罗伟, 刘池洋, 张东东, 王建强, 牛海青, 郭佩. (2016)贺兰山—六盘山地区中侏罗统直罗组地球化学特征及其地质意义* [J]. 古地理学报, 18(6): 1030-1043
Luo Wei, Liu Chiyang, Zhang Dongdong, Wang Jianqiang, Niu Haiqing, Guo Pei. (2016)Geochemistry characteristics of the Middle Jurassic Zhiluo Formation in Helan Mountain-Liupan Mountain area and their geological significances[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(6): 1030-1043. DOI:10.7605/gdlxb.2016.06.078  
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贺兰山—六盘山地区中侏罗统直罗组地球化学特征及其地质意义*
罗伟, 刘池洋, 张东东, 王建强, 牛海青, 郭佩
西北大学地质学系,大陆动力学国家重点实验室,陕西西安 710069

第一作者简介 罗伟,男,1990年生,硕士,从事沉积盆地分析。E-mail:weelo515@163.com。

通讯作者简介 刘池洋,男,1953年生,教授,博士生导师,从事盆地动力学、油气(能源)地质与勘探等方面科研与教学工作。E-mail:lyc@nwu.edu.cn。

收稿日期:2016-04-07
基金:*国家自然科学基金项目(编号: 41330315),中国地质调查局专项项目(编号: 12120113039900,12120114009201)和西北大学研究生自主创新项目(编号: YZZ15018)联合资助
摘要

贺兰山—六盘山地区是研究华北板块西部大地构造背景的关键区域。在研究区内中侏罗统直罗组地层采集了 20件样品,应用全岩分析和 ICP-MS方法对采集的样品进行主、微量及稀土元素测试并对其地球化学特征做出分析。测试结果显示,样品中 Al2O3/SiO2值介于 0.17~0.31之间,平均值为 0.25; K2O/Na2O值介于 0.77~73.77之间,平均值为 9.78; Al2O3 /( Na2O+CaO)值介于 0.49~96.00之间,平均值为 15.68。上述含量和比值与样品成分成熟度、元素迁移、热液流体影响和风化程度有关。部分元素之间存在良好的相关性,能够反映物源及环境的变化。稀土元素值总和( ΣREE)变化较大( 132.16~394.47μg· g-1),其球粒陨石标准化配分模式与大陆上地壳( UCC)极为相似,表现为轻稀土富集、重稀土平坦、 Eu负异常, Ce异常不明显等特征。结合 UCC标准化曲线、 La/Yb值、 GdN/YbN值、 La/Th值和 Hf含量,认为直罗组源岩主要为长英质岩石,混杂了少量古老沉积岩和基性岩或者特殊矿物,且后太古界地层提供主要物源。微量元素构造背景判别图揭示研究区中侏罗统直罗组地层的物源区具有大陆岛弧和活动大陆边缘的特征,物源可能来自于兴蒙造山带和祁连造山带。化学蚀变指数( CIA)值和 A-CN-K图反映源岩经历了较强的风化作用,但不同区域之间的风化程度存在差异。

关键词: 构造背景; 地球化学; 物源; 风化作用; 直罗组; 侏罗系; 贺兰山—六盘山地区
中图分类号:P595 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)06-1030-14
Geochemistry characteristics of the Middle Jurassic Zhiluo Formation in Helan Mountain-Liupan Mountain area and their geological significances
Luo Wei, Liu Chiyang, Zhang Dongdong, Wang Jianqiang, Niu Haiqing, Guo Pei
State Key Laboratory of Continental Dynamics,Department of Geology, Northwest University,Xi'an 710069,Shaanxi

About the first author Luo Wei,born in 1990,is a master degree candidate of Northwest University.He is mainly engaged in sedimentary basin analysis. E-mail:weelo515@163.com.

About the corresponding Author Liu Chiyang,born in 1953,is a professor and Ph.D. supervisor of Northwest University.He is engaged in research and teaching of basin dynamics and energy geology. E-mail:lyc@nwu.edu.cn.

Fund:[Co-funded by the National Natural Science Foundation of China(No.41330315),Special Items of China Geological Survey(No.12120113039900,12120114009201)and Independent Innovation of Northwest University Postgraduates(No.YZZ15018)]
Abstract

Helan Mountain-Liupan Mountain area is the key location to study the tectonic background in the west of North China Plate. We collected 20 samples of mud stone and silty mud stone and 1 coal sample in the study area. Then the testing on major,trace and rare earth elements were carried out by bulk rock analysis and ICP-MS,which could help understand the geochemistry characteristics of these samples. The results show: The ratio value of Al2O3/SiO2 stays steady from 0.17 to 0.31 with the average value 0.25; the ratio value of K2O/Na2O has a big fluctuation from 0.77 to 73.77 with the average value 9.78; the ratio of Al2O3/(Na2O+CaO)ranges from 0.49 to 96 with the average value 15.68. These ratio values are related to compositional maturity,element migration,hydrothermal fluid and weathering. Strong correlation among some elements is a natural advantage to determine provenance area. The total content of rare earth elements in the fine clastic sediments changes rapidly from 132.16×10μg·g-1 to 394.47μg·g-1 with the average value 198.68 μg·g-1. Meanwhile chondrite-normalized REE patterns reveal a deficit of light rare earth elements while the enriched heavy ones,negative Eu anomal and weak Ce anomaly. All of these characteristics together with UCC normalized REE patterns,ratios of La/Yb,Gd/Yb,La/Th and Hf indicate that the major source rock is felsic rock with slight elder sedimentary rock and basic rock or special minerals,meanwhile, the post￣Archeozoic strata provided most source rocks. The tectonic discrimination diagrams of trace element show the provenance of Middle Jurassic is close to the continental island arc and active continental margin,Mongol-Hinggan and Qilian orogenic belt maybe the provenance of the study area. The ratios of CIA and A-CN-K plots reflect the source rocks had experienced strong weathering with varying degrees in various regions.

Key words: tectonic background; geochemistry; provenance; weathering; Zhiluo Formation; Jurassic; Helan Mountian-Liupan Mountain area

细粒碎屑沉积物作为较大源区自然混匀的产物, 在沉积时间上具有连续的记录。在细粒碎屑沉积物中保存着源区岩石成分、构造背景、古气候及环境等重要信息。从大区域甚至全球范围, 总结细粒碎屑沉积物中的地球化学特征建立全球陆壳平均成分模型, 对研究地壳演化过程和资源探测具有重要意义(Taylor and Mclennan, 1985; Taylor and Mclennan, 1995; 鄢明才和迟清华, 1997; Gao et al., 1998; Mclennan, 2001; 汪洋, 2005)。由于细粒碎屑沉积物受气候、搬运距离和成岩作用的影响小, 一般可以认为其成分主要受物源区母岩性质和构造背景影响, 因此可通过其地球化学特征判定母岩类型、确定物源区, 进而分析其所经历的构造背景并重建构造演化过程(Gromet et al., 1984; Taylor and Mclennan, 1985; Taylor and Mclennan, 1995; Gallet et al., 1998; Pramod, 2009; Song and Cho, 2009; 毛光周和刘池洋, 2011; 王欣欣等, 2014; 许中杰等, 2015)。此外, 细粒碎屑沉积物中的地球化学信息完整记录了其沉积时期的沉积环境和古气候演变等信息, 从而为气候变化的研究提供重要依据(黄汝昌, 1982; Owen et al., 2005; 杨守业等, 2007)。

通过地球化学手段分析贺兰山— 六盘山地区中侏罗统直罗组的构造背景, 对研究区沉积构造演化提供了新的方法和思路。作者分析了贺兰山— 六盘山地区中侏罗统直罗组泥岩、粉砂质泥岩的主、微量及稀土元素的地球化学特征, 并结合区域地质背景和前人研究成果, 探讨研究区直罗组地层的源岩特征、源区构造背景和源区遭受的风化强度。

1 区域地质背景

在晚古生代— 中生代时, 华北板块周缘构造运动剧烈, 其北缘的古亚洲洋向南俯冲和消减, 于晚二叠世进入陆陆碰撞阶段, 形成大规模的推覆隆升构造, 兴蒙造山带雏形开始出现(张文等, 2013); 南缘的扬子板块与华北板块于印支期发生主体碰撞, 秦岭造山带由此发育(申浩澈等, 1994); 东缘的古太平洋板块于晚侏罗世开始向北西方向俯冲和消减, 使华北板块内一些构造薄弱地带重新活跃起来(张义楷等, 2006)。华北板块西南缘的祁连造山带于奥陶纪末期— 早志留世初期就已发育(张进等, 2000; 徐亚军等, 2013)。由于受多期强烈构造运动的影响, 研究区内地层发育逆冲推覆构造, 加之长期的风化剥蚀作用, 导致研究区内中侏罗统直罗组在空间上分布少(刘池洋等, 2006; 白云来等, 2006), 残存的直罗组又多被新生界地层所覆盖, 目前在研究区内能直接观测的直罗组露头少之又少(图 1)。

图1 贺兰山— 六盘山地区地质图及采样位置
(据1:200000地质图①与白云来等, 2005)
① 括：乌海市幅, 新召幅, 阿拉善左旗幅, 石嘴山市幅, 巴伦别立幅, 银川市幅, 中卫幅, 吴忠幅, 景泰幅, 同心幅, 下马关幅, 靖远幅, 海原幅, 固原幅。Fig.1 Geological map and sampling position of Helan Mountain-Liupan Mountain area
(after 1:200000 geological maps and Bai et al., 2005)

贺兰山— 六盘山构造带位于华北板块西部, 其东西方向分别被鄂尔多斯和阿拉善地块所夹, 南北方向分别受天山— 兴蒙和北祁连造山带所包围。贺兰山— 六盘山构造带长期活跃的构造运动和独特的大地构造位置为现今研究大地沉积构造演化的绝佳场所(张进等, 2000; 刘池洋等, 2005, 2006; 白云来等, 2006; 张义楷等, 2006; 赵俊峰, 2007)。其中, 直罗组可以反映鄂尔多斯盆地西缘发生大规模隆升推覆之前盆地周缘的构造背景, 对研究盆地沉积构造演化具有良好的指示意义。

贺兰山— 六盘山构造带根据构造带形成机制可以分为南北2段, 由北向南划分, 其中北段包括桌子山段、贺兰山北段和横山堡段; 南段包括贺兰山南段、马家滩段和沙井子段(张进等, 2000)。南北不同区段的演化历史、构造特征及变形样式大不相同。北段为基底卷入变形的“ 厚皮” 构造, 而南段为盖层滑脱, 基底未参与变形的“ 薄皮” 构造, 两逆冲构造带之间的运动在横山堡与马家滩构造带之间进行调整, 由于南北2段具有不同的构造变形样式, 因而其形成演化过程及形成机制也不相同, 构造条件极其复杂, 向来为该地区研究难点(张进等, 2000; 刘池洋等, 2005)。中侏罗统直罗组与下伏地层构造变形协调一致, 侏罗系与上覆白垩系呈角度不整合接触关系(杨华等, 2011), 研究直罗组的构造背景对于研究鄂尔多斯盆地在中生代的沉积构造演化具有承上启下的作用。

研究区中侏罗统直罗组岩性单一, 为2套正旋回地层, 自上而下可划分为直1段、直2段、直3段、直4段。直1— 直2段为曲流河沉积, 直3— 直4段为辫状河沉积。其中直4段发育的中— 粗粒长石砂岩(七里镇砂岩)厚度大、分布广, 可作为直罗组标志层与全区地层进行对比。二道岭地区直4段厚层砂岩之间夹1.0, m左右的煤层, 判定为下伏延安组煤层遭受冲刷而在异地堆积的“ 异地煤” ; 直3段为粉砂岩、粉砂质泥岩与泥岩互层; 直2段发育的细粒长石砂岩(高桥砂岩)可作为直罗组的辅助标志层, 从而对直罗组内部层段进行划分; 直1段为粉砂岩、粉砂质泥岩与杂色泥岩互层。在惠安堡以东的直罗组地层蕴藏有工业价值的石油资源(赵俊峰, 2007), 惠安堡与马家滩之间地区的直罗组地层发现铀异常, 是目前勘查铀矿资源的重要区域(赵俊峰, 2007; 贾恒等, 2012)。

2 样品与测试方法

本次研究以贺兰山— 六盘山地区中侏罗统直罗组露头的新鲜细粒碎屑沉积岩为研究对象, 以降低后期成岩作用的影响, 从而能够准确判定对研究区直罗组源岩类型、源区构造背景和风化作用强度。本次研究共选取20个样品, 遍及贺兰山— 六盘山地区每一处直罗组露头, 取样位置见图1。样品编号为BJG-04、EDL-13、EDL-14、EDL-17、DZC-04、DZC-07、KXS-09、KXS-10、KXS-11、MHG-13、MHG-16、WJS-01、BJS-01、TS-01、TS-03、TS-05、SGG-03、S102-11、S102-12、S102-15, 其中S102-05、S102-11、S102-12、S102-15为钻井样, EDL-14为直罗组煤样, 其余样品均采自新鲜露头面上。对所有样品分别进行了主、微量及稀土元素测试, 其中主量元素采用玻璃熔饼法在X荧光光谱(XRF)仪上测定, 微量和稀土元素测试在电感耦合等离子质谱(ICP-MS)仪上测定, 测试过程中均以OU-6、AMH-1、GBPG-1为标样进行监控, 主量元素分析精度优于2%, 微量和稀土元素分析精度优于5%~10%。样品主、微量及稀土元素测试均由中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室完成。

3 元素地球化学特征
3.1 主量元素及微量元素特征

贺兰山— 六盘山地区中侏罗统直罗组主量元素及微量元素含量见表1。从总体上看, 所有样品主量元素含量在区域上与大陆上地壳(UCC)平均值均在一个数量级范围内, 仅有个别样品或个别元素与UCC值相比出现明显的异常。SiO2含量在46.99%~75.39%之间, Al2O3/SiO2值介于0.17~0.31之间, 平均值为0.25, 反映样品成分成熟度差别不大。K2O/Na2O值变化大, 介于0.77~73.77之间, 平均值为9.78, 表明在沉积过程中不同区域中K、Na离子可能出现不同程度的迁移。(Fe2O3*+MgO)含量变化大(Fe2O3*指以Fe2O3形式表示的全铁含量), 介于2.74%~25.89%之间, 平均值为8.65%, 指示不同区域风化程度存在差异。CaO含量介于0.1%~16.01%之间, 平均值为2.25%, 仅样品S102-15和WJS-01含量大于5%, 说明不同区域古环境或受后期热液流体改造程度不一致。Al2O3/(Na2O+CaO)值变化大, 介于0.49~96之间, 平均值为15.68, 显示不同区域风化强度变化很大。

从微量元素特征来看, 研究区所有样品中W含量均大于UCC中W含量, 其变化范围为7.11~155 μ g· g-1, 是UCC中W含量的3.6~77.5倍, 平均23.8倍。研究区W含量异常与中国钨矿主要形成于中生代燕山期相对应, 钨成矿大地构造背景以造山运动之后的陆内环境为主(盛继福等, 2015), 从侧面反映研究区直罗组地层物源区构造运动强烈。样品EDL-14为煤, 微量元素几乎都不富集, 但是As含量却异常高, 达到39.6 μ g· g-1, 远高于中国煤中As的平均值(约5 μ g· g-1), 但距离样品EDL-14最近的汝箕沟煤矿(约15, km, 产自延安组)中煤的As含量仅为4.71 μ g· g-1(郑刘根等, 2006), 远低于EDL-14中As含量, “ 异地煤” 中As的来源可能是富含As的热液流体长期与煤层接触而导致异常高的As含量, 如同黔西南高砷煤就是沉积期后热液矿化作用叠加的结果(李大华等, 2002)一样。样品WJS-01中As含量为75.6 μ g· g-1, 是UCC中As含量的50.4倍, 而相距不过几千米外的钻孔S102中侏罗统样品S102-05、S102-11、S102-12和S102-15的As含量分别为3.8 μ g· g-1、2.45 μ g· g-1、1.82 μ g· g-1和5.09 μ g· g-1, 远低于WJS-01样品中的As含量, 在采样位置附近并无断裂发育, 可能是携带As的流体通过上下粗碎屑沉积层(良好透水层)时, 在泥岩中局部富集。同样的WJS-01样品中U含量为30 μ g· g-1, 是UCC中U的均值的10.7倍, U的富集可能同该样品中As的富集过程相同, 为地表或地下流体带入, 在合适的条件下得以保存(宋霁等, 2015)。

研究区直罗组多数主、微量及稀土元素之间的相关性并不明显(表 2), 但是有几组元素间的相关性很好。例如: MgO与CaO之间的相关系数为0.91, Mg/Ca值能够反映古气候的干旱/潮湿程度, 但是当古环境有钠盐、钾盐的沉淀时并不适用; Ti2O与Nb之间的相关系数为0.92, 沉积岩中Ti2O和Nb大部分来自陆源, 从而可以反映陆源碎屑的供应; Cr与Ni之间的相关系数为0.87, Cr和Ni均可以在还原环境下富集, 在氧化环境中迁移; W与Co之间的相关系数为0.86, 其中Co主要在硫酸盐还原环境中富集, 研究区内直罗组W富集, 与其相关性好的Co也应该富集, 可以反映直罗期沉积环境为还原环境(熊小辉和肖加飞, 2011); Y与Σ REE之间的相关系数为0.89, 稀土元素在风化、搬运、沉积和成岩过程中, 性质稳定, 不易发生变化, 借助其相互之间的关系, 可以有效地分析物源区大地构造背景及判定源岩类型, 因此Y也应该可以用作物源分析上。

表2 贺兰山— 六盘山地区直罗组细粒碎屑沉积物主、微量及稀土元素之间的皮尔逊相关系数 Table2 Pearson correlation coefficient of major, trace and rare earth elements from fine-grained clastic sedimentary rock of the Zhiluo Formation in Helan Mountain-Liupan Mountain area
3.2 稀土元素(REE)特征

研究区中侏罗统直罗组REE测试结果(表 1)表明, 不同地区Σ REE变化较大, 最高可达394.47 μ g· g-1, 最低仅为132.16 μ g· g-1(煤样EDL-14为106.00 μ g· g-1), 平均值为198.53 μ g· g-1, 高于PAAS、NASC、UCC中的REE总量(分别为 183.00 μ g· g-1、 173.21 μ g· g-1 和146.37 μ g· g-1)(Gromet et al., 1984; Taylor and Mclennan, 1985, 1995; Mclennan, 2001)。 Σ LREE/Σ HREE值(简写为L/H)和LaN/YbN值能够反映样品中REE的分异状况, 常用于间接反映沉积物来源(Gromet et al., 1984; 高志友, 2005; 宋健等, 2012; 许中杰等, 2015)。样品L/H值介于5.93~11.31之间, 平均值为9.16; LaN/YbN 值介于7.06~13.76之间, 平均值为10.80; 显示研究区内中侏罗统轻、重稀土之间分异程度高。LaN/SmN值和GdN/YbN值分别代表轻稀土元素之间分异程度和重稀土元素之间分异程度, LaN/SmN值介于2.23~4.83之间, 平均值为3.83; GdN/YbN值介于1.43~3.22之间, 平均值为1.92; 表明轻稀土元素分异程度高于重稀土元素分异程度。

表1 贺兰山— 六盘山地区直罗组地层主、 微量及稀土元素含量和特征比值 Table1 Contents and characteristic ratios of major, trace and rare earth elements from the Zhiluo Formation in Helan Mountain-Liupan Mountain area

样品δ Eu值介于0.58~0.91之间, 平均值为0.66, 具有显著的负异常。Eu在岩浆分异过程中主要富集于斜长石中, 而在其他矿物中相对不相容, 所以根据岩浆演化来看, 在斜长岩中Eu是正异常的, 之后残余岩浆演化出的花岗岩, 由于岩浆中的Eu已经随斜长石析出, 所以造成了Eu的负异常。因此从δ Eu值特征来看, 源岩更倾向于花岗质的岩石。样品中δ Ce值异常可以反映沉积水体的氧化— 还原条件, 沉积物中的Ce主要以离子形式(Ce3+)存在, 若沉积环境为氧化环境时, Ce3+易被氧化为Ce4+而沉淀(王中刚等, 1989), 表现为δ Ce值的负异常。研究区样品δ Ce值介于0.92~1.11之间, 平均为1.00, 显示出弱的负— 正异常, 因此反映研究区直罗期为弱氧化— 弱还原环境。

4 讨论
4.1 沉积物源区特征

母岩在风化、搬运、沉积成岩过程中, 某些元素(如Th、Sc、Zr和REE等)具有极好的稳定性, 因此可以通过这些稳定元素来判定物源区(王中刚等, 1989; 高志友, 2005; 张金亮和张鑫, 2006; 宋健等, 2012; 胡俊杰等, 2014)。黏土具有较强的吸附性, REE能快速沉积下来, 因而黏土粒级沉积物具有与源岩最相近的REE组成特点, 其REE配分形式可以反映源岩中REE配分特征(Taylor and Mclennan, 1985, 1995; Mclennan, 2001)。

虽然研究区样品中REE含量变化较大, 但其球粒陨石标准化曲线(图 2-a)变化特征相似, 所有稀土元素配分曲线明显“ 右倾” , 轻稀土元素曲线较陡, 重稀土元素曲线较为平坦, Eu负异常显著, Ce异常不明显等特点, 并且与UCC的曲线(Gromet et al., 1984; Taylor and Mclennan, 1985, 1995; Mclennan, 2001)特征一致, 根据“ 相似同源” 原理(宋健等, 2012), 研究区直罗组源岩应来自于上地壳, 由于δ Eu值表现出显著的负异常, 源岩主要来自上地壳中的花岗质岩石。从各组样品稀土元素UCC标准化曲线图(图 2-b)中可以看出, 大多数样品变化趋势与UCC一致, 表现出平坦的稀土配分模式, 且含量也相近, 表明直罗组源岩类型相同。但是样品BJG-04显示出δ Eu异常高值, 其源岩中应该混杂有基性岩成分; 样品S102-11显示出稀土元素含量整体偏高, 尤其富集Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho和Er, 最合理的解释为深源物质(杨江海等, 2008)与特殊矿物(Dou et al., 2010)的混杂所导致的。综合各组样品稀土元素球粒陨石标准化和UCC标准化曲线图可知直罗组源岩主要为上地壳中的花岗质岩石, 局部地区混杂有基性岩或者深源物质与特殊矿物。

图2 贺兰山— 六盘山地区直罗组细粒碎屑沉积物稀土元素球粒陨石标准化配分图(a)与UCC标准化曲线图(b)Fig.2 Chondrite-normalized REE patterns (a) and UCC normalized REE curves (b) of fine-grained clastic sediments from the Zhiluo Formation in Helan Mountain-Liupan Mountain area

将样品投点于La/Yb-Σ REE源岩判别图(图 3-a)中, 数据点均分布在沉积岩— 大陆拉斑玄武岩— 碱性玄武岩— 花岗岩之间。由于花岗岩多具有Eu负异常(δ Eu< 0.9), 玄武岩Eu异常不明显(0.9< δ Eu< 1.0)(张金亮和张鑫, 2006), 而研究区样品δ Eu值介于0.58~0.91之间, 平均为0.66, 具有明显的负异常, 因此研究区样品的主要母岩并非玄武岩, 而应该是沉积岩— 花岗岩。将样品投点于La/Th-Hf源岩判别图(图 3-b)中, 发现数据点靠近上地壳, 并且以长英质为主要物源, 而样品KXS-10来源于古老沉积物, WJS-01为长英质和基性岩混源。综合图3-a与图3-b的结果, 说明研究区直罗组的主要物源为长英质岩, 混杂了少量古老沉积岩和基性岩。

图3 贺兰山— 六盘山地区直罗组细粒碎屑沉积物La/Yb-Σ REE源岩判别图(a)(据Allè gre 和 Minster, 1978)与La/Th-Hf源岩特征判别图(b) (据Floyd 和 Leveride, 1987)Fig.3 La/Yb-Σ REE plots(a)(after Allè gre and Minster, 1978) and La/Th-Hf plots (b)(after Floyd and Leveride, 1987) of fine-grained clastic sediments from the Zhiluo Formation in Helan Mountain-Liupan Mountain area

Gd和Yb性质相对稳定, 在沉积过程中受地质作用的影响较小, 一旦在地层中发生沉积, 很容易被保存下来, 其后在地质历史中含量几乎不会变化, 因而可用GdN/YbN值判别母岩的性质(Taylor and Mclennan, 1985, 1995; Mclennan et al., 1993; Mclennan, 2001)。在地球演化初期, 先结晶形成的岩石中Gd含量较高, 随着元素分馏作用, 后结晶形成的岩石中Gd的含量越来越少, 所以GdN/YbN值随着地层时代的变新而变小, 太古界地层GdN/YbN> 2, 后太古界地层GdN/YbN< 2(Taylor and Mclennan, 1985, 1995; Mclennan, 2001)。研究区中侏罗统GdN/YbN值介于1.43~3.22之间(表 1), 平均值为1.92, 比值高于2.0的共计3个样品, 为BJG-04、KXS-11和S102-11, 说明在直罗期, 源岩少量来自太古界地层, 后太古界地层提供主要物源, 与前人通过碎屑锆石U-Pb年龄对直罗组源岩分布时代的研究结果一致(罗伟等, 2015)。

4.2 构造背景

细粒碎屑沉积岩的地球化学特征不仅与物源相关, 也与大地构造背景有着紧密的关系。前人通过大量采样, 对已知构造环境中不同地区的砂泥岩中的主、微量元素特征进行统计分析, 总结出一系列恢复物源区构造背景的方法(Bhatia et al., 1986; Roser and Korsem, 1986)。

根据主量元素K2O/Na2O值与SiO2的关系, 将沉积岩形成时的构造环境划分为3类: 被动大陆边缘、活动大陆边缘和岛弧(Roser and Korsem, 1986)。将本次研究样品数据投影于K2O/Na2O-SiO2构造背景判别图(图 4)中, 发现样品大都落于被动大陆边缘范围内, 反映源岩主要形成于被动大陆边缘的构造背景中。但有4个样品(分别是EDL-13、EDL-17、KXS-10和KXS-11)落在活动大陆边缘范围内, 这可能是由于研究区源岩不同区域的构造演化程度不同造成的, 反映这些源岩可能为古大洋闭合时残留的产物, 因而出现当时处于主动大陆边缘构造背景的响应。

图4 贺兰山— 六盘山地区直罗组细粒碎屑沉积物K2O/Na2O-SiO2构造背景判别图
(据Roser 和Korsem, 1986)Fig.4 Tectonic discrimination diagram of fine-grained clastic sediment samples from the Zhiluo Formation based on K2O/Na2O-SiO2 in Helan Mountain-Liupan Mountain area
(after Roser and Korsem, 1986)

根据微量和稀土元素不同组分之间的相互关系, 可将沉积岩形成时的构造背景划分成四类: 大陆岛弧、大洋岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘(Bhatia et al., 1986)。由于相对稳定微量元素(如Sc、Th、Zr等)和REE在水体中停留时间短, 在风化、搬运和沉积成岩过程中不轻易发生变化, 因此可以有效的用于判定物源区的构造背景(Taylor and Mclennan, 1985, 1995; Mclennan, 2001)。用于判断构造背景的典型判别图有La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10和Th-Co-Zr/10判别图(Bhatia et al., 1986), 将研究区样品投点于上述3种判别图(图 5)上, 出现了完全不同于K2O/Na2O-SiO2判别图的结果。根据La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10判别图, 大多数样品落入大陆岛弧构造背景; 而根据Th-Co-Zr/10判别图, 部分样品落入大陆岛弧构造背景, 部分样品落于活动大陆边缘区域, 还有部分样品位于判定区域之外, 显示出复杂的构造背景。因此综合来看大多数样品物源区主要为大陆岛弧的构造背景。

图5 贺兰山— 六盘山地区直罗组细粒碎屑沉积物La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10和Th-Co-Zr/10构造背景判别图(据Bhatia等, 1986)Fig.5 La-Th-Sc, Th-Sc-Zr/10 and Th-Co-Zr/10 tectonic discrimination diagrams of fine-grained clastic sediment samples
from Zhiluo Formation in Helan Mountain-Liupan Mountain area (after Bhatia et al., 1986)

应用主量元素制作的构造背景判别图与应用微量和稀土元素绘制的构造背景判别图得出2种不同的结果。但是, 由于K2O和Na2O在风化过程中易于丢失, 而La、Th、Sc和Zr在风化、搬运、沉积和成岩过程中不会轻易发生改变, 比主量元素稳定性更强, 而且它们之间的相关性也更好(表 2), 因此, 笔者认为应用微量和稀土元素获得的判别结果应优于根据主量元素获得的判定结果, 即源岩主要来自大陆岛弧, 少量来自活动大陆边缘, 说明研究区至少存在2个不同性质的物源区。

而从区域地质背景来看, 奥陶纪末期— 早志留世初期由于祁连地区发生从大洋俯冲到大陆初始碰撞的转换, 在研究区南— 西南方向形成祁连造山带(张进等, 2000; 徐亚军等, 2013)。

二叠纪末期由于西伯利亚地块和华北地块发生碰撞, 位于两地块间的古亚洲洋闭合, 在研究区的北方形成兴蒙造山带(张文等, 2013)。因此研究区直罗组的主要物源可能来自于这2个方向因大洋闭合和陆— 陆碰撞形成的大陆岛弧区, 即兴蒙造山带和祁连造山带都可能给研究区提供物源。

4.3 物源区风化程度

物源区母岩在风化剥蚀或成岩过程中会发生(化学)交代作用, 其所含的不稳定元素(如Ca、Na、K、Mg等)和相对稳定元素(如Al、Zr、Ti等)含量会发生明显变化。随着风化作用的进行, 长石中Ca、Na、K离子逐渐溶解而减少, Al2O3比例相对增加, 根据长石的这种变化特点可计算细粒碎屑沉积岩的化学蚀变指数(CIA)(Nesbitt and Yong, 1982; Nesbitt and Yong, 1989; Johnson, 1993):

CIA=[Al2O3 /(Al2O3+CaO* +Na2O+K2O)]× 100

式中各成分单位为摩尔量。

其中CaO* 特指硅酸盐矿物中的CaO含量, 不包括碳酸盐和磷灰石中的CaO。由于研究区样品中多有钙质胶结, 参考前人的研究, 本文对CaO* 的校正方法为: 假定CaO* =CaO-P2O5× 10/3, 若所得CaO* 值小于Na2O, 则所得值为真实CaO* ; 若所得值大于Na2O值, 则Na2O值为式中所需CaO* 的值(Nesbitt and Yong, 1989; 田洋等, 2015)所得的CIA值随化学风化强度的增强而增加。

研究表明, 研究区样品CIA值介于48.09~84.99之间(表 1), 均值为71.62, 显示源岩风化程度为中— 强。样品KXS-10、KXS-11和WJS-01的CIA值分别为56.32、48.09和55.78, 风化程度弱。由于KXS-11的CIA值低于50, 所以混有岩浆岩物源(Nesbitt and Yong, 1982)。CIA值的变化反映物源在不同区域风化强度差异大, 可间接反映沉积物搬运距离。当沉积时期为近源快速堆积时, CIA值显示出低值(50以下)。科学山地区很可能为直罗组沉积边界(赵俊峰, 2007)。

化学风化程度也可以通过A-CN-K图(图 6)来反映, 研究认为斜长石— 钾长石风化形成黏土矿物过程应该平行A-CN-K图中的A-CN一侧变化(图 6中虚线箭头方向)(Nesbitt and Yong, 1982), 本次研究的直罗组样品通过投点显示样品主要是由斜长石向伊利石转化, 因此实际风化过程相对于虚线右倾(图 6中实线箭头方向), 其原因是由于钾的交代作用, 使得高岭石转变为伊利石。也更直观的显示出研究区在中侏罗世不同区域的风化强度差异很大, 这可能是不同物源区的沉积物搬运速度或距离不同而导致风化强度的差异。

图6 贺兰山— 六盘山地区直罗组细粒碎屑沉积物A-CN-K图
(据Nesbitt 和Yong, 1989)Fig.6 A-CN-K plots of fine-grained clastic sediment samples from the Zhiluo Formation in Helan Mountain-Liupan Mountain
area(after Nesbitt and Yong, 1989)

5 结论

1)贺兰山— 六盘山地区中侏罗统直罗组样品中Al2O3/SiO2值、K2O/Na2O值、(Fe2 O3* +MgO)含量、CaO含量和Al2O3 /(Na2O+CaO)值的变化与样品成分成熟度、元素迁移、热液流体影响和风化程度有关。主微量元素在区域上与大陆上地壳(UCC)平均值相似, 仅个别元素含量出现异常值, 其中W含量在全区范围内均偏高。而个别样品中的某些元素含量异常, 可能为后期流体带入。大部分主、微量及稀土元素之间的相关性并不明显, 少量元素之间具有极好的相关性, 可以用来判定物源和古环境。

2)贺兰山— 六盘山地区直罗组的主要物源为长英质岩石, 混杂了少量古老沉积岩和基性岩或者深源物质与特殊矿物, 并且后太古界提供主要物源。根据主量和微量元素构造背景判别图解得出不一致的结论, 这可能是K2O和Na2O在沉积过程中容易发生元素迁移导致的, 最终确定研究区直罗组地层源岩大部分来自大陆岛弧, 小部分来自大陆活动边缘, 因此研究区至少存在2个不同性质的物源区。

3)CIA值和A-CN-K图显示研究区的源岩经历了较强的风化作用, 不同区域源岩风化强度差异较大, 可能是不同物源区的沉积物搬运距离不同而导致的, 并且科学山地区很可能为直罗组的沉积边界。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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