华北克拉通南缘古-中生代构造转换期的泥岩地球化学特征响应

王艳鹏，杨文涛，祁帅帅

(河南理工大学 资源环境学院，河南 焦作 454000)

0 引 言

晚古生代—早中生代是华北克拉通南缘构造演化的一个重要时期[1-2]，受南北两侧造山带俯冲汇聚的强烈影响，造成盆地沉积和古地理的显著改变，整体由晚古生代的陆表海-海陆过渡相沉积向中生代陆相河湖沉积体系发展[3-5]。现阶段，对这次由海到陆转变的动力学机制，学者普遍认为与南部的秦岭造山带的构造演化密切相关[6]，但对构造转换的起始时间和过程以及沉积响应等都缺乏统一的认识。

豫西宜阳地区作为克拉通内陆拗陷叠合盆地的重要组成部分，其晚古生代—早中生代地层发育完整且连续，是研究华北南缘沉积环境和构造演化的理想区域，且盆地南侧紧邻秦岭造山带，在盆地形成和沉积过程中接受的大量沉积物可能记录了造山带构造运动的细节，是理解秦岭造山带造山过程和华北南缘盆地形成演化的重要窗口。

碎屑沉积岩的地球化学特征保存了良好的源区信息，而泥质岩具有相对于其他沉积岩更好的均质性和低渗透性，不易受到外来流体和杂质的影响，被认为是最适合进行地球化学物源示踪及源区风化作用研究的载体[7-8]。因此，本文以宜阳地区的中二叠统—下三叠统为研究时段，对研究区泥岩样品的主量、微量和稀土元素进行地球化学测试分析，为最终确定沉积物的来源提供地球化学依据，这对揭示华北南缘古-中生代的构造演化过程具有重要意义。

1 地质背景

豫西宜阳地区位于华北克拉通中南部的近边缘地带，隶属于南华北盆地豫西隆起带，在大地构造上处于中国中部中条-太行-吕梁山隆起带和秦岭-大别造山带的结合部位(图1(a))。研究区划属华北地层区豫西地层分区，渑池-确山地层小区。区域地层除缺失寒武系上统至石炭系下统及侏罗系、白垩系外，自元古界熊耳群至新生界第四系均有出露。本次主要对地层出露良好的中二叠统—下三叠统进行分析(图1(b))。

石盒子组的岩性以厚层砂岩、粉砂岩和泥岩为主，多以互层分布，中间夹灰黑色硅质海绵岩及数层煤线或薄煤层，整体为一套三角洲相含煤沉积建造。

孙家沟组根据岩性特征，主要分为平顶山砂岩段和土门段两部分。平顶山砂岩段主要发育厚层中粗粒长石石英砂岩，中间夹杂薄层粉砂岩和泥岩；土门段主要为砂泥岩薄互层，上部发育大量姜状钙质结核和泥灰岩层，整体代表湿润-干旱气候的滨浅湖沉积。刘家沟组以砖红色、暗紫色的细粒岩屑石英砂岩为主，夹薄层钙质粉砂岩和砂质泥岩，部分层位发育砾岩，整个沉积序列呈现下细上粗的反粒序特征，主要发育湖泊三角洲沉积。和尚沟组整体岩性较为单一，以砖红色砂质泥岩、粉砂岩为主，向上泥岩含量逐渐增加，整体以干热气候条件下的滨浅湖沉积为主(图2)。

图1 宜阳地区大地构造位置及地质简图(据文献[9])

图2 宜阳地区中二叠统—下三叠统综合柱状图及地球化学样品采样位置

2 地球化学特征

本次研究所挑选的中二叠统—下三叠统共20块新鲜泥岩样品全部采自宜阳地区李沟-大雨淋剖面，具体的采样位置及样品编号见图2。所有样品的碎样处理，主量、微量和稀土元素测试分析工作均在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。其中，全岩主量元素测试分析利用AxiosmaxX射线荧光光谱仪完成，FeO的测试采用重铬酸钾标准溶液滴定法完成，全岩微量和稀土元素测试利用X-serise2电感耦合等离子体质谱仪完成。宜阳地区中二叠统—下三叠统泥岩样品的主量、微量和稀土元素标准化模式图见图3，测试数据及部分特征指数见表1。

图3 宜阳地区中二叠统—下三叠统泥岩主量元素、微量元素和稀土元素标准化模式图

2.1 主量元素特征

表1 宜阳地区中二叠统—下三叠统泥岩主量元素(10-2)分析结果及特征指数

续表1

注：LREE=w(La)+w(Ce)+w(Pr)+w(Nd)+w(Sm)+w(Eu)，HREE=w(Gd)+w(Tb)+w(Dy)+w(Ho)+w(Er)+w(Tm)+w(Yb)+w(Lu)，∑REE=LREE+HREE；δEu=EuN/(SmN*GdN)1/2，δCe=CeN/(LaN*PrN)1/2；下标N表示元素相对于球粒陨石[11]标准化

2.2 微量元素特征

研究区各组的大离子亲石元素(Cs，Ba，Sr，U，Rb)含量相对于上地壳变化较大，石盒子组的Rb和Ba表现出明显的亏损，U则呈现明显的富集；孙家沟组、刘家沟组与和尚沟组的Ba也表现出轻微亏损，但Cs和Rb则表现出强富集特征，且以孙家沟组平顶山砂岩段的样品富集最为显著。过渡族元素(Ni，Cr，Sc，V)含量大体与上地壳相当，未表现出明显的富集，个别元素如Cr，Ni等表现出不同程度的弱亏损。高场强元素(Ta，Nb，Zr，Hf，Y，Th)表现出相似的分布特征，大体呈现出相比于上地壳平均含量弱富集的特征。

2.3 稀土元素特征

研究区样品的稀土元素配分模式整体均表现出轻稀土元素富集，重稀土元素相对平坦的特点，样品曲线都呈右倾斜式，且都具有明显的Eu负异常。∑REE含量变化较大，但均普遍高于大陆上地壳平均值(148.14×10-6)以及澳大利亚后太古代页岩(PAAS)平均值(184.77×10-6)，反映样品相对富集稀土元素的特征。其中，石盒子组的∑REE平均含量为291.4×10-6，孙家沟组为243.6×10-6，刘家沟组为200.9×10-6，和尚沟组为185.0×10-6，反映地层由下至上∑REE含量逐渐降低的特征。LREE/HREE均值分别为12.42，9.72，11.09和8.87，(w(La)/w(Yb))N样品均值分别为16.95，10.93，13.51和10.57，指示轻重稀土元素分馏明显。δEu整体集中在0.44～0.68，显示铕亏损明显。δCe集中在0.81～1.00，呈现铈轻微亏损的特征。

3 中二叠统—下三叠统物源分析

3.1 源岩属性分析

w(Al2O3)/w(TiO2)被证明是能反映源岩性质的重要主量元素指标。当w(Al2O3)/w(TiO2)小于14时，反映沉积物的母岩可能来源于镁铁质火成岩；19～28时，反映其母岩可能来源于长英质火成岩[12]。宜阳地区泥岩样品的w(Al2O3)/w(TiO2)为17.27～32.30，平均值为23.04，反映研究区泥岩的母岩组成应以长英质火成岩为主。w(Cr)/w(Zr)也可以反映铁镁质岩与长英质岩对碎屑沉积物的影响大小，Cr主要在铬铁矿石内富集，指示镁铁质组分含量，Zr主要在锆石内富集，指示长英质组分含量。宜阳地区泥岩样品的w(Cr)/w(Zr)整体为0.12～0.89，平均0.36，明显小于1，也反映源岩以长英质组分为主。

碎屑沉积岩的部分微量和稀土元素对其母岩具有很强的继承性，且在风化、成岩和变质等各种地质作用中具有良好的稳定性，常常能够用来指示源岩性质及其组分特征。w(La)/w(Yb)-∑REE源岩判别图解[13]显示，样品主要落在沉积岩和花岗岩两种岩性交汇区内，表明其源岩都主要是花岗岩和沉积岩的混合(图4(a))。w(Zr)/w(Sc)和w(Th)/w(Sc)能反映沉积物的成分变化和重矿物富集特征，从w(Zr)/w(Sc)-w(Th)/w(Sc)判别图[14]中可以看出，宜阳地区泥岩样品投点均主要位于上地壳(长英质火山岩)附近，且从石盒子组向和尚沟组w(Zr)/w(Sc)具有逐渐减小的趋势，表明碎屑组分的重矿物富集和沉积再旋回程度逐渐降低(图4(b))。不活泼元素La,Th,Hf等不因搬运和成岩作用而改变，可以用来判定不同构造环境下的物源成分特征，其结果也显示研究区绝大多数泥岩样品主要来自长英质物源区(图4(c))。由w(La)/w(Sc)-w(Co)/w(Th)图解[15]显示(图4(d))，样品投点基本落在长英质火山岩附近和花岗岩之间的区域，且整体呈现由花岗岩向长英质火山岩过渡的趋势，表明泥岩样品在垂向上的化学成熟度逐渐降低。

综合以上分析，宜阳地区中二叠统—下三叠统泥岩样品整体都以上地壳长英质物源为主，源岩性质主要为花岗岩类并伴有古老沉积岩成分的参与。同时，4组样品也存在一些成分特征上的差异，如石盒子组和部分孙家沟组样品表现出与其余各组不同的以更靠近被动大陆边缘的古老沉积物为主的组分特征，且地层由下至上呈现出由靠近花岗岩逐渐向长英质火山岩过渡的趋势，碎屑组分的重矿物富集程度和沉积再旋回程度也在逐渐降低等，指示其化学成熟度在逐渐降低的特征，这可能暗示研究区在垂向演化上具有不同源岩成分的参与。

图4 宜阳地区中二叠统—下三叠统泥岩源岩属性判别图

3.2 源区化学风化特征

物源区母岩中的矿物组分会遭受风化作用的影响，导致不同矿物元素的迁移、富集以及重新组合，记录了古气候环境和构造稳定性的变化历史[16]。其中，化学蚀变指数(CIA)和化学组分变化指数(ICV)是判断样品遭受风化条件影响的最常用指标，能够推断物源区构造和气候的稳定性。

化学蚀变指数(CIA)能够较好地评价物源区母岩中的矿物组分遭受化学风化作用的程度，风化作用强则反映构造活动相对稳定以及温暖潮湿的气候环境[17]。其计算公式为CIA=w(Al2O3)/(w(Al2O3)+w(CaO*)+w(Na2O)+w(K2O))×100，式中主成分均以摩尔分数表示，CaO*仅代表硅酸盐矿物中的CaO含量。S.M.McLennan等[14]提出间接获取硅酸盐矿物中CaO含量的方法：按摩尔比首先排除掉P2O5所消耗的CaO(w(CaO)剩余=w(CaO)-w(P2O5)×10/3)，剩余的CaO摩尔量若大于Na2O的摩尔量，则用Na2O的摩尔量代表硅质碎屑中CaO的摩尔量，反之则认为CaO剩余量代表硅质碎屑中的摩尔量。经过计算，宜阳地区中二叠统石盒子组泥岩CIA计算值最高，为89.59～98.35，平均92.98；孙家沟组为59.6～78.99，平均73.42；刘家沟组为74.4～76.52，平均75.77；和尚沟组为62.28～78.35，平均73.41。可以看出，后3组泥岩样品的CIA计算值相似，指示沉积物经历了中等的化学风化作用，相对于石盒子组强烈而稳定的高达89.59～98.35的CIA值，其余各组的CIA值有所降低，表明其经历的化学风化作用要弱于石盒子组。

3.3 源区构造背景判别

碎屑岩的地球化学组分具有对源岩构造背景的继承性，所揭示的是碎屑岩源岩形成时的构造背景，且相较于主量元素地球化学组分易受风化、成岩等后期作用影响而具有迁移的特性，利用稀土元素和微量元素判别，特别是不活泼的La，Th，Sc，Zr等元素，能更有效地指示物源区地构造背景信息[20]。

M.R.Bhatia等[20]提出的构造背景判别图解，利用各微量元素之间的相关性，能够直观清楚反映出沉积物源岩形成的构造背景。研究区样品的La-Th-Sc，Th-Co-Zr/10，Th-Sc-Zr/10判别图解如图5所示。综合3个判别图解的投点结果发现，本研究区各组样品的源区构造背景总体判定结果表现一致，相互具有很好的对应关系。其中，石盒子组的物源主要由被动大陆边缘提供并有少量大陆岛弧物质参与；孙家沟组样品的物源区表现为被动大陆边缘、大陆岛弧和活动大陆边缘等多种性质复合的构造背景；刘家沟组样品主要来自大陆岛弧和活动大陆边缘的构造背景；和尚沟组也以大陆岛弧和活动大陆边缘为主。同时，沉积物源区的构造背景在时序上由石盒子组的整体呈现由被动大陆边缘为主的构造环境初始向孙家沟组的以被动大陆边缘、大陆岛弧和活动大陆边缘多种性质混合背景的过渡，最后向刘家沟组与和尚沟组的以大陆岛弧和活动大陆边缘为主的构造环境的演变。

A-大洋岛弧；B-大陆岛弧；C-活动大陆边缘；D-被动大陆边缘

3.4 物源区判别

通过宜阳地区中二叠统—下三叠统各组泥岩样品地球化学特征的综合研究，分析了包括源岩属性、源区风化条件和源区构造背景在内的可能蕴含物源区信息。结果表明，研究区在垂向序列上，由底部中二叠统的石盒子组向顶部下三叠统的和尚沟组具有明显的演变趋势，暗示宜阳地区在中二叠世到早三叠世的物源区可能存在转变。

首先，通过地化特征指示石盒子组的源岩主要为上地壳酸性火山岩或花岗岩并伴有古老沉积物成分的参与，源岩经历了强烈的化学风化作用，且经历了显著的沉积再循环，沉积物主要来自被动大陆边缘的构造背景，少量来自大陆岛弧。宜阳地区位于华北克拉通内部，这些来自被动大陆边缘环境中的古老沉积物最有可能由克拉通自身提供[21]。而具大陆岛弧背景的岩浆活动在华北南缘和北缘都有发育，但是宜阳地区在石盒子期的古水流指向基本上都是由北向南[22]，并结合华北地区在石盒子期整体表现出的以河流作用占优势的自北向南进积的三角洲沉积相模式[23]，指示华北盆地在该时期下呈现北高南低的向南倾斜的古地理格局特征[5]，此时南华北盆地北部主要以三角洲体系为主体，而东南部则主要表现为海湾-泻湖的沉积体系[24]。由此，推断石盒子组的物源主要由华北北缘的内蒙古隆起提供。在晚古生代—早中生代，华北北缘形成了400—360 Ma，330—265 Ma以及250—200 Ma 3期明显的岩浆活动[25]，被广泛认为是由于古亚洲洋向华北板块的南向俯冲引起的克拉通活化，华北北缘在该时期成为安第斯型活动大陆边缘，而内蒙古隆起则成为了陆缘弧[26-27]。同时，对晚古生代碎屑锆石年代学的研究结果表明，华北北部内蒙古隆起自晚石炭世开始，就已经产生了隆升和显著的剥蚀，这些剥蚀产物成为华北克拉通内盆地的重要物质来源[5，28]。强烈的隆升使内蒙古隆起带上早先沉积的中元古代—古生代地层被广泛剥蚀，同时大量的花岗片麻质克拉通基底以及具有陆缘弧性质的晚古生代花岗侵入岩和火山岩等也被剥露出来，这些沉积物经过长距离搬运或沉积再循环，成为宜阳地区石盒子组具有被动大陆边缘和大陆岛弧双重性质的主要物源。这个结论也得到了宜阳地区石盒子组碎屑锆石年代学证据的支持[29]，其碎屑锆石展现了与华北中部和北部盆地[5，28]相同的来自内蒙古隆起物源的晚古生代年龄峰值特征。

由孙家沟组平顶山砂岩段开始，指示源区风化作用的CIA值开始降低，而ICV值显著升高的趋势指示沉积物可能开始向构造活动区域的初次沉积转变；源区构造背景既包含被动大陆边缘的特性，又指示向活动大陆边缘过渡的趋势，同时还显示少量大陆岛弧的信息，呈现出多种区域性质综合的特征。前已述及，这些被动大陆边缘并伴有古老成分信息的沉积物可能同石盒子组一样是由华北克拉通基底和古老沉积盖层提供。但是，与下伏的石盒子组含煤地层相比，研究区从孙家沟组平顶山砂岩段的古水流方向产生了明显的转变，由石盒子组以自北向南占绝对优势的古水流方向转为由南自北[30]，暗示孙家沟组的物源区与石盒子组相比产生了改变。综合华北南缘与秦岭造山带的构造演化过程推断，在孙家沟组中新出现的以活动大陆边缘和大陆岛弧为主的沉积物更有可能是来自华北克拉通南缘的贡献。早古生代时期，秦岭造山带的构造演化以商丹洋壳由晚寒武世开始向华北板块的北向俯冲为特征[31]，由此华北板块南缘在晚寒武世—奥陶纪发展成为活动大陆边缘，而北秦岭则记录了大量与俯冲过程相关的火山岛弧和弧前盆地体系，并最终于早中泥盆世完成商丹洋盆和二郎坪弧后盆地的闭合，导致早期的大陆岛弧产生弧-陆碰撞再次拼贴到华北南缘[32]。而勉略洋的孕育、形成和发展是在晚古生代，其向秦岭微板块之下俯冲的时限普遍认为发生在二叠纪到中三叠世之间[32]。受勉略洋壳俯冲的影响，此时的秦岭造山带和华北板块南缘区域被认为仍可能处于活动大陆边缘的构造环境。因此，根据以上分析，华北南缘作为稳定克拉通到活动造山带的过渡区域，能够向位于华北南部的宜阳地区直接提供包含被动大陆边缘、活动大陆边缘以及大陆岛弧等多种性质的沉积物。

刘家沟组与和尚沟组样品的投点相对集中，其主量、微量和稀土元素特征具有较好的继承性，故将这两组放在一起讨论。两组样品源岩成分都以上地壳长英质物源为主，持续升高的ICV值指示物源区的构造活动更加活跃，而源区的构造背景都以大陆岛弧和活动大陆边缘为主。这些特征能够与华北南缘的北秦岭地区内广泛发育的加里东期花岗质岩浆活动很好对应。加里东期的花岗岩体以主要侵入于秦岭岩群、二郎坪岩群为代表，其岩石类型主要有花岗闪长岩、石英闪长岩和二长花岗岩等，地球化学配分模式指示其具大陆弧花岗岩的特征[33-34]。这些岩体都能够为研究区提供大量的以长英质源岩为主的沉积物，且代表着与俯冲碰撞相关的活动大陆边缘和岛弧性质的构造背景。因此，刘家沟组与和尚沟组以趋向大陆岛弧和活动大陆边缘构造背景的长英质源岩可能主要来自北秦岭的秦岭群和二郎坪群花岗侵入岩体的揭露和剥蚀。这个结论也得到宜阳地区晚二叠世—早三叠世的碎屑锆石年代学证据的支持[29]，结果显示自孙家沟组开始，出现了来自北秦岭造山带显著的早古生代和新元古代峰值年龄，而这组年龄在同时期的华北中部和北部地区地层中均未发现，为宜阳地区晚二叠世—早三叠世的沉积物源是来自华北南缘和北秦岭造山带提供了重要证据。

4 对华北南缘构造转换的指示

综上所述，宜阳地区中二叠统石盒子组到下三叠统和尚沟组的沉积和物源区均产生了明显的转变，而这可能与华北南缘与秦岭造山带的构造演化过程有着密切的联系。刘少峰等[35]通过对东秦岭—大别山及邻区的盆山系统演化研究，认为华北南缘和北秦岭地区在晚二叠世可能初始构造隆升，产生逆冲作用。而结合华北南缘地区孙家沟组平顶山砂岩段中古水流指向和沉积相的显著改变[30]，以及来自碎屑锆石年代学资料[29]的支持，认为华北南缘和北秦岭造山带可能是从孙家沟组平顶山砂岩段沉积时期开始，隆升强度加剧并导致了物源区的转变，指示华北南缘在晚二叠世以前北隆南降的背景下产生了新的构造转换过程，北秦岭造山带和华北南缘产生了强烈的隆起和剥蚀，其隆起的克拉通边缘基底和北秦岭造山带花岗岩侵入体的剥露逐渐取代了来自华北北缘内蒙古隆起提供的碎屑物，开始作为新的物源区向华北南部盆地提供大量的混合物源。

5 结 论

(1)宜阳地区中二叠统—下三叠统泥岩源岩整体都以上地壳长英质物源为主，源岩性质主要为花岗岩类并伴有古老沉积岩成分参与。CIA值和ICV值，指示石盒子组的源岩经历了强烈稳定的风化作用，其沉积物可能经历了稳定构造环境下强烈的沉积再循环过程，而孙家沟组、刘家沟组以及和尚沟组经历的风化作用要弱于石盒子组，其沉积物也开始向构造活动区域的初次沉积转变，受沉积再旋回的影响较小，指示源区的构造活动在逐渐增强。

(2)石盒子组源区的构造背景主要以被动大陆边缘为主并具有少量大陆岛弧，孙家沟组指示源区具有被动大陆边缘、大陆岛弧和活动大陆边缘等多种性质复合的构造背景，刘家沟组与和尚沟组都指示物源区以大陆岛弧和活动大陆边缘的构造背景为主。源区的构造背景在垂向上整体呈现由被动大陆边缘为主向活动大陆边缘为主，并最后向以大陆岛弧为主的构造环境演变的趋势。

(3)华北南缘和北秦岭可能从孙家沟组平顶山砂岩段沉积时期开始，隆升加剧并导致了物源区的转变，其隆起的克拉通边缘基底和北秦岭造山带早古生代花岗岩侵入体的剥露逐渐取代来自华北北缘内蒙古隆起提供的碎屑物，开始成为华北南缘宜阳地区的主要碎屑来源。宜阳地区中二叠统—下三叠统显著的地球化学特征差异为华北南缘古-中生代构造转换提供了一定的地球化学依据。