南祁連山野牛脊地區鹽池灣組碎屑巖地球化學特征及地質意義

[摘要]南祁連山野牛脊一帶出露的奧陶系鹽池灣組為一套碎屑巖組合，對其物源區性質、構造背景研究可以為南祁連南部弧后前陸盆地的演化提供良好的指示作用。對該套地層進行巖石學、地球化學特征研究，結果表明奧陶系鹽池灣組碎屑巖富SiO2、Na2O、CaO、K2O，貧TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO；富Ba、Th、U、Zr、Hf、Sc，貧Rb、Nb、Sr、Ti；稀土元素中總量為142.93×10-6～252.67×10-6，輕重稀土元素分餾程度高，輕稀土元素相對富集，具負的Eu異常。各類判別圖解顯示物源區為酸性火山巖區，物質以長英質為主，物源區具有大陸島弧-活動大陸邊緣轉化的特征。結合區域構造演化歷史，認為該地層是黨河南山-拉脊山、柴北緣洋盆雙向俯沖消減背景下沉積的產物，物源區可能為南祁連巖漿弧帶。

[關鍵詞]奧陶系；鹽池灣組；地球化學特征；構造背景；南祁連巖漿弧帶

研究區屬于南祁連陸塊的南祁連南部弧后前陸盆地，南以宗務隆山斷裂、南祁連山山前斷裂帶與宗務隆山—青海南山裂陷槽分野，北以中祁連南緣斷裂與野馬南山—化隆巖漿弧帶分隔[1]。奧陶系鹽池灣組主要分布于南祁連南部弧后前陸盆地南祁連巖漿弧帶，前人對該地層沉積學研究較多[2-3]，但地球化學特征研究相對較少，因此筆者選取南祁連巖漿弧帶奧陶系鹽池灣組為研究對象，分析其沉積地球化學特征，進一步探討了劍門關組物源區性質、構造背景。

1.地質背景

祁連造山帶地處青藏高原東北緣，隸屬于秦-祁-昆中央造山系中段，北以阿拉善南緣斷裂與阿拉善地塊相連，南以柴北緣造山帶與柴達木地塊相接，西被阿爾金走滑斷裂所截，向東延入秦嶺造山帶[4-5]。

研究區地處祁連山造山帶南西緣，大地構造位置屬西域板塊（Ⅲ）南祁連陸塊（Ⅲ4）的南祁連南部弧后前陸盆地（Ⅲ4-2）（圖1-1（a）[6]）。區域地層出露以早古生代淺海相—河流相碎屑巖、火山碎屑巖及晚古生代-中生代復理石碎屑巖地層為主，加里東期中—酸性巖漿侵入活動較強，北西西向寬闊復式向斜構造及同褶皺期的北西西向斷裂帶發育。

鹽池灣組分布于研究區北部野牛脊山南、中部伊克達坂和南部烏別勒真吐-烏珠爾哈德等地，呈北西西或近東西向展布，與區域主構造線基本一致，未見底。鹽池灣組為一套淺變質粗碎屑巖建造，下部為灰色夾灰綠色中-厚層狀變質石英粉砂巖、粉砂質板巖為主，夾少量變石英細砂巖、石英千枚巖。上部以褐灰、灰-深灰及灰綠色等雜色中厚層、塊狀變質中粗粒、中細粒長石巖屑砂巖、變質含礫長石巖屑砂夾同色粉砂巖、含礫粉砂巖、粉砂質板巖、砂質板巖、絹云板巖或不等厚互層，其與上覆上奧陶統多索曲組成整合接觸或斷層接觸。局部地段其頂部與上覆二疊系呈角度不整合接觸（圖1）。

2.樣品采集與分析

7件樣品均采自上奧陶統鹽池灣組實測剖面，巖性均為碎屑巖。樣品新鮮，未發生明顯礦化、蝕變，或次生風化作用。在室內將所采集樣品細碎至0.071mm（200目），主量元素采用X熒光光譜儀分析，微量元素采用等離子發射光譜儀分析，其均由武漢綜合巖礦測試中心完成，精度滿足要求。

3.地球化學特征

3.1主量元素

測區7件樣品主要元素分析結果見表1。研究區鹽池灣組碎屑巖中SiO2含量在63.26%～71.36%之間，平均值為69.07%，Al2O3含量在12.66%～12.79%之間，平均值為13.93%。這與富含長石、云母、粘土類礦物有關。與澳大利亞后太古代頁巖（PAAS）[7]相比，發現研究區碎屑巖主量元素富SiO2、Na2O、CaO、K2O，貧TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO，而P2O5、MnO與其含量基本相當。

3.2微量元素

研究區鹽池灣組碎屑巖微量元素含量及特征值見表2，與大陸上地殼微量元素含量相比，研究區鹽池灣組鐵族碎屑巖元素V低于上地殼豐度值，Cr與上地殼豐度值相當，Zr高于上地殼豐度值，放射性元素Th、U均略高于上地殼豐度值。Th，U均略低于上地殼含量。微量元素球粒隕石標準化蛛網圖曲線呈“M”型緩右傾（圖2），大多數樣品微量元素含量及變化趨勢近乎一致。碎屑巖主體表現為富Ba、Th、U、Zr、Hf、Sc，貧Rb、Nb、Sr、Ti。

3.3稀土元素

研究區鹽池灣組碎屑巖中稀土元素分析結果如表3。

研究區鹽池灣組碎屑巖稀土元素分析結果（表3）：該組碎屑巖稀土總量變化范圍為142.93×10-6～252.67×10-6，ΣREE平均值為210.12×10-6，LREE/HREE變化范圍為6.05～11.31、平均值9.38，遠大于1，輕重稀土元素分餾程度高，輕稀土元素相對富集。球粒隕石稀土元配分曲線（圖2）弱右傾，輕、重稀土元素曲線特征稍有差別。（La/Sm）N=2.78～4.39，平均值3.91，遠大于1，說明輕稀土元素較富集，且輕稀土元素分餾程度較低。（Ta/Yb）N=0.98～1.52，平均值1.24（>1），說明重稀土元素分餾程度低。（La/Yb）N比值變化范圍在4.86～12.62之間、平均9.50，δEu平均值為0.65，弱的負Eu異常，δCe平均值0.98，Ce基本無異常。研究區碎屑巖具有相似的稀土元素配分模式，曲線近于平行，說明沉積物可能來自同一物源區。

4.討論

4.1物源區性質

4.1.1主量元素的指示

K2O/AL2O3值也可以用來確定細碎屑巖源區巖石的成分，黏土礦物和長石的K2O/AL2O3值就存在明顯的差別。在堿性長石中，K2O/AL2O3值為0.4～1，在伊利石中大約為0.3，在其他黏土礦物中則接近于0[9-10]。研究區碎屑巖K2O/AL2O3值在0.14～0.35之間，平均值為0.25，小于0.4，說明母巖堿性長石較少。

Girty等[11]認為，沉積物AL2O3/TiO3值小于14時，沉積物物源可能來源鐵鎂質巖石，而AL2O3/TiO3值在20～30之間時，物源可能來自于安山質和流紋質（或者花崗閃長質和英云閃長質）巖石。研究區細碎屑巖樣品的AL2O3/TiO3值都在25～33.65之間，平均值為29.02，表明其物源主要為長英質巖石，而非鎂鐵質巖石。

4.1.2微量元素的指示

微量元素Sc、Th能區分碎屑巖中長英質、鐵鎂質來源的成分[12-13]，Taylor等[13]的研究表明，Th/Sc比值是最適合判斷物源區性質的指標的之一。研究區鹽池灣組碎屑巖TH/Sc比值變化范圍為0.65～1.13之間，平均值為0.88，其小于上地殼平均值，表明鹽池灣組源區物質以長英質為主。微量元素Cr/Zr值能反映鎂鐵質和長英質對沉積巖的貢獻[14]。研究區鹽池灣組Cr/Zr值范圍為0.02～0.11，平均值0.06，均<1，表明物源區物質以長英質為主。

4.1.3稀土元素的指示

稀土元素是沉積過程中最穩定的元素，可有效判別碎屑沉積巖源區成分特征。[15-16]

研究區鹽池灣組碎屑巖在La/Yb-∑REE（圖3）圖解投影點大部分投在花崗巖區與沉積巖交界處，且與PASS值相鄰。在Hf-La/Th（圖4）圖解中，研究區鹽池灣組投影點落于長英質、基性巖混合物源區及附近，且有酸性島弧物源向被動大陸邊緣物源演化的趨勢。銪元素異常（δEu）也是反映沉積體系內地球化學狀態的靈敏指標，可以作為鑒別物質來源的重要參數[18]。趙振華等[19]對各種巖類的Eu異常做了總結：花崗巖多為Eu負異常（δEu<0.9），中性斜長巖一般具Eu正異常（1.01<δEu<2.33），玄武巖大多數沒有異常（0.90<δEu<1.0），其中具有負異常的樣品多來自酸性火成巖。研究區鹽池灣組砂巖δEu為弱的負異常，在0.51～0.80變化，平均值為0.65，說明其形成沉積物中的碎屑源巖多為酸性火山巖類。

綜上可得，研究區鹽池灣組碎屑巖源自上地殼，物源區為酸性火山巖區，物質以長英質為主。

4.2物源區構造背景

4.2.1主量元素構造環境判別

運用碎屑巖中的SiO2、K2O、Na2O、TiO2、A12O3等主量元素的比值及相關性可將沉積盆地的構造環境分為大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣、被動大陸邊緣等4種類型[21-24]。在Al2O3/（Ca2O+Na2O）-Fe2O3總+MgO構造環境判別圖中投影點主要落于活動大陸邊緣，K2O/Na2O-Fe2O3總+MgO構造環境判別圖、TiO2-Fe2O3總+MgO構造環境判別圖中投影點在活動大陸邊緣及大陸島弧均有分布，綜上，研究區鹽池灣組碎屑巖源區的構造環境主要為大陸島弧-活動大陸邊緣。

4.2.2微量元素構造環境判別

微量元素對構造背景的判別，主要是運用沉積巖中La，Th，Sc，Co，Zr，U，Hf等元素的比值或相關性可判別構造環境[25]。因為不同構造位置砂巖的微量元素豐度和比值是不同的。當La/Th為（6.7±2.0），Hf含量約為2×10-6時，為大洋島弧構造背景；當La/Th約為4.5，Hf含量為4×10-6～5×10-6時，為大陸島弧構造背景；當La/Th約為2.6，Hf含量一般大于5×10-6時，為活動大陸邊緣或被動大陸邊緣構造背景。

根據以上的判別方法，對研究區樣品在La-Th-Sc、Sc-Th-Zr/10（圖6），為大陸島弧-活動大陸邊緣構造背景；研究區樣品的La/Th值3.3×10-6～5.1×10-6，Hf含量在4.9×10-6～10.2×10-6，說明本次研究的物源區也具有活動大陸邊緣的背景。

4.2.3地質意義

以上主量、微量元素物源區構造環境判別結果表明，研究區鹽池灣組物源區為大陸島弧-活動邊緣構造環境。綜合前人研究結果，研究區所在南祁連巖漿弧帶組成演化經歷了古元古代結晶基底、早奧陶世-志留紀火山-巖漿弧、石炭紀-新生代火山-巖漿弧、中生代海陸交互相碎屑巖-碳酸鹽巖沉積、新生代斷陷盆地河湖相沉積。南祁連巖漿弧帶在早奧陶世開始，受南北兩側（黨河南山-拉脊山、柴北緣）洋盆雙向俯沖消減作用的制約，在南祁連地塊的南北兩側邊緣地區由早期被動邊緣轉化為活動邊緣盆地，發育了以中基性-中酸性系列火山巖為標志的火山-巖漿弧。在早奧陶世洋盆進一步擴張，區內及鄰區形成中晚奧陶世鹽池灣組復理石碎屑巖建造，晚奧陶世開始出現俯沖消減，形成由北而南的奧陶系島弧火山巖組合。研究區鹽池灣組碎屑巖地球化學特征研究進一步驗證上述結論。其可能的物源區為南祁連山巖漿弧帶。

5.結論

（1）鹽池灣組物源相對單一，物源區為酸性火山巖區，物質以長英質為主。

（2）地球化學顯示，南祁連山野牛脊鹽池灣組碎屑巖物源區構造背景復雜，具有大陸島弧-活動大陸邊緣轉化的過程。

（3）結合區域構造演化歷史，認為可能的物源區為南祁連山巖漿弧帶。

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