准噶尔盆地南缘芦草沟组稀土元素地球化学特征、物源性质和构造背景分析

涂其军，徐仕琪（新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830000）

准噶尔盆地南缘芦草沟组稀土元素地球化学特征、物源性质和构造背景分析

涂其军，徐仕琪
（新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830000）

基于稀土元素地球化学特征研究，着重探讨了准噶尔盆地南缘中二叠统芦草沟组页岩稀土元素丰度和赋存状态、源区母岩性质和构造背景，结果表明：芦草沟组页岩稀土元素含量类似上地壳稀土元素丰度，与轻稀土元素相比，重稀土元素具富集趋势，这可能与页岩中有机质对重稀土元素的吸附有关；页岩中轻稀土元素主要受控于粘土矿物，而重稀土元素受锆石、磷酸盐矿物和有机质的共同影响；准噶尔盆地南缘中二叠世物源区母岩以长英质组分为主，母岩性质非常类似于英云闪长岩成分；物源区以大陆岛弧构造背景为主。

准噶尔盆地南缘；芦草沟组；稀土元素；构造背景

稀土元素因具稳定的化学性质和不受各种地质作用干扰而成为研究岩石地质成因的地球化学指示剂[1]。因此，稀土元素含量、分布模式和Eu异常等特征已广泛应用于火成岩的成因研究、沉积岩源区母岩分析和构造背景判别及煤中矿物的成因研究中[2,3-9]。例如，酸性岩中Eu表现为明显负异常而基性岩中无Eu异常或略显正Eu异常；稀土元素含量在酸性岩中较基性岩更为富集；酸性岩比基性岩具更高的稀土元素分馏程度，这些特征为源区母岩性质的判别提供了很好的依据[4-5]。

准噶尔盆地南缘中二叠统芦草沟组为一套厚度很大的富有机质的页岩，前人据沉积体系分析对页岩沉积环境和物源进行过相关研究[10-11]，但源区母岩性质和源区构造背景未见报道。目前，主要通过对准噶尔盆地南缘中二叠统芦草沟组页岩稀土元素地球化学特征的研究，解决稀土元素成因类型及应用稀土元素指标判别芦草沟组沉积期的源区母岩性质和构造背景，为该区基础地质研究（如源区母岩性质、构造背景及构造划分和演化）提供重要信息。

1　地质概况

准噶尔盆地南缘位于准噶尔盆地南部和博格达山北麓（图1），经历了晚石炭世早期裂谷扩张期、晚石炭世中晚期坳陷-萎缩期、早二叠世再次扩张期和中二叠世盆地坳陷-扩展期[12-13]。中二叠世晚期研究区结束残余陆表海环境进入湖相盆地演化阶段，沉积了一套湖相页岩（芦草沟组），但此时湖盆仍受间歇性海水影响[13,14]。研究区地层自石炭系至第四系均有出露。二叠系有下二叠统石人子沟组、塔什库拉组；中二叠统乌拉泊组、井井子沟组、芦草沟组和红雁池组；上二叠统泉子街组、梧桐沟组和锅底坑组。芦草沟组为此次研究层段，主要由黑色至褐灰色页岩组成，与下伏井井子沟组和上覆红雁池组呈整合接触。

先前研究认为，芦草沟组沉积期准南地区的物源来源于北部卡拉麦里山，而柴窝堡凹陷来源于北天山[10-11]，此时博格达山地区为凹陷中心，为深湖相沉积。

2　样品及方法

此次分析样品采自柴窝堡凹陷的2个剖面和准噶尔盆地南缘（准南）的4个剖面，其中，采样点PM-Ⅰ和PM-Ⅱ位于柴窝堡凹陷，PM-Ⅲ、PM-Ⅳ、PM-Ⅴ和PM-Ⅵ位于准南（图1）。采样层位为中二叠统芦草沟组，共采样品23件。采样时，掘去表面风化页岩至新鲜面，采样后样品用锡纸包裹送实验室分析。样品测试在新疆维吾尔自治区矿产实验研究所岩矿检测室完成。页岩样品粉碎至200目进行地球化学分析。稀土元素测试使用X系列电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS），检测仪ZBF-3.67-2005，误差小于5%，重复样分析结果吻合，样品分析具有较高精度。

图1　准噶尔盆地南缘地质图及采样位置Fig.1 The geological map of the Southern Junggar Basin and location of sampling sites

3　稀土元素地球化学

3.1稀土元素丰度

对比上地壳中稀土元素丰度[3]，芦草沟组页岩中轻稀土元素（La-Eu）含量低于上地壳丰度但重稀土与上地壳相似或略高（图2）。据富集因子(芦草沟组页岩/上地壳)小于0.5指示亏损，高于2指示富集，介于0.5~2.0为相似[15]，芦草沟组页岩中的稀土元素含量与上地壳相似。自La至Lu，芦草沟组页岩的富集因子具增大趋势，揭示重稀土元素有富集趋势，这种现象可能与页岩中有机质对离子状态稀土元素的吸附有关。在物源区和物源向沉积盆地搬运过程中，母岩在遭受风化过程中伴随着矿物分解，在此过程中重稀土元素比轻稀土元素更易从矿物中淋滤出而呈离子状态存在[1,8-9,16]。这些离子状态的重稀土元素，在沉积盆地中易与有机质结合形成复杂集合体[9]，故呈现重稀土元素富集趋势。

图2　芦草沟组页岩中稀土元素含量与上地壳丰度的对比Fig.2 The rare earth elements abundances of the Lucaogou Formation shales,compared with that of Upper Continental Crust

芦草沟组页岩中稀土元素含量（106.6×10-6）低于上地壳（146.4×10-6）和北美页岩（136.4×10-6），但高于下地壳中稀土元素含量（66.9×10-6）[3,17,18]。轻重稀土比值为6.4，揭示了其具中等程度轻重稀土元素的分馏(表1)。

3.2稀土元素赋存状态

前人研究认为稀土元素主要赋存于磷酸盐矿物、粘土矿物和锆石中，硫化物和碳酸盐矿物对其贡献较小[1]。此外，有机质对稀土元素的吸附作用是不可忽视的[9]。在当前研究中，分别做稀土元素与常量元素和选择性微量元素（如Zr）的相关关系，据相关系数确定稀土元素的可能赋存形式。相关分析表明，页岩中稀土元素与Al2O3、TiO2、P2O5和Zr呈不同程度的正相关，揭示多种矿物载体（粘土矿物、磷酸盐矿物、锆石）控制着稀土元素的分布。稀土元素与SiO2/Al2O3呈不同程度的负相关，揭示石英对稀土元素含量起稀释作用。此外，不同稀土元素的矿物载体明显不同。重稀土元素（Dy-Lu）与P2O5（r=0.45~86）和Zr（r=0.40~0.85）具较显著关系，而轻稀土元素与P2O5和Zr无明显关系，说明重矿物（如锆石）和磷酸盐矿物是重稀土元素的重要载体。该磷酸盐矿物极可能为磷钇矿，因为独居石富集轻稀土元素、磷灰石富集中稀土元素[19]。Al2O3和TiO2与轻稀土元素具较好相关关系，与重稀土元素无明显关系，揭示铝硅酸盐矿物（如粘土矿物）是轻稀土元素的重要载体。Bauluz等研究认为，轻稀土元素主要受控于粘土矿物而重稀土元素受控于锆石和磷酸盐矿物[20]。重稀土元素比轻稀土元素和Zr具更好的相关关系，主要是重稀土元素离子半径更接近Zr离子且易置换锆石中的Zr[21]。

表1　芦草沟组页岩的稀土元素含量及其与上地壳的对比Table 1 The rare earth elements abundances of the Lucaogou Formation shales, together with the Upper Continental Crust for comparison　单位：×10-6

4　讨论

4.1母岩性质

图3　芦草沟组页岩的球粒陨石标准化分布模式（A）和与上地壳和下地壳分布模式的对比（B）Fig.3 The chondrite-normalized REEs patterns for the Lucaogou Formation shales(A),in comparison with the upper continental crust and lower continental crust

稀土元素球粒陨石或上地壳标准化模式是一种有效的源岩判别法，因为稀土元素的丰度主要受控于母岩性质和风化条件，后沉积阶段地质作用对其影响较小[7]。当前研究中，各样品稀土元素球粒陨石标准化保持相似的分布模式（图3-A），揭示其来自相同或相似的物源供给和构造背景[8]。研究区页岩的稀土元素分布模式非常类似上地壳（长英质组分）的稀土元素分布（图3-B），但与下地壳存在明显差异，揭示芦草沟组页岩的源区母岩主要为长英质组分。研究区页岩的（La/Yb）N值为2.30~7.37，均值5.81，揭示轻重稀土元素较分馏；（La/Sm）N值（2.47~3.91，均值2.98）和（Gd/Yb）N值（0.60~1.59，均值1.29）揭示轻稀土元素相对分馏而重稀土元素无明显分馏。稀土元素的上述指标非常接近英云闪长岩[22]（（La/Yb）N为6.3，（La/Sm）N为2.9，（Gd/Yb）N为1.4），说明芦草沟组页岩的源区母岩性质非常类似于英云闪长岩。Eu异常值常用以区分铁镁质火成岩和长英质火成岩，铁镁质火成岩中的Eu异常表现为轻微负异常或无异常，而长英质火成岩中的Eu异常表现为负异常[4,23]。芦草沟组页岩的Eu异常为0.61~0.85，均值0.72，略高于上地壳的Eu异常（0.66）[3]，但明显低于下地壳的Eu异常（1.15）[18]，揭示源区母岩以长英质组分为主，但与上地壳成分相比，其含相对较少的长英质组分。由于稀土元素富集于长英质组分而Cr富集于铁镁质组分[4,23]，La/Cr比值可近似反映长英质与铁镁质组分在沉积岩中的相对贡献。芦草沟组页岩的La/Cr值为0.56，与英云闪长岩中的值（0.61）非常接近[22]，揭示准噶尔盆地南缘中二叠世物源区母岩成分非常类似于英云闪长岩。

4.2源区构造背景

利用不同构造背景下沉积物的稀土元素球粒陨石标准化和PAAS标准化分布模式可推断源区构造背景[7]。研究区页岩的球粒陨石标准化分布模式和PAAS标准化分布模式非常接近大陆岛弧背景下沉积物的稀土元素标准化分布样式(图4-A，B)，揭示源区为大陆岛弧构造背景。

Bhatia总结了不同构造背景下砂岩、泥岩稀土元素判别指标（表2）[7]，研究区页岩样品稀土元素指标La、Ce、REE、La/Yb、LREE/HREE、(La/Yb)N和Eu异常值非常接近大陆岛弧构造背景下沉积物的对应稀土元素参数值，揭示源区为大陆岛弧构造背景。为更好地确定物源区构造背景，需结合物源区（卡拉麦里山）火成岩地球化学特征综合分析。卡拉麦里山石炭系火山岩分布广泛，总体属高钾钙碱性火山岩系，SiO2与其他氧化物具良好的线性演化关系[25]，此特征与典型的大陆弧或活动大陆边缘弧火山岩较接近[26]。同时，火山岩的强不相容元素和大离子亲石元素的地球化学特征及相关图解也呈汇聚板块边缘陆缘弧火山岩特征[25]。因此，可推测石炭—二叠纪时期物源区(卡拉麦里山地区)构造背景可能为大陆岛弧环境。

5　结论

（1）芦草沟组页岩的稀土元素含量类似于上地壳稀土元素丰度，但相比轻稀土元素，重稀土元素具富集趋势，可能与页岩中有机质对重稀土元素的吸附有关。

（2）研究区页岩中轻稀土元素主要受控于粘土矿物，而重稀土元素受锆石、磷酸盐矿物和有机质的共同影响。

图4　芦草沟组页岩的球粒陨石标准化（A）和PAAS标准化（B）分布模式，与大洋岛弧、大陆岛弧和活动大陆边缘+构造大陆边缘沉积物的分布模式进行比较；球粒陨石值和PAAS值Fig.4 The Chondrite-normalized(A)and Post-Archean Australian Shale(PAAS)-normalized(B)REEs patterns for the Lucaogou Formation shales,compared with those of OIA(oceanic island arc),CIA(continental island arc), ACM(active continental margin and PM-passive margin)Chondrite data,PAAS

表2　芦草沟组页岩稀土元素指标值和不同构造背景沉积盆地砂岩的REE指标比较Table 2 The REE indices of the Lucaogou Formation shales,in comparison with those of graywackes derived from various tectonic settings　单位:×10-6

（3）准噶尔盆地南缘中二叠世物源区母岩以长英质组分为主，但与上地壳相比，含较少长英质组分，母岩性质非常类似于英云闪长岩成分。

（4）物源区构造背景以大陆岛弧环境为主。

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TheREE Geochemistry of theLucaogou Formation in theSouthern J unggar Basin and Analysisof Parent Rock and Tectonic Setting in Sediment-sourceRegion

Tu Qijun,Xu Shiqi
（Xinjiang Institute of Geological Survey,Urumqi,Xinjiang,830000,China）

REE geochemistry of the Middle Permian Lucaogou Formation shales in the southern Junggar basin,Xinjiang Province,have been investigated to determine the abundance and occurrence mode of REE,and to infer parent rock nature and tectonic setting.These results show that REE contents of the analysed shales are similar to those of UCC,but HREE are enriched relative to LREE,which is ascribed to the organic matter absorption on HREE.The LREE is most likely hosted in clay minerals while HREE is influenced by zircon,phosphate mineral and organic matter.The provenance is thought to be mainly derived from felsic igneous rock which is comparable with tonalite in the Mideele Permian in the southern Junggar basin.The tectonic setting of sediment-source region is predominated by Continental Island Arc setting.

The southern Junggar Basin;Lucaogou Formation;Rare earth element;Tectonic setting

1000-8845(2016)03-345-05

P595；P542

A

项目资助:新疆维吾尔自治区地质调查院“新疆准噶尔盆地南缘页岩气资源远景调查”项目（12120114031901）资助

2016-01-12;

2016-04-11;作者E-mail:511450271@qq.com

涂其军（1976-），男，新疆伊犁人，高级工程师，2000年毕业于东北大学，中国地质大学（北京）在读博士，现从事矿产勘查、多目标化探、科研和技术管理工作