兴城地区常州沟组沉积物源及其构造背景分析

修铭，高福红，贾啸宇，龚辉

吉林大学 地球科学学院，长春 130061

0 引言

兴城地区位于辽宁西部，大地构造位置上处于华北板块北部燕山台褶带东段，先后经历了华北板块基底形成阶段、华北板块盖层发展阶段和大陆板内变形活化阶段。区域构造活动频繁且强烈，常见北北西、北北东和近南北向的韧性断裂构造，呈多方向、多期次特点[1]。兴城地区地层出露集中且相对完整，其中普遍发育有太古宙绥中花岗岩，中新元古界的长城系、蓟县系以及青白口系等古老地层，也出露有古生界，中生界和新生界较为年轻的地层单元。

兴城地区较系统的区域地质研究工作开始于20世纪50～60年代，辽宁省地质局于1966—1967年和1998—2003年先后完成了1∶20万区域地质调查和1∶5万矿产地质调查工作，对本地区的地质概况有所总结。李怀坤等[2]曾对北京密云地区的花岗斑岩岩脉进行研究，该岩脉顶部被常州沟组含砾砂岩不整合覆盖，经LA-MC-ICPMS进行锆石U-Pb年代学研究，判定常州沟组的形成时代要晚于(1 637±10)Ma。和政军等[3]在常州沟组下部环斑花岗岩风化壳的碎屑锆石测年中获得的结果与李怀坤等基本一致，据此推断常州沟组底界年龄为1 650 Ma，为兴城地区常州沟组的研究提供一定依据。近年来，陆续有学者在该地区开展了岩石学研究和地球化学研究[4-6]，但主要集中在利用同位素年代学对地层形成时代的约束，关于区内中元古界长城系常州沟组的沉积环境及物源区构造背景等关键性问题仍认识不清，研究不够深入。本文采用在野外地质调查的基础上开展室内研究的思路，通过岩石学研究奠定研究基础，进行样品镜下分析，查明粒度、碎屑组分等，为后续室内研究提供基础岩石学依据；通过地球化学研究提供技术分析，在前期已经开展的常州沟组岩石学研究的基础上，进一步对所采集的岩石样本进行地球化学特征分析，主要包括主量元素、微量元素、稀土元素等内容，分析结果可用于揭示该地层岩石物源的风化程度、物源组成等方面内容，也为研究该地区构造背景提供判断依据。

1 地质背景

在区域大地构造位置上，兴城地区处于华北板块(华北地台)北部燕山台褶带东段，其东南部为华北断坳(新生代渤海湾盆地)，北部为内蒙地轴[7-8](图1)。燕山地台褶带基底是由太古宇建平(岩)群和片麻状绥中花岗岩两套岩石组成。由于中、新元古代大陆裂谷的影响，形成强烈沉降区，即燕山裂陷槽，沉积了厚度巨大的燕山型中、新元古界地层；古生界底层有典型华北型沉积特点；中生代受到环太平洋构造带活动叠加改造，印支运动、燕山运动的强烈作用使北东、北北东向断裂发育，形成一系列北东、北北东向隆起与中、小型断陷盆地相间排列的构造格局，断陷盆地内发育陆相火山-沉积岩系[9-11]。新生代燕山地区以隆升剥蚀为主，其南部则发育大陆裂谷盆地。

1.绥中花岗岩;2.中侏罗世花岗岩;3.侏罗纪盆地;4.早白垩世盆地;5.向斜;6.背斜;7.角度不整合;8.正断层;9.逆断层;10.剖面位置。图1 研究区地质简图Fig.1 Geological sketch map of study area

研究区中新元古代地层出露较多，主要包括常州沟组、串岭沟组、团山子组、大红峪组和高于庄组。其中，常州沟组多出露于葫芦岛、月亮山、团山子和夹山等地，与下伏的太古代绥中花岗岩不整合接触。本文选择的常州沟组岩石样品主要集中在兴城地区夹山西剖面(图2a)，经实地踏勘，野外露头可见常州沟组地层底部与绥中花岗岩呈不整合接触关系(图2b)，这一地层接触特征与蓟县常州沟组角度不整合于太古宙迁西群片麻岩之上的宏观岩石特征吻合[12]，存在明显粒序层理(图2c)，并可见层理变形尖灭等地质特征(图2d)。

a.夹山西采样点；b.与绥中花岗岩沉积接触；c.粒序层理；d.层理变形尖灭。图2 研究区夹山公路西常州沟组野外露头照片Fig.2 Outcrop of Changzhougou Formation in study area

2 研究内容

2.1 岩石学特征

对所采集的常州沟组砂岩样品进行薄片磨制,通过镜下颗粒成分统计分析可知，研究区常州沟组地层砂岩主要由石英、长石和岩屑所组成(表1)。

表1 研究区常州沟组砂岩颗粒成分统计表Table 1 Content of sandstones from Changzhougou Formation in study area

其中，石英含量最高，约为59%，且单晶石英多于多晶石英，镜下可见因胶结作用产生的次生加大边结构(图3a)；长石含量次之，约为34%，主要为碱性长石和斜长石，颗粒界限明显，通过镜下观察，可见蚀变作用形成的绢云母化现象(图3b)；岩屑含量最少，约为7%，主要为沉积硅质岩屑。根据常州沟组地层砂岩各组分的含量，在QFL三角图[13]上进行投图，得到研究区常州沟组砂岩QFL三角图(图4)，可见常州沟组砂岩主要由长石石英砂岩和长石砂岩组成。

a.石英的次生加大边结构(正交偏光40×10)；b.长石绢云母化(正交偏光40×10)。图3 研究区常州沟组砂岩样品镜下显微特征Fig.3 Microscopic characteristics of sandstones from Changzhougou Formation in study area

Ⅰ.石英砂岩;Ⅱ.长石石英砂岩;Ⅲ.岩屑石英砂岩;Ⅳ.长石砂岩;Ⅴ.岩屑长石砂岩;Ⅵ.长石岩屑砂岩; Ⅶ.岩屑砂岩。图4 研究区常州沟组砂岩QFR三角图Fig.4 Q--F--R triangular diagram of sandstones from Changzhougou Formation in study area

2.2 地球化学特征

在研究常州沟组岩石学特征的基础上，为进一步了解常州沟组物源及其构造背景，笔者对常州沟组岩石开展了地球化学研究，在厘清常州沟组物源区特征、风化程度、构造演化等方面寻求地球化学方面的支撑。将样品主量元素、微量元素等数据进行统计分析，得到研究区常州沟组16xchc样品主量元素和微量元素分析表(表2)。

表2 研究区常州沟组16xchc样品主量元素和微量元素分析结果Table 2 Major and trace element data of sample 16xchc from Changzhougou Formation in study area

2.2.1 主量元素

据表2可知，研究区样品w(SiO2)变化范围为52.89%～78.90%，平均为62.23%；w(Al2O3)变化范围为8.13%～21.81%，平均为16.52%；w(CaO)变化范围较小，平均为0.02%；w(Na2O)变化范围为0.09%～0.15%，平均为0.12%；w(K2O)变化范围为6.57%～10.20%，平均为8.64%，在粉砂岩中含量更高；w(TFe2O3+MgO)为5.65%～11.35%，平均值为9.16%，证明样品中存在一定的铁镁组分，且粉砂岩样品中的铁镁组分含量明显高于细粒砂岩中铁镁组分含量。用Al2O3/(CaO+Na2O)比值判断样品中稳定组分和不稳定组分的相对含量，所测样品该比值平均为110.3，表明其不稳定组分相对含量较少。研究沉积岩地球化学特征时，通常进行澳大利亚后太古代页岩(PAAS)标准化对比分析[14]，以PAAS数据对样品的主量元素进行标准化处理后得到蛛网图(图5)，K2O质量分数相对富集，MnO和 Na2O 质量分数相对略微亏损，CaO质量分数相对亏损，SiO2、Al2O3和TFe2O3质量分数与PAAS数据相对保持一致。

图5 研究区常州沟组16xchc样品主量元素蛛网图Fig.5 Spider diagram for major elements of 16xchc samples from Changzhougou Formation in study area

CaO为碳酸盐中的CaO，即全岩中的CaO扣除掉化学沉积CaO的摩尔分数[15]。下角标N代表球粒陨石标准化值。

2.2.2 微量元素

据表2可知，研究区样品微量元素变化范围较大，w(Sc)为3.3%～17.4%，平均为11.94%；w(V)为18%～103%，平均值为66.83%；w(Sr)为67.6%～334%，平均值为66.83%；w(Th)为3.02%～21.9%，平均值为11.25%。对样品微量元素进行PAAS标准化处理后得到蛛网图(图6)，Rb质量分数相对富集，Cr、Ba、Sr和Th质量分数相对略微亏损，V质量分数相对亏损，Y质量分数与PAAS数据相对保持一致。

图6 研究区常州沟组16xchc样品微量元素蛛网图Fig.6 Spider diagram for trace elements of 16xchc samples from Changzhougou Formation in study area

2.2.3 稀土元素

由表2可知，常州沟组样品稀土元素总量较高，∑REE为(218.84～399.63)×10-6μg/g，平均值为287.17×10-6μg/g，高于PAAS(183.00×10-6μg/g)；轻稀土元素富集，∑LREE为(204.01～378.91)×10-6μg/g，平均值为269.19×10-6μg/g；重稀土元素相对稳定，∑HREE为(11.48～24.72)×10-6μg/g，平均值为17.98×10-6μg/g；LREE/HREE为10.86～19.39，平均值为15.25；La/Yb值较高，为20.34～49.47，平均值为32.67。

对样品稀土元素分别进行球粒陨石数据[16]和PAAS数据标准化处理可得到稀土元素球粒陨石标准化曲线(图7)和PAAS标准化曲线(图8)。常州沟组样品球粒陨石标准化配分曲线呈现右倾趋势，且Eu负异常明显，重稀土元素分异较小，呈直线分布；常州沟组样品PAAS标准化配分曲线为PAAS型模式。

图7 研究区常州沟组16xchc样品稀土元素球粒陨石标准化曲线Fig.7 Chondrite-normalized REE patterns of sample 16xchc samples from Changzhougou Formation in study area

图8 研究区常州沟组16xchc样品稀土元素PAAS标准化曲线Fig.8 PAAS-normalized REE patterns of 16xchc samples from Changzhougou Formation in study area

3 讨论

3.1 源区风化特征

在岩石的风化过程中，由于元素离子特性不同，有的被保存下来呈富集状态(如Al3+、Ti4+等)，有的会流失形成亏损(如K+、Ca2+等)，因此可以运用碎屑沉积物的地球化学指数来研究源岩的风化强度和蚀变程度等，从而分析物源区的风化特征[17]。常用的化学指数有CIA、ICV等。

Nesbitt et al.[18]提出用化学变异指数(CIA)来定量化分析硅酸盐矿物风化程度的方法。CIA的计算公式为：

CIA=[(Al2O3)/(CaO*+Na2O+K2O+Al2O3)]×100

(1)

式中:氧化物是以克分子含量形式表示,CaO*只是硅酸盐矿物中的CaO,而磷酸盐和碳酸盐矿物中的CaO除外。由此可得研究区常州沟组地层CIA值为54.86～69.39，平均值为63.74，说明物源区物质经历了中等程度的化学风化作用。

Cox et al.[19]提出用成分变异指数(ICV)来定量反应沉积物的成分成熟度。成分成熟度低的碎屑岩含有较高比例的非黏土硅酸盐矿物，ICV值表现较高[20]；而含有较多黏土矿物的碎屑岩，其ICV值表现较低。ICV的计算公式为：

ICV=(Fe2O3+K2O+Na2O+CaO+MgO+TiO2)/Al2O3

(2)

由ICV-CIA图(图9)，结合表2可知，研究区常州沟组地层CIA值为54.86～69.39，平均值为63.74；研究区常州沟组地层ICV值为0.75～1.34，平均值为0.97，说明该地层经历了中等风化作用，物源区物质相对成熟，呈近缘堆积特征。

图9 研究区常州沟组砂岩ICV--CIA图解Fig.9 ICA versus CIA diagram of sandstones from Changzhougou Formation in study area

Th/U值和Rb/Sr值会在化学风化和成岩作用的影响下显著升高，利用这一特性，研究化学风化趋势和沉积循环特征时，也可以从研究Th/U值和Rb/Sr值的变化入手[21-22]。据表2可知，常州沟组地层砂岩样品Th/U值为2.35～6.48，平均值为4.28，接近PAAS值(4.97)，且均略高于上地壳平均值(3.80)；常州沟组砂岩样品Rb/Sr值为1.32～6.32，平均值为2.79。Th/U值和Rb/Sr值特征均指示常州沟组物源区物质经历了较弱的化学风化作用和一个相对简单的沉积演化过程。这一结论与研究区常州沟组砂岩ICV-CIA图解分析出的结果一致。

3.2 沉积分选与再循环

Zr、Th、Sc等元素受沉积物搬运、分选、沉积环境及成岩作用等因素影响较小，随着沉积物分选和再循环的进行，富含此类元素的重矿物发生富集，因此可以利用相关元素的比值如Zr/Sc，Th/Sc等来分析源岩信息[23-24]。锆石是元素Zr的主要富集矿物，且稳定性较高，会随着沉积再循环作用而富集于沉积物中[25]。元素Th一般赋存于酸性岩中，元素Sc更多赋存于基性岩中，Th/Sc值在沉积再循环的过程中不发生改变[26]。因此，可用Zr/Sc衡量沉积物分选程度和重矿物富集程度，Th/Sc来分析沉积物的成分变化[27]。从Zr/Sc-Th/Sc图解(图10)可知：常州沟组地层中的砂岩集中于UCC附近，说明其成分接近于大陆地壳的平均成分，且相对单一，这也从侧面说明其物源区为一个构造背景相对稳定的地区，多为被动陆缘的物质。

图10 研究区常州沟组地层砂岩(Zr/Sc)--(Th/Sc)图解Fig.10 Zr/Sc versus Th/Sc diagram of sandstones from Changzhougou Formation in study area

3.3 物源母岩类型

由于稀土元素在地球化学过程中的分异作用与特征，可以用稀土元素来指示物源信息。一般情况下，Sc、Ni、Cr和Co等元素倾向于在基性岩石中富集[28]，而La、Th、Hf、Zr以及稀土元素倾向于赋存在酸性岩石中[29]。结合表2可知，常州沟组砂岩呈La和REE富集，说明其原岩多为酸性岩石；∑REE-La/Yb图解[30](图11)中可知：常州沟组地层砂岩样品的源岩可能是沉积岩和花岗岩混合体。

图11 研究区常州沟组地层砂岩REE--La/Yb图解Fig.11 REE versus La/Yb diagram of sandstones from Changzhougou Formation in study area

3.4 源区构造背景

3.4.1 岩石学证据

砂岩中碎屑颗粒受成岩作用影响较小，因此砂岩碎屑成分常被用来分析物源区和大地构造背景。图12为常州沟组砂岩迪金森三角图解，由图可以看出几乎所有常州沟组砂岩的物源组分都落在了陆块物源区，且成熟度和稳定性为中等到好，指示其构造背景相对稳定。

图12 研究区常州沟组砂岩迪金森判别图解Fig.12 Dickinson tectonic discrimination diagrams of sandstones from Changzhougou Formation in study area

3.4.2 主量元素证据

大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘是几种典型的构造环境[31]。沉积物构造环境可以依据主量元素含量及其比值的变化进行判别。根据主量元素的物源区构造背景的判别图解[32-33](图13)，在(MgO+Fe2O3)-TiO2、(MgO+Fe2O3)-(Al2O3/SiO2)和SiO2-(K2O+Na2O)图解中，可以清晰地看到砂岩样品大都投在了大陆岛弧区域。同时，结合化学蚀变指数和成分变异指数可以对物源区岩石进行判断，从一定程度上来揭示其构造背景。由ICV-CIA图(图9)可知，常州沟组砂岩经历了中等程度的风化作用， ICV值大多<1，有少量样品>1，说明陆缘碎屑岩源区比较成熟，且源区含大量黏土矿物，说明其是一个被动环境下的沉积再循环，物源区构造背景相对稳定。

a.大洋岛弧； b.大陆岛弧； c.活动陆缘； d.被动陆缘。图13 研究区常州沟组地层砂岩主量元素物源构造背景判别图解Fig.13 Provenance discriminate diagrams for major elements of sandstones from Changzhougou Formation in study area

3.4.3 微量元素和稀土元素证据

稀土元素和微量元素在沉积岩成岩过程中比较稳定且最难溶解，因此可以较好地反映源区特征。不同构造环境下的碎屑岩有不同的微量元素和稀土元素含量特征，活动大陆边缘与被动大陆边缘的碎屑沉积物的微量元素和稀土元素特征表现为：La、Ce、Th、U、Hf、REE含量及LaN/YbN比值高，Eu/Eu*降低；逐步过渡到大陆岛弧碎屑岩再到大洋岛弧碎屑岩，La、Ce、Th、U、Hf、REE含量及LaN/YbN比值逐渐降低，Eu/Eu*升高。

在微量元素Th-Sc-(Zr/10)图解(图14a)中常州沟组砂岩样品投点基本落在大陆岛弧区域，在 La-Th-Sc图解(图14b)中，常州沟组砂岩样品投点基本落在被动大陆边缘区域，与常州沟组砂岩样品稀土元素表现出的轻微Eu负异常、较高的稀土元素总量、高LaN/YbN比值等地化特征相吻合。结合常州沟组砂岩样品(Zr/Sc)-(Th/Sc)图解(图10)、∑REE-(La/Yb)图解(图11)等，常州沟组地层中的砂岩集中于UCC附近，说明其成分接近于大陆地壳的平均成分，多为被动陆缘的物质，源岩可能为沉积岩和花岗岩混合体，与来自被动大陆边缘构造背景的沉积物的特征相似，这也从侧面说明其物源区为一个构造背景相对稳定的地区。

a.大洋岛弧; b.大陆岛弧; c.活动大陆边缘; d.被动大陆边缘。图14 研究区常州沟组砂岩微量元素构造环境构造判别图解Fig.14 Tectonic setting discriminate diagrams for trace elements of sandstones from Changzhougou Formation in study area

4 结论

(1)研究区常州沟组地层主要岩石类型为长石砂岩和长石石英砂岩等，可见明显的粒序层理等地质特征。

(2)通过对主量元素和微量元素等地化参数的分析可知，研究区常州沟组岩石样品物源多来自于相对成熟的酸性岩石，以沉积岩和花岗岩为主，经历中等偏弱的风化作用，沉积物源区较为成熟，为被动环境下的沉积再循环。

(3)研究区常州沟组源区沉积构造背景相对比较稳定，最有可能的构造背景为被动大陆边缘。