大興安嶺北段泥盆紀(jì)大民山組硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境

張渝金，吳新偉，楊雅軍，江斌，郭威，張超

1.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心（沈陽地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），遼寧沈陽110034；2.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林長春130061

大興安嶺北段泥盆紀(jì)大民山組硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境

張渝金1，2，吳新偉1，2，楊雅軍1，江斌1，2，郭威1，2，張超1

1.中國地質(zhì)調(diào)查局沈陽地質(zhì)調(diào)查中心（沈陽地質(zhì)礦產(chǎn)研究所），遼寧沈陽110034；2.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，吉林長春130061

大興安嶺北段泥盆紀(jì)大民山組硅質(zhì)巖與硅質(zhì)泥巖共生出現(xiàn)，硅質(zhì)泥巖中產(chǎn)豐富海相化石.硅質(zhì)巖Al/（Al+Fe+Mn）值在0.60～0.71之間，平均值0.65.在Al-Fe-Mn三角圖上，樣品均落入非熱水成因區(qū).MnO/TiO2比值在0.07～0.34，平均值為0.18.m值在13.87～47.15之間，平均值為23.90.CaO/（Fe+CaO）值在0.65～0.98之間，平均值為0.78.ΣREE較低，平均62.77×10-6，LREE/HREE平均值為6.67，相對富集輕稀土，具有輕度的Ce正異常（δCe 1.08～1.30，平均值1.16）.結(jié)合硅質(zhì)巖沉積環(huán)境判別圖解，一致表明大民山組硅質(zhì)巖形成于離大陸較近的大陸坡或邊緣海的高鹽度海水環(huán)境.

硅質(zhì)巖；大民山組；地球化學(xué)特征；沉積環(huán)境；大興安嶺北段

0 前言

大興安嶺地區(qū)屬于中亞造山帶的東段，古亞洲洋在該地區(qū)的閉合經(jīng)歷了多地塊的拼貼過程.大量由俯沖作用形成的增生雜巖、巖漿弧及夾雜其中的微陸塊、海底高原和洋島等構(gòu)造單元構(gòu)成了現(xiàn)今中亞造山帶復(fù)雜的構(gòu)造格局［1］.不同的構(gòu)造演化模型對晚古生代海相沉積地層形成的構(gòu)造背景存在不同解釋，一種觀點認(rèn)為它們屬于活動陸緣沉積［2-3］，另一種觀點認(rèn)為它們屬于陸內(nèi)裂陷槽或佳蒙地塊大陸邊緣沉積［4-9］.大興安嶺北段晚古生代海相地層中硅質(zhì)巖比較發(fā)育，基于硅質(zhì)巖本身具有相對單一結(jié)構(gòu)構(gòu)造、硬度高、抗風(fēng)化能力強等特點，保存了大量的地球化學(xué)“指紋”信息.因此其不僅可作為找礦的重要標(biāo)志［10］，還能提供關(guān)于沉積盆地的古環(huán)境、古氣候及構(gòu)造環(huán)境等重要信息.大興安嶺中段扎蘭屯地區(qū)泥盆系大民山組上部硅質(zhì)巖及硅質(zhì)泥巖比較發(fā)育，本文將全面分析大民山組硅質(zhì)巖及硅質(zhì)泥巖的地球化學(xué)特征，旨在對大興安嶺北段晚古生代早期硅質(zhì)巖成因及沉積環(huán)境進行探討，并為興蒙造山帶東段的構(gòu)造格局與演化研究提供基礎(chǔ)資料.

1 地質(zhì)概況及巖石學(xué)特征

研究區(qū)位于大興安嶺北部扎蘭屯地區(qū)，興安地塊和松嫩地塊的結(jié)合部位附近（圖1）.區(qū)內(nèi)晚古生代地層發(fā)育，包括大民山組（D2-3d）、紅水泉組（C1h）和格根敖包組（C2-P1g）.泥盆系大民山組主要為一套海相火山-沉積建造，石炭系紅水泉組為一套淺海相陸源碎屑巖沉積建造，晚石炭世—早二疊世格根敖包組為一套海陸交互相火山-沉積建造.

圖1 大興安嶺北部構(gòu)造單元劃分及扎蘭屯地區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Tectonic unit division of northern Daxinganling geological sketch map of Zalantun area

本次研究對象為扎蘭屯地區(qū)的大民山組，其剖面位于扎蘭屯市根多河林場西北約7 km處.其巖石組合為：下部以礫巖、凝灰質(zhì)含礫粗砂巖、細(xì)碎屑巖為主，中部以玄武巖、安山巖、流紋巖等變中酸性火山巖為主，頂部以泥質(zhì)巖、硅質(zhì)巖、硅質(zhì)泥巖及灰?guī)r透鏡體為主.其中硅質(zhì)泥巖中產(chǎn)腕足Tridensilis grandis Su、T. multicosta Su、Cupularostrum ? sp.、Helaspis kenlihoensis Su、Leptagonia sp.、Protochinetes cf.sinicus Su、Schuchertella?sp.、Mediospirifer khinganensis（Hou）、M.cf.kijilschinus（Gracianova）、M.audacula（Conrad）、Mucrospirifer mucronatus（Conrad）、Sculptispirifer acutiplicatus Su、Undispirifer undiferus Roemen、Cyrtina sp.、Athyris spiriferoides（Eaton）、Ambocoelia umbonata（Conrad）、Charionella? Orbicularis Su.Cryptonella planirostra（hall）、Leptocoelia?sp.；苔蘚蟲Fenestella sp.；海扇類Chonetes sp.還有少量珊瑚、海百合莖等化石.與上覆地層紅水泉組呈斷層接觸，下部未見底.1∶5萬濟沁河林場等4幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告??沈陽地質(zhì)調(diào)查中心.內(nèi)蒙古1∶5萬濟沁河林場等4幅區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告.2012.認(rèn)為大民山組總體特征是由下而上粒度變細(xì)，組成一海侵序列：早期沉積物粒度變化較大，火山活動較弱，偶有酸性熔巖；中期火山活動強烈，堆積了厚度較大的火山巖系；晚期逐漸趨于相對平穩(wěn)的沉積環(huán)境.

大民山組硅質(zhì)巖采自剖面上部位置.鏡下觀察表明研究區(qū)硅質(zhì)巖主要由絹云母、黏土礦物、微粒石英、塵狀鐵質(zhì)、海綿骨針等組成，其中絹云母雛晶集合體弱定向排列.硅質(zhì)泥巖主要由隱晶質(zhì)的硅質(zhì)、絹云母和其他黏土礦物組成，少量顯微粒狀石英、長石碎屑及塵狀鐵質(zhì)質(zhì)點，此外見少量碳質(zhì)呈樹枝狀.

2 樣品及分析方法

對所采集的硅質(zhì)巖樣品，除去風(fēng)化表面，用蒸餾水去污后粉碎至200目，干燥后備用.樣品的測試在國土資源部東北礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心完成，整個過程均在無污染設(shè)備中進行.主量元素采用X射線熒光光譜法（XRF），稀土元素元素的分析則采用電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）完成.主量元素分析精度和準(zhǔn)確度優(yōu)于5%，稀土元素的分析精度和準(zhǔn)確度一般優(yōu)于10%.

3 硅質(zhì)巖的地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境

3.1 主量元素特征及沉積環(huán)境

大興安嶺中段大民山組硅質(zhì)巖化學(xué)成分以SiO2為主，含量78.02%～86.27%，平均值83.00%；其次為Al2O3、FeO、MgO、K2O，平均含量分別為7.41%、2.02%、1.71%、1.46%.Bostrm和Peterson［11］提出用海相沉積物中Al/（Al+Fe+Mn）來判別熱液對沉積物的貢獻(xiàn).現(xiàn)代硅質(zhì)熱水沉積物和古代類似物的研究表明，純熱水沉積的Al/（Al+Fe+Mn）值多在0.01～0.2之間，而純生物成因的硅質(zhì)巖的Al/（Al+Fe+Mn）比值為0.60［12］.研究區(qū)硅質(zhì)巖Al/（Al+Fe+Mn）值在0.60～0.71之間，平均值0.65（表1），與純生物成因硅質(zhì)巖的值較接近.在Al-Fe-Mn三角圖（圖2）上，6個樣品均落入非熱水成因區(qū)（生物成因硅質(zhì)巖區(qū)），指示本區(qū)硅質(zhì)巖應(yīng)為非熱水成因硅質(zhì)巖.

Sugisaki［14］等指出，硅質(zhì)巖中Mn常被認(rèn)為是來自大洋深部的標(biāo)志元素，MnO/TiO2比值可作為判斷硅質(zhì)來源及沉積盆地古地理位置的重要標(biāo)志.離大陸較近的大陸坡和邊緣海沉積的硅質(zhì)巖該比值應(yīng)小于0.5，開闊大洋底硅質(zhì)沉積物可達(dá)0.5～3.5.研究區(qū)硅質(zhì)巖MnO/TiO2比值在0.07～0.34，平均值為0.18（表1），表明研究區(qū)硅質(zhì)巖形成于離大陸較近的大陸坡和邊緣海沉積環(huán)境.

表1 大民山組硅質(zhì)巖常量元素含量Table 1 M ajor element contents of siliceous rocks from Dam inshan Formation

江納言等［15］指出Al2O3可作為陸源組分的代表，MgO可以作為海洋自生組分的代表［16］.m=（MgO/Al2O3）×100比值可作為沉積物形成環(huán)境中水體鹽度的指標(biāo)，淡水沉積環(huán)境該值小于1，海陸過渡沉積環(huán)境該值1≤m＜10，海水沉積環(huán)境該值10≤m＜100［16］.此外，CaO/（Fe+ CaO）是一個反映海水鹽度的指標(biāo)［13］，其值小于0.2為低鹽度，0.2～0.5為中等鹽度，大于0.5為高鹽度.研究區(qū)硅質(zhì)巖的m值在13.87～47.15之間，平均值為23.90，CaO/（Fe+CaO）值在0.65～0.98之間，平均值為0.78，表明大民山組硅質(zhì)巖高鹽度的海水環(huán)境.

圖2 大民山組硅質(zhì)巖Al-Fe-Mn圖解（據(jù)文獻(xiàn)［2］）Fig.2 The Al-Fe-Mn diagram for siliceous rocks of Daminshan Formation（After Reference［2］）

Murray認(rèn)為［17］，Al和Ti與陸源Si關(guān)系密切，可作為陸源物質(zhì)注入的良好標(biāo)志，F(xiàn)e在洋脊附近的富金屬沉積物中富集，可作為洋盆擴張中心熱液注入的標(biāo)志，根據(jù)Al、Ti、Fe和Si氧化物比值的相互關(guān)系，提出了區(qū)分洋脊硅質(zhì)巖和大陸邊緣硅質(zhì)巖的判別圖（圖3）.從圖3中可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)大多數(shù)樣品點落在大陸邊緣區(qū)內(nèi).

綜上所述，主量元素顯示大民山組硅質(zhì)巖為非熱水成因硅質(zhì)巖，主要形成于大陸邊緣高鹽度的海水沉積環(huán)境.

3.2 稀土元素特征及沉積環(huán)境

稀土元素是硅質(zhì)巖沉積環(huán)境研究最有效的手段之一，近年來在國內(nèi)外都被廣泛應(yīng)用，這是由稀土元素的自身特征及其在海水中的變化規(guī)律所決定的.Fleet［18］在系統(tǒng)研究世界上熱水成因和非熱水成因的硅質(zhì)巖后，認(rèn)為熱水成因硅質(zhì)巖具有ΣREE低、Ce負(fù)異常、HREE富集、配分曲線呈平緩左傾的特點，而非熱水成因硅質(zhì)巖具有ΣREE高、Ce正異常、HREE不富集、配分曲線呈平緩右傾的特點.大興安嶺大民山組硅質(zhì)巖稀土元素值如表2所示，ΣREE略低，平均為62.77×10-6，LREE/ HREE平均值為6.67，相對富集輕稀土，具有輕度的Ce正異常（δCe 1.08～1.30，平均值1.16），經(jīng)北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化后稀土元素配分曲線表現(xiàn)為平坦型，略向右傾（圖4），表明為非熱水成因硅質(zhì)巖.

Wright［19］把稀土元素中的Ce與鄰近的La和Nd元素相關(guān)的變化稱為鈰異常（Ceanom），其公式為：Ceanom= log［3（Ce）N/（2（La）N+（Nd）N）］.Ceanom值已經(jīng)被作為判斷古海水氧化-還原條件的標(biāo)志，其值大于-0.1時，反映水體呈缺氧環(huán)境，而小于-0.1時反映水體呈氧化環(huán)境.大民山組硅質(zhì)巖樣品的Ceanom值大于-0.1，平均值為0.04（表2），指示了還原沉積環(huán)境.

圖3 常量元素比值散點圖解（據(jù)文獻(xiàn)［6］）Fig.3 Scatter diagram for major element ratios（After Reference［6］）

圖4 大民山組硅質(zhì)巖北美頁巖（NASC）標(biāo)準(zhǔn)化的REE分布模式（引自Gromet L P，1984）Fig.4 NASC-normalized REE distribution patterns of siliceous rocks from Daminshan Formation（After Gromet L P,1984）

Murray等［20］研究指出擴張洋中脊區(qū)（400 km以內(nèi)）沉積的燧石、頁巖以極小的δCe值（約0.29）為特征，洋盆區(qū)的δCe以中等值（約0.55）為特征，而大陸邊緣區(qū)的δCe值很大（0.9～1.3）.研究區(qū)硅質(zhì)巖δCe值為1.08～1.30（表2，圖4），平均值1.16，為大陸邊緣型硅質(zhì)巖.

Murray等［20］將稀土元素與常量元素結(jié)合，提出燧石和頁巖的沉積背景研究的經(jīng)驗圖解，把它們的沉積背景劃分為大陸邊緣、遠(yuǎn)洋和洋中脊3種類型（圖5）.從圖5中可以發(fā)現(xiàn)研究區(qū)樣品大多數(shù)點落在大陸邊緣地區(qū)，表明本區(qū)硅質(zhì)巖沉積背景為大陸邊緣環(huán)境.

4 結(jié)論

對扎蘭屯大民山組硅質(zhì)巖及硅質(zhì)泥巖的巖石學(xué)特征與地球化學(xué)特征的系統(tǒng)研究表明：

（1）扎蘭屯大民山組硅質(zhì)巖及硅質(zhì)泥巖中含有豐富的海相生物化石，結(jié)合主量及稀土元素特征，表明其形成不受熱水影響，為生物成因硅質(zhì)巖.

表2 大民山組硅質(zhì)巖的稀土元素分析結(jié)果Table 2 Analytic result of REE in siliceous rocks from Dam inshan Formation

圖5 LaN/CeN-Al2O3（/Al2O3+Fe2O）3圖解（據(jù)文獻(xiàn)［9］）Fig.5 LaN/CeN-Al2O3（/Al2O3+Fe2O3）diagram（After Reference［9］）

（2）扎蘭屯大民山組硅質(zhì)巖及硅質(zhì)泥巖主量及稀土元素特征一致表明其形成于離大陸較近的大陸坡或邊緣海的高鹽度海水環(huán)境.

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GEOCHEMISTRY AND SEDIMENTARY ENVIRONMENT OF THE SILICEOUS ROCKS FROM DEVONIAN DAMINSHAN FORMATION IN NORTHERN DAXINGANLING

ZHANG Yu-jin1,2,WU Xin-wei1,2,YANG Ya-jun1,JIANG Bin1,2,GUO Wei1,2,ZHANG Chao1

1.Shenyang Institute of Geology and Mineral Resources,CGS,Shenyang 110034,China; 2.College of Earth Sciences,Jilin University,Changchun 130061,China

The silicalite and siliceous mudstone of Devonian Daminshan Formation are developed in northern Daxinganling,where the siliceous mudstone is rich in marine fossils.The Al/（Al+Fe+Mn）values of the siliceous rocks range from 0.60 to 0.71,with an average of 0.65.In the Al-Fe-Mn ternary diagram,all samples fall into non-hydrothermal siliceous rock area.The MnO/TiO2ratio is 0.07-0.34,and 0.18 in average.The m value is 13.87 to 47.15,averagely 23.90.The CaO/（Fe+CaO）value is between 0.65 and 0.98,with an average of 0.78.The ΣREE is low（averagely 62.77×10-6）and the average LREE/HREE is 6.67.The siliceous rocks are relatively enriched in LREEs,with slightly positive Ce anomalies（δCe 1.08-1.30,averagely 1.16）.Combined with the sedimentary environment discrimination diagram for siliceous rocks, it is indicated that the siliceous rocks of Daminshan Formation are formed in the continental slope close to continent or the high-salinity seawater of marginal sea.

siliceous rock;Daminshan Formation;geochemical characteristics;sedimentary environment;northern Daxinganling

1671-1947（2015）03-0173-06

P595

A

2015-03-06；

2015-03-30.編輯：張哲.

中國地質(zhì)調(diào)查局項目“內(nèi)蒙古1∶5萬濟沁河林場等四幅區(qū)調(diào)”（1212011120664）；“內(nèi)蒙古1∶5萬大旗等四幅區(qū)調(diào)”（1212011120665）；“內(nèi)蒙古1∶5萬大呼勒氣溝等四幅區(qū)調(diào)”（1212011120666）；“內(nèi)蒙古1∶5萬南燕窩溝等四幅區(qū)調(diào)”（12120113053900）.

張渝金（1984—），男，博士研究生，吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，地層與古生物專業(yè)，通信地址遼寧省沈陽市皇姑區(qū)黃河北大街280號，E-mail// syzahngyujin@163.com