珠江口盆地渐-中新世古气候及物源特征:以阳江东凹为例

于海洋 , 索艳慧 *, 杜晓东, 白海军, 占华旺 , 周 洁 ,李玺瑶 , 王光增 , 刘 泽 , 刘 博 , 郭玲莉 , 李三忠

(1.深海圈层与地球系统教育部前沿科学中心, 海底科学与探测技术教育部重点实验室, 中国海洋大学 海洋地球科学学院, 山东 青岛 266100; 2.青岛海洋科学与技术国家实验室 海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室, 山东 青岛 266100; 3.中海石油(中国)有限公司 深圳分公司, 广东 深圳 518000)

0 引 言

1 区域地质背景

珠江口盆地位于南海北部陆缘(图 1a), 呈NEE-SWW 向展布于南海北部、华南大陆以南、海南岛和台湾岛之间广阔的大陆架和大陆坡区, 面积约1.75×105km2。该盆地为一发育在中生代褶皱基底上的新生代伸展裂陷盆地, 也是中国近海最大的含油气盆地之一。自北向南可划分为北部隆起带、北部坳陷带(包括珠一坳陷和珠三坳陷)、中央隆起带、南部坳陷带(包括珠二坳陷)和南部隆起带等构造单元, 呈现“三隆夹两坳”的构造格局。盆地中断裂主要为NNE-NE 向、NWW-NW 向以及近EW-NEE 向三组(程世秀等, 2012; 李三忠等, 2012a; 王鹏程等,2017), 其中, NNE 向断裂为右行张扭性质, 切割岩石圈; NWW-NW 向断裂为基底左行走滑断裂; 近EW-NEE 向断裂数量众多, 但规模较小, 以铲形正断层为主(图1b)。

阳江东凹是珠三坳陷东北部的一个负向构造单元(图1c), 是在前寒武系花岗岩为主的基底上发育的新生代陆缘拉张型断陷(鲁宝亮等, 2011; 孙晓猛等,2014), 东邻珠一坳陷的恩平凹陷, 南接文昌A 洼, 阳江-一统暗沙断裂从其东北部穿过。其自西向东依次发育阳江24 洼、恩平19 洼、恩平20 洼以及恩平21 洼。

在大地构造位置上, 珠江口盆地阳江东凹处于太平洋构造域与新特提斯构造域的交汇处, 中-新生代长期处于两大汇聚系统的联合作用下, 被俯冲带、走滑断裂、被动大陆边缘等不同类型的边界围限, 具有极为复杂的地球动力学背景和构造演化历史。

2 样品采集和实验方法

本次研究系统采集了珠江口盆地阳江东凹A 钻井岩心中珠海组、珠江组、韩江组砂泥岩样品, 共计37 件。所有样品粗碎后用去离子水清洗, 干燥后压碎至200 目, 然后在高温炉中保持650 ℃恒温2 h,以剔除有机质及沉积物内黏土矿物中的层间水, 再采用 HF+HNO3混合酸处理。主量元素分析采用电感耦合等离子光谱仪(IRIS ADVANTAGE ICP-AES), 微量元素和稀土元素分析采用电感耦合等离子质谱仪PE300D(ICP-MS), 分析误差小于5%。样品处理及测试均在中海油深圳实验中心完成, 测试数据分别见附表 1～3(由于篇幅所限, 具体数据见网络电子版http://www.ddgzyckx.com/)。

3 岩石学特征

珠海组分为上下两段。下段以砂岩为主, 部分地区夹红色或杂色岩层, 上部为砂泥岩互层。在海侵影响下, 珠江组下部普遍发育一套三角洲-滨岸相砂岩, 中上部为大段泥岩夹砂岩。珠海组和珠江组以泥质砂岩为主, 也见砂质泥岩, 可见白云石呈连晶状胶结, 铁方解石含量丰富, 呈胶结、交代颗粒产出, 孔隙不发育或发育差(图2a、b)。韩江组以灰绿色泥岩与砂岩、含砾砂岩互层组成的多个正韵律,泥岩不含钙或微含钙, 砂岩含钙、海绿石和绿泥石,岩石样品以砂质泥岩为主, 也见泥质砂岩、含砾砂岩, 碎屑颗粒以细粒到中粒为主, 分选较差到中等,见底栖有孔虫, 体腔充填海绿石, 并见较多有机质,孔隙不发育(图2c、d)。

4 地球化学特征

4.1 主量元素特征

岩石地球化学结果显示, 研究区样品 SiO2和Al2O3含量普遍较高, 总平均含量分别为70.29%和11.52%。其中 SiO2含量以珠海组最高, 平均值为75.79%; 而珠江组 SiO2含量相对较低, 平均值为66.28%。Al2O3含量以珠江组最高, 平均值为14.02%;而韩江组Al2O3含量相对较低, 平均值为9.62%。韩江组CaO 比较富集, 而珠江组和珠海组相对亏损;MgO 在韩江组、珠江组中亏损较少, 而珠海组中亏损多。与PAAS 相比, 研究区样品富CaO 和SiO2, 贫Al2O3、Fe2O3、K2O、Na2O、MgO、MnO、P2O5、TiO2。SiO2富集的程度较高, 说明研究区母岩以花岗岩等酸性岩浆岩为主; 而亏损Al2O3和K2O 可能与长石、伊利石、高岭石等矿物含量较少有关。Ca一般与碳酸盐岩有关、Mg 则主要存在于基性岩中,说明这3 组地层沉积环境存在差异或母岩性质发生了变化。

4.2 微量元素特征

与PAAS 相比, 珠海组-韩江组样品中微量元素呈大离子亲石元素(Sr、Ba 等)富集, 而Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Rb、Zr、Nb、Hf、Th、U 相对亏损特征。Ba 平均含量为2313.48×10−6, 是PAAS 的3.56倍。过渡元素Cr 含量高于上地壳, 而远远低于下地壳, Cr 通常富集于基性和超基性岩石中, 说明其源区有基性和超基性岩石混入。不相容元素Th 含量高于上地壳, 远远高于下地壳, 由于Th 常富集在中酸性岩石中, 说明源区以中酸性岩石为主。低强场元素Th、U 平均含量略高于上地壳或含量与其相当,远高于下地壳。Sr 元素含量在珠海组-韩江组差异较大, 珠海组Sr 平均含量为118.46×10−6, 低于下地壳(230×10−6), 远低于上地壳(350×10−6); 珠江组Sr 平均含量为237.43×10−6, 高于下地壳, 远低于上地壳;韩江组Sr 平均含量为306.35×10–6, 高于下地壳, 低于上地壳, 也说明珠海组、珠江组、韩江组沉积环境存在一定程度的差异。

图1 珠江口盆地地理位置(a)、构造单元(b, 修改自王鹏程等, 2017)和阳江东凹及邻区构造单元(c)Fig.1 Geographical location (a) and structural units of the Pearl River Mouth Basin (b), and structural units of the eastern Yangjiang Sag and adjacent areas of the Pearl River Mouth Basin (c)

4.3 稀土元素特征

珠海组-韩江组样品稀土元素总量变化较大, 介于(77.54～234.75)×10−6之间, 平均值为164.55× 10−6。其中珠江组稀土元素总量最大, 平均值为189.74×10−6;珠海组次之, 平均值为158.14×10−6; 韩江组稀土元素总量较小, 平均值为140.76×10−6。其中轻稀土元素总量介于(69.26～208.57)×10−6之 , 平均值为146.00×10−6, 重稀土元素总量介于(8.28～26.50)×10−6之间, 平均值为 18.54×10–6, ΣLREE/ΣHREE 值为7.01～9.15, 平均值为7.91。除珠海组B1 和珠江组B25样品外, 其余样品δEu 值介于0.60～0.99 之间, 平均值为0.77, 均小于1, 显示出明显Eu 负异常。在球粒陨石标准化的稀土元素配分图解(图3)中, 除珠海组B1和珠江组B25 样品外, 其余样品表现出相对比较一致的展布特征, 呈明显的轻稀土元素富集, 重稀土元素平坦的“V”型右倾特征, 并伴有Eu 轻度亏损; B1 和B25 样品Eu 呈现出正异常, 可能与镁铁质物源加入有关(Clift et al., 2008; 邵磊等, 2010)。

与传统旅游有所不同，红色旅游与生俱来带着浓厚的政治色彩，导游讲解时，要防止加入低级趣味或者迷信等方面的内容，要带着崇敬之心，认真对待革命历史，要按照严肃性以及严谨性原则，以合理态度对待红色旅游，从而对红色旅游色彩与基调进行保证。

5 讨 论

5.1 物源区特征分析

细碎屑沉积岩的地球化学特征被广泛用于物源属性判别。Hayashi et al. (1997)指出Al2O3/TiO2值在3～8 之间物源可能是铁镁质岩石, 8～21 之间是中性火成岩, 21～70 是长英质岩石。研究区珠海组Al2O3/TiO2值介于19.95～40.95 之间(平均值25.59), 下珠江组Al2O3/TiO2值介于20.49～24.00 之间(平均值21.99),上珠江组Al2O3/TiO2值介于6.03～20.83 之间(平均值16.24), 韩江组Al2O3/TiO2值介于9.44～29.49 之间(平均值19.16), 由此可知, 珠海组-韩江组物源主要为中性火成岩-长英质岩石。

图3 珠江口盆地阳江东凹珠海组-韩江组样品球粒陨石标准化稀土元素配分图解(标准化值来自Taylor and McLenann, 1985)Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns for samples from the Zhuhai and Hanjiang Formations in the eastern Yangjiang Sag

微量元素Cr 和Zr 主要反映铬铁矿和锆石的含量, 其数值可以反映镁铁质与长英质对沉积物的相对贡献(Wronkiewicz and Condie, 1989)。研究区珠海组-韩江组砂泥岩样品Cr/Zr 基本都小于1, 指示物源主要来自长英质岩石。Taylor and McLennan (1985)和Fedo et al. (1997)研究表明, Th/Sc 值也适应于物源属性的判别, 研究区珠海组-韩江组砂泥岩样品Th/Sc 均大于1 或接近1, 也指示物源成分为长英质岩石。

由TiO2-Al2O3判别图解显示, 研究区珠海组-韩江组沉积岩的原始物质主要来源于长英质岩(图4a)。在F2-F1判别图中, 研究区岩石样品主要落在长英质沉积岩物源区, 韩江组有两个样品落在中性火山岩物源区, 有一个样品落在P2-P3-P4 边界上。结合各样品的主量元素特征, 研究区珠海组-韩江组沉积岩的原始物质主要来源于长英质岩(图4b)。

由La/Th-Hf 图解可得, 研究区岩石样品主要落在大陆上地壳的长英质物源区中(图 5a)。在Co/Th-La/Sc 图解中, 珠海组-韩江组岩石样品主要落在长英质火山岩和花岗岩之间, 且靠近长英质火山岩的区域(图5b)。一般来说, 源自上地壳的组分具轻稀土元素(LREE)富集、重稀土元素(HREE)含量稳定和Eu 负异常特征(Taylor and McLennan, 1985)。球粒陨石标准化稀土元素配分图中, 除珠海组B1 和珠江组B25 样品外, 其余样品都呈轻稀土元素富集、重稀土元素相对平坦、明显Eu 负异常特征(图3), 这与上地壳中稀土元素的分布形态几乎一致。结合La/Th-Hf 和Co/Th-La/Sc 图解, 说明研究区珠海组-韩江组沉积岩的原始物质应主要来自长英质组分的上地壳, 并有镁铁质岩石混入。

5.2 构造背景判别

在TiO2-(Fe2O3+MgO)构造背景判别图解中(图6),大部分样品点落在大陆岛弧和主动大陆边缘区域内。

与主量元素相比, 陆源碎屑岩中微量元素和部分稀土元素具有较好的稳定性, 尤其是 La、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, 因此, 陆源碎屑岩的微量元素地球化学特征更适合进行源区类型及其大地构造背景判别(Bhatia and Taylor, 1981; Bhatia and Crook,1986)。在Th-Co-Zr/10 图解中, 除韩江组和珠海组部分样品点, 其余样品点均落在大陆岛弧和主动大陆边缘区域(图7a); Th-Sc-Zr/10 图解中, 除韩江组和珠江组各1 个样品点外, 其余样品点也都落在大陆岛弧和主动大陆边缘区域内(图7b)。

南海北部大陆边缘位于欧亚板块、太平洋板块、印度-澳大利亚板块的汇聚拼合地带, 是太平洋构造域和新特提斯构造域相互作用的核心位置, 受到多个板块的长期联合作用(李三忠等, 2012a, 2012b)。晚中生代-新生代初期, 华南东部安第斯型活动大陆边缘(Suo et al., 2019)可能发生了拆沉, 导致陆缘深部软流圈地幔上涌, 华南大陆东缘岩石圈厚度大幅度减薄、强烈伸展(李思田等, 1998), 从而在中生代造山带基底格局上发育一系列新生代裂谷盆地(由西向东为莺歌海盆地、琼东南盆地、北部湾盆地、珠江口盆地和台西南盆地), 直至在34 Ma 左右陆壳破裂出现洋壳, 南海进入海底扩张阶段, 才形成被动大陆边缘。燕山期(侏罗纪和白垩纪)中国东南部古太平洋板块(依泽奈崎板块)俯冲于欧亚板块之下,形成了主动大陆边缘(Li et al., 2012; Suo et al., 2019),导致大陆岩浆弧和大陆碰撞, 并在福建沿海一带形成大面积A 型花岗岩(黄萱等, 1986; Charvet et al.,1994; Martin et al., 1994; Li, 2000)。综合以上研究显示, 研究区的母岩特征和源区构造背景与中国东南部大面积岩浆岩基本一致。

图4 珠江口盆地阳江东凹珠海组-韩江组样品物源属性判别图Fig.4 Discrimination diagrams of source provenances for samples from the Zhuhai and Hanjiang Formations in the eastern Yangjiang Sag

图5 珠江口盆地阳江东凹珠海组-韩江组样品物源属性判别图Fig.5 Discrimination diagrams of source provenances for samples from the Zhuhai and Hanjiang Formations in the eastern Yangjiang Sag

5.3 古气候指示

化学蚀变指数(CIA)、斜长石蚀变指数(PIA)和化学风化指数(CIW)等作为反映源区物质风化作用强度的地球化学指标, 也被广泛应用于源区物质属性指示的研究中。

Nesbitt and Young (1982)首次提出化学蚀变指数(chemical index of alteration, CIA), 用于判断物源区的化学风化作用强度。当CIA 值介于50～65 之间,反映化学风化程度低, 对应寒冷、干燥的气候条件;CIA 值介于65～85 之间, 反映化学风化程度中等, 对应温暖、湿润的气候条件; CIA 值介于85～100 之间,反映化学风化程度强烈, 对应炎热、潮湿的热带亚热带气候。由于钾交代作用会导致CIA 数值出现偏差,因此需要对其进行校正。用CIAcorr表示岩石未发生钾交代作用的CIA 值, CIAcorr可通过公式进行计算(Panahi et al., 2000):

图6 珠江口盆地阳江东凹珠海组-韩江组碎屑岩源区的TiO2-(Fe2O3+MgO)构造背景判别图(据Bhatia, 1983)Fig.6 TiO2-(Fe2O3+MgO) diagram for clastic rocks from the Zhuhai and Hanjiang Formations in the eastern Yangjiang Sag

图7 珠江口盆地阳江东凹珠海组-韩江组碎屑岩微量元素构造背景判别图Fig.7 Discrimination diagrams for clastic rocks from the Zhuhai and Hanjiang Formations in the eastern Yangjiang Sag

式中: K2Ocorr为未发生钾交代作用的泥质岩中 K2O含量,m表示母岩中K2O 比例(徐小涛和邵龙义,2018)。由该公式得到的CIAcorr数值与CIA 一致(附表1), 说明该CIA 值未受到后期成岩作用过程中钾质交代作用影响。从图8 和附表1 可以看出, 研究区珠海组-韩江组样品CIA 值呈现出一定的规律性,其中珠海组样品为67.89～78.98(平均值75.03), 珠江组下段样品为71.92～77.29(平均值75.08), 珠江组上段样品为59.47～78.59(平均值72.12), 韩江组样品为63.29～75.29(平均值70.76)。可见, 研究区珠海组-韩江组样品源区风化作用强度中等, 对应温暖、湿润的气候条件, 且从早到晚气温降低、降水强度有所减弱。

化学风化指数(CIW)也可用于判断化学风化作用强度(Harnois, 1988)。本次研究剖面中珠海组样品CIW 值为83.60～96.11(平均值92.28), 珠江组下段样品为84.89～93.34(平均值90.07), 珠江组上段样品为 64.96～89.69(平均值 83.02), 韩江组样品为81.76～92.36(平均值84.74)。CIW 特征显示研究区气候温暖湿润, 自下向上古风化作用强度呈现出减小的趋势。

图8 珠江口盆地阳江东凹钻井珠海组-韩江组岩石地层和风化指数CIA、CIW、PIA 变化Fig.8 Litho-stratigraphy and weathering index of the Zhuhai and Hanjiang Formations in the eastern Yangjiang Sag

斜长石蚀变指数(PIA)用于指示斜长石的风化程度(Fedo et al., 1995)。研究结果显示, 珠海组样品的PIA 值为78.66～94.95(平均值89.90), 珠江组下段样品为81.57～91.59(平均值87.69), 珠江组上段样品为61.39～87.99(平均值80.19), 韩江组样品为74.63～89.16(平均值80.86)。PIA 值指示研究区从珠海组到韩江组沉积期古风化作用强度呈现出减小的趋势,对应的温度降低、降水强度也有所减弱, 这与CIA和CIW 两化学指数指示的变化规律相吻合。

Mg/Ca 值在指示古气候变化方面也具有重要意义(Taylor and McLennan, 1985)。但利用Mg/Ca 值判断古气候条件时, 需要考虑钾盐、钠盐是否参与沉淀: 若参与时, 则Mg/Ca 低值以及 K+和 Na+高值指示干热气候; 若不参与, 则Mg/Ca 高值指示干热气候。研究区样品中K2O和Na2O 含量分别为1.88%～2.45%和0.87%～2.00%, 可见K+和 Na+较高, 说明它们参与沉淀, 因此, 潮湿气候对应高Mg/Ca 值,干燥气候对应低Mg/Ca 值。附表1 结果显示, 阳江东凹珠海组样品MgO/CaO 平均值为1.15, 珠江组样品为0.62, 韩江组样品为0.26, 因此其自下向上呈现出减小的趋势, 即珠海组-韩江组自下向上潮湿程度降低, 与CIA、CIW 和PIA 值指示的特征一致。

6 结 论

通过对研究区珠海组-韩江组砂泥岩地球化学分析以及化学指数CIA、CIW、PIA 值等研究, 得到以下新认识:

(1) 珠江口盆地阳江东凹沉积物物源区以长英质岩石为主, 并有镁铁质岩石混入。构造环境判别图解显示其为大陆弧和主动大陆边缘。综合研究表明，其源区岩石特征与中国东南沿海广泛发育的岩浆岩相似。

(2) 古气候指标揭示晚渐新世至中中新世研究区为温暖、湿润的气候条件, 且从早到晚气温降低、降水量减少, 因此自下而上物源区经历的古风化作用强度呈现出减小的趋势。