内蒙古阿拉善北部杭乌拉地区圆包山组时代、沉积特征及大地构造意义①

尹海权 周洪瑞 程 瑞 张维杰 郑小明 杨立业 李 杰 王晟宇

(1.中国地质大学地球科学与资源学院 北京 100083;2.新疆地质矿产勘探开发研究院第六地质大队 新疆哈密 839000;3.有色金属矿产地质调查中心 北京 100012;4.河北省区域地质矿产研究所 河北廊坊 065000)

0 引言

阿拉善地块北部地区的大地构造位置位于中朝板块、塔里木板块、西伯利亚板块的交汇部位。阿拉善北部地区处于中亚造山带中段，是天山造山带与兴蒙造山带的交汇部位，位于中亚造山带最窄的部位，是研究中亚造山带最关键的部位之一［1-27］。前人对阿拉善北部地区的研究主要集中在地壳演化及构造单元的划分上，并对阿拉善北部地区的蛇绿岩做了大量的岩石学、年代学及地球化学研究，认为研究区存在多条蛇绿岩带，如，恩格尔乌苏蛇绿岩带、乌力吉山恨蛇绿岩、查干础鲁—霍尔森蛇绿岩带、毕级尔台敖包蛇绿岩及雅布赖山蛇绿岩［1，28］。但是，前人对与造山带伴生的盆地的沉积特征、充填序列的研究相对较少，尤其是对靠近中蒙边境的阿拉善地块北缘地区的古生代盆地演化及构造演化并未深入研究。因此，本文选择位于西伯利亚板块南缘的杭乌拉地区圆包山组沉积岩为研究对象，对其沉积序列、岩石组合和地球化学等特征进行研究，为分析确定研究区的大地构造属性以及阿拉善北部地区古生代沉积环境和盆地演化研究提供信息。

1 区域地质背景

阿拉善地块北缘地区位于中亚造山带南缘的中部(图1)。区内大型断裂构造带发育，自北向南依次发育有:雅干断裂带，恩格尔乌苏断裂带(蛇绿岩带)，巴丹吉林断裂带(查干础鲁蛇绿岩带)。以此三条断裂带为界限，由北向南可划分四个构造带，分别为雅干构造带、珠斯楞—杭乌拉构造带、沙拉扎山构造带和诺尔公—狼山构造带［27］。研究区处于珠斯楞—杭乌拉构造带内，位于雅干断裂带以南、恩格尔乌苏蛇绿岩带以北的地区，呈东北东向延伸。区内在古生代处于一个相对稳定的大地构造环境，并且长期接受海相沉积。研究区内火山活动和岩浆活动微弱，仅有一些小规模的海西期花岗岩侵入体和石炭、二叠纪的中酸性火山岩［27］。

图1 西伯利亚板块南缘杭乌拉地区地质简图Fig.1 Schematic geological map of Hangwula area in the southern margin of the Siberian plate

2 圆包山组时代分析

圆包山组由甘肃省地质力学测量队于1979年在额济纳旗圆包山地区创名。原始定义为分布于内蒙古西北部不整合于咸水湖群之上，整合于志留系中统之下的早志留世晚期的浅海—半深海相沉积。现在定义为内蒙古西北部公婆泉组火山岩之下，巴丹吉林地区班定陶勒盖组之上的浅海相沉积。在杭乌拉一带与班定陶勒盖组为连续沉积［25］。

前人在1∶20万区调工作中，于杭乌拉地区圆包山组底部发现了代表早志留世晚期的笔石化石和头足类化石，而在含化石层之上千余米的砂岩地层中未见化石，将其类推为志留纪地层。其底部发育笔石类化石Monograptus sp.和Pristiograptus sp.，头足类化石Geisonoceras sp.。穆恩之1973于西藏亚里地区命名的石器坡群砂页岩中发育上述三种化石组合，时代为早—中志留世［29］;张捷芳1959年于广西省防城港市命名的上志留统防城群(防城组)中出现上述两种笔石类化石组合［30］，相当于上志留统 Pridolian 阶［31］;四川广元中子铺出现Geisonoceras sp.化石，相当于中志留世［32］;其中Monograptus sp.化石在早志留世至泥盆纪地层中均有发育，在云南省昌宁、孟连和丽江等地下泥盆统中可见Monograptus sp.化石［33］。

本次研究中，研究区圆包山组实测剖面第7层和第10层细砾—砂岩中得到的碎屑锆石206Pb/238U年龄少数在1 200～1 000 Ma之间、1 800 Ma及2 400 Ma附近分布，大部分年龄集中在400～450 Ma之间，并得出420±3 Ma和419.6±3.6 Ma的加权年龄(图2)。碎屑锆石的420±3 Ma和419.6±3.6 Ma的加权年龄对应为晚志留世晚期，说明圆包山组应形成于晚志留世晚期之后，结合上述化石特征将圆包山组定为泥盆纪地层。

3 岩石地层序列及沉积特征

研究区泥盆系圆包山组，出露厚度约1 976 m，为一套深海浊积岩，受构造影响岩石破碎强烈，劈理构造、褶皱和断层较发育，常形成倒转—同斜褶皱。圆包山组与下伏早古生代地层呈连续接触，早古生代地层从老到新依次为中、上寒武统至下奥陶统西双鹰山组和下志留统班定陶勒盖组。西双鹰山组与班定陶勒盖组呈断层接触，两组主要岩性基本一致，为薄层放射虫硅质岩、薄层灰岩、结晶灰岩等(图版Ⅰ-a，b)。两组的发育代表了次深海相较为稳定的较深水沉积，为一还原性质的稳定滞留海盆或陆棚外缘次深海环境。

图2 圆包山组第7(左)、10(右)层碎屑锆石协和曲线图Fig.2 U-Pb concordia diagrams of the detrital zircons from the 7thand 10thinterval in Yuanbaoshan Formation

3.1 圆包山组岩石、沉积构造特征

圆包山组岩石中碎屑颗粒总体较细，其主要岩性为细砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩，局部发育细砾岩、含砾粗砂岩及中砂岩，各岩层的在横向上延伸极其稳定。岩石碎屑成分均为陆源物质，不稳定组分较多，分选较好，磨圆较差，多为杂基支撑结构，杂基含量平均为15%。砂岩碎屑成分中，石英含量介于40%～58%之间，长石含量介于30%～45%之间，个别薄片中观察发育有菱形解理的方解石。岩石结构成熟度较高，成分成熟度较低。

圆包山组剖面中的沉积构造十分丰富。主要有正粒序递变层理、块状层理、小型交错层理、平行层理、水平层理、槽模、沟模、铁质结核等(图版Ⅰ-c～f)。

研究区浊积岩中常见鲍马序列，但发育不全，主要有AE、ABE、ADE和ABDE等序列组合，C段少见，厚度在十几厘米到几十厘米不等。A段以中粗砂岩为主，整体呈递变层理，底部发育槽模、沟模等沉积构造，在槽模底部发育有立方体状黄铁矿晶体，指示了还原的沉积环境，另见为浊流冲刷下部块状泥而形成的泥砾;B段以细砂岩为主，发育平行层理;C段以灰黄色粉砂岩、细砂岩为主，发育小型交错层理;D段以灰黄色中厚层泥岩为主，发育水平层理。E段以泥岩、粉砂质泥岩为主，均匀沉积。

3.2 沉积相及沉积环境特征

根据岩性组合及沉积构造分析，将研究区浊积扇相划分为内扇、中扇、外扇3个亚相［34］(图3):

(1)内扇 岩性以中粗砂岩、细砂岩为主，发育递变层理、平行层理、冲刷构造，在冲刷面上发育有为浊流冲刷下部块状泥而形成的泥砾。冲刷作用比较强，所以鲍马序列主要为A和AB段发育型，其它段常常被冲刷，未被保留，纵向上经常表现为多个这样的序列叠置。

(2)中扇 中扇岩性以细砂岩、粉砂岩为主，发育冲刷构造、递变层理、平行层理和水平层理。在亚相中可以见到发育较完整的鲍马序列。中扇纵向上多表现为正韵律，水道间微相主要以薄层粉砂岩和泥质粉砂岩为主。

(3)外扇 外扇位于浊积扇的最前缘，与深海泥岩过渡接触，由于外扇距物源较远，水动力条件变弱，岩性以粉砂岩为主，多发育水平层理，鲍马序列上层段发育，主要以 C、D、E段为主，缺少A、B段。

鲍马序列的粒度分布特征是确定浊积岩的重要标志［34-35］。研究区圆包山组砂岩的粒度概率累积曲线图呈弧形(图4)，主要是悬浮总体组成，而未显示出跳跃组分与悬浮组分。悬浮总体含量一般超过60%。从形态上看，该弧形曲线特征与典型的浊积扇较为相似，其斜率较低，杂基含量较高(10%～15%)，悬浮总体含量较高(一般大于20%，最高可达40%以上)，充分反映了浊流递变悬浮的特点。分选系数σ1介于0.55～0.87之间，分选中等—较好;Sk1值介于-0.1～0.26之间，绝大多数为正偏态。

图3 杭乌拉早古生代—晚古生代早期综合地层沉积柱状图Fig.3 The measured sedimentary section of Early Paleozoic-Early Late Paleozoic in Hangwula area

在C-M图(图5)上，圆包山组浊积岩具典型浊流的特征，即点群平行于C=M线分布，反映出递变悬浮搬运的特征。最大分选系数Im=1.86 φ，值较小，也反映了浊积岩分选相对较好的特点。从C-M图中也可以看出:浊积岩的C值和M值的变化幅度均较大。

图4 杭乌拉圆包山组砂岩碎屑粒度概率累计曲线Fig.4 Cumulative probability curve of sandstone fragment of Yuanbaoshan Formation in Hangwula area

图5 杭乌拉圆包山组砂岩碎屑颗粒C-M图Fig.5 C-M chart of sandstone fragment of Yuanbaoshan Formation in Hangwula area

3.3 古流向分析

圆包山组中可见到大量槽模、沟模，可以指示浊流的流向。由于浊流是重力流的一种，其运动方向和古坡度基本一致，故也可以用浊流的流向来代表古大陆斜坡的方向。槽模、沟模形成于有强烈底流和冲刷作用的沉积环境中，反映了浊流对底板的冲刷作用，其细而低的一端指向浊积扇的前端，所以具有指示浊积岩物质来源的意义。

根据野外实测层理、槽模产状(表1)绘制了玫瑰花图(图6)以确定物源方向。对a段底部经常发育槽模、沟模等古流向指向构造进行古流向测量恢复，确定浊流的运动方向是由北向南，陆源碎屑岩来自北方，说明此地当时的古地理格局是北高南低，即是说本地区早古生代时是属于西伯利亚南部大陆边缘。

图6 杭乌拉圆包山组玫瑰花图Fig.6 Rose Figure of Yuanbaoshan Formation in Hangwula area

4 岩石地球化学特征大地构造环境

4.1 主量元素

表1 砂岩层理及槽模、沟模产状Table 1 Occurreces Attitude of sandstones，flute casts and gloove cast

砂岩的化学成分受其组成碎屑物质的影响，所以砂岩中氧化物含量可以反映其物源区岩石成分。圆包山组砂岩SiO2含量较高，在66.24%～75.35%之间变化，平均含量为71.18%;砂岩中Al2O3含量也较高，在9.4%～11.91%之间变化，平均含量为10.81%。这两种氧化物含量较高与岩石中长石等富Si和Al的矿物有关。

CIA 指数［36-38］(CIA=100×Al2O3/(Al2O3+CaO+Na2O+K2O)，CaO为硅酸盐矿物中的浓度)可以衡量风化作用对沉积物的影响。砂岩低的CIA值反映中低程度的风化历史，物源区较近，而极高CIA值表明沉积物经历了长期的风化作用或沉积物再循环作用。圆包山组砂岩的CIA值较高，介于66.6～73.3之间，平均值为70.7，表明沉积物源区的风化作用较为强烈或者经历了沉积物再循环作用。

Al2O3-(CaO+Na2O)-K2O判别图解(A-CN-K图)能够用于判别碎屑源岩的组分［36-39］，其中CaO为硅酸盐矿物中的浓度。如图7所示，虚线(1)、(2)的箭头方向分别代表了英云闪长岩和花岗闪长岩的风化序列。因此，可以根据研究区砂岩化学组分在A-CNK图解中的变化趋势，可以判断出研究区内砂岩源岩为花岗闪长岩(中酸性岩类)。

图7 杭乌拉圆包山组碎屑沉积物A-CN-K图Fig.7 A-CN-K ternary plot of detrital sediments of Yuanbaoshan Formation in Hangwula area

Bhatia(1983)将与大地构造背景相关的沉积盆地划分为四类，分别是大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘，并认为主量元素中对于判断构造环境最有意义的参数是TiO2、Fe2O3t+MgO、Al2O3/SiO2、Al2O3/(Na2O+CaO)及 K2O/Na2O 值［41］。与Bhatia提出的标准相比，研究区圆包山组TiO2平均值为0.63，与大陆岛弧一致;Fe2O3t+MgO平均值为6.47，接近于大陆岛弧;Al2O3/SiO2平均值为0.15，接近于活动大陆边缘;K2O/Na2O平均值为1.33，介于活动陆缘和稳定陆缘之间;Al2O3/(Na2O+CaO)平均值为4.52，接近于稳定陆缘(表2)。利用 Bhatia和Crook(1983)提出的(Fe2O3t+MgO)-TiO2图解和(Fe2O3t+MgO)-Al2O3/(CaO+Na2O)图解，可以进一步确定杭乌拉地区圆包山组形成的大地构造环境，如图8所示，圆包山组所有数据落到岛弧和活动大陆边缘两个区域或其周边范围内，表明圆包山组的形成环境为活动大陆边缘和大陆岛弧。

4.2 稀土、微量元素

稀土元素配分模式曲线可以用于物源示踪研究，具有相似特征配分模式曲线的岩石往往拥有相同物质来源［40］。将研究区圆包山组分析样品的稀土元素含量用球粒陨石含量进行标准化(Henderson，1984)，得到如图8所示的配分模式曲线。所有样品的稀土元素配分曲线相似且相互平行，表明稀土元素含量大致同步变化。配分曲线表示出所有样品均为轻稀土元素富集型，δCe异常不明显。圆包山组砂岩稀土元素各个特征参数:(La/Yb)N、(La/Sm)N、(Gd/Yb)N和LREE/HREE的值均大于1且变化不大，说明轻重稀土的分馏程度基本一致，沉积物形成时具有相近的地球化学过程。

碎屑岩的REE含量主要受控于物源区岩石成分［40］，与风化、搬运以及成岩作用关系较小，岩石中外来石英和碳酸盐等对REE的存在起着稀释的作用。圆包山组∑REE值较大，平均为439.4，说明岩石中源区REE组分保存较好，沉积物性质受源区物质影响大，即，物源区较近，碎屑物质基本为单一物源区风化而来。总的来看，圆包山组的稀土元素配分曲线相似，∑REE值较大，说明沉积物具有同源性。

与主量元素类似，稀土、微量元素也可以通过相应的特征元素进行砂岩大地构造背景的判断。Bhatia提出 Th/U、La/Th、La/Sc、Ti/Zr等值可以较好的判断大地构造环境［41］。与Bhatia提出的标准相比，研究区圆包山组Th/U平均值为4.15，更接近于大陆岛弧;La/Th平均值为2.88，接近于大陆岛弧;La/Sc平均值为2.87，介于大陆岛弧和活动大陆边缘之间;Ti/Zr平均值为18.26，接近于大陆岛弧。利用Bhatia和Crook提出的Th-Sc-Zr/10三角图和Ti/Zr-La/Sc图可以进一步判断圆包山组砂岩形成的大地构造环

境［41］。如图10所示，将杭乌拉地区圆包山组砂岩微量元素地球化学数据投入Th-Sc-Zr/10三角图和Ti/Zr-La/Sc图解内，多数数据落到大陆岛弧和活动大陆边缘两个区域内，仅一个数据落入被动大陆边缘构造背景，表明圆包山组的形成环境为活动大陆边缘和大陆岛弧。

表2 杭乌拉地区圆包山组砂岩样品主量元素(%)分析数据Table 2 Major elements(wt%)of sandstones from the Yuanbaoshan Formation in Hangwula area

图8 杭乌拉圆包山组砂岩判别图解(底图据Bhatia等，1983)Fig.8 The discrimination diagram of the sandstones of Yuanbaoshan Formation in Hangwula area(After Bhatia et al.，1983)

图9 杭乌拉圆包山组砂岩稀土元素分配图Fig.9 REE patterns of the sandstones in Yuanbaoshan Formation in Hangwula area

表3 杭乌拉地区圆包山砂岩样品微量、稀土元素(10-6)分析数据Table 3 Trace and rare earth element(10-6)of sandstones from the Yuanbaoshan Formation in Hangwula area

图10 杭乌拉圆包山组砂岩判别图解(底图据Bhatia等，1986)Fig.10 The discrimination diagram of the sandstones of Yuanbaoshan Formation in Hangwula area(After Bhatia et al.，1986)

5 讨论

5.1 物源分析

上述圆包山组砂岩稀土、微量元素特征表明沉积物具有同源性质，主量元素CIA指数、A-CN-K图解表明圆包山组砂岩源岩为花岗闪长岩，并且砂岩地球化学特征及相应图解表明圆包山组砂岩的形成与活动大陆边缘和大陆岛弧的构造背景相关;结合古流向分析以及圆包山组岩石组合、沉积特征，认为圆包山组形成于西伯利亚板块南缘大陆花岗闪长岩岛弧区南侧的活动大陆边缘的深海—半深海环境，而圆包山组的物源区就位于西比利亚板块南缘的花岗闪长岩岛弧区。

图11 第7(左)、10(右)层部分所测碎屑锆石CL图像及所测年龄Fig.11 CL images of some detrital zircons from 7thand 10thinterval and their U-Pb ages

表4 圆包山组碎屑锆石部分测试数据(LA-ICP-MS)Table 4 U-Pb geochronologic analyses on Yuanbaoshan Formation by LA-ICP-MS spectrometery

结合圆包山组中碎屑锆石特征及其年龄可以进一步确定圆包山组物源区。如图11所示，样品锆石粒度一般在100～150 μm之间，样品中锆石都有一定的磨圆，次棱角—次圆状，表明其搬运距离相对较短。多数碎屑锆石震荡环带发育且Th/U均大于0.1(表4，部分数据)，表明这些碎屑锆石均为岩浆型锆石。并且这些碎屑锆石的年龄主要集中在420 Ma左右，因此，确定圆包山组物源区在420 Ma左右发生过具有岛弧特点的岩浆热事件。研究区北部Gobi-Altai构造带内存在时间较为接近的岩浆时间，出露岩性以岛弧型花岗闪长岩为主［42-47］，因此，研究区碎屑物质可能来源于Gobi-Altai构造带内。

5.2 盆地性质及大地构造背景

研究区下古生界西双鹰山组、班定陶勒盖组放射虫硅质岩、薄层灰岩、结晶灰岩等代表了次深海相较为稳定的较深水沉积，为一还原性质的稳定滞留海盆或陆棚外缘次深海环境。而硅质岩、灰岩等的出现表明沉积盆地物源区的物源供给相对较少，说明研究区及其物源区的大地构造环境相对稳定。沉积盆地为稳定型大陆边缘沉积盆地。

研究区上古生界厚度较大的圆包山组为一半深海—深海浊积环境，其碎屑物质中不稳定组分较多，成分以长石、石英为主。圆包山组陆源碎屑的大量出现，说明其物源区的物源供给增大，风化作用增强，大地构造活动性较早古生代强。结合上述岩石地球化学及物源分析，认为在早古生代位于研究区北侧的Gobi-Altai构造带活动性增强，有大陆岛弧出现，并为研究区的圆包山组的形成提供了丰富的物源。而研究区的沉积盆地则从稳定大陆边缘型盆地转变位于岛弧带南侧的活动大陆边缘型沉积盆地(图12)。

图12 杭乌拉地区早古生代—晚古生代早期大地构造演化示意图Fig.12 Schematic map of tectonic evolution of the Hangwula area in Early Paleozoic-Early Late Paleozoic

6 结论

(1)根据砂岩中碎屑锆石同位素峰值年龄以及前人的化石资料，认为圆包山组形成时代为泥盆纪。

(2)根据圆包山组岩石组合、沉积构造和碎屑颗粒粒度特征(C-M图、概率累积曲线)等特征，认为圆包山组为浊流沉积，并将浊积扇相划分为内扇、中扇、外扇3个亚相。

(3)根据古流向分析，认为其物源来自北部西伯利亚板块，即，研究区位于西伯利亚板块南缘，结合圆包山组岩石地球化学特，认为圆包山组形成于Gobi-Altai构造带南侧的活动大陆边缘的深海—半深海环境。

(4)根据早古生代地层的岩石组合、岩石地球化学特征，认为研究区在早古生代为一个被动大陆边缘，晚古生代早期为活动大陆边缘，其沉积盆地类型亦由被动型陆缘盆地转变为活动陆缘盆地(沉积特征受北部岛弧影响)。

致谢 感谢编辑和审稿人对本文的意见和建议，感谢导师周洪瑞教授在文章编写中给予的修改意见和建议，感谢张维杰副教授对文章编写给予的大量支持，感谢王行军师兄在论文编写过程中给予的帮助。

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