新疆哈密大草滩地区早—中泥盆世浊积岩的发现及其沉积大地构造背景

李浩，张孟，张雄华，郭瑞禄，高璐

1.中国地质大学（武汉）地球科学学院，武汉 430074

2.中国地质大学（武汉）地质调查研究院，武汉 430074

0 引言

大草滩地区位于吐哈盆地南缘，为中新生代盆地中的一个古生代基岩“天窗”。1∶20万大草滩幅[1]和1∶25万五堡幅[2]都将该地区古生代地层划归为下泥盆统大南湖组，认为其是一套火山岩—火山碎屑沉积岩。近年来，随着铜金等金属矿床的勘探开发，位于大南湖岛弧带中的卡拉塔格—大草滩地区再次成为了研究热点[3⁃6]。前人的研究主要集中在该地区的岩浆事件、大地构造环境及相关的成矿地质背景方面[7⁃12]。这些研究多从岩浆活动判断该区为具有重要成矿背景的岛弧带，而对其中的地层序列、沉积环境及沉积盆地分析涉足甚少。

本研究在大草滩蛇绿岩南北两侧发现两套碎屑岩沉积，两者岩性基本一致，皆以缺乏火山岩夹层为特征。本文通过岩性组合、沉积构造及砂岩粒度分析等方法对两者进行沉积相分析，判断其沉积环境演化序列，结合区域构造背景，对沉积盆地属性进行了恢复。

1 区域地质背景

研究区位于哈密市西南约80 km处，地处吐哈盆地南缘，属大南湖—头苏泉岛弧带，以奥陶纪—泥盆纪具岛弧特征的岩浆岩出露为主要特征[13⁃14]，近年来在大草滩一带曾有晚志留世—早泥盆世SSZ型蛇绿岩的报道[15]。

该带北部的博格达—哈尔里克山一带广泛发育石炭纪双峰式火山岩[16⁃19]，南部的觉罗塔格构造带内石炭系火山岩—沉积岩广泛发育[20]，多条奥陶纪—石炭纪的蛇绿岩或混杂岩以构造岩片的形式楔入其中[21⁃23]，至中天山地块则大规模出露前寒武纪基底（图1）。

图1 研究区区域地质简图（据王国灿等[24]修改）Fig.1 Simplified regional geological map of the study area（modified from Wang et al.[24]）

研究区广泛出露的下泥盆统大南湖组总体上以一套海相火山碎屑岩、火山碎屑沉积岩为主夹中基性火山熔岩和碳酸盐岩[25]，灰岩层中的腕足类或珊瑚化石指示其时代为早泥盆世[26⁃27]或早泥盆世—中泥盆世早期（项目内部资料，另文发表）。本次研究所发现的这套复理石沉积分布于大草滩蛇绿岩带两侧（图2a），与区域上的大南湖组处于同一地层分区；南北两侧的砂岩样品中最年轻的碎屑锆石U⁃Pb年龄分别为390 Ma和417 Ma（项目内部资料，另文发表），故其时代与大南湖组相仿，但在岩性组合及地层序列上具有显著的差异，推测两者为同期异相关系。

为清晰了解大草滩地区复理石沉积序列，本次研究在蛇绿岩南北两侧（后文以南北区分）各实测1∶2 000精度的地层剖面一条（图2a）。在剖面上采集相关岩石样品，并对保存良好的沉积构造照相，以作为沉积相划分的重要依据。

图2 大草滩地区早—中泥盆世复理石分布、地层序列及沉积相划分柱状图Fig.2 Distribution,stratigraphic succession and sedimentary facies classification of Lower to Middle Devonian turbidites from the Dacaotan area

2 地层序列及沉积特征

2.1 地层序列

该复理石层系以断夹块形式分布在大草滩蛇绿岩两侧，北侧复理石断块规模较大，地层序列出露相对南侧齐全。该断块靠近蛇绿岩的一侧见基性岩岩片斜冲至复理石之上，导致序列下未见底，上部被晚泥盆世康古尔塔格组以角度不整合覆盖。根据岩性可以分为三段：

第一段厚479 m，岩性以灰色—灰褐色岩屑砂岩和灰黄色—砖红色泥质粉砂岩、泥岩为主，夹少量含砾岩屑砂岩。砂岩中发育递变层理、平行层理、砂纹层理、滑塌构造，局部可见不完整的鲍马序列发育。

第二段厚991 m，以巨大透镜状砾质砂岩—细砾岩的广泛发育为特征，砾石岩性以安山岩、英安岩为主，含少量玄武岩。该段由多个沉积旋回组成，单个旋回下部为灰色复成分细砾岩、砾质长石岩屑砂岩、含砾砂岩，多呈横向连续分布、长轴长3～40 m、厚1～5 m的巨大透镜体产出，发育递变层理、平行层理和底冲刷面，砾石砾径具有向上变粗的趋势；上部为灰色岩屑砂岩、粉砂岩及粉砂质泥岩，砂岩中多发育递变层理、平行层理或砂纹层理。

第三段厚138 m，岩性以透镜状的细—中砾岩、含砾砂岩、岩屑砂岩、粉砂岩和泥岩为主。该段的砾岩透镜体横向分布不连续，规模和其中的砾石砾径皆大于第二段。

蛇绿岩南侧地层受构造改造作用强烈，复理石断块规模较小，单个断块内地层序列出露不完整。选取一序列保存最完整的断夹块恢复其地层序列，发现其可划分为上下两个岩性段。下段以泥质粉砂岩、泥岩夹少量岩屑砂岩为主；上段岩屑砂岩增多，发育较多砾岩、砾质砂岩或中—粗砂岩透镜体，整体上为一向上变粗的沉积序列。

2.2 砂岩粒度特征

根据统计和计算所得的粒度参数（表1），并绘制了这套浊积砂岩的C⁃M图（图3）。可见蛇绿岩两侧的样品散点基本都分布在浊流区，分布区域呈平行于C=M基线的带状，沉积物最大粒径与粒度中值变化范围较大。整体上表现为跳跃和悬浮搬运，符合重力流特征。

图3 大草滩地区浊积砂岩样品C⁃M图Fig.3 C⁃M figure for turbidites from Dacaotan area

概率累计曲线能有效的区别沉积环境[28]。大草滩地区浊积岩的概率累计曲线存在二段式和三段式两种。其中，二段式主要分布于蛇绿岩两侧浊积岩序列的第一段（图4b），仅由跳跃总体和悬浮总体组成，跳跃总体含量等于或略高于悬浮总体（50%～70%），线段斜率略大于悬浮总体，说明其分选稍好，两者结点多在2.5～4f之间。结合以上参数特征，推断两侧序列的第一段沉积环境稳定，水动力强度中等。

三段式集中分布于两侧浊积岩序列的第二段（图4a），滚动总体含量多不超过10%，线段多较平缓，个别较陡，与跳跃总体截点位于1～2.5f之间；跳跃总体含量占50%～55%，线段斜率多在55°左右，具水道浊积岩特征，少数在45°左右；悬浮总体占总体的35%～50%，线段斜率在30°～45°之间，表明分选较差，与跳跃总体的截点多在2.5～4f之间。结合以上参数特征，推断两侧序列的第二段为水动力条件较强的沉积环境。

粒度频率曲线可以直观的表现出碎屑物粒度的分布情况。大草滩地区浊积岩样品的粒度频率曲线皆存在不对称的单峰（图5a，d）、双峰（5b，e）与多峰形态（图5c，f），主峰多在2～4f之间，样品的粒度范围整体较广，都在0.25～7f之间。北侧序列第二段砂岩中粒度较粗的组分明显多于第一段和南侧砂岩，反映碎屑物沉积更接近源区，与野外识别结果相符。频率曲线的多峰性反映出大草滩浊积岩具有多物源区的特征。

图5 大草滩地区浊积砂岩样品粒度频率曲线图Fig.5 Frequency distribution curves of turbidites from Dacaotan area

3 沉积相划分

根据岩性组合和沉积构造特征，结合粒度分析数据，参考Muttiet al.[29]以及Pickeringet al.[30]提出的经典浊积岩岩相的划分方案，共在两套复理石中识别出9种岩相（表2）。根据岩相组合特征，共在序列中识别出内扇—中扇—外扇3种沉积环境，在内扇和中扇环境中又分别识别出3种沉积亚环境（表3）。现将沉积环境/亚环境的特征描述如下：

表2 大草滩地区浊积岩岩相分类表Table 2 Classification of turbidite facies in Dachaotan area

表3 大草滩地区浊积岩沉积环境及沉积亚环境（岩相组合）分类表Table 3 Classification of sedimentary environment and sedimentary subenvironment(lithofacies association)of turbidites in Dacaotan area

3.1 内扇沉积

浊积扇内扇沉积主要由主水道沉积、次级水道沉积和高阶地沉积三部分组成。由于内扇沉积自身较难保存，加之后期强烈的构造作用，该沉积环境仅见于北侧序列的第三段。

3.1.1 主水道沉积

该亚环境仅见于北侧序列第三段底部，浊积岩相以A1相为主，伴有少量A3相或B相。底部发育明显的侵蚀面，切割中扇沉积（图6a）。A1相为块状无层序构造的复成分细—中砾岩，横向上延伸极不稳定，呈长轴长20 m以上、厚度5～10 m的巨大透镜体产出。砾岩中砾石砾径多为0.5～5 cm，成分复杂，分选磨圆皆差，含较多红褐色—浅灰绿色、形状不规则的砂岩砾或泥砾（图6b，c）；基质含量较高，达50%以上，为典型的扇根主水道内颗粒流在能量降低后形成的混杂快速堆积。A3相或B相常覆于A1相之上（图6d），为含砾砂岩、中—粗粒岩屑砂岩，发育不明显的递变层理、平行层理，代表主水道上部沉积产物。

图6 大草滩地区浊积扇内扇沉积典型野外地质现象Fig.6 Representative field outcrops of the inner fan of turbidites in Dacaotan area

3.1.2 次级水道沉积

该亚环境主要见于北侧序列第三段中部。浊积岩相主要为A3相和B相，顶部往往发育C相。A3相为厚层砾质砂岩、含砾砂岩，局部可见不明显的递变层理，底部可见明显侵蚀面（图6e）；B相往往覆于A3相之上，为中层—块状岩屑砂岩，发育不明显的递变层理或平行层理；C相往往覆于B相之上，为中—厚层状细—中砂岩夹粉砂岩、泥岩，发育平行层理。与主水道沉积相比，次级水道沉积横向延展同样不稳定，但其中的碎屑颗粒普遍较细，且层理发育。

3.1.3 高阶地沉积

高阶地沉积主要见于北侧序列第三段的底部，浊积岩相以E相为主，伴有少量的B相或C相。E相岩性主要为粉—细砂岩与泥岩互层（图6h），发育砂纹层理（图6f，g）或水平层理，B相或C相可能由次级水道侧向迁移和侧向加积形成，以层厚偏大、粒度偏粗和发育平行层理区别于E相。

3.2 中扇沉积

中扇沉积是浊积扇沉积的主体部位，其由分支水道沉积、分支水道漫滩沉积和外缘垛体沉积三种沉积亚环境构成。

3.2.1 分支水道沉积

该亚环境主要分布于南侧序列上段和北侧序列第二段底部和中上部，浊积岩相以A2相、A3相为主，伴有少量的B相，往往被C相或D相覆盖。A2相多分布于该微相的底部，呈长轴10～40 m，厚2～5 m的巨大透镜体产出（图7a），岩性以复成分细砾岩（图7b）和砾质砂岩为主，不发育层理，底部见明显的冲刷面（图7c）；A3相粒度细于A2相，岩性以含砾砂岩为主，发育不明显的递变层理（图7e），呈规模稍小的透镜体产出（图7d），或覆于A2相之上（图7a）；B相常分布于A相之上，或与A3相互层（图7f），个别也作为规模较小的透镜体发育在A相两侧，岩性以中—粗粒岩屑砂岩为主。

3.2.2 分支水道漫滩沉积

该亚环境主要分布在北侧序列第二段的下部和顶部，浊积岩岩相以C相和D相为主，含有少量的B相，上往往被水道沉积覆盖（图7g）。C相为长石岩屑细—中砂岩夹粉砂岩、泥岩（图7h），或与泥岩互层，砂岩多呈中层状，少数呈薄层状，发育平行层理、砂纹层理（图7i）或不明显的递变层理，泥岩中水平层理或均质层理发育，鲍马序列常见Tae或Tbe；D相为细粒长石岩屑砂岩、粉砂岩与泥岩互层，粉—细砂岩呈薄层状，发育平行层理（图7k）或砂纹层理，泥岩中水平层理或均质层理发育，鲍马序列常见Tbde、Tce或Tcde；少量B相为中—粗粒岩屑砂岩，多呈透镜状产出，发育递变层理、平行层理，与上覆泥岩构成Tabd（图7j）或Tabe型鲍马序列，为漫滩上偶发的小规模分支水道形成。

图7 大草滩地区浊积扇中扇沉积典型野外地质现象Fig.7 Representative field outcrops for the middle fan of turbidites in Dacaotan area

3.2.3 外缘垛体沉积

外缘垛体沉积主要见于北侧序列的第一段和第二段下部以及南侧序列的中上部，是一种无水道的浊流沉积，是中扇靠近外扇的部分。浊积岩相主要为E相，含有少量的C相和F相，其上往往被G相覆盖。E相的砂泥比较D相明显偏高，砂岩为细—中粒长石岩屑砂岩，局部发育递变层理，粉砂岩和泥岩中发育小型斜层理和水平层理（图7n）；F相以变形层理（图7l）、滑塌构造（图7m）的发育为典型特征，岩性以细—粗粒岩屑砂岩和粉砂质泥岩为主，为滑塌作用的沉积物。G相以粉砂质泥岩和泥岩为主，发育水平层理、均质层理，为浊流悬浮沉积的产物。

3.3 外扇沉积

该环境广泛分布于蛇绿岩两侧浊积岩序列的下部，横向延伸稳定。浊积岩相以D相为主（图8a），被G相覆盖，外扇沉积是浊积扇沉积中粒度最细的部分，岩性以泥岩、粉砂质泥岩为主，夹薄层状粉—细砂岩，局部见截面呈长条状的泥质灰岩透镜体（图8b，c），发育小型斜层理、水平层理（图8b）、均质层理（图8c）等。泥岩颜色以深红褐色—深灰色，与中扇D相泥岩相比颜色较深，总体沉积于水动能较弱的环境。

图8 大草滩地区浊积扇外扇沉积典型野外地质现象Fig.8 Representative field outcrops for the outer fan of turbidites in Dacaotan area

4 讨论

4.1 沉积序列特征

大草滩蛇绿岩北侧的浊积岩序列下与玄武岩岩片呈断层接触，自下而上呈现出由外扇—中扇—内扇的沉积序列（图2b），为一典型的进积序列，可代表水深逐渐变浅的盆地填充过程。受强烈的构造改造作用，南侧的浊积岩多以大小不一的岩片形式存在，故整个序列出露不完整。选取一层厚较大的岩片，发现其下段以外扇沉积和外缘垛体沉积为主，上段开始出现分支水道沉积（图2c），同样为一典型的进积序列。

4.2 沉积盆地分析

大草滩地区浊积岩的镜下照片显示，其颗粒组分普遍具有低石英、正长石，高斜长石和岩屑的特征（图9a，b），所有样品中皆含较丰富的凝灰质组分，个别样品中还有少量的辉石颗粒（图9c），砾质砂岩中见安山岩砾石和英安岩砾石（9d）。

图9 大草滩地区浊积砂岩镜下照片Fig.9 Photomicrographs of turbidites in Dacaotan area

根据Dickson[31]对于杂砂岩物源与沉积背景关系的理论，推断其碎屑物质可能来源于活跃的岛弧系统或活动大陆边缘系统。从两侧序列中各选取5个岩屑砂岩样品投点到Dicksonet al.[32]三角图解中（图10），投影集中落在了切割岛弧和过渡岛弧区，表明该套地层具有典型岛弧物源区的特征。

图10 大草滩地区浊积砂岩成分三角图解（据Dickinson et al.[32]修改）Fig.10 Triangle diagram for turbidites in Dacaotan area（modified from Dickinson et al.[32]）

受俯冲板片后撤的影响，岛弧沉积系统可分为弧前、弧间和弧后三类沉积盆地。其中，弧前盆地内多发育向上粒度变粗水深变浅的沉积序列[33⁃35]，其空间上介于岛弧火山岩至增生楔蛇绿混杂岩之间[36]，可见其不整合覆于蛇绿岩之上[37]或陆壳基底之上[31]；弧间盆地附近火山活动剧烈，火山熔岩、火山喷发角砾、火山碎屑裙和浊流沉积大量填充于盆地内，整体为粒度向上变粗的沉积序列[38⁃39]；弧后盆地受伸展作用影响，往往发育水深逐渐增大、火山碎屑物质减少的沉积序列[40⁃42]，其底部往往发育伸展背景火山岩不整合覆于陆壳基底之上[41]。此外，由于盆地发育时间与岛弧活动时间的差异，以及火山活动与俯冲深度的关系，火山熔岩往往出现在弧间盆地或弧后盆地内，而弧前盆地中往往没有这些记录[35]。

大草滩蛇绿岩南北两侧的泥盆纪浊积岩皆存在显著的向上变粗的沉积序列，这种沉积序列在弧前盆地和填充的弧间盆地中皆可发育，但其不含火山岩夹层、毗邻蛇绿岩的特征仅可见于弧前盆地沉积中。综上所述，笔者认为，大草滩地区的泥盆纪浊积岩为俯冲背景下弧前盆地中少有的，保存较为完好的地质记录，其物源主要由早期喷发的火山岩提供，火山喷发形成的正地貌为大规模重力流（浊流）的形成提供了良好的地形条件。

5 结论

（1）通过对大草滩地区早—中泥盆世浊积岩岩性组合、粒度特征、沉积构造和垂向上的分布规律的研究，共识别出A（A1,A2,A3）⁃G⁃9种不同的浊积岩相，不同的浊积岩相组合对应着不同的沉积环境，分别为：外扇沉积，中扇沉积（分支水道沉积、分支水道漫滩沉积、外缘剁体）和内扇沉积（主水道沉积、次级水道沉积、高阶地沉积）。

（2）沉积序列与沉积相分析表明，北侧的浊积岩发育完整的外扇—中扇—内扇的进积序列，而南侧浊积岩发育外扇—中扇的进积序列。沉积序列受沉积盆地构造属性的影响，具有独特的沉积特征，结合浊积岩的岩性组合、空间分布，推断其在早—中泥盆世处于弧前盆地的构造背景中。

致谢 在野外工作中得到项目组同学们的极大帮助，王国灿教授和廖群安教授对文章内容提出建设性意见，在此一并表示感谢。