东昆仑黑海地区沙松乌拉组变质碎屑岩的地球化学特征及其对物质来源的约束

王继林，周汉文，高继雷，武志敬，李兆令，靳立杰*，李春稼

(1.中国冶金地质总局山东局测试中心,山东 济南 250100;2.中国地质大学(武汉)，湖北 武汉 430074；3.山东省第一地质矿产勘查院,山东 济南 250104;4.山东省地质矿产勘查开发局第五地质大队,山东 泰安 271000)

0 引言

东昆仑造山带是东特提斯构造域的重要组成部分，经历了漫长的地质演化过程和多次构造运动，受到地学界的广泛关注[1-5]。前人研究表明，沙松乌拉组、纳赤台群碎屑岩段和赛什腾组共同构成了东昆仑地区原特提斯洋盆在由打开到俯冲消减直至最后碰撞闭合的一套完成的沉积记录[6-7]。沙松乌拉组原相当于万宝沟群的上碎屑岩段和下碎屑岩段，阿成业等[8]在其内获得了早寒武世微古植物化石及小壳动物群化石，因此将其从万宝沟群中解体出来，并建立该组。陈静等[9]，靳立杰等[7]分别通过碎屑锆石对沙松乌拉组的物质来源及源区构造热事件进行了分析。然而对于其地球化学特征及源区大地构造背景等尚未进行研究。

碎屑沉积物是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[10-11]。尽管碎屑沉积物的成分受到风化、侵蚀、搬运、沉积和成岩等一系列作用的影响，但其地球化学成分仍主要受物源区控制[12-13]，因此其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[14]。本次依托东昆仑黑海地区的区域地质调查项目，对沙松乌拉组的变质碎屑岩进行了岩相学和元素地球化学研究，获取了其岩石组成及元素地球化学特征，对其物质来源区的大地构造背景及物质来源等问题进行了探讨。

1 区域地质背景

东昆仑造山带(图1)是昆仑造山带阿尔金断裂以东的一段，北部为柴达木地块和塔里木地块，南部为可可西里盆地与巴颜喀拉地块，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增生楔混杂带[7]。研究对象沙松乌拉组出露于东昆中构造混杂岩带，呈断夹块出露于东昆南增生杂岩楔中，与周围地层接触关系较为复杂，与万宝沟群呈断层接触，与洪水川组呈角度不整合接触，并可见晚三叠世石英斑岩侵入其中。

1—第四系；2—洪水川组；3—纳赤台群碳酸盐岩组合；4—纳赤台群碎屑岩组合；5—沙松乌拉组；6—万宝沟群；7—花岗闪长岩；8—二长花岗岩；9—英云闪长岩；10—正断层；11—逆断层；12—性质不明断层；13—角度不整合界线；14—地质界线；15—地层产状；16—同位素年龄及采样位置；17—剖面位置；18—化学分析采样位置图1 东昆仑黑海地区地质简图

沙松乌拉组代表整个东昆仑地区早古生代最早的海相沉积，在研究区主要表现为一套变质碎屑岩，岩性主要为变长石石英砂岩、含砾变砂岩、板岩夹变石英砂岩，总体看上部及下岩石粒度较粗，中部较细，板岩较多(图2)。碎屑的成分成熟度和结构成熟度较低 ，变余碎屑含量占60%～80%，主要由石英、长石组成；变余填隙物含量占20%～40%，颗粒粒度细小，矿物多难以辨认。根据岩性组合，岩石粒度变化以及沉积序列，可以认为其沉积环境为滨浅海，并且经历了海水由浅变深的过程。

a—变砂岩野外特征；b—变砂岩发生强烈的劈理化；c—镜下特征(Pl—斜长石；Mus—白云母)图2 沙松乌拉组变质碎屑岩的岩石学及矿物学特征

2 分析方法

本次在野外地质调查和剖面测量的基础上，对采集的4件典型样品进行了元素地球化学分析。化学分析在澳实分析检测(广州)有限公司完成，其中全岩主量元素采用XRF方法测定，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。全程为无污染操作，分析数据的相对标准偏差小于5%，主量、微量及稀土元素分析结果分别见表1、表2、表3。

表1 沙松乌拉组碎屑岩主量元素分析结果 单位：%

表2 沙松乌拉组碎屑岩微量元素分析结果 单位：×10-6

表3 沙松乌拉组碎屑岩稀土元素分析结果

3 分析结果

主量元素分析结果显示，其SiO2、Al2O3、Fe2O3含量变化范围分别为60.61%～75.76%、8.37%～12.45%、2.49%～5.59%，平均值分别为69.60%、10.12%、3.99%。本次研究样品具有较高的Na2O含量为1.26%～2.61%，K2O的含量为1.32%～2.28%，除样品PM60-7-1表现为Na2O

微量元素分析结果显示，少数大离子亲石元素相对富集，沙松乌拉组砂岩中Ba含量为(221～909)×10-6，平均值为514.50×10-6；Rb含量为(63.5～107)×10-6，平均值为91.58×10-6；Sr含量为(87.9～271)×10-6，平均值为160.08×10-6。

稀土元素分析结果显示，稀土元素总量较高(∑REE=(171.8～220)×10-6，平均值为194.4×10-6)，显示明显的轻稀土富集(∑LREE=(131.2～171.2)×10-6，平均值为146.6×10-6)，重稀土平坦特征，轻重稀土分异明显(LaN/YbN=5.56～10.11，平均值为8.833)。另外，沙松乌拉组稀土元素配分曲线显示明显的Eu负异常(δEu=0.58～0.71，平均值为0.635)，δCe无明显异常(δCe=0.96～1.01，平均值为0.991)。

4 讨论

4.1 岩石类型及源岩特征

岩石的地球化学特征可用于判断岩石类型及恢复母岩性质。岩石中SiO2/Al2O3比值指示石英、黏土矿物以及长石类矿物成分的富集程度，Na2O/K2O比值可以反映其化学成熟度[15]，利用这2个参数形成的Log(Na2O/K2O)-Log(SiO2/Al2O3)图解可判断岩石类型，将沙松乌拉组地球化学数据进行投图(图3)，显示样品均落入杂砂岩、岩屑砂岩区域内，与岩相学研究结果基本一致。

图3 主量元素地球化学划分

通过La/Th-Hf判别图解[16-17]对沙松乌拉组的源岩特征进行了判别，结果显示(图4)：多数点落入长英质源附近，1个点落入增加古老沉积组分的范围之中，说明沙松乌拉组的源岩主要为长英质，并且在沉积过程中存在古老沉积组分的加入。

图4 沙松乌拉组碎屑岩La/Th-Hf源岩判别图解

OIA—大洋岛弧；CIA—大陆岛弧；ACM—活动大陆边缘；PM—被动大陆边缘图5 沙松乌拉组变质碎屑岩主量元素的构造背景判别图解

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主量元素的组成及特点，因此可利用主量元素特征对沙松乌拉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[10,15]，并建立了Fe2O3+MgO-Al2O3/SiO2、Fe2O3+MgO-Na2O/K2O、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。图解显示(图5)：沙松乌拉组样品多落入活动大陆边缘和大陆岛弧区域内，说明沙松乌拉组物源区大地构造背景主要为活动大陆边缘和大陆岛弧。

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[14,18]，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[18]。对实验测得的微量元素数据进行了La-Th、Th-Zr判别图解(图6)分析得到，沙松乌拉组主要物源区的大地构造背景为大陆岛弧与活动大陆边缘/被动陆缘。

OIA—大洋岛弧；CIA—大陆岛弧；ACM—活动大陆边缘；PM—被动大陆边缘图6 沙松乌拉组变质碎屑岩微量元素大地构造背景判别图

稀土元素的分析结果(图7)显示：沙松乌拉组样品的稀土元素配分模式均属轻稀土富集，重稀土平坦型，说明沙松乌拉组变质碎屑岩物源区大体一致，沉积过程中无大的构造事件影响。

1—样品PM60-2-2；2—样品PM60-7-1；3—样品PM60-20 -1；4—样品PM60-20-2图7 沙松乌拉组变质碎屑岩稀土元素配分模式图 (球粒陨石数据自Taylor and Mclennan[14])

经过与Bhatia[19]提出的不同沉积盆地构造背景下杂砂岩的稀土元素特征(表4)相对比可见沙松乌拉组稀土元素特征多数介于大陆岛弧与活动陆缘之间，说明沙松乌拉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，可能是其他物源混入原因。

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，可以确定沙松乌拉组物质来源区的构造背景主要为大陆岛弧和活动大陆边缘，少量物源来自被动大陆边缘。

4.3 对物质来源的约束

沙松乌拉组的前期研究[7]表明，变质碎屑岩的结构成熟度和成分成熟度均较低，指示其为近源堆积；将沙松乌拉组碎屑锆石年龄与东昆仑及其北部邻区地质体年龄对比，推测其主要物源为小庙群、万宝沟群、晋宁期岩浆岩，次要物源为白沙河组。小庙群主要由石英岩、云母石英片岩、变粒岩等组成[20]，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[21]；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[22]；晋宁期大量中酸性岩浆岩是Rodina超大陆汇聚、裂解事件重要的物质记录[23]；白沙河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，原岩为泥质砂岩、砂质泥岩、黏土岩、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[21,24]。上述物源中，基性火山岩、碳酸盐岩或大理岩中锆石较少或缺乏，碎屑锆石方法对这些物质来源的示踪具有一定的局限性，需通过地球化学手段进行佐证。

小庙群的形成环境为陆内裂谷环境，白沙河组的形成环境为大陆岛弧或活动大陆边缘，与通过地球化学手段恢复的沙松乌拉组的物源区构造背景一致；此外，通过源岩性质判别图解(图4)，得到沙松乌拉组的源岩主要为长英质及部分古老沉积组分，小庙群、万宝沟群、白沙河组及晋宁期岩浆岩，均存在大量长英质岩石，与沙松乌拉组源岩性质一致，白沙河组、小庙群中的变质碎屑岩则代表古老沉积组。因此，通过地球化学研究得到沙松乌拉组的源区构造背景及源岩性质，佐证了前期对其物质来源的判断。

表4 沙松乌拉组与不同沉积盆地构造背景下杂砂岩的REE特征对比

5 结论

(1)沙松乌拉组主要由一套浅变质碎屑岩组成，岩石已发生褶皱、千枚岩化和劈理化，沉积构造基本被破坏；显微特征显示其碎屑组分的结构成熟度和成分成熟度均较低，指示其为近源堆积产物。

(2)通过系列判别图解，得到沙松乌拉组的岩石类型为杂砂岩、岩屑砂岩，源岩主要为长英质及部分古老沉积组分；得到物源区大地构造环境主要为大陆岛弧和活动大陆边缘，少量物源来自被动大陆边缘。

(3)将本次地球化学手段得到的沙松乌拉组的源区构造背景及源岩性质与前期通过碎屑锆石法得到的几个物源的形成环境及岩石性质进行比对，结果较为吻合。因此，沙松乌拉组的地球化学特征佐证了其物源区的判断。