諸城盆地早白堊世砂巖主量元素地球化學特征及其對物源區構造環境的制約

倪金龍+張紅+唐小玲+史曉曉+孫煜杰+韓帥

摘 要：諸城盆地作為早白堊世伸展盆地，與其東南側膠南造山帶之間的耦合關系一直以來仍缺少相關研究。基于野外地質考察、砂巖碎屑組分統計及主量元素特征分析，探討了早白堊世諸城盆地的物源方向、萊陽群砂巖的地球化學組成、物源區風化特征及大地構造背景。結果表明：諸城盆地萊陽群砂巖地球化學類型主要為鐵砂巖和雜砂巖，其源巖具有長英質火成巖或中性巖特點；砂巖的化學蝕變指數（45～58）、化學風化指數（47～69）、斜長石蝕變指數（58～73）和化學組分變化指數（0.86～1.02）體現了源區風化作用很弱的特征；Dickinson分類圖解及古流向指示砂巖源區主要為盆地東南側的膠南造山帶，砂巖的地球化學組成、風化特征等共同說明早白堊世時期膠南造山帶經歷了快速隆升事件；結合前人關于該地區巖漿巖地球化學特征，膠南造山帶的本次快速隆升是巖石圈減薄作用的結果，因而諸城盆地的快速沉降與膠南造山帶的隆升是相互耦合的。上述結果一方面從地球化學角度證實了膠南造山帶早白堊世時期經歷了快速隆升事件，另一方面也說明了諸城盆地原型是伸展斷陷盆地，二者均是華北東部巖石圈減薄作用的產物。

關鍵詞：萊陽群；早白堊世；巖石地球化學；巖石圈減薄；盆山耦合；盆地原型；風化指數；諸城盆地

中圖分類號：P588.21+2.3；P595 文獻標志碼：A

文章編號：1672-6561（2016）05-0587-14

Abstract： The coupling relationship between Zhucheng Basin as Early Cretaceous extensional basin and Jiaonan orogenic belt is still lack of relevant research. Based on the field geology observations， sandstone detrital component statistics and the analysis of major element characteristics， the provenance of Zhucheng Basin in Early Cretaceous， the geochemical composition of sandstone from Laiyang Group， the weathering characteristics of provenance and the tectonic background were discussed. The results show that the geochemical types of sandstone in Laiyang Group of Zhucheng Basin are mainly iron sandstone and greywacke， and the source rocks have the characteristics of felsic igneous rock or intermediate rock； the chemical index of alteration（45-58）， chemical index of weathering（47-69）， plagioclase index of alteration（58-73） and index of compositional variability（0.86-1.02） reflect the relative weak weathering in provenance； Dickinson classification diagrams and the paleocurrent direction indicate that the provenance of sandstone is mainly Jiaonan orogenic belt at the southeastern side of Zhucheng Basin， and the geochemical composition and weathering characteristics of sandstone suggest that Jiaonan orogenic belt experiences rapid uplift event during Early Cretaceous； combined with the previous research on the geochemical characteristics of magma rock， the rapid uplift of Jiaonan orogenic belt results from the lithosphere thinning， so the rapid subsidence of Zhucheng Basin and the uplift of Jiaonan orogenic belt are coupled with each other. From the view of geochemistry， the above-mentioned results confirm that Jiaonan orogenic belt experiences a rapid uplift event during Early Cretaceous； on the other hand， it also illustrates that the prototype of Zhucheng Basin is an extensional fault basin， and both of them are the produce of lithosphere thinning in the eastern North China.

Key words： Laiyang Group； Early Cretaceous； petrogeochemistry； lithospheric thinning； basin-mountain coupling； basin prototype； weathering index； Zhucheng Basin

0 引 言

盆地和造山帶是大陸巖石圈表面的兩個基本構造單元，二者在空間上相互依存，在物質上相互轉換，在地表形態上相互調整與均衡，具有密切的耦合關系[1]。前人常通過研究造山帶前緣發育的盆地來揭示造山帶源區特征、演化歷史[2]，如合肥盆地與大別造山帶[3-5]的相關研究。蘇魯造山帶發育于郯—廬斷裂帶東側，通常被認為是大別造山帶的東延[6]，其北緣發育了膠萊盆地，為全面認識造山帶的隆升與演化過程提供了一個新的窗口[7-8]。

諸城盆地發育于膠萊盆地的南端，是膠萊盆地的一個次級構造單元[9]。作為早白堊世的重要盆地，該盆地目前存在如下認知問題：①盆地的原型仍存在爭議；②同為早白堊世凹陷，諸城盆地為什么存在比膠萊盆地中高密凹陷、萊陽凹陷厚得多的萊陽群沉積層（圖1）？③諸城盆地與其東南側的膠南造山帶是否存在耦合關系？

砂巖的物質組分記錄著物源區的信息，因而受到廣泛關注。近年來，利用砂巖巖石地球化學特征判別巖石形成時的大地構造背景、盆地的物源及沉積構造背景等方面取得了很多成果[10-13]，為認識盆地及源區的性質與演化提供了新的視角。本文主要選取諸城盆地下白堊統萊陽群樣品進行砂巖主量元素地球化學研究，結合砂巖組分特征深入探討諸城盆地砂巖的物源屬性、源區古風化與古氣候條件，同時揭示膠南造山帶抬升與諸城盆地沉降的耦合關系及區域構造意義。

1 區域地質概況

諸城盆地位于膠南造山帶西側，具有不對稱的箕狀結構，NE—SW向延伸的壓扭性斷層多發育于盆地與變質核雜巖下盤在地表的接合部，與造山帶近平行。該組斷層切割了諸城盆地早白堊世盆地，是晚白堊世區域擠壓作用的結果。另有一組NE—SW向延伸的正斷層伴隨早白堊世侵入的閃長玢巖發育（圖2）。

盆地的沉積中心呈NE—SW向分布，與蘇魯造山帶平行。出露的盆地基底主要為元古代花崗巖（圖1）。萊陽群在盆地中普遍發育，與基底的元古代花崗巖為沉積接觸關系，厚度最大可達6 000 m；萊陽群主要為一套河流-湖泊相沉積，發育粒序層理、韻律層理及槽狀交錯層理等，巖性以灰色砂巖為主，并含少量頁巖及礫巖（圖3），局部夾火山巖。萊陽群（圖2）從下到上可劃分為林山寺組（Kll）、止鳳莊組（Klz）、楊家莊組（Kly）、龍旺莊組（Kllw）、曲格莊組（Klq）和法家瑩組（Klf），沉積年代為120～135 Ma[14-15]。

青山群為一套火山沉積巖，厚度分布很不均勻，最厚可達3 000 m（圖2），主要發育八畝地組（Kqb），為一套安山質火山噴發巖，角度不整合覆蓋于傾斜的萊陽群之上（圖2）。王氏群在凹陷中分布局限，厚度較薄。

2 樣品采集與物質組分特征

2.1 地層特征

野外考察選取山東省五蓮縣城—中至鎮地質剖面，野外露頭良好，從下向上發育林山寺組、龍旺莊組、曲格莊組與法家瑩組（圖2）。林山寺組主要為一套沖積扇相的塊狀角礫巖及含礫粗砂巖沉積，覆蓋于膠南造山帶元古代花崗片麻巖之上。龍旺莊組底部為一套灰紫色中粒長石砂巖、細砂巖、粉砂巖夾含礫粗砂巖，向上發育薄層粉、細砂巖及頁巖。曲格莊組主要發育一套黃綠色薄層細砂巖、粉砂巖及頁巖。法家瑩組發育黃綠色含礫砂巖、中粒長石砂巖、粉砂巖及泥灰巖。根據地層發育的礫巖排列方式及地層產狀，古流向總體表現為NW向[圖2（b）]，顯示盆地的物源主要來自于東南側。

2.2 樣品采集與物質組分統計

從盆地基底向西至青山群火山巖，樣品采集的分布較均勻（圖2）。砂巖的物質組分統計在薄片下進行，每個薄片大約統計550個顆粒（粒徑介于60～400 μm），顆粒被分成石英、長石和巖屑，其他則當成混雜物不進行統計。單晶組分按單個礦物統計，多晶組分按巖屑統計。巖屑組分主要統計顆粒粒徑小于50 μm的隱晶質微晶物質，而粒徑大于50 μm的即使其明顯由巖屑組成，但仍按礦物顆粒統計[3，12] 。統計結果見表1。

顆粒的大小影響著沉積巖石地球化學特征[19]，因而砂巖地球化學分析樣品的選取以標本及薄片觀察為基礎，挑選了12個顆粒均勻的中、細粒砂巖作為分析測試對象（表1）。

3 分析方法

砂巖巖石主量元素分析使用荷蘭Philips公司生產的PW2404型X 射線熒光光譜儀（XRF）測定，精度優于5%，試驗在中國地質大學（北京）地質過程與與礦產資源國家重點實驗室完成，分析結果見表2。數據處理時，去除燒失量，重新計算各主量元素含量。CaO含量（質量分數，下同）超過5%的樣品有明顯鈣質膠結，需要對CaO含量進行特別處理。通常硅酸鹽中CaO與Na2O含量最高為1∶1[20]，根據這樣的原則對數據進行重新處理。經過處理后的數據近似為砂巖的真實含量（表2）。

4 結果分析與討論

4.1 主量元素地球化學特征

4.1.1 化學成分特征及對比

（1）龍旺莊組與曲格莊組的對比。

數據分為龍旺莊組、曲格莊組及法家瑩組，但法家瑩組只有一個樣品，不具有代表性。前兩組樣品都是經過精心挑選的，且有3個以上樣品，其測試結果具有較高的科學價值。

龍旺莊組與曲格莊組相比（表2），除CaO之外，前者僅有SiO2含量（均值72.87%）高于后者（均值70.26%），其余主量元素含量均小于后者。龍旺莊組Al2O3含量介于11.83%～12.48%，均值為12.11%；K2O含量介于1.94%～2.63%，均值為2.16%；Na2O含量介于2.88%～4.55%，均值為3.56%；w（Fe2OT3）+w（MgO）均值為3.74%；TiO2含量介于0.37%～0.56%，均值為0.46%。曲格莊組Al2O3含量介于12.02%～16.17%，均值為13.93%；K2O含量介于1.81%～3.48%，均值為2.47%；Na2O含量介于2.52%～6.27%，均值為4.34%；w（Fe2OT3）+w（MgO）均值為5.84%。