北淮阳带北缘石炭系碎屑岩地球化学特征及物源区构造环境

沈仕豪， 刘家云， 张晋喆， 管后春， 汪雅菲

(安徽省地质调查院，安徽 合肥 230001)

北淮阳构造带为一条沿大别山造山带北缘展布的狭长构造带，是扬子陆块与华北陆块碰撞造山的产物，其组成物质的物源及其构造属性研究对揭示扬子与华北两陆块的构造演化过程十分关键。前人针对该构造带开展了一系列研究，涉及地层、古生物、岩相古地理、岩石学及区域构造等方面[1-8]。但目前学术界对北淮阳构造带的构造属性及其成因的认识仍存在较大分歧，如杜建国等[6]认为其属于中元古代陆内裂解基础上发展起来的古岛弧；林伟等[7]认为其为扬子陆块陆内俯冲之后折返产物的一部分(大别山为折返的主体)；黄鹏等[8]认为其源于扬子陆块向华北陆块俯冲—碰撞，其物质组成具有双源性，主体部分来源于扬子陆块。

近年来，有关碎屑岩地球化学特征及其构造环境的研究已成为热点[9-15]。笔者在北淮阳构造带北部开展1∶5万区域地质矿产调查时，发现该区三仙山一带出露一套未变质或轻微变质的石炭系地层，是研究碎屑岩物源及其构造环境的良好材料，对丰富北淮阳构造带的地质演化认识具有重要意义。为此笔者在三仙山地区采集了石炭系碎屑岩样品，通过分析岩石主量、微量及稀土元素组成特征，探讨其物源区及构造环境，为北淮阳构造带构造环境识别及其成因解释提供依据。

1 区域地质背景

研究区所处的北淮阳构造带位于桐柏—大别山北麓，南部以磨子潭—桐城断裂为界，北部以金寨—舒城断裂为界，西接南阳盆地，东部被郯庐断裂带所截切，整体上呈NWW-SEE向展布的狭长带状(图1)。北淮阳构造带安徽段的石炭系主要出露于该构造带北缘的金寨县三仙山地区，岩性为一套未变质或轻微变质的碎屑岩。

2 地层岩性特征

三仙山地区自北向南依次出露杨山组(C1y)、道人冲组(C2d)和胡油坊组(C2h)(图2)。

(1) 杨山组。下部为浅灰色—灰白色厚层—块状石英质砾岩、含砾粗砂岩、石英粗砂岩，局部夹青灰色、灰绿色薄—中薄层状泥质粉砂岩。上部为石英粉砂岩夹煤层。岩石中砾石成分以石英和燧石为主，成分成熟度高。岩性组合具向上变细的正粒序结构特征，指示沉积环境由河流相→沼泽相的变化。

图1 北淮阳构造带东段地质略图(据参考文献[16])Fig.1 Geological map of the eastern segment of North Huaiyang structural belt

(2) 道人冲组。下部为灰白色—乳白色厚层—块状石英质砾岩、含砾石英砂岩及岩屑石英砂岩，局部夹青灰色、灰绿色中薄层—中厚层状泥质粉砂岩，上述岩性组成沉积韵律或旋回。上部为青灰色、灰绿色泥质粉砂岩夹灰白色—乳白色厚层—块状石英砂岩、含砾石英砂岩，部分地段组成沉积韵律或旋回。岩性组合总体上具有向上变细的正粒序结构特征，指示沉积环境由河流相→滨(浅)湖相的变化。

(3) 胡油坊组。下部为浅灰色—深灰色块状复成分砾岩、灰色—深灰色块状含砾石英砂岩、灰色—灰黄色厚层—块状(岩屑)石英砂岩组成韵律或旋回。复成分砾岩中砾石成分复杂，大小混杂，成分成熟度低。上部为灰色—深灰色块状细(微)晶灰岩、灰绿色块状钙质粉砂岩、灰色—灰黄色厚层—块状岩屑石英砂岩夹灰绿色薄层状泥质粉砂岩。岩性组合指示沉积环境由滨湖相→浅湖相→半深湖相→浅湖相的变化。

3 岩石地球化学特征

3.1 主量元素特征

三仙山地区石炭系碎屑岩的主量元素组成如表1所示。从表1可以看出，石炭系碎屑岩SiO2含量变化较大，为56.50%～92.58%(平均81.08%)，其中道人冲组SiO2含量最高(85.29%～92.58%)，杨山组次之(82.10%)，胡油坊组最低(56.50%～73.46%)。Al2O3含量为3.28%～13.89%(平均6.88%)，MgO含量为0.066%～3.83%(平均1.19%)，CaO含量为0.032%～7.05%(平均1.98%)，Na2O含量为0.048%～1.75%(平均0.32%)，K2O含量为0.61%～2.46%(平均1.33%)，Fe2O3含量为0.51%～7.20%(平均1.94%)，TiO2含量为0.048%～1.89%(平均0.40%)。因此，石炭系不同地层的碎屑岩主量元素含量变化较大，K2O含量均高于Na2O，道人冲组岩石中Al2O3、MgO含量较低。

表1 三仙山地区石炭系碎屑岩主量元素组成(%)Table 1 Composition of major elements of Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

图2 三仙山地区石炭系地层柱状图Fig.2 Stratigraphic histogram of Carboniferous in Sanxianshan area

3.2 微量与稀土元素特征

研究区稀土元素分析结果(表2)表明，石炭系碎屑岩ΣREE为28.76×10-6～142.88×10-6，平均为86.03×10-6，其中道人冲组ΣREE最低，为28.76×10-6～79.43×10-6，平均为54.45×10-6；胡油坊组含较多泥质砂岩，ΣREE最高，为138.07×10-6～142.88×10-6，平均为140.47×10-6。石炭系碎屑岩具有明显的负Eu异常(δEu为0.48～0.83，平均0.70)与较弱的负Ce异常(δCe为0.88～1.04，平均0.97);(La/Yb)N为3.26～20.76，平均为13.38，表明轻重稀土元素分异程度较大。稀土元素球粒陨石标准化分配模式图(图3-a)显示，石炭系碎屑岩具有轻稀土富集的右倾型特征。

表2 三仙山地区石炭系碎屑岩稀土元素和微量元素组成Table 2 Composition of REE and trace elements of Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

石炭系碎屑岩特征微量元素Th、U、Sc、Zr和Y的平均值分别为9.09×10-6、2.44×10-6、7.15×10-6、95.63×10-6、13.0×10-6，Rb/Sr值为1.95，Th/U为3.73，La/Y为1.74，La/Sc为4.02，Th/Sc为2.1。从微量元素原始地幔标准化蛛网图(图3-b)可以看出，石炭系碎屑岩中大离子亲石元素Rb、K、Th相对富集，高场强元素Ba、Sr、Nb、P和Ti相对亏损。

图3 三仙山地区石炭系碎屑岩稀土元素分配模式图(a)和微量元素蛛网图(b)Fig.3 REE distribution patterns (a) and trace elements spider diagram (b) of Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

4 物源区构造环境分析

碎屑岩在沉积过程中受风化、剥蚀及成岩作用等影响，会发生物理化学性质的变化，其中的化学元素必然有其迁移及赋存规律，如Ti、Al、Th、Co、Sr和REE等性质稳定的化学元素只随着碎屑沉积物搬运，从而能在岩石中保存下来，对物源区的地球化学性质有较好的指示作用[17]。因此，通过对研究区碎屑岩地球化学特征进行系统研究，将其与已知物源区岩石的地球化学特征进行对比，可以判别其物源区并重建沉积盆地的大地构造格架。

4.1 主量元素分析判别

主要利用Al2O3、Na2O、K2O等主量元素的含量百分比来确定物源类型和构造属性。可采用Roser等[17]提出的主量元素综合系数F1-F2图解来分析物源区构造环境，其中F1与F2判别函数分别为：

F1=-1.773×TiO2+0.607×Al2O3+0.760×Fe2O3-1.500×MgO+0.616×CaO+0.509×Na2O-1.224×K2O-9.090

(1)

F2=-0.445×TiO2+0.070×Al2O3-0.250×Fe2O3-1.142×MgO+0.438×CaO+1.475×Na2O+1.426×K2O-6.861

(2)

将采用上述两个判别函数计算所得的判别值进行投点(图4)，可见杨山组、道人冲组和胡油坊组样品基本落入P4区域，反映研究区石炭系碎屑岩具有稳定的石英质物质来源，其源区可能为成熟大陆石英质源区，如稳定克拉通、古老的地质体、再旋回造山带等。

4.2 微量元素分析判别

碎屑岩中Th、Zr、La、Sc等微量元素在沉积、成岩过程中具有较低的活动性，且在一般的天然水体中难以溶解，因此其在沉积岩中的含量组合特征能够较好地反映物源区构造属性[18-22]。

图4 三仙山地区石炭系碎屑岩源区性质判别图解(底图据参考文献[17])Fig.4 Discrimination diagram of provenance properties ofCarboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

Bhatia等[21]发现杂砂岩中部分特征微量元素含量与其物源区的构造环境有一定的对应关系，建立了不同构造背景下的微量元素三角图解。将研究区石炭系碎屑岩的特征微量元素含量与Bhatia等总结的不同构造背景下的杂砂岩进行对比，发现研究区石炭系碎屑岩与大陆岛弧和活动大陆边缘构造环境接近(表3)。将研究区石炭系碎屑岩样品投影到La-Th-Sc三角图(图5-a)和Th-Sc-Zr/10三角图(图5-b)，发现杨山组样品落入D区，指示其源岩具有被动大陆边缘的构造属性；道人冲组样品较为分散，主体落入C区，表明其源岩构造属性主要为活动大陆边缘；胡油坊组样品主体落入B区和B与C区交界部位，说明其源岩构造属性为大陆岛弧和活动大陆边缘。

综上所述，石炭系碎屑岩的物源区构造环境以大陆岛弧为主，其次为活动大陆边缘及被动大陆边缘。

4.3 稀土元素分析判别

Bhatia[22]认为大洋岛弧区杂砂岩的ΣREE较低，LREE略有富集，没有负Eu异常；大陆岛弧区杂砂岩的ΣREE较高，(La/Yb)N比值较大，存在弱负Eu异常；

表3 三仙山地区石炭系碎屑岩与不同构造背景杂砂岩微量元素含量对比Table 3 Composition of trace element contents between Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area and miscellaneous sandstones with different tectonic settings

图5 三仙山地区石炭系碎屑岩微量元素构造环境判别图解(底图据参考文献[21])Fig.5 Tectonic environment discrimination diagram of trace element in Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area

而产于活动大陆边缘、被动大陆边缘、地台和克拉通盆地的杂砂岩则是LREE相对于HREE更加富集，负Eu异常更加明显。研究区石炭系碎屑岩存在负Eu异常(δEu平均值为0.70)与弱负Ce异常(δCe平均值为0.97)，轻重稀土元素分异程度较大((La/ Yb)N平均值为13.38)，与Bhatia的研究成果(表4)对比，可以看出石炭系碎屑岩的物源区构造环境可能主要为大陆岛弧，其次为活动大陆边缘与被动大陆边缘，与采用主量元素和微量元素进行判别所取得的认识相一致。

表4 三仙山地区石炭系碎屑岩与不同构造背景杂砂岩稀土元素含量对比Table 4 Composition of REE contents between Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area and miscellaneous sandstones with different tectonic settings

高山等[23]研究了华北陆块、扬子陆块的大陆地壳结构与成分组成，与之相比，研究区石炭系道人冲组的稀土元素含量特征与扬子陆块上地壳接近，表明该组碎屑岩可能为源自扬子陆块北缘的活动大陆边缘沉积。石炭系胡油坊组稀土元素含量特征介于扬子陆块和华北陆块之间，反映其可能同时接受华北陆块南缘的活动大陆边缘沉积和扬子陆块北缘的大陆岛弧—活动大陆边缘沉积。

前人研究表明，秦岭—大别造山带在古生代经历过复杂的大洋俯冲、岛弧增生、弧—陆碰撞过程，形成了复杂的岛弧体系[24-25]，并且北秦岭古生代俯冲增生造山带可向东延伸至北淮阳金寨及相邻地区[26]。赵宗举等[27]、李宝芳等[28]研究认为，石炭纪时期北淮阳地区为前陆盆地，古水流分析表明该地区石炭系沉积主要来自南部北淮阳构造带和大别地块。此外，前人在胡油坊组砾石中发现了华北陆块本溪组底部分子[29]；碎屑锆石微量元素指示北淮阳地区石炭系源区主要为陆壳，不存在洋壳物质[30]。结合本文石炭系碎屑岩地球化学特征可知，杨山组和道人冲组碎屑岩物源区为扬子古老陆块或再旋回造山带，而扬子陆块与华北陆块可能共同为胡油坊组提供物源。石炭系碎屑岩的微量元素和稀土元素指示，晚石炭世物源区构造环境为大陆岛弧或活动大陆边缘。以上证明在晚古生代，华北陆块与扬子陆块间不存在分隔性的大洋；在晚石炭世之前，北淮阳构造带与华北陆块已拼接连为一体。由此可以说明，秦岭—大别岛弧系和华北陆块的碰撞应在早古生代末期或者泥盆纪。

表5 三仙山地区石炭系地层与地壳稀土元素含量对比Table 5 Composition of REE contents between Carboniferous clastic rocks in Sanxianshan area and crust

5 结论

(1) 北淮阳构造带三仙山地区的石炭系主体以砾岩、含砾砂岩、石英砂岩夹煤层、泥质粉砂岩、灰岩为主，沉积环境总体经历了由河流相→沼泽→河流相→滨(浅)湖相→浅湖相的变化。

(2) 三仙山地区石炭系碎屑岩地球化学特征显示，沉积物源区当时处于大陆岛弧和活动大陆边缘的构造环境，杨山组和道人冲组物源区为扬子古老陆块或再旋回造山带，胡油坊组由扬子陆块和华北陆块共同提供物源。