準噶爾盆地南緣中二疊統頁巖礦物學和地球化學特征及地質意義

涂其軍，王剛

（新疆維吾爾自治區地質調查院，新疆 烏魯木齊 830000）

沉積巖尤其是細粒沉積巖（泥巖或頁巖）的礦物和地球化學組分不僅可用于推測源區的源巖性質和源區構造背景[1-7]，且可用以評價研究區上地殼成分[8]。許多元素，如高場強元素（Zr，Hf，Nb，Ta，Th，Y）和稀土元素，它們在水溶液中具低溶解度和幾乎全部保存于沉積物中，因此通常作為判斷物源來源和源區構造背景的重要依據[2,9]。本文主要通過對準噶爾盆地南緣中二疊統蘆草溝組頁巖礦物學和地球化學特征的研究，意在探討該區蘆草溝組頁巖的地球化學組成及沉積期的源區母巖性質和構造背景。

1 地質概況

準噶爾盆地南緣東段沿博格達山北部邊緣分布（圖1），經歷了晚石炭世早期裂谷擴張期、晚石炭世中晚期坳陷-萎縮期、早二疊世的再次擴張期和中二疊世的盆地拗陷擴展期[10-12]。中二疊世晚期結束殘余陸表海環境進入湖相盆地演化階段[10,12]，沉積了一套湖相頁巖（蘆草溝組），此時湖盆可能受間歇性海水影響[13]。蘆草溝組地層中發現的吐魯番鱈魚化石進一步證實了湖相環境[12]。

研究區發育地層自石炭—第四系均有分布。其中二疊系包括下二疊統石人子溝組和塔什庫拉組；中二疊統的烏拉泊組、井井子溝組、蘆草溝組和紅雁池組；上二疊統的泉子街組、梧桐溝組和鍋底坑組。蘆草溝組與下伏井井子溝組和上覆紅雁池組呈整合接觸。

沉積相和古流分析表明，蘆草溝組沉積期準南地區的物源，普遍認為來自北部的卡拉麥里山地區[14-15]。上述源區在晚石炭—早二疊世為板塊俯沖碰撞造山和殘余洋盆消亡期[11]。

此次樣品采自黃山河露頭剖面和東堿溝露頭剖面，均位于準噶爾盆地南緣（圖1）[16]。蘆草溝組為此次研究層段，主要由黑色至褐灰色頁巖組成，局部層段夾薄層狀或透鏡狀白云巖、粉砂巖和細砂巖條帶，可見魚化石及兩棲類、葉肢介和雙殼類化石等。

2 樣品及方法

樣品采自準噶爾盆地南緣東堿溝和黃山河露頭剖面，采樣層位為中二疊統蘆草溝組，共采集樣品19件，采樣位置如圖1。采樣時掘去表面風化頁巖至新鮮面進行采樣，采樣完后樣品用錫紙包裹送實驗室分析。樣品測試在新疆維吾爾自治區礦產實驗研究所巖礦檢測室完成。頁巖樣品粉碎至200目進行地球化學分析。常量元素分析使用美國ARL公司制造的X熒光光譜儀（規格型號為XRF-8680）測試，RD＜2%；微量元素測試使用X系列電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS），檢測依據ZBF-3.67-2005，誤差小于5%；重復樣分析結果吻合，樣品分析具較高精度。

圖1 準噶爾盆地南緣地質圖及采樣位置Fig.1 The geological map of the Southern Junggar Basin and location of sampling sites

3 礦物學和地球化學

3.1 礦物學特征

蘆草溝組頁巖中礦物以粘土礦物為主，含量27%～56%，均值42%，石英含量27%～58%，均值40%，長石含量0～22%，均值10%為主（圖2-A），含少量鐵白云石，0～35%，均值4.3%、方解石（0～15%，均值1.9%）和白云石（0～20%，均值1.7%）及微量石膏（0～2.0%，均值0.11%）。粘土礦物以伊利石（9%～42%，均值20%）和伊蒙混層（0～43%，均值19%）為主，含少量綠泥石（0～8%，均值1.4%）和高嶺石（0～10%，均值3.1%）（圖2-B）。長石中以斜長石為主（0～14%，均值 8.3%），鉀長石次之（0～1%，均值2.4%）。

Degens等認為海水影響沉積物中的粘土礦物以伊利石為主[17]，淡水影響沉積物中的粘土礦物以高嶺石為主。因此，上述蘆草溝組頁巖中的粘土礦物的組合特征（富伊利石，貧高嶺石）可能代表了一種受海水影響或咸化的水體條件。Carroll等和李倩倩基于對準南蘆草溝組頁巖的研究認為，蘆草溝組地層沉積于受海水影響的咸水湖盆中[18-20]。故上述結論與前人研究結果相一致。

3.2 地球化學特征

對比于上地殼常微量元素豐度[1]，蘆草溝組頁巖較富集P2O5，Ni和Cu；Na2O和Ta較為虧損；其他元素含量與上地殼對應元素豐度相似（圖3）[1]。P2O5的富集與蘆草溝組沉積期凝灰質火山灰的輸入有關[20-21]。Na2O的虧損歸因于化學風化過程中母巖中斜長石（Na的主要載體）具低抗風化能力，Na被淋濾而以離子形式隨水體流失。蘆草溝組頁巖中的SiO2/Al2O3比值（4.2～8.0，均值5.5）高于上地殼（4.3）、后太古宙澳大利亞頁巖PAAS（3.3）、花崗閃長巖（4.2）和英云閃長巖（3.8），但與花崗巖（5.4）相似（表1），揭示蘆草溝組頁巖與上述巖石（除花崗巖）相比具更高的石英含量。頁巖中大多數元素的含量與上地殼相比相對虧損的原因可能與含更高的石英含量有關（石英起稀釋作用）。

相關分析表明，Fe2O3，TiO2，K2O，Be，Cr，Ga，Rb，Zr，Nb，La，Hf，Pb和Th與Al2O3具顯著的正相關關系（r=0.68～0.99），揭示這些元素主要以鋁硅酸巖的形式存在且主要來源于陸源碎屑的輸入；P2O5與CaO具顯著正相關關系（r=0.84），揭示P主要存在于磷灰石中；Sr與P2O5和CaO均表現正相關關系（r=0.64，0.76)，說明Sr出現于磷灰石和碳酸巖礦物中，這是因為Sr能夠置換磷灰石或方解石晶格中的Ca[22]；MnO（r=0.66）和MgO（r=0.55）與CaO的關系說明Mn和Mg主要出現于碳酸巖礦物中，如鐵白云石和白云石。

圖2 蘆草溝組頁巖的礦物組成（A）和黏土礦物組成（B）Fig.2 The mineralogical constituent(A)and clay mineral assemblage(B)for the Lucaogou Formation shales

圖3 蘆草溝組頁巖中常量和微量元素含量及其與上地殼豐度的對比Fig.3 The major and trace elements abundances of the Lucaogou Formation shales,compared with that of Upper Continental Crust

表1 蘆草溝組頁巖的物源判別指標及與其他參考值的對比Table 1 The indices diagnostic of provenance of Lucaogou Formation shales,in comparsion to other referenced values

4 討論

4.1 母巖性質

上述蘆草溝組頁巖中以斜長石為主而鉀長石次之的長石礦物組合揭示源區母巖更為富集斜長石，因為斜長石比鉀長石更容易遭受風化[23]。一些難溶元素的比值常用以推測母巖性質。Hayashi等提出Al2O3/TiO2比值介于3～8指示基性巖[3]，8～21指示中性巖和21～70為酸性巖。此次研究中，頁巖的Al2O3/TiO2比值介于20.7～22.5，均值21.4，揭示頁巖的源區母巖以中性-酸性巖為主；頁巖的Al2O3/TiO2比值非常接近于英云閃長巖的Al2O3/TiO2比值（21.2），但低于上地殼、花崗巖和花崗閃長巖（表1，圖4）[4]，說明源區母巖性質類似于英云閃長巖。蘆草溝組頁巖的TiO2-Zr圖解也說明源區母巖成分極為類似于英云閃長巖（圖5）[4]。Floyd等使用TiO2-Ni圖解區分了酸性巖和基性巖[24]。此次研究中，所有樣品點均落入酸性巖區域，但TiO2和Ni含量均高于上地殼中對應元素豐度（圖6）[24]，揭示蘆草溝組頁巖的源區母巖為酸性巖，但與上地殼相比，含更多的鐵鎂質組分和更少的長英質組分。

稀土元素的球粒隕石標準化模式是一種有效的源巖判別工具，因為稀土元素的含量主要受控于母巖性質和風化條件的影響，同沉積作用和成巖作用對其影響較小[25]。此次研究中，各樣品的稀土元素球粒隕石標準化模式保持一致的分布樣式（圖7-A）[1,8]，揭示其來源于相似的陸源碎屑和構造背景[26]。稀土元素的分布模式非常類似于上地殼和PAAS（長英質組分）的稀土元素分布模式（圖7-B）[1,8]，說明蘆草溝組頁巖的源區母巖主要為酸性巖。蘆草溝組頁巖的（La/Yb）N值介于3.7～6.4，均值5.2，說明輕重稀土元素較為分餾；（La/Sm）N值（1.8～3.3，均值為 2.9）和（Gd/Yb）N值（1.0～1.3，均值1.2）說明輕稀土元素相對分餾而重稀土元素無明顯分餾。稀土元素的這些值非常接近于英云閃長巖中的值（表1）[1,28-29]，源區母巖性質類似于英云閃長巖。

圖4 蘆草溝組頁巖的Al2O3-TiO2圖解Fig.4 The Al2O3versus TiO2diagram of the Lucaogou Formation shales

圖5 蘆草溝組頁巖的TiO2-Zr圖解Fig.5 The plot of TiO2versus Zr of the Lucaogou Formation shales

圖6 蘆草溝組頁巖的TiO2-Ni圖解Fig.6 The TiO2versus Ni plot for the Lucaogou Formation shales

稀土元素的Eu異常常用以區分鐵鎂質火成巖和長英質火成巖，鐵鎂質火成巖中的Eu異常表現為輕微負異常或無異常，而長英質火成巖中的Eu異常表現為負異常[9,27]。蘆草溝組頁巖的Eu異常介于0.61～0.81，均值為0.70，此值高于上地殼和PAAS的Eu異常（0.66）（表1）[1,28-29]，揭示源區母巖以酸性巖為主，但與上地殼和PAAS成分相比，含更少的長英質組分。

圖7 蘆草溝組頁巖的球粒隕石標準化分布模式（A）和其與上地殼和PAAS及下地殼分布模式對比（B）Fig.7 The chondrite-normalized REEs patterns for the Lucaogou Formation shales(A),in comparison with the upper continental crust(UCC)and post-Archean Australian shale as well as lower continental crust

稀土元素富集于長英質巖石而V，Cr，Co和Ni等富集于鐵鎂質巖石[9,27]，因此它們的比值可以近似代表長英質和鐵鎂質組分的相對貢獻。此次研究中，La/Cr和Th/Cr值非常接近于英云閃長巖中的值（表1）[1,28-29]，指示源區母巖成分類似于英云閃長巖。

4.2 過量硅

如上所述，蘆草溝組頁巖母巖成分非常近似于英云閃長巖成分，但SiO2/Al2O3比值明顯高于英云閃長巖SiO2/Al2O3比值且與花崗巖近似（表1），說明除碎屑輸入以外，其他因素控制著Si的富集（過量硅）。過量硅是指高出平均頁巖中碎屑成因的硅，計算公式為:

過量 SiO2=SiO2樣品-(SiO2/Al2O3)頁巖×Al2O3樣品[30]；(SiO2/Al2O3)頁巖值來自平均頁巖[22]，為3.11。基于上述公式計算可知，蘆草溝組頁巖中的過量SiO2介于17.7%～48.4%，均值30.1%；過量SiO2占總共SiO2含量的25.9%～61.3%，平均42.3%。盡管碎屑成因的SiO2占主導地位，但過量SiO2也是不可忽略的重要部分。

此次研究認為，過量SiO2最可能來源于生物成因。一些指標，如Al/(Al+Fe+Mn)比值和Si/(Si+Al+Fe)比值常用以 SiO2的成因判斷[31]。Al/(Al+Fe+Mn)比值高于0.6和Si/(Si+Al+Fe)比值高于0.9，指示硅的生物成因[31]。蘆草溝組頁巖的Al/(Al+Fe+Mn)比值介于0.53～0.66，平均為0.61，說明相當部分的SiO2為生物成因；Si/(Si+Al+Fe)比值介于0.72～0.83，平均0.77，此值高于平均頁巖（0.67）[22]、北美頁巖（0.70）和PAAS（0.66）[1，32]，指示與上述頁巖相比，蘆草溝組頁巖含有更多的生物成因的SiO2。

4.3 源區構造背景

盡管沉積巖的化學組分受母巖性質、風化條件、同沉積作用及成巖作用等多種因素的影響，但一些性質穩定化學組分（如稀土元素，大離子元素Rb，Zr，Y和Yb等）的地球化學特征研究可以推斷源區的構造背景[4-7]。

Bhatia提出利用TiO2-(Fe2O3+MgO)圖解區分不同構造背景[6]。蘆草溝組頁巖樣品點大多落入大陸島弧區（圖8）[6]，表明源區構造背景主體為大陸島弧構造背景。Bhatia總結了不同構造環境下砂巖、泥巖的稀土元素特征判別標志（表2）[25]，研究區樣品的稀土元素指標La、Ce、∑REE、La/Yb、LREE/HREE、(La/Yb)N和Eu異常值非常接近于大陸島弧背景下沉積物的對應稀土元素指標值，揭示源區構造背景為大陸島弧背景。

圖8 TiO2-(Fe2O3+MgO)構造判別圖解Fig.8 TiO2-(Fe2O3+MgO)tectonic discrimination diagram

Floyd等認為起源于不同構造背景沉積物的上地殼標準化的多元素分布模式提供了區分構造背景的重要信息[33]。在多元素分布模式中，元素包括相對難溶元素（Th-Ta）和易溶元素（Ni-K）且自左向右元素在水體中的滯留時間增加（圖9）[1,33]。蘆草溝組頁巖的上地殼標準化的多元素分布模式表明V，Cr，Ni和Ti表現出正異常；自Ni-K（除P外，P的正異常由火山灰的輸入引起），標準化值呈減小趨勢（圖9）[1,33]。這種分布模式（尤其是自Th-Ba）非常相似于大陸島弧-活動大陸邊緣背景下沉積物的多元素分布模式，指示研究頁巖的源區構造背景密切地與大陸島弧-活動大陸邊緣背景有關。

表2 頁巖樣品均值和不同構造背景沉積盆地砂巖的REE特征比較Table 2 The REE indices of the Lucaogou Formation shales,compared with those of graywackes derived from various tectonic settings

蘆草溝組頁巖的球粒隕石標準化分布模式（圖10-A）[1,25,34]和PAAS標準化分布模式（圖10-B）非常相似于大陸島弧沉積物的分布模式，進一步證實了大陸島弧的構造背景。

圖9 蘆草溝組頁巖的多元素標準化模式，與大洋島弧、大陸島弧+活動大陸邊緣和被動大陸邊緣沉積物進行比較；上地殼值來自Taylor和McLennanFig.9 Normalized multi-element patterns of the Lucaogou Formation shales compared with OIA(ocean island arc),CAAM(continental arc+active margin)and PM(passive margin)distributionsUCC(upper continental crust)

5 結論

（1）蘆草溝組頁巖的礦物組成以粘土礦物和石英為主，含少量的長石和碳酸巖礦物；粘土礦物以伊利石和伊蒙混層為主，含少量高嶺石。粘土礦物組合揭示蘆草溝組頁巖形成于受海水影響或咸水環境。

（2）對比上地殼元素豐度，蘆草溝組頁巖相對富集P2O5，V，Ni和Cu；Na2O和Ta較為虧損；其他元素含量與上地殼對應元素豐度相似。P2O5的富集歸因于同沉積凝灰質火山灰的輸入。

圖10 蘆草溝組頁巖的球粒隕石標準化分布模式（A）和PAAS標準化分布模式（B），與大洋島弧、大陸島弧和活動大陸邊緣+構造大陸邊緣沉積物的分布模式進行對比；球粒隕石值和PAAS值Fig.10 The Chondrite-normalized and Post-Archean Australian Shale(PAAS)-normalized REEs patterns for the Lucaogou Formation shales,compared with those of OIA(oceanic island arc),CIA(continental island arc),ACM(active continental margin and PM-passive margin).Chondrite and,PAAS values

（3）源區母巖主要為酸性巖，但與上地殼相比，其含更多的鐵鎂質組分和更少的長英質組分；母巖性質非常類似于英云閃長巖成分。

（4）蘆草溝組頁巖的SiO2/Al2O3比值明顯高于其母巖的對應比值，揭示過量SiO2的存在。過量的SiO2最可能起因于生物成因。

（5）頁巖地化參數及構造背景判別圖解揭示源區處于大陸島弧的構造背景之下。