東昆侖黑海地區沙松烏拉組變質碎屑巖的地球化學特征及其對物質來源的約束

王繼林，周漢文，高繼雷，武志敬，李兆令，靳立杰*，李春稼

(1.中國冶金地質總局山東局測試中心,山東 濟南 250100;2.中國地質大學(武漢)，湖北 武漢 430074；3.山東省第一地質礦產勘查院,山東 濟南 250104;4.山東省地質礦產勘查開發局第五地質大隊,山東 泰安 271000)

0 引言

東昆侖造山帶是東特提斯構造域的重要組成部分，經歷了漫長的地質演化過程和多次構造運動，受到地學界的廣泛關注[1-5]。前人研究表明，沙松烏拉組、納赤臺群碎屑巖段和賽什騰組共同構成了東昆侖地區原特提斯洋盆在由打開到俯沖消減直至最后碰撞閉合的一套完成的沉積記錄[6-7]。沙松烏拉組原相當于萬寶溝群的上碎屑巖段和下碎屑巖段，阿成業等[8]在其內獲得了早寒武世微古植物化石及小殼動物群化石，因此將其從萬寶溝群中解體出來，并建立該組。陳靜等[9]，靳立杰等[7]分別通過碎屑鋯石對沙松烏拉組的物質來源及源區構造熱事件進行了分析。然而對于其地球化學特征及源區大地構造背景等尚未進行研究。

碎屑沉積物是盆地沉積和構造演化的直接證據和重要標志，能夠記錄海陸變遷、盆-山構造格局形成及與周圍環境相互作用的演化歷史[10-11]。盡管碎屑沉積物的成分受到風化、侵蝕、搬運、沉積和成巖等一系列作用的影響，但其地球化學成分仍主要受物源區控制[12-13]，因此其地球化學特征能夠為精確鑒別母巖性質及源區構造背景提供可靠依據[14]。本次依托東昆侖黑海地區的區域地質調查項目，對沙松烏拉組的變質碎屑巖進行了巖相學和元素地球化學研究，獲取了其巖石組成及元素地球化學特征，對其物質來源區的大地構造背景及物質來源等問題進行了探討。

1 區域地質背景

東昆侖造山帶(圖1)是昆侖造山帶阿爾金斷裂以東的一段，北部為柴達木地塊和塔里木地塊，南部為可可西里盆地與巴顏喀拉地塊，其內部可以分為東昆北地塊、東昆中構造混雜巖帶和東昆南增生楔混雜帶[7]。研究對象沙松烏拉組出露于東昆中構造混雜巖帶，呈斷夾塊出露于東昆南增生雜巖楔中，與周圍地層接觸關系較為復雜，與萬寶溝群呈斷層接觸，與洪水川組呈角度不整合接觸，并可見晚三疊世石英斑巖侵入其中。

1—第四系；2—洪水川組；3—納赤臺群碳酸鹽巖組合；4—納赤臺群碎屑巖組合；5—沙松烏拉組；6—萬寶溝群；7—花崗閃長巖；8—二長花崗巖；9—英云閃長巖；10—正斷層；11—逆斷層；12—性質不明斷層；13—角度不整合界線；14—地質界線；15—地層產狀；16—同位素年齡及采樣位置；17—剖面位置；18—化學分析采樣位置圖1 東昆侖黑海地區地質簡圖

沙松烏拉組代表整個東昆侖地區早古生代最早的海相沉積，在研究區主要表現為一套變質碎屑巖，巖性主要為變長石石英砂巖、含礫變砂巖、板巖夾變石英砂巖，總體看上部及下巖石粒度較粗，中部較細，板巖較多(圖2)。碎屑的成分成熟度和結構成熟度較低 ，變余碎屑含量占60%～80%，主要由石英、長石組成；變余填隙物含量占20%～40%，顆粒粒度細小，礦物多難以辨認。根據巖性組合，巖石粒度變化以及沉積序列，可以認為其沉積環境為濱淺海，并且經歷了海水由淺變深的過程。

a—變砂巖野外特征；b—變砂巖發生強烈的劈理化；c—鏡下特征(Pl—斜長石；Mus—白云母)圖2 沙松烏拉組變質碎屑巖的巖石學及礦物學特征

2 分析方法

本次在野外地質調查和剖面測量的基礎上，對采集的4件典型樣品進行了元素地球化學分析。化學分析在澳實分析檢測(廣州)有限公司完成，其中全巖主量元素采用XRF方法測定，采用3080E型X射線熒光光譜儀進行分析；微量及稀土元素采用ICP-MS方法測定，所用儀器為Agilent7500a型電感耦合等離子體質譜儀。全程為無污染操作，分析數據的相對標準偏差小于5%，主量、微量及稀土元素分析結果分別見表1、表2、表3。

表1 沙松烏拉組碎屑巖主量元素分析結果 單位：%

表2 沙松烏拉組碎屑巖微量元素分析結果 單位：×10-6

表3 沙松烏拉組碎屑巖稀土元素分析結果

3 分析結果

主量元素分析結果顯示，其SiO2、Al2O3、Fe2O3含量變化范圍分別為60.61%～75.76%、8.37%～12.45%、2.49%～5.59%，平均值分別為69.60%、10.12%、3.99%。本次研究樣品具有較高的Na2O含量為1.26%～2.61%，K2O的含量為1.32%～2.28%，除樣品PM60-7-1表現為Na2O

微量元素分析結果顯示，少數大離子親石元素相對富集，沙松烏拉組砂巖中Ba含量為(221～909)×10-6，平均值為514.50×10-6；Rb含量為(63.5～107)×10-6，平均值為91.58×10-6；Sr含量為(87.9～271)×10-6，平均值為160.08×10-6。

稀土元素分析結果顯示，稀土元素總量較高(∑REE=(171.8～220)×10-6，平均值為194.4×10-6)，顯示明顯的輕稀土富集(∑LREE=(131.2～171.2)×10-6，平均值為146.6×10-6)，重稀土平坦特征，輕重稀土分異明顯(LaN/YbN=5.56～10.11，平均值為8.833)。另外，沙松烏拉組稀土元素配分曲線顯示明顯的Eu負異常(δEu=0.58～0.71，平均值為0.635)，δCe無明顯異常(δCe=0.96～1.01，平均值為0.991)。

4 討論

4.1 巖石類型及源巖特征

巖石的地球化學特征可用于判斷巖石類型及恢復母巖性質。巖石中SiO2/Al2O3比值指示石英、黏土礦物以及長石類礦物成分的富集程度，Na2O/K2O比值可以反映其化學成熟度[15]，利用這2個參數形成的Log(Na2O/K2O)-Log(SiO2/Al2O3)圖解可判斷巖石類型，將沙松烏拉組地球化學數據進行投圖(圖3)，顯示樣品均落入雜砂巖、巖屑砂巖區域內，與巖相學研究結果基本一致。

圖3 主量元素地球化學劃分

通過La/Th-Hf判別圖解[16-17]對沙松烏拉組的源巖特征進行了判別，結果顯示(圖4)：多數點落入長英質源附近，1個點落入增加古老沉積組分的范圍之中，說明沙松烏拉組的源巖主要為長英質，并且在沉積過程中存在古老沉積組分的加入。

圖4 沙松烏拉組碎屑巖La/Th-Hf源巖判別圖解

OIA—大洋島弧；CIA—大陸島弧；ACM—活動大陸邊緣；PM—被動大陸邊緣圖5 沙松烏拉組變質碎屑巖主量元素的構造背景判別圖解

4.2 物源區構造背景

碎屑巖中的主量元素組成受到源區構造背景的控制，不同構造背景中的沉積巖有著主量元素的組成及特點，因此可利用主量元素特征對沙松烏拉組的源區構造背景進行恢復。Bhatia通過主量元素特征對物源區構造背景進行了深入研究[10,15]，并建立了Fe2O3+MgO-Al2O3/SiO2、Fe2O3+MgO-Na2O/K2O、Fe2O3+MgO-Al2O3/(Na2O+CaO)一系列判別圖解對大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣4種構造背景進行判別。圖解顯示(圖5)：沙松烏拉組樣品多落入活動大陸邊緣和大陸島弧區域內，說明沙松烏拉組物源區大地構造背景主要為活動大陸邊緣和大陸島弧。

微量元素特別是不活潑的微量元素在陸源碎屑中具有較大的穩定性，即使經歷風化、搬運、沉積、成巖過程，微量元素依然可以在沉積物中保持穩定，并且一些微量元素的比值不會發生明顯改變[14,18]，因此沉積物中微量元素的含量及組成能夠對源巖的特征及源區大地構造背景進行有效示蹤[18]。對實驗測得的微量元素數據進行了La-Th、Th-Zr判別圖解(圖6)分析得到，沙松烏拉組主要物源區的大地構造背景為大陸島弧與活動大陸邊緣/被動陸緣。

OIA—大洋島弧；CIA—大陸島弧；ACM—活動大陸邊緣；PM—被動大陸邊緣圖6 沙松烏拉組變質碎屑巖微量元素大地構造背景判別圖

稀土元素的分析結果(圖7)顯示：沙松烏拉組樣品的稀土元素配分模式均屬輕稀土富集，重稀土平坦型，說明沙松烏拉組變質碎屑巖物源區大體一致，沉積過程中無大的構造事件影響。

1—樣品PM60-2-2；2—樣品PM60-7-1；3—樣品PM60-20 -1；4—樣品PM60-20-2圖7 沙松烏拉組變質碎屑巖稀土元素配分模式圖 (球粒隕石數據自Taylor and Mclennan[14])

經過與Bhatia[19]提出的不同沉積盆地構造背景下雜砂巖的稀土元素特征(表4)相對比可見沙松烏拉組稀土元素特征多數介于大陸島弧與活動陸緣之間，說明沙松烏拉組主要物源區大地構造背景應為大陸島弧和活動陸緣，少量參數(LREE/HREE)存在異常，可能是其他物源混入原因。

通過上述主量元素、微量元素及稀土元素地球化學特征的綜合判別，可以確定沙松烏拉組物質來源區的構造背景主要為大陸島弧和活動大陸邊緣，少量物源來自被動大陸邊緣。

4.3 對物質來源的約束

沙松烏拉組的前期研究[7]表明，變質碎屑巖的結構成熟度和成分成熟度均較低，指示其為近源堆積；將沙松烏拉組碎屑鋯石年齡與東昆侖及其北部鄰區地質體年齡對比，推測其主要物源為小廟群、萬寶溝群、晉寧期巖漿巖，次要物源為白沙河組。小廟群主要由石英巖、云母石英片巖、變粒巖等組成[20]，其原巖為泥質巖、砂巖、雜砂巖或硅質巖，夾拉斑玄武巖，形成背景為陸內裂谷環境[21]；萬寶溝群整體為一套溢流相的基性火山巖夾少量的碳酸鹽巖-硅質巖、泥質巖，形成環境為大洋島弧環境[22]；晉寧期大量中酸性巖漿巖是Rodina超大陸匯聚、裂解事件重要的物質記錄[23]；白沙河組巖石類型主要為片麻巖、變粒巖、斜長角閃巖、大理巖，夾有石英片巖、石英巖，原巖為泥質砂巖、砂質泥巖、黏土巖、碳酸鹽巖、基性火山巖，形成于大陸島弧或活動大陸邊緣相關的構造環境[21,24]。上述物源中，基性火山巖、碳酸鹽巖或大理巖中鋯石較少或缺乏，碎屑鋯石方法對這些物質來源的示蹤具有一定的局限性，需通過地球化學手段進行佐證。

小廟群的形成環境為陸內裂谷環境，白沙河組的形成環境為大陸島弧或活動大陸邊緣，與通過地球化學手段恢復的沙松烏拉組的物源區構造背景一致；此外，通過源巖性質判別圖解(圖4)，得到沙松烏拉組的源巖主要為長英質及部分古老沉積組分，小廟群、萬寶溝群、白沙河組及晉寧期巖漿巖，均存在大量長英質巖石，與沙松烏拉組源巖性質一致，白沙河組、小廟群中的變質碎屑巖則代表古老沉積組。因此，通過地球化學研究得到沙松烏拉組的源區構造背景及源巖性質，佐證了前期對其物質來源的判斷。

表4 沙松烏拉組與不同沉積盆地構造背景下雜砂巖的REE特征對比

5 結論

(1)沙松烏拉組主要由一套淺變質碎屑巖組成，巖石已發生褶皺、千枚巖化和劈理化，沉積構造基本被破壞；顯微特征顯示其碎屑組分的結構成熟度和成分成熟度均較低，指示其為近源堆積產物。

(2)通過系列判別圖解，得到沙松烏拉組的巖石類型為雜砂巖、巖屑砂巖，源巖主要為長英質及部分古老沉積組分；得到物源區大地構造環境主要為大陸島弧和活動大陸邊緣，少量物源來自被動大陸邊緣。

(3)將本次地球化學手段得到的沙松烏拉組的源區構造背景及源巖性質與前期通過碎屑鋯石法得到的幾個物源的形成環境及巖石性質進行比對，結果較為吻合。因此，沙松烏拉組的地球化學特征佐證了其物源區的判斷。