黑龍江濱東地區上石炭統唐家屯組泥質粉砂巖的地球化學特征

張徑通，胡大千，戰乃臣，孫國勝

吉林大學地球科學學院，長春130061

0 引言

碎屑沉積巖經歷了源區巖石風化、搬運、沉積、固結成巖等過程，其主量元素、微量元素和稀土元素的組成與源區巖石有繼承性的關聯，記錄了巖石形成時的環境特征[1--4]。雖然在其形成過程中，巖石的化學組成和結構構造可能遭受不同程度的破壞，但巖石化學組成相對穩定，仍可以用來研究源區的特征[5,6]。

東北地區晚古生代圍繞佳—蒙地塊分布的碎屑巖和碳酸鹽巖，構成了該地區的大陸邊緣沉積[7,8]。張興洲等[9]認為該地區存在一個規模巨大的晚古生代海相沉積盆地，發育大量的暗色泥巖和碳酸鹽巖。前人曾報道了松遼盆地部分地區下石炭統和二疊系地層為陸相低鹽度的沉積環境，缺少對于上石炭統地層的研究[10--12]。Hu et al.[13--16]研究了該地區上古生界和中生界地層中的泥質巖石中伊利石的標型特征、綠泥石的化學成分、有機質鏡質體反射率和拉曼光譜特征，認為該地區經歷了后生--極低級變質作用。張徑通等[17]對濱東地區晚石炭系唐家屯組泥質巖石的黏土礦物成因標志的研究證明上述巖石經歷了后生--極低級變質作用的改造，但并未進一步討論該地區副變質巖石的地球化學特征。筆者利用該地區晚石炭統唐家屯組泥質巖石的巖石化學組成參數，討論其沉積環境及其沉積物質的來源，對了解該地區的沉積和構造演化歷史具有較重要的科學意義。

1 區域地質背景

哈爾濱東部地區位于中亞造山帶東端 (圖1)，大地構造單元由松嫩地塊、佳木斯地塊、興安地塊等組成[18]。研究區位于松嫩地塊的東部、牡丹江斷裂帶以西。區內出露地層有石炭系、二疊系和三疊系等[19,20]。

圖1 濱東地區構造位置圖(a)地質略圖(b)Fig.1 Structure location (a) and simplified geological map (b) of eastern Harbin area, China

區內出露石炭系唐家屯組地層。唐家屯組巖性以酸性、中酸性火山巖為主，其中夾有中性火山巖及正常沉積碎屑巖。地層分為上下兩部分，下部為黃褐、灰黑色片理化流紋質凝灰熔巖、酸性凝灰熔巖夾灰紫、灰綠色凝灰質砂巖、粉砂巖、泥質粉砂巖、頁巖；上部為灰色片理化流紋質凝灰熔巖、凝灰巖與中酸性凝灰熔巖互層，夾灰黑色凝灰質板巖[19,20]。

區內二疊系出露地層自下至上依次為楊木崗組，土門嶺組，五道嶺組。楊木崗組主要為泥質粉砂巖，夾少量其他碎屑巖和中性、中酸性火山巖，與下伏唐家屯組整合接觸[19]，與上覆土門嶺組不整合接觸[20]。土門嶺組巖性以砂巖和泥巖為主，夾有灰巖、酸性凝灰巖及凝灰砂巖等，具韻律性沉積。巖石具條帶狀構造，與上覆五道嶺組為不整合接觸[20]。五道嶺組巖性主要是中性和酸性火山巖，下部為中性火山巖夾沉積巖薄層，上部為酸性火山巖夾沉積巖薄層[20]。

區內巖漿--構造活動強烈。松嫩地塊與額爾古納—興安地塊及佳木斯地塊碰撞拼合的構造事件形成了佳蒙地塊[9]。早石炭世時期，佳蒙地塊發育穩定的陸相沉積[21]。早石炭世以后，東北地區開始發育火山盆地沉積或凹陷盆地沉積，沉積特征可概括為南側發育海相地層，北側發育火山盆地和凹陷盆地沉積為主的陸相地層[9]。

董申保[22]和黑龍江省地質礦產局[19]認為該地區經歷了低綠片巖相的區域變質作用。近年來，一些學者對東北地區晚古生代地層中黏土礦物和有機質鏡質體反射率等的研究，認為地層經歷的實際溫度并未到達低綠片巖相，該地區經歷了后生--極低級變質作用[13--16]。

2 樣品與測試方法

2.1 樣品采集

研究樣品采自哈爾濱市阿城區大嶺鄉某采石場，實測剖面(圖2)地層相當于唐家屯組地層的下部，地層出露良好。剖面起點坐標45°30′51.4″N， 127°07′04.8″E，終點坐標45°30′57.2″ N， 127°07′02.3″E，剖面全長約150 m。共采集8件樣品，巖性為灰黑色泥質粉砂巖。

圖2 唐家屯組實測剖面Fig.2 Cross-section of Tangjiatun Formation

泥質粉砂巖巖石為黑色，灰黑色，可見水平層理。巖石鏡下呈粉砂泥質結構(圖3)，碎屑主要包括粉砂級碎屑(0.025～0.003 8 mm)和泥級碎屑(<0.003 8 mm)。粉砂級碎屑多呈次棱角狀或不規則狀，主要成分為石英和斜長石，石英碎屑磨圓度較差，分選度中等，含量約40%；長石約10%，蝕變較強，多蝕變為黏土礦物。泥級碎屑礦物類型鏡下難以分辨。

2.2 測試方法

全巖礦物相對含量在中國石油勘探開發研究院完成。分析儀器為日本Japan Rigaku 公司生產的D/max--2500 X--Ray diffractometer. 實驗中首先將烘干樣品全部粉碎至200目備用。測試條件為：Cu靶，電壓為40 kV，電流為100 mA，掃描速度 6°/min，步長 0.01°，狹縫系統發散狹縫 1°、防散射狹縫 1°、接收狹縫 0.3 mm。礦物總量和常見非黏土礦物分析測試條件：掃描范圍 2.6°～45°；礦物含量XRD分析屬于半定量分析。

圖3 泥質粉砂巖的顯微照片(PM06--01)Fig.3 Photomicrograph of pelitic siltstone (PM06--1)

樣品的主量元素、微量元素和稀土元素分析測試在吉林大學實驗測試中心完成。采用X--射線熒光光譜儀(XRF)完成主量元素的分析，采用Agilent公司生產的7500a型激光剝蝕--電感耦合等離子體質譜儀(LA--ICP--MS)完成微量元素和稀土元素分析。實驗制備方法：將樣品粉碎至200目 (直徑 < 74 μm)。之后將樣品放入烘箱，在105℃溫度下烘 2 h 后放入干燥皿中以備用。同時，準確稱量干燥的樣品 0. 050 0 g(精確至0. 000 01 g) 于 5 mL 聚四氟乙烯溶樣彈中，加入1.40 mL HF和1.6 mL HNO3，加蓋溶樣彈，密閉鋼套后放入恒溫的干燥箱，在190℃條件下保持48 h。在干燥箱內進行自然冷卻，溫度冷卻至室溫后，在120℃的電熱板上，將溶液蒸至濕鹽狀，繼續冷卻后，將3 mL 50% HNO3加入其中，加蓋溶樣彈，將鋼套密閉后放入恒溫干燥箱，在150℃條件下保持12 h。冷卻之后，將消解液用高純水移入PET樣品瓶 (聚氯乙烯樣品瓶)，定容至50 mL后搖勻備用，與此同時做空白試劑。測試結果的相對標準偏差<5%。

3 測試結果

3.1 全巖礦物組成

全巖礦物XRD分析數據見表1。結果表明，泥質粉砂巖的礦物組成為石英，鈉長石和黏土礦物。石英含量變化于36.4%～43.7%，平均值為41.2%，鈉長石含量變化于9.2%～17.0%，平均值為13.3%。黏土礦物總量變化于41.9%～52.7%，平均值45.5%，黏土礦物主要為層狀硅酸鹽礦物[17]。

表1唐家屯組泥質粉砂巖全巖XRD分析數據

Table1TangjiatunFormationpeliticsiltstonewholerockXRDanalysisresults/%

3.2 主量元素和微量元素

泥質粉砂巖的主量元素和微量元素測試結果見表2。樣品主量元素SiO2的含量在61.64%～65.05%，Al2O3含量為16.99%～17.63%，CaO含量為0.59%～0.82%，MgO含量為1.33%～1.74% ，TiO2含量為0.65%～0.78%。微量元素中，B元素的含量為2.13×10-6～ 5.14×10-6，Sr元素的含量為51.36×10-6～127.60×10-6，V元素的含量為109.20×10-6～166.80×10-6，Ni元素的含量為24.47×10-6～ 65.42×10-6。稀土元素總量為 ΣREE=40.12×10-6～133.67×10-6，輕重稀土比值為 LREE/HREE=3.42～6.69 ，(La/Yb)N在2.11～6.12之間。δEu 0.61～0.73，顯示Eu負異常。δCe 0.84～1.02，整體 < 1，顯示Ce負異常。

表2 唐家屯組泥質粉砂巖主量 (10-2)、微量元素(10-6)分析結果Table 2 Major elements (10-2) and trace elements (10-6) analyses for pelitic siltstone of Tangjiatun Formation

4 討論

4.1 形成時代

唐家屯組由鄭廣淵 (1963) 創建于黑龍江省阿城市唐家屯。自下而上由變質酸性火山沉積巖段、變質中酸性火山巖段和變質中性火山巖段組成。 (復合) 正層型剖面，剖面總厚度>1 208.4 m。巖性主要為片理化酸性、中酸性、中性火山巖與千枚巖、板狀凝灰沉積巖、長石砂巖、雜砂巖及斑點板巖[20]?，F指分布于黑龍江省阿城市、賓縣和五常市等地，巖性以強片理化酸性、中酸性火山巖為主，夾少量中性火山巖及片理化變質的正常沉積巖[20]。黑龍江省地質礦產局[19]、曲關生等[20]以巖石地層單位為基礎，依據尚志市永安屯所產的植物化石Paracalamitessp.以及阿城市亞溝東山本組地層的同位素年齡306 Ma (Rb--Sr法)，將其歸于晚石炭世。近年來，一些學者通過同位素年代學研究，報導了唐家屯組所含鋯石的測年結果。Meng et al.[23]根據張廣才嶺地區唐家屯組安山巖的292 Ma鋯石U--Pb定年結果，將其歸于早二疊世。郝文麗等[24]報道了濱東地區唐家屯組巖漿鋯石289～302 Ma的U--Pb定年結果，加權年齡為295±1 Ma，認為唐家屯組地層的形成時代為早二疊世。王興等[25]報道了濱東地區唐家屯組火山巖鋯石300±1 Ma的U--Pb年齡值，認為本組地層形成于晚石炭世。

綜合前人的層序地層學、古生物學和同位素定年結果，筆者仍將唐家屯組的形成時代歸于晚石炭世。

4.2 礦物組成與沉積物源

沉積巖中的黏土礦物按成因可分為陸源碎屑黏土礦物和沉積成巖過程中新形成的黏土礦物，成巖過程中形成的黏土礦物又可進一步分為自生黏土礦物和次生黏土礦物兩類[26]。陸源碎屑黏土礦物可以直接反映物源和沉積環境，沉積成巖過程中新形成的黏土礦物的組分含量和組合類型間接地受到沉積物源的影響，所以可以用來追溯沉積物源和搬運情況。

研究區泥質粉砂巖的礦物組合為石英+鈉長石+伊利石±綠泥石±綠泥石/蒙皂石混層 ± 高嶺石[17]。石英和鈉長石為主要的碎屑礦物，分選較好，磨圓度較差，反映其物質來源較近，沉積物未經過遠距離的搬運。黏土礦物伊利石、高嶺石、綠泥石/蒙皂石混層、綠泥石均為層狀結構的硅酸鹽礦物，部分可能是碎屑礦物，部分是自生礦物，屬于成巖--極低級變質作用的產物。

沉積巖的成分變化指數 (ICV) 可以用來衡量鋁相對于巖石或礦物中其他主要陽離子的豐度，指示沉積物的成分成熟度；蝕變化學指數 (CIA) 可以判斷物源區化學風化程度[27,28]。研究樣品的ICV指數為0.70～0.83，平均值為0.77，表明其成分成熟度較低[27]；樣品的CIA指數為69.37～71.49，平均值為70.24，整體在80以下，反映源區經歷了中等化學風化作用[28]。應用佩蒂莊[29]提出的砂巖類型的判別圖解，對研究區8個樣品進行了投圖分析(圖4)。數據點主要投在長石砂巖區，部分落在巖屑砂巖區，表明其原巖含有較多的石英和長石。

圖4 砂巖類型判別圖解Fig.4 Discrimination diagram of sandstone

鑒于研究區處于松嫩地塊的東緣，地層位于天山—興安嶺地層區的小興安嶺分區，區內產出的長英質巖石，經風化剝蝕，可能成為濱東地區石炭紀唐家屯組泥質巖石的物源區。

4.3 微量元素與沉積環境

巖石中微量元素含量的高低，及某些特定比值的大小是判定沉積環境的良好標志[1,2]。沉積巖中Sr、B*和Ga值，以及B/Ga、Sr/Ba比值常用來判斷古鹽度[3,4]。Ni、V等金屬元素含量常用作探討氧化還原環境[30--32]。研究區唐家屯組泥質粉砂巖微量元素地球化學參數對沉積環境的指示結果見表3，其中B*含量參數是依據Walker[3]研究，投圖(圖5)獲得的。表3顯示，泥質粉砂巖的B*含量整體遠<50×10-6， Sr含量為130×10-6～ 500×10-6，整體遠<300×10-6，Sr/Ba比值為0.11～0.26，平均值為0.16，整體遠低于1，B/Ga為0.10～0.23，平均值0.15，遠低于1，均屬于陸相沉積環境。V/(V+Ni)比值為0.69～0.86，平均值為0.81；V/Ni比值為2.22～6.05，平均值為4.53，指示唐家屯組巖石形成于還原環境。

圖5 相當硼校正圖Fig.5 Approximation diagram of relative B

圖6展示了唐家屯組泥質粉砂巖的稀土元素配分曲線，整體分布較為平緩。稀土總量ΣREE為40.118×10-6～ 133.67×10-6，平均值85.80×10-6，低于全球平均大陸上地殼成分 (UCC 146.4×10-6)。(La/Yb)N值為2.11～5.96，平均值4.13，這表明輕重稀土的分餾程度較低，輕稀土元素較富集。δEu為0.61～0.73，出現較明顯的Eu負異常，這可能與源區斜長石含量較低有關，指示物質來源可能為長英質巖石。δCe 0.85～1.02，表現出微弱的負異常，表明巖石產出于還原環境中，這與微量元素的研究結果吻合。

表3唐家屯組泥質粉砂巖沉積環境判別數據表

Table3DeterminationofsedimentaryenvironmentofTangjiatunFormationpeliticsiltstone

判別參數判別標準樣品數據判別結果B?/10-6>300 海相<200 陸相<50陸相環境Sr /10-6800^1000 海相100^200 陸相81陸相環境Sr/Ba>1 海相<1 陸相0.16陸相環境B/Ga>4.5 海相<3.3 陸相0.15陸相環境V/Ni>3 還原環境<1.9 氧化環境4.53還原環境V/(V+Ni)>0.54 還原環境<0.46 氧化環境0.81還原環境

圖6 唐家屯組泥質粉砂巖稀土元素球粒隕石標準化配分曲線Fig.6 Chondrite normalized REE distribution patterns of Tangjiatun Formation pelitic siltstone

4.4 構造環境

沉積巖的化學成分與構造環境存在一定的聯系。研究區樣品的SiO2的平均含量為63.26%，說明泥質粉砂巖中富含石英和硅酸鹽礦物； Al2O3的平均含量為17.24%，這與巖石中長石和黏土礦物等富K的礦物有關；CaO平均含量為0.71%，MgO平均含量為1.52%，反映巖石中長石和黏土礦物的含量相對較高，碳酸鹽巖礦物含量偏低。 Bhatia[33]將構造環境劃分為：大洋島弧，大陸島弧，活動大陸邊緣，被動大陸邊緣；并提出了與TiO2— Fe2O3+MgO成分相關的構造環境的判別圖解。在Bhatia[33]的TiO2— Fe2O3+MgO判別圖解中，研究區樣品的數據點均處于大陸島弧區及大陸島弧區附近(圖7)。在楊江海[34]提出的物源區主量元素F1--F2與構造環境的判別圖解中(F1=0.267 Na2O+0.068 MgO+0.259 Al2O3-0.122 SiO2-0.053 K2O+0.193 CaO+0.330 TiO2+ 5.840 MnO+4.320; F2=0.663 Na2O-0.037 MgO-0.172 Al2O3-0.503 SiO2+1.035 K2O-0.074 CaO+1.687 TiO2-17.250 MnO+3.051)，其多數數據點落入大陸島弧的區域內(圖8)；按照Bhatia and Crook[35]提出的La-Th-Sc, Th-Sc-Zr和Th-Co-Zr構造判別圖解，樣品大部分數據點落在大陸島弧區，個別數據點落在判別區外(圖9)。這表明研究區源區的構造環境可能屬于大陸島弧環境。

A.大洋島弧；B.大陸島?。籆.活動大陸邊緣；D.被動大陸邊緣圖7 砂巖形成構造環境的TiO2-Fe2O3+MgO判別圖解Fig.7 TiO2-Fe2O3+MgO composition plots of sandstone for tectonic setting discrimination

A.克拉通內部；B.陸緣?。籆.碰撞造山帶；D.大陸島弧；E.大洋島弧.圖8 砂巖物源環境F1-F2判別圖解Fig.8 F1-F2 plot of sandstone for provenance discrimination

A.大洋島弧; B.大陸島弧; C.活動大陸邊緣; D.被動大陸邊緣圖9 La-Th-Sc, Th-Sc-Zr和Th-Co-Zr構造判別圖解Fig.9 La-Th-Sc, Th-Sc-Zr and Th-Co-Zr tectonic environment discrimination diagram

5 結論

(1)唐家屯組泥質粉砂巖礦物組成為石英+鈉長石+伊利石±綠泥石±綠泥石/蒙皂石混層±高嶺石。巖石樣品的ICV指數和CIA指數反映了源區巖石經歷了中等化學風化作用，成分成熟度較低。樣品的這些特點反映其物質來源為長英質巖石，巖石的物源區可能屬于松嫩地塊。

(2)唐家屯組泥質粉砂巖的微量元素V、Ni含量高，B，Sr含量低，具較高的V/Ni、V/(V+Ni) 值和較低的Sr/Ba值，反映其沉積環境為陸相還原環境。

(3)唐家屯組泥質粉砂巖SiO2、Al2O3、K2O含量高，CaO、MgO、Na2O含量低的特點，及La-Th-Sc，Th-Sc-Zr，Th-Co-Zr元素含量的關系，指示了巖石形成時的構造背景為大陸島弧環境。