阿尔泰造山带古生代地层的地球化学特征及其对沉积环境的制约

沈瑞峰, 张 辉, 唐 勇, 吕正航



阿尔泰造山带古生代地层的地球化学特征及其对沉积环境的制约

沈瑞峰1,2, 张 辉1*, 唐 勇1, 吕正航1

(1. 中国科学院 地球化学研究所, 贵州 贵阳 550002; 2. 中国科学院大学, 北京 100049)

对阿尔泰造山带古生代地层的地球化学研究表明, 浅变质碎屑岩的原岩多为泥砂质沉积岩, 包含少量来自火成岩或火山岩物质。样品的成分变异指数(ICV)值分布于0.83~1.61之间, 绝大部分大于1.0, 表明碎屑岩的成熟度较差, 代表活动大陆边缘的首次沉积的产物。化学蚀变指数(CIA)值分布于50~82之间, 其中石炭纪库马苏组以高CIA值(71~79)为特征, 指示源区物质可能经历了温暖-炎热、湿润-潮湿条件下的中等-强烈化学风化作用, 而哈巴河群、库鲁姆提群、康布铁堡组、阿勒泰组和红山嘴组显示低的CIA值(50~70), 指示源区物质经历了相对寒冷、干燥的条件下的弱的化学风化作用。古生代地层中(Fe2O3T+MgO)、TiO2含量以及Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值, 稀土元素La、Ce含量以及微量元素Th/Sc、La/Sc值显示, 哈巴河群、库鲁姆提群、康布铁堡组、阿勒泰组碎屑沉积岩主体形成于大陆岛弧背景, 库马苏组、红山嘴组沉积与大陆岛弧-活动大陆边缘具有成因联系。以上地球化学特征表明, 阿尔泰古生代碎屑岩可能沉积于活动大陆边缘的大陆岛弧相关环境, 为阿尔泰古生代多块体增生构造演化模式提供依据。

地球化学; 原岩恢复; 源区特征; 沉积环境; 古生代地层; 阿尔泰造山带

0 引 言

中亚造山带[1–3]是全球显生宙陆壳增生和改造最显著的地区, 而阿尔泰造山带是中亚造山带的重要组成部分, 也是重要的金属矿产成矿带, 因此对于阿尔泰造山带的构造-岩浆-成矿作用研究吸引了国内外学者的极大关注[4–14]。尽管前人对该地区进行了详细的研究, 但是对于阿尔泰地区的构造演化模式还存在着争议, 并且主要集中在古生代构造演化历史和地壳的增生方式上, 总的可以概括为开合构造模式和岛弧增生两种基本模式, 开合构造模式强调阿尔泰造山带在古生代处于闭合-拉张的构造环境中[15–18], 岛弧增生模式则认为阿尔泰造山带是由长期存在的单一岛弧持续的俯冲碰撞形成的[6,19]。最近越来越多的研究表明阿尔泰造山带不可能由单一岛弧形成, 而是由各种不同的地体(如蛇绿岩套、岛弧、海山、增生楔和微陆块)合并形成[9,10,13,14,20–25,26–28], 这些成果多是基于对该区域的岩浆岩的研究得到的。而对于该地区大面积分布的古生代地层的研究相对较少, 主要是对单个地层的年代厘定[26,29–33], 变质热演化历史[34–37]和深变质岩[38–40], 近些年, 一些学者[14,26,41–44]通过对哈巴河群、康布铁堡组和阿勒泰组的碎屑沉积岩的地球化学特征, 碎屑锆石U-Pb年龄以及Hf同位素等的研究, 得到了其形成于靠近大陆岛弧的活动大陆边缘构造环境, 为阿尔泰构造演化历史提供了重要的证据, 但是对阿尔泰完整的古生代地层的系统研究还相对缺乏。

沉积岩能够为陆壳的物质组成、构造演化和地壳的生长演化等提供重要的信息, 如能够揭示古气候条件[45–47], 制约源区的物质组成特征[48–51]以及恢复沉积构造环境[52–55]等, 阿尔泰由于泥岩和砂岩的微量元素含量较高并且较为平均, 已经成为研究沉积岩地球化学的理想对象[45,47,55,56]。但是近年来利用浅变质碎屑沉积岩对源区物质组成特征和地壳演化的研究也取得了不错的成果[57–59]。本文采集了阿尔泰造山带一套完整的古生代浅变质碎屑沉积岩, 旨在通过对古生代浅变质碎屑沉积岩的地球化学研究, 揭示该套岩石的源区风化、物质组成特征和形成的构造环境, 为恢复阿尔泰古生代的大地构造背景提供一定的制约。

1 区域地质背景

阿尔泰造山带位于中亚造山带的西南部, 从西经过俄罗斯、哈萨克斯坦、中国北部, 向东到达蒙古国境内, 全长2500 km, 宽800 km, 南依准噶尔盆地, 北临西伯利亚克拉通。前人根据该地区的地层学、变质和变形特征、岩浆活动以及火成岩年代学, 把阿尔泰造山带划分为3个构造单元[15]或者6个地块[2]。近些年研究表明把阿尔泰造山带划分为4个地块更为合理[12–14,26–28,31,42,43], 从北向南以红山嘴-诺尔特断裂、库尔提-阿巴宫断裂和额尔齐斯断裂将阿尔泰造山带分为北阿尔泰、中阿尔泰、琼库尔地块和南阿尔泰。北阿尔泰主要由晚泥盆纪-早石炭纪碎屑沉积岩、花岗岩和绿片岩相变质岩组成[60–61], 其中库马苏组主要以长石石英砂岩、石英砂岩和绢云绿泥千枚岩等为主, 红山嘴组以石英砂岩、长石砂岩和泥质板岩为特征。中阿尔泰主要有中奥陶纪-早泥盆纪地层和大面积的花岗岩组成, 发育地层主要有奥陶纪哈巴河群和志留纪库鲁姆提群, 奥陶纪哈巴河群以石英片岩、黑云母石英片岩和千枚岩为主。早期研究认为该地块可能发育有前寒武纪基底[62],最近研究表明存在前寒武纪古老基底的可能性微乎其微[12,26–28,33,42,43,63–65]。琼库尔地块主要有志留纪库鲁姆提群、早泥盆纪的康布铁堡组、中泥盆晚阿勒泰组和大面积出露的花岗岩组成, 其中库鲁姆提群以变质较浅的变质粗砂岩、细砂岩和变质较深的石英片岩夹少量的片麻岩和混合岩为主, 阿勒泰组以千枚岩和石英片岩为特征, 康布铁堡组多发育石英片岩和变质石英砂岩。南阿尔泰主要发育泥盆纪含化石沉积岩和石炭纪火山碎屑岩。向南为额尔齐斯断裂带, 发育一套片麻岩系。

阿尔泰造山带古生代地层主要分布于北阿尔泰、中阿尔泰和琼库尔构造单元中, 其中哈巴河群 (O2hb1–3)主要在富蕴县西北部地区、东部地区(可可托海镇和库威沟)以及青河县境内分布, 库鲁姆提群 (S2–4k1–2)主要分布于福海县北部的卡鲁安、阿祖拜和琼库尔等地区, 康布铁堡组(D1k1–4)主要分布在富蕴西北至阿勒泰市一线, 阿勒泰组 (D2al1–3)分布于阿勒泰市东北的阿巴宫、富蕴县东部的托克拜-达拉吾孜村地区一带, 库马苏组(D3C1k1)和红山嘴组 (C1hshz1–3)主要出露于北阿尔泰构造单元的诺尔特地区。鉴于一些学者[14,29,33,42,43]对阿尔泰南缘泥盆纪地层和阿尔泰西北部地层的研究, 本次研究样品主要采自中阿尔泰, 少量样品采自北阿尔泰和琼库尔构造单元, 所采集的古生代地层样品分布见图1。

2 样品描述及分析方法

2.1 样品描述

本次野外地质工作中, 采集均远离岩浆岩侵入体及其脉体的古生代地层的新鲜样品, 自下而上包括奥陶纪哈巴河群、志留纪库鲁姆提群、泥盆纪康布铁堡组和阿勒泰组、石炭纪库马苏组和红山嘴组。由于震旦-寒武纪的喀纳斯群第一至第四亚群仅在阿尔泰山零星出露, 而二叠纪喀喇额尔齐斯组、特斯巴组汗和库尔提组在研究区出露很少, 因此, 在本次研究中不予考虑。

采集样品多为浅变质和未变质的碎屑岩(图2a、2b), 主要岩性为云母片岩、石英片岩和变质砂岩, 共40余件, 本文所分析的32件样品是在室内显微镜下初步观察的基础上选取的。

2.2 分析测试方法

样品的主元素和微量元素分析均在中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室完成, 其中岩石中主要化学组成由AXIOS XRF分析测试制成玻璃片获得; 熔片法, 具体包括：取0.7 g样品和7 g助熔剂(Li2B4O7), 搅拌均匀倒入铂金坩埚中, 再加少量LiBr和LiNO3, 在熔样炉中加热至1100 ℃熔融制成玻璃片。微量元素分析在四级杆型电感耦合等离子体质谱(Q-ICP-MS)上进行, 先采用HF+HNO3密闭高压溶样, 溶解好的样品溶液在四级杆等离子体质谱仪上测定, 溶样和分析流程见文献[66]。上述分析中主元素的分析相对标准偏差(RSD)<1%, 微量元素(包括REE)的分析相对标准偏差(RSD)< 10%。

图1 阿尔泰造山带区域地质及采样分布图

数字1–4分别代表北阿尔泰、中阿尔泰、琼库尔和南阿尔泰构造单元, 据文献[2], [13], [15]和[27]改编

1–4 represent North Altai Domain, Central Domain, Qiongkuer Domain, South Altai Domain, after reference [2], [13], [15] and [27]

图2 阿尔泰古生代浅变质碎屑岩野外和显微照片(c 单偏光, d正交偏光)

3 结 论

3.1 岩相学特征

采集样品的主要岩性为云母石英片岩、变粉砂岩和板岩。其中黑云母石英片岩为灰绿色, 鳞片变晶结构, 粒状变晶结构, 显微变晶结构, 矿物组成为斜长石(35%~40%), 云母(35%~40%), 石英(25%~ 30%), 黄铁矿(<5%)。斜长石呈粒状, 部分呈卵圆状, 较大颗粒边缘发育港湾状结构; 云母呈细小鳞片状, 多为白云母; 黑云母含量较少, 石英呈梭状、长条状和细小鳞片状, 定向分布。变质粉砂岩为灰黑色, 变余砾状结构, 交代残余结构, 变余构造, 主要矿物有斜长石(30%~40%), 石英(40%~45%), 云母(5%~10%), 磁铁矿(<5%), 基质(10%~15%)。斜长石为不均匀颗粒, 部分蚀变为云母、绿泥石和黄铁矿; 石英呈卵圆状, 多裂隙; 云母包括黑云母和白云母, 呈细小鳞片状或者长条状, 在基质中分布较多(图2c)。板岩为灰黑色、灰绿色, 鳞片变晶结构, 条带状, 矿物定向排列, 主要为斜长石(40%~45%)、云母(40%~45%)以及少量的石英和磁铁矿等副矿物(<15%)。斜长石和云母呈细小鳞片状, 显微变晶结构, 均匀分布, 定向排列, 有时呈条带状(图2d)。

3.2 地球化学特征

3.2.1 主要化学组成

古生代地层不同岩性岩石主要化学组成分析结果列于表1。

在哈巴河群11个样品中, 除HB-6外, 其他10个样品中SiO2、Al2O3变化于59.80%~80.80%、8.80%~17.90%之间; Fe2O3T、MgO、CaO 分布于2.75%~7.97%、1.53%~6.69%、0.20%~2.80%范围; K2O、Na2O 则变化于0.96%~3.78%、0.30%~3.39%之间。其中Fe2O3+MgO、TiO2含量分布于4.35%~14.50%、0.40%~0.92%之间, Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值分布于0.11~0.30、0.39~9.54、2.26~32.67之间; 除半数样品显示较高的Fe2O3+MgO (8.73%~14.50%)、TiO2(0.73%~0.92%)外, 其他化学组成明显区别于形成于大洋岛弧背景下砂岩的化学组成, 与形成于大陆岛弧背景下砂岩的化学组成相似。

表1 阿尔泰造山带古生代地层的主要化学组成(%)

(续表1)

注: Fe2O3T为总铁; 样号标“*”者数据引自文献[67]

所研究的库鲁姆提群6个样品中, SiO2、Al2O3变化于57.20%~77.00%、10.20%~15.80%之间; Fe2O3T、MgO、CaO分布于3.33%~8.15%、1.85%~ 5.87%、0.28%~2.30%范围; K2O、Na2O 则变化于1.48%~3.22%、0.68%~2.27%之间。其中Fe2O3+MgO、TiO2含量分布于5.85%~14.02%、0.53%~0.89%之间, Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值分布于0.13~0.34、0.75~3.80、2.76~8.48之间; 除2个样品 (KL-1、KL-5)显示较高的Fe2O3+MgO (11.69%、14.02%)、TiO2(0.80%、0.89%)外, 所有样品的其他化学组成相似于形成于大陆岛弧背景下砂岩的化学组成。

6个康布铁堡组样品中SiO2、Al2O3变化于73.56%~79.10%、10.78%~18.50%之间; Fe2O3T、MgO、CaO分布于2.78%~4.44%、0.12%~2.42%、0.15%~1.40%范围; K2O、Na2O则变化于0.40%~ 8.21%、0.56%~6.19%之间。其中Fe2O3+MgO、TiO2含量分布于2.90%~6.90%、0.08%~0.55%之间, Al2O3/ SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值分布变化于0.14~0.17、0.07~14.56、1.85~15.01之间; 除样品KB-1和KB-4显示较高的Al2O3/(CaO+Na2O)值(8.01、15.01)以及半数的样品TiO2含量和K2O/Na2O值较低外, 所有样品的其他化学组成相似于形成于大陆岛弧背景下砂岩的化学组成。

4个阿勒泰组样品中SiO2、Al2O3变化于61.60%~68.00%、14.50%~18.50%之间; Fe2O3T、MgO、CaO 分布于3.72%~6.83%、3.07%~4.98%、0.71%~2.98%范围; K2O、Na2O则变化于1.69%~ 7.58%、1.60%~3.67%之间。其中Fe2O3+MgO、TiO2含量分布于6.79%~11.80%、0.55%~0.69%之间, Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值变化于0.28~0.32、0.46~4.74、2.18~7.52之间; 除ALT-1、ALT-2显示较高的Fe2O3+MgO (11.80%、10.05%) 以及所有样品显示较高的Al2O3/SiO2值外, 所有样品的其他化学组成与形成于大陆岛弧背景下砂岩的化学组成相似。

在库马苏组群5个样品中, 除KM-5外, 其他4个样品中SiO2、Al2O3变化于57.60%~74.40%、11.60%~19.50%之间; Fe2O3T、MgO、CaO分布于3.37%~8.51%、1.73%~5.40%、0.23%~4.79%范围; K2O、Na2O则变化于2.37%~3.06%、0.47%~1.60%之间。其中Fe2O3+MgO、TiO2含量分布于5.10%~ 13.90%、0.73%~0.90%之间, Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值分布于0.16~0.34、1.80~5.00、7.88~13.19之间; 除样品KM-4外, 其他3个样品显示较高的Fe2O3+MgO (12.00%~13.90%)、Al2O3/SiO2值(0.26~0.34), 但所有4个样品的其他化学组成与形成于大陆岛弧背景下砂岩的化学组成相似。

4个红山嘴组样品中SiO2、Al2O3变化于66.40%~ 80.20%、9.00%~13.90%之间; Fe2O3T、MgO、CaO分布于2.95%~8.17%、2.11%~3.44%、0.26%~0.43%范围; K2O、Na2O则变化于1.13%~3.89%、1.14%~2.19%之间。其中Fe2O3+MgO、TiO2含量分布于5.11%~11.40%、0.46%~1.01%之间, Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值分布于0.11~0.21、0.68~2.24、6.41~7.82之间; 除H-1、H-4显示较高的Fe2O3+MgO (11.40%、8.95%)、TiO2(1.01%、0.72%)含量外, 所有样品的其他化学组成与形成于大陆岛弧背景下砂岩的化学组成相似。

3.2.2 微量元素地球化学

古生代地层不同岩性岩石微量元素组成分析结果列于表2。除HB-6样品外, 其他10个哈巴河群样品REE含量在89.2~199.5 μg/g之间,Eu=0.51~ 0.86; (La/Yb)N、(Gd/Yb)N变化于6.26~9.67、1.23~2.06之间, 指示轻重稀土之间分异明显, 而中重稀土之间分异不明显。球粒陨石标准化REE分布模式为LREE富集、弱负Eu异常的右倾直线型(图3a)。6个库鲁姆提群样品REE含量在79.7~171.0 μg/g之间,Eu=0.66~0.80; (La/Yb)N、(Gd/Yb)N变化于5.25~ 8.88、1.08~1.52之间, 指示存在明显的轻重稀土之间分异, 而中重稀土之间分异不明显; 球粒陨石标准化REE分布模式为LREE富集、弱负Eu异常的右倾直线型(图3b); 6个康布铁堡组样品REE含量在117.7~233.6 μg/g之间,Eu=0.31~0.90; (La/Yb)N、(Gd/Yb)N变化于3.03~9.06、0.87~1.64之间, 指示存在明显的轻重稀土之间分异, 弱的中重稀土之间分异; 球粒陨石标准化REE分布模式为LREE富集、弱负Eu异常的右倾直线型(图3c); 4个阿勒泰组样品REE含量在102.1~313.1 μg/g之间,Eu=0.54~0.66; (La/Yb)N、(Gd/Yb)N变化于5.70~9.09、1.13~1.63之间, 指示轻重稀土之间分异明显, 而中重稀土之间分异不明显; 球粒陨石标准化REE分布模式为LREE富集、弱负Eu异常的右倾直线型(图3d); 除样品KM-5外, 其他4个库马苏组样品REE含量变化于140.7~271.1 μg/g范围,Eu=0.61~0.72, (La/ Yb)N、(Gd/Yb)N变化于7.12~12.74、1.50~1.83之间, 球粒陨石标准化REE分布模式为LREE富集、弱负Eu异常的右倾直线型(图3e); 而样品KM-5以弱负Eu异常(Eu=0.90), 低的La、Ce和REE含量(分别为12.1、26.8和73.7 μg/g), 最小的轻重稀土之间分异((La/Yb)N=3.83)为特征, 明显不同于其他库马苏组样品。4个红山嘴组样品REE含量分布于144.61~ 211.13 μg/g范围,Eu=0.56~0.71; (La/Yb)N、(Gd/Yb)N变化于4.52~13.34、1.67~2.18之间, 指示轻重稀土之间分异明显, 而中重稀土之间分异不明显, 球粒陨石标准化REE分布模式为LREE富集、弱负Eu异常的右倾直线型(图3f)。

表2 阿尔泰造山带古生代地层的微量元素组成 (μg/g)

(续表2)

注: 球粒陨石数据引自文献[68]; Eu/Eu*=EuN/(SmN+GdN)0.5

图3 阿尔泰造山带古生代地层球粒陨石标准化REE分布模式

球粒陨石数据引至文献[68]

Chondrite data after Reference [68]

哈巴河群、库鲁姆提群和阿勒泰组样品中的Th/Sc值主要变化于0.49~1.58之间, 明显不同于形成于大洋岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘的砂岩中的Th/Sc比值 (分别为0.15、2.59和3.06), 与形成于大陆岛弧砂岩中Th/Sc值(0.85)及上地壳平均值(0.97)相当; 6个康布铁堡组样品中Th/Sc值变化于1.24~3.52之间, 其中4个样品显示Th/Sc值变化于1.24~1.69之间, 与形成于大陆岛弧砂岩中Th/Sc值及上地壳平均值相当; 而库马苏组和红山嘴组样品中Th/Sc值变化于0.19~2.34范围, 除去KM-5的Th/Sc值为0.19以外, 4个样品(KM-2、KM-3、H-1和H-4)显示Th/Sc值变化于0.49~1.33之间, 与形成于大陆岛弧砂岩中Th/Sc值及上地壳平均值相当; 其他4个样品(KM-1、KM-4、H-2和H-3) Th/Sc值范围为2.10~2.34, 与形成于活动大陆边缘砂岩中的Th/Sc值接近。此外, 哈巴河群、库鲁姆提群和阿勒泰组样品中La/Sc值主要变化于1.23~3.67范围, 明显不同于形成于大洋岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘的砂岩中的La/Sc值(分别为0.55、4.55和6.24), 与形成于大陆岛弧砂岩La/Sc值(1.82)及上地壳平均值(2.73)相当; 而来自库马苏组和红山嘴组的9个样品中La/Sc值主要变化于1.65~5.18范围, 除去KM-5的La/Sc值为0.56以外, 4个样品 (KM-2、KM-3、H-1和H-4)的La/Sc值变化于1.65~3.03之间, 与形成于大陆岛弧砂岩中La/Sc值及上地壳平均值相当; 其他4个样品(KM-1、KM-4、H-2和H-3)的La/Sc比值变化于4.63~5.18之间, 与活动大陆边缘背景下形成的砂岩中La/Sc值一致。

4 讨 论

4.1 原岩恢复

变质岩的原岩恢复可以了解阿尔泰地区古生代地层原岩类型及其沉积环境。已有的研究显示, 利用西蒙尼图解、K-A图解以及DF指数判别法能有效判别变质岩的原岩类型[70]。阿尔泰造山带中古生代地层的原岩恢复相关系数计算结果列于表3。除泥盆纪康布铁堡组3个样品(KB-3、KB-5、KB-6)和阿勒泰组2个样品(ALT-3、ALT-4)的DF≥0外, 其余样品的DF值均为负值, 主要分布于–1 ~ –9范围, 表明阿尔泰造山带中古生代浅变质碎屑岩的原岩主要为沉积岩。在K-A图解中, 除少数奥陶纪哈巴河群(HB-3、HB-4、HB-6)、泥盆纪康布铁堡组(KB-3、KB-5、KB-6)和阿勒泰组(ALT-3)、石炭纪库马苏组(KM-5)样品落入火成岩区外, 其他所有样品落入了沉积的泥质粉砂质亚区(图4a)。在西蒙尼图解中, 除少数奥陶纪哈巴河群 (HB-6)、泥盆纪康布铁堡组(KB-3、KB-5)和阿勒泰组(ALT-4)、石炭纪库马苏组(KM-5)样品落入火山岩区外, 绝大部分的样品落入了沉积岩区, 且以泥砂质沉积岩为主 (图4b)。综上所述, 阿尔泰地区古生代浅变质碎屑原岩为泥砂质沉积岩。

4.2 源区风化-沉积特征

已有研究显示, 碎屑岩的化学组成容易受源区岩石性质和化学风化作用强度的制约。Nesbitt.在对加拿大古元古代Huronian超群的碎屑岩研究时发现, 上地壳的化学风化作用能够使长石分解, 形成黏土矿物, 伴随活泼阳离子(如Ca2+、Na+、K+)的流失, 导致残留元素(如Al3+、Ti4+)与活泼元素的比值变大, 而化学蚀变指数(CIA, chemical index of alteration)就是通过元素比值的变化来反映源区风化程度的较为有效的方法。CIA<70, 反映源区经历了寒冷、干燥的条件下的弱的化学风化作用, CIA=70~75, 反映源区经历了温暖、湿润条件下的中等化学风化作用, CIA>75, 说明源区经历了炎热、潮湿条件下的强烈的化学风化作用[45–46]。由于黏土矿物比非黏土矿物含有较高的Al2O3, 而K2O、Na2O和CaO含量较低, 因此成分变异指数(ICV, index of compositional variability)可以反映碎屑岩的成分成熟度, 判断碎屑岩石经历了活动大陆边缘初次循环还是被动大陆边缘多次的再循环过程。因此, ICV>1.0, 指示原岩中含有少量黏土矿物, 碎屑岩的成熟度差, 代表活动大陆边缘的首次循环产物[47,71], 反之, ICV<1.0, 指示原岩中含有大量的黏土矿物, 碎屑岩的成熟度较高, 反映了被动大陆边缘多次循环过程或者强化学风化条件下的首次沉积过程[72]。

由表3可知, 阿尔泰古生代地层样品中, 除奥陶纪哈巴河群中1个样品(HB-1)显示高的CIA值外, 哈巴河群样品CIA分布于50~70之间, 志留纪库鲁姆提群CIA分布于57~68之间, 泥盆纪康布铁堡组CIA分布于50~67之间, 泥盆纪阿勒泰组CIA主要分布于52~60之间(其中1个样品ALT-1显示CIA=71), 石炭纪红山嘴组CIA主要分布于66~68范围(其中1个样品H-4显示CIA=76), 而石炭纪的库马苏组CIA主要分布于71~79之间, 其中2个样品(KM-1、KM-3) 显示CIA>75 (分别为77和79), 仅1个样品(KM-5)显示低的CIA值(60)。上述CIA值分布特征表明, 形成哈巴河群、库鲁姆提群、康布铁堡组、阿勒泰组、红山嘴组源区物质经历了相对寒冷、干燥的条件下的弱的化学风化作用, 而形成石炭纪的库马苏组的源区物质可能经历了温暖-炎热、湿润-潮湿条件下的中等-强烈化学风化作用。

表3 阿尔泰造山带中古生代地层原岩恢复相关系数计算结果

注: A=Al2O3/(K2O+Na2O+Al2O3+CaO)×100, K=K2O/(K2O+Na2O)×100。图4b中西蒙尼图解中Si′=SiO2/60, al′=Al2O3/102, fm′=2×Fe2O3T/ 160+MgO/40+MnO/71, c′=CaO/56, alk′=Na2O/62+K2O/94, Total=al′+fm′+c′+alk′, Si=Si′/Total, al=al′/Total, fm=fm′/Total, c=c′/Total, alk=alk′/Total; DF =-0.21SiO2-0.32Fe2O3T-0.98MgO+0.55CaO+1.46Na2O+0.54K2O+10.44(质量分数); CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O), 其中氧化物为摩尔分数, CaO*为硅酸盐矿物中的CaO, 上述数据已校正[69]; ICV=(Fe2O3T+K2O+Na2O+CaO+MgO+TiO2)/Al2O3(摩尔分数)

图4 阿尔泰造山带中古生代地层原岩恢复K-A图解(a)和西蒙图解(b)(据文献[70])

所研究的古生代地层, 自下而上包括奥陶纪哈巴河群、志留纪库鲁姆提群、泥盆纪康布铁堡组和阿勒泰组、石炭纪库马苏组和红山嘴组, 总体显示ICV>1.0, 主要分布于1.04~1.61, 指示其形成原岩中含有少量黏土矿物, 碎屑岩的成熟度较差, 很可能代表活动大陆边缘首次直接沉积的产物(图5); 而少数样品显示ICV<1.0, 而HB-1 (CIA=82)、HB-2 (CIA=70), 库马苏组KM-3 (CIA=77)、KM-4 (CIA= 74)则很可能反映出经历温暖-炎热、湿润-潮湿条件下的中等-强烈化学风化条件下的首次沉积产物。其中康布铁堡组KB-1 (CIA=67)、KB-3 (CIA=51)、KB-5 (CIA=51)、KB-6 (CIA=52), 阿勒泰组ALT-4 (CIA=60)、红山嘴组H-21 (CIA=67)因是弱的化学风化作用产物, 应是经历了多次循环的再沉积过程。

图5 阿尔泰造山带古生代地层ICV-CIA指数图解(据文献[45]和[47])

4.3 源区组成特征

碎屑岩的地球化学特征对确定它们的源区性质有重要的意义。尽管碎屑岩主要化学组成易受风化、成岩作用等地质作用的影响, 但抗风化能力较强的稀土及其他不活泼的微量元素可有效进行源区示踪[48]。在La/Sc-Sc/Th图解中[49,73], 样品点显示负的线性相关性, 绝大多数样品集中在上地壳附近, 而显著不同于洋壳平均组成和地壳平均组成, 表明阿尔泰地区古生代地层可能来源于与上地壳组分相似的物质源区 (图6a)。在La/Th-Hf图解中[50], 绝大多数样品落在了长英质源区, 远离被动边缘源区以及大洋岛弧源区, 指示其源区物质可能以中-酸性大陆岛弧火山岩为主(图6b)。

4.4 沉积构造环境

已有研究显示, 砂岩的化学组成与其所处的沉积盆地的构造环境有密切的成因关系, 因此利用砂岩的主要化学组成和相对不活泼的微量元素含量, 如La、Sc、Th、Zr、Hf等, 可以判别沉积盆地形成的构造背景。已有的研究揭示, 从大洋岛弧®大陆岛弧®活动大陆边缘®被动大陆边缘, 其砂质岩石中 (Fe2O3T+MgO)、TiO2、Al2O3/SiO2值和Eu/Eu*值逐渐降低, 而La、Ce、REE含量及K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)、Th/Sc、La/Sc、(La/Yb)N值明显增大[52–55,74,75]。

图6 阿尔泰造山带古生代地层源区判别图解(据文献[49], [50]和[51])

由表4可知, 哈巴河群样品(除HB-6外)、库鲁姆提群、康布铁堡组、阿勒泰组、库马苏组(除KM-5外)和红山嘴组样品中(Fe2O3T+MgO)、TiO2含量以及Al2O3/SiO2、K2O/Na2O、Al2O3/(CaO+Na2O)值明显区别于大洋岛弧背景下形成的砂岩的化学组成, 而微量元素(包括REE)组成, 如La、Ce、REE含量及Th/Sc、La/Sc、(La/Yb)N值明显不同于形成于大洋岛弧背景下的砂岩, 而与形成于大陆岛弧背景下砂岩或上地壳背景值相当。值得注意的是, 库马苏组(除KM-5外)和红山嘴组样品的微量元素组成涵盖了大陆岛弧、活动大陆边缘背景下形成的砂岩的微量元素组成, 如库马苏组(除KM-5外)和红山嘴组样品中La/Sc、Th/Sc值分别为1.69~5.18、1.65~5.06和0.49~2.34、0.75~2.29, 包含了大陆岛弧、活动大陆边缘背景下形成的砂岩中的1.82、4.55和0.85、2.59。

表4 阿尔泰造山带古生代地层与不同构造环境下砂岩地球化学参数对比

在微量元素图解La-Th、Th-Sc-Zr/10和La-Th- Sc的图解中, 绝大部分的样品点投在了大陆岛弧区域, 其中康布铁堡组KB-3、KB-6样品点分别投在被动和活动大陆缘区, 阿勒泰组ALT-3样品点投在活动大陆边缘区, 库马苏KM-5样品点投在大洋岛弧区, 红山嘴组H-21样品点投在被动大陆边缘区(图7)。在球粒陨石标准化稀土元素分布模式图解上, 哈巴河群、库鲁姆提群、康布铁堡组、阿勒泰组、库马苏组(除KM-5外)和红山嘴组样品总体显示LREE富集、弱的负Eu异常的右倾直线型, 与形成于大陆岛弧、活动大陆边缘背景下砂岩REE分布模式相似, 而明显不同于大洋岛弧背景下形成的砂岩(图8)。因此, 阿尔泰地区古生代碎屑沉积岩的地球化学特征表明碎屑沉积岩沉积在靠近大陆岛弧的活动大陆边缘构造环境。一些学者[26,29,41–44]对阿尔泰地区哈巴河群、康布铁堡组和阿勒泰组的碎屑沉积岩的地球化学特征、碎屑锆石U-Pb年龄以及Hf同位素的研究结果也表明其形成于大陆岛弧相关的构造环境, 与本文观点一致。

5 结 论

(1) 阿尔泰造山带中古生代浅变质碎屑岩的原岩主要为泥砂质沉积岩, 包含少量火山岩或火成岩的风化剥蚀的产物。

图7 阿尔泰造山带古生代地层构造判别图解(据文献[55])

图8 阿尔泰造山带古生代地层与不同构造背景下砂岩的球粒陨石标准化REE分布模式比较

(球粒陨石标准化数据引自文献[68]; 不同构造环境形成的砂岩REE数据引文献[55])

Chondrite data after Reference [68]; REE contents of the sandstone in various tectonic setting after Reference [55])

(2) CIA分布特征表明, 形成奥陶纪哈巴河群 (CIA=50~70)、志留纪库鲁姆提群 (CIA=57~68)、泥盆纪康布铁堡组(CIA=50~67)和阿勒泰组 (CIA=52~60)、石炭纪红山嘴组 (CIA=66~68)源区物质经历了相对寒冷、干燥条件下弱的化学风化作用, 而形成石炭纪的库马苏组 (CIA=71~79)的源区物质可能经历了温暖-炎热、湿润-潮湿条件下的中等-强烈化学风化作用。

(3) 哈巴河群、库鲁姆提群、康布铁堡组、阿勒泰组、库马苏组和红山嘴组, 总体显示ICV>1.0 (主要分布于1.04~1.61), 指示碎屑岩的成熟度较差, 代表首次直接沉积的产物; 少数样品显示ICV<1.0, 指示碎屑岩的成熟度较高, 代表经历了多次循环的再沉积或温暖-炎热、湿润-潮湿条件下的中等-强烈化学风化条件下的首次直接沉积过程。

(4) 主要化学组成及微量元素组成显示, 哈巴河群、库鲁姆提群、康布铁堡组、阿勒泰组碎屑沉积岩主体形成于大陆岛弧背景, 而库马苏组、红山嘴组与大陆岛弧-活动大陆边缘背景具有成因联系。

野外工作得到了新疆有色集团701和706地质队的热情帮助; 在分析测试过程中, 感谢师兄弟给予的大力帮助; 在文章修改过程中, 两位审稿人提出了诸多宝贵的意见, 在此一并表示衷心的感谢。

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Geochemical characteristics of Paleozoic strata and its restriction on depositional environment in Altay orogen, north Xinjiang, China

SHEN Rui-feng1,2, ZHANG Hui1*, TANG Yong1and LÜ Zheng-hang1

1. Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guiyang 550002, China;2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

The geochemical studies of Paleozoic strata in the Altai orogen show that the protolith of the low-grade metamorphosed clastic rocks are mainly pelitic-arenaceous sedimentary rocks and igneous or volcanic rocks, in a small amount. The Index of Composition Variation (ICV) of our samples is in the range of 0.83–1.61, mostly over 1.0, indicating poor maturity, which may be the product of the first deposition in active continental margin. The Chemical Index of Alteration (CIA) is in the range of 50–82. The CIA of Carboniferous Kumasu group characterized by high ratios (71–79), indicating the source material may have experienced a moderate-intense chemical weathering in warm-hot, humid-moist condition, whereas that of Habahe group, Kulumuti group, Kangbutiebao group, Altay group and Hongshanzui group is low (50–70), indicating the source material has undergone relatively weak chemical weathering in cold, dry condition. According to the contents of (Fe2O3T+MgO), TiO2, La, Ce and rations of Al2O3/SiO2, K2O/Na2O, Al2O3/(CaO + Na2O), Th/Sc, La/Sc, the clastic sedimentary rocks of Habahe, Kulumuti, Kangbutiebao and Altay Groups are formed in the continental island arc settings, whereas that of Kumasu and Hongshanzui Groups have a genetic link with continental island arc-active continental margin. The above geochemical characteristics suggest a sedimentary environment related to continental island arcs for the Paleozoic clastic rocks in the Altai orogen, and provide the basic evidences for the tectonic evolution mode of multi-block amalgamation for the Altai orogen in the Paleozoic era.

geochemistry; protolith reconstruction; source characteristics; depositional environment; Paleozoic strata; Altai orogen

P59; P53

A

0379-1726(2015)01-0043-18

2014-01-23;

2014-03-01;

2014-03-10

国家自然科学基金(41372104); 新疆有色金属工业集团地质科研项目(YSKY2011-02)

沈瑞峰(1989–), 男, 硕士研究生，岩石地球化学、矿床地球化学研究方向。E-mail: rfshen@163.com

ZHANG Hui, E-mail: zhanghui@vip.gyig.ac.cn; Tel: +86-851-5891494