鄂西宣恩志留系细砂岩地球化学特征及物源构造环境分析

刘 力, 潘龙克, 罗 华, 梅小元

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

鄂西宣恩志留系细砂岩地球化学特征及物源构造环境分析

刘 力, 潘龙克, 罗 华, 梅小元

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

鄂西宣恩志留系较为发育,自下而上可分为新滩组、罗惹坪组、纱帽组,为一套粉砂岩、细砂岩夹页岩的碎屑岩沉积。笔者在区域地质调查过程中,对鄂西宣恩地区新滩组、罗惹坪组、纱帽组内细砂岩(粉砂岩)进行了地球化学取样分析,显示碎屑岩母岩来自火山岛弧和稳定陆块。结合区内志留系沉积序列特征表明:鄂西早志留世阶段,中上扬子区为稳定陆块基底上发育而成的被动陆缘克拉通盆地。

细砂岩;地球化学;鄂西

沉积盆地中的碎屑岩从其源岩区经历了风化、剥蚀、搬运等地质作用后到达现今所在位置沉积下来,其过程中虽然经历了一系列的物理化学变化,但必定还保留了许多其源岩最原始的信息。特别是化学信息,由于不同的化学元素在地质作用过程中有着不同的迁移及赋存规律,据此,利用碎屑岩所携带的地球化学信息,对物源区进行分析研究是可行的。沉积学将现代不同类型盆地中碎屑岩组成进行系统研究,并将其与已知大地构造背景的源区岩石组合进行对比,总结出来源于不同构造背景下沉积盆地中碎屑岩组合以及相关地球化学特点,利用这些信息可对源区进行反演研究。笔者在进行1∶5万区域地质调查中,对志留系内发育的细砂岩进行了地球化学采样分析,来探讨其形成的物源构造背景及演化规律。

1 区域地质背景

研究区位于中上扬子区,处在四川盆地以东、江南—雪峰构造带以西的湘鄂西褶冲带内,区内主要沉积寒武系—三叠系,构造样式以发育北东向隔槽式褶皱带为特点,断层多为走滑性质,以北北东向展布为主。研究区出露的志留系自下而上可分为:新滩组(S1x)、罗惹坪组(S1lr)和纱帽组(S1s),均为一套细碎屑岩沉积。各组地层特征如下:

新滩组下部为灰—灰绿色中薄层状泥质粉砂岩夹粉砂质页岩、泥岩,上部为灰绿色中薄层粉砂岩夹泥质粉砂岩,偶夹细砂岩层;罗惹坪组下部为灰绿色薄层状泥质粉砂岩夹粉砂质页岩、粉砂质泥岩,偶见灰色薄层状细砂岩,上部为灰绿色粉砂质页岩夹薄层状泥质粉砂岩,夹有数层紫红色中薄层状粉砂岩;纱帽组下部为灰色中薄层状细砂岩夹粉砂质页岩、中薄层状粉砂岩,发育水平层理、块状层理、泥质结核;上部为灰绿色薄层状泥质粉砂岩夹薄层状粉砂岩、细砂岩,偶夹细砂岩透镜体,产三叶虫、腕足类等化石。

2 采样位置及分析方法

样品采集于湖北省恩施州宣恩县南香水河和荆竹垭地区(图1),其中新滩组取样5件(D2010/1-1、D2010/7-1、D2010/17-2、D1202-1和D1202-2),罗惹坪组取样2件(D2011/27-1和D1203-1),纱帽组取样3件(D1051/37-1、D2012/44-1和D1204-1)。其中样品D1202-1、D1202-2、D1203-1、D1204-1在湖北地质局鄂东北实验室分析测试,其余样品在国土资源部武汉综合岩矿测试中心完成测试。其中主量元素测试采用RIX2100型X射线荧光光谱分析仪进行分析,分析精度优于5%。稀土、微量元素测试采用Agilent 7500a ICP-MS分析完成,分析精度优于5%～10%。

图1 研究区地质简图及采样位置图Fig.1 Geological sketch map of study area and sampling locations1.第四系;2.中三叠统;3.早三叠统;4.泥盆—二叠系;5.纱帽组;6.罗惹坪组;7.新滩组;8.奥陶系;9.寒武系;10.断层;11.采样位置;12.研究区。

表1 志留系砂岩主量元素分析结果(wt%)Table 1 Analysis results of major elements of Silurian sandstone

3 地球化学特征与物源区大地构造背景

图2 lg[w(SiO2)/w(Al2O3)]-lg[w(K2O)/w(Na2O)]砂岩分类图解(据Pettijohn等,1987[1])Fig.2 Sandstone classification diagram of lg[w(SiO2)/w(Al2O3)]-lg[w(K2O)/w(Na2O)]

表2 志留纪各组砂岩与不同构造背景砂岩主量元素特征数值比较Table 2 Numerical comparison of main elements in sandstone of silurian formations with Sandstone in different strnctural background

注:不同构造背景砂岩主量元素特征参数引自Bhatia(1985)。

由于地球化学元素在沉积岩形成的全过程中都存在变化,因此应用地球化学数据在沉积学的研究中必然具有多解性。那么在以地球化学特征为依据来判别物源区构造环境的时候,任何一个参数都有其局限性,必须综合利用。

Roser(1988)[3]提出利用主量元素判别函数来分析物源成分,其中:

判别函数因子f1=-1.773×TiO2+0.607×Al2O3+0.76×Fe2O3-1.5×MgO+0.616×CaO+0.509×Na2O-1.224×K2O-9.09;

判别函数因子f2=0.445×TiO2+0.07×Al2O3-0.25×Fe2O3-1.142×MgO+0.438×CaO+1.475×Na2O+1.426×K2O-6.861。

根据上面两个判别式计算数据成图可区分出4种物源区类型:长英质火成物源区、石英岩沉积物源区、中性岩火成物源区和镁铁质火成物源区。根据调查区志留系细砂岩测试结果计算判别函数投点(图3),可见新滩组基本落入长英质火成物源区和石英岩沉积物源区;罗惹坪组基本落入长英质火成物源区;纱帽组全部落入石英岩沉积物源区,表明罗惹坪组及新滩组碎屑岩母岩为稳定陆块和火山岛弧,纱帽组碎屑岩母岩为稳定陆块。

Roser & Korsch(1988)探讨了沉积物颗粒大小对其化学成分的影响,认为不同粒度的沉积物化学成分的变化在其构造环境判别图上可显示一定的变化趋势,由此可以得到有用的信息。他们提出利用氧化物含量进行计算、投点,反映其构造环境。将调查区志留系细砂岩主量元素比值投入w(SiO2)-lg[w(K2O)/w(Na2O)]和lg[w(K2O)/w(Na2O)]-w(SiO2)/w(Al2O3)判别图解(图4)中,新滩组、罗惹坪组、纱帽组细砂岩均落入被动陆缘的构造环境。

图3 主量元素判别函数限定物源区特征图解(据Roser等,1988[3])Fig.3 Diagram of provenance characteristics limited by the discriminant function of major elements

沉积物中Fe、Ti元素不易流失,且在海水中驻留时间较短,可以较好地反映其母源性质,Mg虽不如Fe和Ti,但也基本可以代表母源的原始含量,故砂岩中这几种元素氧化物的含量可作为反映母源区性质及构造背景的良好参数。Bhatia(1983)[4]提出利用氧化物含量及其相对比值如(Fe2O3+MgO)、TiO2、Al2O3/SiO2、K2O/Na2O及Al2O3/( CaO+Na2O)等参数,将其配对组成二端元图进行沉积岩的构造环境判别。对志留系细砂岩的主量元素测试结果进行投图,在(Fe2O3+MgO)-TiO2图、(Fe2O3+MgO)-Al2O3/ SiO2图、(Fe2O3+MgO)-Al2O3/(CaO+Na2O)图和(Fe2O3+MgO)-K2O/Na2O图(图5)中,投点虽然较为分散,但纱帽组细砂岩基本落入被动陆缘附近,新滩组大部分落入被动陆缘附近,罗惹坪组偏离较远。虽然样品在各判别图解上有所差异,但是总体上仍然反映出调查区志留系物源区构造背景以被动陆缘为主。

图4 砂岩的化学成分与板块构造环境关系图解(据Roser & Korsch,1988[3])Fig.4 The relationship between chemical composition of sandstone and plate tectonic environmentARC.大洋岛弧;ACM.活动陆缘;PM.被动陆缘;A1.岛弧背景;A2.演化的岛弧背景。

图5 细砂岩主量元素化学成分的构造背景判别图解(据Bhatia,1983[4])Fig.5 Structural background discrimination of chemical composition of major elements in fine sandstoneA.大洋岛弧;B.大陆岛弧;C.活动大陆边缘;D.被动大陆边缘。

陆源碎屑岩中的微量元素具有较大的稳定性,尤其是Hf、Th、Ti、Zr、Sc等元素,在风化搬运和沉积过程中很少受其他地质作用的影响。其含量变化与构造背景之间有着内在的必然联系,可以反映物源区的大地构造背景、构造演化特征。因此,陆源碎屑的微量元素地球化学特征更适宜于研究源区类型及其大地构造背景。

Bhatia等(1986)[5]通过对砂岩、泥砂质岩进行稀土和微量元素的长期研究分析,归纳总结了与其对应的4大类物源区构造环境,它们依次是大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘、被动大陆边缘。利用Hf、Th、Ti、Zr、Sc等具更强稳定性的元素为端元组成的三角构造环境判别图解,在Th-Hf-Co图解(图6)中,调查区志留系细砂岩母岩来自于长英质火山岩、页岩和长石砂岩,物源区构造环境以火山岛弧和克拉通盆地为主;在 Th-Sc-Zr/10判别图解(图7)中,新滩组大部分和纱帽组物源区均显示了被动大陆边缘的构造环境,罗惹坪组物源区则位于活动大陆边缘和大陆岛弧附近。

志留纪为加里东运动主要活动期,受秦岭海槽逐渐关闭的向东运动与来自南面古太平洋板块和华夏板块的区域应力作用,包括研究区在内的整个中上扬子区处于挤压应力状态,克拉通内部为挤压坳陷盆地,早期的古陆和由于加里东运动形成的古隆起为陆源碎屑物源供应区,整个中上扬子区沉积格局为大隆大坳相间、浅海深水盆地环境[6]。何卫红等(2014)[7]研究认为湘鄂西奥陶系顶部—下志留统底部以笔石页岩、硅质岩为主,下志留统下部以粉砂岩、细砂岩或夹灰岩和页岩为主,表明了该期海平面逐渐下降以及盆地逐渐被填满;上扬子内部其余地区晚奥陶世—志留纪仍为砂岩与页岩互层或夹碳酸盐岩,为混积台地—深水陆棚,或为隆起区。研究区位于湘鄂西,志留纪时接收来自周缘上扬子北缘隆起、川中隆起、黔中隆起、雪峰隆起等的碎屑物质沉积,其物源区构造环境多为被动大陆边缘。

图6 Th-Hf-Co判别图解(据Bhatia等,1986[5])Fig.6 Discrimination diagram of Th-Hf-CoA.长英质火山岩;B.页岩(克拉通盆地);C.石英岩(克拉通盆地);D.长石砂岩;E.杂砂岩(岛弧)。

图7 Th-Sc-Zr/10判别图解(据Bhatia等,1986[5])Fig.7 Discrimination diagram of Th-Sc-Zr/10A.大洋岛弧;B.大陆岛弧;C.活动大陆边缘;D.被动大陆边缘。

4 结论

综上,鄂西宣恩地区志留系以粉砂岩、细砂岩夹页岩等碎屑岩沉积为主,整体上指示了海水水体向上变浅的沉积序列,表明盆地逐渐被沉积物充填和海平面相对下降的过程。宣恩地区志留系细砂岩以岩屑砂岩和长石砂岩为主,其地球化学特征反映了沉积物源区当时处于被动大陆边缘构造环境,碎屑岩母岩来自火山岛弧和稳定陆块。

[1] Pettijohn F J,Potter P E,and Siever R.Sand et al..Second Edition[M].Berlin.Springer-verlag,1987:1-553.

[2] 裴先治,胡楠,刘成军,等.东昆仑南缘哥日卓托地区马尔争组砂岩碎屑组成、地球化学特征与物源构造环境分析[J].地质论评,2015,61(2):307-323.

[3] Roser B P,Korsch R J.Provenance signatures of sandstone-mudstone suites determined using discriminant function analysis of major-element data[J].Chemical Geology,1988,67:119-139.

[4] Bhatia M R.Plate tectonics and geochemical composition of sandstones[J].Journal of Geology,1983,91:611-627.

[5] Bhatia M R,Crook K A W.Trace element characteristics of graywacks and tectonic setting discrimination of sedimentary basins[J].Contributions to Mineralogy and Petrology,1986,92(2):181-193.

[6] 黄福喜,陈洪德,侯明才,等.中上扬子克拉通加里东期(寒武—志留纪)沉积序列充填过程与演化模式[J].岩石学报,2011,27(8):2299-2317.

[7] 何卫红,唐婷婷,乐明亮,等.华南南华纪—二叠纪沉积大地构造演化[J].地球科学——中国地质大学学报,2014,39(8):929-953.

(责任编辑:于继红)

Analysis on Geochemical Characteristics and Provenance Tectonic Environmentof Silurian Fine Sandstone in Xuan’en Region of the Western Hubei

LIU li, PAN Longke, LUO Hua, MEI Xiaoyuan
(HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034)

Silurian strata in Xuan’en region of the western Hubei is quite developed which can be divided into Xintan Formation,Luoreping Formation from bottom to top,Shamao Formation,and it is a sequence of clastic deposit with siltstone,fine sandstone with intercalation of shale.During the regional geologic investigations,the authors analyzed the geochemical characteristics of fine sandstone in Silurian strata.Research results show that the parent rocks of clasolite come from volcanic arc and stable landmass.The Silurian sedimentary sequence characteristics indicate that the middle and upper Yangtze Region is passive margin cratonic basin which developes from stable landmass basement in Early Silurian.

fine sandstone; geochemical; western Hubei

2016-08-30;改回日期:2017-01-05

本文为中国地质调查局基础地质调查项目(编号:12120113062000)资助。

刘力(1986-),男,工程师,地质学专业,从事岩浆岩岩石学及区域地质调查研究工作。E-mail:505651703@qq.com

P588.21+2.3; P59

A

1671-1211(2017)02-0131-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.003

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0825.022.html 数字出版日期:2017-03-14 08:25