華北北緣化德—康保一帶化德巖群原巖恢復及沉積環境探討

田 賀，王立考，李博文，李艷杰，王 政

(中國建筑材料工業地質勘查中心河北總隊，河北 保定 071051)

華北陸塊北緣在其演化期間發生了一系列重大地質事件，經歷了多次構造熱事件。與此同時，伴隨產生了大規模成礦作用，形成了十分豐富的礦產資源[1]。前人對化德巖群研究主要集中在化德巖群地層劃分、巖石礦物學特征、年代等研究，對化德巖群原巖恢復尚未進行系統研究。對變質巖的原巖恢復研究表明，依據不同的變質巖原巖類型有特定的微量元素組成及其比值特征這一特性，運用巖石地球化學方法對化德巖群變質巖進行研究，采用地球化學穩定性較強，在地殼中廣泛分布且有指示意義的微量元素及其相關比值、圖解方法可以有效指示其形成環境及與某種礦產之間的關系[2]。本文在對化德巖群進行巖相學特征研究的基礎上，運用巖石地球化學方法對其進行原巖恢復研究，探討其形成時的古構造環境，以期為今后化德巖群中礦產資源探尋提供指導意義。

1 區域地質特征

化德巖群主要分布在內蒙化德縣、河北康保縣，向東延至內蒙太仆寺旗。大地構造位置處于柴達木—華北板塊、華北陸塊、華北北緣沉降帶[3]。區內地層主要為新太古界中深變質的紅旗營子巖群及古元古界淺變質的化德巖群，化德巖群主要為鈣硅酸鹽類、長石石英巖類、片巖—千枚巖類和碳酸鹽巖類。鈣硅酸鹽類包括透閃巖和透輝巖，僅分布于戈家營組中，宏觀上巖石成層性好，致密堅硬，常形成正地形。長石石英巖類包括石英巖、變質砂巖等，三夏天組、毛忽慶組、頭道溝組和北流圖組中該巖類為主體巖石類型，而在朝陽河組和戈家營組中則呈夾層出現。片巖—千枚巖類巖石在化德群中分布廣泛，其中朝陽河組、三夏天組及戈家營組一段中片巖類極為發育；頭道溝組中千枚巖、板巖為主要巖石類型；毛忽慶組、北流圖組和戈家營組段中該巖類以夾層形式產出。碳酸鹽巖類主要為大理巖，產出層位主要為頭道溝組和戈家營組，成層性好，厚度巨大。局部地段有中生界侏羅系陸相火山沉積建造不整合覆蓋在變質基底之上。新生界第四系覆蓋較厚且遍布全區，主要為殘坡積物、沖洪積物和風積物[3]。工作區內褶皺及斷裂構造發育，巖漿活動強烈(圖1)。化德巖群礦產主要為低品位赤鐵礦、褐鐵礦、晶質石墨礦、石英巖礦等。

圖1 化德—康保一帶地質背景簡圖

2 巖相學特征

化德巖群主要為一套鈣硅酸鹽—碳酸鹽巖—變質泥質巖—變質碎屑巖組合。依據礦物成分、結構構造特點，可歸納為鈣硅酸鹽類、長石石英巖類、片巖—千枚巖類和碳酸鹽巖類。本次共采集樣品12件，石英巖類4 件、片巖類4 件、鈣硅酸鹽3 件、變質碳酸鹽1 件，均來自頭道溝—戈家營一帶地質填圖采樣，主要在戈家營組和三夏天組中采集，基本上代表了該群所有巖石類型。巖石主要呈灰白、灰褐、深灰、灰黑色，粒狀—鱗片粒狀變晶結構、斑狀變晶結構，變余層狀構造、塊狀構造、局部變余砂狀結構、片狀或千枚狀構造，化德巖群變質巖顯微照片見圖2，主要礦物成分詳述如下。

圖2 化德巖群變質巖顯微照片

石墨：多呈粒狀或鱗片狀，片徑大小一般為0.01～0.05mm，少數為0.05～0.1mm，個別為0.1～0.3mm，多數呈集合體分布，沿黑云母、白云母解理分布，部分分布于石英顆粒內部或填隙于石英顆粒之間，大部分集合體呈條痕狀定向分布，石墨含量1%～15%。

石英：多呈拉長狀，粒徑0.2～1.25mm，多聚集成團塊狀、似條痕狀無規則分布，石英顆粒大小較為均勻，石英顆粒彼此鑲嵌排列，少數顆粒略顯定向拉長，部分顆粒亦保存有變余砂粒特征，多見石英內部包嵌鱗片狀石墨、云母。

斜長石：呈他形粒狀，粒徑0.1～0.5mm，集合體呈似條紋、似薄層狀定向分布，表面渾濁，發生較強烈的土化，長石解理縫和裂理內部多見有赤鐵礦充填。

黑云母、白云母：呈半自形片狀，部分發生彎曲變形，片徑大小一般為0.1～0.4mm，多沿長軸方向定向分布，呈條帶狀或團塊狀集合體，黑云母多被綠泥石交代。

方解石：呈自形、半自形粒狀，粒徑0.2～1.3mm，集合體呈條痕狀、透鏡狀及似層狀平行定向展布，礦物長軸定向，礦物間以平直邊界呈鑲嵌狀分布。

透閃石：無色針柱狀、毛發狀，粒度1mm，集合體呈放射狀、束狀。

透輝石：無色，半自形—他形粒狀，粒度0.1～0.3mm，具褐鐵礦化，以不規則形態與石英、方解石互呈鑲嵌狀分布。

副礦物種類主要為鋯石、磷灰石、褐鐵礦、磁鐵礦、金紅石等。各巖類鋯石形態與陸源碎屑鋯石特征一致，呈渾圓—次渾圓柱狀，表面粗糙，可見麻點凹坑，并具鐵染。另外，鋯石粒度0.2～10.2mm，變化較大，表明原巖中富含砂質，可能為砂質粘土巖類，且物質來源具有多樣性，或與搬運距離和埋藏速度有關，基本反映了沉積巖的特征[4]。

綜上所述，從巖石的礦物成分、結構、構造來看，其原巖應為砂泥質—碳酸鹽巖組成，礦石局部還保留有變余砂狀結構[2]。

3 地球化學特征

3.1 常量元素特征

3.1.1 石英巖類

樣品(1-4)：SiO2含量84.28%～96.92%，平均90.64%；Al2O3為1.21%～7.81%，平均4.43%，與石英砂巖SiO2含量95.4%相近[5]，Al2O3偏高，但總體較為接近，顯示原巖為石英砂巖，巖石中可能混有少量泥質或有機質成分；Na2O 為0.04%～0.6%，平均0.2%；K2O 為0.42%～1.79%，平均1.14%，遠高于石英砂巖的0.2%；K2O 明顯高于Na2O，說明原巖高鋁、富鉀的特征(表1)。

表1 化德群常量元素分析結果 (單位：%)

3.1.2 片巖類

樣品(5-8)：SiO2為60.08%～75.72%， 平 均70.42%；Al2O3為1.38%～20.12%，平均11.94%；K2O為0.03%～3.28%，平均2.25%；Na2O為0.06%～0.32%，平均0.20%；K2O 明顯高于Na2O。其中SiO2與Al2O3具有明顯的負相關性。分析結果顯示其成分總體介于長石砂巖和雜砂巖的平均值之間，具有高鋁、富鉀特征。

3.1.3 鈣硅酸鹽類

樣品(9-10)：SiO2為56.86%～66.80%，平均61.81%；Al2O3為6.21%～12.18%，平均9.20%；MgO 為3.54%～5.58%，平 均4.56%；CaO 平 均13.49%。其成分在雜砂巖和頁巖之間，僅Al2O3偏低，CaO、MgO 明顯偏高。樣品(11)：SiO239.90%、Al2O31.62%、MgO 0.48%、CaO 36.98%。總體介于灰巖和頁巖平均值之間，僅SiO2含量較高，K2O含量明顯高于Na2O，基本反映了沉積巖的特征。

3.1.4 變質碳酸鹽類

樣品(12)：SiO2為7.18%，CaO 為49.45%，MgO為1.4%。與灰巖平均值相似，MgO 略顯偏低，反映了沉積巖特征。

3.2 微量元素特征

3.2.1 石英巖類

與砂巖微量元素含量平均值相比，本巖類V、Ni、Th、Co 元素豐度值略顯偏高，Ba 含量普遍較高，而Cr、Rb、Ga 元素豐度值偏低，Sr 含量較低，其它元素豐度值基本接近；Sr/Ba=0.03～0.11，平均0.07。一般認為Ba 在淡水環境含量較高，而Sr在海相環境含量較高，因此，本巖類形成于水體較淺，離岸稍近的沉積環境(表2)。

3.2.2 片巖類

該巖類微量元素豐度值基本介于砂巖和頁巖平均值之間。但Zr 元素含量較高，是砂巖和頁巖平均值的1.7 和2.3 倍，可知巖石中含有一定量的陸源碎屑。V/Ni 平均比值為8.56，Sr/Ba 比值均＜1，由此可知，該類巖石形成于離岸較遠，泥質成分相對增加的沉積環境。

3.2.3 鈣硅酸鹽巖類

一般認為微量元素多富集于粘土質巖石中，高于砂巖和碳酸鹽巖的豐度值，其中Sr 常富集于碳酸鹽巖中，Zr 則傾向于在砂巖中富集。從總體來看，該巖類微量元素多介于頁巖與碳酸鹽巖和砂巖之間。而Sr 豐度值比碳酸鹽巖偏低，Zr 豐度值明顯低于砂巖和頁巖的平均值。由此可見該巖類原巖介于頁巖與碳酸鹽巖、砂巖平均值之間，鈣鎂含量較高，且泥、鈣質成分隨巖石不同而變化。

3.2.4 變質碳酸鹽巖類

該巖類與碳酸鹽巖平均值相比，巖石中Sr、Li元素虧損，Zr 元素相對富集，元素中以親碳酸鹽巖元素占優勢，陸源物質明顯減少，表明本區原巖形成時水體較深，但仍混雜有數量不等的泥砂質成分。

表2 化德群微量元素含量一覽表 (單位：×10-6)

3.3 稀土元素特征

3.3.1 石英巖類

∑REE=15.62-199.12×10-6，平 均78.20×10-6，普遍偏低；(La/Yb)N=2.45～7.57，平均5.88，輕、重稀土分餾程度較高；δEu=0.53～0.62，平均0.57，銪虧損明顯。稀土配分曲線基本一致，均表現為輕稀土部分向右緩傾，重稀土部分向左緩傾，形成不對稱“V”型谷(圖3)，但樣品3、4 稀土總量稍高，顯示其原巖中含有一定量的泥質或長石質成分。可知該巖類稀土元素總體特征與中國槽區砂巖相似(表3)。

3.3.2 片巖類

∑REE=189.91-330.12×10-6，高于石英巖類3 倍，這可能與片巖類含有較多的泥質成分有關；稀土配分曲線近于一致(圖3)，輕稀土部分右傾，斜率不大，重稀土部分平緩，表明輕稀土較富集，而重稀土相對虧損。∑Ce/∑Y=2.80～7.39，(La/Yb)N=5.76～7.19，表明輕重稀土分餾程度較高；δEu=0.53～0.65，銪虧損較強烈。顯示稀土元素豐度特征介于北美頁巖和槽區砂巖之間，兼有泥、砂質的過渡特征[6]。

圖3 化德群(石英巖1-4、片巖5-8、鈣硅酸巖9-11、變質碳酸巖12)稀土曲線配分模式圖

3.3.3 鈣硅酸鹽巖類

∑REE=34.87-205.48×10-6，變 化 較 大，平 均121.57×10-6；稀土配分模式一致，均為右傾“V”型曲線(圖3)，但稀土曲線離散性較大，表明原巖中含有不同數量的泥質、鈣質及砂質成分。∑Ce/∑Y=2.73～3.20，(La/Yb)N=7.10～7.28，顯示輕稀土富集，輕重稀土分餾程度較高；δEu=0.42～0.55，具較明顯的負銪異常。樣品9、10 稀土元素含量及模式曲線介于中國槽區砂巖和北美頁巖兩者之間；而樣品11 則介于大陸殼碳酸鹽巖和北美頁巖之間。

表3 化德群稀土元素含量及特征參數 (單位：×10-6)

3.3.4 變質碳酸鹽巖類

∑REE=66.38×10-6，顯示稀土元素總量較低；∑Ce/∑Y=1.31，(La/Yb)N=2.61，表明輕重稀土分餾程度明顯；δEu=0.37，中度虧損。稀土配分曲線向右傾斜(圖3)，輕稀土斜率較大，重稀土趨于水平。稀土元素總量明顯高于大陸碳酸鹽巖平均值，這可能與原巖中不溶組分(碎屑)有關，即含有砂、泥質成分。

4 原巖恢復

原巖恢復主要依據野外宏觀特征、巖石組合類型、變余結構構造等進行判定[7]，并結合巖相學、地球化學以及圖解判別法對巖石的原巖類型進行探討[4]。

化德巖群為一套淺變質地層。宏觀上，不同巖石類型均保留較明顯的原始沉積構造；鏡下觀察，沉積巖的諸多變余結構、構造保存完好(圖3)[1]。顯然，化德巖群原巖為沉積巖。在宏、微觀調查研究的基礎上，結合地球化學分析結果對該群原巖類型進行了圖解判別[6]。

4.1 石英巖類

在利克(al+alk)-C 圖解中(圖4)，4 件樣品(樣品1-4)落入正常粘土—長石質粘土和雜砂巖區；在涅洛夫(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解中(圖5)，樣品1-3 落入石英砂巖、石英巖區，樣品4 落入長石砂巖區。該類巖石與其他巖石呈互層狀產出，野外宏觀上成層性好，延伸穩定，巖層中保存有斜層理、粒序層理、波痕等變余沉積構造，部分巖石仍可見變余砂狀結構。綜合上述特征，其原巖以石英砂巖為主，長石石英砂巖次之，巖石中混有極少量泥質或有機質成分。

4.2 片巖類

在西蒙南(al+fm)-(c+alk)-Si 圖解中(圖6)，樣品5-8 落在砂質沉積巖與泥質沉積巖的過渡區，其中樣品5、6、7 砂質物相對較多，而樣品8 泥質物含量趨于增高；在(al-alk)-C 圖解中(圖4)，樣品5、6、8 落入正常粘土區，樣品7 投入正常粘土區與鋁質粘土區交界處，顯示了樣品7、8 鋁質成分較樣品5、6 增高；在(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解中(圖5)，樣品5 落入復礦砂巖與長石砂巖過渡區，并靠近含泥質砂巖、寒溫帶粘土區，樣品6 投入圖解下方硅質泥灰巖、含鐵砂巖區，樣品7 落在復礦砂巖—長石砂巖與含泥質膠結物砂巖、寒溫帶粘土交界處，樣品8 投入海相—陸相粘土巖區；在尼格里四面體圖解中(圖7)，所樣品投點均落入粘土質沉積巖區。綜合以上特征，并結合野外宏觀特征，可知片巖類原巖為粘土質粉砂巖及粘土巖(泥巖、頁巖)，少數為泥質砂巖[8]。

圖4 (al+alk)-C 圖解(據利克，1969)

4.3 鈣硅酸鹽巖類

在(al+alk)-C 圖解中(圖4)，樣品9、12 落入粘土—白云巖混合物區與粘土—石灰巖混合物區之間，樣品10 落入粘土—白云巖混合物區，樣品11投入石灰巖區；在(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解中(圖5)，樣品9 落入鈣質砂巖、含鐵砂巖區，樣品10 落入硬砂巖區，樣品11 投入含鐵石英巖區，樣品12 落入硅質泥灰巖、含鐵砂巖區。另外，巖石化學成分和地球化學特征顯示，該巖類總體由鈣質砂泥巖向碳酸鹽巖過渡，其中樣品11、12 向碳酸鹽巖過渡的特征更為明顯。宏觀上，該類巖中發育石變余紋層理，局部可見變余砂狀結構。綜上所述，該巖類原巖主要為鈣質砂頁巖、白云質泥灰巖及泥灰巖。

圖5 (Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解(據涅洛夫，1974)

圖6 (al+fm)-(c+alk)-Si 圖解(西蒙南，1953)

圖7 尼格里四面體圖解(據尼格里，1954；轉引自契特維里科夫，1956)

4.4 變質碳酸鹽巖類

在(al+alk)-C 圖解中(圖4)，樣品12 落入石灰巖端區；在(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解(圖5)中，樣品12 投入圖解外，表明Ca、Mg 含量更高；在尼格里四面體圖解中(圖7)，樣品落在灰巖區。該巖與鈣硅酸鹽巖類呈互層產出，部分巖石中可見變余砂屑。綜上可得，該類巖原巖主要為含砂屑灰巖、泥質白云質灰巖及泥質灰巖[2]。

5 構造環境淺析

地質活動過程的不同方式賦予了獨特的地球化學標志，研究巖石地球化學特征對反演源區系統的古構造和古地理重建至關重要。本文主要是在野外宏觀和室內鏡下觀察基礎上，據常微量元素特征，借助相關圖解對化德—康保一帶化德巖群變質巖進行構造環境分析。

Sm/Nd 比值是反映ΣREE 分餾程度的重要參數之一，也是反映物質來源的一個重要參數。如地幔為0.260～0.375，大洋玄武巖為0.234～0.425，而源于殼層的花崗巖類及各類沉積巖一般＜0.3。該 區Sm/Nd 值 除12 號 樣 透 輝 大 理 巖0.33 外，其余介于0.18～0.25，均值0.22，落在沉積巖區[12]。本區除樣品7 外，11 件樣品Y/Ho 比值在20.77～30.65，平均值26.35，與現代河水或河口水體(25-28)相近[9]，反映出明顯的海水性質。一般認為La 在陸源物質中相對富集，Ba 在淡水環境含量較高，而Sr 在海相環境含量較高。而本區(La/Yb)N 的值介于2.45～7.57，均＞1。1-8 號樣Sr/Ba=0.03～0.16，平均0.08。因此，可推斷為離岸稍近的海洋淺水環境。但9-11 樣品Sr/Ba=0.82～7.51，平均3.39，元素中以親碳酸鹽巖元素占優勢，陸源物質明顯減少，表明形成時水體較深，但仍混雜有數量不等的泥砂質成分。Ni/Co 比值可用來判別氧化—還原環境，本區Ni/Co比值在0.56～5.25 之間，平均1.99，總體顯示為氧化環境(＜5.0)，僅有1 個樣品落入次還原環境(5.0～7.0 之間)[9]。Rb/Sr 值介于0.05～5.52，＜18，指示古氣候為干旱氣候[2]。

綜上所述，化德巖群原巖類型為一套砂泥質—碳酸鹽巖組成的類復理石建造。沉積環境總體為潮坪—潮下—開闊海(淺海)沉積。從地層展布、巖性組合及縱橫相變化特征綜合分析[10]，可知海槽南界大致在康保東60km 外太仆寺旗—閆油坊—張紀鎮一線，水體自南向北變深。

6 結論

本文采用巖石學、巖石地球化學方法結合恢復了化德巖群變質巖的原巖類型，并探討了其古沉積環境，得出以下結論。

(1)該巖群主要為一套鈣硅酸鹽—碳酸鹽巖—變質泥質巖—變質碎屑巖組合，其原巖類型為一套砂泥質—碳酸鹽巖組成的類復理石建造。

(2)構造環境判別表明化德巖群變質巖沉積環境總體為潮坪—潮下—開闊海(淺海)沉積。Sm/Nd 均 值0.22，落 在 沉 積 巖 區；Y/Ho 比 值20.77～30.65，反映出明顯的海水性質；(La/Yb)N 的值介于2.45～7.57 顯示為陸源物質；1-8 樣Sr/Ba=0.03～0.16 顯示為海洋淺水環境，9-11 樣Sr/Ba=0.82～7.51 表明形成時水體較深；Ni/Co比值在0.56～5.25 之間，指示古氣候為干旱氣候。

(3)目前發現賦存于化德巖群中有晶質石墨、赤鐵礦、磁鐵礦、石英巖礦等礦床。本文開展對化德巖群原巖恢復及古沉積環境探討，在區域成礦規律與找礦預測方面具有重要意義，為找礦方向提供開闊思路。