北淮陽帶北緣石炭系碎屑巖地球化學特征及物源區構造環境

沈仕豪， 劉家云， 張晉喆， 管后春， 汪雅菲

(安徽省地質調查院，安徽 合肥 230001)

北淮陽構造帶為一條沿大別山造山帶北緣展布的狹長構造帶，是揚子陸塊與華北陸塊碰撞造山的產物，其組成物質的物源及其構造屬性研究對揭示揚子與華北兩陸塊的構造演化過程十分關鍵。前人針對該構造帶開展了一系列研究，涉及地層、古生物、巖相古地理、巖石學及區域構造等方面[1-8]。但目前學術界對北淮陽構造帶的構造屬性及其成因的認識仍存在較大分歧，如杜建國等[6]認為其屬于中元古代陸內裂解基礎上發展起來的古島弧；林偉等[7]認為其為揚子陸塊陸內俯沖之后折返產物的一部分(大別山為折返的主體)；黃鵬等[8]認為其源于揚子陸塊向華北陸塊俯沖—碰撞，其物質組成具有雙源性，主體部分來源于揚子陸塊。

近年來，有關碎屑巖地球化學特征及其構造環境的研究已成為熱點[9-15]。筆者在北淮陽構造帶北部開展1∶5萬區域地質礦產調查時，發現該區三仙山一帶出露一套未變質或輕微變質的石炭系地層，是研究碎屑巖物源及其構造環境的良好材料，對豐富北淮陽構造帶的地質演化認識具有重要意義。為此筆者在三仙山地區采集了石炭系碎屑巖樣品，通過分析巖石主量、微量及稀土元素組成特征，探討其物源區及構造環境，為北淮陽構造帶構造環境識別及其成因解釋提供依據。

1 區域地質背景

研究區所處的北淮陽構造帶位于桐柏—大別山北麓，南部以磨子潭—桐城斷裂為界，北部以金寨—舒城斷裂為界，西接南陽盆地，東部被郯廬斷裂帶所截切，整體上呈NWW-SEE向展布的狹長帶狀(圖1)。北淮陽構造帶安徽段的石炭系主要出露于該構造帶北緣的金寨縣三仙山地區，巖性為一套未變質或輕微變質的碎屑巖。

2 地層巖性特征

三仙山地區自北向南依次出露楊山組(C1y)、道人沖組(C2d)和胡油坊組(C2h)(圖2)。

(1) 楊山組。下部為淺灰色—灰白色厚層—塊狀石英質礫巖、含礫粗砂巖、石英粗砂巖，局部夾青灰色、灰綠色薄—中薄層狀泥質粉砂巖。上部為石英粉砂巖夾煤層。巖石中礫石成分以石英和燧石為主，成分成熟度高。巖性組合具向上變細的正粒序結構特征，指示沉積環境由河流相→沼澤相的變化。

圖1 北淮陽構造帶東段地質略圖(據參考文獻[16])Fig.1 Geological map of the eastern segment of North Huaiyang structural belt

(2) 道人沖組。下部為灰白色—乳白色厚層—塊狀石英質礫巖、含礫石英砂巖及巖屑石英砂巖，局部夾青灰色、灰綠色中薄層—中厚層狀泥質粉砂巖，上述巖性組成沉積韻律或旋回。上部為青灰色、灰綠色泥質粉砂巖夾灰白色—乳白色厚層—塊狀石英砂巖、含礫石英砂巖，部分地段組成沉積韻律或旋回。巖性組合總體上具有向上變細的正粒序結構特征，指示沉積環境由河流相→濱(淺)湖相的變化。

(3) 胡油坊組。下部為淺灰色—深灰色塊狀復成分礫巖、灰色—深灰色塊狀含礫石英砂巖、灰色—灰黃色厚層—塊狀(巖屑)石英砂巖組成韻律或旋回。復成分礫巖中礫石成分復雜，大小混雜，成分成熟度低。上部為灰色—深灰色塊狀細(微)晶灰巖、灰綠色塊狀鈣質粉砂巖、灰色—灰黃色厚層—塊狀巖屑石英砂巖夾灰綠色薄層狀泥質粉砂巖。巖性組合指示沉積環境由濱湖相→淺湖相→半深湖相→淺湖相的變化。

3 巖石地球化學特征

3.1 主量元素特征

三仙山地區石炭系碎屑巖的主量元素組成如表1所示。從表1可以看出，石炭系碎屑巖SiO2含量變化較大，為56.50%～92.58%(平均81.08%)，其中道人沖組SiO2含量最高(85.29%～92.58%)，楊山組次之(82.10%)，胡油坊組最低(56.50%～73.46%)。Al2O3含量為3.28%～13.89%(平均6.88%)，MgO含量為0.066%～3.83%(平均1.19%)，CaO含量為0.032%～7.05%(平均1.98%)，Na2O含量為0.048%～1.75%(平均0.32%)，K2O含量為0.61%～2.46%(平均1.33%)，Fe2O3含量為0.51%～7.20%(平均1.94%)，TiO2含量為0.048%～1.89%(平均0.40%)。因此，石炭系不同地層的碎屑巖主量元素含量變化較大，K2O含量均高于Na2O，道人沖組巖石中Al2O3、MgO含量較低。

表1 三仙山地區石炭系碎屑巖主量元素組成(%)Table 1 Composition of major elements of Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

圖2 三仙山地區石炭系地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphic histogram of Carboniferous in Sanxianshan area

3.2 微量與稀土元素特征

研究區稀土元素分析結果(表2)表明，石炭系碎屑巖ΣREE為28.76×10-6～142.88×10-6，平均為86.03×10-6，其中道人沖組ΣREE最低，為28.76×10-6～79.43×10-6，平均為54.45×10-6；胡油坊組含較多泥質砂巖，ΣREE最高，為138.07×10-6～142.88×10-6，平均為140.47×10-6。石炭系碎屑巖具有明顯的負Eu異常(δEu為0.48～0.83，平均0.70)與較弱的負Ce異常(δCe為0.88～1.04，平均0.97);(La/Yb)N為3.26～20.76，平均為13.38，表明輕重稀土元素分異程度較大。稀土元素球粒隕石標準化分配模式圖(圖3-a)顯示，石炭系碎屑巖具有輕稀土富集的右傾型特征。

表2 三仙山地區石炭系碎屑巖稀土元素和微量元素組成Table 2 Composition of REE and trace elements of Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

石炭系碎屑巖特征微量元素Th、U、Sc、Zr和Y的平均值分別為9.09×10-6、2.44×10-6、7.15×10-6、95.63×10-6、13.0×10-6，Rb/Sr值為1.95，Th/U為3.73，La/Y為1.74，La/Sc為4.02，Th/Sc為2.1。從微量元素原始地幔標準化蛛網圖(圖3-b)可以看出，石炭系碎屑巖中大離子親石元素Rb、K、Th相對富集，高場強元素Ba、Sr、Nb、P和Ti相對虧損。

圖3 三仙山地區石炭系碎屑巖稀土元素分配模式圖(a)和微量元素蛛網圖(b)Fig.3 REE distribution patterns (a) and trace elements spider diagram (b) of Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

4 物源區構造環境分析

碎屑巖在沉積過程中受風化、剝蝕及成巖作用等影響，會發生物理化學性質的變化，其中的化學元素必然有其遷移及賦存規律，如Ti、Al、Th、Co、Sr和REE等性質穩定的化學元素只隨著碎屑沉積物搬運，從而能在巖石中保存下來，對物源區的地球化學性質有較好的指示作用[17]。因此，通過對研究區碎屑巖地球化學特征進行系統研究，將其與已知物源區巖石的地球化學特征進行對比，可以判別其物源區并重建沉積盆地的大地構造格架。

4.1 主量元素分析判別

主要利用Al2O3、Na2O、K2O等主量元素的含量百分比來確定物源類型和構造屬性。可采用Roser等[17]提出的主量元素綜合系數F1-F2圖解來分析物源區構造環境，其中F1與F2判別函數分別為：

F1=-1.773×TiO2+0.607×Al2O3+0.760×Fe2O3-1.500×MgO+0.616×CaO+0.509×Na2O-1.224×K2O-9.090

(1)

F2=-0.445×TiO2+0.070×Al2O3-0.250×Fe2O3-1.142×MgO+0.438×CaO+1.475×Na2O+1.426×K2O-6.861

(2)

將采用上述兩個判別函數計算所得的判別值進行投點(圖4)，可見楊山組、道人沖組和胡油坊組樣品基本落入P4區域，反映研究區石炭系碎屑巖具有穩定的石英質物質來源，其源區可能為成熟大陸石英質源區，如穩定克拉通、古老的地質體、再旋回造山帶等。

4.2 微量元素分析判別

碎屑巖中Th、Zr、La、Sc等微量元素在沉積、成巖過程中具有較低的活動性，且在一般的天然水體中難以溶解，因此其在沉積巖中的含量組合特征能夠較好地反映物源區構造屬性[18-22]。

圖4 三仙山地區石炭系碎屑巖源區性質判別圖解(底圖據參考文獻[17])Fig.4 Discrimination diagram of provenance properties ofCarboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

Bhatia等[21]發現雜砂巖中部分特征微量元素含量與其物源區的構造環境有一定的對應關系，建立了不同構造背景下的微量元素三角圖解。將研究區石炭系碎屑巖的特征微量元素含量與Bhatia等總結的不同構造背景下的雜砂巖進行對比，發現研究區石炭系碎屑巖與大陸島弧和活動大陸邊緣構造環境接近(表3)。將研究區石炭系碎屑巖樣品投影到La-Th-Sc三角圖(圖5-a)和Th-Sc-Zr/10三角圖(圖5-b)，發現楊山組樣品落入D區，指示其源巖具有被動大陸邊緣的構造屬性；道人沖組樣品較為分散，主體落入C區，表明其源巖構造屬性主要為活動大陸邊緣；胡油坊組樣品主體落入B區和B與C區交界部位，說明其源巖構造屬性為大陸島弧和活動大陸邊緣。

綜上所述，石炭系碎屑巖的物源區構造環境以大陸島弧為主，其次為活動大陸邊緣及被動大陸邊緣。

4.3 稀土元素分析判別

Bhatia[22]認為大洋島弧區雜砂巖的ΣREE較低，LREE略有富集，沒有負Eu異常；大陸島弧區雜砂巖的ΣREE較高，(La/Yb)N比值較大，存在弱負Eu異常；

表3 三仙山地區石炭系碎屑巖與不同構造背景雜砂巖微量元素含量對比Table 3 Composition of trace element contents between Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area and miscellaneous sandstones with different tectonic settings

圖5 三仙山地區石炭系碎屑巖微量元素構造環境判別圖解(底圖據參考文獻[21])Fig.5 Tectonic environment discrimination diagram of trace element in Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

而產于活動大陸邊緣、被動大陸邊緣、地臺和克拉通盆地的雜砂巖則是LREE相對于HREE更加富集，負Eu異常更加明顯。研究區石炭系碎屑巖存在負Eu異常(δEu平均值為0.70)與弱負Ce異常(δCe平均值為0.97)，輕重稀土元素分異程度較大((La/ Yb)N平均值為13.38)，與Bhatia的研究成果(表4)對比，可以看出石炭系碎屑巖的物源區構造環境可能主要為大陸島弧，其次為活動大陸邊緣與被動大陸邊緣，與采用主量元素和微量元素進行判別所取得的認識相一致。

表4 三仙山地區石炭系碎屑巖與不同構造背景雜砂巖稀土元素含量對比Table 4 Composition of REE contents between Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area and miscellaneous sandstones with different tectonic settings

高山等[23]研究了華北陸塊、揚子陸塊的大陸地殼結構與成分組成，與之相比，研究區石炭系道人沖組的稀土元素含量特征與揚子陸塊上地殼接近，表明該組碎屑巖可能為源自揚子陸塊北緣的活動大陸邊緣沉積。石炭系胡油坊組稀土元素含量特征介于揚子陸塊和華北陸塊之間，反映其可能同時接受華北陸塊南緣的活動大陸邊緣沉積和揚子陸塊北緣的大陸島弧—活動大陸邊緣沉積。

前人研究表明，秦嶺—大別造山帶在古生代經歷過復雜的大洋俯沖、島弧增生、弧—陸碰撞過程，形成了復雜的島弧體系[24-25]，并且北秦嶺古生代俯沖增生造山帶可向東延伸至北淮陽金寨及相鄰地區[26]。趙宗舉等[27]、李寶芳等[28]研究認為，石炭紀時期北淮陽地區為前陸盆地，古水流分析表明該地區石炭系沉積主要來自南部北淮陽構造帶和大別地塊。此外，前人在胡油坊組礫石中發現了華北陸塊本溪組底部分子[29]；碎屑鋯石微量元素指示北淮陽地區石炭系源區主要為陸殼，不存在洋殼物質[30]。結合本文石炭系碎屑巖地球化學特征可知，楊山組和道人沖組碎屑巖物源區為揚子古老陸塊或再旋回造山帶，而揚子陸塊與華北陸塊可能共同為胡油坊組提供物源。石炭系碎屑巖的微量元素和稀土元素指示，晚石炭世物源區構造環境為大陸島弧或活動大陸邊緣。以上證明在晚古生代，華北陸塊與揚子陸塊間不存在分隔性的大洋；在晚石炭世之前，北淮陽構造帶與華北陸塊已拼接連為一體。由此可以說明，秦嶺—大別島弧系和華北陸塊的碰撞應在早古生代末期或者泥盆紀。

表5 三仙山地區石炭系地層與地殼稀土元素含量對比Table 5 Composition of REE contents between Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area and crust

5 結論

(1) 北淮陽構造帶三仙山地區的石炭系主體以礫巖、含礫砂巖、石英砂巖夾煤層、泥質粉砂巖、灰巖為主，沉積環境總體經歷了由河流相→沼澤→河流相→濱(淺)湖相→淺湖相的變化。

(2) 三仙山地區石炭系碎屑巖地球化學特征顯示，沉積物源區當時處于大陸島弧和活動大陸邊緣的構造環境，楊山組和道人沖組物源區為揚子古老陸塊或再旋回造山帶，胡油坊組由揚子陸塊和華北陸塊共同提供物源。