鲁西隐伏含铁岩系——前寒武纪济宁岩群地球化学特征及沉积环境

宋明春，焦秀美，宋英昕，李培远，万国普

(1.山东省地质矿产勘查开发局，山东 济南250013;2.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都610059;3.山东省物化探勘查院，山东 济南250013)

鲁西隐伏含铁岩系
——前寒武纪济宁岩群地球化学特征及沉积环境

宋明春1，焦秀美1，宋英昕2，李培远3，万国普3

(1.山东省地质矿产勘查开发局，山东 济南250013;2.成都理工大学 地球科学学院，四川 成都610059;3.山东省物化探勘查院，山东 济南250013)

济宁岩群是分布于山东省鲁西南地区的隐伏浅变质地层，埋深大于900 m，由变火山碎屑岩组、含铁岩组和千枚岩组组成，是一套海相火山－沉积岩系。岩石中SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O等亲陆元素含量高，岩石化学的成熟度指数不高，反映其源岩是鲁西TTG岩系;m值(4.75～31.86)和MnO/TiO2(0.05～0.2)值低，指示了海陆过渡性近岸浅海陆架沉积环境。富集轻稀土、重稀土平坦、铕异常不明显;微量元素K、Rb、Ba富集，贫Nb、Ti和P、Cr。Sr/Ba值(主要为0.16～0.77)小，指示沉积时的盐度较低;V/(V+Ni)值较高(＞0.46)，形成于还原环境。岩石的δ13CV－PDB=－4.7‰～－15‰，δ18OV－PDB=－12.1‰～－18.8‰，δ30SiNBS－28=－0.8‰～－1.2‰，数值较低，显示了热水沉积特征。济宁岩群是受华北克拉通1.8 Ga大陆裂解事件影响形成的裂谷型热水沉积。

济宁岩群;地球化学;沉积环境;热水沉积

0 引 言

济宁岩群分布于山东省鲁西南地区，大地构造位置处于华北板块东部鲁西隆起区的济宁坳陷。由于济宁岩群仅见于地表900 m深度以下，是一套完全隐伏地层，因此其研究程度较低。1970年，山东省地质局807队在进行磁异常验证时，发现了这套以千枚岩为标志的浅变质地层。20世纪80年代初，李评、亓润章等对其地层划分、形成时代进行了研究，90年代山东地矿局对其地层划分进行了重新厘定(转引自宋志勇等，1994;张增奇和刘明渭，1996)。

2006年以来，山东省物化探勘查院对济宁颜店地区进行了磁异常验证和铁矿勘查，最深钻孔深度达2086 m，获取了大量济宁岩群岩心，为重新认识济宁岩群和开展相关研究提供了有利条件。目前，已控制济宁岩群中铁矿资源量18亿吨以上，是国内罕见的超大型铁矿床。笔者等已对铁矿特征进行过初步研究(宋明春等，2008;韩玉珍等，2008;李培远等，2010)。及时开展含铁岩系的基础地质研究，对于研究区域地质演化、分析铁矿成因、指导进一步勘查具有重要意义。

1 地质背景

济宁坳陷为新生代坳陷，位于华北平原南部。研究区附近除个别地区出露寒武系－奥陶系外，大部分地段被第四系覆盖，第四系最大厚度近150 m。第四系下伏地层有:新太古界、中元古界、寒武系、奥陶系、石炭系－二叠系、侏罗系、白垩系和古近系(图1)。隐伏断裂按走向大致可分为两组，主要的一组为近SN-NW走向，另一组为近EW-NE走向。

图1 济宁地区地质图(据宋明春等，2008修编)Fig.1 Geological map of the Jining area

2 济宁岩群含铁岩系

济宁岩群在山东省境内未见露头，为全隐伏地层。在研究区内，济宁岩群之上主要被寒武系、奥陶系和第四系覆盖，上覆地层厚度大于900 m。济宁岩群的主要岩性有:(绿泥)绢云千枚岩、碳质(绿泥)绢云千枚岩、方解绢云千枚岩、绢云凝灰质千枚岩、方解磁铁石英岩、微晶大理岩、千枚状变泥砂岩。主要变质矿物组合为绢云母+绿泥石+(石英)+(钠长石)+(方解石)+磁铁矿，变质程度属低绿片岩相。

根据岩石组合特点，将济宁岩群划分为三部分(张成基等，2010):下部为变火山碎屑岩组，以出现变火山碎屑岩(图2、图3)和粒度相对粗的碎屑岩为特点，主要由绢云凝灰质千枚岩、方解绢云千枚岩、方解磁铁石英岩和千枚状变质泥砂岩(图4)组成;中部为含铁岩组，以出现含铁石英岩和碳酸盐岩为特点，主要由方解绢云千枚岩、方解磁铁石英岩、微晶大理岩组成;上部为千枚岩组(图5)，以细碎屑岩和普遍含绿泥石、赤铁矿为特点，主要有绿泥绢云千枚岩、绢云千枚岩、含铁(磁铁矿、赤铁矿)绢云千枚岩、含碳绿泥绢云千枚岩组成。显微观察发现，济宁岩群碎屑岩系多数具变余凝灰结构(图3)，部分具变余砂状结构(图4)，指示济宁岩群形成于强烈的火山活动背景，为一套海相火山－沉积岩系。

铁矿体赋存于济宁岩群中部的含铁岩组中，矿石类型主要有条带状方解磁铁石英岩和磁铁千枚岩，矿体围岩和夹石有(含磁铁)绿泥绢云千枚岩、方解绢云千枚岩、微晶大理岩、凝灰质千枚岩。矿石矿物主要为磁铁矿、磁赤铁矿、菱铁矿，少量黄铜矿;脉石矿物有绢云母、绿泥石、石英、方解石。颜店矿区矿石平均品位:全铁(TFe)28.99%，其中磁性铁(mFe)21.51%、氧化铁(OFe)4.50%、碳酸铁(CFe)2.57%、硅酸铁 (SiFe)0.32%、硫化铁 (SFe)0.09%。矿石中有害组分含量低，S含量0.04%～0.46%，P 含量0.01%～0.05%。

图2 变火山碎屑岩Fig.2 Photo of the meta-pyroclastic rock

图3 变火山碎屑岩的变余凝灰结构Fig.3 Photo of the palimpsest tuffaceous texture in meta-pyroclastic rock

图4 千枚状变质泥砂岩的变余砂状结构Fig.4 Photo of the blastopsammitic texture in the meta-argillaceous sandstone

图5 千枚岩Fig.5 Photo of the phyllite

3 地球化学特征及其指示的沉积环境

3.1 主量元素

岩石化学成分分析结果(表1)显示，主量元素含量变化大，SiO2为37.25%～73.18%，TiO2为0.05%～0.76%，Al2O3为 1.33%～19.84%，Fe2O3+FeO 为 2.28%～45.55%，MgO 为0.6%～5.54%，CaO 为0.39%～4.86%，Na2O 为 0.14%～2.95%，K2O 为0.04%～5.20%(宋明春等，2009)。分析结果中CO2和烧失量较高的原因是，岩石中含有较多碳酸盐矿物(方解石)。不同岩石类型比较而言，泥质变质岩硅含量较低，铝、镁、钾含量较高;砂质变质岩硅、钠含量较高，铝、铁(Fe2O3)含量较低;变火山岩镁、钾含量较高，钙、钠较低;碳酸盐岩硅、铝、钙、钠、钾含量明显偏低，铁和CO2含量显著偏高。岩石中SiO2含量高，反映硅的来源相当丰富，可能与火山活动有关。火山活动不仅可以从地壳深部带出大量含SiO2的火山灰、直接进入盆地的火山热液以及形成作为物源区的富含SiO2的酸性火山岩和火山碎屑岩，而且火山活动带来的热量还可使海水的温度升高，提高对硅的溶解度(杨振宇等，2009)。

济宁岩群变质碎屑岩中(除碳酸盐含量高的Jb4-1、Jb5 号样品外)Al2O3、Fe2O3、K2O 等亲陆元素

含量高，分别为 14.75%～19.84%、0.84%～3.23%、2.51%～5.2%，岩石化学的成熟度指数Al2O3/(K2O+Na2O)不高，为2.32～3.69，说明沉积物离物源区不远。亲陆元素含量与鲁西变质基底主要岩石单元——太古宙TTG质花岗片麻岩中的元素含量接近，但K2O含量多较高，Na2O含量明显低于TTG岩系，H2O和CO2含量高于TTG岩系。沉积岩的组成物质主要来源于遭受风化的母岩，两者的化学成分特征既相似又有一定的差异。这种差异主要表现在沉积岩相对于母岩Fe2O3、K2O的增高和Na2O等的降低，以及H2O和CO2的增高(邱家骧和林景仟，1991)。济宁岩群沉积岩化学成分相对于鲁西TTG质花岗片麻岩符合这一特征，说明鲁西TTG岩系应是济宁岩群碎屑岩的主要源岩。

表1 济宁岩群样品的全岩主量元素(%)、微量元素和稀土元素(μg/g)化学分析结果Table 1 The major(%)，trace and rare earth elements(μg/g)concentrations of the rocks from the Jining Group

镁铝比值［m=(100×MgO/Al2O3)］是沉积环境的有效判别标志之一。随着水体盐度增大，m值逐渐增加:淡水环境m＜1，海陆过渡性沉积环境m为1～10，海水沉积环境(水体盐度 ＞30.63%)m为10～500，陆表海环境(或潟湖沉积环境)m＞500(邱家骧和林景仟，1991)。济宁岩群除Jb4-1号样品m=149.62，Jb6、Jb9 号样品m分别为4.75、5.49外，其余样品m介于16.48～31.86，即多数样品m位于海水环境范畴，少量样品位于海陆过渡性沉积环境。

MnO/TiO2可用于判断沉积环境，在海沟至深海范围内，该比值大于0.5;在陆架和陆坡范围内，小于0.5;在近岸浅海陆架内，小于0.2(Sugisaki et al.，1982)。济宁岩群主要岩石的MnO/TiO2值甚小，为0.05～0.2，指示其原始沉积可能是近岸浅海陆架产物。

3.2 稀土元素和微量元素

稀土配分曲线向右倾斜(图6a)，显示出富集轻稀土、重稀土平坦、铕异常不明显的特点(碳酸盐岩稀土含量低，具正铕异常)，与对比岩石——澳大利亚后太古沉积岩和大陆上地壳岩石稀土元素型式类似(宋明春等，2009)。

微量元素含量方面，大离子亲石元素K、Rb、Ba富集，高场强元素Nb、Ti较贫，P、Cr含量也较低。在相对于洋中脊玄武岩标准化的蛛网图上(图6b)，Sr、Nb、P、Ti、Cr值显示为“V”型谷，暗示斜长石、磷灰石、钛铁矿含量少;Rb、Ce值呈尖峰状，说明绢云母、榍石含量较高(宋明春等，2009)。

Sr、Ba对于不同沉积环境及其变化具有不同的地球化学行为，而且他们的丰度与岩性密切相关。Sr在泥质岩和碳酸盐岩中含量较高，而Ba在陆源沉积岩中含量较高，在海相灰岩中含量较低(邓宏文和钱凯，1993)。这两种元素的地球化学特征，可以推断古盐度和古水温的变化，分析离岸距离及古水深，判断海平面的相对升降(李振清等，2001)。

Sr、Ba的化学性质相近，但Sr的迁移能力大于Ba，可迁移至大洋深处，而Ba多在近岸沉积物中富集，仅有少量进入深海。因此，Sr/Ba值常作为区分淡水和咸水的标志。当Sr/Ba＞1时，反映海相环境;当Sr/Ba＜1时，反映陆相环境(邓宏文和钱凯，1993)。

图6 济宁岩群岩石的稀土配分曲线(a)和微量元素N-MORB标准化型式(b)(据宋明春等，2009)Fig.6 Chondrite-normalized REE patterns and N-MORB normalized trace elements spider diagrams for the metamorphic rocks from the Jining Group

采自济宁岩群沉积岩的8件样品(表1)，其Sr/Ba值除Jb4-1微晶大理岩大于1外，其余样品比值均小于1，指示沉积时的盐度较低。Sr/Ba值在钻孔垂直方向上呈现浅部和深部低、中部高的特点，说明济宁岩群中部盐度高，离岸较远、水的深度较大。在Ba-Sr图解中(图7)，样品主要投点于淡水区和半咸水区。说明济宁岩群处于淡水向半咸水过渡的沉积环境。

根据V/(V+Ni)值可以判断沉积环境(Hatch and Leventhal，1992;Jones and Manning，1994):V/(V+Ni)≥0.46指示还原环境，而 V/(V+Ni)≤0.46代表氧化环境。济宁岩群样品的V/(V+Ni)值为0.69～0.92，明显高于0.46，指示它们是在还原环境中形成的。

图7 济宁岩群沉积岩样品Ba-Sr图解Fig.7 Ba-Sr diagram for the rocks from the Jining Group

3.3 稳定同位素

3.3.1 碳－氧同位素

碳同位素组成随碳质来源可以有较大的变化范围，来自火山成因的δ13CPDB=－3.1‰～－15‰，深部地幔来源的δ13CPDB=－4‰～－10‰，海底热泉δ13CPDB=－4‰～－10‰(孙省利和曾允孚，2002)，沉积碳酸盐岩来源的δ13C值在0左右，沉积岩、变质岩与火成岩中的有机碳(还原碳)的δ13C值在－25‰左右(韩吟文和马振东，2004)。济宁岩群岩石的 δ13CV-PDB=－4.7‰～－15‰(表2)，接近于火山成因碳同位素值，指示沉积物中的火山物质较多。研究认为，开放环境比封闭环境的δ13C要高，还原性(封闭型)越高，δ13C值越低(李振清等，2001)，济宁岩群低的δ13C值反映其形成时处于还原性较强的环境。

济宁岩群氧同位素 δ18OV-PDB值为－18.8‰～－12.1‰(表2)。碳、氧同位素值明显低于蓟县中、新元古代碳酸岩的碳、氧同位素值(δ13CPDB=－3.53‰～1.08‰，δ18OPDB=－ 9.13‰～－ 4.49‰)(赵震，1995)，也低于山东淄博上寒武统的碳、氧同位素值(δ13CPDB=－0.07‰～0.13‰，δ18OPDB=－9.05‰～－8.51‰)(李振清等，2001)。可见，济宁岩群碳、氧同位素值与正常海相碳酸盐岩明显不同，其中氧同位素值接近于甘肃西成(西和县、成县、徽县一带)矿化集中区(δ18OPDB=－20.2‰～－2‰)(孙省利和曾允孚，2002)和粤北大宝山(δ18OPDB=－24.91‰～－14.29‰)(杨震强，1997)热水沉积碳酸盐岩氧同位素值;碳同位素值接近和低于粤北大宝山热水沉积碳酸盐岩碳同位素值(δ13CPDB=－6.64‰～0.86‰)(杨震强，1997)。在δ18O-δ13C关系图解中(图8a)，济宁岩群岩石投点于洋中脊热液和密西西比河谷型矿床热液之间。这些特征说明济宁岩群具有热水沉积的特点。

表2 济宁岩群样品的碳、氧、硅同位素组成(‰)Table 2 C，O，Si isotope data(‰)for the rocks from the Jining Group

3.3.2 硅同位素

硅同位素 δ30SiNBS-28值为－1.2‰～－0.8‰(表2)，均为负值，与各类沉积岩的硅同位素组成(δ30Si=－1.2‰～－0.2‰)(丁悌平等，1994)相近，位于黑烟囱硅质沉积硅同位素范围的高值端(图8b)。对辽宁鞍本地区弓长岭太古宙条带状硅铁建造的硅同位素研究表明，上、下含铁带的δ30Si值为－2.2‰ ～－0.9‰，认为弓长岭BIF是在太古宙海盆中的热水沉积环境中化学沉淀的产物，硅质来源于喷于海底的经过对流循环的热水溶液(蒋少涌等，1992)。本区硅同位素值与弓长岭矿区上含铁带 δ30Si值(－1.3‰～－0.9‰)一致，也说明济宁岩群具有热水沉积特点。

图8 不同环境碳酸盐组成的δ18O-δ13C图解(a)和硅同位素对比图(b)Fig.8 (a)δ18O vs δ13C plot for the carbonates and(b)Si isotope values for rocks from the Jining Group

4 讨论和结论

鲁西济宁岩群是埋藏于地表900 m以下，伏于寒武系之下的隐伏浅变质火山－沉积岩系。岩石组合自下而上分为变火山碎屑岩组、含铁岩组和千枚岩组三部分。主量元素和微量元素地球化学特征指示，济宁岩群形成于淡水向半咸水过渡的还原环境。其较低的碳、氧、硅同位素值，与各地的热水沉积相似。济宁岩群中火山碎屑岩大量发育，指示其形成于强烈的火山活动背景，是一套海底喷发火山－沉积岩系。大规模的火山活动应是造成水温升高和还原环境的主要原因。

以往同位素年龄研究，测试的济宁岩群同位素年龄为1709.5 Ma(变质火山岩全岩K-Ar)和1753 Ma(千枚岩Rb-Sr全岩等时线);古生物研究发现少量超微体古植物化石——光面球藻、厚缘小球藻及瘤面球藻等，认为可与北方长城系中微古植物对比(张增奇和刘明渭，1996;亓润章，1984;宋明春等，2009)。最近，测出了(2.61 ±0.01)Ga和(2.56 ±0.01)Ga的锆石SHRIMP年龄(王伟等，2010)。本次工作，微古分析所获化石仍然以简单的球形疑源类为主，一些样品出现最早见于俄罗斯地台下里菲(中元古代至新元古代早期)的薄膜光面球藻和微小光面球藻，以及通常见于中元古代至新元古代早期的原始连球藻。综合考虑济宁岩群浅变质特征、区域对比和微古植物化石特征，笔者认为济宁岩群的形成时代应确定为中元古代(宋明春等，2009)。

济宁岩群的形成时代与华北克拉通南缘的熊耳群相当，后者被认为是一套陆缘裂谷火山－沉积建造(吴利仁和徐贵忠，1998)。济宁岩群显示了与熊耳群类似的大地构造背景特征，不同于现代活动大陆边缘钙碱性火山弧。

翟明国和卞爱国(2000)研究指出，在全球中元古代晚期的Grenville造山事件形成Rodinia超大陆和800～600 Ma的Rodinia大陆再裂解之前，华北克拉通曾有过2.5 Ga大陆拼合和1.8 Ga大陆裂解事件。非造山型岩浆作用(包括花岗岩、基性岩墙群和裂谷型火山－深成岩组合)是1.8 Ga地质事件的重要特征(翟明国和卞爱国，2000;胡俊良等，2007)。鲁西地区发育的中元古代基性岩墙群(宋明春等，2009)，也被认为是裂解或伸展作用的产物(王岳军等，2007)。笔者认为，济宁岩群是与鲁西基性岩墙群形成于同一大地构造背景的1.8 Ga大陆裂解事件产物，是裂谷型沉积。这一认识与其地球化学特征相吻合。中元古代时，鲁西地区地幔柱活动强烈，岩浆活动频繁，地热梯度高，因此形成热水沉积。华北克拉通中元古代两个主要的裂谷型火山－岩浆岩带是中条－熊耳－安沟和妙香山－承德－蓟县(翟明国和卞爱国，2000)，鲁西裂谷可能是介于上述南、北两个裂谷之间的另一个新发现的裂谷。鲁西地区在经历了新太古代末华北克拉通微陆块拼合的强烈构造岩浆活动(主要标志是形成大量2.5 Ga左右的花岗岩类侵入岩)后，于1.8 Ga左右发生了裂解，火山活动强烈，形成济宁裂谷型热水沉积。

致谢:非常感谢审稿专家提出的宝贵意见和建议，感谢吕古贤研究员建议作者撰写本文并提出了建设性意见，感谢胡弘博士帮助翻译了英文摘要。

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Geochemical Characteristics and Sedimentary Environment of Precambrian Jining Group in Western Shandong Province

SONG Mingchun1，JIAO Xiumei1，SONG Yingxin2，LI Peiyuan3and WAN Guopu3
(1.Shandong Provincial Bureau of Geology and Mineral Resources，Jinan250013，Shandong，China;2.College of Earth Sciences，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，Sichuan，China;3.Shandong Provincial A-cademy of Geophysical and Geochemical Prospecting，Jinan250013，Shandong，China)

The Jining Group is a set of hidden low-grade metamorphic marine volcano-sedimentary strata distributed in southwestern Shandong Province buried under more than 900 m.This paper studies the lithological and geochemical characteristics and formation environment based on study of the drilling cores.The research is of importance for discussing regional tectonic evolution，analyzing the origin of iron deposit and guiding further exploration.The Jining Group is mainly composed of sericite phyllite，chlorite sericite phyllite，calcite sericite phyllite，tuffaceous quartz sericite phyllite，calcite magnetite quartzite，crystallite marble and phyllitic metamorphic argilliferous sandstone.From the bottom to the top it can be divided into meta-pyroclastic formation，iron-bearing formation and phyllite formation.The high SiO2contents(37.25%～73.18%)of the rocks reflect a source rich in silicon.High contents of terrestrial components(Al2O3=14.75%～19.84%，Fe2O3=0.84%～3.23%，K2O=2.51%～5.2%)and low chemical petrologic maturity index［Al2O3/(K2O+Na2O)=2.32～3.69］of the rocks indicate that its source rocks are the TTG rocks in the western area of Shandong Province.The lowm［m=(100×MgO/Al2O3)］values(4.75～31.86)and MnO/TiO2values(0.05～0.2)of the rocks show a transitional off-shore neritic shelf sedimentary environment.The rocks are relatively enriched in LREE with minor or nil Eu anomalies.The rocks are enriched in large ion lithophile elements like K，Rb and Ba and depleted in high field strength elements such as Nb，Ti and P，Cr.Low Sr/Ba values(0.16～0.77 mainly)of the rocks suggest a low salinity environment of sedimentation.High V/(V+Ni)(＞0.46)values of the rocks hint a reducing environment.The lower C and O isotope values of the rocks(δ13CV-PDB=－4.7‰ ～－15‰，δ18OV-PDB=－12.1‰～－18.8 ‰，δ30SiNBS-28=－0.8‰～－1.2‰)are obviously different from those of the normal marine carbonate，indicating a hydrothermal origin.The Jining Group was formed in hydrothermal basin caused by the North China craton rifting ca.1.8 Ga ago.

Jining Group;geochemistry;sedimentary environment;hydrothermal sedimentation

P595

A

1001-1552(2011)04-0543-009

2010－08－01;改回日期:2011－05－27

项目资助:山东省地质矿产勘查开发局科研项目(批准文号:鲁地字［2007］25号)资金资助。

宋明春(1963－)，男，博士，研究员，主要从事矿产勘查、区域地质调查和相关研究。Email:mingchuns@163.com