西秦嶺臨潭地區泥盆紀—三疊紀沉積環境恢復與盆地構造演化

馮 欣，邵興坤，侯紅星，秦丹鶴

中國地質調查局 廊坊自然資源綜合調查中心，河北 廊坊 065000

0 引言

西秦嶺造山帶連接華北板塊與揚子板塊，是中國最重要的構造帶并受到廣泛的關注［1］.西秦嶺的東北、西南分別由祁連山、昆侖山圍繞，六盤山位于其北部，松潘-甘孜地塊位于其南部（圖1）.秦嶺構造帶（單元）多年來一直是眾多研究的焦點區域，前人研究已經取得了大量的成果.可以概括地說，秦嶺造山帶是主造山期新元古代晚期至中生代初的非單一開闊大洋型的多塊體中小洋陸板塊構造體制為基本特征的以多板塊多類型碰撞造山為主體和基礎，又遭受中新生代強烈陸內造山作用疊加改造的一個復合型造山帶［2-6］.但目前仍然存在許多有爭議的問題，如：揚子板塊與華北板塊究竟何時拼合？西秦嶺造山帶臨潭地區沉積盆地物源來自何處？

圖1 研究區構造位置及地層分區圖（據文獻［7］修改）Fig.1 Tectonic location and stratigraphic zoning map of the study area（Modified from Reference［7］）

本研究主要圍繞西秦嶺臨潭地區泥盆紀—三疊紀沉積盆地形成及構造演化問題，通過地質調查和綜合研究，探討沉積盆地的形成與構造演化，建立該區沉積盆地與構造演化模式；進一步研究物質來源，重塑西秦嶺臨潭地區晚古生代—中生代古地理構造格局；根據細碎屑巖的主量、微量、稀土元素特征來追溯源區背景，反演母巖性質；探討西秦嶺晚古生代—三疊紀沉積盆地性質及其構造演化過程等基礎地質問題.

1 區域地質背景

西秦嶺造山帶西緣與東昆侖和柴達木地塊毗鄰，北側與祁連造山帶相鄰，南緣以阿尼瑪卿-勉略縫合帶為界與松潘-甘孜造山帶相接（圖1）.

研究區沉積盆地出露的地層主要有上泥盆統大草灘組、下石炭統巴都組、二疊系十里墩組、下三疊統隆務河組、中三疊統光蓋山組和上三疊統大河壩組.泥盆紀—三疊紀是西秦嶺造山帶演化的重要階段.

西秦嶺地區經歷過多次構造運動，褶皺和斷裂構造發育.構造線總體為東西走向，北西向和東西向褶皺和斷裂構造組成本區基本構造格架［8］.現存的基本構造格局形成于中、新生代.

西秦嶺廣泛發育中生代侵入體.侵入體巖性多樣，主要侵位于顯生宙地層中，與圍巖呈明顯的侵入接觸關系［9］.

研究區變質巖主要為區域變質巖.接觸變質巖不太發育，主要出露于印支晚期侵入巖體與圍巖的外接觸帶及其附近，在侵入巖體邊緣多形成規模不等的接觸變質帶［10］.

2 地層劃分對比

本研究經過野外調查、區域對比研究，結合新修編的1∶50 萬秦嶺及鄰區地質圖，將地層分區進行了重新梳理（圖1）.首先以測區北側商丹縫合帶為地層大區界線，將區域地層分為華北地層大區和華南地層大區，再將研究區所處的華南地層大區內的南秦嶺-大別山地層區以合作-岷縣-宕昌斷裂為界分為中秦嶺地層小區和南秦嶺地層小區①中國地質調查局廊坊自然資源綜合調查中心.西北沿邊及特殊地區地質礦產調查成果報告.2020..

在前人資料的基礎上，對研究區泥盆紀—三疊紀沉積地層進行了劃分對比，開展了重點研究工作并建立了研究區巖石地層格架（表1）.

表1 西秦嶺臨潭地區古生代—中生代巖石地層單位劃分表Table 1 Paleozoic-Mesozoic lithostratigraphy in Lintan area，West Qinling

3 地層巖性特征與沉積環境分析

1）上泥盆統大草灘組（D3dc）

大草灘組底部巖性以淺灰綠色中厚層長石石英砂巖、灰黑色中厚層中細粒長石石英砂巖為主，發育平行層理；中部為一套灰綠色中厚層巖屑砂巖與淺紫灰色-紫灰色中厚層巖屑砂巖互層；上部為一套淺灰色中厚層長石巖屑砂巖、長石砂巖與灰紫色鈣質膠結巖屑長石砂巖、粉砂質泥巖、泥巖的韻律沉積（圖2）.

圖2 大草灘組巖石組合及沉積構造特征Fig.2 Rock assemblage and sedimentary structural characteristics of Dacaotan Formation

中細粒長石石英砂巖呈顆粒支撐，接觸式膠結，線接觸.巖石由碎屑（99%）及填隙物（1%）組成.碎屑由石英（80%）、長石（15%）、黑云母（4%）及微量重礦物（1%）組成（圖3）.

圖3 中細粒長石石英砂巖鏡下特征Fig.3 Microscopic characteristics of fine-medium-grained feldspathic quartz sandstone

大草灘組巖石下部為正粒序，發育水平層理，反映沉積環境水動力較弱，水體相對較深.巖石以淺灰綠色、灰綠色、灰黑色為特征，反映缺氧的還原環境，認為大草灘組下段為深湖-半深湖亞相.中部由灰綠色砂巖與淺紫灰色-深紫灰色砂巖組成韻律沉積，該段與下部最大的區別是沉積構造多為平行層理、斜層理，水平層理較少見，水動力條件較下段強，新鮮巖層呈暗紅-紫紅色，暗示沉積環境為氧化環境，推測為淺湖相沉積.上部由灰綠色砂巖、灰紫色砂巖與灰紫色粉砂巖、泥巖組成基本層序.物質組成以長石砂巖為主，發育粉砂巖、泥巖，局部發育含礫粗砂巖，指示可能存在濱湖或水道環境.大草灘組沉積環境總體顯示了由深湖-半深湖還原環境向淺湖氧化環境的演化.

2）下石炭統巴都組（C1b）

巴都組下部巖性以灰色-淺灰綠色中厚層巖屑砂巖為主，夾少量巖屑長石砂巖、巖屑石英砂巖.砂巖以中厚層為宏觀特征，巖屑成分含量較高，顆粒多呈次棱角狀、次圓狀，分選和磨圓均中等.上部巖性以灰綠色中厚層巖屑長石砂巖、厚層—巨厚層生物碎屑灰巖為主.該段碎屑灰巖中見大量珊瑚、腕足、苔蘚蟲及海百合化石，在少量薄層砂巖中見蟲跡化石（圖4）.

圖4 巴都組上段地層野外特征Fig.4 Field characteristics of the upper member of Badu Formation

巴都組為淺海環境下的沉積，基本層序總體表現為下粗上細的結構特點.區域資料顯示，該組沉積時的氣候環境從早期的干燥炎熱濱岸海灘相逐漸演變為晚期的溫暖潮濕近岸海灣（潟湖或潮坪）相①中國地質調查局西安礦產資源調查中心.甘肅美武-臨潭區域地質調查報告.2019..

3）上石炭統下加嶺組（C2x）

下加嶺組巖性以厚層—巨厚層泥晶灰巖為主，向上變薄，發育巨厚層灰巖-中厚層灰巖-中層灰巖的沉積序列，發育水平層理.由巨厚層泥晶灰巖、中厚層泥晶灰巖、中層泥晶灰巖組成基本層序，整體為碳酸鹽巖組成的沉積旋回，為碳酸鹽臺地相沉積.上部為深灰-灰黑色中薄層灰巖與鈣質泥質板巖或含炭板巖組成的層序，向上板巖增多，反映了淺海陸棚相沉積的特點.

4）中-下二疊統十里墩組（P1-2sl）

十里墩組下部主體巖性為灰色中薄層長石石英砂巖與灰色-深灰色中厚層—厚層粉砂巖、深灰色鐵質泥質粉砂質板巖互層或夾層，夾少量灰色生物碎屑灰巖.磨圓度一般，成熟度一般.其基本層序表現為向上變細的正粒序.發育大量珊瑚類、類、有孔蟲和苔蘚蟲、海綿、水螅等造礁生物，以及少量海百合、腹足類、腕足類、鈣藻類等附礁生物，為堡礁或堤礁沉積.以上特征表明十里墩組上部為淺海陸棚內的堡礁或堤礁建造（圖5）.

圖5 十里墩組野外特征Fig.5 Field characteristics of Shilidun Formation

5）下三疊統隆務河組（T1l）

隆務河組總體為一套灰綠色厚層砂巖、灰黑色粉砂巖、粉砂質板巖夾薄層細砂巖、灰巖沉積.下部厚層砂巖較多，宏觀露頭為巨厚層—厚層；中部砂巖減少，粉砂巖增多；上部偶夾厚層砂巖，出現灰巖夾層.總體向上變細，海水變深.隆務河組可識別出3 類基本層序，反映了水動力條件較強、陸源碎屑物較充足的大陸斜坡濁流沉積.

6）中三疊統光蓋山組（T2gg）

光蓋山組整體以鈣質含量較高的細碎屑巖為主，夾粉砂巖、粉砂質板巖、鈣質粉砂巖、中薄層灰巖，局部可見厚層粗砂巖.可識別出4 組基本層序.

總體向上物質變粗，反映了水體由深變淺的特征.同時光蓋山組砂巖、粉砂巖中重荷模、槽模等層面構造及粒序層理、平行層理、交錯層理、爬升層理、水平層理較為發育，鮑馬層序屢見不鮮，顯示大陸斜坡（半深海）濁流沉積特征.

7）上三疊統大河壩組（T3d）

大河壩組整體為旋回沉積，底部以灰綠色中粗粒巨厚層—厚層巖屑長石砂巖為主，上部為淺灰綠色中薄層砂巖與灰黑色粉砂質板巖互層，頂部為灰黑色粉砂質板巖夾薄層細砂巖.大河壩組砂巖中發育粒序層理、平行層理、交錯層理、包卷層理、水平層理及波痕，底部多發育重荷模.

大河壩組在區域上無論是地層劃分還是時代歸屬或者沉積環境爭議均較大.經過本次調查研究，根據基本層序分析認為大河壩組沉積環境應為淺海陸棚—濱海沉積序列.巖石單層厚度大、砂巖主體為雜砂巖說明物源供應充分，搬運距離短，反映三疊紀晚期研究區可能為快速海退環境.在大河壩組地層中發現波痕及新蘆木（Neocalamites）化石，據此認為大河壩組應為晚三疊世的濱淺海陸源碎屑沉積.

4 分析測試數據

沉積物的化學成分可有效的反映源區大地構造背景及母巖的某些特征，因此多根據泥巖、細砂巖等細碎屑巖的主量、微量、稀土元素特點來追溯源區背景，反演母巖性質.

主量、微量、稀土分析測試由西安礦產資源調查中心實驗室完成，主量元素使用X 射線熒光分析（XRF），微量元素使用儀器為電感耦合等離子體質譜譜儀（ICP-MS 法）.實驗過程中室內溫度為20 ℃，相對濕度30%.主量元素分析誤差優于3%，稀土和微量元素分析誤差優于5%.分析結果如表2、3、4（掃描首頁OSID 二維碼可見）.

5 沉積盆地性質及構造背景分析

大草灘組砂巖具有較高的SiO2含量，平均值81.9%；巴都組砂巖SiO2含量平均值86.46%；十里墩組砂巖SiO2含量平均值68.75%；隆務河組砂巖SiO2含量平均值65.43%；光蓋山組砂巖SiO2含量平均值69.2%；大河壩組砂巖SiO2含量平均值66.18%.砂巖中SiO2含量的減少表明砂巖成熟度降低.并且Al2O3/SiO2值整體上沒有明顯的變化，表明未經歷強烈的蝕變、搬運或再造作用.從樣品的投圖特征（圖6）也可以看出，大草灘組、巴都組砂巖整體的成分成熟度較高，這與大草灘組深湖-半深湖還原環境到淺湖氧化環境的沉積相變化［16-17］，以及巴都組淺海環境的沉積相變化是相符的.十里墩組、隆務河組、光蓋山組、大河壩組砂巖的成分成熟度低，物源供應充足，搬運距離短，具快速堆積的特點.總體來說，從上泥盆統大草灘組到上三疊統大河壩組地層砂巖碎屑成熟度逐漸降低，沉積環境由濕潤環境向半干旱環境轉變.

圖6 西秦嶺造山帶泥盆紀—三疊紀砂巖沉積環境判別圖（據文獻［15］）Fig.6 Sedimentary environment discrimination diagram of Devonian-Triassic sandstone in West Qinling orogenic belt（From Reference［15］）

地球化學反映了物源區構造背景（圖7a、b），大草灘組砂巖樣品中K2O/Na2O 比值總體集中在0.28～2.74之間，被動陸緣占絕對優勢，說明大草灘組蝕源區具有被動大陸邊緣屬性.少量活動陸緣物質組分顯示，沉積于被動大陸邊緣的沉積巖也記錄了活動大陸邊緣的信息［18-19］.巴都組砂巖樣品中K2O/Na2O 值集中在1.67～28.28 之間，所有點具有被動大陸邊緣背景.十里墩組砂巖樣品中K2O/Na2O 值集中在0.29～3.83 之間，活動陸緣相對占優勢.隆務河組砂巖樣品中K2O/Na2O值集中在0.41～14.16 之間，樣品點具有活動大陸邊緣、被動大陸邊緣及大洋島弧背景.光蓋山組砂巖樣品中K2O/Na2O 集中在0.17～0.19 之間，所有點具有活動大陸邊緣背景.大河壩組砂巖樣品中K2O/Na2O 集中在0.41～14.16 之間，樣品點具有活動大陸邊緣、島弧背景.從（TFe2O3＋MgO）-TiO2圖解和（TFe2O3＋MgO）-Al2O3/SiO2圖解（圖7c、d）也可以看出：大草灘組、巴都組蝕源區具有被動大陸邊緣屬性，十里墩組蝕源區具有活動大陸邊緣屬性，隨著構造運動，越來越多基底物質的加入，使沉積于活動大陸邊緣的沉積巖也記錄了被動大陸邊緣的信息.隆務河組、光蓋山組、大河壩組蝕源區具有大陸島弧或活動大陸邊緣屬性.

圖7 西秦嶺造山帶泥盆紀—三疊紀砂巖構造環境判別圖（據文獻［15］修改）Fig.7 Tectonic environment discrimination diagram of Devonian-Triassic sandstone in West Qinling orogenic belt（Modified from Reference［15］）

從La-Th-Sc-Zr 構造環境判別圖解（圖8）可以看出，大草灘組、巴都組、十里墩組、隆務河組、大河壩組砂巖極大多數樣品落入上地殼長英質火山巖源.Ni-Ti圖解中，Ti 的含量相對較低，但Ni 的含量變化范圍較大，樣品大部分落入酸性巖區域.只有光蓋山組砂巖大部分落入上地殼長英質火山巖源附近，顯示出與古老沉積物相關的特征，表明光蓋山組物源有古老沉積物的加入.

圖8 西秦嶺造山帶泥盆紀—三疊紀砂巖La-Th-Sc-Zr 構造環境判別圖（據文獻［15］修改）Fig.8 The La-Th-Sc-Zr tectonic environment discrimination diagram of Devonian-Triassic sandstone in West Qinling（Modified from Reference［15］）

利用Th-Co-Zr/10、Th-Sc-Zr/10、La-Th-Sc 圖解（圖9）對砂巖樣品進行了分析，結果顯示：大草灘組、巴都組砂巖的主要物源來自被動大陸邊緣；十里墩組砂巖中既顯示了活動大陸邊緣的特征，又有被動大陸邊緣的記錄，同時有大陸島弧的物質加入；隆務河組、光蓋山組、大河壩組砂巖的主要物源來自大陸島弧或者活動大陸邊緣.體現了區內晚古生代—三疊紀構造環境由被動大陸邊緣→活動大陸邊緣→大洋島弧的演變趨勢［20］.

圖9 西秦嶺造山帶泥盆紀—三疊紀砂巖源區判別圖（據文獻［15］）Fig.9 Discrimination diagrams of Devonian-Triassic sandstone source area in West Qinling orogenic belt（After Reference［15］）

6 盆地演化

大草灘組總體是一套湖盆陸源碎屑沉積.巴都組為近岸海灣（潟湖或潮坪）相沉積；十里墩組是一套淺海陸棚碎屑沉積，發育堡礁或堤礁建造；隆務河組總體為一套陸源碎屑物較充足的斜坡相濁流沉積，巖層粒度總體向上變細，海水變深，反映了水體經歷了由淺至深的海侵過程；光蓋山組碎屑巖整體具有大陸斜坡半深海濁流沉積特征；大河壩組是一套沉積于濱淺海環境的中粗粒碎屑巖.

綜合分析可知，從石炭系→二疊系→三疊系，水體經歷了淺→深→淺的變化過程，其中早中二疊世—早三疊世水體加深，中三疊世水體最深，到晚三疊世（大河壩組為代表）水體完全變淺，水體深淺和沉積相序的變化反映盆地經歷了先開裂再萎縮的演化過程（圖10）.

圖10 西秦嶺臨潭地區泥盆紀—三疊紀沉積盆地演化示意圖（據文獻［21］修改）Fig.10 Sketch of Devonian-Triassic sedimentary basin evolution in Lintan area，West Qinling（Modified from Reference［21］）

因此將研究區泥盆紀—三疊紀沉積盆地的形成演化劃分為3 個階段：被動大陸邊緣臺盆臺地穩定發育階段、弧后盆地形成演化階段和弧后前陸盆地疊合階段.

1）被動大陸邊緣臺盆臺地穩定發育階段（D3—P1）

大草灘組為陸相湖相沉積，石炭世—早二疊世沉積環境趨于穩定，西秦嶺臨潭地區總體上是穩定的淺海陸棚相、臺地相碳酸鹽巖沉積.

2）洋殼俯沖背景下的弧后盆地（P1—T2）

早中二疊世十里墩組的沉積代表了裂陷作用的發生.華北板塊南緣古老結晶基底是十里墩組的主要物源.源區物質主要為具有活動大陸邊緣性質的巖漿巖、早期地層及古老基底巖石.晚古生代—早中生代的沉積盆地應為一受控于勉略洋發展演化的弧后盆地.早二疊世之后，裂陷作用繼續發展.該弧后盆地伴隨著勉略洋向北俯沖消減而開始初始拉張，到晚二疊世局部地區出現了洋殼，至中三疊世早期，該弧后盆地擴張到最大.

3）陸-陸（弧）碰撞背景下的弧后前陸盆地（T3）

晚三疊世洋盆閉合，弧后盆地也同期關閉，洋盆及弧后盆地兩側的揚子地塊與巖漿弧及秦嶺微地塊（＋華北板塊）發生碰撞拼合.與此同時，早中二疊世—中三疊世早期地層為代表的弧后盆地轉變為中-上三疊統大河壩組濱淺海沉積為代表的弧后前陸盆地［22］，盆地原型的演變記錄了研究區勉略古洋盆由俯沖向碰撞轉變的復雜的地球動力學過程.

7 結論

1）根據巖石組合、巖石學和地球化學特征恢復了西秦嶺臨潭地區上泥盆統到上三疊統沉積環境.從上泥盆統到上三疊統地層砂巖碎屑成熟度逐漸降低，沉積環境由濕潤環境向半干旱環境轉變.其中大草灘組、巴都組蝕源區具有被動大陸邊緣屬性，十里墩組蝕源區具有活動大陸邊緣屬性，隆務河組、光蓋山組、大河壩組蝕源區具有大陸島弧或活動大陸邊緣屬性.

2）通過沉積環境恢復和構造屬性分析，確認研究區泥盆紀—早二疊世為被動大陸邊緣臺盆臺地演化階段；早中二疊世至中三疊世早期處于弧后盆地演化階段；晚三疊世進入弧后前陸盆地演化階段.