豫西济源地区中元古界大古石组物源示踪及其构造意义

2021-06-03魏丹峰

能源与环保 2021年5期

魏丹峰

(河南理工大学资源环境学院，河南焦作 454000)

古/中元古代哥伦比亚超大陆的聚合—裂解事件是全球性的重大地质事件，对全球的构造格局产生了重大影响[1-2]。1.8 Ga之后，哥伦比亚超大陆在经过短暂的陆缘增生后进入伸展—裂解阶段。世界各主要克拉通形成了具有相当规模的裂谷盆地，这些盆地多发育有河—湖相沉积和冲积扇相沉积，且发育有火山熔岩，在华北克拉通，与之相对应的即为华北克拉通南缘的熊耳裂谷系(即熊耳群火山—沉积岩系)[1-2]。前人在区域内对熊耳群火山岩系进行了大量的岩石学、岩相学、地球化学和锆石年代学研究，认为熊耳群是拉张背景下喷溢的火山岩系，形成于中元古代1.75～1.80 Ga的夭折的大陆裂谷环境[3-7]。但是，由于熊耳群底部大古石组碎屑沉积岩出露点少且分布零散，前人对熊耳群大古石组的研究较少，重视程度不够，仅局限于岩石地球化学方面[8]，未从沉积学方面进行沉积剖面地质特征、沉积相划分等精细化研究，未能从沉积学角度与地球化学角度进行沉积环境特征进行相互验证，另外对沉积环境演化、物源分析、构造背景等方面也少有涉及。本次选取大古石组碎屑岩出露最好的豫西济源王屋山地区铜罗剖面为研究对象，通过对其宏观沉积特征与微观元素地球化学特征的分析，划分沉积相，限定大古石组碎屑岩沉积环境和物源，并分析大古石组沉积环境的演化过程，进而为恢复华北克拉通南缘中元古代早期的构造背景提供证据。

1 地质背景

古元古代末—中元古代早期，在哥伦比亚超大陆开始伸展—裂解的背景下，华北克拉通地壳开始拉伸减薄，强烈的拉伸减薄致使基底发生差异升降，地形起伏较大，形成了多个“三叉裂谷”系，有克拉通北缘燕辽裂谷系、白云鄂博裂谷系，西缘龙首山裂谷系和南缘熊耳裂谷系[9-11]。熊耳裂谷系的北东支逐渐衰退夭折形成熊耳大陆裂谷，在大陆裂谷边缘，相对隆升的华北克拉通结晶基底遭受剥蚀，经河流、湖泊等搬运至裂谷内的凹陷盆地并在低洼处逐渐沉积并固结成岩，形成熊耳群大古石组，随着华北克拉通进一步拉伸—裂解，地壳逐渐减薄，引起软流圈物质上涌，导致熊耳群双峰式火山熔岩的大规模喷发[9-13]。

大古石组在济源王屋山地区邵原北一带出露最好，厚度大，分布连续[8，11-12]。豫西济源王屋山地区，有前寒武系太古宇林山群，古元古界银鱼沟群、铁山河群双房群，中元古界熊耳群和汝阳群等出露[11-12](图1)。

图1 豫西济源大古石组地层分布Fig.1 Distribution of Dagushi Formation in Jiyuan，Western Henan

其中年代最久的林山群为一套中等程度区域变质作用形成的片麻岩、片岩和混合花岗岩建造；银鱼沟群为一套滨海相已遭受不同程度变质的碎屑岩—碳酸盐沉积建造；铁山河群为一套厚—巨厚层状变质石英砂岩、变质砂岩、片岩夹大理岩建造；双房群为下伏于熊耳群的一套黑云斜长片麻岩、变质砂岩及混合岩建造；熊耳群为不整合覆盖在华北克拉通基底上的一套巨厚火山岩系建造；汝阳群为一套覆盖在熊耳群之上的中—新元古界碎屑岩—碳酸盐沉积盖层[11-12]。

熊耳群横跨豫、晋、陕三省，呈“三叉型”分布，分布范围约40 000 km2，厚度从近1 000 m到7 000 m，其中北东支轴向呈NNE向，并逐渐衰退夭折形成大陆裂谷，在裂谷内发育有以陆相沉积为主的大古石组及之上的以火山熔岩为主的许山组、鸡蛋坪组和马家河组[8，11-12]。大古石组1963年由河南省区调队命名，主要分布于王屋山地区的济源邵原(分布连续、最大厚度212 m，向四周变薄、尖灭，由砂砾岩、砂岩及紫红色泥质岩组成，砂岩内发育交错层理)和栾川白土镇磨石沟(最大厚度92 m，由砂砾岩、砂岩及紫泥岩组成，砂岩内发育交错层理，并普遍含有火山岩夹层)等地，此外，山西垣曲东部、河南汝州和洛宁等地也有零星出露，豫西熊耳山和崤山等区也有少量出露(覆盖于太华群之上、许山组底部有时可见到砾岩、砂砾岩，厚度1～30 m，层位相当于大古石组)。济源地区大古石组与下伏古元古界双房群(黑云斜长片麻岩)呈角度不整合接触，与上覆熊耳群许山组(火山岩)呈整合接触[8，11]。

研究区大古石组大致呈SSW-NNE向分布，厚189.50 m，整个剖面碎屑沉积岩从沉积特征上分为下、中、上三段(图2)。

图2 济源大古石组地层综合柱状Fig.2 Generalized column of the Dagushi Formation in Jiyuan

下段厚90.5 m，为浅紫色中—厚层中细粒砂岩与黄褐色薄层泥质岩互层，底部砂岩中含砾石，砾径2 mm～3 cm，成分以石英砂岩为主，多具棱角状，磨圆度和分选性差，胶结物多为砂质和铁质。该段自下而上表现为多个下粗上细的正旋回即“二元结构”，每个旋回底部有明显的冲刷面和呈“叠瓦状”排列的含砾粗砂岩层，旋回中下部砂岩层具板状、槽状交错层理、粒序层理及平行层理且常见上平下凸的砂岩透镜体和火焰状构造，旋回上部多具小型交错层理、波状层理的粉砂岩或泥质粉砂岩，个别旋回顶部见泥裂构造。

中段厚51.6 m，由底部的灰绿色中层含砾粗砂岩，中下部的紫红色中粒砂岩与紫红色砂泥互层和上部的紫红色、灰绿色粉砂质泥岩组成。砂岩底部的冲刷面较平缓，含砾砂岩与砂岩的成分和结构成熟度均较低，分选差，是较快速条件下的沉积产物。上部沉积多呈小型透镜状，岩层向两端收敛变薄、尖灭，粒度自下而上明显变细，发育中小型交错层理、波状层理和平行层理。

上段厚约47.0 m，由下部的紫红色中—厚层细砂岩，中部的厚层状紫红色和灰绿色泥质岩互层和顶部的灰绿色含砾粗砂岩组成，碎屑物质成分成熟度、分选性和磨圆度较下部岩层略好，且呈现下细上粗的反旋回沉积层序，多见粒序、水平层理。除顶部粗砂岩层外，沉积物多表现红色、紫红色、褐红色、黄褐色。

2 元素分析方法及地球化学特征

2.1 元素分析方法

本次选取济源大古石组剖面采集的10块泥质岩样进行全岩微量、稀土元素含量测试，采样位置如图2所示。取新鲜泥质岩岩样块，在自然条件风干后，实验用粉碎机粉碎成小块、再用研磨机研磨至200目以下过筛、装袋、编号，最后送至澳实分析检测(广州)有限公司澳实矿物实验室化验。微量和稀土元素的含量采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定(详细测试过程见文献[13-14])，并进行了重复样和标样分析，以保证测试的精确度及精度(5%以内)。

2.2 地球化学特征

(1)泥质岩稀土元素地球化学特征。济源大古石组泥质岩样品的稀土元素测试结果及部分特征指数见表1。由表1可知，∑REE含量239.91～367.59 μg/g，平均271.56 μg/g，含量较高，远高于北美页岩值的173.21 μg/g。∑HREE含量19.03×10-6～29.98×10-6μg/g，∑LREE含量215.98×10-6～337.61×10-6μg/g。∑LREE/∑HREE比值8.56～12.68，(La/Yb)N比值9.32～15.20，显示大古石组泥岩岩轻重稀土元素分馏明显，LREE富集而HREE相对较低的特点；(Gd/Yb)N为1.52～1.87，显示重稀土变化小，分异程度不明显。δEu为0.57～0.74，有明显负异常。δCe为1.00～1.03，显示无异常。球粒陨石标准化[15]后的REE配分模式图解(图3(a))中，曲线向右倾斜，其中La—Eu元素段曲线相对较陡，显示LREE相对富集，Gd—Lu 段曲线变化较为平缓，HREE相对亏损。北美页岩组合标准化[16]REE配分模式图解(图3(b))显示，(La/Yb)A为1.34～2.18，平均1.84，无明显Eu异常，各样品线条曲线总体呈现相互平行，表明轻稀土元素略为富集，稀土元素含量大致同步变化的特点。

表1 济源大古石组泥质岩样品稀土元素测试结果及部分特征指数Tab.1 Testing results of REE from argillaceous samples and characteristic index of the Mesoproterozoic Dagushi Formation in Jiyuan μg/g

图3 济源大古石组泥质岩稀土元素球粒陨石与北美页岩组合标准化配分模式Fig.3 Chondrite and NASC-normalized REE patterns of argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Dagushi Formation in Jiyuan

(2)泥质岩微量元素地球化学特征。济源地区大古石组泥质岩样品的微量元素测试结果及部分特征指数见表2。从微量元素球粒陨石[15]标准化配分模式图解(图4(a)) 显示，样品的线束分布较为集中，Ba、Nb、Sr元素明显亏损，Rb、Th、La、Ce、Nd元素富集，呈现明显的“三峰三谷一平坦”的形式。与大陆平均上地壳元素标准值[17]比较(图4(b))，Ba、Rb、Nb、La、Ce、Nd、Sm、Tb等大部分微量元素含量明显高于上地壳微量元素平均值，具有陆源性质的元素Th、Zr比上地壳中的平均含量略高，Hf上地壳平均值相当，Sr明显亏损。

表2 济源大古石组泥质岩样品微量元素测试结果及部分特征指数Tab.2 Testing results of trace elements from argillaceous rocks samples and partial characteristic index of the Mesoproterozoic Dagushi Formation in Jiyuan μg/g

图4 济源大古石组泥质岩微量元素球粒陨石、平均上地壳标准化配分模式Fig.4 Distribution patterns of Chondrite and UCC-normalized trace elements of argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Dagushi Formation in Jiyuan

3 沉积环境与物源属性

3.1 沉积环境

Sr元素含量和Sr/Ba值常用来定性判别水体古盐度或离岸环境，Sr元素在海水中含量为800～1 000 μg/g，在淡水中的含量为100～300 μg/g；Sr/Ba<1，表示陆相沉积，Sr/Ba>1，表示海相沉积[18-21]。由表2可知，大古石组泥质岩样品中Sr元素含量59.5～135 μg/g，Sr/Ba值为0.04～0.18，Sr/Ba远小于1，表明大古石组总体为陆相淡水沉积环境。

3.2 物源属性

通过砂岩样品镜下薄片观察，砂岩碎屑成分主要由石英(Q)、长石(F)和岩屑(L)组成，颗粒多呈棱角状，磨圆度和分选性差，显示成熟度低(图5)、离物源区较近的特点，说明沉积物具有近源剥蚀快速沉积的特征。

图5 济源大古石组砂岩样品正交偏光照片Fig.5 Cross-polarized light photos of sandstone samples from Dagushi Formation in Jiyuan

碎屑沉积岩的部分微量和稀土元素对其母岩具有很强的继承性，常用来指示源岩性质[22-24]。由La/Yb—∑REE源岩判别图解显示(图6(a))，大古石组泥质岩样品投点分布较为集中，均落于花岗岩区域内；由La/Sc—Co/Th 图解(图6(b))显示，大古石组泥质岩样品投点大部分落于长英质火山岩附近及长英质火山岩与安山岩间的区域，仅个别点落在长英质火山岩附近和花岗岩之间的区域；从La/Th—Hf判别图(图6(c))中显示，大古石组绝大多数泥质岩样品主要来源于平均上地壳长英质物源区。同时，从Zr/Sc—Th/Sc 判别图解(图 6(d))中显示，大古石组泥质岩样品投点主要位于上地壳(长英质火山岩)附近。结合区域地质资料，济源所在的王屋山地区广泛分布晚太古代—古元古代长英质变质结晶基底和花岗质[5-7，9-12]。因此，大古石组泥质岩整体以长英质物源为主，物源区指向下伏华北克拉通变质结晶基底[5，8]。

图6 济源大古石组泥质岩源岩属性判别图解Fig.6 Source discrimination diagrams of argillaceous rocks of the Dagushi Formation in Jiyuan

4 讨论

研究区大古石组下段砂岩交错层理发育有明显的冲刷面和叠瓦状排列砾石，地层颜色浅且顶部见泥裂构造，可能代表了水体较浅、水动力强且受定向水流控制的辫状河河床沉积环境。中段颜色略深，砂岩底部冲刷面较平缓，中小型交错层理、波状层理和平行层理发育，反映了水体由强逐渐减弱且受定向水流控制的辫状河三角洲沉积环境(图1)。上段岩层颜色加深，粒序、水平层理发育，沉积物多呈氧化色，反映了沉积时水体动力更弱、水位较浅的特点，可能为滨浅湖亚相沉积环境。据此本文认为大古石组自下而上沉积相为辫状河河床亚相—辫状河三角洲亚相—滨浅湖亚相，与薄片镜下QFL及元素地球化学特征反映的陆相淡水沉积环境相互佐证。大古石组顶部的灰绿色含砾粗砂岩及与许山组接触部位普遍出现的烘烤边，可能反映了后期岩浆上涌、地形隆升导致水体变浅的过程。另外，前人认为大古石组碎屑岩与许山组火山岩接触关系均为整合接触[8-9，25]，本文认为该岩接触关系应为侵入接触，证据如下：①大古石组顶界有边缘带和烘烤冷凝边；②许山组岩体内有围岩(大古石组砂岩)补掳体；③碎屑岩与岩浆岩体有接触热变质现象(大古石组顶砂岩烘烤边)且变质程度离岩体越远越弱(远离岩体砂岩烘烤边逐渐减弱直至无变质)，表明大古石组碎屑岩发育期早于许山组岩浆岩侵入期。根据大古石组地层沉积特征、沉积环境、元素地球化学特征及物源结合区域地质背景认为：中元古代早期，在哥伦比亚超大陆开始伸展—裂解的背景下，华北克拉通地壳开始拉伸减薄，强烈的拉伸减薄致使基底发生差异升降，地形起伏较大，形成了“三叉裂谷”系，其北东支逐渐衰退夭折形成熊耳大陆裂谷[7，9-12，26-28]，在大陆裂谷边缘，因地形高差大，相对隆升的华北克拉通长英质结晶基底遭受快速剥蚀，由河流携带的基底剥蚀产物从盆地边缘冲出，沉积于毗邻的盆地边缘凹陷区，形成底部的砂砾岩沉积逐渐叠置并向裂谷中心延伸，逐渐形成一套由粗碎屑砂岩、泥质碎屑岩组成的河—湖相淡水碎屑沉积岩层即熊耳群大古石组，随着华北克拉通进一步拉伸—裂解，地壳逐渐减薄，引起软流圈物质上涌，导致熊耳群双峰式火山熔岩的大规模喷发。同时，裂谷盆地持续沉降，形成了火山熔岩中的沉积夹层。熊耳裂谷盆地的大古石组碎屑岩充填及后续的熊耳群火山岩的喷发，发育于大陆裂谷构造环境[8-9，12]，代表了华北克拉通地球中年期多期裂解事件的开始，可能与哥伦比亚超大陆由拼贴聚合向伸展裂解机制的转变有关。