皖北地区地质矿物的地球化学特征及物源分析

田晓莉，黄 澄

（1.安徽省地球物理地球化学勘查技术院，安徽 合肥 230022；2.合肥市地震局，安徽 合肥 230071）

皖北地区地层隶属于华北地层大区，徐淮地层分区，区内除上奥陶统至下石炭统缺失外，从下元古至第四系均有不同程度的发育。其中，四十里长山组被划分为新元古界青白口系八公山群，地中发育微细层理及交错层理，局部见涡卷状砂质团块等沉积特征反映本组为滨海-浅海相环境，但是对其碎屑组分的来源以及构造背景一直存有争议，因此，确定皖北地区地质构造背景具有重要的理论和实际意义。

1 区域地质概况

研究区位于华北陆块南部的徐淮地层分区，地台基底为新太古代—古元古代结晶变质基底，新元古代—新生代地层为地台沉积盖层。

其中新元古界发育青白口系八公山群碎屑岩和徐淮群碳酸盐岩，缺失宿县群,与上覆寒武系第二统假整合接触。八公山群自下而上包括曹店组、伍山组、刘老碑组、四十里长山组，为一套海岸—陆架单陆屑建造—潮坪陆屑石英砂岩和局限台地相藻礁碳酸盐岩组合，厚度大于1200m；与下伏太古界五河群或霍邱群呈角度不整合接触，与上覆徐淮群为平行不整合接触。

2 矿物样品特征

本次研究根据矿物分布情况，选择了怀远县唐集镇西北龙阿山地区14个样品进行研究。薄片镜下鉴定显示，石英颗粒极多，高达90%以上，长石和岩屑含量很少，含少量岩屑。石英颗粒主要为单晶石英，表面光洁，一级灰白到一级黄白干涉色，磨圆度差，分选性一般，颗粒间以点接触为主。

因此，四十里长山组岩性主要为石英砂岩，其下以出现石英粉砂岩为标志，与刘老碑组页岩整合接触，其上以长石石英粉砂岩结束为标志，与九里桥组砂灰岩整合接触。该组由石英砂岩、钙质细粒石英砂岩、石英粉砂岩、钙质石英粉砂岩和粉砂质泥岩组成韵律层，总体上由下向上依次变细，局部见涡卷状砂质团块等特征，反映为退积型沙滩、沙坝—滨海潮间带沉积。

3 矿石地球化学特征

本次研究的14个样品，在澳实分析检测有限公司（广州）澳实矿物实验室进行元素地球化学分析,分析结果见附表1。

3.1 常量元素

研究区域矿石主要成分组分中含有钙质石英砂岩，因此采集样品中可能存在CaO含量异常高的情况，另外结合镜下薄片观测，发现部分样品存在一定量的钙质胶结物和泥晶碳酸盐矿物，因此需要对样品的主量元素测试结果进行CaO校正。

结果显示SiO2含量在主量元素中含量最高（平均值81.85%），表明矿物成分成熟度较高；具有较高的K2O（平均值4.06%）和Al2O3（平均值5.47%），而Fe2O3（平均值0.93%）、MgO（平均值0.14%）较低。其中样品HN8的MgO（4.09%）CaO（9.93%）较高，样品HN24、HN27的CaO含量较高，分别为10.50%、17.03%，可能与其含有较多的钙质胶结物和粘土矿物有关。

主量元素平均含量与大陆上地壳主量元素（Dickinson et al.1979）平均值对比，仅有SiO2相对富集，其余均相对较贫。具体含量见表1。

3.2 微量元素 （含稀土元素）

分析表明，大离子亲石元素Rb、Sr、Ba含量平均值分别是90.37μg/g、103.04μg/g、401.43μg/g；高场强元素Zr、Hf、Th含量平均值为383.76μg/g、11.25μg/g、10.3μg/g；相容元素Co、V、Sc含量平均值为2.16μg/g、16.29μg/g、3.4μg/g。

与大陆上地壳（UCC）元素含量相比，Zr、Th是其含量两倍多，其余元素走势波动基本相同。

其中，∑REE含量为47.33～173.5μg/g，平均103.88μg/g，低于大陆地壳稀土元素平均值（146μg/g）。∑LREE/∑HREE比值为4.59～7.45，均低于大陆上地壳9.45，说明轻重稀土分异明显。具体含量见表1。

表1 样品主微量成分

4 讨论

4.1 风化程度判断

矿石在风化的过程中，活泼的阳离子K+、Na+、Ca2+等随地表流体大量流失，而Al3+和Ti4+随着风化程度的增加而逐渐累积。

据此，Harnois提出采用化学风化指数（CIW）作为反映遭受风化作用强弱的指标。矿石的化学风化指数计算（94.10～97.43，平均值95.50）表明物源区经历强烈的风化作用，物源区的构造活动性较弱。

与此同时，部分样品较高的Al2O3含量、较低的Na2O也印证了这一观点。

4.2 物源性质的地球化学判断

一般认为沉积物的化学组分是对其源区岩石一定程度的继承，主量元素在地质体中易形成独立矿物，并在化学组分中占据较大比重，而稀土元素在成矿过程中会发生轻重稀土的分馏，但其总体特征一般不变，因此都可以用来进行物源及构造环境分析。

综合样品的主量元素、微量元素和稀土元素特征及判别图解，认为物源一长英质、石英质岩石为主，并且含有大量的古老沉积物。具体分析如下。

（1）由于碎屑矿物在沉积的过程中容易受到其他因素的影响，CaO和SiO2的含量发生改变，所以Roser et al提出建立判别函数F1、F2用于源区判断。在F1-F2物源属性判别图中（图1a），样品均投在P4成熟大陆富石英岩沉积物源区（古老的沉积地体或克拉通），明显远离铁镁质区域。

图1 地质矿物的物源性质分析图

（2）La/Th-Hf判别图（图1b）常用于微量元素的物源区判断，Hf含量的增高反映了古老沉积物成分增加，而La/Th值的增高则反映了基性岩成分的增加，其物源由长英质向长英质、基性岩过渡。研究区样品投点的分布情况再次印证四十里长山组砂岩的物源以被动大陆边缘物源为主，夹杂少量的长英质物源，且含有大量的古老沉积物。

4.3 沉积-构造环境分析

根据多个判别图和微量元素蛛网图，结合研究区内样品的元素数据分析，认为四十里长山组砂岩形成于被动大陆边缘环境，没有幔源物质的加入。主要原因见下。

（1）随着沉积环境的变化，Ce在大陆边缘、大洋、洋中脊附近的异常逐渐降低，由正异常或者弱负异常逐渐过度为负异常。由表1可见，研究区矿石的δCe为0.89～1.2，平均值为1，呈现出正异常或者弱负异常，表明沉积环境为大陆边缘附近的环境。

（2）根据Mclen nan SM和于炳松的研究成果显示，当有幔源物质加入时，δEu＞1、Tb/Yb＞1、Th/U＜3.8、La/Sc＜2.8、La/Th＜2.8。

（3）与Bhatia等提出的各构造环境矿石的化学元素含量参考值对比发现SiO2、Al2O3、TiO2、Na2O、TFe2O3+MgO、δCe、δEu、Rb/Sr、Ba/Sr的平均值更接近被动大陆边缘平均值。

（4）Bhatia等（1986）提 出 了 一 系 列 地 球 化 学 端元图，被广泛地用于判别形成矿石的构造环境判别。(Fe2O3＊+MgO)-Al2O3/SiO2判别图（图2a）中，大部分样品分布在D区（被动大陆边缘）及其附近。在Ti/Zr-La/Sc判别图（图2b）中，绝大多数样品均在D区下方，因此判断与被动大陆边缘更为接近。

图2 地质矿物微量元素物源及构造环境分析图

综合全部样品投点情况后，判断样品的构造环境应该为被动大陆边缘。

综合分析，笔者认为采集皖北地区地质矿物样品物源区应该为沉积物源区，构造环境则为被动大陆边缘。被动大陆边缘是在构造上长期处于稳定状态的陆缘，也没有强烈地震，其火山造山运动较弱，因此常生成巨厚的浅海相沉积，这与研究区地层的沉积环境是相符合的。