黑龍江省東部早古生代晨明組物源區特征及其構造背景

高福紅，何雨思，王 楓，修 銘

吉林大學地球科學學院，長春 130061

0 引言

黑龍江省東部在大地構造位置上位于西伯利亞板塊和華北板塊之間的興蒙造山帶東段，由眾多微地塊和其間的構造帶組成[1]。該區在古生代主要表現為微陸塊之間的拼合和古亞洲洋的俯沖消減[2-3]，在中生代以來又受到太平洋構造域的疊加和改造[4-5]。區域地質演化歷史的復雜性和獨特的大地構造位置使其成為眾多學者研究的熱點區域。目前對于黑龍江省東部基礎地質的研究主要集中在花崗質巖石的年代學和地球化學方面，區域討論的熱點問題是：顯生宙巖漿作用與多構造體系演化[6-10]；花崗巖成因與地殼演化[11-12]；沉積地層的形成時代[13-16]。近年來，前人對黑龍江省東部“前寒武紀”地質體的形成時代有了新的認識，先前確定的“古元古代”地層已經被解體，除部分為新元古代外，其主體主要形成于古生代。高福紅等[15]曾對黑龍江省東部松嫩—張廣才嶺地塊東緣的晨明組進行碎屑鋯石U-Pb年代學研究，判定晨明組的形成時代為561～510 Ma，這是首次在黑龍江省東部確定的具有確切年代學證據的早古生代地層。前人[13-16]對黑龍江省東部地區古生代地層進行了大量年代學方面的研究，但對古生代地層的沉積環境、物源組成及沉積構造背景的研究幾乎處于空白，這限制了對該區古生代構造演化的認識。

因碎屑沉積巖和淺變質碎屑沉積巖包含豐富的源區物質組成、構造環境及早期地殼生長演化的信息，近年來其地球化學研究已經被廣泛應用于解釋物源區風化程度、制約物源區特征和恢復沉積構造環境等方面[17-21]。因此，本文根據晨明組中碎屑沉積巖的地球化學組成，結合晨明組巖相學和年代學資料，利用地球化學特征分析方法深入探討了晨明組沉積物源區的風化程度、物源組成與屬性及其沉積構造背景，以期為研究黑龍江省東部早古生代的構造演化歷史提供依據。

1 地質背景及樣品描述

1.1 地質背景及位置

研究區位于興蒙造山帶東段，佳木斯地塊西緣，松嫩—張廣才嶺地塊東緣，牡丹江斷裂附近(圖1a)。研究區內發育元古宇、古生界、中生界和新生界，分布大面積的燕山期、海西期和加里東期花崗巖。本文研究的早古生代晨明組主要出露于黑龍江省伊春市南部晨明鎮附近(圖1b)。晨明組發育一套碎屑-碳酸鹽沉積，巖性主要以砂巖、粉砂巖、泥巖和灰巖為主，沉積環境為穩定的濱淺海環境[24]。

1.2 采樣位置及樣品描述

晨明組是由碳酸鹽巖和陸源碎屑巖構成的巖石組合(圖2)。其中：碳酸鹽巖以白云質灰巖和瀝青質灰巖為主，巖石多為厚—中厚層狀；陸源碎屑巖以細砂巖、粉砂巖和泥巖為主，巖石多為薄層狀，并夾有灰巖薄層。晨明組剖面自下而上巖石粒度逐漸變粗、碳酸鹽巖減少、碎屑巖增加和厚層狀巖層變為薄層狀，整個剖面厚度大于687 m，其頂部被寶泉組的流紋巖及石英砂巖呈角度不整合覆蓋[24]。

筆者于晨明鎮西北采石場晨明組標準剖面(圖3)共采集15塊樣品，經挑選，選用樣品15HCM2和15HCM3進行巖相學和地球化學分析。樣品15HCM2采于晨明組標準剖面的上部(圖4a)，巖石類型為泥巖，泥狀結構(圖4b)，塊狀構造。樣品15HCM3采于晨明組標準剖面的中部(圖4c)，巖石類型為細粒長石石英砂巖，細粒碎屑結構(圖4d)，塊狀構造，碎屑顆粒主要為石英和長石。

據文獻[24]修編。圖2 研究區晨明組巖性柱狀圖及采樣位置Fig.2 Column diagram showing lithology and sampling location for Chenming Formation in the study area

2 地球化學特征

樣品的主量元素和微量元素分析測試工作均在中國科學院廣州地球化學研究所同位素年代學和地球化學重點實驗室完成。樣品的主量元素分析采用堿熔法制成玻璃餅，用X射線熒光光譜法(XRF)測定樣品的主量元素，分析精度優于1%。樣品的微量元素分析則在Perkin-Elmer Sciex Elan 6000型電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)完成。微量元素中質量分數>10×10-6的樣品分析精度優于5%(2σ)，<10×10-6的樣品分析精度優于10%(2σ)，所有稀土元素的分析精度優于5%(2σ)。樣品分析結果見表1。

2.1 主量元素

澳大利亞后太古代平均頁巖(PAAS)代表了上地殼的平均化學成分，可作為地球化學標準來分析樣品的地球化學特征[26]。研究區泥巖樣品的主量元素質量分數變化范圍較小，w(SiO2)=56.32%～65.18%，w(Al2O3)=16.44%～20.48%，w(TFe2O3)=4.62%～6.04%，w(MgO)=1.88%～2.83%，w(CaO)=1.32%～4.50%，w(Na2O)=0.87%～0.97%，w(K2O)=2.65%～3.45%，與PAAS相比其具有一致的SiO2、Al2O3和MgO質量分數，較高的CaO質量分數以及稍低的TFe2O3、Na2O和K2O質量分數。研究區細砂巖樣品的主量元素質量分數變化范圍較小，w(SiO2)=66.14%～68.26%，w(Al2O3)=12.54%～13.24%，w(TFe2O3)=4.91%～5.79%，w(MgO)=1.50%～2.21%，w(CaO)=1.84%～3.70%，w(Na2O)=2.18%～2.61%，w(K2O)=1.54%～1.94%，與PAAS相比其具有較高的SiO2、CaO和Na2O質量分數以及較低的Al2O3、TFe2O3、MgO和K2O質量分數。

以PAAS數據對樣品的主量元素進行標準化處理后得到蛛網圖(圖5)。由圖5可見：4個泥巖樣品的曲線相似，CaO質量分數相對富集，TFe2O3、Na2O、K2O和TiO2質量分數相對略微虧損，MnO和P2O5質量分數相對虧損，SiO2、Al2O3和MgO質量分數與PAAS相近(圖5a)；6個細砂巖樣品的曲線相似，CaO和Na2O質量分數相對富集，SiO2和MnO質量分數相對略微富集，Al2O3、TFe2O3、MgO和TiO2質量分數相對略微虧損，K2O質量分數相對虧損(圖5b)。

2.2 微量元素

泥巖和細砂巖的微量元素質量分數變化范圍均較小(表1)，以PAAS數據對樣品的微量元素進行標準化處理后得到蛛網圖(圖6)。由圖6可見：4個泥巖樣品的曲線相似，Co質量分數相對虧損，Sc、Sr和Ba質量分數相對略微富集，其余微量元素質量分數均相對略微虧損(圖6a)；6個細砂巖樣品的曲線相似，Sc、V、Cr、Co、Th和U質量分數相對略微虧損，Ni、Cu、Rb和Ba質量分數相對虧損，Sr、Y、Zr和Hf 質量分數與PAAS相近(圖6b)。

2.3 稀土元素

稀土元素分析結果(表1、表2)顯示：泥巖樣品的w(∑REE)為(134.29～161.17)×10-6，平均為148.54×10-6，低于PAAS(183.00×10-6)；輕稀土元素富集，重稀土元素穩定，La/Yb值為11.91～13.97，(La/Yb)N為8.03～9.42，明顯的Eu負異常，δEu值為0.55～0.74，δCe值為0.84～0.90。細砂巖樣品的w(∑REE)為(155.61～186.32)×10-6，平均為174.80×10-6，略微低于PAAS；輕稀土元素富集，重稀土元素穩定，La/Yb值為12.60～14.45，(La/Yb)N為8.49～9.74，明顯的Eu負異常，δEu值為0.65～0.71，δCe值為0.91～0.99。

以球粒隕石數據[27]和PAAS數據[26]對研究區晨明組樣品的稀土元素進行標準化處理，結果見圖7、8。圖7表明，晨明組樣品球粒隕石標準化配分曲線均為具負Eu異常的右傾型，輕稀土元素富集，重稀土元素近直線分布，元素分異不明顯；圖8表明，晨明組樣品PAAS標準化配分曲線均為PAAS型模式。

3 討論

3.1 物源區風化沉積特征

碎屑沉積物的地球化學指數，如ICA，ICV，IPA，可以反映物源區源巖的風化程度和蝕變強度，有助于研究沉積物源區的風化特征。ICA值的大小反映化學風化作用的強弱[28]。晨明組泥巖樣品ICA值為73.49～75.00，細砂巖樣品ICA值為56.78～57.98(表1)，指示其物源區物質經歷了弱—中等程度的化學風化作用(圖9a)。ICV值的大小反映巖石的成分成熟度，ICV值隨風化程度的提高而降低，ICV值接近1.0時反映巖石成熟度為中等，非黏土礦物相對黏土礦物具有高的ICV值[29]。Kamp等[30]認為低ICV值的碎屑沉積巖是來自成熟并含有大量黏土礦物的沉積源區，指示被動構造環境下沉積物的再循環，而高ICV值的碎屑沉積巖則指示活動構造背景下沉積物的初次循環。晨明組泥巖和細砂巖樣品的ICV值分別為0.75～1.30和1.19～1.49(表1)，顯示中等—較高的ICV值，說明其來源于不成熟的沉積物源區，指示活動構造背景下沉積物的初次循環。

圖3 研究區晨明組地層標準剖面圖及采樣位置Fig.3 Standrad stratigraphic section showing lithology and sampling location for Chenming Formation in the study area

圖4 研究區晨明組野外露頭和樣品顯微照片Fig.4 Outcrop photographs and samples photomicrographs for Chenming Formation in the study area

表1 研究區晨明組15HCM樣品主量和微量元素分析結果

注：主量元素質量分數單位為%；微量元素質量分數單位為10-6。w(TFe2O3)=w(Fe2O3)+ 1.111w(FeO)?；瘜W蝕變指數ICA=x(Al2O3)/[x(Al2O3)+x(CaO*)+x(Na2O)+x(K2O)]×100，成分變異指數ICV=[x(Fe2O3)+x(K2O)+x(Na2O)+x(CaO*)+x(MgO)+x(MnO)+x(TiO2)]/x(Al2O3)，斜長石蝕變指數IPA=[x(Al2O3)-x(K2O)]/[x(Al2O3)+x(CaO*)+x(Na2O)-x(K2O)] ×100，以上式子中的主要成分指摩爾分數，CaO*為碳酸鹽中的CaO，即全巖中的CaO扣除掉化學沉積CaO的摩爾分數[25]。

圖5 研究區晨明組15HCM樣品主量元素蛛網圖Fig.5 Spider diagrams for major elements of 15HCM samples from Chenming Formation in the study area

圖8 研究區晨明組15HCM樣品稀土元素PAAS標準化曲線Fig.8 PAAS-normalized REE patterns of 15HCM samples from Chenming Formation in the study area

b中A為Al2O3；CN為CaO+Na2O；K為K2O。Pl.斜長石；Sm.蒙皂石；Kfs.鉀長石；Mu.白云母；IL.伊利石；To.英云閃長石；Gd.花崗閃長石；Gr.花崗巖。圖9 研究區晨明組風化特征圖解Fig.9 Characteristics of weathering for Chenming Formation in the study area

表2 研究區晨明組15HCM樣品稀土元素參數

注：稀土元素質量分數單位為10-6。下角標N代表球粒隕石標準化值；∑REE不包括Sc和Y元素；L/H=∑LREE/∑HREE；δEu=2EuN/(SmN/ GdN)；δCe=2CeN/(LaN/PrN)。

IPA值常用來指示斜長石的風化程度，新鮮巖石IPA值為50，黏土礦物IPA值為100[31]。晨明組泥巖樣品的IPA平均值為82.73，細砂巖樣品的IPA平均值為59.03，指示巖石樣品中斜長石的風化作用程度為弱—中等。

巖石經歷化學風化作用，其成分在A-CN-K圖解中將沿實線箭頭方向變化，而K質交代作用將使成分沿虛線箭頭方向變化(圖9b)[32]。因此，晨明組沉積物可能來源于經歷了較弱化學風化作用且相當于英云閃長巖或花崗閃長巖成分的物質源區。

化學風化和成巖作用能夠導致碎屑沉積巖Th/U值和Rb/Sr值明顯升高，因此Th/U值和Rb/Sr值可以用來示蹤化學風化趨勢和沉積循環特征[33-34]。晨明組泥巖樣品和細砂巖樣品Th/U值分別為4.60～4.86和5.23～6.40，均接近PAAS值(4.97)，且均略高于上地殼平均值(3.80)(表1，圖9c)。晨明組泥巖和細砂巖樣品的Rb/Sr平均值分別為0.62和0.34，兩種巖性樣品的Rb/Sr值均較低(表1)。Th/U與Rb/Sr值特征均指示晨明組物源區物質經歷了較弱的化學風化作用和一個相對簡單的沉積演化過程。

物源區物質在化學風化作用和沉積搬運過程中鋯石等重礦物會逐漸富集[35-36]，鋯石中富含Zr，而Th和Sc難溶于自然水且在沉積循環過程中不發生分餾作用[37]，所以在沉積循環過程中，隨著鋯石的富集，Zr/Sc值將升高而Th/Sc值不變[38]。晨明組樣品在Th/Sc-Zr/Sc圖解內呈良好的正相關關系(圖9d)，顯示鋯石的富集在沉積過程中并未起主宰作用，指示晨明組物源區物質未經歷沉積再循環過程。

由上述分析可知，晨明組物源區物質經歷了弱—中等程度的化學風化作用和活動構造背景下的初次循環，其地球化學特征主要受物源區物質組成的影響而未受沉積循環的影響。

3.2 物源區物質組成

在物源區物質經歷化學風化過程中，許多元素遭受淋濾，而Al和Ti被認為是基本穩定的主量元素，因為這些元素的氧化物和氫氧化物在低溫水中具低溶解度。在通常情況下，碎屑沉積巖和其源巖之間Al和Ti的分餾作用不是十分明顯[39]，尤其是在源巖為火成巖時，Al2O3/TiO2值能夠作為分析物源區源巖的良好指標。Girty等[40]認為來自鐵鎂質巖石源區的沉積物的Al2O3/TiO2值通常小于14，來自長英質巖石源區的沉積物的Al2O3/TiO2值通常為19～28。晨明組樣品Al2O3/TiO2值為14～30(表1)，指示晨明組沉積物主要來源于長英質火成巖源區。

砂泥巖中的微量元素能夠提供有關沉積巖物源屬性的信息，長英質巖石中La和Th質量分數高， 而基性巖中Co、Sc和Cr相對富集，這些元素在風化過程中相對穩定，其比值可以用來指示物源成分[35]。晨明組樣品微量元素特征比值與地殼元素對比(表3)，結果顯示所有樣品的微量元素特征比值均與大陸上地殼的微量元素特征比值相似。

表3 研究區晨明組15HCM樣品微量元素比值

注：UCC.大陸上地殼；LCC.大陸下地殼；OC.洋殼。

在指示沉積物源區成分特征的指標中，稀土元素模式最為可靠。后太古代碎屑沉積巖及多數上地殼火山巖的(Gd/Yb)N值變化范圍為1.0～2.0，由于獨居石高度富集輕稀土(LREE)，其在沉積物中輕微的富集將直接導致(Gd/Yb)N值明顯升高[34]。晨明組樣品的(Gd/Yb)N值均小于2.0(表2)，介于上地殼范圍，表明在其形成過程中沒有明顯的獨居石富集，不活潑的稀土元素可以作為其成因的指示劑。源自上地殼的稀土元素具有富集輕稀土元素，重稀土元素穩定和明顯Eu負異常等特征[26]。從晨明組樣品球粒隕石標準化配分模式圖(圖7)可以看出，樣品的配分曲線幾乎一致，表明研究區晨明組沉積物具有相同的物源特征；樣品的配分曲線具有輕稀土富集、重稀土穩定和明顯的負Eu異常特征，說明晨明組物源區物質具有明顯的上地殼特征。

通過La/Yb-w(∑REE)、Co/Th-La/Sc、La/Th-w(Hf)、La/Th-La/Yb物源區判別圖解(圖10)可以進一步揭示物源區物質組成。La/Yb-w(∑REE)判別圖(圖10a)[41]指示晨明組源巖為花崗巖；Co/Th-La/Sc判別圖(圖10b)[42]指示晨明組源巖為長英質火山巖；La/Th-w(Hf)判別圖(圖10c)[43]中，樣品主要位于上地殼平均成分附近，大部分樣品落入了長英質物源區內，兩個細砂巖樣品落在長英質物源區外，指示有少量古老沉積物成分的增加；La/Th-La/Yb判別圖(圖10d)[44]指示晨明組源巖具有平均上地殼成分特征。

根據上述晨明組的地球化學特征，可以判定晨明組物源區屬性為上地殼環境，沉積物源巖為長英質火成巖，該結論與前述A-CN-K圖解(圖9b)指示的沉積物源一致。高福紅等[15]曾對本文的晨明組進行過碎屑鋯石U-Pb年代學研究，認為晨明組物源主要來源于松嫩—張廣才嶺地塊東緣南北向展布的早古生代花崗質巖以及周邊的新元古代地質體，少量物源可能來自地表或地表淺部的古元古代地質體。由此，可以進一步確認晨明組沉積物源主要為早古生代花崗質巖。

3.3 沉積構造背景

碎屑沉積巖的地球化學特征主要取決于其物質組成，而物質組成又與其物源和大地構造環境有著非常密切的關系，因此碎屑沉積巖的地球化學特征可以用來恢復構造背景[45-46]。典型的構造環境可分為大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣[46-47]。Roser等[48]通過碎屑沉積物的地球化學研究，指出不同構造環境下的碎屑沉積物的地球化學特征各有特點，并認為碎屑沉積巖的主量元素可以很好地指示其成因及構造背景。K2O/Na2O-w(Si2O)(圖11a)和Si2O/Al2O3- K2O/Na2O主量元素判別圖解(圖11b)均指示晨明組形成于活動大陸邊緣構造環境。

不同構造環境碎屑沉積物的物質源區不同，稀土元素質量分數和相關元素比值也明顯不同(表4)。從大洋島弧到大陸島弧、活動大陸邊緣，再到被動大陸邊緣的碎屑沉積物La、Ce、∑REE、La/Yb值和(La/Yb)N值明顯增大，δEu值明顯減小[41]。晨明組樣品稀土元素特征與不同構造背景砂巖的稀土元素特征進行比較(表4)，其稀土元素特征與活動大陸邊緣和大陸島弧構造環境的稀土元素特征相似；與不同構造背景砂巖的稀土元素球粒隕石和PAAS標準化曲線進行比較(圖12)，其標準化曲線與活動大陸邊緣的標準化曲線最為相似。因此，稀土元素特征反映晨明組沉積物可能形成于活動大陸邊緣或大陸島弧相關的沉積盆地。

Bhatia[41]文中的活動大陸邊緣指安第斯型的大陸邊緣，不是廣義的活動大陸邊緣，不包括大陸島弧(如日本弧)。因此，為了進一步確定晨明組沉積物形成的構造背景，使用不活潑的微量元素進一步判定。在La-Th-Sc、Th-Co-Zr/10和Th-Sc-Zr/10圖解(圖13)中，晨明組樣品多數落在大陸島弧，少數落在活動大陸邊緣區域內，指示晨明組沉積物可能沉積于靠近大陸島弧的活動大陸邊緣構造環境，這種構造環境下形成的碎屑沉積物主要來自長英質巖漿巖或火山巖[47]，這與前述的晨明組沉積物源巖特征相符。

圖10 研究區晨明組微量和稀土元素源巖特征判別圖Fig.10 Trace and REE elements diagrams of source rocks for Chenming Formation in the study area

注：大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣數據據文獻[41]。

PM.被動大陸邊緣；ACM.活動大陸邊緣；ARC.大洋島?。籄1.島??；A2.演化島弧。圖11 研究區晨明組主量元素構造環境判別圖Fig.11 Tectonic setting discriminate diagrams for major elements for Chenming Formation in the study area

不同構造環境雜砂巖球粒隕石和PAAS標準化曲線據文獻[48]。圖12 不同構造環境雜砂巖和研究區晨明組15HCM樣品稀土元素球粒隕石和PAAS標準化曲線Fig.12 Chondrite-normalized and PAAS-normalized REE patterns of greywacke in different tectonic setting and 15HCM samples from Chenming Formation in the study area

A.大洋島?。籅.大陸島??；C.活動大陸邊緣；D.被動大陸邊緣。圖13 研究區晨明組微量元素構造環境判別圖Fig.13 Tectonic setting discriminate diagrams for trace elements for Chenming Formation in the study area

許文良等[22]利用前人古生代火成巖年代學、碎屑鋯石年代學和地球化學研究成果，提出古生代松嫩—張廣才嶺地塊東緣具有活動陸緣構造屬性的觀點，該觀點與本文利用地球化學特征分析方法確定的晨明組沉積構造環境一致。因此，可以判定晨明組沉積物的沉積構造背景為靠近大陸島弧的活動大陸邊緣構造環境，如弧后盆地、弧間盆地等。

4 結論

1)晨明組地球化學特征指示其物源區物質經歷了弱—中等程度的化學風化作用，其沉積物來源于不成熟的物質源區，經歷了活動構造背景下沉積物的初次循環，其地球化學特征主要受控于源區物質組成。

2)晨明組的地球化學特征指示晨明組物源區屬性為上地殼環境，沉積物源巖為長英質火成巖，結合前人研究成果推斷晨明組沉積物源巖主要為松嫩—張廣才嶺地塊東緣南北向展布的早古生代花崗質巖。

3)晨明組的沉積構造背景為靠近大陸島弧的活動大陸邊緣構造環境，如弧后盆地、弧間盆地等。