魏丹峰

(河南理工大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，河南 焦作 454000)

古/中元古代哥倫比亞超大陸的聚合—裂解事件是全球性的重大地質(zhì)事件，對全球的構(gòu)造格局產(chǎn)生了重大影響[1-2]。1.8 Ga之后，哥倫比亞超大陸在經(jīng)過短暫的陸緣增生后進(jìn)入伸展—裂解階段。世界各主要克拉通形成了具有相當(dāng)規(guī)模的裂谷盆地，這些盆地多發(fā)育有河—湖相沉積和沖積扇相沉積，且發(fā)育有火山熔巖，在華北克拉通，與之相對應(yīng)的即為華北克拉通南緣的熊耳裂谷系(即熊耳群火山—沉積巖系)[1-2]。前人在區(qū)域內(nèi)對熊耳群火山巖系進(jìn)行了大量的巖石學(xué)、巖相學(xué)、地球化學(xué)和鋯石年代學(xué)研究，認(rèn)為熊耳群是拉張背景下噴溢的火山巖系，形成于中元古代1.75～1.80 Ga的夭折的大陸裂谷環(huán)境[3-7]。但是，由于熊耳群底部大古石組碎屑沉積巖出露點(diǎn)少且分布零散，前人對熊耳群大古石組的研究較少，重視程度不夠，僅局限于巖石地球化學(xué)方面[8]，未從沉積學(xué)方面進(jìn)行沉積剖面地質(zhì)特征、沉積相劃分等精細(xì)化研究，未能從沉積學(xué)角度與地球化學(xué)角度進(jìn)行沉積環(huán)境特征進(jìn)行相互驗(yàn)證，另外對沉積環(huán)境演化、物源分析、構(gòu)造背景等方面也少有涉及。本次選取大古石組碎屑巖出露最好的豫西濟(jì)源王屋山地區(qū)銅羅剖面為研究對象，通過對其宏觀沉積特征與微觀元素地球化學(xué)特征的分析，劃分沉積相，限定大古石組碎屑巖沉積環(huán)境和物源，并分析大古石組沉積環(huán)境的演化過程，進(jìn)而為恢復(fù)華北克拉通南緣中元古代早期的構(gòu)造背景提供證據(jù)。

1 地質(zhì)背景

古元古代末—中元古代早期，在哥倫比亞超大陸開始伸展—裂解的背景下，華北克拉通地殼開始拉伸減薄，強(qiáng)烈的拉伸減薄致使基底發(fā)生差異升降，地形起伏較大，形成了多個(gè)“三叉裂谷”系，有克拉通北緣燕遼裂谷系、白云鄂博裂谷系，西緣龍首山裂谷系和南緣熊耳裂谷系[9-11]。熊耳裂谷系的北東支逐漸衰退夭折形成熊耳大陸裂谷，在大陸裂谷邊緣，相對隆升的華北克拉通結(jié)晶基底遭受剝蝕，經(jīng)河流、湖泊等搬運(yùn)至裂谷內(nèi)的凹陷盆地并在低洼處逐漸沉積并固結(jié)成巖，形成熊耳群大古石組，隨著華北克拉通進(jìn)一步拉伸—裂解，地殼逐漸減薄，引起軟流圈物質(zhì)上涌，導(dǎo)致熊耳群雙峰式火山熔巖的大規(guī)模噴發(fā)[9-13]。

大古石組在濟(jì)源王屋山地區(qū)邵原北一帶出露最好，厚度大，分布連續(xù)[8，11-12]。豫西濟(jì)源王屋山地區(qū)，有前寒武系太古宇林山群，古元古界銀魚溝群、鐵山河群雙房群，中元古界熊耳群和汝陽群等出露[11-12](圖1)。

圖1 豫西濟(jì)源大古石組地層分布Fig.1 Distribution of Dagushi Formation in Jiyuan，Western Henan

其中年代最久的林山群為一套中等程度區(qū)域變質(zhì)作用形成的片麻巖、片巖和混合花崗巖建造；銀魚溝群為一套濱海相已遭受不同程度變質(zhì)的碎屑巖—碳酸鹽沉積建造；鐵山河群為一套厚—巨厚層狀變質(zhì)石英砂巖、變質(zhì)砂巖、片巖夾大理巖建造；雙房群為下伏于熊耳群的一套黑云斜長片麻巖、變質(zhì)砂巖及混合巖建造；熊耳群為不整合覆蓋在華北克拉通基底上的一套巨厚火山巖系建造；汝陽群為一套覆蓋在熊耳群之上的中—新元古界碎屑巖—碳酸鹽沉積蓋層[11-12]。

熊耳群橫跨豫、晉、陜?nèi)。省叭嫘汀狈植?，分布范圍約40 000 km2，厚度從近1 000 m到7 000 m，其中北東支軸向呈NNE向，并逐漸衰退夭折形成大陸裂谷，在裂谷內(nèi)發(fā)育有以陸相沉積為主的大古石組及之上的以火山熔巖為主的許山組、雞蛋坪組和馬家河組[8，11-12]。大古石組1963年由河南省區(qū)調(diào)隊(duì)命名，主要分布于王屋山地區(qū)的濟(jì)源邵原(分布連續(xù)、最大厚度212 m，向四周變薄、尖滅，由砂礫巖、砂巖及紫紅色泥質(zhì)巖組成，砂巖內(nèi)發(fā)育交錯(cuò)層理)和欒川白土鎮(zhèn)磨石溝(最大厚度92 m，由砂礫巖、砂巖及紫泥巖組成，砂巖內(nèi)發(fā)育交錯(cuò)層理，并普遍含有火山巖夾層)等地，此外，山西垣曲東部、河南汝州和洛寧等地也有零星出露，豫西熊耳山和崤山等區(qū)也有少量出露(覆蓋于太華群之上、許山組底部有時(shí)可見到礫巖、砂礫巖，厚度1～30 m，層位相當(dāng)于大古石組)。濟(jì)源地區(qū)大古石組與下伏古元古界雙房群(黑云斜長片麻巖)呈角度不整合接觸，與上覆熊耳群許山組(火山巖)呈整合接觸[8，11]。

研究區(qū)大古石組大致呈SSW-NNE向分布，厚189.50 m，整個(gè)剖面碎屑沉積巖從沉積特征上分為下、中、上三段(圖2)。

圖2 濟(jì)源大古石組地層綜合柱狀Fig.2 Generalized column of the Dagushi Formation in Jiyuan

下段厚90.5 m，為淺紫色中—厚層中細(xì)粒砂巖與黃褐色薄層泥質(zhì)巖互層，底部砂巖中含礫石，礫徑2 mm～3 cm，成分以石英砂巖為主，多具棱角狀，磨圓度和分選性差，膠結(jié)物多為砂質(zhì)和鐵質(zhì)。該段自下而上表現(xiàn)為多個(gè)下粗上細(xì)的正旋回即“二元結(jié)構(gòu)”，每個(gè)旋回底部有明顯的沖刷面和呈“疊瓦狀”排列的含礫粗砂巖層，旋回中下部砂巖層具板狀、槽狀交錯(cuò)層理、粒序?qū)永砑捌叫袑永砬页Ｒ娚掀较峦沟纳皫r透鏡體和火焰狀構(gòu)造，旋回上部多具小型交錯(cuò)層理、波狀層理的粉砂巖或泥質(zhì)粉砂巖，個(gè)別旋回頂部見泥裂構(gòu)造。

中段厚51.6 m，由底部的灰綠色中層含礫粗砂巖，中下部的紫紅色中粒砂巖與紫紅色砂泥互層和上部的紫紅色、灰綠色粉砂質(zhì)泥巖組成。砂巖底部的沖刷面較平緩，含礫砂巖與砂巖的成分和結(jié)構(gòu)成熟度均較低，分選差，是較快速條件下的沉積產(chǎn)物。上部沉積多呈小型透鏡狀，巖層向兩端收斂變薄、尖滅，粒度自下而上明顯變細(xì)，發(fā)育中小型交錯(cuò)層理、波狀層理和平行層理。

上段厚約47.0 m，由下部的紫紅色中—厚層細(xì)砂巖，中部的厚層狀紫紅色和灰綠色泥質(zhì)巖互層和頂部的灰綠色含礫粗砂巖組成，碎屑物質(zhì)成分成熟度、分選性和磨圓度較下部巖層略好，且呈現(xiàn)下細(xì)上粗的反旋回沉積層序，多見粒序、水平層理。除頂部粗砂巖層外，沉積物多表現(xiàn)紅色、紫紅色、褐紅色、黃褐色。

2 元素分析方法及地球化學(xué)特征

2.1 元素分析方法

本次選取濟(jì)源大古石組剖面采集的10塊泥質(zhì)巖樣進(jìn)行全巖微量、稀土元素含量測試，采樣位置如圖2所示。取新鮮泥質(zhì)巖巖樣塊，在自然條件風(fēng)干后，實(shí)驗(yàn)用粉碎機(jī)粉碎成小塊、再用研磨機(jī)研磨至200目以下過篩、裝袋、編號，最后送至澳實(shí)分析檢測(廣州)有限公司澳實(shí)礦物實(shí)驗(yàn)室化驗(yàn)。微量和稀土元素的含量采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定(詳細(xì)測試過程見文獻(xiàn)[13-14])，并進(jìn)行了重復(fù)樣和標(biāo)樣分析，以保證測試的精確度及精度(5%以內(nèi))。

2.2 地球化學(xué)特征

(1)泥質(zhì)巖稀土元素地球化學(xué)特征。濟(jì)源大古石組泥質(zhì)巖樣品的稀土元素測試結(jié)果及部分特征指數(shù)見表1。由表1可知，∑REE含量239.91～367.59 μg/g，平均271.56 μg/g，含量較高，遠(yuǎn)高于北美頁巖值的173.21 μg/g?！艸REE含量19.03×10-6～29.98×10-6μg/g，∑LREE含量215.98×10-6～337.61×10-6μg/g?！芁REE/∑HREE比值8.56～12.68，(La/Yb)N比值9.32～15.20，顯示大古石組泥巖巖輕重稀土元素分餾明顯，LREE富集而HREE相對較低的特點(diǎn)；(Gd/Yb)N為1.52～1.87，顯示重稀土變化小，分異程度不明顯。δEu為0.57～0.74，有明顯負(fù)異常。δCe為1.00～1.03，顯示無異常。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化[15]后的REE配分模式圖解(圖3(a))中，曲線向右傾斜，其中La—Eu元素段曲線相對較陡，顯示LREE相對富集，Gd—Lu 段曲線變化較為平緩，HREE相對虧損。北美頁巖組合標(biāo)準(zhǔn)化[16]REE配分模式圖解(圖3(b))顯示，(La/Yb)A為1.34～2.18，平均1.84，無明顯Eu異常，各樣品線條曲線總體呈現(xiàn)相互平行，表明輕稀土元素略為富集，稀土元素含量大致同步變化的特點(diǎn)。

表1 濟(jì)源大古石組泥質(zhì)巖樣品稀土元素測試結(jié)果及部分特征指數(shù)Tab.1 Testing results of REE from argillaceous samples and characteristic index of the Mesoproterozoic Dagushi Formation in Jiyuan μg/g

圖3 濟(jì)源大古石組泥質(zhì)巖稀土元素球粒隕石與北美頁巖組合標(biāo)準(zhǔn)化配分模式Fig.3 Chondrite and NASC-normalized REE patterns of argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Dagushi Formation in Jiyuan

(2)泥質(zhì)巖微量元素地球化學(xué)特征。濟(jì)源地區(qū)大古石組泥質(zhì)巖樣品的微量元素測試結(jié)果及部分特征指數(shù)見表2。從微量元素球粒隕石[15]標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖解(圖4(a)) 顯示，樣品的線束分布較為集中，Ba、Nb、Sr元素明顯虧損，Rb、Th、La、Ce、Nd元素富集，呈現(xiàn)明顯的“三峰三谷一平坦”的形式。與大陸平均上地殼元素標(biāo)準(zhǔn)值[17]比較(圖4(b))，Ba、Rb、Nb、La、Ce、Nd、Sm、Tb等大部分微量元素含量明顯高于上地殼微量元素平均值，具有陸源性質(zhì)的元素Th、Zr比上地殼中的平均含量略高，Hf上地殼平均值相當(dāng)，Sr明顯虧損。

表2 濟(jì)源大古石組泥質(zhì)巖樣品微量元素測試結(jié)果及部分特征指數(shù)Tab.2 Testing results of trace elements from argillaceous rocks samples and partial characteristic index of the Mesoproterozoic Dagushi Formation in Jiyuan μg/g

圖4 濟(jì)源大古石組泥質(zhì)巖微量元素球粒隕石、平均上地殼標(biāo)準(zhǔn)化配分模式Fig.4 Distribution patterns of Chondrite and UCC-normalized trace elements of argillaceous rocks of the Mesoproterozoic Dagushi Formation in Jiyuan

3 沉積環(huán)境與物源屬性

3.1 沉積環(huán)境

Sr元素含量和Sr/Ba值常用來定性判別水體古鹽度或離岸環(huán)境，Sr元素在海水中含量為800～1 000 μg/g，在淡水中的含量為100～300 μg/g；Sr/Ba<1，表示陸相沉積，Sr/Ba>1，表示海相沉積[18-21]。由表2可知，大古石組泥質(zhì)巖樣品中Sr元素含量59.5～135 μg/g，Sr/Ba值為0.04～0.18，Sr/Ba遠(yuǎn)小于1，表明大古石組總體為陸相淡水沉積環(huán)境。

3.2 物源屬性

通過砂巖樣品鏡下薄片觀察，砂巖碎屑成分主要由石英(Q)、長石(F)和巖屑(L)組成，顆粒多呈棱角狀，磨圓度和分選性差，顯示成熟度低(圖5)、離物源區(qū)較近的特點(diǎn)，說明沉積物具有近源剝蝕快速沉積的特征。

圖5 濟(jì)源大古石組砂巖樣品正交偏光照片F(xiàn)ig.5 Cross-polarized light photos of sandstone samples from Dagushi Formation in Jiyuan

碎屑沉積巖的部分微量和稀土元素對其母巖具有很強(qiáng)的繼承性，常用來指示源巖性質(zhì)[22-24]。由La/Yb—∑REE源巖判別圖解顯示(圖6(a))，大古石組泥質(zhì)巖樣品投點(diǎn)分布較為集中，均落于花崗巖區(qū)域內(nèi)；由La/Sc—Co/Th 圖解(圖6(b))顯示，大古石組泥質(zhì)巖樣品投點(diǎn)大部分落于長英質(zhì)火山巖附近及長英質(zhì)火山巖與安山巖間的區(qū)域，僅個(gè)別點(diǎn)落在長英質(zhì)火山巖附近和花崗巖之間的區(qū)域；從La/Th—Hf判別圖(圖6(c))中顯示，大古石組絕大多數(shù)泥質(zhì)巖樣品主要來源于平均上地殼長英質(zhì)物源區(qū)。同時(shí)，從Zr/Sc—Th/Sc 判別圖解(圖 6(d))中顯示，大古石組泥質(zhì)巖樣品投點(diǎn)主要位于上地殼(長英質(zhì)火山巖)附近。結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料，濟(jì)源所在的王屋山地區(qū)廣泛分布晚太古代—古元古代長英質(zhì)變質(zhì)結(jié)晶基底和花崗質(zhì)[5-7，9-12]。因此，大古石組泥質(zhì)巖整體以長英質(zhì)物源為主，物源區(qū)指向下伏華北克拉通變質(zhì)結(jié)晶基底[5，8]。

圖6 濟(jì)源大古石組泥質(zhì)巖源巖屬性判別圖解Fig.6 Source discrimination diagrams of argillaceous rocks of the Dagushi Formation in Jiyuan

4 討論

研究區(qū)大古石組下段砂巖交錯(cuò)層理發(fā)育有明顯的沖刷面和疊瓦狀排列礫石，地層顏色淺且頂部見泥裂構(gòu)造，可能代表了水體較淺、水動(dòng)力強(qiáng)且受定向水流控制的辮狀河河床沉積環(huán)境。中段顏色略深，砂巖底部沖刷面較平緩，中小型交錯(cuò)層理、波狀層理和平行層理發(fā)育，反映了水體由強(qiáng)逐漸減弱且受定向水流控制的辮狀河三角洲沉積環(huán)境(圖1)。上段巖層顏色加深，粒序、水平層理發(fā)育，沉積物多呈氧化色，反映了沉積時(shí)水體動(dòng)力更弱、水位較淺的特點(diǎn)，可能為濱淺湖亞相沉積環(huán)境。據(jù)此本文認(rèn)為大古石組自下而上沉積相為辮狀河河床亞相—辮狀河三角洲亞相—濱淺湖亞相，與薄片鏡下QFL及元素地球化學(xué)特征反映的陸相淡水沉積環(huán)境相互佐證。大古石組頂部的灰綠色含礫粗砂巖及與許山組接觸部位普遍出現(xiàn)的烘烤邊，可能反映了后期巖漿上涌、地形隆升導(dǎo)致水體變淺的過程。另外，前人認(rèn)為大古石組碎屑巖與許山組火山巖接觸關(guān)系均為整合接觸[8-9，25]，本文認(rèn)為該巖接觸關(guān)系應(yīng)為侵入接觸，證據(jù)如下：①大古石組頂界有邊緣帶和烘烤冷凝邊；②許山組巖體內(nèi)有圍巖(大古石組砂巖)補(bǔ)擄體；③碎屑巖與巖漿巖體有接觸熱變質(zhì)現(xiàn)象(大古石組頂砂巖烘烤邊)且變質(zhì)程度離巖體越遠(yuǎn)越弱(遠(yuǎn)離巖體砂巖烘烤邊逐漸減弱直至無變質(zhì))，表明大古石組碎屑巖發(fā)育期早于許山組巖漿巖侵入期。根據(jù)大古石組地層沉積特征、沉積環(huán)境、元素地球化學(xué)特征及物源結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景認(rèn)為：中元古代早期，在哥倫比亞超大陸開始伸展—裂解的背景下，華北克拉通地殼開始拉伸減薄，強(qiáng)烈的拉伸減薄致使基底發(fā)生差異升降，地形起伏較大，形成了“三叉裂谷”系，其北東支逐漸衰退夭折形成熊耳大陸裂谷[7，9-12，26-28]，在大陸裂谷邊緣，因地形高差大，相對隆升的華北克拉通長英質(zhì)結(jié)晶基底遭受快速剝蝕，由河流攜帶的基底剝蝕產(chǎn)物從盆地邊緣沖出，沉積于毗鄰的盆地邊緣凹陷區(qū)，形成底部的砂礫巖沉積逐漸疊置并向裂谷中心延伸，逐漸形成一套由粗碎屑砂巖、泥質(zhì)碎屑巖組成的河—湖相淡水碎屑沉積巖層即熊耳群大古石組，隨著華北克拉通進(jìn)一步拉伸—裂解，地殼逐漸減薄，引起軟流圈物質(zhì)上涌，導(dǎo)致熊耳群雙峰式火山熔巖的大規(guī)模噴發(fā)。同時(shí)，裂谷盆地持續(xù)沉降，形成了火山熔巖中的沉積夾層。熊耳裂谷盆地的大古石組碎屑巖充填及后續(xù)的熊耳群火山巖的噴發(fā)，發(fā)育于大陸裂谷構(gòu)造環(huán)境[8-9，12]，代表了華北克拉通地球中年期多期裂解事件的開始，可能與哥倫比亞超大陸由拼貼聚合向伸展裂解機(jī)制的轉(zhuǎn)變有關(guān)。

5 結(jié)論

(1)華北南緣大古石組碎屑沉積巖沉積環(huán)境從下至上為淡水辮狀河河流相—辮狀河三角洲相—湖相沉積環(huán)境。

(2)華北南緣大古石組泥質(zhì)巖源巖整體以長英質(zhì)物源為主，物源區(qū)指向下伏華北克拉通變質(zhì)結(jié)晶基底。

(3)熊耳裂谷盆地的大古石組碎屑巖充填及后續(xù)熊耳群火山巖的噴發(fā)，發(fā)育于大陸裂谷構(gòu)造環(huán)境。