桂东大桂山地区寒武系砂岩地球化学特征及沉积构造环境分析

吴年冬, 王忠伟, 倪战旭, 彭 展

(广西壮族自治区区域地质调查研究院, 广西 桂林 541003)

0 引 言

华南板块由北西侧的扬子地块和南东侧的华夏地块组成,两地块的边界为钦杭结合带[1], 该带是一个经历了多期演化的复杂构造带[2], 该界线的北东段(浙赣段)比较清楚(在萍乡-江山-绍兴等超壳断裂带之间)[3-4], 而此界线由萍乡往南西延伸进入湖南之后, 由于盖层覆盖严重, 导致界线争议很多。在2017年的《广西地质志》中, 该界线被认为在广西境内是沿峒中-小董-梧州-贺街断裂带。

钦杭结合带东段由扬子与华夏地块在晋宁期或四堡期(早新元古代)碰撞对接形成江南造山带[3,5-9]， 但是江南造山带往南西段(湘桂段)的延伸因南华纪—中生代巨厚沉积物覆盖, 而无法明确限定的物质记录, 其构造属性仍存在较大分岐。

一种观点认为华南板块自新元古代后进入陆内演化阶段, 早古生代的加里东运动和中生代的印支运动均为陆内造山作用[9-10]。另一种观点认为晋宁运动后为一残留洋盆, 且该盆地一直延续到加里东期[3, 5-8, 11-14]。还有一种观点认为华南地区为特提斯洋的多岛洋盆体系的一部分, 并认为扬子与华夏地块之间(中段与南段)在加里东期拼合之前存在一个洋盆——南华洋[15]。

由上可见, 加里东期扬子地块与华夏地块之间盆地性质的厘定, 对华南大地构造的属性的确定具有十分重要的意义。近年针对上述争论，柏道远等[16]、 杜晓东等[17]、 王鹏鸣等[18]通过对湘东南、 桂中的大瑶山-大明山、湘桂交界的苗儿山和湘南金鸡岭地区震旦-寒武系碎屑岩进行了岩相学、 地球化学的研究, 认为扬子地块与华夏地块之间新元古代—早古生代期间的沉积盆地不是深海槽或大洋, 而是位于被动大陆边缘的浅海盆地[16-18]。 但是这些工作多集中在湘东南、 桂中、 桂北地区, 而对扬子地块与华夏地块结合带西南段湖南与广西交界的桂东地区开展工作有限。因此, 本次研究对桂东大桂山地区贺街-梧州断裂两侧寒武系砂岩进行了地球化学分析, 通过常量元素、 微量元素及稀土元素的研究, 确定了寒武系砂岩的构造环境, 以此对该地区早古生代扬子与华夏地块之间的盆地性质进行限定。

1 地质概况

桂东大桂山地区地处扬子地块与华夏地块的交接地带(图1), 区内大量出露寒武纪地层, 多为复理石、 类复理石碎屑岩沉积，自下而上主要划分为小内冲组、 黄洞口组。小内冲组主要为灰绿色杂砂岩、 长石石英杂砂岩、 不等粒杂砂岩与砂质泥岩互层, 夹粉砂岩、 (含炭)泥岩, 发育水平纹层、 水平层理。黄洞口组岩性主要为灰绿色、 灰黄色厚层块状不等粒杂砂岩、 石英杂砂岩、 长石石英杂砂岩、 杂砂岩、 粉砂岩与泥岩、 粉砂质泥岩不等厚互层, 局部含炭泥岩, 底部多为含细砾粗砂岩， 该组多见砂岩包裹泥岩碎屑、 泥砾等, 具槽模、 沟模构造, 发育粒序层理、 交错层理、 微斜层理及水平层理(图2)。研究区内未见顶, 其上为泥盆系莲花山组砾岩不整合覆盖。

2 砂岩地球化学特征

本次工作在贺街-梧州断裂北西侧贺州市信都镇大桂山地区、 梧州市沙头镇天子位一带采集了8件样品, 在南东侧贺州市铺门镇松坪村、 梧州市石桥镇七星坪一带采集了9件样品, 总计17件。样品采集地点覆盖了大桂山地区大部分区域, 具有较广泛的代表性。所分析的17件样品, 主要为较新鲜的厚层块状中细粒砂岩, 部分为不等粒、 粗粒砂岩样品, 砂岩主要矿物有石英(52%～76%)、 长石(0～10%)、 岩屑(1%～15%)、 云母(<5%), 粒径为0.003 9～1 mm, 碎屑物呈次棱角状-次磨圆状。测试前对样品进行了清洗、 粉碎, 主量元素、 微量元素和稀土元素分析由国土资源部武汉矿产资源监督检测中心完成, 分析仪器分别为X荧光光谱仪(XRF-1800)、 电感耦合等离子体质谱仪(X2)、 等离子发射光谱仪(ICAP6300)、 粉末固体进样电弧发射光谱仪(CCD-I)。测试结果见表1。

2.1 主量元素分析

成分变化指数(ICV)被广泛用于估计细屑岩的原始成分变化, 判断一个细屑岩的岩石序列是代表第一次沉积的沉积物还是源于再循环的沉积物[19]。

图1 大桂山地区所处大地构造位置(a, 据2017年《广西地质志》修改)和区域地质略图(b)

图2 大桂山地区寒武系砂岩浅水沉积环境的标志

表1 桂东寒武纪砂岩岩石化学成分(wB/%)、 微量元素丰度(wB/10-6)及特征值

续表1

ICV=(Fe2O3+K2O+Na2O+CaO*+MgO+MnO+TiO2)/Al2O3,

式中: 氧化物含量为摩尔分数; CaO*是指硅酸岩中的CaO; K2O经过钾化校正。 如果ICV值大于1, 表明它们含有很少的粘土矿物, 反映是在活动的构造带首次沉积，而ICV值小于1, 表明沉积物质经历了再循环或是在强烈的化学风化条件下首次沉积[19]。研究区ICV值均小于1, 平均值0.69, 表明沉积物中有大量的粘土矿物, 可能是经历了再沉积的产物或者是强化学风化环境的首次沉积物。

化学蚀变指数(CIA)最初是作为能够定量反映物源区源岩化学风化程度的一个化学指标。 随后, 该指数被引用于定量地反映沉积物沉积时的古气候环境研究[20], 其表达式为

CIA=Al2O3/(Al2O3+CaO*+Na2O+K2O)×100,研究区样品的CIA指数除C1716为62.2、 C1719为87.5, 其余为66.8～81.7, 平均为76.5。 研究区样品CIA值大部分在65～85, 反映温暖、 湿润条件下中-高等的化学风化程度[19]。

K2O含量为1.5%～4.1%, Na2O为0.03%～2.17%。反应淋滤程度的K2O/Na2O值变化于0.93～65.33, 平均值11.7， 不同样品之间差别较大。K2O/Na2O值高的样品可能表明样品受过强烈的淋滤作用, 使Na大量淋滤丢失, 而K较多的保留。K2O/Na2O值同样也受沉积盆地构造环境的制约, 根据现代沉积物的组成特征, 火山活动强烈环境的现代深海浊积岩中的砂岩K2O/Na2O<1, 沉积盆地边缘砂岩的K2O/Na2O>1[18], 研究区K2O/Na2O值基本>1, 由此可以判断研究区的样品主要为远离火山活动的沉积盆地边缘的碎屑岩。

Rollison等[21]提出了区分物源区主要是铁镁质的、 中性的或长英质火成岩和石英沉积岩的判别图解。本文根据TiO2、 Al2O3、 Fe2O3、 MgO、 CaO、 Na2O、 K2O而建立的多变量判别函数图解进行投图, 研究区寒武系砂岩在限定物源区特征的图解(图3)中均投入石英岩沉积岩源区; 在物源区指纹的判别图解(图4)中, 有7件样品投入中性岩火成物源区, 4件样品投入长英质火成物源区, 6件样品投入石英岩沉积岩源区。

图3 砂岩限定物源区特征图解(底图据文献[21])

图4 砂岩物源区指纹判别图解(底图据文献[21])

2.2 微量元素特征

大量研究表明, La、 Ce、 Th、 Zr、 Nd、 Y、 Hf、 Nb、 Sc、 Co和Ti等弱活动或不活动的稀土、 微量元素, 对于碎屑岩物源区的判别具有重要的意义。研究区微量元素含量特征见表1。

在TiO2-Ni图解(图5)中, 多数样点落入长英质区域、 泥岩、 砂岩区域及其附近, 明显远离镁铁质区域, 反映其物源为长英质岩石区, 兼有成熟的再循环沉积物的特征。在La/Th-Hf图解(图6)中, 多数样点来自上地壳、 长英质源区、 古老沉积组分增加趋势, 少量为长英质与玄武质混合源区, 表明研究区寒武系碎屑岩成分以来自地壳长英质、 石英质岩石为主, 含有少量的火成物源及古老再循环沉积物。

在微量元素上地壳标准化值蛛网图上(图7), 研究区样品普遍表现为Nb、 Sr、 P、 Ti相对亏损, Th、 La、 Nd、 Sm、 Cr相对富集。这些特征与被动大陆边缘的样品相似, 具有成熟大陆壳的特点[17]。

图5 TiO2-Ni图解(底图据文献[17])

图6 La/Th-Hf图解(底图据文献[17])

图7 研究区寒武系砂岩微量元素蛛网图及其与不同构造环境[17]对比(上地壳标准化数据引自文献[21])

在La-Th-Sc图解(图8a)中, 寒武系砂岩样品都落在活动大陆边缘和被动大陆边缘区域或附近;在Th-Sc-Zr/10图解(图8b)中, 有半数样点都落入活动大陆边缘, 一个样点落入被动大陆边缘, 其余样点多数落在这两者之间; 在Th-Co-Zr/10图解(图8c)中, 多数样点也都落入活动大陆边缘与被动大陆边缘之间。

2.3 稀土元素特征

稀土元素含量及特征值见表1、 表2。 稀土元素含量总体较高,∑REE为(208.35～891.83)×10-6, 平均386.72×10-6。稀土元素中的LaN/YbN值是反映轻重稀土元素分馏程度的指数,研究区寒武系砂岩的LaN/YbN为7.3～40.1, 平均为14.35, 表明轻重稀土的分馏程度较高; 轻稀土元素的LaN/SmN为3.22～6.46, 平均为4.4; 重稀土元素的GdN/YbN为1.58～2.62, 平均值为2.02, 表明轻稀土元素的分馏程度高, 重稀土元素的分馏程度低。

LREE/HREE值较高, 为6.99～15.23, 平均9.33, Eu/Eu*值为0.43～0.70, 平均为0.59, 具中等的铕负异常。Ce/Ce*值除样品C1809大于1以外, 其余为0.23～0.97, 平均值0.78, 表明其沉积环境应为氧化环境。

图8 砂岩构造环境La-Th-Sc(a)、 Th-Sc-Zr/10(b)、 Th-Co-Zr/10(c)判别图(底图据文献[16])

表2 研究区与不同构造背景下杂砂岩REE参数

稀土元素的球粒陨石标准化配分模式呈明显右倾型(图9)，轻稀土富集， 与上地壳和后太古宙页岩相似[21], 说明它们来自上地壳。

Bhatia对现代已知盆地构造成因类型中砂岩、 泥岩的一些特征参数进行了总结, 确定了不同构造环境下砂岩稀土元素特征参数值(表2)。 研究区砂岩的La、 Ce、 ∑REE、 La/Yb、 LaN/YbN与被动大陆边缘相似, LREE/HREE值与活动大陆边缘相似, Eu/Eu*值与活动大陆边缘、 被动大陆边缘相似。

图9 稀土元素的球粒陨石标准化曲线(球粒陨石标准化值引自文献[21])

3 沉积构造环境分析

虽然风化作用、 搬运作用、 沉积作用、 成岩作用和物源区的成分都会影响到沉积岩的化学组成, 但是沉积岩的化学成分也受沉积盆地的构造环境控制, 因此, 一些沉积岩的地球化学指标可以被用来分析风化环境、 物源区成分和沉积盆地构造环境等信息[17, 23]。

综上所述, 研究区寒武系杂砂岩组分总体成熟度较低, 在温暖、 湿润条件下具中-高的化学风化程度, 并且包含了一些再沉积的产物。

在研究区砂岩的主要元素判别图解中(图10), 寒武系杂砂岩样点大部分投入活动大陆边缘, 有2件样品投入被动大陆边缘、 2件样品落入大陆岛弧、 1件样品落入大洋岛弧。

在砂岩的双变量判别图解(图11a)中, 有9件样品落入大陆岛弧中, 2件样品落在活动大陆边缘或附近, 其余各样品比较分散； 而在图11b的判别图中, 样品点比较分散, 1件样品落在大洋弧中, 2件样品落在大陆弧中, 2件样品落在活动大陆边缘, 1件样品落在被动大陆边缘, 其余均分散或靠近活动大陆边缘、 被动大陆边缘。

图10 砂岩的构造环境判别函数图解(底图据文献[21])

在砂岩沉积盆地构造环境的K2O/Na2O-SiO2图解(图12a)中， 样品大部分落在被动大陆边缘, 仅有4件落在活动大陆边缘；在SiO2/Al2O3-K2O/Na2O图解(图12b)中, 样品均落在被动大陆边缘。

综合微量元素的图解特征，研究区寒武系样品基本落在活动大陆边缘或者被动大陆边缘, 稀土元素的参数特征接近被动大陆边缘, 主量元素的图解中样品基本落在活动大陆边缘、 被动大陆边缘, 兼具其他构造环境的特征。

4 讨 论

通过对大桂山地区寒武纪砂岩地球化学特征分析, 认为区内在寒武纪为被动大陆边缘环境, 并无洋盆的存在。这一推论, 还有以下证据:

研究区内寒武系中多处发现了砂岩包裹泥岩碎屑、 交错层理、斜层理、泥砾等浅水沉积环境的标志, 说明研究区早古生代沉积盆地为浅海环境, 而不是大洋。

邻区的生物地层学、 古生态学、 沉积古地理等方面的研究显示, 扬子地块到华夏地块于早古生代是连续统一的陆内海盆, 两者之间并不存在深海槽和大洋[17]。

图及双变量关系图(底图据文献[21])

图12 主量元素构造环境判别图解(a底图据文献[21]; b底图据文献[22])

通过对ICV值的分析表明, 桂东大桂山地区寒武系的砂岩可能是经历了再沉积的产物。从不同构造背景下的剥蚀原岩(继承性因素)来看, 被动大陆边缘的地球化学特征可能包括较多的大陆岛弧和活动大陆边缘环境的地球化学信息[16]。桂东大桂山地区寒武系砂岩的地球化学特征显示其主要具被动大陆边缘、 活动大陆边缘的环境信息, 极少量样品显示具大陆岛弧、 大洋岛弧构造特征。因此认为该地区寒武系砂岩应形成于被动大陆边缘环境。

在邻区湘东南、 桂中的大瑶山-大明山、 湘桂交界的苗儿山和湘南金鸡岭地区早古生代沉积岩的地球化学特征也表明，古生代沉积盆地为被动大陆边缘的陆内裂谷环境[16-18]。

5 结 论

(1)对主量元素TiO2、 Al2O3、 Fe2O3、 MgO、 CaO、 Na2O、 K2O建立的多变量判别函数图解和微量元素、 稀土元素的TiO2-Ni、 La/Th-Hf图解分析可以判断, 研究区寒武系沉积物的物源区以上地壳长英质、 石英质岩石为主, 含有少量的火成物源及古老再循环沉积物。

(2)根据主量元素、CIA值等研究认为, 研究区寒武系砂岩是在温暖、 湿润且远离火山活动的沉积盆地边缘中沉积的碎屑岩; 通过稀土元素Ce及Ce/Ce*值的研究认为, 其沉积环境应为氧化环境。