湘桂地區(qū)泥盆紀(jì)硅巖Rb-Sr、Sm-Nd同位素地球化學(xué)特征及構(gòu)造沉積背景研究①

王卓卓 施立志 張永生 陳代釗 梁江平

(1.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所 北京 100037;2.國(guó)土資源部鹽湖資源與環(huán)境研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100037;3.大慶油田有限責(zé)任公司勘探開(kāi)發(fā)研究院 黑龍江大慶 163712;4.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所 北京 100029)

Sr在海洋中存留的時(shí)間超過(guò)百萬(wàn)年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于海洋混合年齡(1 000 a)，造成Sr在海洋中一般均勻分布，緯度、深度對(duì)Sr同位素比值沒(méi)有影響。海水中Sr同位素組成可以反映全球構(gòu)造、氣候背景［1-3］。地質(zhì)歷史中海水鍶同位素僅隨時(shí)間發(fā)生變化，其變化受控于3個(gè)鍶來(lái)源:大陸古老的經(jīng)過(guò)風(fēng)化的硅鋁質(zhì)巖石，通過(guò)河流的攜帶進(jìn)入海水，具有較高的87Sr/86Sr比值，現(xiàn)代全球平均值為0.711 9［2］;洋中脊熱液系統(tǒng)向海水提供的液體具較低的87Sr/86Sr比值，全球平均值為 0.703 5［3］;碳酸鹽巖重溶形成的鍶，其87Sr/86Sr平均比值為 0.708±0.001［4］?，F(xiàn)代海水的鍶同位素比值便是此三種鍶平衡的結(jié)果，其平均值為0.709 073±0.000 003［5］。鍶同位素的組成直接代表了原始海水，其變化可用于進(jìn)行全球等時(shí)對(duì)比［6-12］，同時(shí)在海相地層對(duì)比定年中也可以發(fā)揮一定作用［8，11］。硅巖中的鍶同位素組成及其變化，可以反映地殼活動(dòng)歷史和海底熱事件發(fā)生歷史，進(jìn)一步反映沉積環(huán)境和碎屑物質(zhì)的來(lái)源。

Nd同位素在海水中存留的時(shí)間較短(一般小于300 a)，與海水混合的時(shí)間相近，不能使Nd在全球海洋中完全混溶，因此Nd同位素可以指示局部海相盆地中物源方向、可以判斷海水成分變化和海洋循環(huán)狀況。在海洋環(huán)境中，沉積巖Nd同位素組成特征受海洋兩大物質(zhì)來(lái)源陸源和海底物質(zhì)的制約，兩者組成比例變化，形成的沉積巖 Nd同位素特征將有所改變［13-17］。海水越深，沉積物中 Nd的含量將會(huì)上升［13-17］。海洋中εNd值變化范圍很廣，可以用來(lái)作為大洋循環(huán)的指示物［13-17］。

1 地質(zhì)背景

本文研究區(qū)為湖南、廣西地區(qū)，以下簡(jiǎn)稱湘桂地區(qū)。湘桂地區(qū)主要位于湘中、桂中臺(tái)緣塊斷帶(簡(jiǎn)稱湘桂塊)，部分位于南盤(pán)江—右江增生弧型沖褶帶、十萬(wàn)大山弧后前陸盆地、欽州拗拉槽和富寧那坡增生弧形逆掩帶［18］。

大地電磁測(cè)深反映了湘桂地區(qū)基底特點(diǎn)與揚(yáng)子明顯不同［19-21］，晚古生代至中三疊世，臺(tái)盆相間，為邊緣海盆地，印支運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，西部形成增生弧型造山帶，東部形成弧后前陸盆地，晚白堊世至第三紀(jì)引張，發(fā)育大小不等的造山期后陸相盆地。泥盆紀(jì)時(shí)，湘桂地區(qū)構(gòu)造繼承了以北北東、北東向?yàn)橹鞯臉?gòu)造線，同時(shí)又有新的北西向構(gòu)造出現(xiàn)。在活動(dòng)方式上，由志留紀(jì)的擠壓轉(zhuǎn)化為泥盆紀(jì)的拉張活動(dòng)，形成了相間出現(xiàn)的地塹和地壘。在空間上，構(gòu)造活動(dòng)具有南強(qiáng)北弱，西強(qiáng)東弱，由南向北逐漸推進(jìn)的特點(diǎn)［21-22］，而這種周期性和海平面變化具有一定相關(guān)性。上述構(gòu)造活動(dòng)同時(shí)控制了區(qū)內(nèi)沉積相的分異和展布規(guī)律，形成了獨(dú)特的淺水臺(tái)地和深水臺(tái)間溝槽相間的古地理格局。

泥盆紀(jì)時(shí)，層狀硅質(zhì)巖廣泛發(fā)育于華南地區(qū)碳酸鹽臺(tái)間盆地，至晚泥盆世早期分布范圍最廣［21-24］。其中局部還含有重要的錳和金屬硫化物礦產(chǎn)，因此，很早就受到人們的關(guān)注［24-26］。大部分研究主要集中在含礦硅質(zhì)巖上［25，27-33］，認(rèn)為硅質(zhì)巖的形成主要與海底熱液有關(guān)，但這些研究往往局限于某一時(shí)段(如晚泥盆世)，對(duì)熱液活動(dòng)和構(gòu)造活動(dòng)的聯(lián)系很少有人作深入的研究［33-36］，對(duì)湘桂地區(qū)硅巖與沉積構(gòu)造背景缺乏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

本文希望通過(guò)對(duì)湘桂地區(qū)硅巖Rb-Sr、Sm-Nd同位素的地球化學(xué)研究，闡述華南泥盆紀(jì)硅質(zhì)巖沉積史、熱液活動(dòng)特點(diǎn)、演化規(guī)律及其與盆地構(gòu)造活動(dòng)(裂谷活動(dòng))與演化的相互關(guān)系。

本研究的樣品采自南寧市以南的五象嶺園藝場(chǎng)至大連沖一線(圖1)泥盆系的莫丁組、壇新組、羅富組和榴江組(圖2)。所測(cè)試樣品主要為層狀硅質(zhì)巖(燧石)、少量結(jié)核狀硅質(zhì)巖和凝灰質(zhì)硅質(zhì)巖。本文對(duì)樣品進(jìn)行了Rb-Sr、Sm-Nd同位素分析，以明確湘桂地區(qū)構(gòu)造環(huán)境及與全球的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2 樣品選擇及其計(jì)算方法

2.1 樣品選擇

樣品取樣位置見(jiàn)圖1。本研究所用樣品大多為層狀硅質(zhì)巖、少量結(jié)核狀硅質(zhì)巖和凝灰質(zhì)硅質(zhì)巖，所用樣品先用鐵碾缽粗碎，而后用瑪瑙碾缽細(xì)碎至粉末狀(≤200目)。

2.2 分析方法

Rb-Sr、Sm-Nd同位素的化學(xué)分離和同位素比值測(cè)量是在中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所固體同位素地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成。

圖1 研究區(qū)取樣位置圖及弗拉斯期巖相古地理圖Fig.1 Sampling location and lithofacies paleogeographic map of Frasnian strata in the study area

圖2 研究區(qū)綜合柱狀圖及剖面樣品取樣位置Fig.2 Generalized columnar section and sampling location map of the study area

利用87Sr/86Sr和稀土元素半定量模式可以對(duì)沉積環(huán)境半定量確定沉積水來(lái)源為表層水還是深海水，是開(kāi)闊大洋水、近岸水還是河水。同時(shí)可以利用其εSr(t)、Sr模式年齡tDM和∫Rb/Sr等同位素特征參數(shù)來(lái)靈敏地反映海水Sr隨時(shí)間演化的情況。

式中，(87Sr/86Sr)0為初始鍶比值，未知;

(87Sr/86Sr)t和(87Rb/86Sr)為現(xiàn)今比值，可以由樣品實(shí)測(cè);

t為地質(zhì)體的年齡;

(87Sr/86Sr)DM、(87Rb/86Sr)DM為地幔現(xiàn)今的同位素比值。

Nicolaysen［37］用等時(shí)線方法將這個(gè)問(wèn)題解決。等時(shí)線年齡的計(jì)算方法如下:在一個(gè)地質(zhì)體上采集多個(gè)樣品，由各樣品所測(cè)得的(87Sr/86Sr)t和87Rb/86Sr值作為一組點(diǎn)的坐標(biāo)投影到一條直線上。由此求出(87Sr/86Sr)0和 t。

對(duì)于147Sm/144Nd＞0.13或＜0.10的樣品，本文采用兩端的Nd模式年齡(t2DM)計(jì)算方法，以減少由于Sm/Nd分餾造成的tDM計(jì)算偏差。

式 中，(143Nd/144Nd)DM=0.213 7，(147Sm/144Nd)DM=0.513 15分別為地?，F(xiàn)今的同位素比值;

(143Nd/144Nd)CHUR=0.516 238，(147Sm/144Nd)CHUR=0.196 7，為現(xiàn)今球粒隕石同位素比值;

(147Sm/144Nd)s和(143Nd/144Nd)s分別代表樣品現(xiàn)今的同位素比值;

t為樣品的地層年齡(本文假設(shè)大陸地殼的147Sm/144Nd平均值為0.12);

(143Nd/144Nd)s，t代表樣品形成時(shí)(t)的同位素比值;

λSm=0.654×10-11a-1，Nd同位素的模式年齡通常被認(rèn)為是沉積巖源區(qū)的平均年齡;

可以利用其εNd(t)、tDM和∫Sm/Nd等同位素特征參數(shù)來(lái)靈敏地反映不同源區(qū)的環(huán)境隨時(shí)間演化的情況。

本區(qū)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1和表2。

表1 研究區(qū) Rb、Sr含量 Rb/Sr、87Rb/86Sr、87Sr/86Sr、(87Sr/86Sr)0比值 δSr(‰)數(shù)值表Table 1 Numerical table of Rb，Sr content，Rb/Sr，87Rb/86Sr，87Sr/86Sr，(87Sr/86Sr)0ratio and δSr(‰)

表2 研究區(qū)Sm、Nd 含量，Sm/Nd、147Sm/144Nd、143Nd/144Nd比值 和 tDM(Ga)、εNd(t)、εNd(0)數(shù)據(jù)表Table 2 Numerical table of Sm，Nd content，Sm/Nd，147Sm/144Nd、143Nd/144Nd ratio and tDM(Ga)，εNd(t)，εNd(0)

3 分析結(jié)果

研究區(qū) Rb、Sr 含量，Rb/Sr、87Rb/86Sr、87Sr/86Sr、(87Sr/86Sr)0比值和δ Sr(‰)結(jié)果見(jiàn)表1。通過(guò)表1可以看出，研究區(qū)Rb，Sr含量變化范圍較大，Rb含量分布在1.17%～80.59%之間，Sr含量分布在3.10～87.00 μg/g之間。Rb/Sr比值分布在 0.02～7.34。(87Sr/86Sr)0比值相對(duì)較大，分布在 0.661 669～0.751 634。

研究區(qū)Sm、Nd含量，Sm/Nd、147Sm/144Nd、143Nd/144Nd 比值和 tDM(Ga)、εNd(t)、εNd(0)、∫Sm/Nd數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。通過(guò)表2可以看出，研究區(qū)Sm、Nd含量變化范圍較大，Sm 含量分布在 0.18～11.32 μg/g，Nd含量分布在 0.87～108.6 μg/g。Sm/Nd比值分布在0.03～0.23，147Sm/144Nd 比值分布在 0.02～0.23，(143Nd/144Nd)0比值分布在0.511 660 3～0.512 586 3，tDM(Ga)分布在 0.386～2.001、εNd(t)在-13.563 17～-0.041 734、εNd(0)值 分 布 在 -17.987 85～-14.659 032。

4 討論

4.1 Rb、Sr同位素系統(tǒng)指示的構(gòu)造環(huán)境

Weis和 Wasserburg［39］指出硅巖中 Rb含量如果與Al2O3含量呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，表明Rb主要來(lái)源于陸源碎屑物質(zhì)。Rb和K富集在酸性巖石中，Sr和Ca富集于基性巖石中，Rb/Sr比值可以間接指示源巖的成分和性質(zhì)。

研究區(qū)硅巖Rb和Al2O3有很明顯的正相關(guān)性，Sr和Al2O3的相關(guān)性不大，說(shuō)明研究區(qū)硅巖在形成時(shí)受到陸源物質(zhì)影響。WXB5-1、WXB11、WXC8、XP1、LT3和CB2的Rb/Sr比值大于1，說(shuō)明硅巖形成時(shí)物源主要為偏酸性的陸源巖石，偏酸性的物源主要分布在湘桂地區(qū)西部和東部的礁間臺(tái)地相;WXB10、GP3，比較接近1，說(shuō)明硅巖形成時(shí)受中性陸源物質(zhì)影響，中性物源主要分布在西北部和東南部;其余樣品Rb/Sr比值遠(yuǎn)小于1，說(shuō)明形成時(shí)的物源主要為堿性巖石，堿性物源主要分布在中部地區(qū)的礁臺(tái)地相。

付合(FSIL1)的(87Sr/86Sr)0最高，可以達(dá)到0.751 634，受陸源影響很大，辛鋪鎮(zhèn)(XP1)、石古元(SGY14)、城步(CB2)、白沙(BSI5)、沙灣(SW10)和五象嶺(WXB11、WXB10和 WXB5-1)(87Sr/86Sr)0較高，均大于0.720 000，說(shuō)明受到陸源影響很大。值得一提的是LT3的(87Sr/86Sr)0非常小，為0.661 669，貼近洋脊的數(shù)值，推測(cè)與地幔深部物質(zhì)輸運(yùn)量的增加有關(guān)，但由于數(shù)據(jù)較少，可靠性有待進(jìn)一步確認(rèn)。其余地區(qū)的(87Sr/86Sr)0分布在0.712～0.720，說(shuō)明受陸源和海水雙重影響。Cb2的87Sr/86Sr比值達(dá)到0.765 543，但 (87Sr/86Sr)0數(shù)值不是 很高，為0.727 605，因該樣品Rb含量很高，達(dá)到80.589 690。如此高的87Sr/86Sr比值很可能是放射性Rb高的緣故，且該樣品受陸緣影響很大。在前人研究成果基礎(chǔ)上，結(jié)合本研究成果指出研究區(qū)為礁臺(tái)地相環(huán)境，部分地區(qū)為礁間洼地相、海槽和海槽邊緣相環(huán)境。

五象嶺地區(qū)從埃姆斯階的WXB5-1到艾菲爾階的WXB10和WXB11，(87Sr/86Sr)0有增大的趨勢(shì)，到WXB11達(dá)到最大，吉維特階的WXC2變小，弗拉斯階的WXC8、WXCB10和 WXC12是逐漸減小，但WXC8比WXC2大，到WXC12達(dá)到最小。這些數(shù)據(jù)表明由埃姆斯期開(kāi)始到艾菲爾末期受陸源影響增強(qiáng)，在吉維特期陸源影響明顯減小，弗拉斯期陸源影響明顯減弱。而陸源影響大小又與盆地大小和開(kāi)放程度有關(guān)，因此，可以進(jìn)一步推測(cè)泥盆紀(jì)沉積盆地從埃姆斯期加速裂解擴(kuò)展后，在艾菲爾期又經(jīng)歷了擴(kuò)展沉寂期，甚至收縮，造成陸源物質(zhì)向海盆輸送量的增加，吉維特末期至弗拉斯期中期，又經(jīng)歷了盆地的快速擴(kuò)張期，使陸源物質(zhì)輸送量減少。此變化趨勢(shì)與Geldern等［39］研究的全球泥盆紀(jì)87Sr/86Sr變化趨勢(shì)相吻合。

4.2 Sm、Nd同位素系統(tǒng)指示的構(gòu)造環(huán)境

海水Sm/Nd比值對(duì)海平面升降、古大陸風(fēng)化作用和區(qū)域構(gòu)造事件(如海底地殼拉張產(chǎn)生的幔源組合和地幔柱活動(dòng))具有指示意義，Sm/Nd比值越大，海平面越高［40］?；r壩(HYB4)和鐵砂坪(TSP5)的 Sm/Nd比值都很高，說(shuō)明當(dāng)時(shí)海平面較高，可能與它們處于低洼地區(qū)有關(guān)。蓮塘和古坪的Sm/Nd比值很低，可能與較強(qiáng)的熱液活動(dòng)有關(guān)。五象嶺地區(qū)的Sm/Nd比值總體高于付合、沙灣和白沙，與海水由南向北侵入的古地理展布相一致［41-43］。五象嶺地區(qū)從埃姆斯期的WXB5-1到艾菲爾期的WXB10和WXB11，Sm/Nd比值先是很大幅度的降低，然后微升，可能說(shuō)明該區(qū)在艾菲爾早期有大幅度海退，然后海進(jìn)。吉維特階在艾菲爾期的基礎(chǔ)上Sm/Nd比值小幅度上升，說(shuō)明海水小幅度微升，弗拉斯早期繼續(xù)快速升高，然后降低。說(shuō)明該區(qū)在弗拉斯早期快速上升，然后開(kāi)始降低。

McLennan等［44］研究指出 εNd值可以用來(lái)指示物源，εNd值小于-10的源區(qū)一般為古老的上陸殼，εNd大于+5的源區(qū)一般為洋中脊玄武巖，εNd值分布在-7.9～-13 之間的源區(qū)一般為盆地基底硅巖［14，39］。利用εNd來(lái)判斷沉積環(huán)境，εNd的高值代表氣候溫暖期，若在海洋中，也可代表熱液活動(dòng)強(qiáng)烈時(shí)期［13-16］。研究區(qū)εNd(0)值普遍在-16到-21之間變化，說(shuō)明硅質(zhì)來(lái)源主要是古老的上陸殼［13-16］，與 Sr的研究結(jié)果一致。蓮塘(LT3)、古坪(GP3)的εNd(0)值非常高，分別為14.66和6.16，接近洋中脊的數(shù)據(jù)［13-16］，說(shuō)明有地殼深部物質(zhì)加入，這可能與該區(qū)地殼裂解很深有關(guān)。蓮塘的結(jié)果和Sr相似。城步(CB4)和寨沙(ZS1)的εNd(0)也較高，分別為-0.22和-0.28?；r壩(HYB4)、鐵砂坪(TSP5)和寨子嶺(ZZL2)的εNd(0)值均較高，大于-6，與盆地基底的 εNd(0)一致［13-16］。這些數(shù)據(jù)說(shuō)明這些地區(qū)有少量陸源物質(zhì)加入，εNd(0)值越高，深源物質(zhì)加入就越多。

硅巖中Sm-Nd模式年齡tDM(Ga)主要分布在1.5～2.1之間，說(shuō)明物源為元古代地殼存留區(qū)域，與李獻(xiàn)華［45］的研究結(jié)果一致。古坪地區(qū)的 tDM(GP3)為1.016 Ga，白沙的 tDM(Bsi5)為 1.496 Ga，tDM值的變化反映了有大量新生地區(qū)物質(zhì)加入到物源區(qū)。蓮塘(LT3)的tDM為0.386 Ga，與硅巖形成年齡相當(dāng)，可能在形成過(guò)程中有大量泥盆紀(jì)新生物質(zhì)加入，可能由于裂解較深，在帶入深部物質(zhì)的同時(shí)，卷入泥盆紀(jì)沉積時(shí)的巖石。但由于數(shù)據(jù)量不多，結(jié)論有待于進(jìn)一步確認(rèn)。

5 結(jié)論

利用Rb-Sr、Sm-Nd同位素地球化學(xué)特征對(duì)研究區(qū)硅巖物質(zhì)來(lái)源和形成時(shí)代進(jìn)行了研究，結(jié)果表明硅巖(87Sr/86Sr)0值一般分布在0.721 000～0.731 000，說(shuō)明硅巖形成時(shí)還受到陸源和海水的影響。硅巖Nd同位素模式年齡(tDM或t2DM)和εNd(0)值主要分布區(qū)間分別為1.5～2.1與-16～-21，表明硅質(zhì)來(lái)源于深部元古代地殼。εNd(0)值(-0.22～14.7)高的一些地區(qū)，大多沿狹長(zhǎng)海槽分布，表明硅質(zhì)可能來(lái)源于深部地幔，通過(guò)延伸到地幔的地塊邊緣斷裂帶上升到地表。付合、辛鋪鎮(zhèn)、石古元、城步、白沙、沙灣和五象嶺地區(qū)沉積時(shí)沉積物受陸源影響很大，為近物源沉積;蓮塘、古坪地區(qū)為地幔來(lái)源，地殼裂解很深;其余的地區(qū)說(shuō)明受陸源和海水雙重影響。五象嶺地區(qū)在艾菲爾早期有大幅度海退，然后海進(jìn)。吉維特階在艾菲爾期的基礎(chǔ)上海水小幅度微升，弗拉斯早期繼續(xù)快速升高，然后降低。

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