辽北地区南华系地球化学特征及其对沉积环境的制约

张林，曹煜昊, ，阮昕，徐耸，卢崇海

（1.辽宁省矿产勘查院有限责任公司，辽宁 沈阳 110031；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819）

0 引言

南华系（成冰系）由全国地层委员会于2001年正式提出（全国地层委员会，2001，2002），代表地球历史上一个寒冷的气候时期，以冰川活动的广泛出现为其特征（高振家和陈克强，2003）。随着研究的深入，对于南华系的内涵及底界（GSSP）的选取等问题取得了越来越多的共识，但对于南华系底界年限和中国北方是否存在南华系冰期地层等问题一直存在很大的争议（王东方和林蔚兴，1988；曲洪祥等，2011；尹崇玉和高林志，2013；田德欣等，2018；卢崇海等，2018），卢崇海等（2018）、曹煜昊等（2020）通过系统的研究，初步在辽北地区确定了两期冰碛作用阶段，肯定了辽宁北方南华系的存在，并将新元古代原殷屯组岩石地层单位重新划分，但该研究区域新划的南华系岩石地层碎屑沉积岩缺少系统的地球化学研究分析，本次通过新划的南华系岩石地层碎屑沉积岩的地球化学研究，对辽北地区南华系该地层岩石的形成时气候的指示、物源区组成特征和形成的构造环境进行了系统讨论。

1 区域地质概况及采样

研究区位于辽宁省北部铁岭殷屯—陈千户一带，华北陆块（Ⅱ），辽东新元古代坳陷带（Ⅲ），龙岗隆起（Ⅳ），汎河中新元古代裂陷盆地（Ⅴ）中。地层分区属华北地层大区，辽东地层分区，汎河地层小区。研究区内涉及的岩石地层单位有：中元古界蓟县系，新元古界青白口系、南华系，及中生代侏罗系、白垩系等。构造有北东向、北西向和近东西向；侵入岩主要有新太古代、中元古代和中生代脉岩。卢崇海等（2018）将该区出露的原震旦系殷屯组进行了解体，重新厘定出新元古界青白口系永宁组为冰期前河流相沉积，南华系下统殷屯组为冰碛杂砾岩岩石组合，南华系下统陈千户组为陆源河流相间冰期沉积，南华系中统汎河组为细砾冰碛杂砾岩组合（图1）。

图1 辽宁省构造简图（a，据杨中柱等，2014修改）和辽宁铁岭地区区域地质简图（b，卢崇海等，2018）

本次工作采集铁岭殷家屯地区典型地质剖面殷屯组、陈千户组、汎河组等三个组的样品6个，岩性为中细粒岩屑石英砂岩、绢云泥质砂质板岩和含电气石中细粒长石石英砂岩。殷屯组与下伏中元古界蓟县系雾迷山组为角度不整合接触，顶部与陈千户组为平行不整合或整合接触，为一套复成分冰碛砾岩（杂砾岩）夹含砾长石石英砂岩、砂砾岩层及透镜体的岩石地层，该组共采集样品2个。陈千户组在铁岭殷屯地区整合或假整合伏于南华系中统汎河组之下，为一套中厚层含砾中粗粒长石石英砂岩夹砾岩的岩石地层，该组共采集样品2个。汎河组在辽北铁岭地区未见上覆地层，为一套灰绿色中厚层细砾冰碛砾岩与灰绿色粉砂岩的岩石地层，该组共采集样品2个，本次野外样品均采集自远离岩浆岩侵入体及其脉体的新元古代地层中。（图2）

图2 辽北铁岭地区南华系下统殷屯组（Nhyt）、陈千户组（Nhĉq）、汎河组（Nhf）地质TP1剖面图（卢崇海等，2018）

2 样品分析

样品的化学分析在自然资源部沈阳矿产资源监督检测中心进行。在进行常量元素测试时，首先将样品清洗并烘干，磨至200目以下后压片，利用X射线荧光光谱仪进行元素测量，检测依据为：GB/14506.3-12-93；在进行微量和稀土元素测试时，采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）进行元素测量，检测依据为：DZG-93。分析结果见表1～2。

表1 辽北研究区南华系各组沉积岩主量元素分析结果表/%

3 地球化学特征

3.1 主量元素

在辽北铁岭地区殷屯组样品中SiO2含量平均值为87.76%，陈千户组样品中SiO2含量为89.35%，汎河组砂岩样品SiO2含量为90.46%，说明样品中富硅矿物石英的含量相对较高。汎河组板岩样品SiO2含量为70.14%，明显低于其他组砂岩样品。辽北铁岭地区各组样品中K2O含量介于1.17%～4.40%，其中汎河组板岩样品K2O较高，说明其钾长石含量高于砂岩样品。殷屯组、陈千户组、汎河组样品CaO、MgO含量低，分别为0.25%～0.65%和0.45%～2.96%，与镜下仅见微量或未见碳酸盐矿物这一特点吻合。殷屯组Na2O含量平均值为0.21%，陈千户组Na2O含量平均值为0.17%，汎河组Na2O含量值为0.18%。K2O/Al2O3的值除殷屯组TP4YQ4外，全部样品均小于0.4，说明母岩中只含少量的碱性长石。K2O/Na2O的值为5.84～22.0，表明样品受中等风化淋滤程度。各组样品K2O/Na2O（摩尔量比）为4.54～14.51，与镜下观察长石种类主要为钾长石的情况相符，说明岩屑中长石未受到富钾粘土矿物交代或交代程度较低。汎河组砂岩样品Al2O3/TiO2值为11.66小于14，其余样品均大于14，接近17或大于17，推测其母岩来自长英质岩。殷屯组TFe2O3含量平均值为2.85%，陈千户组TFe2O3含量为2.47%，汎河组TFe2O3含量为3.43%。TFe2O3+MgO含量介于2.61%～7.32%之间，说明其原岩不是镁铁质岩，其结论与Al2O3/TiO2值所得结论一致。

3.2 微量元素

辽北铁岭地区沉积岩样品稀土元素总量∑REE值为66.34×10-6～175.51×10-6，全部样品低于沉积岩的平均含量202.5×10-6，汎河组板岩样品含量高于大陆上地壳（UCC）平均值（148.14×10-6）。研究区含泥质岩样品稀土总量相对砂岩较高，反映细粒沉积物中较高含量的粘土矿物对稀土元素具有较强的吸附作用(Condie，1991)。研究区所有样品稀土均表现为右倾斜的REE配分模式，呈中等程度的轻稀土(LREE)富集和相对平坦的重稀土(HREE)配分模式(LREE/HREE=8.14～9.82)。(La/Yb)N值为8.42×10-6～11.01×10-6，说明轻重稀土中等分馏，轻稀土元素富集。研究区样品(La/Sm)N值为3.85×10-6～5.83×10-6，表明轻稀土元素间分异中等，轻稀土富集。研究区样品(Gd/Yb)N值为1.39×10-6～1.75×10-6，表明样品重稀土元素的分异不太明显，其值比值小于2.0，表明研究区母岩主要来自太古代后期。经球粒陨石标准化后，δEu为0.65～0.77，呈明显的Eu负异常。源自于长英质岩石的稀土元素通常具有较高的LREE/HREE，并且Eu具负异常，因此推测铁岭地区沉积岩来源于长英质岩区。根据赵英利（2010）研究表明中性斜长岩（1.01<δEu<2.33），一般具Eu正异常，玄武岩（0.90<δEu<1.00），大多没有Eu异常，而花岗岩（δEu<0.9）多为Eu负异常。铁岭地区样品δEu<0.9，进一步证实了其物质主要来源于长英质岩。Ce异常δCe值为0.86～0.95，Ceanom值为-0.080～-0.029，表明辽北铁岭地区沉积岩以还原环境为主。

研究区大离子亲石元素Rb、Ba、Sr中，殷屯组TP4GP4样品和汎河组板岩样品Rb含量大于大陆地壳的丰度值，其他样品均低于大陆地壳的丰度值。汎河组板岩样品Ba含量高于大陆地壳丰度值，其余样品均低于大陆地壳的丰度。所有样品Sr元素含量均低于大陆地壳的丰度值。高场强元素中，

全部样品Ta、Nb、Sm元素都低于大陆地壳的丰度值。汎河组板岩样品La、Sm、Yb、Nd、Ce、Nd元素高于大陆地壳的丰度值，其余样品均低于大陆地壳丰度值。全部样品Hf元素值高于大陆地壳的丰度值。研究区Sr/Ba平均值均小于0.2，因此推测辽北铁岭地区殷屯组、陈千户组、汎河组均为陆相沉积（孙立广等，2000）

表2 辽北研究区沉积岩微量元素分析结果/×10-6

4 讨论

4.1 古气候分析

Nesbitt and Young（1984）提出CIA应用于元古代气候研究。研究表明CIA值受碎屑岩粒度影响较小，但沉积物的再循环使粘土矿物比例增加，从而使CIA值得到累积。研究表明当CIA＜65时，反映寒冷、干燥的气候条件，当65＜CIA＜80时，反映温暖、湿润的气候条件，当CIA＞80时，反映炎热、潮湿的热带、亚热带气候条件。辽北铁岭地区只有殷屯组所有样品均小于65，说明处于寒冷-干燥的环境。陈千户组、汎河组沉积岩的CIA值介于63～72之间，表明环境处于干燥-寒冷与温暖-湿润之间变换的环境。

由于黏土矿物比非黏土矿物含有较高的A12O3，而K2O、Na2O和CaO含量较低，因此成分变异指数ICV(index of compositional variability)可以反映碎屑岩的成分成熟度，判断碎屑岩石经历了活动大陆边缘初次循环还是被动大陆边缘多次的再循环过程。Cox et al.（1995）研究表明沉积物在循环过程中非粘土性矿物的降低与粘土性矿物的增长，或者第一次循环碎屑输入量的降低，都将导致ICV值降低。因此如果细屑岩的ICV值>1，表明它们含有很少的粘土矿物，反映是在活动的构造带首次沉积。而粘土矿物含量较高的碎屑岩ICV值<1，表明沉积物质经历了再循环或是在强烈的化学风化条件下首次沉积。元古代之前的沉积岩不发育，沉积再循环作用对物源成分的影响很小，元古代之后沉积岩已经十分发育，因此沉积再循环作用对于物源成分的影响就不容忽略了，因此研究对象要选取ICV值大于1的样品（冯连君等，2003）。经计算辽北铁岭地区样品ICV值全部大于1，因此沉积物均为活动大陆边缘初次循环沉积，避免了再循环作用对CIA值的影响。

沉积岩中微量元素的分配、组合及其比值的变化都在一定程度上指示着古气候环境的变化特征。干燥气候条件下由于水分的蒸发，水介质的碱性增强，Sr被大量析出形成各种盐类沉积在水底，所以它们的含量相对增高，对应为低湖面期，反映的气候则为暖干或干寒期（熊小辉和肖加飞，2011）。铁岭地区沉积岩样品，Sr元素的值为6.98～25.4，其变化范围较大，其中殷屯组Sr值高于陈千户组和汎河组，说明殷屯组环境要比陈千户组和汎河组干旱。根据各样品对应的CIA值判定，殷屯组气候处于这几组环境中的最低温，其他组有温湿到干寒期变化的趋势。根据刘刚和周东升（2007）研究表明Sr/Cu比值介于1.3～5之间指示湿润气候，而大于5指示干热气候。铁岭地区样品Sr/Cu为0.34～4.27。推测各组沉积岩存在湿润和干热气候的转变，殷屯组Sr/Cu值最高，说明殷屯组处于相对干旱环境。

综上所述，殷屯组处于寒冷、干燥期，陈千户组、汎河组处于相对温暖和寒冷的转变环境。

4.2 物源区分析

碎屑岩的地球化学特征对确定它们的源区性质有重要意义。Roser and Korsch(1988)提出了一套适用于砂、泥岩的主量元素多变量物源区环境的判别函数，划分出基性火山岩源区、中性火山岩源区、酸性火山岩源区、石英质沉积岩源区等4个物源区。辽北铁岭地区殷屯组、陈千户组和汎河组部分样品落入富含石英质沉积岩物源区（图3a，据Roser and Korsch,1988），可能为古老的地质体或克拉通。

尽管碎屑岩主要化学组成易受风化、成岩作用等地质作用的影响，但抗风化能力较强的稀土及其他不活泼的微量元素可有效进行源区示踪。Cullers（2000）研究表明过渡族元素Ni为相容元素，岩浆分异倾向富集于镁铁质-超镁铁质岩石中，高场强元素Th、Zr、Hf等均较稳定，其中很多元素的比值能很好的区分源岩是基性岩还是酸性岩。Ti/Zr：镁铁质岩一般＞＞50；长英质岩＜20。La/Co：以长英质为源岩比值为1.8～13.8；以镁铁质为源岩比值为0.14～0.38。根据辽北铁岭地区各组沉积岩的Ti/Zr值介于7.53～13，所有样品均小于20。La/Co值介于1.92～5.16之间，表明辽北铁岭地区沉积岩的源岩为长英质岩。综上，推测辽北铁岭地区沉积岩的源岩为长英质岩。

Bhatia（1985a）研究表明REE常被认为是非迁移的，在沉积作用过程中仅仅显示微小的变化，源区岩石中的丰度以及风化条件是控制沉积物中REE的主要因素，而沉积时和沉积后的作用，对沉积物中REE含量的改变很微弱，因此源区岩石REE特征能够被可靠地保存在沉积物中，花岗岩和长英质变质岩以及来自大陆源区的沉积岩等Eu多显示为负异常，记录了源岩的Eu亏损。铁岭地区沉积岩δEu值0.65～0.77，均为负异常，记录了源岩的Eu亏损。稀土元素的配分型式可以客观的反映沉积物物源性质。辽北铁岭地区沉积岩呈现轻稀土富集、重稀土平坦及Eu负异常特征，与大陆上地壳稀土元素配分型式极为相似，表明其沉积物主要来源于上地壳，其原因在于上地壳中大离子亲石元素的含量相对于原始地幔明显偏高，导致轻稀土富集重稀土亏损，而上地壳内缺少使重稀土分馏的因素，因而重稀土含量均匀，Eu的负异常是由于元素分异作用使上地壳中Eu元素缺失造成的。

将辽北铁岭地区沉积岩样品数据投在(La/Yb)-REE源岩判别图上（图3b，据Bhatia，1985b），殷屯组、陈千户组、汎河组砂岩样品全部落入沉积岩区，汎河组板岩样品落入玄武岩、花岗岩和沉积岩的交叉区域。结合之前(Gd/Yb)N的比值所推测辽北铁岭地区沉积岩的源区母岩来自于克拉通。在Th-Hf-Co判别图上（图3c，据Bhatia and Crook，1986），辽北铁岭地区沉积岩样品陈千户组全部落入长石砂岩区域。殷屯组和汎河组样品落入长石砂岩区域和靠近长石砂岩区域的边缘。利用Hf-La/Th图解判别源岩属性，对沉积岩样品的原始属性进行分析，殷屯组和陈千户组样品落在长英质物源区接近上地壳位置和靠近长英质物源区的长英质、基性岩混合物源区（图3d，据Floyd P A，1987）。汎河组砂岩样品落入长英质物源区接近上地壳的位置，板岩样品落入有效区外。因此推测汎河组、殷屯组、陈千户组源岩主要为长英质岩，源岩主要来自于上地壳。

图3 辽北地区南华系地层源区判别图解

综上所述，辽北地区殷屯组、陈千户组和汎河组沉积物源的原始物质主要来自上地壳的长英质物源，混入少量长英质、基性岩混合物源。

4.3 构造背景

沉积物的风化剥蚀条件、搬运过程和成岩作用等因素是影响陆源沉积物形成的主要因素，以上因素受控于沉积盆地的构造环境（Bhatia,1983），这就为利用陆源沉积物的化学组成研究沉积盆地构造环境提供了一种可行性方法（Bhatia,1983,1985a,1985b）。因为沉积物的化学成分与沉积构造环境之间关系复杂，且多数源区在漫长的地质历史过程中容易被剥蚀，这使得利用沉积岩中的主量元素和微量元素来判别古代沉积盆地的构造性质成为一种重要方法。Bhatia（1983）根据澳大利亚东部古生代浊积砂岩的主量、微量元素特征，提出了判别沉积盆地构造环境的主量、微量元素标志。经过对比分析（表3），辽北铁岭地区殷屯组物源区的元素特征与活动大陆边缘特征基本吻合，少量微量元素特征与大陆岛弧特征吻合。陈千户台组物源区的元素特征与活动大陆边缘特征相似度较高，部分微量元素特征与被动大陆边缘特征吻合。汎河组物源区的元素特征与活动大陆边缘元素特征相似程度较高，部分元素特征与大陆岛弧特征相似。

表3 不同构造环境沉积岩的元素特征对比

由于碎屑沉积岩的地球化学特征主要取决于其物质组成，而物质组成与其物源和大地构造环境有着非常密切的关系，因此不同物源类型的碎屑沉积岩在主量元素上差异很明显，其地球化学特征可以作为判别构造背景的标识。Bhatia（1983）通过研究给出了氧化物的影响系数，通过函数关系来表达所有主量元素与构造背景间的联系，创立了判别函数F1、F2作为砂岩构造背景图解，并划分出4种不同的构造背景区（图4），辽北铁岭地区殷屯组、陈千户组和汎河组沉积岩样品均落入活动大陆边缘区域。

图4 碎屑岩构造背景函数判别图解（据Bhatia，1983）

综上所述，辽北铁岭地区南华系殷屯组、陈千户组和汎河组沉积岩构造环境为活动大陆边缘，该结论与ICV值所推测的代表活动大陆边缘的首次沉积的产物一致。

5 结论

（1）辽北地区碎屑沉积岩样品的成分变异指数（ICV）均大于1，说明其成熟度较低，形成环境相对比较活动，是活动大陆边缘首次沉积形成的。

（2）CIA分布特征表明，辽北地区南华系殷屯组源区物质处于寒冷-干燥的环境。陈千户组、汎河组源区物质处于干燥-寒冷和温暖-湿润之间变换的环境。

（3）主要化学成分、微量元素组成及判别图解综合表明，辽北地区殷屯组、陈千户组和汎河组沉积物源的原始物质主要来自上地壳的长英质物源，混入少量长英质、基性岩混合物源，构造环境为活动大陆边缘。