呼倫貝爾巴彥塔拉砂礫石剖面沉積物組成和鋯石U?Pb 年齡

摘 要 【目的】砂礫石沉積物的沉積學、地球化學、鋯石U-Pb年代研究對于地層劃分、水系演化以及揭示山體的構造隆升歷史和區域構造巖漿事件等具有重要意義。然而，呼倫貝爾巴彥塔拉砂礫石剖面薄弱的認知限制了其地層劃分以及區域地表過程的深入理解?！痉椒ā繛榇?，對該剖面進行了沉積學、重礦物、地球化學和鋯石U-Pb年代學分析。【結果】（1）沉積學、重礦物、地球化學特征和地貌證據以及鋯石U-Pb年齡綜合分析顯示，巴彥塔拉砂礫石剖面沉積物主要是來自大興安嶺北段的中—酸性巖漿母巖，是初次循環的結果，沉積物堆積后經歷了中等程度的化學風化；（2）結合宏觀和微觀角度（重礦物和地球化學指標等），并與大興安嶺東麓白土山組標準剖面對比，認為巴彥塔拉砂礫石剖面沉積物是在溫暖偏干的氧化環境下形成的沖—洪積物堆積，其地層單位可以劃分為白土山組；（3）構造背景判別圖解表明構造背景為被動大陸邊緣，碎屑鋯石U-Pb年齡在100～200 Ma和250～350 Ma的年齡峰值記錄了大興安嶺北段在古亞洲洋的閉合和古太平洋的俯沖、回退的區域構造背景下觸發的多期巖漿構造事件?！窘Y論】該研究為大興安嶺地區第四紀地層的劃分和早更新世區域地表過程的重建提供了新的證據。

關鍵詞 鋯石U-Pb測年；地球化學；地層劃分；沉積環境；白土山組；大興安嶺

第一作者簡介 時蘊琳，女，1999年出生，碩士，第四紀地質與環境變化，E-mail： 1720926526@qq.com

通信作者 謝遠云，男，博士，教授，第四紀地質與環境變化，E-mail： xyy0451@hrbnu.edu.cn

中圖分類號 P535 文獻標志碼 A

0 引言

沉積環境在沉積學研究中起著至關重要的作用，沉積學特征作為地層對比與劃分的基礎，在探究源巖性質、化學風化與分選循環等沉積環境信息時，對詳細的沉積學特征分析有著深刻的科學意義[1?2]。近幾年，地球化學、礦物學等一些新興學科開始迅速發展，這導致在恢復和重建古沉積環境中，廣泛應用了重礦物[3?5]、元素地球化學[6?7]、年代學[8]、古地磁、孢粉等手段，補充沉積學研究的不足。在這些方法中，由于沉積物中的一些地球化學元素對氧化還原敏感，且在特定條件下會進行遷移、富集并重新組合，因此地球化學元素能夠判斷物源，在恢復和重建氣候環境研究中也發揮作用[9]；在物源條件一致時，重礦物表現出相似的組合特征，在物源條件不同時，因經歷搬運與風化作用，從而導致重礦物組合特征發生明顯變化[10]，因此重礦物可以表明物源、源巖屬性和沉積環境等特征，進而分析構造—氣候的耦合關系；碎屑鋯石年齡記錄了碎屑礦物的物源與地層的最大沉積年齡等信息，進而成為探究沉積構造環境的重要手段之一[11?13]。因此碎屑沉積物的元素地球化學、重礦物和鋯石U-Pb測年研究，對于恢復沉積環境和探究構造背景至關重要[14]。

白土山地層作為大興安嶺地區的第四紀下限，對于第四紀地層的劃分和重建早更新世區域環境等具有重要的意義。早期對其的研究僅限于巖性特征，缺乏對地層全面屬性的認知，其沉積環境與構造事件也存在較大爭議[15?22]，并且對于呼倫貝爾砂礫石剖面，目前還沒有確定其地層年代。因此，對呼倫貝爾砂礫石剖面的沉積學、礦物學、地球化學屬性以及鋯石U-Pb年齡進行分析，為區域地層劃分和對比提供了新的依據，厘定沉積時代，探討沉積環境特征，確定地層劃分歸屬，對第四紀地層劃分以及更好地認識呼倫貝爾砂礫石剖面及其周邊地區的構造演化提供了新的指示。

1 研究區概況

大興安嶺地區位于古生代古亞洲洋構造東部與中生代環太平洋構造強烈疊加—轉換區域，自古生代以來受到多次塊體拼合與陸內演化的復合影響，對探究中亞造山帶的構造演化歷史具有重要的作用[23?25]。大興安嶺北段地區位于興安地塊和額爾古納地塊上（圖1a），在構造上屬于興蒙造山帶，存在古生代古亞洲洋與中生代蒙古—鄂霍茨克洋兩大構造域之間的疊加轉換和中—新生代環太平洋構造域的俯沖增生等復雜的構造演化歷程[26]。中生代以來，隨著蒙古—鄂霍次克洋的閉合與太平洋向西俯沖，大量中酸性巖漿噴發和侵蝕，伴隨產生了中酸性火山巖，以及出現了一系列E—W和WS—EN走向的斷裂構造活動帶。

研究區位于內蒙古自治區呼倫貝爾海拉爾區（49°06′～49°28′ N，119°28′～120°34′ E），大興安嶺西麓的低山丘陵與呼倫貝爾高平原東部邊緣的交界處（圖1b）。呼倫貝爾地處中溫帶，大陸性氣候顯著，冬季寒冷漫長，夏季溫涼短促，降水量變率大，分布不均，年際變化也大。根據野外巖層組合、原巖建造、化石特征和地質接觸關系等，研究區共出露8個地層單元，分別為第四紀沉積物、白堊紀花崗巖、侏羅紀花崗巖、二疊紀花崗巖、石炭紀變質巖、泥盆紀粉砂巖、奧陶紀板巖和下元古界片巖[27]（圖1c）。

2 樣品與方法

2.1 樣品采集與處理

呼倫貝爾巴彥塔拉砂礫石剖面（49°1′56″ N，119°43′3″ E），呈“穹型”暴露于地表，最厚處約15 m（圖1d）。本研究對沉積學特征進行觀察和分析，包括礫石特征與基質性質以及透鏡體和層理特點等；極細砂和細砂透鏡體沉積物用于重礦物研究，共6件；基質和泥質—粉砂透鏡體樣品用于地球化學分析，共7件；具有代表性的透鏡體樣品用于U-Pb鋯石年代學研究，共1件（表1）。此外，為了對大興安嶺兩側砂礫石沉積物進行對比，引用了大興安嶺東麓龍江縣和平安鎮白土山剖面的重礦物與地球化學數據。

2.2 實驗方法

選用范圍為1.5 m×1.5 m的網格法對呼倫貝爾砂礫石剖面礫石進行采樣，并在區域內隨機選取不少于100顆礫石，觀測每個礫石產狀、成分、礫徑、磨圓度和風化程度并進行統計。礫石巖性特征均通過觀察被敲開的礫石新鮮面進行判斷并制成相應圖表。

重礦物鑒定具體過程如下：首先使用分樣篩獲取樣品63～250 μm的粒度組分并低溫烘干（lt;60 ℃），根據礦物比重的差異進行淘洗，再通過三溴甲烷（重液）分離，然后酒精反復沖洗被分離的樣品，恒溫烘干后稱重，使用電磁法對樣品進行磁選[28?29]，最后，以雙目鏡和偏光鏡為工具，進行重礦物的鑒定與識別，并且每個重礦物的鑒定數目大于900顆[30]。

地球化學樣品測試具體過程如下：樣品室內烘干后研磨至粉末狀，然后用分樣篩獲得小于63 μm的粒度組分用于地球化學分析，由于礦物類型與組合的不均勻可能造成X射線系數吸收差異，因此常量元素在樣品制成熔片后通過XRF光譜儀完成，實驗結果更加準確[31]，實驗誤差小于3％。在測試微量和稀土元素時使用電感耦合等離子體質譜儀（ICPMS）完成，測量過程中加入國際樣品、重復樣以及空白樣品來保證實驗準確性[32]，實驗誤差小于2%，具有很高的可靠性。

鋯石U-Pb測年具體過程如下：使用準分子193 nm激光剝蝕106 系統（NewWave， NWR193）和AnalytikJena AG PQMS030 elite ICP-MS 儀器（德國）進行分析。激光條件為：激光束斑直徑30 μm，激光能量密度10 J/cm2，剝蝕頻率8 Hz；載氣使用高純度He氣輔助氣為Ar氣。用于儀器校準的NIST SRM 610的濃度值參考Pearce et al.[33]和Yuan et al. [34]給出的詳細校準過程；標準鋯石Plesovice[35]和Qinghu[36]為監控盲樣。使用Glitter軟件進行同位素比值及元素含量的計算；諧和年齡及圖像使用Isoplot 4.15[37]得出；分析數據及鋯石U-Pb諧和圖給出的誤差為1 σ，表示95%的置信度。

3 結果

3.1 沉積學特征

剖面整體向兩側延伸約30 m，傾向為105°，沉積物巖性以灰白色砂礫石堆積為主，局部見鐵染與鐵盤，夾灰白色黏土透鏡體（圖2a），透鏡體最大厚度達2～3 m。沉積物局部可見平行層理發育（圖2b）；多層鐵板層—鐵板層的球形彎曲發育，產狀為10°∠4°（圖2d）；弱固結鐵銹色砂礫層底部測量產狀，為320°∠5°；在剖面頂部，發現大量鈣質結核，砂礫石堆積上覆灰白色亞砂土。

礫石粒徑以0～80 mm為主，最大可達160 mm（圖3a）；基質以砂—粉砂和泥質為主；磨圓以次棱角（71%）為主，次圓（19%）次之，圓和棱角占比不足1%（圖3b）；風化程度以無（95.5%）—弱風化（4.5%）為主（圖3c）；礫石主要為石英質（61.2%）和凝灰巖（34.9%），其次是陸源碎屑巖（2.6%）和流紋巖（1.3%）（圖2c、圖3d）。

3.2 重礦物

共鑒定出11種重礦物（表2），包括白鈦石、綠簾石、角閃石、金紅石、鋯石、榍石、石榴子石、銳鈦礦、鈦鐵礦、磁鐵礦、赤/褐鐵礦。呼倫貝爾砂礫石剖面重礦物以白鈦石（32.54%）和鈦鐵礦（33.01%）占絕對優勢，其次為磁鐵礦（12.11%）、ZTR（6.53%）、赤褐鐵礦（5.47%）和銳鈦礦（1.34%）和綠簾石（0.52%）和石榴子石（0.11%）含量不足1%，其他礦物含量占8.38%，而榍石、金紅石、角閃石僅在個別樣品中出現且含量極低，為偶見礦物。

3.3 地球化學元素特征

3.3.1 常量元素

沉積物常量元素含量呈現出不同程度的變化，以SiO2（平均值為63.77%，下同）、Al2O3（16.65%）、Fe2O3 （12.32%）、FeO（11.08%）、K2O（2.52%）為主。與大陸上地殼（UCC）相比，Fe2O3、TiO2和FeO明顯富集，而MgO、CaO、Na2O、K2O、MnO、P2O5明顯虧損，SiO2和Al2O3與UCC含量則比較相近（圖4a）。

3.3.2 微量元素

沉積物微量元素含量呈現復雜的變化（圖4b），相較于UCC，在過渡元素（TTE）中，V、Zn、Ga、Ni明顯富集，Cu、Cr、Co波動較大，而Sc與UCC含量比較接近；在大離子親石元素（LILE）中，Rb、Ba總體虧損，Sr明顯虧損，Cs明顯富集，而Pb波動較大；在高場強元素（HFSE）中，Nb、Ta 明顯虧損，Th、U、Zr、Hf 明顯富集。

3.3.3 稀土元素

沉積物稀土總量（ΣREE）介于74.26～211.77，平均值為134.17，低于UCC（146.37）和后太古宙頁巖標準值（PAAS，184.77），分配模式趨勢的呈現與UCC呈現相似，即左陡右緩，Eu處呈現V字形，表明樣品輕稀土富集、重稀土虧損和Eu負異常的分布特征（圖4c）。

沉積物的輕稀土元素富集，總量（ΣLREE）介于66.67～190.61，平均值為117.48；而重稀土元素虧損，總量（ΣHREE）介于7.58～27.459；ΣLREE/ΣHREE介于4.54～9.01，平均值為7.45。δEu 介于0.65～0.95（平均值為0.74），δCe介于0.81～1.03（平均值為0.91），即樣品存在Ce、Eu 負異常。（La/Sm）N 介于3.15～10.55，平均值為4.96，（Gd/Yb）N 比值介于0.68～1.32，平均值為1.01，表明輕重稀土分餾程度都比較明顯。

3.4 鋯石U?Pb 年齡

鋯石是一種極穩定的重礦物，在沉積過程中，成分和年齡基本不受影響，因此被廣泛用于判別物源特征[38?39]。選取呼倫貝爾砂礫石剖面1個透鏡體樣品開展鋯石U-Pb測年分析，其中Th/U比值大部分大于0.3，表明鋯石主要是巖漿成因。剔除諧和度小于90% 的鋯石年齡數據，大于1 000 Ma 的鋯石選擇207Pb/206Pb年齡，小于1 000 Ma的年齡選擇206Pb/238U年齡，最終繪制了碎屑鋯石U-Pb年齡譜（圖5）。

此次鋯石年齡數據大部分位于諧和線上或附近，說明得到的年齡結果是可靠的。其碎屑鋯石年齡譜具有兩個年齡段組合，分別為100～200 Ma（中生代白堊紀—侏羅紀）和250～350 Ma（晚古生代二疊紀—石炭紀），其中中生代的年齡峰值為～126 Ma，晚古生代的年齡峰值為～302 Ma。

4 討論

4.1 化學風化與沉積循環

4.1.1 化學風化特征

在沉積過程中，化學風化起著十分重要的作用，對沉積物地球化學組成產生了很大的影響[41?42]，因此研究沉積物的化學風化特征，不僅可以確定物源，還可以作為恢復和重建古氣候的重要手段[43?45]。風化作用會導致物質發生一定的改變，但元素是否存在仍由自身的性質決定，在化學風化過程中，Al3+等穩定的陽離子大部分可以在風化殘留物中保存；而Na+、K+、Ca+等不穩定的陽離子則容易從母巖中流失并改變，進而在風化產物的堿金屬中Al 的比例增加[46]，以此為依據，提出了許多化學風化指數來衡量化學風化程度。Nesbitt et al.[47]提出化學蝕變指數CIA來判斷源區風化程度，而為了排除成巖作用過程中鉀交代作用增加的鉀元素干擾，Harnois[48]又提出了化學風化指數（CIW）來評價沉積物的風化程度，CIA、CIW公式分別如下：

CIA = 100 × [Al2O3/（Al2O3 + CaO* + Na2O +K2O） ] （1）

CIW = [Al2O3/（Al2O3 + Na2O + CaO* ） ] （2）

式中：CaO*是硅酸鹽中的CaO含量，常量元素含量用摩爾濃度表示。通常CIW、CIA的值和化學風化程度呈正比例關系[49?50]。（1）式中依據風化程度可以大致分為未風化、初級風化、中等風化、強烈風化四個等級；（2）式中，當CIW值為50～60時，即受到化學風化影響較微弱，當CIW大于70時，即受到化學風化影響較強烈。砂礫石剖面樣品的CIA 值介于65.24～86.61，平均值為71.16，與上陸殼均值48相比較高；CIW值介于73.2～92.96，平均值為80.48，二者皆指示沉積物遭受了較高程度的化學風化。

除化學風化指數外，一些三元圖解也可以用來化學風化及其趨勢的預判。Nesbitt et al.[47]提出了A-CN-K三角模型圖來判斷化學風化程度與趨勢，在圖解中，沉積物落點都高于斜長石—鉀長石連線，并且處于PAAS上方，說明了化學風化程度中等；沉積物的趨勢線大致平行于A-CN連線且接近于A-K連線，指示斜長石基本被風化，并產生了風化產物伊利石，表明經歷了中等的化學風化程度；樣品點的分布也比較集中，這說明沉積物的化學風化過程穩定（圖6a）。A-CNK-FM三元圖解也常用于評估沉積物的化學風化程度，在圖中樣品點絕大部分處于斜長石—FM連線與綠泥石—伊利石連線之間，這同樣說明樣品沉積物的風化程度較高（圖6b）。

在沉積環境中，Rb與Sr的地球化學行為存在差異，在風化過程中Rb不穩定且易淋濕，而Sr表現較穩定，因而判別風化強度時常用Rb/Sr比值[51]，其比值越高說明化學風化作用越強。剖面沉積物的Rb/Sr值介于0.25～0.95，平均值為0.50，比UCC均值高，說明沉積物的風化程度中等。

沉積學也可以為砂礫石剖面沉積物的化學風化程度提供佐證。礫石的風化程度可以表明沉積物的風化程度[52]，觀察礫石的表面特征，可知礫石經歷了無—弱風化作用，但其致密的結構導致不易被風化，所以指示樣品遭受了較高程度的化學風化。在重礦物不斷的剝離、搬運、沉積時，化學風化作用一直影響重礦物的含量與組合，樣品沉積物的地球化學元素組成相似說明有穩定的物源；礫石以次棱角—次圓為主的磨圓度說明搬運距離較短，所以對砂礫石剖面沉積物而言，重礦物組合受物源和搬運距離因素的影響較小，主要受化學風化程度的控制。重礦物的穩定性與抗風化水平成正比，穩定重礦物在風化過程后仍然存在，不穩定重礦物在風化作用下則逐漸溶解消失。從樣品的重礦物含量可以看出，白鈦石、鈦鐵礦等穩定重礦物呈富集狀態，角閃石和榍石等不穩定重礦物含量極低，結合Rb/Sr比值、化學風化指標與三角圖解共同指示了砂礫石剖面沉積物的化學風化程度中等。

4.1.2 分選與沉積循環

識別沉積物的分選與沉積循環過程對恢復沉積物沉積過程具有重要意義。沉積物在搬運過程中受物理和化學作用的影響而出現分選現象，從而導致沉積物中非黏土礦物的增加和黏土礦物的減少，即不穩定元素含量會受到影響，進而地球化學特征也會發生變化，以此為依據，Cox et al.[53]提出了成分變異指數（ICV）用來反映沉積物成分成熟度以及判別沉積再循環過程。Parker[54]也根據元素（K、Ca、Na、Mg）與氧結合的鍵作為加權因子可以反映巖石的風化情況以及風化的敏感程度，提出使用風化指數（WIP）來估算沉積物的化學風化程度甚至區分初次沉積和再循環沉積[54?55]。ICV、WIP公式分別如下：

ICV = （CaO + K2O + Na2O + Fe2O3 + MgO +TiO2 + MnO）/Al2O3 （3）

WIP = 100 × （CaO*/0.7 + 2Na2O/0.35 +2K2O/0.25 + MgO/0.9） （4）

式中：常量元素含量用摩爾濃度表示，（3）式中，ICV越高與沉積物的成熟度成反比，ICV大于1表明沉積物成熟度低，說明沉積物可能是在構造活動背景下經歷了首次循環沉積作用[56]；ICV小于1表明沉積物成熟度高，為再循環沉積，也可能是在強烈化學風化條件下進行了初次循環[57]。（4）式中，化學風化和再循環程度越強，WIP越低。近年來，又提出利用CIA-WIP的二元圖解來辨析沉積物是否經歷再循環，經歷初次循環時，CIA/WIP小于10，而經歷再循環時，CIA/WIP大于10。砂礫石剖面樣品ICV介于0.56～2.32，平均值為1.22；CIA/WIP值介于1.22～3.84，均未超過10；在CIA-WIP圖解中（圖7a），樣品點顯示出顯著的線性關系，并處于UCC風化趨勢線周圍，這些均表明砂礫石剖面沉積物成熟度較低、屬于初次循環的產物。

Zr/Sc-Th/Sc二元圖解[58?59]被廣泛應用于評價沉積物是否經歷分選與再循環。沉積物再分選與再循環過程中，穩定重礦物不斷富集導致某些元素（如Zr、Th、Sc等）的富集，其中Zr主要富集在鋯石中，所以Zr/Sc 常用于反映鋯石增加進而判斷沉積物再循環[60]，而Th/Sc比值在沉積再循環過程中沒有明顯的變化，因此可作為判斷化學分異的指標[58]，當沉積物經歷初次循環時，Th/Sc比值隨Zr/Sc比值增加而增加，即樣品點沿著巖漿成分趨勢線分布；當沉積物經歷再循環時，隨著Zr/Sc比值的增加，Th/Sc比值平緩分布，即樣品點偏離了巖漿成分趨勢線。呼倫貝爾砂礫石剖面樣品點均分布在再循環趨勢線周圍，指示在沉積過程中主要受再循環的影響，這可能是鋯石富集且含有部分陸源碎屑巖所致（圖7b）。

4.2 沉積物源

礫石的發育常伴隨造山活動，通常帶有豐富的物源地信息，因此在追蹤物源時常統計分析礫石特征[61?62]。呼倫貝爾砂礫石剖面地處大興安嶺西麓，礫石的磨圓度較差（圖3b），說明其搬運距離較近，在沉積過程受到風化作用的影響有限，因而剖面的礫石特征可以被用來反映源區[63?64]。在礫石巖性組成中，凝灰巖和流紋巖等長英質巖石占97.4%（圖3d），代表其母巖主要為中—酸性巖漿巖，且大興安嶺地區廣泛發育該巖石，說明大興安嶺可能為呼倫貝爾砂礫石剖面物源。

而這一觀點也得到了重礦物與地球化學證據的支持，通過對比分析研究區與潛在物源區的重礦物與地球化學特征可以判別物源。前人對于大興安嶺地區的研究已經比較全面，主要通過河流沉積物來反映其重礦物和地球化學的整體性特征，因此收集總結了潛在物源區大興安嶺東側河流沉積物的重礦物與地球化學數據[62，65]，如多布庫爾河、諾敏河、阿倫河等，以此來代表大興安嶺地區重礦物與元素地球化學的綜合性特征，并與呼倫貝爾砂礫石剖面重礦物與元素地球化學對比且展開分析。大興安嶺地區東側碎屑重礦物主要為綠簾石和鈦鐵礦，赤褐鐵礦、角閃石與輝石次之，指示母巖主要為中—酸性巖漿巖，與研究區基本一致；二者元素地球化學所揭示的源區母巖性質基本一致（圖8）。因此，綜合沉積學、重礦物與地球化學特征，并結合其區域地質背景，初步推斷呼倫貝爾砂礫石剖面物源來自大興安嶺。

碎屑沉積物的地球化學研究被廣泛應用于追蹤沉積物源[69?70]。REE不易受遷移、沉積和成巖作用的影響，可以穩定保留在沉積物中并有效反映母巖性質。通常來說長英質巖石的ΣLREE/ΣHREE比值較高，Eu負異常；而鐵鎂質巖石的ΣLREE/ΣHREE比值低，Eu呈現無異常或正異常。呼倫貝爾砂礫石剖面沉積物稀土配分曲線趨勢波動較小，稀土配分模式為輕稀土富集、重稀土虧損和Eu 負異常，與UCC和PAAS的分布模式相似，指示其源巖主要來自長英質火成巖。Al2O3/TiO2比值是指示沉積物源巖的主要手段之一[71]，當Al2O3/TiO2小于14時，表明源巖主要為鎂鐵質巖石，當Al2O3/TiO2比值介于19～28時，表明源巖主要為長英質巖石。呼倫貝爾砂礫石剖面沉積物的Al2O3/TiO2 值介于15.56～46.13，平均值為26.49，指示了沉積物的長英質母巖屬性。

一些不活動元素及其比值常用來指示碎屑沉積物的母巖性質[72]。由于沉積分選和再循環過程中，Hf含量隨著鋯石的富集而增加，因此La/Th-Hf的二元圖解常用于判別母巖性質以及沉積再循環特征[66]。砂礫石剖面La/Th比值（1.69～2.42，平均值為1.97）和Hf 含量（6.98～20.14，平均值為13.18）整體較低，在La/Th-Hf判別圖解中（圖8a），樣品點集中在長英質酸性源區附近。一般來說，La和Th等元素更多賦存在長英質巖石中，Sc、Co等元素則更多在鐵鎂質巖石中富集[73]，因此Co/Th-La/Sc判別圖解可以較好地判別母巖的性質[67]，砂礫石剖面沉積物La/Sc 值介于2.1～3.16，Co/Th值介于0.21～1.48，樣品點分布在長英質火山巖的周圍（圖8b）。并且，沉積物的Cr/Th比值為1.29～3.41，Th/Sc 比值介于1～1.72，在Th/Sc-Cr/Th二元圖解中，樣品點主要分布在長英質火山巖附近（圖8c）。在TiO2-Zr雙變量圖中，沉積物全部分布在長英質火成巖區域[68]（圖8d），以上皆指示砂礫石剖面碎屑物具有長英質母巖屬性，這也與稀土元素富集和Eu負異常的特點相符合。

綜合礫石特征、重礦物與元素地球化學、稀土元素配分模式與地球化學元素比值和判別圖解，確定了長英質巖漿母巖的物源貢獻，這指示呼倫貝爾砂礫石剖面沉積物來自大興安嶺的中—酸性巖漿母巖。

鋯石有極高的硬度與封閉溫度，因而在風化、剝蝕、磨蝕等過程中，U-Pb同位素體系仍可以在經歷各種地質過程后穩定存在[74?75]，因此碎屑鋯石年齡組合分布能夠很好地判斷沉積物的來源，通過對比分析研究區與潛在物源區的鋯石U-Pb年齡分布特征進行物源判別[76]。為了進一步追蹤物源，對呼倫貝爾砂礫石剖面進行了鋯石U-Pb測年分析并繪制了年齡諧和圖和年齡頻譜圖，在此基礎上收集總結了前人對于潛在物源區大興安嶺北段的年代學研究成果[40]，繪制了鋯石U-Pb年齡譜（圖5），并與呼倫貝爾地區鋯石年齡分布特征對比并展開分析。結果顯示，呼倫貝爾碎屑鋯石年齡峰值特征與大興安嶺北段極其相似，具有100～200 Ma 和250～350 Ma 的鋯石年齡峰值，說明呼倫貝爾砂礫石剖面的物源主要為大興安嶺北段。

4.3 沉積環境

砂礫石剖面地層的沉積環境可以從沉積學、地球化學特征和重礦物組成進行判斷，其中沉積學主要從礫石礫徑、磨圓度、分選性以及堆積情況等方面來指示沉積環境特點[64，77]。呼倫貝爾砂礫石剖面礫石礫徑集中在0～80 mm，分選性與磨圓度較差，礫徑大小不同且以次棱角和次圓為主要優勢的礫石混雜堆積；局部夾雜著灰白色黏土透鏡體；碎屑沉積物為初次循環，指示其搬運距離較短，并且存在明顯發育的平行層理，表明有定向水流的改造。綜合上述沉積學特征，認為砂礫石剖面沉積物為近距離搬運的沖—洪積物堆積。

在沉積物經歷化學風化過程中，穩定元素不斷富集，而堿金屬元素遷移流失，因此在判別沉積物古氣候時元素地球化學被廣泛應用[78?79]。為了判別沉積過程中的氣候條件，繪制了SiO2-Al2O3+K2O+Na2O的關系圖，沉積物全部分布在干旱區域，指示在干旱條件下形成了砂礫石剖面沉積物（圖9a）。古氣候特征也可以利用Rb/Sr比值來指示[80]，沉積時古氣候越濕潤，代表風化作用越強烈，致使Sr淋失得越徹底，Rb/Sr值越大。沉積物Rb/Sr介于0.25～0.95，平均值為0.5，指示砂礫石剖面屬于干旱古氣候。

在沉積過程中，沉積物受到氧化還原反應的影響，因此微量元素的含量及比值可以表明其沉積環境[81?83]。V元素在風化、成巖過程中受到的影響很小，穩定地存在于沉積物中；而Ni、Co元素在氧化還原性質不同的環境表現不同，因此在判別沉積環境中V/Cr、Ni/Co比值被廣泛使用[84]，V/Crgt;4.5、Ni/Cogt;7指示為缺氧環境，V/Crlt;2、Ni/Cogt;5 指示為富氧環境。在V/Cr-Ni/Co圖解中，沉積物絕大部分分布在含氧—缺氧的過渡區間，指示其沉積環境為氧化環境（圖9b）。

穩定重礦物有很強的抗風化的能力，在沉積過程中可以保存源巖的信息，因此可以用來判別沉積物的物源，進而為沉積演化的提供佐證[85]。呼倫貝爾砂礫石剖面沉積物的重礦物以穩定的白鈦石和鈦鐵礦占絕對優勢（表2），這兩種礦物都是氧化環境下的產物，且基本沒有不穩定礦物（角閃石和輝石），這指示沉積物經歷了很強的化學風化強度，與沉積物較高的CIA值（圖6）相對應，也和氧化條件相匹配。

結合礫石特征、地球化學特征及其重礦物組成，認為呼倫貝爾砂礫石剖面是在溫暖偏干的氧化條件下近距離搬運的沖—洪積物堆積。

4.4 地層對比與劃分

將未劃分地層的剖面與已經確定地層歸屬的剖面進行地層屬性的對比，是一種判斷地層劃分歸屬的重要方法[86]，經典的白土山組是以黑龍江省龍江縣朱家坎白土山剖面為標準建立，之后灰白色夾黏土透鏡體的砂礫石巖性特征作為白土山組地層劃分的依據被廣泛應用，據此大興安嶺東麓龍江縣和平安鎮均被劃歸為白土山組[87?88]，而一直以來呼倫貝爾砂礫石剖面的地層劃分歸屬尚未有定論，存在諸多的不確定性。屬性的全面建立是地層劃分的基礎，因此結合研究新成果，整合分析了沉積學、礦物巖石學以及地質年代學等多種手段，在此基礎上將呼倫貝爾砂礫石剖面與大興安嶺東麓龍江縣和平安鎮白土山剖面進行對比，判斷其地層劃分歸屬。

從沉積物顏色上看，三者同為灰白色砂礫石堆積（圖2）；從礫石的磨圓度和風化程度來看，研究區磨圓度以次棱角—次圓為主，處于龍江縣白土山組和平安鎮白土山組之間，這可能是由于呼倫貝爾砂礫石剖面為近源沉積，且三者CIA數值接近，皆為較強的風化程度；從礫石的巖性對比可以看出，呼倫貝爾砂礫石剖面以石英質和凝灰巖為主，其次為陸源碎屑巖和流紋巖，龍江縣白土山以流紋巖、脈石英、凝灰巖為主，其次為陸源碎屑巖及花崗巖，平安鎮白土山巖性以凝灰巖為主，流紋巖和石英巖質巖石次之，三者礫石巖性相似；另外，三者基質均為砂—粉砂和泥；從地層結構來看，三者的細顆粒物質均以透鏡體的方式存在；從沉積物的成因類型來看，三者均為沖—洪積物堆積；從剖面所在區域氣候環境來看，三者皆為干旱氧化環境。此外三者重礦物種類及含量大致相同，均以白鈦石、綠簾石、鈦鐵礦、ZTR、赤褐鐵礦和銳鈦礦為主，但個別礦物（如綠簾石）含量受區位特征、氣候等因素影響略有差異，且三者地球化學元素的含量與變化趨勢以及母巖性質均十分相近（圖8，10）。

根據沉積物的各類屬性特征，包括沉積物顏色、礫石特點與基質性質、地層結構、沉積物成因類型和氣候環境、重礦物和母巖性質等，可判斷呼倫貝爾砂礫石剖面為白土山組。但仍然需要年代學證據的支撐來判斷剖面的地層歸屬，因此在下一步工作中將開展呼倫貝爾砂礫石剖面的年代學研究，如ESR和埋藏測年等。

4.5 構造意義

4.5.1 構造背景重建

在經歷地質構造作用時，碎屑沉積物的產生可以用來揭示源區的構造演化。隨著地球化學測試技術的提高，對碎屑沉積物的地球化學組成進行分析是現今常用的重建源區構造背景的方法[89?91]。在沉積過程中，由于受到風化和成巖作用的影響，常量元素不穩定的化學性質導致被誤判，而不活動的微量元素穩定的化學性質導致受到的影響很小，所以被廣泛用于判別源區的構造背景[90]。砂礫石沉積物化學風化程度中等，因而可以使用微量元素重建構造背景，La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10圖解常用來判斷沉積物源區的構造背景[92]，砂礫石沉積物樣品點均落在被動大陸邊緣區域，與大興安嶺處于板塊內部且構造相對穩定的情況相符（圖11）。

4.5.2 對區域構造巖漿事件的指示

大興安嶺北段位于興蒙造山帶東部，其構造演化可分為早古生代微板塊拼合、中生代蒙古—鄂霍茨克洋俯沖閉合、古太平洋板塊的俯沖與回退等多個構造域作用下的多階段構造演化，具有十分復雜的地質演化歷史，揭示其背后的動力學背景并重建區域構造歷史顯得尤為重要。

地球化學指標在指示構造環境中通常存在不確定性[93]，因而判別沉積物的構造環境時需要一同分析地質構造事件。有研究顯示，東北沙地的碎屑鋯石年齡非常穩定[94]，因此呼倫貝爾砂礫石剖面單個樣品的碎屑鋯石U-Pb年齡數據仍具有很強的代表性，可以有效代表剖面的整體特征。此外，碎屑鋯石每個年齡峰值均代表源區在該時期發生過一定規模的構造—巖漿事件[95]，因而，呼倫貝爾砂礫石剖面100～200 Ma和250～350 Ma兩個主要年齡峰值，是對大興安嶺北段多期次構造巖漿事件的綜合響應。

晚二疊世以來，古亞洲洋板塊俯沖與華北克拉通發生碰撞，并沿索倫—西拉木倫—長春—延吉縫合帶自西向東于晚二疊世—早三疊世呈剪刀式閉合[96?98]。在此期間板塊內部產生大量造山運動，導致大興安嶺北段廣泛發育了構造—巖漿事件[99]，呼倫貝爾鋯石出現250～350 Ma的年齡峰值是對這一時期巖漿構造事件的響應。

自早侏羅世開始，蒙古—鄂霍茨克洋向南俯沖并呈剪刀式閉合。此外，古太平洋板塊開始向西俯沖，與同時期燕山運動產生了疊加作用從而形成區域擴展構造背景，導致巖石圈的減薄、上地幔底侵并發生熔融作用進而了發生了大量巖漿活動[100?103]。早白堊世晚期，東北陸邊緣巖漿作用的空間范圍逐漸向東收縮，古太平洋板塊開始向東回退[104?105]，地殼弧后延伸、巖石圈地幔減薄，導致上地幔頂部軟流層物理化學性質等發生巨變且區域巖漿上涌而產生了大規模巖漿活動[106?109]，這也與呼倫貝爾鋯石～126 Ma的年齡峰值相對應。

綜上，呼倫貝爾砂礫石剖面的中生代—古生代（100～350 Ma）鋯石年齡為古亞洲洋閉合和古太平洋俯沖、回退的時間提供了新的證據。

5 結論

（1） 呼倫貝爾砂礫石剖面巖性以灰白砂礫石堆積為主，夾雜黏土透鏡體，局部可見平行層理以及多層鐵板層—鐵板層的球形彎曲。礫石分選與磨圓度較差，風化程度為無—弱風化，基質為砂—粉砂和泥。礫石巖性以石英質（61.2%）和凝灰巖（34.9%）為主，其次為陸源碎屑巖（2.6%）和流紋巖（1.3%）。

（2） 呼倫貝爾砂礫石剖面重礦物以白鈦石（32.54%）和鈦鐵礦（33.01%）為主，磁鐵礦（12.11%）、ZTR（6.53%）、赤褐鐵礦（5.47%）和銳鈦礦（1.34%）次之，綠簾石（0.52%）、金紅石（0.07%）和石榴子石（0.11%）含量較低，其他礦物含量為8.38%，未見或極少見不穩定礦物，表明砂礫石剖面沉積物經歷了較強的化學風化作用。

（3） 呼倫貝爾砂礫石剖面沉積物CIA、CIW指數和Rb/Sr 比值均較高，結合A-CN-K 和A-CNK-FM 圖解，研究區經歷了中等程度的化學風化作用；ICV值與Th/Sc-Zr/Sc、CIA-WIP圖解表明砂礫石剖面沉積物成熟度較低，屬于初次循環的產物。綜合礫石特征、重礦物與元素地球化學、稀土元素配分模式、地球化學元素比值和源巖性質判別圖解，確定了來自大興安嶺的長英質巖漿母巖的物源貢獻，并通過與大興安嶺北段地區碎屑鋯石年齡譜對比，進一步證明物源區來自大興安嶺北段。

（4） 沉積學、地球化學和重礦物特征共同指示呼倫貝爾砂礫石剖面屬于溫暖偏干的氧化條件中近距離搬運的沖—洪積物堆積，并可與大興安嶺東麓龍江縣和平安鎮白土山組進行對比，初步判斷呼倫貝爾砂礫石剖面為白土山組。

（5） 砂礫石剖面為被動大陸邊緣構造背景，在古亞洲洋的閉合和古太平洋俯沖、回退的區域構造背景下，觸發多期構造—熱事件并產生大量巖漿活動，這與呼倫貝爾鋯石峰值年齡（100～200 Ma，250～350Ma）相對應。

致謝 地球化學實驗得到了蘭州大學甘肅省西部礦產資源重點實驗室閆曉麗、陳萬峰、熊聰慧老師的支持，重礦物組成得到了河北廊坊誠信地質公司張佩萱老師的指導，碎屑鋯石年齡得到了誠譜檢測技術（廊坊） 有限公司李鵬、張雁子、劉銘平和王根濤的幫助。研究生趙延卓參與了鋯石U?Pb 測年的實驗處理，劉俊賀、宋瑩、劉若男、高宏宇、趙慧瑩、張鑫茹和符錦霞參加了實驗室樣品處理工作，在此一并表示感謝。對提供寶貴修改意見的評審專家，一并謹致謝忱。感謝辛勤付出的編輯部老師，使論文得以完善。

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