大兴安岭中北段奥陶系裸河组碎屑岩地球化学特征及物源环境分析

2016-09-22王少华刘正宏地里夏提买买提

西部探矿工程 2016年3期

关键词：岛弧碎屑岩物源

肖　霞，王少华，刘正宏，地里夏提·买买提，曾　振

（1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.陕西省核工业地质调查院，陕西西安710199；3.吉林大学地球科学学院，吉林长春130026）

大兴安岭中北段奥陶系裸河组碎屑岩地球化学特征及物源环境分析

肖霞*1，王少华2，刘正宏3，地里夏提·买买提1，曾振3

（1.新疆大学地质与矿业工程学院，新疆乌鲁木齐830047；2.陕西省核工业地质调查院，陕西西安710199；3.吉林大学地球科学学院，吉林长春130026）

研究区位于大兴安岭晚古生代增生造山带中北段，在漫长的地质演化过程中发生多期次的沉积作用、岩浆作用及变质变形作用，经历了基底形成—岛弧演化—挤压造山—伸展变形—火山活动等多个阶段。以早古生代奥陶系裸河组碎屑岩为研究目标，对其物源及物源区大地构造环境进行探讨。研究表明利用碎屑岩化学成分判断源区构造环境是一种行之有效的方法。选取大兴安岭中北段奥陶系裸河组碎屑岩样品共计7块，对其进行了主量元素、微量元素分析，并采用Bhatia等人建立的标准及图解进行了源区构造环境的讨论。主量元素分析结果显示裸河组碎屑岩具有高SiO2、低Fe2O3、FeO、MgO的特点，表明源区主要为长英质岩石。稀土元素具轻稀土元素富集，重稀土相对亏损，具弱的负Eu异常，与上地壳元素特征类似。微量元素特征指示裸河组碎屑岩源区具有大陆岛弧构造背景及活动大陆边缘构造背景，为大陆岛弧弧后盆地沉积。

大兴安岭；主量元素；微量元素；地球化学；物源环境

大兴安岭造山带一直是众多学者研究的热点之一。普遍的认识基本倾向于古生代时期大兴安岭区域存在弧—盆体系。笔者在收集前人资料的基础上，对区内古生代奥陶系裸河组碎屑岩进行详细的分析，通过主量元素、微量元素分析等手段对研究区裸河组物源环境进行研究，对前人的研究成果进行验证，从而对古生代时期研究区的构造格局及其演化有了更为清晰的认识。

1　区域地质背景

大兴安岭地区位于西伯利亚板块与华北板块之间、古亚洲构造域与环太平洋构造域交汇部位，西伯利亚古板块（东北亚克拉通）大陆边缘向南增生部分一级构造单元。本文所指的大兴安岭中北段是指夹持于大兴安岭主脊断裂和德尔布干断裂之间的大兴安岭地区古生代增生造山带（图1）。

研究区处于中亚造山域影响范围内受到古生代古亚洲洋构造域和中—新生代蒙古鄂霍茨克洋和太平洋构造域影响，经历了古生代西伯利亚板块边缘的大陆性微块体和不断生长的岛弧体系相互汇聚拼贴，最终古生代末古亚洲洋壳闭合，形成加里东、海西期大陆边缘增生带［1］。中新生代（蒙古鄂霍茨克大陆碰撞闭合、太平洋西缘板块俯冲）滨太平洋构造—岩浆作用的强烈改造，形成陆缘构造岩浆岩带和陆相火山—沉积盖层。

区内西侧主要为NE向德尔布干断裂［2］，关于德尔布干断裂的构造属性存在较大争议，本文将按照李春昱［3］、任纪舜［4］的观点视其为额尔古纳与兴安板块边界缝合带；东侧为大兴安岭主脊断裂与二连—贺根断裂早中生代形成的太行山—大兴安岭断裂整体切割早期形成的各期断裂［5-6］，其延伸北段为大兴安岭主脊断裂。而关于二连—贺根山构造带的争议也较多，本次研究将其视为作为大兴安岭地区古亚洲洋演化的最后的主缝合构造带。

研究区内发育有古元古界兴华渡口群（Pt1xh），古生界奥陶系裸河组（O3lh），中生界塔木兰沟（J2tm）、满克头鄂博组（J2m）、白音高老组（K1b）以及新生界大黑沟组（Qp3d）等。其中奥陶系裸河组地层岩石主要由千枚状粉砂质板岩、绢云千枚岩、长石石英砂岩、板岩、变质粉砂岩、变质中细粒长石石英砂岩等组成，为一套浅海细碎屑岩建造，本次研究主要采取新鲜的未变质的砂岩进行碎屑组成特征、地球化学特征及性质等方面的详细分析，对其物源特征及其大地构造背景进行初步讨论。

图1　研究区大地构造位置略图（据张明等，2006）

2　岩石学特征

研究区出露的奥陶系裸河组为滨海—半浅海碎屑沉积建造，岩性主要为一套板岩—石英砂岩组合为特征的岩石组合。野外调查工作发现裸河组地层下部以细碎屑沉积为主，上部以粗碎屑沉积为主，整体构成海退的反粒序旋回。

通过显微镜镜下观察，样品p3b50、p3b44、p3b24为石英砂岩，p3b16、p3b36、p3b42、p3b42-2为长石石英砂岩。石英砂岩中碎屑颗粒以石英为主，石英含量多数大于90%，磨圆中等，分选中等—较差，颗粒表明擦痕明显，多数可见石英次生加大现象；长石石英砂岩中长石含量普遍较低，介于5%～10%之间，部分长石颗粒发生绢云母化，蚀变程度不同；岩屑含量一般低于5%，类型较为多样，既有泥岩岩屑、细粒砂岩岩屑等沉积岩屑，也有玄武岩、安山岩等火山岩屑，此外含有少量的片麻岩、燧石、石英岩等变质岩屑。表明裸河组物源类型较为多样，既有安山岩、玄武岩等中基性物源区，同时存在混合变质岩物源区。

3　地球化学特征

为了较为详细系统对裸河组碎屑岩地球化学特征进行分析，笔者对区内不同岩性、不同部位进行取样，主要选取中细粒长石石英砂岩、石英砂岩进行主量元素、微量元素及稀土元素的分析，多角度对其物源特征及其大地构造背景进行分析研究。

3.1主量元素特征

裸河组碎屑岩主量元素含量见表1。SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO、MgO、K2O、Na2O、TiO2、 MnO、P2O5平均含量分别为71.85%、12.70%、2.83%、1.52%、1.57%、1.46%、2.74%、1.49%、0.46%、0.14%、0.08%。其中SiO2含量较高，Fe2O3、FeO、MgO含量较低，7个样品中有3个样品中Fe2O3含量高于3%，其中一个样品Fe2O3含量高达6.46%，2个样品中FeO含量高于2%，表明裸河组碎屑岩为长英质岩石。

表1　裸河组碎屑岩主量元素含量（%）

直观的判别沉积岩源区构造环境，一般利用TiO2-Fe2O3+MgO图解、Al2O3/SiO2-Fe2O3+MgO图解及其他主量元素含量参数综合判断物源构造环境。裸河组碎屑岩主量元素TiO2-Fe2O3+MgO、Al2O3/ SiO2-Fe2O3+MgO判别图解如图2所示。图2-a显示裸河组碎屑岩7个样品中4个样品数据落入B、C区域内，2个样品数据位于D、C区域上方附近，1个样品属于异常点，予以剔除；图2-b显示2个数据点落入C区域内，4个数据点皆在B、C区域附近，1个数据点属于异常点，予以剔除；图2-a与图2-b皆指示裸河组物源区具有大陆岛弧和活动大陆边缘构造背景。主量元素含量与各大构造环境化学成分对比得出的结论与TiO2-Fe2O3+MgO、Al2O3/SiO2-Fe2O3+MgO图解所得到的结果相同，二者同时指示裸河组碎屑岩源区为大陆岛弧或活动大陆边缘。

图2　裸河组碎屑岩构造环境主要元素判别图

3.2微量元素特征

微量元素在分析沉积岩物源环境方面具有重要的指示作用。这是因为诸如La、Ce、Nd、Y、Th、Zr、Hf、 Nb、Ti、Sc等元素在沉积过程中具有较低的活动性，在海水中的停留时间较短［7］，在短时间内能够较好地保存起来，能够较为准确地指示物源区岩性特征及构造环境。

裸河组碎屑岩微量元素分析数据见表2。将其与球粒陨石标准化，在此基础上绘制出蛛网图（图3）。一般而言，酸性岩体系内具有Eu负异常，而中基性岩体系内Eu元素一般呈没有异常或正异常。由图3可知，除了Eu元素负异常之外，其余元素均与上地壳微量元素含量基本一致，表面裸河组碎屑岩物源主要来自上地壳。

表2　裸河组碎屑岩稀土元素含量（%）

图3　裸河组碎屑岩REE球粒陨石标准化分布型式图

Bhatia et a（l1986）通过对澳大利亚杂砂岩地球化学特征的研究，利用部分微量元素（如Th、Zr、Hf、Sc等）来判别砂岩物源区特征及构造环境，并建立了一系列图解，将整个源区构造环境划分为洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘4种，较为直观的进行物源区构造环境的分析研究。

本次研究采用Bhatia建立的La-Th-Sc，Th-Sc-Zr/10和Th-Co-Zr/10图解来判别裸河组碎屑岩物源构造背景（图4）。

图4-a显示裸河组碎屑岩7样品中5个数据点分布在B区域内，2个数据点分布在B、C区域附近；图4-b中7个样品数据点全部分布在B区域之内；图4-c中4个样品数据点分布在B区域内，2个数据点落入D区域内，1个数据点落入A区域内。综合图4-a、4-b、4-c三个图解，裸河组碎屑岩主要来自于大陆岛弧物源环境，并混杂有活动大陆和被动大陆边缘物源背景。

综合裸河组碎屑岩主量元素、微量元素特征及其判别图解，裸河组碎屑岩主要来自大陆岛弧构造环境，并伴有活动大路边缘物源区特征。

图4　裸河组碎屑岩构造环境微量元素判别图

4　地质意义

陈岳龙等认为古生代时期，古蒙古洋为一典型的多岛洋，早元古代至古生代多个沉积—火山—侵入活动形成了多个沟—弧—盆体系［8］。叶茂，张世红，吴福元经过研究发现额尔古纳—兴安地块在奥陶纪由于大洋板块的俯冲在其东北部形成火山岛弧和较窄的弧后盆地，此时处于活动大陆边缘背景［9］。张梅生，彭向东，孙晓锰认为二连—贺根山断裂带为多宝山—伊尔施岛弧带的东南界，早古生代存在着贺根山—黑河洋，中奥陶世和早中泥盆世发生两次洋壳向额尔古纳—兴安地块的俯冲事件，并于奥陶纪末额尔古纳与兴安地块完成拼接［10］。

对研究区内晚奥陶统裸河组碎屑岩进行主量元素特征及微量元素特征的研究，研究结果表明研究区内裸河组碎屑岩具有大陆岛弧及活动大陆边缘物源构造背景，与上述学者观点基本一致。由此可以肯定的是研究区内奥陶系裸河组碎屑岩具有大陆岛弧构造背景，为弧后盆地沉积，同时具有活动大陆边缘背景，前人研究表明额尔古纳—兴安地块区奥陶纪时发育一系列岛弧，板块边缘部位处于活动大陆边缘构造环境，这与此次研究所得出的结论相一致，进一步对前人研究成果提供了佐证。