豫西伊川地区中元古界兵马沟组泥质岩地球化学特征及其环境与物源示踪

郑德顺，孙风波，程 涌，张飞鹏.河南理工大学资源环境学院，焦作454000；.昆明冶金高等专科学校矿业学院，昆明650000



豫西伊川地区中元古界兵马沟组泥质岩地球化学特征及其环境与物源示踪

郑德顺1，孙风波1，程 涌2，张飞鹏1
1.河南理工大学资源环境学院，焦作454000；
2.昆明冶金高等专科学校矿业学院，昆明650000

摘要：华北克拉通南缘古-中元古代构造-沉积演化的俯冲说、裂解说之争由来已久，兵马沟组作为熊耳群形成后的第一套碎屑沉积岩层，对解释上述过程有重要意义。该文通过对豫西伊川地区的兵马沟组泥质岩微量及稀土元素的地球化学特征分析，探讨了其沉积环境、物源，进而揭示了其发育的大地构造背景。结果表明：（1）兵马沟组泥质岩稀土元素含量高，球粒陨石标准化后轻重稀土分异明显，δEu负异常，δCe异常不明显，富集Rb、Th、La、Ce、Nd、Zr、Hf等，较上地壳平均值富集Sc、V、Cr、Co、Ni、Rb；（2）Ceanom指数、V/V+Ni反映了泥质岩沉积时的还原环境，Sr/Ba、B/Ga表明其为由陆相至海相的过渡型沉积；（3）Cr/Zr、Th/U等元素比值关系反应其物源无深部物质加入，La/Yb-Ce、Co/Th-La/Sc图解表明物源为中酸性火山岩及少量稳定陆壳物质；（4）Th-Sc-Zr/10、Th-Co-Zr/10图解表明其物源主要来自大陆岛弧。综合上述分析结果，结合区域地质信息，可以得出中元古界兵马沟组形成于大陆岛弧弧后盆地，熊耳群分布区为中元古代俯冲成因的大陆岛弧区。

关键词：华北南缘；中元古界兵马沟组；泥质岩；地球化学特征；沉积环境；物源

First author:ZHENG Deshun，Associate Professor；E-mail:zhengdeshun@hpu.edu.cn

华北克拉通南缘豫西地区古元古代至中元古代构造背景、沉积环境的争议由来已久。基于对大地构造属性的不同认识（赵太平等，2002；翟明国等，2014；He et al.，2009，2010；Zhao et al.，2009），导致对该地区沉积环境的认识也有所差异。有的学者以大陆裂解为背景，通过对官道口群、汝阳群、五佛山群等中-新元古代沉积地层自南向北沉积水体环境的渐进性变化特征及物源年龄的研究，指出豫西地区所在的华北克拉通南缘古元古代至中元古代是稳定大陆边缘环境，为熊耳裂陷槽持续发育扩张的产物，地球化学特征也为这一观点提供了一定的证据（黄秀等，2008；Hu et al.，2014；胡国辉等，2013）；另有学者研究结果表明，该地区在当时为发生俯冲的活动大陆边缘（林潜龙，1989；He et al.，2009；Zhao et al.，2002），根据上述沉积地层的岩性组合及地理分布特征可将沉积环境区分为弧后、弧前盆地，如位于熊耳群以北的汝阳群、五佛山群为弧后盆地沉积，以南的官道口群为弧前盆地沉积等（林潜龙，1989）。中元古界兵马沟组是熊耳群上覆的第一层碎屑沉积，介于熊耳群至前述大规模海相地层盖层之间，对揭示该地区熊耳群形成背景及其对沉积环境的影响有重要意义。但前人对兵马沟组成因鲜有分析讨论，此次研究选择豫西伊川地区兵马沟组为研究对象（图1），通过对其泥质岩微量元素及稀土元素地球化学特征的分析，对沉积环境及物源进行探讨，进而为华北克拉通南缘中元古代的构造背景及其沉积演化模式提供证据。

1 地质背景与地层特征

图1 兵马沟组分布区及研究区前寒武系地层出露简图（图A改自杜建波，2013；图B改自胡国辉，2013；图C改自谢良鲜，2013）Fig.1 Distribution of the Mesoproterozoic Bingmagou Formation and Precambrian strata in the study area

豫西地区大地构造位置上位于华北克拉通南缘，以秦岭造山带与扬子板块隔开，其元古宙地质发展史及其与哥伦比亚超大陆、罗迪尼亚超大陆的关系历来为地质学家所关注。自古元古代至新元古代，豫西地区经历了东西两大板块的拼接（Zhao et al.，2002，2005）、陆壳抬升（翟明国，2004）、熊耳群火山岩的大规模喷发（陈衍景和强立志，1992；翟明国，2004；He et al.，2010；Zhao et al.，2009）、南部秦岭微陆块的俯冲（陆松年，2004；周鼎武等，1996）及后续的沉积充填作用过程（黄秀等，2008；Hu et al.，2014；陈衍景等，2009；陆松年等，2004），前寒武纪地层广泛发育。

图2 伊川地区兵马沟组综合柱状图Fig.2 Generalized column of the Mesoproterozoic Bingmagou Formation inYichuan

中元古界蓟县系兵马沟组最早由河南区测队（1964）于伊川县吕店乡兵马沟村附近发现并命名，之后其他学者陆续在鲁山（张元国等，2011）、济源（王志宏，1979）、嵩山（河南省地质矿产厅，1997）、舞阳（符光宏，1981）等地发现有相当地层的出露，《河南省区域地质志》、《河南省岩石地层》经研究统一将其命名为兵马沟组，并将其岩性定义为砾岩、砂砾岩、砂岩、粉砂质页岩，组成由粗到细的沉积旋回，下伏地层多为太古宇基底、中元古界熊耳群，上覆汝阳群云梦山组、五佛山群马鞍山组等（河南省地质矿产局，1989；河南省地质矿产厅，1997）。此次研究对象即为伊川地区兵马沟组典型剖面（图1），地层大致呈东西向分布，厚约670 m，分为上、下两段。下段厚约220 m，为以厚层砾岩、砂砾岩、粗砂岩为主的典型泥石流沉积、扇三角洲辫状河水上分流河道沉积，发育平行层理、板状、槽状交错层理及大量透镜体。上段厚约450m，多以砂岩、泥质岩为主，发育多重中、粗砂岩至粉砂质岩、泥质岩的韵律，顶部为粉砂质岩与泥质岩的互层沉积，为扇三角洲前缘-前扇三角洲沉积（图2）。整个剖面构成从下至上由粗变细的水进型扇三角洲相旋回（图2）。下伏地层主要为晚太古界花岗岩、登封群变质岩，往西延伸为中元古界熊耳群鸡蛋坪组，皆呈角度不整合接触；上覆地层为中元古界五佛山群马鞍山组底砾岩，接触面为低角度不整合（图2）。由于伊川地区兵马沟组底部含有大量熊耳群火山岩砾石，其形成年代应在熊耳群之后，加之鲁山—汝阳地区云梦山组底部火山岩夹层年龄约为1267 Ma（吕国芳等，1993），推测兵马沟组年龄为1.4～1.3 Ga。

2 样品采集及处理方法

研究表明，不同构造、沉积背景下形成的岩石其微量、稀土元素含量与组合有着明显的区别（赵振华，1997；毛光周和刘池阳，2011；罗利森，2000）。伊川地区兵马沟组发育多个次级旋回，其中多个次级旋回发育有泥质岩，本次研究选取伊川地区兵马沟组野外剖面不同旋回层位采集的9块典型泥质岩样品作为研究对象（图2），测试其微量、稀土元素含量。样品自然风干后，经实验用粉碎机粉碎，再用玛瑙研钵研磨至200目以下，将粉末置于烘箱中以105℃烘干12 h；取出样品并称出50 mg置于Teflon坩埚中，滴1～2滴高纯水，后依次加入1.5 mL高纯HNO3、1.5 mL高纯HF；将Teflon坩埚放入钢套并拧紧后置于烘箱中于190℃加热超过48小时；待冷却后开盖置于电热板上在140℃下蒸干，然后加入1 mL硝酸并再次蒸干；加入3 mL浓度30%HNO3，再次放入钢套并拧紧在190℃下加热12 h；将溶液装入聚乙烯瓶中，并用2%的稀硝酸稀释至100 g，之后采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定，仪器型号为Agilent-7500a。测试由中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室完成，精度在5%以内。详细处理步骤见参考文献（刘颖等，1996）。

3 地球化学特征

3.1 稀土元素地球化学特征

伊川地区兵马沟组泥质岩样品的稀土元素测试结果及部分特征指数如表1。

表1 伊川地区兵马沟组泥质岩样品的稀土元素测试结果（×10-6）及部分特征指数Tab.1 REE Contents of argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Bingmagou Formation in Yichuan

由表1可知，∑REE含量范围为238.43×10-6～355.95×10-6，平均283.69，不同层位除个别外差别不大，原因可能是同源沉积混入了其他物质。∑HREE在19.9×10-6～67.21×10-6之间，∑LREE在216.79×10-6～288.74×10-6之间。∑LREE/∑HREE比值范围为4.30～12.76，（La/Yb）N比值范围为5.4～15.38，显示轻重稀土元素分馏明显，轻稀土元素富集而重稀土元素含量相对较低的特征；（Gd/Yb）N为1.58～2.05，重稀土分异不明显。Eu负异常明显，范围为0.66～0.73。球粒陨石标准化后的REE配分模式图解（图3a）中曲线的斜率大于1，曲线为右倾斜，La～Eu段曲线相对较陡，显示轻稀土元素相对富集，Gd～Lu段曲线变化较为平缓，重稀土元素显示相对亏损。其中样品110-2表现出了不同的样式。从北美页岩组合标准化REE配分模式（图3b）可知，（La/Yb）A范围为0.78～2.21，平均值为1.6，没有明显的Eu异常，线条总体上显示出相互平行的特点，轻稀土元素略为富集，稀土元素含量大致同步变化。

图3 伊川地区兵马沟组泥质岩稀土元素球粒陨石与北美页岩组合标准化Fig.3 Distribution patterns of Chondrite and NASC normalized REE in argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Bingmagou Formation in Yichuan

3.2 微量元素地球化学特征

伊川地区兵马沟组泥质岩样品的微量元素测试结果及部分特征指数如表2。

表2 伊川地区兵马沟组泥质岩样品的微量元素测试结果及部分特征指数Tab.2 Trace element contents of argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Bingmagou Formation in Yichuan

从微量元素球粒陨石标准化（Thompson，1984）蛛网图解（4a）可以看出，样品的线束分布比较集中，Ba、Nb、Sr亏损明显，富集Rb、Th、La、Ce、Nd、Zr、Hf，呈现明显的“三峰两谷一平坦”的形式。与Taylor和Mclennan（1985）提出的大陆平均上地壳元素标准值进行比较（图4b），样品Nb、Sr元素相对亏损，Sc、V、Cr、Co、Ni、Rb等大部分微量元素含量明显高于上地壳中微量元素平均值，具有陆源性质的元素Th、Zr、Hf、U、Ba与上地壳中的平均含量相当。

4 沉积环境及物源分析

4.1 沉积环境分析

4.1.1 氧化还原条件

δCe能够很好地反应沉积环境的氧化还原条件（δCe＞1为正异常，还原环境；δCe＜0.95为负异常，氧化环境）。如表1所示，兵马沟组砂岩的δCe异常值为0.98～1.05，平均1.01，异常不明显。Ceanom指数是由Elderfield和Greaves（1982）提出来的一个水体环境判定指数，以Ceanom＞-0.1表示Ce富集，为缺氧环境，Ceanom＜-0.1表示Ce亏损，为氧化环境。目前，Ceanom指数也广泛应用于古水介质氧化还原条件的判定。从图5a可以看出，兵马沟组泥质岩Ceanom值均大于-0.1，显示出Ceanom的富集，缺氧还原环境比较明显。此外，一般认为水介质V/V+ Ni≥0.7～0.8为缺氧环境，0.46～0.60为贫氧环境（邓宏文和钱凯，1993）。由图5b可以看出，兵马沟组泥质岩样品的V/V+Ni比值为0.51～0.87，平均0.69，明显为缺氧—贫氧环境，这与Ceanom指数分析结果一致。

4.1.2 古盐度

近年来，利用Sr/Ba比（＜1，陆相沉积；＞1，海相沉积）和B/Ga比（＜3，淡水相；3～6，近岸海相；＞7，海相）判定水体盐度或离岸环境得到了很好的应用（邓宏文和钱凯，1993）。由图5c所示，兵马沟组泥质岩在样品110-2所在层位之前Sr/ Ba比值均小于0.15，明显为淡水沉积，至样品110-2比值急剧上升为显示海相沉积的6.46，表明该组沉积是过渡型沉积建造。B/Ga比值显示了与Sr/Ba值相同的变化形式（图5d），代表了由陆相至海相过渡的水体环境。

沉积岩石学特征分析结果表明，该地区兵马沟组为扇三角洲相沉积建造，上述地球化学信息表明其为陆-海转换型沉积，加之豫西地区兵马沟组与上覆海相沉积之间普遍发育有一层底砾岩，因此有理由认为兵马沟组沉积末期发生了剧烈的沉降运动，可能是拉张断陷的结果。

4.2 沉积物源属性分析

图4 伊川兵马沟组泥质岩多元素球粒陨石、平均上地壳标准化图解Fig.4 Chondrite and UCC normalized trace elements diagrams of argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Bingmagou Formation in Yichuan

沉积岩的微量及稀土元素含量及其组合关系包含着重要的源岩信息。对不同性质的元素进行比较，可以反映沉积物的物源及构造背景。地幔物质与地壳物质成分差异显著，某些不活泼元素的比值能反映沉积盆地是否有地幔物质的加入。岩石中的Zr主要存在于锆石中，具陆源性质，Cr主要赋存于铬铁矿中，受深部物质影响，Cr/Zr比可以一定程度上反映钙镁质岩石与长英质岩石对碎屑沉积物的影响大小（Wronkiewicz and Condie，1989）。由表2可知，伊川地区兵马沟组泥质岩Cr/Zr比值范围为0.32～0.64，平均0.51，明显小于1，反应该组泥质岩受幔源物质影响较小。Th/U比值基本也在3.5以上，也表明其无深源物质的影响。此外∑LREE/∑HREE、δEu、Rb/Sr、Cr/V、Tb/Yb、Th/Sc比值（张海华等，2014；Rao et al.，2011）、La/Yb-Ce图解（Rao et al.，2011）（图6a）投点均位于中性物质与长英质物质之间，指向中酸性成分，可以判定为火山物质。在Co/Th-La/Sc图解（Gu，2002）（图6b）中，样品投点也大部分落入长英质火山岩向安山岩过渡区域，个别体现出稳定陆壳物源特征。以上特征表明，伊川地区的兵马沟组泥质岩物源以中酸性火山物质为主，混杂有少量稳定上地壳成分。

图5 伊川兵马沟组泥质岩沉积环境判别指数图解Fig.5 Sedimentary environment decision indictor diagrams of argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Bingmagou Formation in Yichuan

图6 伊川地区兵马沟组泥质岩Co/Th-La/Sc、La/Yb-Ce物源类型判定图解Fig.6 La/Yb-Ce、Co/Th-La/Sc provenance decision diagrams of argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Bingmagou Formation in Yichuan

Bhatia及Bhatia和Crook（1985；1986）的研究指出，La、Th、Sc、Ti、Zr、Co等元素的含量组合关系可以解释沉积源岩的背景信息。本文利用Th-Sc-Zr/10、Th-Co-Zr/10图解对兵马沟组泥质岩样品进行投点分析，结果表明样品投点在两个图解中都比较集中：在Th-Sc-Zr/10图解（图7a）中，样品投点均落入大陆岛弧区域及其邻近区域；在Th-Co-Zr/10图解（图7b）中，样品投点也大部分落入大陆岛弧及其附近区域，个别落入大陆边缘环境区域。由此可以认为兵马沟组泥质岩的物源区构造背景为大陆岛弧。

图7 伊川地区兵马沟组泥质岩源岩构造背景判别Fig.7 Background decision diagrams of argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Bingmagou Formation in Yichuan

综合以上伊川地区兵马沟组泥质岩物源性质及背景信息及其底部砾岩中含有大量熊耳群火山岩砾石的事实，基本上可以断定伊川地区兵马沟组物源主要来自大陆岛弧区域的中酸性火山岩，夹杂有少量稳定陆壳长英质成分，目标地层指向熊耳群及华北古陆结晶基底，表明华北克拉通南缘中元古代为俯冲背景，物源方向主要为由南向北，兵马沟组形成于弧后拉张盆地。

5 讨论

古元古代-中元古代是华北克拉通重要的陆壳增长期，在其南缘的重要体现就是熊耳群的形成。熊耳群的成因历来有两种说法：俯冲和裂解。大多数学者基于对熊耳群及其上覆海相沉积地层部分地球化学特征、测年数据的分析结论，基本赞成裂解成因理论（赵太平，2002；翟明国，2004；胡国辉等，2013；黄秀等，2008；孙枢等，1981，1982）。但这种说法也有明显的不足：熊耳群的年龄大约为1.80～1.45Ga（赵太平，2001；翟明国，2004；Zhao et al.，2005；He et al.，2009）而上覆的海相沉积地层年龄大部分在1.30 Ga（吕国芳等，1993；孙枢等，1981，1982）之后，年代相差比较久远；熊耳群、兵马沟组与汝阳群、五佛山群之间多以不整合面接触且汝阳群、五佛山群底部普遍发育一层底砾岩（河南省地质矿产局，1989；河南省地质矿产厅，1997），因此熊耳群与大规模沉积盖层发育并不连续，不能以汝阳群、五佛山群的沉积背景代表熊耳群的形成背景。本次研究分析的兵马沟组位于大规模沉积盖层形成之前，多与熊耳群地层连续发育（王志宏，1979；符光宏，1981；河南省地质矿产局，1989；河南省地质矿产厅，1997），可以很好地反应熊耳群形成背景。结合一些学者对于熊耳群岩石地球化学分析（Zhao et al，2002，2005；He et al.，2009）和本次对伊川地区兵马沟组环境、物源分析结果，本文认为华北克拉通南缘中元古代时期为俯冲带（图8），熊耳群为俯冲成因的大陆岛弧。后期随着深俯冲作用，在弧后发生了沉降运动，产生一个断陷弧后盆地，发育了点-线式分布的兵马沟组及之后的底砾岩，并过渡到汝阳群、五佛山群海相沉积。

6 结论

（1） Ceanom指数、V/V+Ni比值表明伊川地区兵马沟组泥质岩沉积时为还原环境，Sr/Ba、B/Ga变化规律表明该组是由陆相至海相的过渡型沉积。

（2）伊川地区兵马沟组泥质岩物源特征指数及物源判定图解证明其物源无深部物质加入，主要为来自大陆岛弧的中酸性火山岩。

（3）结合伊川地区兵马沟组物源、背景分析结果及区域地质概况，可以得出华北克拉通南缘中元古代为俯冲带，伊川地区兵马沟组形成于弧后盆地。

图8 华北克拉通南缘中元古代构造演化示意图Fig.8 Mesoproterozoic tectonic evolution of the southern margin of the North China Craton

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中图分类号：P597

文献标识码：A

文章编号：1006-7493（2016）02-0254-10

DOI:10.16108/j.issn1006-7493.2015102

收稿日期：2015-05-12；修回日期：2015-07-15

基金项目：国家自然科学基金项目（41272118）

作者简介：郑德顺，男，1977年生，博士，副教授，从事油气地质与构造-沉积响应方面的研究；E-mail:zhengdeshun@hpu.edu.cn

Geochemical Characteristics of Argillaceous Rocks of the Mesoproterozoic Bingmagou Formation in Yichuan，Western Henan and Its Environment and Provenance

ZHENG Deshun1，SUN Fengbo1，CHENG Yong2，ZHANG Feipeng2
1.Institute of Resource and Environment，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China
2.School of Mines，Kunming Metallury College，Kunming 650000，China

Abstract:The Paleao-Mesoproterozoic tectonic and sedimentary evolution of southern North China craton has been debating for long time，with controversies focusing on whether it is a subduction or cracking rift.As the first sedimentary layer formed after Xiong’er Group，the Mesoproterozoic Bingmagou Formation is important to address this issue.Based on the analysis of geochemical characteristics of REE and trace element of argillaceous rocks in Bingmagou Formation，the sedimentary environment and properties of provenance and their tectonic significance were discussed in this study.The results showed that Chondrite normalized REE and trace elements have a high differention between LREE and HREE，which showed anomaly negativeδEu，anomaly insignificantδCe，and enrich Rb，Th，La，Ce，Nd，Zr，Hf，etc.Compared with the average upper crust，it was enriched in Sc，V，Cr，Co，Ni，Rb.Also we found that Ceanomindex and V/V+Ni ratio reflected a reduction argillaceous sedimentary environment，and Sr/Ba and B/Ga ratios indicate itstransitional environment from continent to marine.In addition，Cr/Zr，Th/U and other elements ratios prove its provenance is not deep material，and La/Yb-Ce，Co/Th-La/Sc diagrams indicate the provenance is middle-acidic volcanic rocks.Furthermore，Th-Sc-Zr/10，Th-Co-Zr/10 illustrations indicate its provenance is mainly from continental volcanic arc.Taken these results and regional geological information together，it can be concluded that Bingmagou Formation in Yichuan was formed in an extensional back-arc basin，Xiong’er Group was an arc island.

Key words:southern North China craton；Mesoproterozoic Bingmagou Formation；argillaceous rock；geochemical characteristic；sedi⁃mentary environment；provenance