华北北缘化德—康保一带化德岩群原岩恢复及沉积环境探讨

田 贺，王立考，李博文，李艳杰，王 政

(中国建筑材料工业地质勘查中心河北总队，河北 保定 071051)

华北陆块北缘在其演化期间发生了一系列重大地质事件，经历了多次构造热事件。与此同时，伴随产生了大规模成矿作用，形成了十分丰富的矿产资源[1]。前人对化德岩群研究主要集中在化德岩群地层划分、岩石矿物学特征、年代等研究，对化德岩群原岩恢复尚未进行系统研究。对变质岩的原岩恢复研究表明，依据不同的变质岩原岩类型有特定的微量元素组成及其比值特征这一特性，运用岩石地球化学方法对化德岩群变质岩进行研究，采用地球化学稳定性较强，在地壳中广泛分布且有指示意义的微量元素及其相关比值、图解方法可以有效指示其形成环境及与某种矿产之间的关系[2]。本文在对化德岩群进行岩相学特征研究的基础上，运用岩石地球化学方法对其进行原岩恢复研究，探讨其形成时的古构造环境，以期为今后化德岩群中矿产资源探寻提供指导意义。

1 区域地质特征

化德岩群主要分布在内蒙化德县、河北康保县，向东延至内蒙太仆寺旗。大地构造位置处于柴达木—华北板块、华北陆块、华北北缘沉降带[3]。区内地层主要为新太古界中深变质的红旗营子岩群及古元古界浅变质的化德岩群，化德岩群主要为钙硅酸盐类、长石石英岩类、片岩—千枚岩类和碳酸盐岩类。钙硅酸盐类包括透闪岩和透辉岩，仅分布于戈家营组中，宏观上岩石成层性好，致密坚硬，常形成正地形。长石石英岩类包括石英岩、变质砂岩等，三夏天组、毛忽庆组、头道沟组和北流图组中该岩类为主体岩石类型，而在朝阳河组和戈家营组中则呈夹层出现。片岩—千枚岩类岩石在化德群中分布广泛，其中朝阳河组、三夏天组及戈家营组一段中片岩类极为发育；头道沟组中千枚岩、板岩为主要岩石类型；毛忽庆组、北流图组和戈家营组段中该岩类以夹层形式产出。碳酸盐岩类主要为大理岩，产出层位主要为头道沟组和戈家营组，成层性好，厚度巨大。局部地段有中生界侏罗系陆相火山沉积建造不整合覆盖在变质基底之上。新生界第四系覆盖较厚且遍布全区，主要为残坡积物、冲洪积物和风积物[3]。工作区内褶皱及断裂构造发育，岩浆活动强烈(图1)。化德岩群矿产主要为低品位赤铁矿、褐铁矿、晶质石墨矿、石英岩矿等。

图1 化德—康保一带地质背景简图

2 岩相学特征

化德岩群主要为一套钙硅酸盐—碳酸盐岩—变质泥质岩—变质碎屑岩组合。依据矿物成分、结构构造特点，可归纳为钙硅酸盐类、长石石英岩类、片岩—千枚岩类和碳酸盐岩类。本次共采集样品12件，石英岩类4 件、片岩类4 件、钙硅酸盐3 件、变质碳酸盐1 件，均来自头道沟—戈家营一带地质填图采样，主要在戈家营组和三夏天组中采集，基本上代表了该群所有岩石类型。岩石主要呈灰白、灰褐、深灰、灰黑色，粒状—鳞片粒状变晶结构、斑状变晶结构，变余层状构造、块状构造、局部变余砂状结构、片状或千枚状构造，化德岩群变质岩显微照片见图2，主要矿物成分详述如下。

图2 化德岩群变质岩显微照片

石墨：多呈粒状或鳞片状，片径大小一般为0.01～0.05mm，少数为0.05～0.1mm，个别为0.1～0.3mm，多数呈集合体分布，沿黑云母、白云母解理分布，部分分布于石英颗粒内部或填隙于石英颗粒之间，大部分集合体呈条痕状定向分布，石墨含量1%～15%。

石英：多呈拉长状，粒径0.2～1.25mm，多聚集成团块状、似条痕状无规则分布，石英颗粒大小较为均匀，石英颗粒彼此镶嵌排列，少数颗粒略显定向拉长，部分颗粒亦保存有变余砂粒特征，多见石英内部包嵌鳞片状石墨、云母。

斜长石：呈他形粒状，粒径0.1～0.5mm，集合体呈似条纹、似薄层状定向分布，表面浑浊，发生较强烈的土化，长石解理缝和裂理内部多见有赤铁矿充填。

黑云母、白云母：呈半自形片状，部分发生弯曲变形，片径大小一般为0.1～0.4mm，多沿长轴方向定向分布，呈条带状或团块状集合体，黑云母多被绿泥石交代。

方解石：呈自形、半自形粒状，粒径0.2～1.3mm，集合体呈条痕状、透镜状及似层状平行定向展布，矿物长轴定向，矿物间以平直边界呈镶嵌状分布。

透闪石：无色针柱状、毛发状，粒度1mm，集合体呈放射状、束状。

透辉石：无色，半自形—他形粒状，粒度0.1～0.3mm，具褐铁矿化，以不规则形态与石英、方解石互呈镶嵌状分布。

副矿物种类主要为锆石、磷灰石、褐铁矿、磁铁矿、金红石等。各岩类锆石形态与陆源碎屑锆石特征一致，呈浑圆—次浑圆柱状，表面粗糙，可见麻点凹坑，并具铁染。另外，锆石粒度0.2～10.2mm，变化较大，表明原岩中富含砂质，可能为砂质粘土岩类，且物质来源具有多样性，或与搬运距离和埋藏速度有关，基本反映了沉积岩的特征[4]。

综上所述，从岩石的矿物成分、结构、构造来看，其原岩应为砂泥质—碳酸盐岩组成，矿石局部还保留有变余砂状结构[2]。

3 地球化学特征

3.1 常量元素特征

3.1.1 石英岩类

样品(1-4)：SiO2含量84.28%～96.92%，平均90.64%；Al2O3为1.21%～7.81%，平均4.43%，与石英砂岩SiO2含量95.4%相近[5]，Al2O3偏高，但总体较为接近，显示原岩为石英砂岩，岩石中可能混有少量泥质或有机质成分；Na2O 为0.04%～0.6%，平均0.2%；K2O 为0.42%～1.79%，平均1.14%，远高于石英砂岩的0.2%；K2O 明显高于Na2O，说明原岩高铝、富钾的特征(表1)。

表1 化德群常量元素分析结果 (单位：%)

3.1.2 片岩类

样品(5-8)：SiO2为60.08%～75.72%， 平 均70.42%；Al2O3为1.38%～20.12%，平均11.94%；K2O为0.03%～3.28%，平均2.25%；Na2O为0.06%～0.32%，平均0.20%；K2O 明显高于Na2O。其中SiO2与Al2O3具有明显的负相关性。分析结果显示其成分总体介于长石砂岩和杂砂岩的平均值之间，具有高铝、富钾特征。

3.1.3 钙硅酸盐类

样品(9-10)：SiO2为56.86%～66.80%，平均61.81%；Al2O3为6.21%～12.18%，平均9.20%；MgO 为3.54%～5.58%，平 均4.56%；CaO 平 均13.49%。其成分在杂砂岩和页岩之间，仅Al2O3偏低，CaO、MgO 明显偏高。样品(11)：SiO239.90%、Al2O31.62%、MgO 0.48%、CaO 36.98%。总体介于灰岩和页岩平均值之间，仅SiO2含量较高，K2O含量明显高于Na2O，基本反映了沉积岩的特征。

3.1.4 变质碳酸盐类

样品(12)：SiO2为7.18%，CaO 为49.45%，MgO为1.4%。与灰岩平均值相似，MgO 略显偏低，反映了沉积岩特征。

3.2 微量元素特征

3.2.1 石英岩类

与砂岩微量元素含量平均值相比，本岩类V、Ni、Th、Co 元素丰度值略显偏高，Ba 含量普遍较高，而Cr、Rb、Ga 元素丰度值偏低，Sr 含量较低，其它元素丰度值基本接近；Sr/Ba=0.03～0.11，平均0.07。一般认为Ba 在淡水环境含量较高，而Sr在海相环境含量较高，因此，本岩类形成于水体较浅，离岸稍近的沉积环境(表2)。

3.2.2 片岩类

该岩类微量元素丰度值基本介于砂岩和页岩平均值之间。但Zr 元素含量较高，是砂岩和页岩平均值的1.7 和2.3 倍，可知岩石中含有一定量的陆源碎屑。V/Ni 平均比值为8.56，Sr/Ba 比值均＜1，由此可知，该类岩石形成于离岸较远，泥质成分相对增加的沉积环境。

3.2.3 钙硅酸盐岩类

一般认为微量元素多富集于粘土质岩石中，高于砂岩和碳酸盐岩的丰度值，其中Sr 常富集于碳酸盐岩中，Zr 则倾向于在砂岩中富集。从总体来看，该岩类微量元素多介于页岩与碳酸盐岩和砂岩之间。而Sr 丰度值比碳酸盐岩偏低，Zr 丰度值明显低于砂岩和页岩的平均值。由此可见该岩类原岩介于页岩与碳酸盐岩、砂岩平均值之间，钙镁含量较高，且泥、钙质成分随岩石不同而变化。

3.2.4 变质碳酸盐岩类

该岩类与碳酸盐岩平均值相比，岩石中Sr、Li元素亏损，Zr 元素相对富集，元素中以亲碳酸盐岩元素占优势，陆源物质明显减少，表明本区原岩形成时水体较深，但仍混杂有数量不等的泥砂质成分。

表2 化德群微量元素含量一览表 (单位：×10-6)

3.3 稀土元素特征

3.3.1 石英岩类

∑REE=15.62-199.12×10-6，平 均78.20×10-6，普遍偏低；(La/Yb)N=2.45～7.57，平均5.88，轻、重稀土分馏程度较高；δEu=0.53～0.62，平均0.57，铕亏损明显。稀土配分曲线基本一致，均表现为轻稀土部分向右缓倾，重稀土部分向左缓倾，形成不对称“V”型谷(图3)，但样品3、4 稀土总量稍高，显示其原岩中含有一定量的泥质或长石质成分。可知该岩类稀土元素总体特征与中国槽区砂岩相似(表3)。

3.3.2 片岩类

∑REE=189.91-330.12×10-6，高于石英岩类3 倍，这可能与片岩类含有较多的泥质成分有关；稀土配分曲线近于一致(图3)，轻稀土部分右倾，斜率不大，重稀土部分平缓，表明轻稀土较富集，而重稀土相对亏损。∑Ce/∑Y=2.80～7.39，(La/Yb)N=5.76～7.19，表明轻重稀土分馏程度较高；δEu=0.53～0.65，铕亏损较强烈。显示稀土元素丰度特征介于北美页岩和槽区砂岩之间，兼有泥、砂质的过渡特征[6]。

图3 化德群(石英岩1-4、片岩5-8、钙硅酸岩9-11、变质碳酸岩12)稀土曲线配分模式图

3.3.3 钙硅酸盐岩类

∑REE=34.87-205.48×10-6，变 化 较 大，平 均121.57×10-6；稀土配分模式一致，均为右倾“V”型曲线(图3)，但稀土曲线离散性较大，表明原岩中含有不同数量的泥质、钙质及砂质成分。∑Ce/∑Y=2.73～3.20，(La/Yb)N=7.10～7.28，显示轻稀土富集，轻重稀土分馏程度较高；δEu=0.42～0.55，具较明显的负铕异常。样品9、10 稀土元素含量及模式曲线介于中国槽区砂岩和北美页岩两者之间；而样品11 则介于大陆壳碳酸盐岩和北美页岩之间。

表3 化德群稀土元素含量及特征参数 (单位：×10-6)

3.3.4 变质碳酸盐岩类

∑REE=66.38×10-6，显示稀土元素总量较低；∑Ce/∑Y=1.31，(La/Yb)N=2.61，表明轻重稀土分馏程度明显；δEu=0.37，中度亏损。稀土配分曲线向右倾斜(图3)，轻稀土斜率较大，重稀土趋于水平。稀土元素总量明显高于大陆碳酸盐岩平均值，这可能与原岩中不溶组分(碎屑)有关，即含有砂、泥质成分。

4 原岩恢复

原岩恢复主要依据野外宏观特征、岩石组合类型、变余结构构造等进行判定[7]，并结合岩相学、地球化学以及图解判别法对岩石的原岩类型进行探讨[4]。

化德岩群为一套浅变质地层。宏观上，不同岩石类型均保留较明显的原始沉积构造；镜下观察，沉积岩的诸多变余结构、构造保存完好(图3)[1]。显然，化德岩群原岩为沉积岩。在宏、微观调查研究的基础上，结合地球化学分析结果对该群原岩类型进行了图解判别[6]。

4.1 石英岩类

在利克(al+alk)-C 图解中(图4)，4 件样品(样品1-4)落入正常粘土—长石质粘土和杂砂岩区；在涅洛夫(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余组分)图解中(图5)，样品1-3 落入石英砂岩、石英岩区，样品4 落入长石砂岩区。该类岩石与其他岩石呈互层状产出，野外宏观上成层性好，延伸稳定，岩层中保存有斜层理、粒序层理、波痕等变余沉积构造，部分岩石仍可见变余砂状结构。综合上述特征，其原岩以石英砂岩为主，长石石英砂岩次之，岩石中混有极少量泥质或有机质成分。

4.2 片岩类

在西蒙南(al+fm)-(c+alk)-Si 图解中(图6)，样品5-8 落在砂质沉积岩与泥质沉积岩的过渡区，其中样品5、6、7 砂质物相对较多，而样品8 泥质物含量趋于增高；在(al-alk)-C 图解中(图4)，样品5、6、8 落入正常粘土区，样品7 投入正常粘土区与铝质粘土区交界处，显示了样品7、8 铝质成分较样品5、6 增高；在(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余组分)图解中(图5)，样品5 落入复矿砂岩与长石砂岩过渡区，并靠近含泥质砂岩、寒温带粘土区，样品6 投入图解下方硅质泥灰岩、含铁砂岩区，样品7 落在复矿砂岩—长石砂岩与含泥质胶结物砂岩、寒温带粘土交界处，样品8 投入海相—陆相粘土岩区；在尼格里四面体图解中(图7)，所样品投点均落入粘土质沉积岩区。综合以上特征，并结合野外宏观特征，可知片岩类原岩为粘土质粉砂岩及粘土岩(泥岩、页岩)，少数为泥质砂岩[8]。

图4 (al+alk)-C 图解(据利克，1969)

4.3 钙硅酸盐岩类

在(al+alk)-C 图解中(图4)，样品9、12 落入粘土—白云岩混合物区与粘土—石灰岩混合物区之间，样品10 落入粘土—白云岩混合物区，样品11投入石灰岩区；在(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余组分)图解中(图5)，样品9 落入钙质砂岩、含铁砂岩区，样品10 落入硬砂岩区，样品11 投入含铁石英岩区，样品12 落入硅质泥灰岩、含铁砂岩区。另外，岩石化学成分和地球化学特征显示，该岩类总体由钙质砂泥岩向碳酸盐岩过渡，其中样品11、12 向碳酸盐岩过渡的特征更为明显。宏观上，该类岩中发育石变余纹层理，局部可见变余砂状结构。综上所述，该岩类原岩主要为钙质砂页岩、白云质泥灰岩及泥灰岩。

图5 (Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余组分)图解(据涅洛夫，1974)

图6 (al+fm)-(c+alk)-Si 图解(西蒙南，1953)

图7 尼格里四面体图解(据尼格里，1954；转引自契特维里科夫，1956)

4.4 变质碳酸盐岩类

在(al+alk)-C 图解中(图4)，样品12 落入石灰岩端区；在(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余组分)图解(图5)中，样品12 投入图解外，表明Ca、Mg 含量更高；在尼格里四面体图解中(图7)，样品落在灰岩区。该岩与钙硅酸盐岩类呈互层产出，部分岩石中可见变余砂屑。综上可得，该类岩原岩主要为含砂屑灰岩、泥质白云质灰岩及泥质灰岩[2]。

5 构造环境浅析

地质活动过程的不同方式赋予了独特的地球化学标志，研究岩石地球化学特征对反演源区系统的古构造和古地理重建至关重要。本文主要是在野外宏观和室内镜下观察基础上，据常微量元素特征，借助相关图解对化德—康保一带化德岩群变质岩进行构造环境分析。

Sm/Nd 比值是反映ΣREE 分馏程度的重要参数之一，也是反映物质来源的一个重要参数。如地幔为0.260～0.375，大洋玄武岩为0.234～0.425，而源于壳层的花岗岩类及各类沉积岩一般＜0.3。该 区Sm/Nd 值 除12 号 样 透 辉 大 理 岩0.33 外，其余介于0.18～0.25，均值0.22，落在沉积岩区[12]。本区除样品7 外，11 件样品Y/Ho 比值在20.77～30.65，平均值26.35，与现代河水或河口水体(25-28)相近[9]，反映出明显的海水性质。一般认为La 在陆源物质中相对富集，Ba 在淡水环境含量较高，而Sr 在海相环境含量较高。而本区(La/Yb)N 的值介于2.45～7.57，均＞1。1-8 号样Sr/Ba=0.03～0.16，平均0.08。因此，可推断为离岸稍近的海洋浅水环境。但9-11 样品Sr/Ba=0.82～7.51，平均3.39，元素中以亲碳酸盐岩元素占优势，陆源物质明显减少，表明形成时水体较深，但仍混杂有数量不等的泥砂质成分。Ni/Co 比值可用来判别氧化—还原环境，本区Ni/Co比值在0.56～5.25 之间，平均1.99，总体显示为氧化环境(＜5.0)，仅有1 个样品落入次还原环境(5.0～7.0 之间)[9]。Rb/Sr 值介于0.05～5.52，＜18，指示古气候为干旱气候[2]。

综上所述，化德岩群原岩类型为一套砂泥质—碳酸盐岩组成的类复理石建造。沉积环境总体为潮坪—潮下—开阔海(浅海)沉积。从地层展布、岩性组合及纵横相变化特征综合分析[10]，可知海槽南界大致在康保东60km 外太仆寺旗—闫油坊—张纪镇一线，水体自南向北变深。

6 结论

本文采用岩石学、岩石地球化学方法结合恢复了化德岩群变质岩的原岩类型，并探讨了其古沉积环境，得出以下结论。

(1)该岩群主要为一套钙硅酸盐—碳酸盐岩—变质泥质岩—变质碎屑岩组合，其原岩类型为一套砂泥质—碳酸盐岩组成的类复理石建造。

(2)构造环境判别表明化德岩群变质岩沉积环境总体为潮坪—潮下—开阔海(浅海)沉积。Sm/Nd 均 值0.22，落 在 沉 积 岩 区；Y/Ho 比 值20.77～30.65，反映出明显的海水性质；(La/Yb)N 的值介于2.45～7.57 显示为陆源物质；1-8 样Sr/Ba=0.03～0.16 显示为海洋浅水环境，9-11 样Sr/Ba=0.82～7.51 表明形成时水体较深；Ni/Co比值在0.56～5.25 之间，指示古气候为干旱气候。

(3)目前发现赋存于化德岩群中有晶质石墨、赤铁矿、磁铁矿、石英岩矿等矿床。本文开展对化德岩群原岩恢复及古沉积环境探讨，在区域成矿规律与找矿预测方面具有重要意义，为找矿方向提供开阔思路。