华南新元古代南沱杂砾岩中富钾现象的研究——以贵州松桃南沱组为例

吴忠银，顾尚义

(贵州大学 资源与环境工程学院，贵州 贵阳 550025)

在新元古代出现的全球性冰期事件形成 “雪球地球”[1]。然而，新元古代冰期地球表面是完全被冰覆盖还是在海洋中存在开放的水域，学界仍有较大的争议[2-3]。越来越多的沉积学证据表明，新元古代全球性冰期存在明显的气候波动[2,4-6]。气候波动会被记录在反映源区化学风化程度的同冰期沉积的碎屑沉积岩的矿物组成及化学组成中[2]。研究地质历史时期的气候变化情况最广泛的手段是碎屑沉积岩的化学蚀变指数(chemical index of alteration，简称CIA)[2,7-10]。

Fedo等[7]通过前人对前寒武纪页岩、古土壤等大量的研究，计算其CIA指数，发现在A-CN-K三角图中，钾明显偏向A-K轴，被解释为钾的交代作用，并被广泛引用[11-15]。然而，研究者通过A-CN-K图解释钾交代时，极少提供交代作用的岩石学证据。

华南地区南沱组是新元古代冰期研究最为广泛的地层，作者选择了华南地区一钻孔岩芯中的南沱组进行详细的岩石学和地球化学研究，以期探讨源岩组成对岩石CIA指数的影响，进而揭示南沱冰期岩石组成中钾的富集作用并非成岩过程中钾交代的结果，而是其源区不同岩石组成所致。

1 区域地质概况

研究区位于贵州省松桃县，地处扬子板块中部(图1)[16]。扬子板块和华夏板块在新元古代沿扬子板块东南缘的江南造山带碰撞融合[17-18]，形成Rodinia超大陆的一部分。随后Rodinia超大陆在新元古代晚期发生裂解，在华南形成裂谷盆地，裂谷盆地内形成南华系沉积[19-20]。

区域内南华系包括大塘坡、富禄间冰期沉积和南沱冰期沉积[17]。间冰期大塘坡组主要岩性为页岩、泥岩、粉砂岩[21]。南沱组在内陆棚的厚度为几米到几十米，在盆地环境的厚度可大于2000 m[16-17]。在斜坡和盆地环境中，南沱组与下伏地层大塘坡和富禄组整合接触[22]，与上覆陡山沱组盖帽碳酸盐岩，即3至6 m厚的白云岩也呈整合接触。所采钻孔中南沱组主要为斜坡沉积。

图1 扬子板块南沱期古地理图(据Jiang等2011修改)Fig.1 Paleogeographic map of the nantuo formation in the yangtze block (modified from Jiang et al., 2011)

2 采样与分析方法

以大塘坡组为底，陡山沱组为顶，编录岩芯260 m，详细观察岩芯的岩性和沉积构造特征变化情况。岩性变化和构造特征显著岩芯段，用劈芯法进行采样，分别磨制薄片和进行化学分析。该段南沱组厚245.5 m，自上而下采集16个样品。化学分析样品不取全岩，用合金钻头电钻钻取杂砾岩的细粒组分，在采样位置钻取时，尽可能浅而多。钻取的粉末用玛瑙研钵研磨到小于200目后，分别送至广州澳实矿物实验室做主量元素分析和贵州星月测试科技有限公司做微量元素分析。主量元素采用X射线荧光光谱仪熔融法分析，微量元素采用ICP-MS法分析。

3 岩石学特征

3.1 结构特征

钻孔102(ZK102)岩芯814.8～1060.3 m为南沱组，共245.5 m。南沱组与下伏地层顶部灰至深灰色粉砂质泥岩呈过渡关系，以砾石的出现作为南沱组的底。下伏地层含黑色炭质页岩夹灰黑色、钢灰色条带状菱锰矿，确定为大塘坡组。上覆地层为灰色、灰白色白云岩，厚约2.40 m，确定为陡山沱组底部“盖帽白云岩”。岩芯连续完整，除采取岩芯时造成的岩芯破碎外，岩芯中未发现构造破碎带(图2)。岩性以杂砾岩、砂岩为主，含少量粉砂质泥岩、泥质粉砂岩，下部夹一层薄层白云岩。简述如下：

图2 钻孔102岩芯照片Fig.2 Photographs showing sedimentology of Nantuo Formation

粉砂岩：深灰色粉砂岩，在南沱组中出现两段，第二段中含有少量砾石，砾石含量小于5%，以石英为主，砾石颗粒较大，粒径大于7 mm，有粒径大于50 mm，部分发育同生沉积构造层理。共12.0 m，约占南沱组4.9%。

杂砾岩：灰色-深灰色，砾石含量在3%～35%之间，主要含量为30%左右。砾石以石英、浅变质岩、长石等为主，有少量碳酸盐岩和花岗岩，细粒组分为砂岩，与陡山沱组相接约有7 m为粉砂质泥岩；底部砾石以“孤石”形式存在于砂岩中；分选较差，2～40 mm，偶见大于50 mm砾石，分布不均一，呈次圆状、次棱角状、棱角状、“熨斗状”。砾石含量较少，较小部分沉积构造发育，有扭曲层理、包卷层理(图2(c)、(d)、(e))。约187.5 m，占南沱组76.3%左右。

砂岩：灰色至浅灰色砂岩，岩芯中很少存在不含砾石的砂岩。6 m，占南沱组2.4%左右。

白云岩：灰白色细晶白云岩，晶洞较为发育，下部有裂隙被方解石脉充填，2.5 m，占南沱组1.0%左右。

泥质粉砂岩：灰白色泥质粉砂岩，该段南沱组中出现三段，部分有裂隙被方解石脉充填，37.5 m，占南沱组不到15.3%。

3.2 矿物学特征

岩芯薄片中砾石成分主要为长石和石英，填隙物主要矿物为石英，还含有数量不等的钾长石和斜长石。光学显微镜下主要呈碎屑结构，碎屑颗粒有石英，钾长石、斜长石和伊利石。钾长石以条纹长石多见，风化较弱，呈次圆状和次棱角状(图3)，沿解理及边缘见伊利石化现象(图3(b)，(d))；斜长石聚片双晶发育(图3(c)、(d))，呈次棱角状，多风化较严重，部分斜长石完全绢云母化(图3(e)、(f))；少量斜长石表面平整，风化弱。

注：Qtz—石英；Kfs—钾长石；Pl—斜长石；It—伊利石；Ser—绢云母图3 松桃南沱组正交偏光镜下照片Fig.3 Photomicrographs of Nantuo Formation from Songtao in the crossed polarizer

3.3 地球化学特征

16件样品的硅酸盐全分析结果如表1。样品主要成分为SiO2，其含量60.89%～73.60%；其次为Al2O3，Al2O3含量11.64%～19.08%；其中K2O含量为2.23%～4.40%；Na2O含量为0.77%～2.92%；TFe2O3含量为3.12%～7.71%；除了ST-21、ST-22、ST-24，其他样品K2O/Na2O均大于1。MgO、CaO，其总含量4.34%～11.43%；含量较少的元素TiO2、P2O5、MnO，其含量总和不足1%，均与上地壳大陆含量相差不大。不同样品含量变化不明显。

表1 钻孔102南沱组主量元素组成(%)Tab.1 Major element compositions (%) of Nantuo Formation of 102 Drill Core

运用CIA指数[23]来表示化学风化程度，计算公式如下：

其中CaO*为硅酸盐矿物中的CaO成分，由于未分析样品中的CO2含量，CaO*按照McLennan方法计算[24]。样品CIA值范围在58～72之间，平均为65。将样品的组成用Al2O3，CaO*+Na2O，K2O组成图(A-CN-K三角图)反映可知，样品的风化趋势和现代风化剖面趋势并不吻合，现代风化剖面的风化趋势是平行于A-CN轴，而样品所展现的风化趋势偏向K端(图4)，即Fedo等[7]研究前寒武系样品时指出的钾交代。

4 讨论

样品薄片中发现大量风化较弱的钾长石和斜长石，部分斜长石表面光滑(图3(c))及少部分钾长石沿边缘及解理裂隙风化、蚀变成伊利石(图3(b)、(d))。大部分斜长石风化蚀变成伊利石，未见进一步的风化产物高岭石等粘土矿物。结合南沱期所处的冰期环境，作者认为，此时的化学风化作用整体较弱。

注：Ka—高岭石，Gi—三水铝石；Chl—绿泥石；Sm—蒙脱石；It—伊利石；Pl—斜长石；Kfs—钾长石图4 南沱组A-CN-K三角图Fig.4 Trilateral proportions of molar Al2O3, CaO+Na2O and K2O in samples from the Nantuo Formation

薄片中未发现成岩钾交代现象。钾交代最常见的是钾长石颗粒状结构在斜长石颗粒的外部区域形成，并围绕斜长石颗粒向中心交代，原始斜长石颗粒被钾长石取代，钾长石颗粒逐渐增大；少数情况下交代从斜长石颗粒边缘和沿裂缝开始，向斜长石内部进行交代[25]。薄片中发现较多细小斜长石碎屑发生伊利石化(图3(b)，(d)，(e))。未发现斜长石钾长石化和高岭石伊利石化的证据，因此，认为样品中即使存在成岩钾交代现象，其比例也较小。

样品的CIA值不仅受源区气候条件的限制，还受源区岩石的组成、搬运过程的分选、沉积物的再循环、沉积环境、沉积后的成岩作用等因素影响。成岩作用的影响主要指钾交代，表现在A-CN-K图上，不只是成岩钾交代会导致风化趋势偏离正常的A-CN轴，不同源区岩石的混合同样也会导致这一趋势发生。研究区位于斜坡相，前述岩芯中的岩石组合变化、沉积构造等特征均表明南沱组不同层位源岩可能会有差异。

为进一步证明此观点，引入另一个反映岩石源区化学风化的指标Parker风化指数[26](Weathering Index of Parker，简称WIP)。其计算公式如下(均为摩尔数)：

化学风化越强烈，则计算得到的CIA值越高，WIP值越低；而化学风化越弱，计算得出的CIA值越低，WIP值越高。因此，若源区风化岩石组成一致，样品计算的CIA值与WIP值应该呈负相关关系。作出研究岩芯中的16个样品CIA值与WIP值关系图(图5(a))，从图中可以看出，二者无显著负相关关系，说明16个样品的源岩复杂。为反映样品与预测风化趋势之间的偏离程度，图中标出大陆上地壳(UCC)与太古代后澳大利亚页岩(PAAS)。Gashnig等[27]研究表明，冰期杂砾岩的细粒基质组份能有效地反映当时大陆上地壳组成，而PAAS组成则反映了UCC风化结果[28]。因此，研究的冰期岩石风化应接近于沿图中UCC和PAAS的连线分布。然而，研究样品散点却分布散乱(如图5(a))。

图5 风化指数与物质循环的影响Fig.5 Influence of recycling assessed with chemical indices

与CIA不同的是，WIP分析的是沉积物或沉积岩中Na，K，Mg和Ca的绝对含量，受石英含量的影响显著。前已述及，研究的南沱组杂砾岩中的砾石成分中有变质岩和沉积碎屑岩，因此，如果由于源区岩石混合使矿物中SiO2含量增加导致WIP指数发生变化，因硅酸岩分析的总量为100%，SiO2含量增加，其他矿物(CaO、Na2O、K2O、MgO)含量相对减少，那么WIP值与样品中的SiO2含量应该呈负相关关系。研究样品SiO2与WIP呈显著的负相关关系(如图5(b))，进一步说明研究区南沱组源岩不一致。故不同源区岩石混合是造成研究区南沱组CIA值变化的主要原因，源区富含钾长石和伊利石岩石被冰川搬运混合后形成的杂砾岩中，在冰期气候条件下较弱的风化作用导致了岩石中钾的富集。由于风化作用主要受气候影响，在冰期阶段，整个华南地区气候条件相差不大，所以其南沱组地层在南沱冰期受弱风化作用。

5 结论

(1)岩性组合及沉积构造反映南沱冰期冰川动态变化的特点；

(2)研究南沱组化学蚀变指数(CIA)主要受源区控制，不能作为反映源区化学风化作用及气候变化的可靠指标；

(3)矿物学和地球化学研究共同表明华南地区南沱组中钾的富集并非成岩钾交代引起，而是钾长石和伊利石等富钾矿物在冰期气候条件下风化作用较弱导致。