张家界三岔地区五强溪组岩石地球化学与构造背景探讨

梁恩云， 彭能立， 刘耀荣， 刘庚寅， 彭云益， 曹解华

(湖南省地质调查院，湖南 长沙 410011)



张家界三岔地区五强溪组岩石地球化学与构造背景探讨

梁恩云， 彭能立， 刘耀荣， 刘庚寅， 彭云益， 曹解华

(湖南省地质调查院，湖南 长沙 410011)

张家界三岔地区五强溪组岩石以浅变质砂岩为主，夹少量凝灰质板岩。岩石中SiO2含量平均66.21%，SiO2/ Al2O3值3.36～5.36，K2O/ Na2O值变化较大(0.60～16.27)，Al2O3/(K2O+Na2O)值2.12～3.42，平均2.83。稀土元素∑REE含量平均233.48×10-6，LREE/HREE值6.01～11.03，LaN/YbN值平均7.513；δEu值0.498～0.730，δCe值平均0.867。微量元素除Sr远低于上地壳丰度、B远高于上地壳丰度之外，整体上与上地壳丰度相差不大，略有增加。利用砂岩的构造环境判别图确定了当时该地区的沉积环境为活动大陆边缘，表现出以活动大陆边缘盆地沉积混入来自大陆岛弧环境物质的特点。进而推断，造成板溪群与冷家溪群之间呈角度不整合接触的晋宁运动并没有使沉积构造格架发生较大的变化，华夏陆块与扬子陆块拼接的时间点要晚于青白口纪五强溪组沉积时间。

地球化学；构造背景；五强溪组；新元古代；张家界；湘西北

梁恩云，彭能立，刘耀荣，等.2016.张家界三岔地区五强溪组岩石地球化学与构造背景探讨[J].东华理工大学学报：自然科学版，39(3)：259-265.

Liang En-yun, Peng Neng-li, Liu Yao-rong,et al.2016.Geochemistry of rocks and tectonic setting of Wuqiangxi formation in Sancha area, Zhangjiajie city[J].Journal of East China University of Technology (Natural Science), 39(3)：259-265.

一直以来，地学界对扬子陆块与华夏陆块的拼接问题及相关引申问题存在争议(Chen et al.，1991；沈渭洲等，1993；Li et al.，1995，2003；李献华等，1996，2008，2012；李献华，1998；王剑等，2001；Greentree et al.，2006；Wang et al.，2007；胡肇荣等,2009；胡肇荣，2010)。一些认为冷家溪群和板溪群代表了一套沟、弧、盆体系的沉积物，华夏陆块通过晋宁(雪峰)运动拼贴于扬子陆块(郭令智等，1980，1986；王鸿祯，1986；徐备，1990)；但另一些认为，板溪群为华夏陆块与扬子陆块拼接、Rodinia 超大陆形成后的早期裂谷沉积(Li et al，1996，2003)。本文对湘西北张家界三岔地区青白口系(板溪群)五强溪组沉积岩进行了系统的常量元素、稀土元素、微量元素地球化学研究，旨在判别当时的沉积构造环境，以此来为区域大地构造演化提供依据(柏道远等，2007；毛光周等，2011；胡楠等，2013)。

1 区域地质概况

张家界三岔地区位于扬子陆块东南缘，毗邻华夏陆块，往北西为石门—桑植复向斜，往南东为武陵断弯褶皱带。区内构造以北东向断裂为主，为湘西北弧形构造带的组成部分。出露地层(图1)由老到新有青白口系、南华系、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、二叠系、白垩系。其中青白口系五强溪组为本区最老地层，是本次探讨重点。

图1 张家界三岔地区地质简图Fig.1 Simplified regional geological map of Sancha area in Zhangjiajie city1.第四系；2.白垩系；3.志留系；4.奥陶系；5.寒武系；6.震旦系；7.南华系；8.青白口系；9.地层界线；10.平行不整合界线；11.角度不整合界线；12.断层；13.采样点

2 样品及分析

五强溪组主体岩性为浅变质砂岩，夹少量板岩。砂岩主要为灰绿色、灰白色、灰紫色中-厚层状浅变质(含砾)长石石英砂岩、浅变质细粒石英砂岩、浅变质(岩屑)长石石英杂砂岩、浅变质泥质粉砂岩夹灰绿色、紫红色条带状粉砂质板岩、凝灰质板岩及岩屑石英砂岩、透镜状砾岩。本次研究以区内2条露头剖面为基础，采集样品8件，包括浅变质细粒长石石英杂砂岩(YJ1)、浅变质泥质粉砂岩(YJ2，YJ4，SY1，SY2)、粉砂质板岩(YJ3，YJ5，YJ6)等。采样时避免了风化、后期方解石脉及裂隙的发育，保证新鲜、无污染。可能由于SY2样品中的含有较多的有机质或含水矿物，其烧失量过高，考虑会影响判别，只能将其舍弃。

样品的分析在国土资源部长沙矿产资源监督检测中心完成，使用仪器有原子荧光光度计(AFS-830a)、原子吸收光度计(Z-2300)、ICP质谱仪、ICP全谱仪(ICP-6300)等，分析环境温度20 ℃、湿度65%。

3 地球化学特征

3.1 常量元素特征

样品常量元素分析结果见表1。SiO2含量62.50%～72.46%，平均66.21%；Al2O3含量13.52%～18.82%，平均16.42%；SiO2/ Al2O3值3.36～5.36，平均4.22。K2O含量2.39%～6.02%，平均4.24%；Na2O含量0.37%～3.99%，平均1.63%，样品YJ1中明显偏高，一般1.05%～1.94%；K2O/ Na2O值变化较大，从0.60～16.27，平均5.06，一般1.99～3.42，平均2.52。Fe2O3+ FeO含量3.03%～7.72%，平均4.89%；MnO含量0.018%～0.071%，平均0.041%。CaO含量0.16%～1.11%，平均0.54%，一般0.16%～0.49%，平均0.32%；MgO含量1.00%～2.17%，平均1.75%。Al2O3/(K2O+Na2O)值2.12～3.42，平均2.83。

3.2 稀土元素特征

样品稀土元素分析结果见表2。稀土元素含量总体较高，∑REE含量167.82×10-6～354.41×10-6，平均233.48×10-6；LREE含量151.17×10-6～306.39×10-6，平均207.07×10-6；HREE含量16.65×10-6～48.02×10-6，平均26.44×10-6；LREE/HREE值6.01～11.03，平均8.47； LaN/YbN值4.788～9.508，平均7.513；δEu值0.498～0.730，平均0.636；δCe值0.744～0.992，平均0.867。

从稀土元素球粒陨石标准化分布型式图(图2)及LREE/HREE值可知，其具轻稀土富集、重稀土平缓的特点，兼具铕负异常、铈异常不明显的特点。与典型的后太古宙页岩和上陆壳相似(轻稀土富集、重稀土平坦、铕负异常显著)。在图中，样品YJ2与YJ5表现出更明显的负铕异常，重稀土含量也较其它样品多，但整体上与上陆壳(Taylor et al., 1985)相似。

表1 常量元素分析结果表

表2 稀土元素分析结果表

图2 稀土元素球粒陨石标准化分布型式图Fig.2 Chondrite-normalized REE patterns

3.3 微量元素特征

样品微量元素分析结构见表3。微量元素含量整体上与上地壳丰度(Taylor et al.,1985)相差不大，略有增加；变化较大的为Sr，B二元素。样品中Sr含量17×10-6～96.87×10-6，平均48.997×10-6远低于上地壳丰度350×10-6；样品中B含量57×10-6～211×10-6，平均131.857×10-6远高于上地壳丰度15×10-6。Rb/Sr值0.84～11.74，变化较大，平均4.58；Ba/Rb值4.51～5.70，平均4.995；Ba/Sr值4.30～60.23，变化较大，平均23.556；Zr/Hf值11.81～47.99，平均28.50；Zr/Th值26.23～42.97，平均32.08；Sc/Cr值0.143～0.444，平均 0.252。

微量元素B在陆相岩石中一般低于70×10-6，而海相岩石中一般大于100×10-6(刘英俊等，1984)。本次采集样品中，B含量最高211×10-6，大于100×10-6的有5件，小于70×10-6的有1件，另外有1件为75×10-6，具有较为鲜明的海相沉积特征。陆相环境中B/Ga值一般为3.0～3.3，海相环境中则大于4.5～5.0(刘英俊等，1984)，样品中有5件大于5.0，2件为3.0～3.3，总体表现为海相沉积特征。

4 构造背景判别方法

在沉积建造中，陆源碎屑岩不仅保留着源区母岩的相关信息，也直接记录了沉积盆地构造演化轨迹。研究表明，尽管有沉积过程中的改造作用，但物源区的地球化学成分是碎屑岩成分的主要控制因素。因此，通过分析碎屑岩的化学成分即可确定母岩性质(其通常与构造环境密切相关)，再造沉积盆地的构造演化历史。

表3 微量元素分析结果表

注：上地壳丰度据Taylor et al.(1985)。

Roser等(1986)和Maynard等(1982)分别提出了砂岩和泥岩沉积盆地构造环境的K2O/Na2O-SiO2图解(图3a)和K2O/Na2O-SiO2/Al2O3图解(图3b)。其中活动大陆边缘包括了一系列复杂的位于活动板块边界之上或邻近板块边界的构造活动大陆边缘，沉积物来自大陆边缘岩浆弧或与走滑断层有关的隆升区；被动大陆边缘包括了稳定大陆边缘的板内盆地和克拉通内部盆地，沉积物来自稳定的大陆地区并沉积在远离活动板块边缘的地方。从图中可读出，三岔地区五强溪组岩石大多落入活动大陆边缘的范围，也有来自被动大陆边缘的，且多分布在二者分界线附近。

Bhatia(1985)将大陆边缘和大洋盆地划分为大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘，并提出了一些以主量元素参数来判别构造环境的图解(图4)。图4a中，三岔地区五强溪组岩石样品落点集中在活动大陆边缘及大陆岛弧范围；图4b中，判别函数Ⅰ=-0.0447 SiO2-0.972 TiO2+0.008 Al2O3-0.267 Fe2O3+0.208 FeO-3.08 MnO+0.14 MgO+0.195 CaO+0.719 Na2O-0.032 K2O+7.51 P2O5+0.303，判别函数Ⅱ=-0.421 SiO2+1.988 TiO2-0.526 Al2O3-0.551 Fe2O3-1.61 FeO+2.72 MnO+0.881 MgO-0.907 CaO-0.177 Na2O-1.84 K2O+7.244 P2O5+43.57，样品投点大都落入了活动大陆边缘范围，仅个别落入大陆岛弧和被动大陆边缘，且靠近活动大陆边缘附近。

常量元素SiO2，TiO2，Fe2O3*+MgO，Al2O3/ SiO2等数值对于碎屑岩源区及其构造背景判别具有指导性，如表4，不同构造背景砂岩常量元素特征参数引自Bhatia(1985)。从表中可以看出，三岔地区五强溪组岩石的沉积构造背景属活动大陆边缘与大陆岛弧的可能性要大于其它构造背景。

研究证明，REE，Th，U，Nb，Ta，Zr和Hf属惰性元素范围，性质稳定，较少或不受沉积过程的影响(Pearce et al.,1983)，因此它们被转移到沉积物中而反映了母岩的地球化学习性。Bhatia(1985)在研究澳大利亚古生代浊积杂砂岩的构造环境时，认为最具构造判别意义的是La-Th-Sc，Th-Sc-Zr/10及Th-Co-Zr/10三种三角图(图5)。从图5可知，三岔地区五强溪组岩石样品落点均在大陆岛弧和活动大陆边缘范围，且大部分样品落入大陆岛弧范围。

图3 三岔地区五强溪组岩石的构造环境判别图Fig.3 Tectonic setting discrimination diagrams for Wuqiangxi formation rocks in SanchaARC.大洋岛弧；ACM.活动大陆边缘；PM.被动大陆边缘；A1.玄武质和安山质碎屑的岛弧环境；A2.长英质侵入岩碎屑的进化岛弧环境

图4 三岔地区五强溪组岩石常量元素构造环境判别图(据Bhatia,1985)Fig.4 Tectonic setting discrimination diagrams of major compositions for Wuqiangxi formation rocks in Sancha area (from Bhatia et al. 1985)A.大洋岛弧；B.大陆岛弧；C.活动大陆边缘；D.被动大陆边缘

构造背景SiO2/%TiO2/%Fe2O3*+MgO/%Al2O3/SiO2大洋岛弧58.831.0611.70.29大陆岛弧70.690.646.790.2活动大陆边缘73.860.464.630.18被动大陆边缘81.950.492.890.1五强溪组62.5～72.460.3～0.654.04～7.530.187～0.298

图5 三岔地区五强溪组岩石微量元素构造判别图(据Bhatia,1985)Fig.5 Tectonic setting discrimination diagrams of trace elements for Wuqiangxi Formation rocks in Sancha area (from Bhatia et al. 1985)A.大洋岛弧；B.大陆岛弧；C.活动大陆边缘；D.被动大陆边缘

5 讨论

Li等(1995，1996)认为华夏古陆属中元古代劳亚大陆的西缘，扬子克拉通则位于劳亚大陆和澳大利亚—东南极大陆之间，两者通过东安运动(1.05～1.00 Ga)碰撞拼合，形成Rodinia超大陆，超大陆形成不久，华南的东南部、西部、北部边缘出现裂谷和被动大陆边缘环境，板溪群(包括五强溪组)便是Rodinia超大陆解体前的陆内裂谷沉积。

顾雪祥等(2003)在判别江南造山带雪峰隆起区新元古代板溪群(包括五强溪组)地球化学特征时，发现元素特征在显示活动大陆边缘信息的同时，亦显示出被动大陆边缘信息，认为被动大陆边缘信息的显示与风化沉积过程及成岩和变质过程导致Na2O和CaO亏损有关，最终确定为活动大陆边缘弧后盆地沉积。

而本次研究所采取五强溪组岩石样品，在TiO2-(Fe2O3+MgO)、判别函数Ⅰ- 判别函数Ⅱ以及La-Th-Sc，Th-Sc-Zr/10，Th-Co-Zr/10构造判别图解中，反映出强烈的活动大陆边缘及大陆岛弧信息。由于五强溪组岩石中常含有凝灰质，有些甚至为凝灰质板岩夹层，所以在投点时落入大陆岛弧环境是合理的。

根据活动大陆边缘盆地沉积物来自于大陆边缘的岩浆弧或与走滑断层有关的隆升区(Bhatia et al.，1986)，不难推断，研究区在新元古代五强溪时期沉积物大部分来自盆地北侧的扬子陆块，另有少部分来自南侧的岛弧带(Gu et al.，2002)。

6 结论

本文通过构造环境判别图解得出，张家界三岔地区青白口纪五强溪组岩石在不同的主量元素、微量元素图解中均表现出以活动大陆边缘盆地沉积混入来自大陆岛弧环境物质为特点。总体上继承了中元古代活动大陆边缘弧后盆地的沉积构造格架，造成板溪群与冷家溪群之间呈角度不整合接触的晋宁运动并没有使沉积构造格架发生较大的变化，华夏陆块与扬子陆块拼接的时间点要晚于青白口纪五强溪组沉积时间。

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Geochemistry of Rocks and Tectonic Setting of Wuqiangxi Formation in Sancha Area, Zhangjiajie City

LIANG En-yun, PENG Neng-li, LIU Yao-rong, LIU Geng-yin, PENG Yun-yi, CAO Jie-hua

(Hunan Institute of Geological Survey, Changsha, HN 410011, China)

The rocks of Wuqiangxi formation, which in Sancha area, Zhangjiajie City, are almost epi-metamorphic sandstone, with a few of tufaceous slate. In the rocks, the average content of SiO2is 66.21%, and SiO2/ Al2O3are from 3.36 to 5.36.The values of K2O/ Na2O are from 0.60 to 16.27, Al2O3/(K2O+Na2O)are from 2.12 to 3.42 and the average is 2.83. The average content of rare earth elements is 233.48×10-6, the values of LREE/HREE are from 6.01 to 11.03.The average of LaN/YbNis 7.513, the values of δEu are from 0.498 to 0.730, while the average of δCe is 0.867. The contents of trace elements are nearly equality between the abundance of upper crust, some have little increasing, but lack of Sr and enrich of B. Through the analyse of tectonic setting discrimination diagrams of sandstone, it can be confirmed that the sedimentary environment of Wuqiangxi formation in Sancha area is active continental margin, also interfused in some matter which comes from continental arc.Accordingly，it can be concluded that Jinnning movement, which had made the contact of Banxi Group and Lengjiaxi Group is angular unconformity, had not made the sedimentary tectonic framework change too much. The time of Cathaysia landmass joints to Yangtse landmass is later than the time of Wuqiangxi formation sediment in Qingbaikouan Period.

geochemistry；tectonic setting；Wuqiangxi formation；New Proterozoic Era；Zhangjiajie；northwestern Hunan

2016-03-04

中国地质调查局地质调查项目(12120114066201)

梁恩云(1983—)，男，硕士，地质工程师，主要从事区域地质矿产勘查工作。E-mail：8832188@163.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2016.03.009

P59

A

1674-3504(2016)03-0259-07