鄂西宣恩志留系細砂巖地球化學特征及物源構造環境分析

劉 力, 潘龍克, 羅 華, 梅小元

(湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

鄂西宣恩志留系細砂巖地球化學特征及物源構造環境分析

劉 力, 潘龍克, 羅 華, 梅小元

(湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034)

鄂西宣恩志留系較為發育,自下而上可分為新灘組、羅惹坪組、紗帽組,為一套粉砂巖、細砂巖夾頁巖的碎屑巖沉積。筆者在區域地質調查過程中,對鄂西宣恩地區新灘組、羅惹坪組、紗帽組內細砂巖(粉砂巖)進行了地球化學取樣分析,顯示碎屑巖母巖來自火山島弧和穩定陸塊。結合區內志留系沉積序列特征表明:鄂西早志留世階段,中上揚子區為穩定陸塊基底上發育而成的被動陸緣克拉通盆地。

細砂巖;地球化學;鄂西

沉積盆地中的碎屑巖從其源巖區經歷了風化、剝蝕、搬運等地質作用后到達現今所在位置沉積下來,其過程中雖然經歷了一系列的物理化學變化,但必定還保留了許多其源巖最原始的信息。特別是化學信息,由于不同的化學元素在地質作用過程中有著不同的遷移及賦存規律,據此,利用碎屑巖所攜帶的地球化學信息,對物源區進行分析研究是可行的。沉積學將現代不同類型盆地中碎屑巖組成進行系統研究,并將其與已知大地構造背景的源區巖石組合進行對比,總結出來源于不同構造背景下沉積盆地中碎屑巖組合以及相關地球化學特點,利用這些信息可對源區進行反演研究。筆者在進行1∶5萬區域地質調查中,對志留系內發育的細砂巖進行了地球化學采樣分析,來探討其形成的物源構造背景及演化規律。

1 區域地質背景

研究區位于中上揚子區,處在四川盆地以東、江南—雪峰構造帶以西的湘鄂西褶沖帶內,區內主要沉積寒武系—三疊系,構造樣式以發育北東向隔槽式褶皺帶為特點,斷層多為走滑性質,以北北東向展布為主。研究區出露的志留系自下而上可分為:新灘組(S1x)、羅惹坪組(S1lr)和紗帽組(S1s),均為一套細碎屑巖沉積。各組地層特征如下:

新灘組下部為灰—灰綠色中薄層狀泥質粉砂巖夾粉砂質頁巖、泥巖,上部為灰綠色中薄層粉砂巖夾泥質粉砂巖,偶夾細砂巖層;羅惹坪組下部為灰綠色薄層狀泥質粉砂巖夾粉砂質頁巖、粉砂質泥巖,偶見灰色薄層狀細砂巖,上部為灰綠色粉砂質頁巖夾薄層狀泥質粉砂巖,夾有數層紫紅色中薄層狀粉砂巖;紗帽組下部為灰色中薄層狀細砂巖夾粉砂質頁巖、中薄層狀粉砂巖,發育水平層理、塊狀層理、泥質結核;上部為灰綠色薄層狀泥質粉砂巖夾薄層狀粉砂巖、細砂巖,偶夾細砂巖透鏡體,產三葉蟲、腕足類等化石。

2 采樣位置及分析方法

樣品采集于湖北省恩施州宣恩縣南香水河和荊竹埡地區(圖1),其中新灘組取樣5件(D2010/1-1、D2010/7-1、D2010/17-2、D1202-1和D1202-2),羅惹坪組取樣2件(D2011/27-1和D1203-1),紗帽組取樣3件(D1051/37-1、D2012/44-1和D1204-1)。其中樣品D1202-1、D1202-2、D1203-1、D1204-1在湖北地質局鄂東北實驗室分析測試,其余樣品在國土資源部武漢綜合巖礦測試中心完成測試。其中主量元素測試采用RIX2100型X射線熒光光譜分析儀進行分析,分析精度優于5%。稀土、微量元素測試采用Agilent 7500a ICP-MS分析完成,分析精度優于5%～10%。

圖1 研究區地質簡圖及采樣位置圖Fig.1 Geological sketch map of study area and sampling locations1.第四系;2.中三疊統;3.早三疊統;4.泥盆—二疊系;5.紗帽組;6.羅惹坪組;7.新灘組;8.奧陶系;9.寒武系;10.斷層;11.采樣位置;12.研究區。

表1 志留系砂巖主量元素分析結果(wt%)Table 1 Analysis results of major elements of Silurian sandstone

3 地球化學特征與物源區大地構造背景

圖2 lg[w(SiO2)/w(Al2O3)]-lg[w(K2O)/w(Na2O)]砂巖分類圖解(據Pettijohn等,1987[1])Fig.2 Sandstone classification diagram of lg[w(SiO2)/w(Al2O3)]-lg[w(K2O)/w(Na2O)]

表2 志留紀各組砂巖與不同構造背景砂巖主量元素特征數值比較Table 2 Numerical comparison of main elements in sandstone of silurian formations with Sandstone in different strnctural background

注:不同構造背景砂巖主量元素特征參數引自Bhatia(1985)。

由于地球化學元素在沉積巖形成的全過程中都存在變化,因此應用地球化學數據在沉積學的研究中必然具有多解性。那么在以地球化學特征為依據來判別物源區構造環境的時候,任何一個參數都有其局限性,必須綜合利用。

Roser(1988)[3]提出利用主量元素判別函數來分析物源成分,其中:

判別函數因子f1=-1.773×TiO2+0.607×Al2O3+0.76×Fe2O3-1.5×MgO+0.616×CaO+0.509×Na2O-1.224×K2O-9.09;

判別函數因子f2=0.445×TiO2+0.07×Al2O3-0.25×Fe2O3-1.142×MgO+0.438×CaO+1.475×Na2O+1.426×K2O-6.861。

根據上面兩個判別式計算數據成圖可區分出4種物源區類型:長英質火成物源區、石英巖沉積物源區、中性巖火成物源區和鎂鐵質火成物源區。根據調查區志留系細砂巖測試結果計算判別函數投點(圖3),可見新灘組基本落入長英質火成物源區和石英巖沉積物源區;羅惹坪組基本落入長英質火成物源區;紗帽組全部落入石英巖沉積物源區,表明羅惹坪組及新灘組碎屑巖母巖為穩定陸塊和火山島弧,紗帽組碎屑巖母巖為穩定陸塊。

Roser & Korsch(1988)探討了沉積物顆粒大小對其化學成分的影響,認為不同粒度的沉積物化學成分的變化在其構造環境判別圖上可顯示一定的變化趨勢,由此可以得到有用的信息。他們提出利用氧化物含量進行計算、投點,反映其構造環境。將調查區志留系細砂巖主量元素比值投入w(SiO2)-lg[w(K2O)/w(Na2O)]和lg[w(K2O)/w(Na2O)]-w(SiO2)/w(Al2O3)判別圖解(圖4)中,新灘組、羅惹坪組、紗帽組細砂巖均落入被動陸緣的構造環境。

圖3 主量元素判別函數限定物源區特征圖解(據Roser等,1988[3])Fig.3 Diagram of provenance characteristics limited by the discriminant function of major elements

沉積物中Fe、Ti元素不易流失,且在海水中駐留時間較短,可以較好地反映其母源性質,Mg雖不如Fe和Ti,但也基本可以代表母源的原始含量,故砂巖中這幾種元素氧化物的含量可作為反映母源區性質及構造背景的良好參數。Bhatia(1983)[4]提出利用氧化物含量及其相對比值如(Fe2O3+MgO)、TiO2、Al2O3/SiO2、K2O/Na2O及Al2O3/( CaO+Na2O)等參數,將其配對組成二端元圖進行沉積巖的構造環境判別。對志留系細砂巖的主量元素測試結果進行投圖,在(Fe2O3+MgO)-TiO2圖、(Fe2O3+MgO)-Al2O3/ SiO2圖、(Fe2O3+MgO)-Al2O3/(CaO+Na2O)圖和(Fe2O3+MgO)-K2O/Na2O圖(圖5)中,投點雖然較為分散,但紗帽組細砂巖基本落入被動陸緣附近,新灘組大部分落入被動陸緣附近,羅惹坪組偏離較遠。雖然樣品在各判別圖解上有所差異,但是總體上仍然反映出調查區志留系物源區構造背景以被動陸緣為主。

圖4 砂巖的化學成分與板塊構造環境關系圖解(據Roser & Korsch,1988[3])Fig.4 The relationship between chemical composition of sandstone and plate tectonic environmentARC.大洋島弧;ACM.活動陸緣;PM.被動陸緣;A1.島弧背景;A2.演化的島弧背景。

圖5 細砂巖主量元素化學成分的構造背景判別圖解(據Bhatia,1983[4])Fig.5 Structural background discrimination of chemical composition of major elements in fine sandstoneA.大洋島弧;B.大陸島弧;C.活動大陸邊緣;D.被動大陸邊緣。

陸源碎屑巖中的微量元素具有較大的穩定性,尤其是Hf、Th、Ti、Zr、Sc等元素,在風化搬運和沉積過程中很少受其他地質作用的影響。其含量變化與構造背景之間有著內在的必然聯系,可以反映物源區的大地構造背景、構造演化特征。因此,陸源碎屑的微量元素地球化學特征更適宜于研究源區類型及其大地構造背景。

Bhatia等(1986)[5]通過對砂巖、泥砂質巖進行稀土和微量元素的長期研究分析,歸納總結了與其對應的4大類物源區構造環境,它們依次是大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣、被動大陸邊緣。利用Hf、Th、Ti、Zr、Sc等具更強穩定性的元素為端元組成的三角構造環境判別圖解,在Th-Hf-Co圖解(圖6)中,調查區志留系細砂巖母巖來自于長英質火山巖、頁巖和長石砂巖,物源區構造環境以火山島弧和克拉通盆地為主;在 Th-Sc-Zr/10判別圖解(圖7)中,新灘組大部分和紗帽組物源區均顯示了被動大陸邊緣的構造環境,羅惹坪組物源區則位于活動大陸邊緣和大陸島弧附近。

志留紀為加里東運動主要活動期,受秦嶺海槽逐漸關閉的向東運動與來自南面古太平洋板塊和華夏板塊的區域應力作用,包括研究區在內的整個中上揚子區處于擠壓應力狀態,克拉通內部為擠壓坳陷盆地,早期的古陸和由于加里東運動形成的古隆起為陸源碎屑物源供應區,整個中上揚子區沉積格局為大隆大坳相間、淺海深水盆地環境[6]。何衛紅等(2014)[7]研究認為湘鄂西奧陶系頂部—下志留統底部以筆石頁巖、硅質巖為主,下志留統下部以粉砂巖、細砂巖或夾灰巖和頁巖為主,表明了該期海平面逐漸下降以及盆地逐漸被填滿;上揚子內部其余地區晚奧陶世—志留紀仍為砂巖與頁巖互層或夾碳酸鹽巖,為混積臺地—深水陸棚,或為隆起區。研究區位于湘鄂西,志留紀時接收來自周緣上揚子北緣隆起、川中隆起、黔中隆起、雪峰隆起等的碎屑物質沉積,其物源區構造環境多為被動大陸邊緣。

圖6 Th-Hf-Co判別圖解(據Bhatia等,1986[5])Fig.6 Discrimination diagram of Th-Hf-CoA.長英質火山巖;B.頁巖(克拉通盆地);C.石英巖(克拉通盆地);D.長石砂巖;E.雜砂巖(島弧)。

圖7 Th-Sc-Zr/10判別圖解(據Bhatia等,1986[5])Fig.7 Discrimination diagram of Th-Sc-Zr/10A.大洋島弧;B.大陸島弧;C.活動大陸邊緣;D.被動大陸邊緣。

4 結論

綜上,鄂西宣恩地區志留系以粉砂巖、細砂巖夾頁巖等碎屑巖沉積為主,整體上指示了海水水體向上變淺的沉積序列,表明盆地逐漸被沉積物充填和海平面相對下降的過程。宣恩地區志留系細砂巖以巖屑砂巖和長石砂巖為主,其地球化學特征反映了沉積物源區當時處于被動大陸邊緣構造環境,碎屑巖母巖來自火山島弧和穩定陸塊。

[1] Pettijohn F J,Potter P E,and Siever R.Sand et al..Second Edition[M].Berlin.Springer-verlag,1987:1-553.

[2] 裴先治,胡楠,劉成軍,等.東昆侖南緣哥日卓托地區馬爾爭組砂巖碎屑組成、地球化學特征與物源構造環境分析[J].地質論評,2015,61(2):307-323.

[3] Roser B P,Korsch R J.Provenance signatures of sandstone-mudstone suites determined using discriminant function analysis of major-element data[J].Chemical Geology,1988,67:119-139.

[4] Bhatia M R.Plate tectonics and geochemical composition of sandstones[J].Journal of Geology,1983,91:611-627.

[5] Bhatia M R,Crook K A W.Trace element characteristics of graywacks and tectonic setting discrimination of sedimentary basins[J].Contributions to Mineralogy and Petrology,1986,92(2):181-193.

[6] 黃福喜,陳洪德,侯明才,等.中上揚子克拉通加里東期(寒武—志留紀)沉積序列充填過程與演化模式[J].巖石學報,2011,27(8):2299-2317.

[7] 何衛紅,唐婷婷,樂明亮,等.華南南華紀—二疊紀沉積大地構造演化[J].地球科學——中國地質大學學報,2014,39(8):929-953.

(責任編輯:于繼紅)

Analysis on Geochemical Characteristics and Provenance Tectonic Environmentof Silurian Fine Sandstone in Xuan’en Region of the Western Hubei

LIU li, PAN Longke, LUO Hua, MEI Xiaoyuan
(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

Silurian strata in Xuan’en region of the western Hubei is quite developed which can be divided into Xintan Formation,Luoreping Formation from bottom to top,Shamao Formation,and it is a sequence of clastic deposit with siltstone,fine sandstone with intercalation of shale.During the regional geologic investigations,the authors analyzed the geochemical characteristics of fine sandstone in Silurian strata.Research results show that the parent rocks of clasolite come from volcanic arc and stable landmass.The Silurian sedimentary sequence characteristics indicate that the middle and upper Yangtze Region is passive margin cratonic basin which developes from stable landmass basement in Early Silurian.

fine sandstone; geochemical; western Hubei

2016-08-30;改回日期:2017-01-05

本文為中國地質調查局基礎地質調查項目(編號:12120113062000)資助。

劉力(1986-),男,工程師,地質學專業,從事巖漿巖巖石學及區域地質調查研究工作。E-mail:505651703@qq.com

P588.21+2.3; P59

A

1671-1211(2017)02-0131-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.003

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0825.022.html 數字出版日期:2017-03-14 08:25