魯西地區發育的中元古代基性巖墻群(宋明春等，2009)，也被認為是裂解或伸展作用的產物(王岳軍等，2007)。筆者認為，濟寧巖群是與魯西基性巖墻群形成于同一大地構造背景的1.8 Ga大陸裂解事件產物，是裂谷型沉積。這一認識與其地球化學特征相吻合。中元古代時，魯西地區地幔柱活動強烈，巖漿活動頻繁，地熱梯度高，因此形成熱水沉積。華北克拉通中元古代兩個主要的裂谷型火山－巖漿巖帶是中條－熊耳－安溝和妙香山－承德－薊縣(翟明國和卞愛國，2000)，魯西裂谷可能是介于上述南、北兩個裂谷之間的另一個新發現的裂谷。魯西地區在經歷了新太古代末華北克拉通微陸塊拼合的強烈構造巖漿活動(主要標志是形成大量2.5 Ga左右的花崗巖類侵入巖)后，于1.8 Ga左右發生了裂解，火山活動強烈，形成濟寧裂谷型熱水沉積。

致謝:非常感謝審稿專家提出的寶貴意見和建議，感謝呂古賢研究員建議作者撰寫本文并提出了建設性意見，感謝胡弘博士幫助翻譯了英文摘要。

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Geochemical Characteristics and Sedimentary Environment of Precambrian Jining Group in Western Shandong Province

SONG Mingchun1，JIAO Xiumei1，SONG Yingxin2，LI Peiyuan3and WAN Guopu3
(1.Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Jinan250013，Shandong，China;2.College of Earth Sciences，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，Sichuan，China;3.Shandong Provincial A-cademy of Geophysical and Geochemical Prospecting，Jinan250013，Shandong，China)

The Jining Group is a set of hidden low-grade metamorphic marine volcano-sedimentary strata distributed in southwestern Shandong Province buried under more than 900 m.This paper studies the lithological and geochemical characteristics and formation environment based on study of the drilling cores.The research is of importance for discussing regional tectonic evolution，analyzing the origin of iron deposit and guiding further exploration.The Jining Group is mainly composed of sericite phyllite，chlorite sericite phyllite，calcite sericite phyllite，tuffaceous quartz sericite phyllite，calcite magnetite quartzite，crystallite marble and phyllitic metamorphic argilliferous sandstone.From the bottom to the top it can be divided into meta-pyroclastic formation，iron-bearing formation and phyllite formation.The high SiO2contents(37.25%～73.18%)of the rocks reflect a source rich in silicon.High contents of terrestrial components(Al2O3=14.75%～19.84%，Fe2O3=0.84%～3.23%，K2O=2.51%～5.2%)and low chemical petrologic maturity index［Al2O3/(K2O+Na2O)=2.32～3.69］of the rocks indicate that its source rocks are the TTG rocks in the western area of Shandong Province.The lowm［m=(100×MgO/Al2O3)］values(4.75～31.86)and MnO/TiO2values(0.05～0.2)of the rocks show a transitional off-shore neritic shelf sedimentary environment.The rocks are relatively enriched in LREE with minor or nil Eu anomalies.The rocks are enriched in large ion lithophile elements like K，Rb and Ba and depleted in high field strength elements such as Nb，Ti and P，Cr.Low Sr/Ba values(0.16～0.77 mainly)of the rocks suggest a low salinity environment of sedimentation.High V/(V+Ni)(＞0.46)values of the rocks hint a reducing environment.The lower C and O isotope values of the rocks(δ13CV-PDB=－4.7‰ ～－15‰，δ18OV-PDB=－12.1‰～－18.8 ‰，δ30SiNBS-28=－0.8‰～－1.2‰)are obviously different from those of the normal marine carbonate，indicating a hydrothermal origin.The Jining Group was formed in hydrothermal basin caused by the North China craton rifting ca.1.8 Ga ago.

Jining Group;geochemistry;sedimentary environment;hydrothermal sedimentation

P595

A

1001-1552(2011)04-0543-009

2010－08－01;改回日期:2011－05－27

項目資助:山東省地質礦產勘查開發局科研項目(批準文號:魯地字［2007］25號)資金資助。

宋明春(1963－)，男，博士，研究員，主要從事礦產勘查、區域地質調查和相關研究。Email:mingchuns@163.com