准噶尔盆地南缘中二叠统页岩矿物学和地球化学特征及地质意义

涂其军，王刚

（新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830000）

沉积岩尤其是细粒沉积岩（泥岩或页岩）的矿物和地球化学组分不仅可用于推测源区的源岩性质和源区构造背景[1-7]，且可用以评价研究区上地壳成分[8]。许多元素，如高场强元素（Zr，Hf，Nb，Ta，Th，Y）和稀土元素，它们在水溶液中具低溶解度和几乎全部保存于沉积物中，因此通常作为判断物源来源和源区构造背景的重要依据[2,9]。本文主要通过对准噶尔盆地南缘中二叠统芦草沟组页岩矿物学和地球化学特征的研究，意在探讨该区芦草沟组页岩的地球化学组成及沉积期的源区母岩性质和构造背景。

1 地质概况

准噶尔盆地南缘东段沿博格达山北部边缘分布（图1），经历了晚石炭世早期裂谷扩张期、晚石炭世中晚期坳陷-萎缩期、早二叠世的再次扩张期和中二叠世的盆地拗陷扩展期[10-12]。中二叠世晚期结束残余陆表海环境进入湖相盆地演化阶段[10,12]，沉积了一套湖相页岩（芦草沟组），此时湖盆可能受间歇性海水影响[13]。芦草沟组地层中发现的吐鲁番鳕鱼化石进一步证实了湖相环境[12]。

研究区发育地层自石炭—第四系均有分布。其中二叠系包括下二叠统石人子沟组和塔什库拉组；中二叠统的乌拉泊组、井井子沟组、芦草沟组和红雁池组；上二叠统的泉子街组、梧桐沟组和锅底坑组。芦草沟组与下伏井井子沟组和上覆红雁池组呈整合接触。

沉积相和古流分析表明，芦草沟组沉积期准南地区的物源，普遍认为来自北部的卡拉麦里山地区[14-15]。上述源区在晚石炭—早二叠世为板块俯冲碰撞造山和残余洋盆消亡期[11]。

此次样品采自黄山河露头剖面和东碱沟露头剖面，均位于准噶尔盆地南缘（图1）[16]。芦草沟组为此次研究层段，主要由黑色至褐灰色页岩组成，局部层段夹薄层状或透镜状白云岩、粉砂岩和细砂岩条带，可见鱼化石及两栖类、叶肢介和双壳类化石等。

2 样品及方法

样品采自准噶尔盆地南缘东碱沟和黄山河露头剖面，采样层位为中二叠统芦草沟组，共采集样品19件，采样位置如图1。采样时掘去表面风化页岩至新鲜面进行采样，采样完后样品用锡纸包裹送实验室分析。样品测试在新疆维吾尔自治区矿产实验研究所岩矿检测室完成。页岩样品粉碎至200目进行地球化学分析。常量元素分析使用美国ARL公司制造的X荧光光谱仪（规格型号为XRF-8680）测试，RD＜2%；微量元素测试使用X系列电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS），检测依据ZBF-3.67-2005，误差小于5%；重复样分析结果吻合，样品分析具较高精度。

图1 准噶尔盆地南缘地质图及采样位置Fig.1 The geological map of the Southern Junggar Basin and location of sampling sites

3 矿物学和地球化学

3.1 矿物学特征

芦草沟组页岩中矿物以粘土矿物为主，含量27%～56%，均值42%，石英含量27%～58%，均值40%，长石含量0～22%，均值10%为主（图2-A），含少量铁白云石，0～35%，均值4.3%、方解石（0～15%，均值1.9%）和白云石（0～20%，均值1.7%）及微量石膏（0～2.0%，均值0.11%）。粘土矿物以伊利石（9%～42%，均值20%）和伊蒙混层（0～43%，均值19%）为主，含少量绿泥石（0～8%，均值1.4%）和高岭石（0～10%，均值3.1%）（图2-B）。长石中以斜长石为主（0～14%，均值 8.3%），钾长石次之（0～1%，均值2.4%）。

Degens等认为海水影响沉积物中的粘土矿物以伊利石为主[17]，淡水影响沉积物中的粘土矿物以高岭石为主。因此，上述芦草沟组页岩中的粘土矿物的组合特征（富伊利石，贫高岭石）可能代表了一种受海水影响或咸化的水体条件。Carroll等和李倩倩基于对准南芦草沟组页岩的研究认为，芦草沟组地层沉积于受海水影响的咸水湖盆中[18-20]。故上述结论与前人研究结果相一致。

3.2 地球化学特征

对比于上地壳常微量元素丰度[1]，芦草沟组页岩较富集P2O5，Ni和Cu；Na2O和Ta较为亏损；其他元素含量与上地壳对应元素丰度相似（图3）[1]。P2O5的富集与芦草沟组沉积期凝灰质火山灰的输入有关[20-21]。Na2O的亏损归因于化学风化过程中母岩中斜长石（Na的主要载体）具低抗风化能力，Na被淋滤而以离子形式随水体流失。芦草沟组页岩中的SiO2/Al2O3比值（4.2～8.0，均值5.5）高于上地壳（4.3）、后太古宙澳大利亚页岩PAAS（3.3）、花岗闪长岩（4.2）和英云闪长岩（3.8），但与花岗岩（5.4）相似（表1），揭示芦草沟组页岩与上述岩石（除花岗岩）相比具更高的石英含量。页岩中大多数元素的含量与上地壳相比相对亏损的原因可能与含更高的石英含量有关（石英起稀释作用）。

相关分析表明，Fe2O3，TiO2，K2O，Be，Cr，Ga，Rb，Zr，Nb，La，Hf，Pb和Th与Al2O3具显著的正相关关系（r=0.68～0.99），揭示这些元素主要以铝硅酸岩的形式存在且主要来源于陆源碎屑的输入；P2O5与CaO具显著正相关关系（r=0.84），揭示P主要存在于磷灰石中；Sr与P2O5和CaO均表现正相关关系（r=0.64，0.76)，说明Sr出现于磷灰石和碳酸岩矿物中，这是因为Sr能够置换磷灰石或方解石晶格中的Ca[22]；MnO（r=0.66）和MgO（r=0.55）与CaO的关系说明Mn和Mg主要出现于碳酸岩矿物中，如铁白云石和白云石。

图2 芦草沟组页岩的矿物组成（A）和黏土矿物组成（B）Fig.2 The mineralogical constituent(A)and clay mineral assemblage(B)for the Lucaogou Formation shales

图3 芦草沟组页岩中常量和微量元素含量及其与上地壳丰度的对比Fig.3 The major and trace elements abundances of the Lucaogou Formation shales,compared with that of Upper Continental Crust

表1 芦草沟组页岩的物源判别指标及与其他参考值的对比Table 1 The indices diagnostic of provenance of Lucaogou Formation shales,in comparsion to other referenced values

4 讨论

4.1 母岩性质

上述芦草沟组页岩中以斜长石为主而钾长石次之的长石矿物组合揭示源区母岩更为富集斜长石，因为斜长石比钾长石更容易遭受风化[23]。一些难溶元素的比值常用以推测母岩性质。Hayashi等提出Al2O3/TiO2比值介于3～8指示基性岩[3]，8～21指示中性岩和21～70为酸性岩。此次研究中，页岩的Al2O3/TiO2比值介于20.7～22.5，均值21.4，揭示页岩的源区母岩以中性-酸性岩为主；页岩的Al2O3/TiO2比值非常接近于英云闪长岩的Al2O3/TiO2比值（21.2），但低于上地壳、花岗岩和花岗闪长岩（表1，图4）[4]，说明源区母岩性质类似于英云闪长岩。芦草沟组页岩的TiO2-Zr图解也说明源区母岩成分极为类似于英云闪长岩（图5）[4]。Floyd等使用TiO2-Ni图解区分了酸性岩和基性岩[24]。此次研究中，所有样品点均落入酸性岩区域，但TiO2和Ni含量均高于上地壳中对应元素丰度（图6）[24]，揭示芦草沟组页岩的源区母岩为酸性岩，但与上地壳相比，含更多的铁镁质组分和更少的长英质组分。

稀土元素的球粒陨石标准化模式是一种有效的源岩判别工具，因为稀土元素的含量主要受控于母岩性质和风化条件的影响，同沉积作用和成岩作用对其影响较小[25]。此次研究中，各样品的稀土元素球粒陨石标准化模式保持一致的分布样式（图7-A）[1,8]，揭示其来源于相似的陆源碎屑和构造背景[26]。稀土元素的分布模式非常类似于上地壳和PAAS（长英质组分）的稀土元素分布模式（图7-B）[1,8]，说明芦草沟组页岩的源区母岩主要为酸性岩。芦草沟组页岩的（La/Yb）N值介于3.7～6.4，均值5.2，说明轻重稀土元素较为分馏；（La/Sm）N值（1.8～3.3，均值为 2.9）和（Gd/Yb）N值（1.0～1.3，均值1.2）说明轻稀土元素相对分馏而重稀土元素无明显分馏。稀土元素的这些值非常接近于英云闪长岩中的值（表1）[1,28-29]，源区母岩性质类似于英云闪长岩。

图4 芦草沟组页岩的Al2O3-TiO2图解Fig.4 The Al2O3versus TiO2diagram of the Lucaogou Formation shales

图5 芦草沟组页岩的TiO2-Zr图解Fig.5 The plot of TiO2versus Zr of the Lucaogou Formation shales

图6 芦草沟组页岩的TiO2-Ni图解Fig.6 The TiO2versus Ni plot for the Lucaogou Formation shales

稀土元素的Eu异常常用以区分铁镁质火成岩和长英质火成岩，铁镁质火成岩中的Eu异常表现为轻微负异常或无异常，而长英质火成岩中的Eu异常表现为负异常[9,27]。芦草沟组页岩的Eu异常介于0.61～0.81，均值为0.70，此值高于上地壳和PAAS的Eu异常（0.66）（表1）[1,28-29]，揭示源区母岩以酸性岩为主，但与上地壳和PAAS成分相比，含更少的长英质组分。

图7 芦草沟组页岩的球粒陨石标准化分布模式（A）和其与上地壳和PAAS及下地壳分布模式对比（B）Fig.7 The chondrite-normalized REEs patterns for the Lucaogou Formation shales(A),in comparison with the upper continental crust(UCC)and post-Archean Australian shale as well as lower continental crust

稀土元素富集于长英质岩石而V，Cr，Co和Ni等富集于铁镁质岩石[9,27]，因此它们的比值可以近似代表长英质和铁镁质组分的相对贡献。此次研究中，La/Cr和Th/Cr值非常接近于英云闪长岩中的值（表1）[1,28-29]，指示源区母岩成分类似于英云闪长岩。

4.2 过量硅

如上所述，芦草沟组页岩母岩成分非常近似于英云闪长岩成分，但SiO2/Al2O3比值明显高于英云闪长岩SiO2/Al2O3比值且与花岗岩近似（表1），说明除碎屑输入以外，其他因素控制着Si的富集（过量硅）。过量硅是指高出平均页岩中碎屑成因的硅，计算公式为:

过量 SiO2=SiO2样品-(SiO2/Al2O3)页岩×Al2O3样品[30]；(SiO2/Al2O3)页岩值来自平均页岩[22]，为3.11。基于上述公式计算可知，芦草沟组页岩中的过量SiO2介于17.7%～48.4%，均值30.1%；过量SiO2占总共SiO2含量的25.9%～61.3%，平均42.3%。尽管碎屑成因的SiO2占主导地位，但过量SiO2也是不可忽略的重要部分。

此次研究认为，过量SiO2最可能来源于生物成因。一些指标，如Al/(Al+Fe+Mn)比值和Si/(Si+Al+Fe)比值常用以 SiO2的成因判断[31]。Al/(Al+Fe+Mn)比值高于0.6和Si/(Si+Al+Fe)比值高于0.9，指示硅的生物成因[31]。芦草沟组页岩的Al/(Al+Fe+Mn)比值介于0.53～0.66，平均为0.61，说明相当部分的SiO2为生物成因；Si/(Si+Al+Fe)比值介于0.72～0.83，平均0.77，此值高于平均页岩（0.67）[22]、北美页岩（0.70）和PAAS（0.66）[1，32]，指示与上述页岩相比，芦草沟组页岩含有更多的生物成因的SiO2。

4.3 源区构造背景

尽管沉积岩的化学组分受母岩性质、风化条件、同沉积作用及成岩作用等多种因素的影响，但一些性质稳定化学组分（如稀土元素，大离子元素Rb，Zr，Y和Yb等）的地球化学特征研究可以推断源区的构造背景[4-7]。

Bhatia提出利用TiO2-(Fe2O3+MgO)图解区分不同构造背景[6]。芦草沟组页岩样品点大多落入大陆岛弧区（图8）[6]，表明源区构造背景主体为大陆岛弧构造背景。Bhatia总结了不同构造环境下砂岩、泥岩的稀土元素特征判别标志（表2）[25]，研究区样品的稀土元素指标La、Ce、∑REE、La/Yb、LREE/HREE、(La/Yb)N和Eu异常值非常接近于大陆岛弧背景下沉积物的对应稀土元素指标值，揭示源区构造背景为大陆岛弧背景。

图8 TiO2-(Fe2O3+MgO)构造判别图解Fig.8 TiO2-(Fe2O3+MgO)tectonic discrimination diagram

Floyd等认为起源于不同构造背景沉积物的上地壳标准化的多元素分布模式提供了区分构造背景的重要信息[33]。在多元素分布模式中，元素包括相对难溶元素（Th-Ta）和易溶元素（Ni-K）且自左向右元素在水体中的滞留时间增加（图9）[1,33]。芦草沟组页岩的上地壳标准化的多元素分布模式表明V，Cr，Ni和Ti表现出正异常；自Ni-K（除P外，P的正异常由火山灰的输入引起），标准化值呈减小趋势（图9）[1,33]。这种分布模式（尤其是自Th-Ba）非常相似于大陆岛弧-活动大陆边缘背景下沉积物的多元素分布模式，指示研究页岩的源区构造背景密切地与大陆岛弧-活动大陆边缘背景有关。

表2 页岩样品均值和不同构造背景沉积盆地砂岩的REE特征比较Table 2 The REE indices of the Lucaogou Formation shales,compared with those of graywackes derived from various tectonic settings

芦草沟组页岩的球粒陨石标准化分布模式（图10-A）[1,25,34]和PAAS标准化分布模式（图10-B）非常相似于大陆岛弧沉积物的分布模式，进一步证实了大陆岛弧的构造背景。

图9 芦草沟组页岩的多元素标准化模式，与大洋岛弧、大陆岛弧+活动大陆边缘和被动大陆边缘沉积物进行比较；上地壳值来自Taylor和McLennanFig.9 Normalized multi-element patterns of the Lucaogou Formation shales compared with OIA(ocean island arc),CAAM(continental arc+active margin)and PM(passive margin)distributionsUCC(upper continental crust)

5 结论

（1）芦草沟组页岩的矿物组成以粘土矿物和石英为主，含少量的长石和碳酸岩矿物；粘土矿物以伊利石和伊蒙混层为主，含少量高岭石。粘土矿物组合揭示芦草沟组页岩形成于受海水影响或咸水环境。

（2）对比上地壳元素丰度，芦草沟组页岩相对富集P2O5，V，Ni和Cu；Na2O和Ta较为亏损；其他元素含量与上地壳对应元素丰度相似。P2O5的富集归因于同沉积凝灰质火山灰的输入。

图10 芦草沟组页岩的球粒陨石标准化分布模式（A）和PAAS标准化分布模式（B），与大洋岛弧、大陆岛弧和活动大陆边缘+构造大陆边缘沉积物的分布模式进行对比；球粒陨石值和PAAS值Fig.10 The Chondrite-normalized and Post-Archean Australian Shale(PAAS)-normalized REEs patterns for the Lucaogou Formation shales,compared with those of OIA(oceanic island arc),CIA(continental island arc),ACM(active continental margin and PM-passive margin).Chondrite and,PAAS values

（3）源区母岩主要为酸性岩，但与上地壳相比，其含更多的铁镁质组分和更少的长英质组分；母岩性质非常类似于英云闪长岩成分。

（4）芦草沟组页岩的SiO2/Al2O3比值明显高于其母岩的对应比值，揭示过量SiO2的存在。过量的SiO2最可能起因于生物成因。

（5）页岩地化参数及构造背景判别图解揭示源区处于大陆岛弧的构造背景之下。