甘肃北山三个井组碎屑岩地质、地球化学特征及其沉积构造背景

翁 凯，张 雪，梁积伟

（1.长安大学地球科学与资源学院，西安 710054；2.西安地质矿产研究所，西安 710054）

0 引言

沉积岩是在地表及地下不太深的地方，常温常压条件下由风化作用、生物作用和某种火山作用形成的物质经改造而成的岩石，其沉积物组成主要由沉积岩源区的岩石组合决定［1－2］。不同的大地构造环境具有一定的物源区特征和沉积过程，可以为沉积盆地提供大量的具有特定岩石组成和地化特征的沉积物［3－4］。因此，对造山带内盆地中碎屑岩的组成和地球化学特征的研究，可用来判别沉积物源区的性质和大地构造背景，进而推断该区的构造演化历史，目前已成为造山带沉积学研究的重要手段［5－7］。

研究发现，砾岩中的砾石成分可以指示其母岩性质，含变质岩砾石多的砾岩主要来源于由变质岩组成的陆源区；砾岩层中的砾石主要为岩浆岩，其来源区主要分布岩浆岩。砂岩成分以富石英、贫岩屑为特征，表明其沉积于裂谷盆地中；含大量火山岩屑、多晶石英和斜长石等碎屑的杂砂岩、长石砂岩组合多沉积于弧前盆地，物源主要来自岛弧火山岩、花岗岩及岛弧盖层和增生楔；火山碎屑岩主要沉积于弧后盆地［8－9］。这些成果都为造山带沉积的研究提供了可靠的依据。但由于砂、砾岩在成岩过程中经历了多种地质作用，改变了碎屑岩的结构和组成，从而降低了研究成果的可信度。而碎屑岩的地球化学特征却能很好地反映其物源信息［10－11］。因此，将砾岩、粗砂岩的岩石学研究和细砂岩、泥岩的地球化学研究结合起来，能够很好地反映沉积物源、沉积环境和造山带演化历史。

北山地区为地处甘肃西部安西、金塔以北的低缓山区。长期以来，前人对北山地区古生代蛇绿岩和火山岩进行了大量的研究［13－14］，但对该区造山带中沉积岩却鲜有研究。本文主要研究泥盆系三个井组沉积岩碎屑组成、地球化学成分和沉积物的来源，讨论其形成时的大地构造背景。

1 区域地质概况

图1 甘肃北山地区墩墩山一带地质简图及剖面位置图（据杨合群，2008；修改）Fig.1 The geological sketch of Dundun mountain area in Gansu Beishan area showing the section position

甘肃北山三个井组分布于弓形黑山—三个井—墩墩山—石板墩一线（图1），出露形态呈半环型，面积约152.1km2，为厚达数千米的碎屑岩夹中－中酸－酸性火山岩岩系，部分地段夹碳酸盐岩透镜体。该组与下伏寒武系双鹰山组（∈s）、奥陶系罗雅楚山组（Ol）与花牛山群（OH）等地层呈角度不整合接触，与上覆墩墩山群（DD）火山岩呈小角度不整合接触（图2a，图2b）。在三个井组出露区北部为平头山逆冲推覆体，多出露前寒武系；在其南部和东部发育晚古生代石英闪长岩，侵入接触面或发育断层。

2 三个井组地质特征

三个井组分为下部砾岩段和上部砂岩段。下部砾岩段由砾岩、砂砾岩、含砾石岩及粗粒岩屑砂岩组成（图2c），其中底部为块状砾岩、角砾岩，分选和磨圆均很差，砾石成分以硅质岩、石英岩为主，填隙物为砂岩；上部为细砾岩与粗粒岩屑石英砂岩互层（图2d），其砾石成分复杂，有花岗岩、石英岩、片麻岩、流纹岩和英安岩等，分选和磨圆良好，填隙物为砂屑，主要由岩屑和石英组成，接触式胶结。

三个井组砂岩主要分2类。一是长石岩屑砂岩，细粒砂状结构，碎屑含量90%以上，碎屑分选中等，磨圆度中等，多为次棱角状、次圆状；碎屑主要由岩屑组成（占45%～55%），其次为石英（20%～30%）、长石（20%～30%）；岩屑主要是火山岩或凝灰岩，少量的千枚岩和灰岩类，充填物较少，主要为细碎屑物和碳酸盐（图2e，图2f）。二是复成分砂岩，细砂结构，石英占20%～30%，火山碎屑20%～30%，灰岩40%～50%，云母3%～5%，长石10%～20%；火山岩屑包括熔岩或凝灰岩，长石、石英呈棱角状、次棱角状，灰岩多为碎屑状；长石、石英可能以陆源碎屑为主。

图2 三个井组野外地质特征及显微镜下特征照片Fig.2 The field and microscopic characteristics of the Three wells formation

3 三个井组地球化学特征

从表1可见，三个井组碎屑岩中不同砂岩的SiO2质量分数较高（58.47%～73.9%），其他成分（TiO2，MgO和CaO）质量分数较低，表明砂岩的成熟度较高。砂岩样品中Al2O3／SiO2＝0.1～0.3，没有出现明显的变化。砂岩中w（TiO2）较低，w（Fe2O3）较高，说明样品中金红石、钛磁铁矿等含钛的重矿物含量较低，赤铁矿等富含铁氧化物碎屑的矿物含量较高。随着砂岩成熟度的提高和长石及其他易溶组分转变为富钾黏土矿物，K2O／Na2O值增大，常作为砂岩类型和砂岩形成大地构造背景的判别指标。典型的来源于活动大陆边缘背景下的砂岩K2O／Na2O值（0.27～1.34）较低［15］。三个井组砂岩虽有较高的成熟度，但其K2O／Na2O值仍较低，大多为0.27～1.34，表明物源主要来自活动大陆边缘。

三个井组砂岩的稀土元素总量w（REE）＝80.51×10－6～244.06×10－6，其中 w（LREE）＝60.71×10－6～186.67×10－6，w（HREE）＝7.7×10－6～24.5×10－6，LREE／HREE＝6.13～12.45，（La／Yb）N＝5.94～24.23，平均8.33，δ（Eu）＝0.42～0.78，δ（Ce）＝0.91～1.01。在稀土配分曲线图（图3）上呈右倾单斜，铕负异常明显的特征，表明其形成于与岛弧有关的活动大陆边缘，其物源可能是遭受剥蚀而出露的火山岩或变质地体以及发生分异的酸性火山岩［16］。

4 沉积构造环境

4.1 碎屑成分与构造环境

图3 三个井组砂泥岩稀土配分曲线Fig.3 REE pattern of sandstone and mudstone in the three wells formation

表1 三个井组砂岩、泥岩化学分析结果Table 1 Chemical analysis of of sandstone and mudstong in the three wells formation

图4 三个井组QFL物源区大地构造背景判别图Fig.4 The QFL provenance tectonic background discrimination diagram of three wells formation

研究表明，可用砂岩碎屑组分探讨其物源区的大地构造背景。以石英、长石和岩屑为端元组分绘制出三角图解，通过与现代沉积物对比，大致划分出陆块物源区、岩浆弧物源区和再旋回造山带物源区的范围［17］。通过观察三个井组砂岩薄片，发现该区砂岩中碎屑组分以岩屑为主，对其进行定量统计投图，砂岩样品大多投在岩浆弧物源区范围内（图4）。

4.2 碎屑岩地球化学与构造环境

研究表明，元素Fe，Ti具不易溶于海水、在海水中快速沉淀的特性；元素Mg虽在海水中溶解能力较强，但其在渗透率极差的浊积岩中能够很好地反映物源区岩石的性质；Al2O3／SiO2可用来判别砂岩中石英的富集程度。这些元素特征可很好地反映沉积物源区岩石性质［18］。将三个井组砂岩样品投在（Fe2O3＋MgO）—TiO2和（Fe2O3＋MgO）—Al2O3／SiO2判别图（图5）中，发现样品在图中较分散，落到了大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘、被动大陆边缘区域，而被动大陆边缘区相对较少。少量被动大陆边缘物源信息的出现，可能是由于沉积物在沉积作用过程中，受各种物理化学作用的影响发生不同程度均一化所致［19］。

图5 三个井组砂岩、泥岩形成构造背景的岩石化学判别图Fig.5 Geotecnic background discrimination diagram of sandstone and mudstong in the Three wells formation

图6 三个井组砂岩、泥岩形成构造背景的微量元素判别图Fig.6 Geotectonic background discrimination diagram of sandstone and mudstong in the Three wells formation

沉积物中稀土元素的含量主要由源区岩石成分决定，这是因为不可溶的REE在海水中含量极低。因此，存在于沉积岩中的REE主要是呈颗粒物质搬运的，反映了它们的物源区的地球化学特征。比较而言，后期的风化和成岩作用的效应对其含量影响较小［20］。研究表明，具有铕负异常的砂岩常存在于与岛弧相关的沉积盆地中［4］。三个井组砂岩的稀土配分曲线总体具有轻稀土富集、铕负异常、重稀土元素平坦的特征，表明沉积岩形成于与岛弧相关的沉积盆地中。

沉积学家认为，La，Co，Nd，Y，Th，Zr，Hf，Nb，Ti及Sc等相对不活泼元素的组合可用来确定沉积源区的类型和构造背景，并在研究澳大利亚东部古生代浊积岩时得以验证［19］。将三个井组砂岩样品 投 在 La—Th—Sc，Th—Sc—Zr／10， Th—Co—Zr／10和Th—La图版上（图6），发现样品几乎都落在了大洋岛弧和大陆岛弧之中。

沉积岩稀土微量元素比值可很好地划分其沉积背景区。大洋岛弧背景区La／Sc＜1，Ti／Zr＞40，La／Y＜0.5；大陆弧背景 La／Sc＝1～3，Ti／Zr＝10～35，La／Y＝0.5～1.0；活动大陆边缘 La／Sc＝3～6，La／Y＝1～1.5；被动大陆边缘 La／Sc＝3～9，Ti／Zr＜10［19］。三个井组砂岩微量元素比值都较接近（La／Sc＝1.64～4.57，均值2.8；Ti／Zr＝8.35～49.1，均值19.35；La／Y＝0.85～1.25，均值1.07），将砂岩样品投在 La／Sc—Ti／Zr图（图7）上，发现样品几乎都落在了大洋岛弧和大陆岛弧范围内。

5 结论

（1）北山地区三个井组砾岩中砾石成分复杂，以硅质岩、石英岩为主，填隙物为砂岩，分选磨圆良好。粗粒砂岩主要为长石岩屑砂岩和复成分砂岩，分选中等，多为棱角状。说明物源主要来自造山带地区，具有快速堆积的特征。

图7 三个井组砂岩、泥岩形成构造背景的Ti／Zr—La／Sc判别图Fig.7 The Ti／Zr－La／Sc geotectonic background discrimination diagram of sandstone and mudstong in the three wells formation

（2）细砂岩、泥岩岩石地球化学研究表明，三个井组沉积物物源环境主要为火山岛弧，但也存在活动大陆边缘构造背景源区。早泥盆世哈萨克斯坦板块的旱山微大陆与塔里木板块的北山地体间发生由南向北俯冲碰撞造山，两个板块拼接在一起，形成统一大陆［21－23］，残留下一条沿红柳河—牛圈子—洗肠井分布的古生代蛇绿岩［24－25］，作为这次碰撞的沉积响应，在墩墩山一带形成厚度巨大、横向变化极大的三个井组磨拉石建造，物质来源于遭受剥蚀的造山带。

（3）三个井组自下而上由水下扇体系→河流－湖泊相沉积体系→河流－洪积扇沉积体系组成，垂向层序表现出粗－细－粗，色调由红、绿－绿、灰－红，水体由浅－深－浅的特点，具有典型的周缘前陆盆地沉降沉积构造旋回特征。

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