黑龙江滨东地区上石炭统唐家屯组泥质粉砂岩的地球化学特征

张径通，胡大千，战乃臣，孙国胜

吉林大学地球科学学院，长春130061

0 引言

碎屑沉积岩经历了源区岩石风化、搬运、沉积、固结成岩等过程，其主量元素、微量元素和稀土元素的组成与源区岩石有继承性的关联，记录了岩石形成时的环境特征[1--4]。虽然在其形成过程中，岩石的化学组成和结构构造可能遭受不同程度的破坏，但岩石化学组成相对稳定，仍可以用来研究源区的特征[5,6]。

东北地区晚古生代围绕佳—蒙地块分布的碎屑岩和碳酸盐岩，构成了该地区的大陆边缘沉积[7,8]。张兴洲等[9]认为该地区存在一个规模巨大的晚古生代海相沉积盆地，发育大量的暗色泥岩和碳酸盐岩。前人曾报道了松辽盆地部分地区下石炭统和二叠系地层为陆相低盐度的沉积环境，缺少对于上石炭统地层的研究[10--12]。Hu et al.[13--16]研究了该地区上古生界和中生界地层中的泥质岩石中伊利石的标型特征、绿泥石的化学成分、有机质镜质体反射率和拉曼光谱特征，认为该地区经历了后生--极低级变质作用。张径通等[17]对滨东地区晚石炭系唐家屯组泥质岩石的黏土矿物成因标志的研究证明上述岩石经历了后生--极低级变质作用的改造，但并未进一步讨论该地区副变质岩石的地球化学特征。笔者利用该地区晚石炭统唐家屯组泥质岩石的岩石化学组成参数，讨论其沉积环境及其沉积物质的来源，对了解该地区的沉积和构造演化历史具有较重要的科学意义。

1 区域地质背景

哈尔滨东部地区位于中亚造山带东端 (图1)，大地构造单元由松嫩地块、佳木斯地块、兴安地块等组成[18]。研究区位于松嫩地块的东部、牡丹江断裂带以西。区内出露地层有石炭系、二叠系和三叠系等[19,20]。

图1 滨东地区构造位置图(a)地质略图(b)Fig.1 Structure location (a) and simplified geological map (b) of eastern Harbin area, China

区内出露石炭系唐家屯组地层。唐家屯组岩性以酸性、中酸性火山岩为主，其中夹有中性火山岩及正常沉积碎屑岩。地层分为上下两部分，下部为黄褐、灰黑色片理化流纹质凝灰熔岩、酸性凝灰熔岩夹灰紫、灰绿色凝灰质砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩、页岩；上部为灰色片理化流纹质凝灰熔岩、凝灰岩与中酸性凝灰熔岩互层，夹灰黑色凝灰质板岩[19,20]。

区内二叠系出露地层自下至上依次为杨木岗组，土门岭组，五道岭组。杨木岗组主要为泥质粉砂岩，夹少量其他碎屑岩和中性、中酸性火山岩，与下伏唐家屯组整合接触[19]，与上覆土门岭组不整合接触[20]。土门岭组岩性以砂岩和泥岩为主，夹有灰岩、酸性凝灰岩及凝灰砂岩等，具韵律性沉积。岩石具条带状构造，与上覆五道岭组为不整合接触[20]。五道岭组岩性主要是中性和酸性火山岩，下部为中性火山岩夹沉积岩薄层，上部为酸性火山岩夹沉积岩薄层[20]。

区内岩浆--构造活动强烈。松嫩地块与额尔古纳—兴安地块及佳木斯地块碰撞拼合的构造事件形成了佳蒙地块[9]。早石炭世时期，佳蒙地块发育稳定的陆相沉积[21]。早石炭世以后，东北地区开始发育火山盆地沉积或凹陷盆地沉积，沉积特征可概括为南侧发育海相地层，北侧发育火山盆地和凹陷盆地沉积为主的陆相地层[9]。

董申保[22]和黑龙江省地质矿产局[19]认为该地区经历了低绿片岩相的区域变质作用。近年来，一些学者对东北地区晚古生代地层中黏土矿物和有机质镜质体反射率等的研究，认为地层经历的实际温度并未到达低绿片岩相，该地区经历了后生--极低级变质作用[13--16]。

2 样品与测试方法

2.1 样品采集

研究样品采自哈尔滨市阿城区大岭乡某采石场，实测剖面(图2)地层相当于唐家屯组地层的下部，地层出露良好。剖面起点坐标45°30′51.4″N， 127°07′04.8″E，终点坐标45°30′57.2″ N， 127°07′02.3″E，剖面全长约150 m。共采集8件样品，岩性为灰黑色泥质粉砂岩。

图2 唐家屯组实测剖面Fig.2 Cross-section of Tangjiatun Formation

泥质粉砂岩岩石为黑色，灰黑色，可见水平层理。岩石镜下呈粉砂泥质结构(图3)，碎屑主要包括粉砂级碎屑(0.025～0.003 8 mm)和泥级碎屑(<0.003 8 mm)。粉砂级碎屑多呈次棱角状或不规则状，主要成分为石英和斜长石，石英碎屑磨圆度较差，分选度中等，含量约40%；长石约10%，蚀变较强，多蚀变为黏土矿物。泥级碎屑矿物类型镜下难以分辨。

2.2 测试方法

全岩矿物相对含量在中国石油勘探开发研究院完成。分析仪器为日本Japan Rigaku 公司生产的D/max--2500 X--Ray diffractometer. 实验中首先将烘干样品全部粉碎至200目备用。测试条件为：Cu靶，电压为40 kV，电流为100 mA，扫描速度 6°/min，步长 0.01°，狭缝系统发散狭缝 1°、防散射狭缝 1°、接收狭缝 0.3 mm。矿物总量和常见非黏土矿物分析测试条件：扫描范围 2.6°～45°；矿物含量XRD分析属于半定量分析。

图3 泥质粉砂岩的显微照片(PM06--01)Fig.3 Photomicrograph of pelitic siltstone (PM06--1)

样品的主量元素、微量元素和稀土元素分析测试在吉林大学实验测试中心完成。采用X--射线荧光光谱仪(XRF)完成主量元素的分析，采用Agilent公司生产的7500a型激光剥蚀--电感耦合等离子体质谱仪(LA--ICP--MS)完成微量元素和稀土元素分析。实验制备方法：将样品粉碎至200目 (直径 < 74 μm)。之后将样品放入烘箱，在105℃温度下烘 2 h 后放入干燥皿中以备用。同时，准确称量干燥的样品 0. 050 0 g(精确至0. 000 01 g) 于 5 mL 聚四氟乙烯溶样弹中，加入1.40 mL HF和1.6 mL HNO3，加盖溶样弹，密闭钢套后放入恒温的干燥箱，在190℃条件下保持48 h。在干燥箱内进行自然冷却，温度冷却至室温后，在120℃的电热板上，将溶液蒸至湿盐状，继续冷却后，将3 mL 50% HNO3加入其中，加盖溶样弹，将钢套密闭后放入恒温干燥箱，在150℃条件下保持12 h。冷却之后，将消解液用高纯水移入PET样品瓶 (聚氯乙烯样品瓶)，定容至50 mL后摇匀备用，与此同时做空白试剂。测试结果的相对标准偏差<5%。

3 测试结果

3.1 全岩矿物组成

全岩矿物XRD分析数据见表1。结果表明，泥质粉砂岩的矿物组成为石英，钠长石和黏土矿物。石英含量变化于36.4%～43.7%，平均值为41.2%，钠长石含量变化于9.2%～17.0%，平均值为13.3%。黏土矿物总量变化于41.9%～52.7%，平均值45.5%，黏土矿物主要为层状硅酸盐矿物[17]。

表1唐家屯组泥质粉砂岩全岩XRD分析数据

Table1TangjiatunFormationpeliticsiltstonewholerockXRDanalysisresults/%

3.2 主量元素和微量元素

泥质粉砂岩的主量元素和微量元素测试结果见表2。样品主量元素SiO2的含量在61.64%～65.05%，Al2O3含量为16.99%～17.63%，CaO含量为0.59%～0.82%，MgO含量为1.33%～1.74% ，TiO2含量为0.65%～0.78%。微量元素中，B元素的含量为2.13×10-6～ 5.14×10-6，Sr元素的含量为51.36×10-6～127.60×10-6，V元素的含量为109.20×10-6～166.80×10-6，Ni元素的含量为24.47×10-6～ 65.42×10-6。稀土元素总量为 ΣREE=40.12×10-6～133.67×10-6，轻重稀土比值为 LREE/HREE=3.42～6.69 ，(La/Yb)N在2.11～6.12之间。δEu 0.61～0.73，显示Eu负异常。δCe 0.84～1.02，整体 < 1，显示Ce负异常。

表2 唐家屯组泥质粉砂岩主量 (10-2)、微量元素(10-6)分析结果Table 2 Major elements (10-2) and trace elements (10-6) analyses for pelitic siltstone of Tangjiatun Formation

4 讨论

4.1 形成时代

唐家屯组由郑广渊 (1963) 创建于黑龙江省阿城市唐家屯。自下而上由变质酸性火山沉积岩段、变质中酸性火山岩段和变质中性火山岩段组成。 (复合) 正层型剖面，剖面总厚度>1 208.4 m。岩性主要为片理化酸性、中酸性、中性火山岩与千枚岩、板状凝灰沉积岩、长石砂岩、杂砂岩及斑点板岩[20]。现指分布于黑龙江省阿城市、宾县和五常市等地，岩性以强片理化酸性、中酸性火山岩为主，夹少量中性火山岩及片理化变质的正常沉积岩[20]。黑龙江省地质矿产局[19]、曲关生等[20]以岩石地层单位为基础，依据尚志市永安屯所产的植物化石Paracalamitessp.以及阿城市亚沟东山本组地层的同位素年龄306 Ma (Rb--Sr法)，将其归于晚石炭世。近年来，一些学者通过同位素年代学研究，报导了唐家屯组所含锆石的测年结果。Meng et al.[23]根据张广才岭地区唐家屯组安山岩的292 Ma锆石U--Pb定年结果，将其归于早二叠世。郝文丽等[24]报道了滨东地区唐家屯组岩浆锆石289～302 Ma的U--Pb定年结果，加权年龄为295±1 Ma，认为唐家屯组地层的形成时代为早二叠世。王兴等[25]报道了滨东地区唐家屯组火山岩锆石300±1 Ma的U--Pb年龄值，认为本组地层形成于晚石炭世。

综合前人的层序地层学、古生物学和同位素定年结果，笔者仍将唐家屯组的形成时代归于晚石炭世。

4.2 矿物组成与沉积物源

沉积岩中的黏土矿物按成因可分为陆源碎屑黏土矿物和沉积成岩过程中新形成的黏土矿物，成岩过程中形成的黏土矿物又可进一步分为自生黏土矿物和次生黏土矿物两类[26]。陆源碎屑黏土矿物可以直接反映物源和沉积环境，沉积成岩过程中新形成的黏土矿物的组分含量和组合类型间接地受到沉积物源的影响，所以可以用来追溯沉积物源和搬运情况。

研究区泥质粉砂岩的矿物组合为石英+钠长石+伊利石±绿泥石±绿泥石/蒙皂石混层 ± 高岭石[17]。石英和钠长石为主要的碎屑矿物，分选较好，磨圆度较差，反映其物质来源较近，沉积物未经过远距离的搬运。黏土矿物伊利石、高岭石、绿泥石/蒙皂石混层、绿泥石均为层状结构的硅酸盐矿物，部分可能是碎屑矿物，部分是自生矿物，属于成岩--极低级变质作用的产物。

沉积岩的成分变化指数 (ICV) 可以用来衡量铝相对于岩石或矿物中其他主要阳离子的丰度，指示沉积物的成分成熟度；蚀变化学指数 (CIA) 可以判断物源区化学风化程度[27,28]。研究样品的ICV指数为0.70～0.83，平均值为0.77，表明其成分成熟度较低[27]；样品的CIA指数为69.37～71.49，平均值为70.24，整体在80以下，反映源区经历了中等化学风化作用[28]。应用佩蒂庄[29]提出的砂岩类型的判别图解，对研究区8个样品进行了投图分析(图4)。数据点主要投在长石砂岩区，部分落在岩屑砂岩区，表明其原岩含有较多的石英和长石。

图4 砂岩类型判别图解Fig.4 Discrimination diagram of sandstone

鉴于研究区处于松嫩地块的东缘，地层位于天山—兴安岭地层区的小兴安岭分区，区内产出的长英质岩石，经风化剥蚀，可能成为滨东地区石炭纪唐家屯组泥质岩石的物源区。

4.3 微量元素与沉积环境

岩石中微量元素含量的高低，及某些特定比值的大小是判定沉积环境的良好标志[1,2]。沉积岩中Sr、B*和Ga值，以及B/Ga、Sr/Ba比值常用来判断古盐度[3,4]。Ni、V等金属元素含量常用作探讨氧化还原环境[30--32]。研究区唐家屯组泥质粉砂岩微量元素地球化学参数对沉积环境的指示结果见表3，其中B*含量参数是依据Walker[3]研究，投图(图5)获得的。表3显示，泥质粉砂岩的B*含量整体远<50×10-6， Sr含量为130×10-6～ 500×10-6，整体远<300×10-6，Sr/Ba比值为0.11～0.26，平均值为0.16，整体远低于1，B/Ga为0.10～0.23，平均值0.15，远低于1，均属于陆相沉积环境。V/(V+Ni)比值为0.69～0.86，平均值为0.81；V/Ni比值为2.22～6.05，平均值为4.53，指示唐家屯组岩石形成于还原环境。

图5 相当硼校正图Fig.5 Approximation diagram of relative B

图6展示了唐家屯组泥质粉砂岩的稀土元素配分曲线，整体分布较为平缓。稀土总量ΣREE为40.118×10-6～ 133.67×10-6，平均值85.80×10-6，低于全球平均大陆上地壳成分 (UCC 146.4×10-6)。(La/Yb)N值为2.11～5.96，平均值4.13，这表明轻重稀土的分馏程度较低，轻稀土元素较富集。δEu为0.61～0.73，出现较明显的Eu负异常，这可能与源区斜长石含量较低有关，指示物质来源可能为长英质岩石。δCe 0.85～1.02，表现出微弱的负异常，表明岩石产出于还原环境中，这与微量元素的研究结果吻合。

表3唐家屯组泥质粉砂岩沉积环境判别数据表

Table3DeterminationofsedimentaryenvironmentofTangjiatunFormationpeliticsiltstone

判别参数判别标准样品数据判别结果B∗/10-6>300 海相<200 陆相<50陆相环境Sr /10-6800^1000 海相100^200 陆相81陆相环境Sr/Ba>1 海相<1 陆相0.16陆相环境B/Ga>4.5 海相<3.3 陆相0.15陆相环境V/Ni>3 还原环境<1.9 氧化环境4.53还原环境V/(V+Ni)>0.54 还原环境<0.46 氧化环境0.81还原环境

图6 唐家屯组泥质粉砂岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线Fig.6 Chondrite normalized REE distribution patterns of Tangjiatun Formation pelitic siltstone

4.4 构造环境

沉积岩的化学成分与构造环境存在一定的联系。研究区样品的SiO2的平均含量为63.26%，说明泥质粉砂岩中富含石英和硅酸盐矿物； Al2O3的平均含量为17.24%，这与岩石中长石和黏土矿物等富K的矿物有关；CaO平均含量为0.71%，MgO平均含量为1.52%，反映岩石中长石和黏土矿物的含量相对较高，碳酸盐岩矿物含量偏低。 Bhatia[33]将构造环境划分为：大洋岛弧，大陆岛弧，活动大陆边缘，被动大陆边缘；并提出了与TiO2— Fe2O3+MgO成分相关的构造环境的判别图解。在Bhatia[33]的TiO2— Fe2O3+MgO判别图解中，研究区样品的数据点均处于大陆岛弧区及大陆岛弧区附近(图7)。在杨江海[34]提出的物源区主量元素F1--F2与构造环境的判别图解中(F1=0.267 Na2O+0.068 MgO+0.259 Al2O3-0.122 SiO2-0.053 K2O+0.193 CaO+0.330 TiO2+ 5.840 MnO+4.320; F2=0.663 Na2O-0.037 MgO-0.172 Al2O3-0.503 SiO2+1.035 K2O-0.074 CaO+1.687 TiO2-17.250 MnO+3.051)，其多数数据点落入大陆岛弧的区域内(图8)；按照Bhatia and Crook[35]提出的La-Th-Sc, Th-Sc-Zr和Th-Co-Zr构造判别图解，样品大部分数据点落在大陆岛弧区，个别数据点落在判别区外(图9)。这表明研究区源区的构造环境可能属于大陆岛弧环境。

A.大洋岛弧；B.大陆岛弧；C.活动大陆边缘；D.被动大陆边缘图7 砂岩形成构造环境的TiO2-Fe2O3+MgO判别图解Fig.7 TiO2-Fe2O3+MgO composition plots of sandstone for tectonic setting discrimination

A.克拉通内部；B.陆缘弧；C.碰撞造山带；D.大陆岛弧；E.大洋岛弧.图8 砂岩物源环境F1-F2判别图解Fig.8 F1-F2 plot of sandstone for provenance discrimination

A.大洋岛弧; B.大陆岛弧; C.活动大陆边缘; D.被动大陆边缘图9 La-Th-Sc, Th-Sc-Zr和Th-Co-Zr构造判别图解Fig.9 La-Th-Sc, Th-Sc-Zr and Th-Co-Zr tectonic environment discrimination diagram

5 结论

(1)唐家屯组泥质粉砂岩矿物组成为石英+钠长石+伊利石±绿泥石±绿泥石/蒙皂石混层±高岭石。岩石样品的ICV指数和CIA指数反映了源区岩石经历了中等化学风化作用，成分成熟度较低。样品的这些特点反映其物质来源为长英质岩石，岩石的物源区可能属于松嫩地块。

(2)唐家屯组泥质粉砂岩的微量元素V、Ni含量高，B，Sr含量低，具较高的V/Ni、V/(V+Ni) 值和较低的Sr/Ba值，反映其沉积环境为陆相还原环境。

(3)唐家屯组泥质粉砂岩SiO2、Al2O3、K2O含量高，CaO、MgO、Na2O含量低的特点，及La-Th-Sc，Th-Sc-Zr，Th-Co-Zr元素含量的关系，指示了岩石形成时的构造背景为大陆岛弧环境。