豫西濟源地區(qū)中元古界大古石組物源示蹤及其構造意義

魏丹峰

(河南理工大學 資源環(huán)境學院，河南 焦作 454000)

古/中元古代哥倫比亞超大陸的聚合—裂解事件是全球性的重大地質事件，對全球的構造格局產生了重大影響[1-2]。1.8 Ga之后，哥倫比亞超大陸在經過短暫的陸緣增生后進入伸展—裂解階段。世界各主要克拉通形成了具有相當規(guī)模的裂谷盆地，這些盆地多發(fā)育有河—湖相沉積和沖積扇相沉積，且發(fā)育有火山熔巖，在華北克拉通，與之相對應的即為華北克拉通南緣的熊耳裂谷系(即熊耳群火山—沉積巖系)[1-2]。前人在區(qū)域內對熊耳群火山巖系進行了大量的巖石學、巖相學、地球化學和鋯石年代學研究，認為熊耳群是拉張背景下噴溢的火山巖系，形成于中元古代1.75～1.80 Ga的夭折的大陸裂谷環(huán)境[3-7]。但是，由于熊耳群底部大古石組碎屑沉積巖出露點少且分布零散，前人對熊耳群大古石組的研究較少，重視程度不夠，僅局限于巖石地球化學方面[8]，未從沉積學方面進行沉積剖面地質特征、沉積相劃分等精細化研究，未能從沉積學角度與地球化學角度進行沉積環(huán)境特征進行相互驗證，另外對沉積環(huán)境演化、物源分析、構造背景等方面也少有涉及。本次選取大古石組碎屑巖出露最好的豫西濟源王屋山地區(qū)銅羅剖面為研究對象，通過對其宏觀沉積特征與微觀元素地球化學特征的分析，劃分沉積相，限定大古石組碎屑巖沉積環(huán)境和物源，并分析大古石組沉積環(huán)境的演化過程，進而為恢復華北克拉通南緣中元古代早期的構造背景提供證據。

1 地質背景

古元古代末—中元古代早期，在哥倫比亞超大陸開始伸展—裂解的背景下，華北克拉通地殼開始拉伸減薄，強烈的拉伸減薄致使基底發(fā)生差異升降，地形起伏較大，形成了多個“三叉裂谷”系，有克拉通北緣燕遼裂谷系、白云鄂博裂谷系，西緣龍首山裂谷系和南緣熊耳裂谷系[9-11]。熊耳裂谷系的北東支逐漸衰退夭折形成熊耳大陸裂谷，在大陸裂谷邊緣，相對隆升的華北克拉通結晶基底遭受剝蝕，經河流、湖泊等搬運至裂谷內的凹陷盆地并在低洼處逐漸沉積并固結成巖，形成熊耳群大古石組，隨著華北克拉通進一步拉伸—裂解，地殼逐漸減薄，引起軟流圈物質上涌，導致熊耳群雙峰式火山熔巖的大規(guī)模噴發(fā)[9-13]。

大古石組在濟源王屋山地區(qū)邵原北一帶出露最好，厚度大，分布連續(xù)[8，11-12]。豫西濟源王屋山地區(qū)，有前寒武系太古宇林山群，古元古界銀魚溝群、鐵山河群雙房群，中元古界熊耳群和汝陽群等出露[11-12](圖1)。

圖1 豫西濟源大古石組地層分布Fig.1 Distribution of Dagushi Formation in Jiyuan，Western Henan

其中年代最久的林山群為一套中等程度區(qū)域變質作用形成的片麻巖、片巖和混合花崗巖建造；銀魚溝群為一套濱海相已遭受不同程度變質的碎屑巖—碳酸鹽沉積建造；鐵山河群為一套厚—巨厚層狀變質石英砂巖、變質砂巖、片巖夾大理巖建造；雙房群為下伏于熊耳群的一套黑云斜長片麻巖、變質砂巖及混合巖建造；熊耳群為不整合覆蓋在華北克拉通基底上的一套巨厚火山巖系建造；汝陽群為一套覆蓋在熊耳群之上的中—新元古界碎屑巖—碳酸鹽沉積蓋層[11-12]。

熊耳群橫跨豫、晉、陜三省，呈“三叉型”分布，分布范圍約40 000 km2，厚度從近1 000 m到7 000 m，其中北東支軸向呈NNE向，并逐漸衰退夭折形成大陸裂谷，在裂谷內發(fā)育有以陸相沉積為主的大古石組及之上的以火山熔巖為主的許山組、雞蛋坪組和馬家河組[8，11-12]。大古石組1963年由河南省區(qū)調隊命名，主要分布于王屋山地區(qū)的濟源邵原(分布連續(xù)、最大厚度212 m，向四周變薄、尖滅，由砂礫巖、砂巖及紫紅色泥質巖組成，砂巖內發(fā)育交錯層理)和欒川白土鎮(zhèn)磨石溝(最大厚度92 m，由砂礫巖、砂巖及紫泥巖組成，砂巖內發(fā)育交錯層理，并普遍含有火山巖夾層)等地，此外，山西垣曲東部、河南汝州和洛寧等地也有零星出露，豫西熊耳山和崤山等區(qū)也有少量出露(覆蓋于太華群之上、許山組底部有時可見到礫巖、砂礫巖，厚度1～30 m，層位相當于大古石組)。濟源地區(qū)大古石組與下伏古元古界雙房群(黑云斜長片麻巖)呈角度不整合接觸，與上覆熊耳群許山組(火山巖)呈整合接觸[8，11]。

研究區(qū)大古石組大致呈SSW-NNE向分布，厚189.50 m，整個剖面碎屑沉積巖從沉積特征上分為下、中、上三段(圖2)。

圖2 濟源大古石組地層綜合柱狀Fig.2 Generalized column of the Dagushi Formation in Jiyuan

下段厚90.5 m，為淺紫色中—厚層中細粒砂巖與黃褐色薄層泥質巖互層，底部砂巖中含礫石，礫徑2 mm～3 cm，成分以石英砂巖為主，多具棱角狀，磨圓度和分選性差，膠結物多為砂質和鐵質。該段自下而上表現為多個下粗上細的正旋回即“二元結構”，每個旋回底部有明顯的沖刷面和呈“疊瓦狀”排列的含礫粗砂巖層，旋回中下部砂巖層具板狀、槽狀交錯層理、粒序層理及平行層理且常見上平下凸的砂巖透鏡體和火焰狀構造，旋回上部多具小型交錯層理、波狀層理的粉砂巖或泥質粉砂巖，個別旋回頂部見泥裂構造。

中段厚51.6 m，由底部的灰綠色中層含礫粗砂巖，中下部的紫紅色中粒砂巖與紫紅色砂泥互層和上部的紫紅色、灰綠色粉砂質泥巖組成。砂巖底部的沖刷面較平緩，含礫砂巖與砂巖的成分和結構成熟度均較低，分選差，是較快速條件下的沉積產物。上部沉積多呈小型透鏡狀，巖層向兩端收斂變薄、尖滅，粒度自下而上明顯變細，發(fā)育中小型交錯層理、波狀層理和平行層理。

上段厚約47.0 m，由下部的紫紅色中—厚層細砂巖，中部的厚層狀紫紅色和灰綠色泥質巖互層和頂部的灰綠色含礫粗砂巖組成，碎屑物質成分成熟度、分選性和磨圓度較下部巖層略好，且呈現下細上粗的反旋回沉積層序，多見粒序、水平層理。除頂部粗砂巖層外，沉積物多表現紅色、紫紅色、褐紅色、黃褐色。

2 元素分析方法及地球化學特征

2.1 元素分析方法

本次選取濟源大古石組剖面采集的10塊泥質巖樣進行全巖微量、稀土元素含量測試，采樣位置如圖2所示。取新鮮泥質巖巖樣塊，在自然條件風干后，實驗用粉碎機粉碎成小塊、再用研磨機研磨至200目以下過篩、裝袋、編號，最后送至澳實分析檢測(廣州)有限公司澳實礦物實驗室化驗。微量和稀土元素的含量采用電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定(詳細測試過程見文獻[13-14])，并進行了重復樣和標樣分析，以保證測試的精確度及精度(5%以內)。

2.2 地球化學特征

(1)泥質巖稀土元素地球化學特征。濟源大古石組泥質巖樣品的稀土元素測試結果及部分特征指數見表1。由表1可知，∑REE含量239.91～367.59 μg/g，平均271.56 μg/g，含量較高，遠高于北美頁巖值的173.21 μg/g。∑HREE含量19.03×10-6～29.98×10-6μg/g，∑LREE含量215.98×10-6～337.61×10-6μg/g。∑LREE/∑HREE比值8.56～12.68，(La/Yb)N比值9.32～15.20，顯示大古石組泥巖巖輕重稀土元素分餾明顯，LREE富集而HREE相對較低的特點；(Gd/Yb)N為1.52～1.87，顯示重稀土變化小，分異程度不明顯。δEu為0.57～0.74，有明顯負異常。δCe為1.00～1.03，顯示無異常。球粒隕石標準化[15]后的REE配分模式圖解(圖3(a))中，曲線向右傾斜，其中La—Eu元素段曲線相對較陡，顯示LREE相對富集，Gd—Lu 段曲線變化較為平緩，HREE相對虧損。北美頁巖組合標準化[16]REE配分模式圖解(圖3(b))顯示，(La/Yb)A為1.34～2.18，平均1.84，無明顯Eu異常，各樣品線條曲線總體呈現相互平行，表明輕稀土元素略為富集，稀土元素含量大致同步變化的特點。

表1 濟源大古石組泥質巖樣品稀土元素測試結果及部分特征指數Tab.1 Testing results of REE from argillaceous samples and characteristic index of the Mesoproterozoic Dagushi Formation in Jiyuan μg/g

圖3 濟源大古石組泥質巖稀土元素球粒隕石與北美頁巖組合標準化配分模式Fig.3 Chondrite and NASC-normalized REE patterns of argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Dagushi Formation in Jiyuan

(2)泥質巖微量元素地球化學特征。濟源地區(qū)大古石組泥質巖樣品的微量元素測試結果及部分特征指數見表2。從微量元素球粒隕石[15]標準化配分模式圖解(圖4(a)) 顯示，樣品的線束分布較為集中，Ba、Nb、Sr元素明顯虧損，Rb、Th、La、Ce、Nd元素富集，呈現明顯的“三峰三谷一平坦”的形式。與大陸平均上地殼元素標準值[17]比較(圖4(b))，Ba、Rb、Nb、La、Ce、Nd、Sm、Tb等大部分微量元素含量明顯高于上地殼微量元素平均值，具有陸源性質的元素Th、Zr比上地殼中的平均含量略高，Hf上地殼平均值相當，Sr明顯虧損。

表2 濟源大古石組泥質巖樣品微量元素測試結果及部分特征指數Tab.2 Testing results of trace elements from argillaceous rocks samples and partial characteristic index of the Mesoproterozoic Dagushi Formation in Jiyuan μg/g

圖4 濟源大古石組泥質巖微量元素球粒隕石、平均上地殼標準化配分模式Fig.4 Distribution patterns of Chondrite and UCC-normalized trace elements of argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Dagushi Formation in Jiyuan

3 沉積環(huán)境與物源屬性

3.1 沉積環(huán)境

Sr元素含量和Sr/Ba值常用來定性判別水體古鹽度或離岸環(huán)境，Sr元素在海水中含量為800～1 000 μg/g，在淡水中的含量為100～300 μg/g；Sr/Ba<1，表示陸相沉積，Sr/Ba>1，表示海相沉積[18-21]。由表2可知，大古石組泥質巖樣品中Sr元素含量59.5～135 μg/g，Sr/Ba值為0.04～0.18，Sr/Ba遠小于1，表明大古石組總體為陸相淡水沉積環(huán)境。

3.2 物源屬性

通過砂巖樣品鏡下薄片觀察，砂巖碎屑成分主要由石英(Q)、長石(F)和巖屑(L)組成，顆粒多呈棱角狀，磨圓度和分選性差，顯示成熟度低(圖5)、離物源區(qū)較近的特點，說明沉積物具有近源剝蝕快速沉積的特征。

圖5 濟源大古石組砂巖樣品正交偏光照片Fig.5 Cross-polarized light photos of sandstone samples from Dagushi Formation in Jiyuan

碎屑沉積巖的部分微量和稀土元素對其母巖具有很強的繼承性，常用來指示源巖性質[22-24]。由La/Yb—∑REE源巖判別圖解顯示(圖6(a))，大古石組泥質巖樣品投點分布較為集中，均落于花崗巖區(qū)域內；由La/Sc—Co/Th 圖解(圖6(b))顯示，大古石組泥質巖樣品投點大部分落于長英質火山巖附近及長英質火山巖與安山巖間的區(qū)域，僅個別點落在長英質火山巖附近和花崗巖之間的區(qū)域；從La/Th—Hf判別圖(圖6(c))中顯示，大古石組絕大多數泥質巖樣品主要來源于平均上地殼長英質物源區(qū)。同時，從Zr/Sc—Th/Sc 判別圖解(圖 6(d))中顯示，大古石組泥質巖樣品投點主要位于上地殼(長英質火山巖)附近。結合區(qū)域地質資料，濟源所在的王屋山地區(qū)廣泛分布晚太古代—古元古代長英質變質結晶基底和花崗質[5-7，9-12]。因此，大古石組泥質巖整體以長英質物源為主，物源區(qū)指向下伏華北克拉通變質結晶基底[5，8]。

圖6 濟源大古石組泥質巖源巖屬性判別圖解Fig.6 Source discrimination diagrams of argillaceous rocks of the Dagushi Formation in Jiyuan

4 討論

研究區(qū)大古石組下段砂巖交錯層理發(fā)育有明顯的沖刷面和疊瓦狀排列礫石，地層顏色淺且頂部見泥裂構造，可能代表了水體較淺、水動力強且受定向水流控制的辮狀河河床沉積環(huán)境。中段顏色略深，砂巖底部沖刷面較平緩，中小型交錯層理、波狀層理和平行層理發(fā)育，反映了水體由強逐漸減弱且受定向水流控制的辮狀河三角洲沉積環(huán)境(圖1)。上段巖層顏色加深，粒序、水平層理發(fā)育，沉積物多呈氧化色，反映了沉積時水體動力更弱、水位較淺的特點，可能為濱淺湖亞相沉積環(huán)境。據此本文認為大古石組自下而上沉積相為辮狀河河床亞相—辮狀河三角洲亞相—濱淺湖亞相，與薄片鏡下QFL及元素地球化學特征反映的陸相淡水沉積環(huán)境相互佐證。大古石組頂部的灰綠色含礫粗砂巖及與許山組接觸部位普遍出現的烘烤邊，可能反映了后期巖漿上涌、地形隆升導致水體變淺的過程。另外，前人認為大古石組碎屑巖與許山組火山巖接觸關系均為整合接觸[8-9，25]，本文認為該巖接觸關系應為侵入接觸，證據如下：①大古石組頂界有邊緣帶和烘烤冷凝邊；②許山組巖體內有圍巖(大古石組砂巖)補擄體；③碎屑巖與巖漿巖體有接觸熱變質現象(大古石組頂砂巖烘烤邊)且變質程度離巖體越遠越弱(遠離巖體砂巖烘烤邊逐漸減弱直至無變質)，表明大古石組碎屑巖發(fā)育期早于許山組巖漿巖侵入期。根據大古石組地層沉積特征、沉積環(huán)境、元素地球化學特征及物源結合區(qū)域地質背景認為：中元古代早期，在哥倫比亞超大陸開始伸展—裂解的背景下，華北克拉通地殼開始拉伸減薄，強烈的拉伸減薄致使基底發(fā)生差異升降，地形起伏較大，形成了“三叉裂谷”系，其北東支逐漸衰退夭折形成熊耳大陸裂谷[7，9-12，26-28]，在大陸裂谷邊緣，因地形高差大，相對隆升的華北克拉通長英質結晶基底遭受快速剝蝕，由河流攜帶的基底剝蝕產物從盆地邊緣沖出，沉積于毗鄰的盆地邊緣凹陷區(qū)，形成底部的砂礫巖沉積逐漸疊置并向裂谷中心延伸，逐漸形成一套由粗碎屑砂巖、泥質碎屑巖組成的河—湖相淡水碎屑沉積巖層即熊耳群大古石組，隨著華北克拉通進一步拉伸—裂解，地殼逐漸減薄，引起軟流圈物質上涌，導致熊耳群雙峰式火山熔巖的大規(guī)模噴發(fā)。同時，裂谷盆地持續(xù)沉降，形成了火山熔巖中的沉積夾層。熊耳裂谷盆地的大古石組碎屑巖充填及后續(xù)的熊耳群火山巖的噴發(fā)，發(fā)育于大陸裂谷構造環(huán)境[8-9，12]，代表了華北克拉通地球中年期多期裂解事件的開始，可能與哥倫比亞超大陸由拼貼聚合向伸展裂解機制的轉變有關。

5 結論

(1)華北南緣大古石組碎屑沉積巖沉積環(huán)境從下至上為淡水辮狀河河流相—辮狀河三角洲相—湖相沉積環(huán)境。

(2)華北南緣大古石組泥質巖源巖整體以長英質物源為主，物源區(qū)指向下伏華北克拉通變質結晶基底。

(3)熊耳裂谷盆地的大古石組碎屑巖充填及后續(xù)熊耳群火山巖的噴發(fā)，發(fā)育于大陸裂谷構造環(huán)境。