遼北地區南華系地球化學特征及其對沉積環境的制約

張林，曹煜昊, ，阮昕，徐聳，盧崇海

（1.遼寧省礦產勘查院有限責任公司，遼寧 沈陽 110031；2.東北大學資源與土木工程學院，遼寧 沈陽 110819）

0 引言

南華系（成冰系）由全國地層委員會于2001年正式提出（全國地層委員會，2001，2002），代表地球歷史上一個寒冷的氣候時期，以冰川活動的廣泛出現為其特征（高振家和陳克強，2003）。隨著研究的深入，對于南華系的內涵及底界（GSSP）的選取等問題取得了越來越多的共識，但對于南華系底界年限和中國北方是否存在南華系冰期地層等問題一直存在很大的爭議（王東方和林蔚興，1988；曲洪祥等，2011；尹崇玉和高林志，2013；田德欣等，2018；盧崇海等，2018），盧崇海等（2018）、曹煜昊等（2020）通過系統的研究，初步在遼北地區確定了兩期冰磧作用階段，肯定了遼寧北方南華系的存在，并將新元古代原殷屯組巖石地層單位重新劃分，但該研究區域新劃的南華系巖石地層碎屑沉積巖缺少系統的地球化學研究分析，本次通過新劃的南華系巖石地層碎屑沉積巖的地球化學研究，對遼北地區南華系該地層巖石的形成時氣候的指示、物源區組成特征和形成的構造環境進行了系統討論。

1 區域地質概況及采樣

研究區位于遼寧省北部鐵嶺殷屯—陳千戶一帶，華北陸塊（Ⅱ），遼東新元古代坳陷帶（Ⅲ），龍崗隆起（Ⅳ），汎河中新元古代裂陷盆地（Ⅴ）中。地層分區屬華北地層大區，遼東地層分區，汎河地層小區。研究區內涉及的巖石地層單位有：中元古界薊縣系，新元古界青白口系、南華系，及中生代侏羅系、白堊系等。構造有北東向、北西向和近東西向；侵入巖主要有新太古代、中元古代和中生代脈巖。盧崇海等（2018）將該區出露的原震旦系殷屯組進行了解體，重新厘定出新元古界青白口系永寧組為冰期前河流相沉積，南華系下統殷屯組為冰磧雜礫巖巖石組合，南華系下統陳千戶組為陸源河流相間冰期沉積，南華系中統汎河組為細礫冰磧雜礫巖組合（圖1）。

圖1 遼寧省構造簡圖（a，據楊中柱等，2014修改）和遼寧鐵嶺地區區域地質簡圖（b，盧崇海等，2018）

本次工作采集鐵嶺殷家屯地區典型地質剖面殷屯組、陳千戶組、汎河組等三個組的樣品6個，巖性為中細粒巖屑石英砂巖、絹云泥質砂質板巖和含電氣石中細粒長石石英砂巖。殷屯組與下伏中元古界薊縣系霧迷山組為角度不整合接觸，頂部與陳千戶組為平行不整合或整合接觸，為一套復成分冰磧礫巖（雜礫巖）夾含礫長石石英砂巖、砂礫巖層及透鏡體的巖石地層，該組共采集樣品2個。陳千戶組在鐵嶺殷屯地區整合或假整合伏于南華系中統汎河組之下，為一套中厚層含礫中粗粒長石石英砂巖夾礫巖的巖石地層，該組共采集樣品2個。汎河組在遼北鐵嶺地區未見上覆地層，為一套灰綠色中厚層細礫冰磧礫巖與灰綠色粉砂巖的巖石地層，該組共采集樣品2個，本次野外樣品均采集自遠離巖漿巖侵入體及其脈體的新元古代地層中。（圖2）

圖2 遼北鐵嶺地區南華系下統殷屯組（Nhyt）、陳千戶組（Nh?q）、汎河組（Nhf）地質TP1剖面圖（盧崇海等，2018）

2 樣品分析

樣品的化學分析在自然資源部沈陽礦產資源監督檢測中心進行。在進行常量元素測試時，首先將樣品清洗并烘干，磨至200目以下后壓片，利用X射線熒光光譜儀進行元素測量，檢測依據為：GB/14506.3-12-93；在進行微量和稀土元素測試時，采用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）進行元素測量，檢測依據為：DZG-93。分析結果見表1～2。

表1 遼北研究區南華系各組沉積巖主量元素分析結果表/%

3 地球化學特征

3.1 主量元素

在遼北鐵嶺地區殷屯組樣品中SiO2含量平均值為87.76%，陳千戶組樣品中SiO2含量為89.35%，汎河組砂巖樣品SiO2含量為90.46%，說明樣品中富硅礦物石英的含量相對較高。汎河組板巖樣品SiO2含量為70.14%，明顯低于其他組砂巖樣品。遼北鐵嶺地區各組樣品中K2O含量介于1.17%～4.40%，其中汎河組板巖樣品K2O較高，說明其鉀長石含量高于砂巖樣品。殷屯組、陳千戶組、汎河組樣品CaO、MgO含量低，分別為0.25%～0.65%和0.45%～2.96%，與鏡下僅見微量或未見碳酸鹽礦物這一特點吻合。殷屯組Na2O含量平均值為0.21%，陳千戶組Na2O含量平均值為0.17%，汎河組Na2O含量值為0.18%。K2O/Al2O3的值除殷屯組TP4YQ4外，全部樣品均小于0.4，說明母巖中只含少量的堿性長石。K2O/Na2O的值為5.84～22.0，表明樣品受中等風化淋濾程度。各組樣品K2O/Na2O（摩爾量比）為4.54～14.51，與鏡下觀察長石種類主要為鉀長石的情況相符，說明巖屑中長石未受到富鉀粘土礦物交代或交代程度較低。汎河組砂巖樣品Al2O3/TiO2值為11.66小于14，其余樣品均大于14，接近17或大于17，推測其母巖來自長英質巖。殷屯組TFe2O3含量平均值為2.85%，陳千戶組TFe2O3含量為2.47%，汎河組TFe2O3含量為3.43%。TFe2O3+MgO含量介于2.61%～7.32%之間，說明其原巖不是鎂鐵質巖，其結論與Al2O3/TiO2值所得結論一致。

3.2 微量元素

遼北鐵嶺地區沉積巖樣品稀土元素總量∑REE值為66.34×10-6～175.51×10-6，全部樣品低于沉積巖的平均含量202.5×10-6，汎河組板巖樣品含量高于大陸上地殼（UCC）平均值（148.14×10-6）。研究區含泥質巖樣品稀土總量相對砂巖較高，反映細粒沉積物中較高含量的粘土礦物對稀土元素具有較強的吸附作用(Condie，1991)。研究區所有樣品稀土均表現為右傾斜的REE配分模式，呈中等程度的輕稀土(LREE)富集和相對平坦的重稀土(HREE)配分模式(LREE/HREE=8.14～9.82)。(La/Yb)N值為8.42×10-6～11.01×10-6，說明輕重稀土中等分餾，輕稀土元素富集。研究區樣品(La/Sm)N值為3.85×10-6～5.83×10-6，表明輕稀土元素間分異中等，輕稀土富集。研究區樣品(Gd/Yb)N值為1.39×10-6～1.75×10-6，表明樣品重稀土元素的分異不太明顯，其值比值小于2.0，表明研究區母巖主要來自太古代后期。經球粒隕石標準化后，δEu為0.65～0.77，呈明顯的Eu負異常。源自于長英質巖石的稀土元素通常具有較高的LREE/HREE，并且Eu具負異常，因此推測鐵嶺地區沉積巖來源于長英質巖區。根據趙英利（2010）研究表明中性斜長巖（1.01<δEu<2.33），一般具Eu正異常，玄武巖（0.90<δEu<1.00），大多沒有Eu異常，而花崗巖（δEu<0.9）多為Eu負異常。鐵嶺地區樣品δEu<0.9，進一步證實了其物質主要來源于長英質巖。Ce異常δCe值為0.86～0.95，Ceanom值為-0.080～-0.029，表明遼北鐵嶺地區沉積巖以還原環境為主。

研究區大離子親石元素Rb、Ba、Sr中，殷屯組TP4GP4樣品和汎河組板巖樣品Rb含量大于大陸地殼的豐度值，其他樣品均低于大陸地殼的豐度值。汎河組板巖樣品Ba含量高于大陸地殼豐度值，其余樣品均低于大陸地殼的豐度。所有樣品Sr元素含量均低于大陸地殼的豐度值。高場強元素中，

全部樣品Ta、Nb、Sm元素都低于大陸地殼的豐度值。汎河組板巖樣品La、Sm、Yb、Nd、Ce、Nd元素高于大陸地殼的豐度值，其余樣品均低于大陸地殼豐度值。全部樣品Hf元素值高于大陸地殼的豐度值。研究區Sr/Ba平均值均小于0.2，因此推測遼北鐵嶺地區殷屯組、陳千戶組、汎河組均為陸相沉積（孫立廣等，2000）

表2 遼北研究區沉積巖微量元素分析結果/×10-6

4 討論

4.1 古氣候分析

Nesbitt and Young（1984）提出CIA應用于元古代氣候研究。研究表明CIA值受碎屑巖粒度影響較小，但沉積物的再循環使粘土礦物比例增加，從而使CIA值得到累積。研究表明當CIA＜65時，反映寒冷、干燥的氣候條件，當65＜CIA＜80時，反映溫暖、濕潤的氣候條件，當CIA＞80時，反映炎熱、潮濕的熱帶、亞熱帶氣候條件。遼北鐵嶺地區只有殷屯組所有樣品均小于65，說明處于寒冷-干燥的環境。陳千戶組、汎河組沉積巖的CIA值介于63～72之間，表明環境處于干燥-寒冷與溫暖-濕潤之間變換的環境。

由于黏土礦物比非黏土礦物含有較高的A12O3，而K2O、Na2O和CaO含量較低，因此成分變異指數ICV(index of compositional variability)可以反映碎屑巖的成分成熟度，判斷碎屑巖石經歷了活動大陸邊緣初次循環還是被動大陸邊緣多次的再循環過程。Cox et al.（1995）研究表明沉積物在循環過程中非粘土性礦物的降低與粘土性礦物的增長，或者第一次循環碎屑輸入量的降低，都將導致ICV值降低。因此如果細屑巖的ICV值>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。而粘土礦物含量較高的碎屑巖ICV值<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。元古代之前的沉積巖不發育，沉積再循環作用對物源成分的影響很小，元古代之后沉積巖已經十分發育，因此沉積再循環作用對于物源成分的影響就不容忽略了，因此研究對象要選取ICV值大于1的樣品（馮連君等，2003）。經計算遼北鐵嶺地區樣品ICV值全部大于1，因此沉積物均為活動大陸邊緣初次循環沉積，避免了再循環作用對CIA值的影響。

沉積巖中微量元素的分配、組合及其比值的變化都在一定程度上指示著古氣候環境的變化特征。干燥氣候條件下由于水分的蒸發，水介質的堿性增強，Sr被大量析出形成各種鹽類沉積在水底，所以它們的含量相對增高，對應為低湖面期，反映的氣候則為暖干或干寒期（熊小輝和肖加飛，2011）。鐵嶺地區沉積巖樣品，Sr元素的值為6.98～25.4，其變化范圍較大，其中殷屯組Sr值高于陳千戶組和汎河組，說明殷屯組環境要比陳千戶組和汎河組干旱。根據各樣品對應的CIA值判定，殷屯組氣候處于這幾組環境中的最低溫，其他組有溫濕到干寒期變化的趨勢。根據劉剛和周東升（2007）研究表明Sr/Cu比值介于1.3～5之間指示濕潤氣候，而大于5指示干熱氣候。鐵嶺地區樣品Sr/Cu為0.34～4.27。推測各組沉積巖存在濕潤和干熱氣候的轉變，殷屯組Sr/Cu值最高，說明殷屯組處于相對干旱環境。

綜上所述，殷屯組處于寒冷、干燥期，陳千戶組、汎河組處于相對溫暖和寒冷的轉變環境。

4.2 物源區分析

碎屑巖的地球化學特征對確定它們的源區性質有重要意義。Roser and Korsch(1988)提出了一套適用于砂、泥巖的主量元素多變量物源區環境的判別函數，劃分出基性火山巖源區、中性火山巖源區、酸性火山巖源區、石英質沉積巖源區等4個物源區。遼北鐵嶺地區殷屯組、陳千戶組和汎河組部分樣品落入富含石英質沉積巖物源區（圖3a，據Roser and Korsch,1988），可能為古老的地質體或克拉通。

盡管碎屑巖主要化學組成易受風化、成巖作用等地質作用的影響，但抗風化能力較強的稀土及其他不活潑的微量元素可有效進行源區示蹤。Cullers（2000）研究表明過渡族元素Ni為相容元素，巖漿分異傾向富集于鎂鐵質-超鎂鐵質巖石中，高場強元素Th、Zr、Hf等均較穩定，其中很多元素的比值能很好的區分源巖是基性巖還是酸性巖。Ti/Zr：鎂鐵質巖一般＞＞50；長英質巖＜20。La/Co：以長英質為源巖比值為1.8～13.8；以鎂鐵質為源巖比值為0.14～0.38。根據遼北鐵嶺地區各組沉積巖的Ti/Zr值介于7.53～13，所有樣品均小于20。La/Co值介于1.92～5.16之間，表明遼北鐵嶺地區沉積巖的源巖為長英質巖。綜上，推測遼北鐵嶺地區沉積巖的源巖為長英質巖。

Bhatia（1985a）研究表明REE常被認為是非遷移的，在沉積作用過程中僅僅顯示微小的變化，源區巖石中的豐度以及風化條件是控制沉積物中REE的主要因素，而沉積時和沉積后的作用，對沉積物中REE含量的改變很微弱，因此源區巖石REE特征能夠被可靠地保存在沉積物中，花崗巖和長英質變質巖以及來自大陸源區的沉積巖等Eu多顯示為負異常，記錄了源巖的Eu虧損。鐵嶺地區沉積巖δEu值0.65～0.77，均為負異常，記錄了源巖的Eu虧損。稀土元素的配分型式可以客觀的反映沉積物物源性質。遼北鐵嶺地區沉積巖呈現輕稀土富集、重稀土平坦及Eu負異常特征，與大陸上地殼稀土元素配分型式極為相似，表明其沉積物主要來源于上地殼，其原因在于上地殼中大離子親石元素的含量相對于原始地幔明顯偏高，導致輕稀土富集重稀土虧損，而上地殼內缺少使重稀土分餾的因素，因而重稀土含量均勻，Eu的負異常是由于元素分異作用使上地殼中Eu元素缺失造成的。

將遼北鐵嶺地區沉積巖樣品數據投在(La/Yb)-REE源巖判別圖上（圖3b，據Bhatia，1985b），殷屯組、陳千戶組、汎河組砂巖樣品全部落入沉積巖區，汎河組板巖樣品落入玄武巖、花崗巖和沉積巖的交叉區域。結合之前(Gd/Yb)N的比值所推測遼北鐵嶺地區沉積巖的源區母巖來自于克拉通。在Th-Hf-Co判別圖上（圖3c，據Bhatia and Crook，1986），遼北鐵嶺地區沉積巖樣品陳千戶組全部落入長石砂巖區域。殷屯組和汎河組樣品落入長石砂巖區域和靠近長石砂巖區域的邊緣。利用Hf-La/Th圖解判別源巖屬性，對沉積巖樣品的原始屬性進行分析，殷屯組和陳千戶組樣品落在長英質物源區接近上地殼位置和靠近長英質物源區的長英質、基性巖混合物源區（圖3d，據Floyd P A，1987）。汎河組砂巖樣品落入長英質物源區接近上地殼的位置，板巖樣品落入有效區外。因此推測汎河組、殷屯組、陳千戶組源巖主要為長英質巖，源巖主要來自于上地殼。

圖3 遼北地區南華系地層源區判別圖解

綜上所述，遼北地區殷屯組、陳千戶組和汎河組沉積物源的原始物質主要來自上地殼的長英質物源，混入少量長英質、基性巖混合物源。

4.3 構造背景

沉積物的風化剝蝕條件、搬運過程和成巖作用等因素是影響陸源沉積物形成的主要因素，以上因素受控于沉積盆地的構造環境（Bhatia,1983），這就為利用陸源沉積物的化學組成研究沉積盆地構造環境提供了一種可行性方法（Bhatia,1983,1985a,1985b）。因為沉積物的化學成分與沉積構造環境之間關系復雜，且多數源區在漫長的地質歷史過程中容易被剝蝕，這使得利用沉積巖中的主量元素和微量元素來判別古代沉積盆地的構造性質成為一種重要方法。Bhatia（1983）根據澳大利亞東部古生代濁積砂巖的主量、微量元素特征，提出了判別沉積盆地構造環境的主量、微量元素標志。經過對比分析（表3），遼北鐵嶺地區殷屯組物源區的元素特征與活動大陸邊緣特征基本吻合，少量微量元素特征與大陸島弧特征吻合。陳千戶臺組物源區的元素特征與活動大陸邊緣特征相似度較高，部分微量元素特征與被動大陸邊緣特征吻合。汎河組物源區的元素特征與活動大陸邊緣元素特征相似程度較高，部分元素特征與大陸島弧特征相似。

表3 不同構造環境沉積巖的元素特征對比

由于碎屑沉積巖的地球化學特征主要取決于其物質組成，而物質組成與其物源和大地構造環境有著非常密切的關系，因此不同物源類型的碎屑沉積巖在主量元素上差異很明顯，其地球化學特征可以作為判別構造背景的標識。Bhatia（1983）通過研究給出了氧化物的影響系數，通過函數關系來表達所有主量元素與構造背景間的聯系，創立了判別函數F1、F2作為砂巖構造背景圖解，并劃分出4種不同的構造背景區（圖4），遼北鐵嶺地區殷屯組、陳千戶組和汎河組沉積巖樣品均落入活動大陸邊緣區域。

圖4 碎屑巖構造背景函數判別圖解（據Bhatia，1983）

綜上所述，遼北鐵嶺地區南華系殷屯組、陳千戶組和汎河組沉積巖構造環境為活動大陸邊緣，該結論與ICV值所推測的代表活動大陸邊緣的首次沉積的產物一致。

5 結論

（1）遼北地區碎屑沉積巖樣品的成分變異指數（ICV）均大于1，說明其成熟度較低，形成環境相對比較活動，是活動大陸邊緣首次沉積形成的。

（2）CIA分布特征表明，遼北地區南華系殷屯組源區物質處于寒冷-干燥的環境。陳千戶組、汎河組源區物質處于干燥-寒冷和溫暖-濕潤之間變換的環境。

（3）主要化學成分、微量元素組成及判別圖解綜合表明，遼北地區殷屯組、陳千戶組和汎河組沉積物源的原始物質主要來自上地殼的長英質物源，混入少量長英質、基性巖混合物源，構造環境為活動大陸邊緣。