鄂西南来凤地区纱帽组碎屑岩地球化学特征及其物源区和构造背景分析

李琳静， 李 朋， 翁茂芝， 廖明芳

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

碎屑沉积岩是由于机械破碎的母岩经过搬运、沉积、压实、胶结最后形成的，其成分蕴含大量与当时沉积环境相关的信息。因此，对其进行地球化学方面的系统研究有助于分析其沉积环境、物质来源、地质构造背景等。前人研究显示：较稳定的微量元素(REE、Th、Co等)不易在沉积过程中发生变化，可被用于分析母岩来源和沉积构造背景等；而易受环境影响发生变化的微量元素，尤其是某些相关元素的比值可直接反映沉积环境、构造演化等特征[1]。本文以鄂西南来凤地区纱帽组碎屑岩为例，对其进行全面的地球化学分析，研究其物质来源及构造背景，以期为恢复鄂西南地区地质演化史提供一定依据。

1 地质背景

来凤地区位于湖北省西南部,大地构造位置位于扬子板块湘鄂西褶皱冲断带内,为东侧的黄陵背斜、北侧的神农架、东南侧的江南—雪峰山构造带和西侧的四川盆地所夹持。区内自下而上出露有寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、二叠系、三叠系、白垩系和第四系。区内志留系分布较为广泛,自下而上可分为新滩组、罗惹坪组和纱帽组。纱帽组整合于罗惹坪组之上,其上被泥盆系云台观组平行不整合覆盖;该组下部为黄绿色页岩、泥质粉砂岩以及粉砂岩夹砂岩，上部为灰绿色中厚层状细粒石英砂岩夹中—薄层状粉砂岩、灰岩透镜体,产腕足类、三叶虫、双壳类等化石;发育波痕、虫迹和交错层理,厚226 m;整体为一套浅海陆棚相的碎屑岩沉积。

2 样品采集和分析方法

本次研究的样品主要采自鄂西南来凤地区志留系纱帽组地层,剖面上纱帽组岩石出露完整,层序清楚,所采样品较为新鲜,包括粉砂岩样品4件，由下至上依次为PM410- 4-1、PM410-9-1、PM410-32-1、PM410- 41-1。样品送至湖北省地质实验测试中心进行测试,其中主量元素采用X射线荧光光谱仪(XRF-1800)测定,检测方法依据GB/T 14506.28—2010;FeO和烧失量采用等离子质谱仪测定。微量元素、稀土元素由电感耦合等离子体质谱仪(X2)测定,监测方法依据DZ/T 0233—2001。样品测试结果见表1-表3。

图1 鄂西南来凤地区地质简图及采样位置图

表1 纱帽组主量元素(%)及特征值分析结果

表2 纱帽组碎屑岩微量元素分析数据及相关参数(wB/(μg·g-1))

表3 纱帽组碎屑岩稀土元素分析数据及相关参数(wB/(μg·g-1))

3 地球化学特征

3.1 主量元素

由表1可见,纱帽组粉砂岩主量元素特征显示：下部SiO2含量普遍较高,而在上部逐渐降低,可能受到灰岩透镜体同时沉积的影响;CaO含量为0.05%～8.79%,普遍较低,个别较高;P2O5的含量为0.1%～0.22%,部分高于上地壳平均值0.15%,主要是受少量含磷矿物(胶磷矿、磷灰石)影响;TFe2O3+MgO的含量为3.21%～14.58%,平均6.62%;Al2O3/(CaO+Na2O)含量为0.92%～135.22%,平均36.3%,而K2O/Na2O比值为0.72～78.25,同样具大范围变化的特征,应是粉砂岩遭受后期风化作用所致,岩石中原始的长石类矿物发生粘土化、碱金属离子流失,则K2O/Na2O比值会相应增高[2];粉砂岩样品的烧失量变化范围较大,为1.79%～11.54%,可能是因为某些样品富含碳酸盐或遭受后期风化作用所致。上述主量元素除SiO2,TiO2,MnO,CaO,P2O5有少数个别样品高于上地壳外,其余都略低于上地壳。源岩可能会导致主量元素的明显变化,由于主量元素较为活跃,源岩在风化剥蚀、搬运沉积以及后期的成岩及变质作用过程中主量元素都极有可能发生变化[3-5],因此,对源岩的特征研究必须要结合微量元素特征。

3.2 微量元素

纱帽组碎屑岩的微量元素数值(表2)和原始地幔标准化蛛网图(图2-(a))皆显示,微量元素含量变化较大。大离子亲石元素Rb、Sr、Ce、Ba的含量分别为35.15～128.60 μg/g、49.6～163.3 μg/g、27.41～100.53 μg/g、138.9～343 μg/g(均值为79.09 μg/g、87.5 μg/g、56.36 μg/g、261.54 μg/g)。高场强元素Nb、U、Zr、Hf的含量分别为5.58～16.57 μg/g、1.40～7.54 μg/g、142.1～241.5 μg/g、3.6～5.8 μg/g(均值为9.79 μg/g、3.31 μg/g、188.08 μg/g、4.78 μg/g)。微量元素蛛网图表现为“三峰四谷一平坦型”,具有富集Rb、Th、La、Nd以及亏损Ba、Nb、Sr、P、Ti等特征。总体上,岩石样品的微量元素蛛网图与典型后太古代澳大利亚页岩(PAAS)和上地壳配分模式图曲线分布相似(图2-(a)),反映其具有相似的物源。

3.3 稀土元素

稀土元素分析结果表明(表3)：纱帽组样品的稀土总量的变化范围在77.92×10-6～257.32×10-6,变化范围很大;轻重稀土比值LREE/HREE介于5.74～8.05,显示LREE相对富集,而HREE相对亏损。LaN/YbN比值代表稀土元素球粒陨石标准化图解中分布曲线的斜率,其介于7.14～9.88,表明轻重稀土元素分异较大。δEu介于0.66～0.74,具有明显的负铕异常。δCe在0.82～0.99,轻微亏损。以球粒陨石标准值对岩石样品进行标准化处理后发现，各样品的稀土元素分布模式非常一致,均表现为轻稀土富集、重稀土变化平缓、δEu亏损明显且δCe异常较弱(图2-(b)),与典型的后太古代澳大利亚页岩(PAAS)和上地壳配分模式图相似,表明碎屑岩样品物源来自上地壳。

4 讨论

4.1 沉积物源区分析

4.1.1物源区风化沉积特征

成分分异指数ICV(index of compositional variability)[8],可用于判别再循环沉积作用对碎屑岩成分的改造程度。ICV值以1为界线,高于1则表示该岩石贫粘土矿物,反映首次沉积于构造活动带;低于1则表明岩石富粘土矿物,反映沉积物遭受了沉积再循环作用的改造或是首次沉积于强烈的化学风化背景之下。纱帽组岩石样品的ICV值为0.91～1.32(表1),均值1.20,反映绝大部分岩石母岩为不成熟环境产物,首次沉积于构造活动带;仅一个样品ICV值<1,反映其含有较多的粘土矿物,可能经历过沉积再循环作用或遭受过强烈的风化作用(图3左)。

图2 纱帽组碎屑岩微量元素原始地幔标准化蛛网图(a)[6]和稀土元素球粒陨石配分模式图(b)[7]

化学蚀变指数CIA(Chemical index of alteration)常被用于定量研究不同地区冰期沉积物所遭受的化学风化作用强度[9-13]。当CIA值介于50～65,反映岩石经历了干冷气候下低等化学风化作用;当CIA值介于65～85,反映岩石经历了温润气候下中等化学风化作用;当CIA值介于85～100,反映岩石经历了湿热的亚热带气候下强烈化学风化作用。纱帽组碎屑沉积岩的CIA值为58.45～77.57(表1),均值66.62,反映了岩石主要遭受温润气候条件下中等风化作用,少量经历了干冷气候条件下低等化学风化作用。ICV和CIA的关系(图3左)[14]表明岩石由下至上具有不成熟、弱风化向成熟、强风化方向演化的趋势特征。

Th/U比值的变化可以反映碎屑沉积物风化沉积的过程特征[15]。本区碎屑沉积岩的Th/U比值(2.12～6.18,平均4.56)略高于上地壳平均值3.8(图3右),反映该套岩石经历过相对复杂的沉积演化过程。此外,Rb/Sr比值也因与成岩作用和风化作用程度呈正相关关系,而常被用于示踪沉积及风化作用的循环[16]。本区碎屑沉积岩的Rb/Sr比值较高,为0.57～1.51(表4),平均为0.98,高于上地壳的平均值0.32,反映其沉积演化过程相对复杂。上述特征都指示纱帽组绝大多数碎屑沉积岩的演化过程都相对复杂。

图3 纱帽组碎屑岩CIA-ICV指数图解和Th-Th/U图解(底图据参考文献[14])

表4 纱帽组粉砂岩与不同构造环境砂岩地球化学参数对比

综合上述分析显示：纱帽组碎屑沉积岩是不成熟的物源区物质首次沉积于构造活动带内,且经历了复杂的沉积演化。

4.1.2物源区成分特征

Al2O3/TiO2比值可反映沉积物源区成分[17]。当比值介于19～28时,反映物源岩石成分多为长英质;当比值<14时,则反映物源岩石成分多为铁镁质。本区碎屑岩样品的Al2O3/TiO2比值介于16.67～22.84,平均值为19.37,反映了本区碎屑岩物源岩石主要为长英质。

TiO2-Ni关系图可以反映碎屑沉积岩源岩特征[18]。本区碎屑沉积岩样品在TiO2-Ni图解中(图4-(a))[18-20],投点全部落于长英质源区内。

轻稀土元素Sm/Nd比值也可以用来确定物源类型,如地幔为0.260～0.375,大洋玄武岩为0.234～0.425,而源于地壳的花岗岩类以及各类沉积岩一般均<0.3[21]。本区碎屑沉积岩样品的Sm/Nd比值介于0.20～0.24,均值0.22,反映物源来自上地壳。

Th/U比值同样是反映物质来源的重要参数之一[22]。当比值等于6,其物源主要是再旋回沉积岩,源岩可能存在Th矿化(独居石、钍石);当比值等于4.5,其物源主要是上地壳沉积岩;当比值介于2.5～3时,其物源主要是岛弧火山岩[23-24]。本研究区碎屑岩样品的Th/U比值为2.11～6.19,均值4.56(表4),反映它们来源于上地壳沉积岩源区。

为进一步探究源岩特征,本文增加了La/Th-Hf、Co/Th-La/Sc和Th/Sc-La/Sc源岩判别图解[25-26]。在La/Th-Hf图解中(图4-(b)),数据点投点主要落在长英质源区、上地壳平均成分的附近，少量落在古老沉积岩源区,这些特征表明本研究区碎屑沉积岩源岩以上地壳中的长英质岩石为主,并伴有少量古老沉积物混入。在Co/Th-La/Sc图解中(图4-(c)),本区的碎屑岩的Co/Th和La/Sc值具有相对低且稳定的特征现象,投点基本落在长英质火山岩附近,同样表明源岩以长英质为主。在Th/Sc—La/Sc图解[20]上(图4-(d)),投影点落于上地壳平均成分区域附近,并且呈明显的线性关系,再一次验证碎屑沉积岩源岩来自于上地壳。

综合上述分析表明,本区纱帽组碎屑沉积岩源岩来自于上地壳的长英质岩石,是上地壳源区剥蚀—搬运—沉积的产物。

图4 纱帽组碎屑岩物源区特征判别图解

4.2 构造环境分析

在沉积后,成岩作用、风化作用、变质作用等都可能引起沉积岩化学成分的改变,但元素分析仍被成功地用于沉积盆地构造环境判别。

前人对东澳大利亚发育的已知物源区构造环境背景下的古代细粒碎屑岩的研究，指示La、Th、Zr、Nb、Y、Sc、Co、Ti等元素和构造环境有密切关系[27],并提出数种微量元素变量图解用以区分不同类型的岛弧和大陆边缘环境下的砂岩。因此,本文采用La-Th-Sc,Th-Sc-Zr/10和Th-Co-Zr/10三变量图解[28]和La/Y-Sc/Cr及La-Th双变量图解对纱帽组砂岩样品分析并进行投点(图5)。由图5可知纱帽组砂岩样品在La-Th-Sc图解中投点全部落在活动大陆边缘和被动大陆边缘区域(图5-(a));在Th-Sc-Zr/10图解中,投点大多数落入大陆岛弧区,个别落在被动大陆边缘区域(图5-(b));在Th-Co-Zr/10图解中,投点主要落在大陆岛弧内及其附近(图5-(c))。另外在La/Y-Sc/Cr图解中,投点主要落于被动大陆边缘区域,少量介于大陆岛弧区域和被动大陆边缘区域(图5-(d));而在La-Th图解中,投点主要落在大陆岛弧区域(图5-(e))。

稀土元素也是分析研究构造背景的重要手段之一。大陆岛弧构造背景的特点：物源区为切割的岩浆弧沉积物,稀土元素以较高的ΣREE和LaN/YbN比值、Eu弱负异常为特征。大洋岛弧构造背景特点：物源区为未切割的岩浆弧沉积物,稀土元素以较低的ΣREE值、LREE呈现弱富集、Eu正异常为特征。而活动大陆边缘、安第斯型被动大陆边缘、克拉通盆地和地台的构造背景特点是物源区为克拉通盆地内构造高地和隆起基底的沉积物,稀土元素以高ΣREE和LaN/YbN比值、Eu明显负异常为特征[29]。纱帽组粉砂岩含有高的稀土总量和LaN/YbN比值：ΣREE平均值为147.24 μg/g,LaN/YbN平均值为7.94;明显的Eu负异常,δEu平均值为0.7,数值与大陆岛弧较为接近(表4)。

图5 纱帽组碎屑岩构造背景判别图(据参考文献[27])

综上所述,可以认为本区纱帽组碎屑沉积岩的物源区为大陆岛弧和被动大陆边缘的构造背景。

5 结论

(1) 纱帽组地层砂岩样品的成分分异指数(ICV)均值1.2，化学蚀变指数(CIA)均值66.62以及Th/U和Rb/Sr比值,均表明其是不成熟的物源区物质首次沉积于构造活动带内,且经历了复杂的沉积演化。

(2) 纱帽组地层碎屑岩样品的Al2O3/TiO2比值与上地壳长英质物质相似,Sm/Nd比值也与上地壳相似,在TiO2-Ni、Hf-La/Th和La/Sc-Co/Th图解上,投影点主要落在长英质岩石源区内。这些特征都清晰地反映了纱帽组碎屑沉积物物源均来自于上地壳的长英质岩石。

(3) 纱帽组地层碎屑岩样品的Th/U、Rb/Sr比值和ΣREE、δEu、LaN/YbN特征以及多变量图解(La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10、Th-Co-Zr/10、La/Y-Sc/Cr和La-Th)投点结果,都反映了物源区以大陆岛弧和被动大陆边缘构造环境为主。通过地球化学分析所判定的纱帽组沉积物源区构造背景与前人的研究结果相一致,从地球化学等方面为鄂西地区早志留世以前的古构造演化提供了依据。