桂東大桂山地區寒武系砂巖地球化學特征及沉積構造環境分析

吳年冬, 王忠偉, 倪戰旭, 彭 展

(廣西壯族自治區區域地質調查研究院, 廣西 桂林 541003)

0 引 言

華南板塊由北西側的揚子地塊和南東側的華夏地塊組成,兩地塊的邊界為欽杭結合帶[1], 該帶是一個經歷了多期演化的復雜構造帶[2], 該界線的北東段(浙贛段)比較清楚(在萍鄉-江山-紹興等超殼斷裂帶之間)[3-4], 而此界線由萍鄉往南西延伸進入湖南之后, 由于蓋層覆蓋嚴重, 導致界線爭議很多。在2017年的《廣西地質志》中, 該界線被認為在廣西境內是沿峒中-小董-梧州-賀街斷裂帶。

欽杭結合帶東段由揚子與華夏地塊在晉寧期或四堡期(早新元古代)碰撞對接形成江南造山帶[3,5-9]， 但是江南造山帶往南西段(湘桂段)的延伸因南華紀—中生代巨厚沉積物覆蓋, 而無法明確限定的物質記錄, 其構造屬性仍存在較大分岐。

一種觀點認為華南板塊自新元古代后進入陸內演化階段, 早古生代的加里東運動和中生代的印支運動均為陸內造山作用[9-10]。另一種觀點認為晉寧運動后為一殘留洋盆, 且該盆地一直延續到加里東期[3, 5-8, 11-14]。還有一種觀點認為華南地區為特提斯洋的多島洋盆體系的一部分, 并認為揚子與華夏地塊之間(中段與南段)在加里東期拼合之前存在一個洋盆——南華洋[15]。

由上可見, 加里東期揚子地塊與華夏地塊之間盆地性質的厘定, 對華南大地構造的屬性的確定具有十分重要的意義。近年針對上述爭論，柏道遠等[16]、 杜曉東等[17]、 王鵬鳴等[18]通過對湘東南、 桂中的大瑤山-大明山、湘桂交界的苗兒山和湘南金雞嶺地區震旦-寒武系碎屑巖進行了巖相學、 地球化學的研究, 認為揚子地塊與華夏地塊之間新元古代—早古生代期間的沉積盆地不是深海槽或大洋, 而是位于被動大陸邊緣的淺海盆地[16-18]。 但是這些工作多集中在湘東南、 桂中、 桂北地區, 而對揚子地塊與華夏地塊結合帶西南段湖南與廣西交界的桂東地區開展工作有限。因此, 本次研究對桂東大桂山地區賀街-梧州斷裂兩側寒武系砂巖進行了地球化學分析, 通過常量元素、 微量元素及稀土元素的研究, 確定了寒武系砂巖的構造環境, 以此對該地區早古生代揚子與華夏地塊之間的盆地性質進行限定。

1 地質概況

桂東大桂山地區地處揚子地塊與華夏地塊的交接地帶(圖1), 區內大量出露寒武紀地層, 多為復理石、 類復理石碎屑巖沉積，自下而上主要劃分為小內沖組、 黃洞口組。小內沖組主要為灰綠色雜砂巖、 長石石英雜砂巖、 不等粒雜砂巖與砂質泥巖互層, 夾粉砂巖、 (含炭)泥巖, 發育水平紋層、 水平層理。黃洞口組巖性主要為灰綠色、 灰黃色厚層塊狀不等粒雜砂巖、 石英雜砂巖、 長石石英雜砂巖、 雜砂巖、 粉砂巖與泥巖、 粉砂質泥巖不等厚互層, 局部含炭泥巖, 底部多為含細礫粗砂巖， 該組多見砂巖包裹泥巖碎屑、 泥礫等, 具槽模、 溝模構造, 發育粒序層理、 交錯層理、 微斜層理及水平層理(圖2)。研究區內未見頂, 其上為泥盆系蓮花山組礫巖不整合覆蓋。

2 砂巖地球化學特征

本次工作在賀街-梧州斷裂北西側賀州市信都鎮大桂山地區、 梧州市沙頭鎮天子位一帶采集了8件樣品, 在南東側賀州市鋪門鎮松坪村、 梧州市石橋鎮七星坪一帶采集了9件樣品, 總計17件。樣品采集地點覆蓋了大桂山地區大部分區域, 具有較廣泛的代表性。所分析的17件樣品, 主要為較新鮮的厚層塊狀中細粒砂巖, 部分為不等粒、 粗粒砂巖樣品, 砂巖主要礦物有石英(52%～76%)、 長石(0～10%)、 巖屑(1%～15%)、 云母(<5%), 粒徑為0.003 9～1 mm, 碎屑物呈次棱角狀-次磨圓狀。測試前對樣品進行了清洗、 粉碎, 主量元素、 微量元素和稀土元素分析由國土資源部武漢礦產資源監督檢測中心完成, 分析儀器分別為X熒光光譜儀(XRF-1800)、 電感耦合等離子體質譜儀(X2)、 等離子發射光譜儀(ICAP6300)、 粉末固體進樣電弧發射光譜儀(CCD-I)。測試結果見表1。

2.1 主量元素分析

成分變化指數(ICV)被廣泛用于估計細屑巖的原始成分變化, 判斷一個細屑巖的巖石序列是代表第一次沉積的沉積物還是源于再循環的沉積物[19]。

圖1 大桂山地區所處大地構造位置(a, 據2017年《廣西地質志》修改)和區域地質略圖(b)

圖2 大桂山地區寒武系砂巖淺水沉積環境的標志

表1 桂東寒武紀砂巖巖石化學成分(wB/%)、 微量元素豐度(wB/10-6)及特征值

續表1

ICV=(Fe2O3+K2O+Na2O+CaO*+MgO+MnO+TiO2)/Al2O3,

式中: 氧化物含量為摩爾分數; CaO*是指硅酸巖中的CaO; K2O經過鉀化校正。 如果ICV值大于1, 表明它們含有很少的粘土礦物, 反映是在活動的構造帶首次沉積，而ICV值小于1, 表明沉積物質經歷了再循環或是在強烈的化學風化條件下首次沉積[19]。研究區ICV值均小于1, 平均值0.69, 表明沉積物中有大量的粘土礦物, 可能是經歷了再沉積的產物或者是強化學風化環境的首次沉積物。

化學蝕變指數(CIA)最初是作為能夠定量反映物源區源巖化學風化程度的一個化學指標。 隨后, 該指數被引用于定量地反映沉積物沉積時的古氣候環境研究[20], 其表達式為

CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)×100,研究區樣品的CIA指數除C1716為62.2、 C1719為87.5, 其余為66.8～81.7, 平均為76.5。 研究區樣品CIA值大部分在65～85, 反映溫暖、 濕潤條件下中-高等的化學風化程度[19]。

K2O含量為1.5%～4.1%, Na2O為0.03%～2.17%。反應淋濾程度的K2O/Na2O值變化于0.93～65.33, 平均值11.7， 不同樣品之間差別較大。K2O/Na2O值高的樣品可能表明樣品受過強烈的淋濾作用, 使Na大量淋濾丟失, 而K較多的保留。K2O/Na2O值同樣也受沉積盆地構造環境的制約, 根據現代沉積物的組成特征, 火山活動強烈環境的現代深海濁積巖中的砂巖K2O/Na2O<1, 沉積盆地邊緣砂巖的K2O/Na2O>1[18], 研究區K2O/Na2O值基本>1, 由此可以判斷研究區的樣品主要為遠離火山活動的沉積盆地邊緣的碎屑巖。

Rollison等[21]提出了區分物源區主要是鐵鎂質的、 中性的或長英質火成巖和石英沉積巖的判別圖解。本文根據TiO2、 Al2O3、 Fe2O3、 MgO、 CaO、 Na2O、 K2O而建立的多變量判別函數圖解進行投圖, 研究區寒武系砂巖在限定物源區特征的圖解(圖3)中均投入石英巖沉積巖源區; 在物源區指紋的判別圖解(圖4)中, 有7件樣品投入中性巖火成物源區, 4件樣品投入長英質火成物源區, 6件樣品投入石英巖沉積巖源區。

圖3 砂巖限定物源區特征圖解(底圖據文獻[21])

圖4 砂巖物源區指紋判別圖解(底圖據文獻[21])

2.2 微量元素特征

大量研究表明, La、 Ce、 Th、 Zr、 Nd、 Y、 Hf、 Nb、 Sc、 Co和Ti等弱活動或不活動的稀土、 微量元素, 對于碎屑巖物源區的判別具有重要的意義。研究區微量元素含量特征見表1。

在TiO2-Ni圖解(圖5)中, 多數樣點落入長英質區域、 泥巖、 砂巖區域及其附近, 明顯遠離鎂鐵質區域, 反映其物源為長英質巖石區, 兼有成熟的再循環沉積物的特征。在La/Th-Hf圖解(圖6)中, 多數樣點來自上地殼、 長英質源區、 古老沉積組分增加趨勢, 少量為長英質與玄武質混合源區, 表明研究區寒武系碎屑巖成分以來自地殼長英質、 石英質巖石為主, 含有少量的火成物源及古老再循環沉積物。

在微量元素上地殼標準化值蛛網圖上(圖7), 研究區樣品普遍表現為Nb、 Sr、 P、 Ti相對虧損, Th、 La、 Nd、 Sm、 Cr相對富集。這些特征與被動大陸邊緣的樣品相似, 具有成熟大陸殼的特點[17]。

圖5 TiO2-Ni圖解(底圖據文獻[17])

圖6 La/Th-Hf圖解(底圖據文獻[17])

圖7 研究區寒武系砂巖微量元素蛛網圖及其與不同構造環境[17]對比(上地殼標準化數據引自文獻[21])

在La-Th-Sc圖解(圖8a)中, 寒武系砂巖樣品都落在活動大陸邊緣和被動大陸邊緣區域或附近;在Th-Sc-Zr/10圖解(圖8b)中, 有半數樣點都落入活動大陸邊緣, 一個樣點落入被動大陸邊緣, 其余樣點多數落在這兩者之間; 在Th-Co-Zr/10圖解(圖8c)中, 多數樣點也都落入活動大陸邊緣與被動大陸邊緣之間。

2.3 稀土元素特征

稀土元素含量及特征值見表1、 表2。 稀土元素含量總體較高,∑REE為(208.35～891.83)×10-6, 平均386.72×10-6。稀土元素中的LaN/YbN值是反映輕重稀土元素分餾程度的指數,研究區寒武系砂巖的LaN/YbN為7.3～40.1, 平均為14.35, 表明輕重稀土的分餾程度較高; 輕稀土元素的LaN/SmN為3.22～6.46, 平均為4.4; 重稀土元素的GdN/YbN為1.58～2.62, 平均值為2.02, 表明輕稀土元素的分餾程度高, 重稀土元素的分餾程度低。

LREE/HREE值較高, 為6.99～15.23, 平均9.33, Eu/Eu*值為0.43～0.70, 平均為0.59, 具中等的銪負異常。Ce/Ce*值除樣品C1809大于1以外, 其余為0.23～0.97, 平均值0.78, 表明其沉積環境應為氧化環境。

圖8 砂巖構造環境La-Th-Sc(a)、 Th-Sc-Zr/10(b)、 Th-Co-Zr/10(c)判別圖(底圖據文獻[16])

表2 研究區與不同構造背景下雜砂巖REE參數

稀土元素的球粒隕石標準化配分模式呈明顯右傾型(圖9)，輕稀土富集， 與上地殼和后太古宙頁巖相似[21], 說明它們來自上地殼。

Bhatia對現代已知盆地構造成因類型中砂巖、 泥巖的一些特征參數進行了總結, 確定了不同構造環境下砂巖稀土元素特征參數值(表2)。 研究區砂巖的La、 Ce、 ∑REE、 La/Yb、 LaN/YbN與被動大陸邊緣相似, LREE/HREE值與活動大陸邊緣相似, Eu/Eu*值與活動大陸邊緣、 被動大陸邊緣相似。

圖9 稀土元素的球粒隕石標準化曲線(球粒隕石標準化值引自文獻[21])

3 沉積構造環境分析

雖然風化作用、 搬運作用、 沉積作用、 成巖作用和物源區的成分都會影響到沉積巖的化學組成, 但是沉積巖的化學成分也受沉積盆地的構造環境控制, 因此, 一些沉積巖的地球化學指標可以被用來分析風化環境、 物源區成分和沉積盆地構造環境等信息[17, 23]。

綜上所述, 研究區寒武系雜砂巖組分總體成熟度較低, 在溫暖、 濕潤條件下具中-高的化學風化程度, 并且包含了一些再沉積的產物。

在研究區砂巖的主要元素判別圖解中(圖10), 寒武系雜砂巖樣點大部分投入活動大陸邊緣, 有2件樣品投入被動大陸邊緣、 2件樣品落入大陸島弧、 1件樣品落入大洋島弧。

在砂巖的雙變量判別圖解(圖11a)中, 有9件樣品落入大陸島弧中, 2件樣品落在活動大陸邊緣或附近, 其余各樣品比較分散； 而在圖11b的判別圖中, 樣品點比較分散, 1件樣品落在大洋弧中, 2件樣品落在大陸弧中, 2件樣品落在活動大陸邊緣, 1件樣品落在被動大陸邊緣, 其余均分散或靠近活動大陸邊緣、 被動大陸邊緣。

圖10 砂巖的構造環境判別函數圖解(底圖據文獻[21])

在砂巖沉積盆地構造環境的K2O/Na2O-SiO2圖解(圖12a)中， 樣品大部分落在被動大陸邊緣, 僅有4件落在活動大陸邊緣；在SiO2/Al2O3-K2O/Na2O圖解(圖12b)中, 樣品均落在被動大陸邊緣。

綜合微量元素的圖解特征，研究區寒武系樣品基本落在活動大陸邊緣或者被動大陸邊緣, 稀土元素的參數特征接近被動大陸邊緣, 主量元素的圖解中樣品基本落在活動大陸邊緣、 被動大陸邊緣, 兼具其他構造環境的特征。

4 討 論

通過對大桂山地區寒武紀砂巖地球化學特征分析, 認為區內在寒武紀為被動大陸邊緣環境, 并無洋盆的存在。這一推論, 還有以下證據:

研究區內寒武系中多處發現了砂巖包裹泥巖碎屑、 交錯層理、斜層理、泥礫等淺水沉積環境的標志, 說明研究區早古生代沉積盆地為淺海環境, 而不是大洋。

鄰區的生物地層學、 古生態學、 沉積古地理等方面的研究顯示, 揚子地塊到華夏地塊于早古生代是連續統一的陸內海盆, 兩者之間并不存在深海槽和大洋[17]。

圖及雙變量關系圖(底圖據文獻[21])

圖12 主量元素構造環境判別圖解(a底圖據文獻[21]; b底圖據文獻[22])

通過對ICV值的分析表明, 桂東大桂山地區寒武系的砂巖可能是經歷了再沉積的產物。從不同構造背景下的剝蝕原巖(繼承性因素)來看, 被動大陸邊緣的地球化學特征可能包括較多的大陸島弧和活動大陸邊緣環境的地球化學信息[16]。桂東大桂山地區寒武系砂巖的地球化學特征顯示其主要具被動大陸邊緣、 活動大陸邊緣的環境信息, 極少量樣品顯示具大陸島弧、 大洋島弧構造特征。因此認為該地區寒武系砂巖應形成于被動大陸邊緣環境。

在鄰區湘東南、 桂中的大瑤山-大明山、 湘桂交界的苗兒山和湘南金雞嶺地區早古生代沉積巖的地球化學特征也表明，古生代沉積盆地為被動大陸邊緣的陸內裂谷環境[16-18]。

5 結 論

(1)對主量元素TiO2、 Al2O3、 Fe2O3、 MgO、 CaO、 Na2O、 K2O建立的多變量判別函數圖解和微量元素、 稀土元素的TiO2-Ni、 La/Th-Hf圖解分析可以判斷, 研究區寒武系沉積物的物源區以上地殼長英質、 石英質巖石為主, 含有少量的火成物源及古老再循環沉積物。

(2)根據主量元素、CIA值等研究認為, 研究區寒武系砂巖是在溫暖、 濕潤且遠離火山活動的沉積盆地邊緣中沉積的碎屑巖; 通過稀土元素Ce及Ce/Ce*值的研究認為, 其沉積環境應為氧化環境。