东昆仑黑海地区赛什腾组变质碎屑岩地球化学特征及其对物质来源的制约

靳立杰,王继林,周汉文,孙天河,王子圣,李春稼,于春楠

(1.山东省第一地质矿产勘查院,山东济南 250100;2.山东省富铁矿勘查技术开发工程实验室,山东济南 250100;3.中国冶金地质总局山东局测试中心,山东济南 250100;4.中国地质大学(武汉)，湖北武汉 430074)

0 引言

东昆仑造山带经历了漫长的地质演化过程和多次构造运动，是东特提斯构造域的重要组成部分，受到地学界的广泛关注(殷鸿福和张克信,1997,1998;朱云海等,1999，2005;朱云海,2002;潘桂棠等，2002;李荣社等,2008)。诸多学者通过岩石学、地球化学、同位素地球化学方法，对东昆仑地区早古生代的构造演化进行了深入的研究。沙松乌拉组、纳赤台群碎屑岩段与赛什腾组共同构成了一套洋陆转换的沉积记录，其中赛什腾组是东昆仑造山带南部出露的一套边缘前陆盆地碎屑沉积，是原特提斯洋在东昆仑地区发生俯冲消减到碰撞闭合的沉积记录。然而，关于赛什腾组的物质来源的研究较少，靳立杰等(2015a)通过碎屑锆石方法对赛什腾组的物质来源进行了初步讨论，然而碎屑锆石方法无法对基性岩、超基性岩、碳酸盐岩等锆石含量少、甚至缺失锆石的物质来源进行有效示踪(Anderson,2005;陆松年等,2006;杨宗永和何斌,2012)，也无法对物质来源的大地构造背景进行有效约束。而对于赛什腾组地球化学特征、物质来源及物源区属性等尚未进行研究。

盆地碎屑沉积物是洋陆相互转化过程中盆地沉积和构造演化的直接证据和重要标志，能够记录海陆变迁、盆-山构造格局形成及与周围环境相互作用的演化历史(Dickinson and Suczek,1979;Bhatia,1983;Huang et al.,2018)。尽管碎屑沉积岩的物质成分受到风化、侵蚀、搬运、沉积和成岩等一系列作用的影响，但其成分仍主要受物源区控制(Rollinson,1993;Roser and Korsch,1986,1988)，因此碎屑沉积物的地球化学特征能够为精确鉴别母岩性质及源区构造背景提供可靠依据(Taylor and Mclennan,1985)。目前多认为泥岩、细粒杂砂岩等细粒碎屑岩是物源区出露岩石的天然混合样品，能够有效识别物源区的成分变化特征和构造背景。本次依托东昆仑黑海地区的区域地质调查项目，对赛什腾组浅变质碎屑岩进行了岩相学和元素地球化学研究，分析其岩石组成及元素地球化学特征，以期为大地构造背景及物质来源等问题提供依据。

1 区域地质特征

东昆仑造山带北部为柴达木盆地和塔里木盆地，南部为可可西里-巴颜喀拉-松潘地体，其内部可以分为东昆北地块、东昆中构造混杂岩带和东昆南地块(图1a)。其中东昆北地块主要出露古元古代白沙河岩群、中元古代小庙岩群和新元古代片麻状花岗岩。东昆中构造混杂岩带主要出露万宝沟群、沙松乌拉组和纳赤台群，为前寒武纪-早古生代构造岩片的拼合体。东昆南地块主要为晚古生代的沉积岩构造岩片，未见基底地层出露(陈能松等,2006,2008;王国灿等,2004;靳立杰等，2015a,2015b)。

图1 东昆仑构造位置图(a)及研究区地质简图(b)(据靳立杰等，2015a修改)

东昆仑造山带出露的早古生代沙松乌拉组、纳赤台群碎屑岩段和赛什腾组中的碎屑岩构成一套完整的沉积旋回，记录了延伸至研究区的原特提斯洋从打开、拉张到闭合的全过程。其中沙松乌拉组是洋盆打开伊始的浅海陆棚相沉积，纳赤台群是洋盆扩张到最大时的沉积记录，赛什腾组为洋盆发生闭合的边缘前陆盆地相沉积。

本次关注的赛什腾组出露于东昆南地块(图1b)，岩性主要为一套浅变质碎屑岩。赛什腾组与上覆的中-下三叠统洪水川组呈角度不整合接触，与下伏的纳赤台群碎屑岩段整合接触，局部可见二长花岗岩岩脉侵入(图2a)。赛什腾组自下而上可分为下、中、上3段：下段岩性主要为堇青石片岩和变砂岩互层；中段岩性主要为含堇青石变质砂岩、中细粒变质砂岩与含堇青石变质砂岩互层等；上段下部为变质长石石英砂岩与中粒含堇青石变质砂岩，上部为变质长石石英砂岩夹含砾粗粒变质长石石英砂岩、粉砂质板岩。赛什腾组整体表现为下部岩石粒度较细，上部较粗，表现为一套海退沉积序列，标志着研究区内原特提斯洋的消减闭合。

图2 赛什腾组变碎屑岩与岩体的接触关系(a)、变余沉积构造(b)和变余沉积结构(c)

野外调查发现，赛什腾组主要由区域变质作用控制，局部因二长花岗岩的侵入遭受接触-热变质作用。整体来看，岩石中出现的变质矿物主要为堇青石、绿泥石和白云母，整体属于绿片岩相-低绿片岩相变质作用。此外，原岩的沉积构造(图2b)和沉积结构(图2c)也保存完好，说明其并未遭受强烈的变形作用。赛什腾组仅经历后期低级变质作用，并未遭受中高级变质作用，因此认为其沉积结构构造对原始沉积环境具有指示意义，其地球化学特征与原岩一致。

2 样品特征及分析方法

本次对东昆仑黑海地区赛什腾组变质碎屑岩进行了系统的野外地质调查，采集了一套岩矿鉴定样品，并选取其中的32件典型样品进行了全岩元素地球化学分析。

地球化学分析在澳实分析检测(广州)有限公司完成，全程为无污染操作。其中全岩主量元素采用XRF方法测定，首先将样品研磨至200目，然后将粉末熔制为玻璃片，采用3080E型X射线荧光光谱仪进行分析；微量及稀土元素采用ICP-MS方法测定，所用仪器为Agilent7500a型电感耦合等离子体质谱仪。分析数据的相对标准偏差小于5%，分析结果见附表1～3。

3 地球化学结果

赛什腾组变质碎屑岩主量元素分析结果显示(附表1)：w(SiO2)=46.97%～75.82%，平均值(SiO2)=63.34%，接近杂砂岩的SiO2含量(平均含量为63.34%)，明显低于典型的石英砂岩(平均含量为91.5%)和长石砂岩(平均含量为77.1%)；w(Al2O3)=9.13%～19.84%，平均值(Al2O3)=14.54%；w(FeOT)=3.01%～12.65%，平均值(FeOT)=6.09%；w(CaO)=0.95%～11.34%，平均值(CaO)=4.01%；w(MgO)=0.56%～5.16%，平均值(MgO)=2.86%；w(Na2O)=0.33%～3.46%，平均值(Na2O)=1.55%；w(K2O)=0.47%～4.52%，平均值(K2O)=2.43%。

赛什腾组变质碎屑岩的微量元素分析结果显示(附表2)：稀土元素总量较高(∑REE=92.29×10-6～415.45×10-6)，明显高于上地幔稀土元素总量(17.7×10-6)。球粒陨石标准化稀土元素配分模式图(图3)具明显的陡倾特征(∑LREE=78.12×10-6～369.32×10-6，∑HREE=12.83×10-6～46.13×10-6)，轻重稀土元素高度分馏，LREE/HREE=8.45(3.90～10.86)、(La/Yb)N=9.34(2.09～17.93)，具弱的负Eu异常，δEu=0.61～0.80，平均含量为0.69，无明显的Ce异常，δCe平均值为0.98(δCe=0.93～1.22)。

特征微量元素Th、U、Hf、Zr和Y的平均含量(含量)分别为17.0×10-6(7.52×10-6～28.5×10-6)、3.09×10-6(2.02×10-6～4.34×10-6)、5.56×10-6(1.50×10-6～10.50×10-6)、192.22×10-6(53×10-6～366×10-6)和34.34×10-6(20.2×10-6～79.2×10-6)，Rb/Sr、Th/U和La/Y的平均值比值分别为0.83(0.07～2.24)、5.47(2.83～7.74)和1.31(0.44～1.90)。

4 物源特征及沉积背景判别

4.1 砂岩类型

碎屑岩的元素地球化学特征对其形成环境具有一定的指示意义，SiO2/Al2O3比值指示石英、粘土矿物以及长石类矿物成分的富集程度(Potter,1978)，而Na2O/K2O比值可以反映其化学成熟度(Pettijohn,1972)。赛什腾组变质碎屑岩的SiO2/Al2O3=2.41～8.30，平均含量为4.75；Na2O/K2O=0.16～3.64，平均含量为0.93。根据赛什腾组变质碎屑岩主量元素的氧化物含量特征，采用Log(Na2O/K2O)-Log(SiO2/Al2O3)图解对其类型进行判别(Pettijohn,1972)，显示赛什腾组变质碎屑岩多数为杂砂岩，少量为岩屑砂岩和长石砂岩(图3)。根据碎屑岩的主量元素地球化学特征确定的岩石类型与岩相学的类型基本一致。

图3 赛什腾组变质碎屑岩主量元素地球化学判别图解

4.2 物源区构造背景

碎屑岩中的主量元素组成受到源区构造背景的控制，不同构造背景中的沉积岩有着特征的主量元素组成及特点，因此可利用主量元素特征对赛什腾组的源区构造背景进行恢复。Bhatia通过主量元素特征对物源区构造背景进行了深入研究(Bhatia,1983,1985;Bhatia and Taylor,1981)，并建立了Fe2O3+MgO-TiO2、Fe2O3+MgO-Al2O3/SiO2及Fe2O3+MgO-Al2O3/(Na2O+CaO)一系列判别图解对大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘4种构造背景进行判别。赛什腾组样品投图多落入大陆岛弧和活动大陆边缘区域内，少量分布在大洋岛弧和被动陆缘区(图4)，表明赛什腾组主要物源区的大地构造背景为大陆岛弧和活动大陆边缘。

图4 赛什腾组变质碎屑岩主量元素的构造背景判别图解(底图据Bhatia,1983)

微量元素特别是不活泼的微量元素在陆源碎屑中具有较大的稳定性，即使经历风化、搬运、沉积、成岩过程，微量元素依然可以在沉积物中保持稳定，并且一些微量元素的比值不会发生明显改变(Taylor and Mclennan,1985;Bhatia and Crook,1986)。因此，沉积物中微量元素的含量及组成能够对源岩的特征及源区大地构造背景进行有效示踪(Bhatia and Crook,1986;Mclennan et al.,1993)。

不同构造背景下的沉积岩微量元素Th-Co-Zr/10、Th-Zr等判别图解可以有效地识别被动大陆边缘、活动大陆边缘、大洋岛弧、大陆岛弧等构造背景(Bhatia,1985;Bhatia and Taylor,1981;Bhatia and Crook,1986)。将赛什腾组变质碎屑岩的微量元素数据进行La-Th、Th-Zr判别图解投点(图5)，可以看出大部分点落在大陆岛弧与活动大陆边缘范围内，少量点分布在其他区域。因此，赛什腾组主要物源区的大地构造背景应为活动大陆边缘和大陆岛弧，可能存在少量形成于被动陆缘及大洋岛弧的地质体也为赛什腾组提供了部分物质来源。

图5 赛什腾组变质碎屑岩微量元素大地构造背景判别图(底图据Bhatia,1985)

稀土元素分析结果显示(图6)：32件样品的稀土元素配分模式基本相似，均属轻稀土富集重稀土平坦型，说明赛什腾组变质碎屑岩物源区大体一致；前述利用全岩主量元素进行图解得到赛什腾组变质碎屑岩多数为杂砂岩，少量为岩屑砂岩和长石砂岩，Eu负异常佐证了这一结果。

图6 赛什腾组变质碎屑岩稀土元素配分模式图(球粒陨石数据据Taylor and Mclennan,1985)

赛什腾组变质碎屑岩的稀土元素总量介于92.29×10-6～415.45×10-6之间，平均值为198.07×10-6，含量较高；轻重稀土元素总量比值平均值为LREE/HREE=8.45、(La/Yb)N=9.34，将其稀土元素特征与不同沉积盆地构造背景下杂砂岩的稀土元素特征对比(表1)，赛什腾组稀土元素特征介于大陆岛弧与活动陆缘之间，说明赛什腾组主要物源区大地构造背景应为大陆岛弧和活动陆缘；少量参数(LREE/HREE)存在异常，可能其他大地构造背景地质体也为赛什腾组提供了少量的物质来源。

表1 不同大地构造背景下杂砂岩的REE特征(对比数据来自Bhatia,1985)

通过上述主量元素、微量元素及稀土元素地球化学特征的综合判别，可以确定赛什腾组主要的物质来源区的构造背景主要为大陆岛弧和活动大陆边缘，部分物源来自被动大陆边缘。

4.3 物质来源

以东昆中断裂为界，东昆北地块变质基底主要由白沙河岩组和小庙岩组组成，而东昆南板块变质基底则零星出露苦海杂岩，二者存在较大区别。东昆仑地区出露的白沙河岩组岩石类型主要为片麻岩、变粒岩、斜长角闪岩、大理岩，夹有石英片岩、石英岩。岩石地球化学特征表明其原岩为泥质砂岩、砂质泥岩、粘土岩、碳酸盐岩、基性火山岩，形成于大陆岛弧或活动大陆边缘相关的构造环境(陈有炘，2015)。白沙河岩组物源区发生过2.1～1.9 Ga强烈岩浆活动和变质作用事件，可能与发生在全球的Columbia超大陆汇聚事件有关(陈能松等，2006)。小庙岩群主要由石英岩、云母石英片岩、变粒岩等组成(王国灿等，2004)，岩石地球化学特征表明其原岩为泥质岩、砂岩、杂砂岩或硅质岩，夹拉斑玄武岩，形成背景为陆内裂谷环境(陈有炘，2015)。万宝沟群整体为一套溢流相的基性火山岩夹少量的碳酸盐岩-硅质岩、泥质岩，形成环境为大洋岛弧环境(魏启荣等，2007)。

新元古代岩浆岩是Rodina超大陆汇聚、裂解事件重要的物质记录(陆松年等，2006)，并且在东昆仑及其邻区形成了大量的中酸性岩浆岩。原特提斯洋演化过程中，随着洋壳的不断向北俯冲，东昆北板块边缘形成了部分岛弧型花岗岩等地质记录(李荣社等，2008)。

靳立杰等(2015a)结合野外地质调查研究和碎屑锆石的方法对赛什腾组的物质来源进行了分析，分析结果显示：白沙河岩组、小庙岩群、万宝沟群以及新元古代早期形成的中酸性岩体、原特提斯演化过程中形成的岛弧型花岗岩为其可能的主要物源。但由于基性火山岩、碳酸盐岩或大理岩中仅含少量或缺少锆石，因此碎屑锆石方法对这些物质来源的示踪具有一定的局限性。

本文通过La/Th-Hf判别图解(Taylor et al，1985；Gu et al，2002；和政军等，2003)，对物源区构造背景和母岩特征进行判别(图7)。结果显示，绝大多数点落在长英质源附近，少量点落在长英质源右侧的增加古老沉积组分的范围之中，说明赛什腾组的主要物质来源为长英质物源区，并且在沉积过程中有古老沉积组分的加入。此分析结果与碎屑锆石方法分析的物质来源基本一致，其中长英质的陆源碎屑岩或中酸性岩浆岩为赛什腾组的长英质物质来源区，白沙河岩组、小庙岩群、万宝沟群中的变质碎屑岩代表了古老沉积组分的加入。此外，白沙河岩组、小庙岩群、万宝沟组等物质来源的构造背景也与本文通过元素地球化学手段判别的物源区构造背景一致，佐证了本文对赛什腾组物质来源的判断。

5 结论

(1)野外地质调查发现赛什腾组变质碎屑岩下段岩性主要为堇青石片岩和变质砂岩互层；中段岩性主要为含堇青石变质砂岩、中细粒变质砂岩与含堇青石变质砂岩互层等；上段下部为变质长石石英砂岩与中粒含堇青石变质砂岩，上部为变质长石石英砂岩夹含砾粗粒变质长石石英砂岩、粉砂质板岩。赛什腾组整体表现为下部岩石粒度较细，上部较粗，为一套海退沉积序列。

图7 赛什腾组变质碎屑岩La/Th-Hf源岩判别图解(底图据Gu et al.,2002)

(2)赛什腾组地球化学分类特征显示其主要为杂砂岩，少量为岩屑砂岩和长石砂岩，其物源区的大地构造背景主要为活动大陆边缘及大陆岛弧，部分来自被动大陆边缘。

(3)赛什腾组的物质来源主要来自东昆北地块的陆源碎屑岩或中酸性岩浆岩等长英质物质来源区，并且在沉积过程中有白沙河岩组、小庙岩群、万宝沟群中的古老沉积组分的加入。