付忠才
(黑龍江省第九地質(zhì)勘查院, 黑龍江 齊齊哈爾 161006)
研究區(qū)位于大興安嶺北段,塔源—新林—大烏蘇一帶,大地構(gòu)造位置處于中亞造山帶東段[1-2]、額爾古納地塊與興安地塊結(jié)合部位[3-4],是研究古亞洲洋形成演化的重要地區(qū)之一[5-6]。在塔源鎮(zhèn)東部及大烏蘇河流域分布有一套淺變質(zhì)海相火山-碎屑巖系,《黑龍江省巖石地層》(1997)將其定名為倭勒根群,李仰春等[7]認(rèn)為該套巖層不是單一的有序的地層單位,而是一構(gòu)造巖片,因此將其命名為倭勒根巖群,這一認(rèn)識(shí)已逐漸被廣大學(xué)者認(rèn)可并使用[8-11]。
倭勒根巖群自下而上劃分為吉祥溝巖組、大網(wǎng)子巖組,吉祥溝巖組主要為變沉積巖,大網(wǎng)子巖組主要為變基性火山巖。變沉積巖鋯石U-Pb年齡為453.2~560.0 Ma,變基性火山巖為419.4~482.1 Ma[5,8-9,12-13],成巖時(shí)代應(yīng)為早奧陶世—早志留世。前人對(duì)大網(wǎng)子巖組的變火山巖地球化學(xué)特征研究較多,但對(duì)吉祥溝巖組變沉積巖地球化學(xué)特征研究較少[5,9]。筆者利用研究區(qū)內(nèi)1∶50 000區(qū)域地質(zhì)測(cè)量獲得的主、微量及稀土元素地球化學(xué)結(jié)果,探討吉祥溝巖組地球化學(xué)特征及源區(qū)構(gòu)造背景,為大興安嶺北部早古生代構(gòu)造演化研究提供一定的基礎(chǔ)資料。
研究區(qū)內(nèi)出露的地層分布廣泛(圖1),主要有下奧陶統(tǒng)—下志留統(tǒng)倭勒根巖群及下白堊統(tǒng)白音高老組、光華組、甘河組。倭勒根巖群巖石主要為變沉積巖及變火山巖,巖石普遍殘存原巖結(jié)構(gòu),變質(zhì)程度較低。白音高老組巖石為中-酸性火山巖,光華組為酸性火山巖,甘河組為中基性火山熔巖。區(qū)內(nèi)侵入巖發(fā)育,主要有早奧陶世—早志留世花崗巖、二長(zhǎng)巖、花崗閃長(zhǎng)巖及晚三疊世—早侏羅世花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖。區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造方向主要為北東向、北西向,大型北東向環(huán)宇—新林?jǐn)嗔芽v貫全區(qū)。褶皺構(gòu)造不發(fā)育,只在倭勒根巖群中見有小型協(xié)調(diào)褶皺、緊密褶皺。
圖1 塔源地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Geological sketch map of Tayuan area
文中研究樣品利用撿塊法采自實(shí)測(cè)地質(zhì)剖面探槽內(nèi)的新鮮巖石,其中硅酸鹽樣品12件、微量及稀土元素分析樣品各15件。樣品分析由黑龍江省地礦測(cè)試研究所完成,硅酸鹽樣品利用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定,稀土微量元素樣品采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行測(cè)試,樣品分析精度優(yōu)于5%。
吉祥溝巖組變沉積巖主要有變質(zhì)砂巖類、片巖及板巖,局部夾有大理巖。
綠泥綠簾石英片巖:呈灰綠色,鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu),片狀構(gòu)造。巖石主要由體積分?jǐn)?shù)19%的顯微鱗片狀綠泥石、35%的粒狀綠簾石、45%的它形粒狀石英組成。綠泥石沿片理方向展布;綠簾石多與綠泥石相伴,粒度小于0.3 mm;石英具波狀消光,粒度小于0.3 mm。
綠泥石板巖:呈灰綠色,顯微鱗片狀變晶結(jié)構(gòu),板狀構(gòu)造。巖石主要由體積分?jǐn)?shù)5%的顯微鱗片狀絹云母、15%的粒狀石英、30%的顯微鱗片狀綠泥石、49%的隱晶質(zhì)集合體組成。石英粒度多小于0.3 mm,沿板理零散-雜亂分布;綠泥石沿板理方向條帶狀或均勻展布,絹云母多于綠泥石相伴生;隱晶質(zhì)集合體為隱晶長(zhǎng)英質(zhì)、硅質(zhì),沿板理密集條帶狀或零散展布。
粉砂質(zhì)板巖:呈灰白色,變余砂狀結(jié)構(gòu),板狀構(gòu)造。巖石由體積分?jǐn)?shù)40%的顯微鱗片狀礦物、30%的隱晶質(zhì)-泥質(zhì)集合體和30%的砂質(zhì)碎屑物所組成。顯微鱗片狀礦物主要為綠泥石,呈條帶狀沿板理方向密集展布;隱晶質(zhì)-泥質(zhì)集合體主要為黏土礦物及殘余泥質(zhì)、長(zhǎng)英質(zhì),沿板理密集-零散展布;粉砂質(zhì)碎屑物以石英為主,呈棱角狀,粒度均小于0.1 mm。
變質(zhì)細(xì)粒長(zhǎng)石雜砂巖:呈淺綠灰色,變余細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu),致密塊狀構(gòu)造。巖石由體積分?jǐn)?shù)75%的碎屑及25%的膠結(jié)物組成,碎屑為斜長(zhǎng)石,粒度多為0. 25~0. 50 mm;膠結(jié)物主要為顯微鱗片狀絹云母,其次為微晶石英,粒度均小于0.1 mm。
變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖:呈灰白色,變余中細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)、顯微鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu),變余層理構(gòu)造。巖石由體積分?jǐn)?shù)75%的碎屑及25%的膠結(jié)物組成,碎屑主要為石英,呈次圓狀-橢圓狀,占60%;斜長(zhǎng)石為更-中長(zhǎng)石,呈次棱角狀-次圓狀,占15%;膠結(jié)物具顯微鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu),礦物成分主要由重結(jié)晶的微晶石英、長(zhǎng)石和絹云母及少量鐵質(zhì)等組成,膠結(jié)類型屬孔隙式-基底式膠結(jié)。
變質(zhì)長(zhǎng)石砂巖:深灰色,變余細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu),變余層理構(gòu)造。碎屑由體積分?jǐn)?shù)45%的石英、20%的鉀長(zhǎng)石和20%的斜長(zhǎng)石組成,膠結(jié)物占 15%,主要為綠泥石。膠結(jié)類型屬孔隙式膠結(jié)。
吉祥溝巖組變沉積巖主量元素分析結(jié)果見表1、相關(guān)參數(shù)見表2,其中:ηCIA為化學(xué)蝕變指數(shù),ηICV成分變異指數(shù),nal、nfm、nc、nalk、nsi、nt、nqz為尼格里參數(shù)。樣品中SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、MgO、CaO,Na2O、K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,TiO2、MnO、P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低(表1)。變沉積巖中SiO2、Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、nt>0、nqz>12,說(shuō)明鋁、硅過(guò)飽和,表明其碎屑物以石英、長(zhǎng)石為主; 全鐵、MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,可看出巖石中應(yīng)含有黑云母、磁鐵礦等鐵鎂質(zhì)礦物碎屑。
表1 變沉積巖主元素分析數(shù)據(jù)Table 1 Major element compositions of meta-sedimentary rocks
表2 變沉積巖相關(guān)參數(shù)Table 2 Correlation parameter of meta-sedimentary rocks %
由表3可以看出:Ba質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100×10-6~1 415×10-6,Co質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1×10-6~26.67×10-6,Th質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.6×10-6~60×10-6,與上地殼Ba、Co、Th豐度[14]基本一致;Rb質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23×10-6~760×10-6,Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為28.3×10-6~236×10-6,Rb、Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,接近上地殼豐度[14],遠(yuǎn)大于中地殼、下地殼平均質(zhì)量分?jǐn)?shù);w(Sr)/w(Ba)小于1,具副變質(zhì)巖的特點(diǎn);Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18×10-6~390×10-6,遠(yuǎn)低于上地殼及地殼豐度,出現(xiàn)Sr虧損的原因可能與變質(zhì)作用或物源區(qū)斜長(zhǎng)石含量密切相關(guān)[15]。
表3 變沉積巖微量元素分析數(shù)據(jù)Table 3 Trace element compositions of meta-sedimentary rocks
稀土元素總量較高,ΣwREE在65.52×10-6~270.70×10-6,平均值為177.29×10-6,其中,砂質(zhì)板巖、變質(zhì)雜砂巖各有1件樣品稀土總量分別為65.52×10-6、83.29×10-6,與其他樣品相比明顯偏低,可能和變質(zhì)過(guò)程中稀土元素的帶出有關(guān)。ΣwLREE在61.80×10-6~249.37×10-6、ΣwHREE在3.72×10-6~43.19×10-6,ΣwLREE/ΣwHREE在5.04~16.61,平均為9.84,輕稀土相對(duì)富集、重稀土相對(duì)虧損(表4);w(La)N/w(Yb)N為4.33~21.52,平均為11.58,說(shuō)明輕重稀土分異較大;δEu在0.43~0.89之間,平均為0.66,具有顯著Eu負(fù)異常,Eu虧損明顯。
表4 變沉積巖稀土元素分析數(shù)據(jù)Table 4 Rare earth element compositions of meta-sedimentary rocks
樣品稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線基本一致,呈輕稀土富集的右傾式,輕稀土曲線較陡、重稀土曲線相對(duì)平緩,具有明顯的Eu負(fù)異常,如圖2所示,圖2中不同構(gòu)造環(huán)境數(shù)據(jù)據(jù)文獻(xiàn)[16]。
圖2 變沉積巖稀土元素配分曲線Fig. 2 Plots of chondrite-normalized REE patterns of meta-sedimentary rocks
樣品中w(SiO2)平均值為67.82%,低于Condie[17]的典型石英砂巖和長(zhǎng)石砂巖平均值,與古生代雜砂巖SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近;w(Al2O3)/w(SiO2) 在0.15~0.37,高于石英砂巖和長(zhǎng)石砂巖,與雜砂巖一致;TiO2平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.56%,與Pettijohn等[18]雜砂巖平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)接近。w(CaO)/w(MgO)小于1,w(K2O)/w(Na2O)大于1,說(shuō)明原巖為沉積巖。w(Sr)/w(Ba)在0.11~0.70,具有副變質(zhì)巖的特點(diǎn)。
在nal+fm-nc+alk-nsi原巖判別圖解上樣品落入砂巖和厚層泥巖端(圖3);在ΣwREE-w(La)/w(Yb)圖解上樣品皆落入砂質(zhì)巖和雜砂巖區(qū)域內(nèi)。
圖3 變沉積巖原巖判別圖解(底圖據(jù)文獻(xiàn)[19])Fig. 3 Protolith discrimination of meta-sedimentary rocks(after refrence[19])
吉祥溝巖組變沉積巖與不同構(gòu)造環(huán)境中雜砂巖地球化學(xué)參數(shù)如表5所示,由表5可以看出:SiO2、TiO2、FeO平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)及w(FeO)/w(MgO)、w(Al2O3)/w(SiO2)、w(FeO)/w(MgO)和中國(guó)東部上地殼基本一致。吉祥溝巖組變沉積巖輕稀土元素富集、重稀土元素虧損,輕、重稀土元素分異明顯,具明顯的Eu負(fù)異常,表明母巖可能為長(zhǎng)英質(zhì)巖石,具有上地殼特點(diǎn)[15]。
表5 變沉積巖樣品與不同構(gòu)造環(huán)境中雜砂巖地球化學(xué)參數(shù)對(duì)比Table 5 Comparison of geochemical parameters between meta-sedimentary rocks and greywacke in various tectonic settings
在Th-Hf-Co圖解中樣品投在平均上地殼及其附近(圖4a);在w(Rb)-w(K2O)圖解上樣品投在上地殼一端,遠(yuǎn)離下地殼,表明源區(qū)物質(zhì)成分與上地殼基本一致,來(lái)源于上地殼(圖4b)。在w(Ni)-w(TiO2)圖解上樣品投影在酸性巖漿巖區(qū)(圖4c);wREE-w(La)/w(Yb)圖解中樣品大多落入花崗巖與沉積巖重疊區(qū)域,少量落在沉積巖及花崗巖區(qū)內(nèi),說(shuō)明其源區(qū)應(yīng)是花崗巖及沉積巖(圖4d);在Roser等DF1-DF2源區(qū)判別圖解中,樣品投影點(diǎn)落入長(zhǎng)英質(zhì)火成物源區(qū)和石英巖沉積物源區(qū)內(nèi)(圖4e)。
成分變異指數(shù)ηICV平均值為1.33,除1個(gè)樣品外,其他皆大于1,表明吉祥溝巖組中變沉積巖含有少量黏土礦物,代表構(gòu)造活動(dòng)帶的首次沉積[28]。
化學(xué)蝕變指數(shù)ηCIA在53.47~78.64之間,表明物源區(qū)可能處于寒冷—溫暖、半干旱氣候條件,具中—低風(fēng)化程度,可能處于構(gòu)造活動(dòng)帶[29]。在w(Al2O3+K2O+Na2O)-w(SiO2)圖解中,樣品投影在化學(xué)成熟度較低的半干旱區(qū),與化學(xué)蝕變指數(shù)判別一致(圖4f)。
圖4 變沉積巖物源區(qū)特征判別圖解Fig. 4 Identification of provenance characteristics of meta-sedimentary rocks
樣品SiO2、TiO2、FeO、Al2O3/SiO2、FeO/MgO質(zhì)量分?jǐn)?shù)及比值與大陸島弧基本一致(表5)。吉祥溝巖組變質(zhì)巖構(gòu)造背景圖解如圖5所示。
圖5 變質(zhì)巖構(gòu)造背景圖解 Fig. 5 Tectonic setting discrimination diagrams of meta-sedimentary rocks
在w(K2O)/w(Na2O)-(SiO2)及w(SiO2)/w(Al2O3)-w(K2O)/w(Na2O)構(gòu)造判別圖解中,除了3個(gè)樣品投在被動(dòng)大陸邊緣外,其他均落入活動(dòng)大陸邊緣內(nèi)(圖5a、b)。La、Ce、∑wREE、δEu等與活動(dòng)大陸邊緣一致(表5)。在稀土元素配分曲線圖上,除少數(shù)樣品REE分布模式與大陸島弧相似外,其他多與活動(dòng)大陸邊緣一致(圖2)。在F1-F2構(gòu)造背景函數(shù)判別圖解上,樣品主要投在活動(dòng)陸緣和大陸島弧內(nèi)(圖5c);在Th-Co-Zr/10判別圖解中,樣品主要落入活動(dòng)大陸邊緣區(qū)及其附近(圖5d)。綜上可以認(rèn)為,吉祥溝巖組變沉積巖形成于活動(dòng)大陸邊緣—大陸島孤環(huán)境。
(1)變沉積巖主要為綠泥綠簾石英片巖、綠泥石板巖、粉砂質(zhì)板巖、變質(zhì)細(xì)粒長(zhǎng)石雜砂巖、變質(zhì)長(zhǎng)石石英砂巖,其原巖主要為砂巖、雜砂巖及少量泥巖。
(2)變沉積巖SiO2、Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)高,nt>0、nqz>12,Ba、Th、Co元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與上地殼豐度一致,輕重稀土元素分異明顯,輕稀土富集重稀土虧損,Eu具有明顯的的負(fù)異常,成分變異指數(shù)多大于1,反映出源區(qū)物質(zhì)成分為來(lái)源于上地殼的長(zhǎng)英質(zhì)火成巖及沉積巖、巖石成分成熟度低。
(3)化學(xué)蝕變指數(shù)為53.47~78.64,表明物源區(qū)可能處于寒冷—溫暖、半干旱氣候條件,具中-低風(fēng)化程度,可能處于構(gòu)造活動(dòng)帶。
(4)吉祥溝巖組變沉積巖SiO2、TiO2、FeO、w(Al2O3)/w(SiO2)、w(FeO)/w(MgO)、La、 Ce、∑wREE、δEu等質(zhì)量分?jǐn)?shù)、比值及主微量元素構(gòu)造背景判別圖解、稀土元素配分模式表明,巖石沉積于活動(dòng)大陸邊緣—大陸島弧環(huán)境。