2019, Vol. 28
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2. 长江大学 地球科学学院, 湖北 武汉 430100
2. School of Earth Sciences, Yangtze University, Wuhan 430100, China
近年来, 东北地区上古生界的油气地质调查引起了广泛关注, 其中早二叠世寿山沟组因发育有巨厚的暗色泥页岩而成为了研究重点[1-4].前人通过对大兴安岭中南段寿山沟组的岩性组合及古生物的研究, 总体上认为其沉积环境应为浅海-半深海[5], 有关有机地球化学研究认为寿山沟组泥岩干酪根为Ⅲ型, 且见镜质体, 生物标志化合物也指示有机质来源以高等植物为主[6].尽管该区寿山沟组发育的暗色泥页岩具有一定的生油气潜力, 但是对于该套泥页岩的沉积物源、形成的构造背景及其所经历风化作用等问题还缺乏深入的研究.
国内外大量研究表明, 泥页岩中元素地球化学特征可以更好地示踪沉积岩的物源、构造背景及其风化作用[7-12].关于内蒙古中东部地区二叠纪的构造背景问题至今仍未取得统一认识, 部分学者认为古亚洲洋在二叠纪末-三叠纪初闭合, 构造背景为古亚洲洋俯冲有关的大陆边缘弧、岛弧环境或弧后盆地[13-15]; 还有部分学者认为古亚洲洋在二叠纪已经闭合, 构造背景为古亚洲洋闭合后拉张环境下的陆内裂谷或裂陷槽环境[16-19].寿山沟组为大兴安岭中南段地区二叠系最下部层位的结论现已被多数学者认可[20-22].因此, 本文通过对大兴安岭中南段内蒙古西乌旗塔宾庙林场寿山沟组中发育的暗色泥岩主量、微量元素等地球化学特征进行分析, 厘定其物源区特征、风化作用及构造背景, 以期为大兴安岭中南段早二叠世地质构造演化提供有价值的依据, 同时为古亚洲洋闭合的时限提供可靠的信息.
1 区域地质概况及野外剖面位置内蒙古西乌珠穆沁旗地区位于大兴安岭中南段, 靠近松嫩地块与兴安地块的缝合带, 在大地构造位置上属于松嫩地块西南缘(图 1).该区寿山沟组发育良好, 岩性相对稳定, 沉积厚度大, 有机质丰度高, 且岩石变质作用较弱.通过对内蒙古西乌珠穆沁旗地区塔宾庙林场剖面进行实测, 认为该区发育的寿山沟组为一套深水复理石建造[5], 岩性为暗色细碎屑岩沉积, 局部夹有灰岩透镜体.这为烃源岩提供了非常好的岩性基础.
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图 1 内蒙古西乌珠穆沁旗塔宾庙地区地质简图及剖面位置(据文献[5, 21])修改 Fig.1 Geological sketch map of Tabinmiao area in Xi Ujimqin Qi of Inner Mongolia and with profile position(Modified from References [5, 21]) 1-第四系(Quaternary); 2-白音高老组(Baiyingaolao fm.); 3-侏罗纪花岗岩(Jurassic granite); 4-寿山沟组(Shoushangou fm.); 5-岩相分界线(lithofacies boundary); 6-实测性质不明断层(surveyed fault); 7-推测性质不明断层(inferred fault); 8-平移断层(strike-slip fault); 9-岩层产状(attitude of strata); 10-地名(place name); 11-剖面起点(starting point of profile); 12-剖面位置(profile position) |
大兴安岭中南部二叠系地层自下而上依次为:寿山沟组、大石寨组、哲斯组、林西组[21].寿山沟组为二叠纪最早的地层单位, 前人通过地质调查认为寿山沟组地层呈超覆不整合于老的地层或地质体之上[17].
2 样品采集及测试本次研究的12件样品采自西乌珠穆沁旗塔宾庙地区的下二叠统寿山沟组(表 1), 全部为暗色泥(页)岩.将采集的样品自然风干, 捣碎后取100 g以上用玛瑙研钵磨至200目的粒度, 将筛选好的样品在105 ℃烘干, 用于之后的元素地球化学分析.本次样品的主量元素、微量元素及稀土元素的测定均在自然资源部东北矿产资源监督检测中心完成.主量元素在X射线荧光光谱仪(AXIOS)上测试, 分析过程按国家标准GB/T14506.28-2010进行; 稀土元素与微量元素在电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS-XSeriesⅡ)上进行分析, 分析过程按国家标准DZ/T0223-2001等进行.测试精度均优于5%.
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表 1 内蒙古西乌珠穆沁旗地区寿山沟组泥岩主量元素分析结果 Table 1 Major element contents of the mudstones from Shoushangou Formation in Xi Ujimqin Qi, Inner Mongolia |
如表 1所示, 寿山沟组泥岩SiO2含量为60.37%~66.13%, 平均为62.28%; Al2O3含量较高, 分布于14.90%~17.14%之间, 平均为16.31%, 符合泥质岩的特征.样品CaO含量为0.71%~1.88%, 平均1.17%; K2O含量为1.66%~3.71%, 平均3.09%.泥岩的CaO含量低于MgO含量, 可能与泥岩中方解石和白云石丰度有关.
寿山沟组泥岩稀土元素含量及特征如表 2所示, ∑REE为66.83×10-6~188.69×10-6, 均值为118.63×10-6, 低于北美页岩(图 2a), 这可能与风化作用或有机质含量较高有关; ∑LREE/∑HREE为2.31~7.24, 均值为6.17; δEu=0.46~1.03, 均值为0.80, 为弱负异常; δCe=0.80~0.95, 均值为0.86, 也为弱负异常, 可能指示样品原岩为偏酸性岩, 或沉积环境的弱氧化性.球粒陨石标准化配分型式均为轻稀土富集、重稀土平坦, 与海相沉积环境的稀土元素特征相似(图 2b).
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表 2 内蒙古西乌珠穆沁旗地区寿山沟组泥岩部分微量元素和稀土元素分析结果 Table 2 Trace element and REE contents of the mudstones from Shoushangou Formation |
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图 2 寿山沟组泥岩与不同构造背景杂砂岩的稀土元素北美页岩标准化曲线和球粒陨石标准化曲线对比图(据文献[23-25]) Fig.2 Comparison between the NASC-normalized and chondrite-normalized REE patterns of the mudstones from Shoushangou Formation and greywackes of different tectonic settings (After References [23-25]) 1-被动大陆边缘(passive continental margin); 2-活动大陆边缘(active continental margin); 3-大陆岛弧(continental island arc); 4-大洋岛弧(oceanic island arc) |
现在普遍认为泥质岩相比其他碎屑岩具有更好的均质性和低渗透性, 能将物源区信息更好地保留, 所以泥岩比与其共生的砂岩更能反映源区风化强度的变化[7, 9-10, 22]. CIA指数能很好地定量表示硅酸盐矿物的化学风化强度[8].目前认为碎屑沉积岩的CIA值在50左右可视为其物源区岩石基本未遭受化学风化, CIA值在50~60之间反映了物源区弱的化学风化程度, CIA值在60~80之间反映了中等的化学风化程度, CIA值在80~100之间反映了强烈的化学风化程度[26-27].
为了得到准确的CIA值, 还必须通过其他参数研究母岩在风化和沉积过程中是否还经历了二次成岩作用、钾交代作用等, 从而将影响因素排除[28].二次成岩过程可能使母岩物质再次风化, 从而导致CIA值偏大.为此前人提出了成分变异指数ICV, 在研究物源区的风化程度时, 应当选取ICV>1的样品[29-30].寿山沟组泥岩的ICV值1.15~1.57, 平均值为1.33(表 1), 可以认为样品基本未受到二次成岩作用影响, 可以进行下一步分析.
成岩作用过程中钾交代作用会使岩石样品中钾元素含量增加, 从而导致CIA计算值偏低, 所以需要进行校正.钾交代作用可用A-CN-K三角图[Al2O3-(CaO*+Na2O)-K2O]进行校正[31-32]. 图 3中的实线a和b代表未发生钾交代作用的泥质岩风化趋势; 实线d代表发生钾交代作用的风化趋势.从图上可以看出内蒙古西乌珠穆沁旗地区下二叠统寿山沟组泥岩发生了钾交代作用, ①和②与①和③之间的范围分别表示泥质岩发生钾交代作用之后和之前的CIA值[33].校正公式如下:
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图 3 研究区寿山沟组泥岩A-CN-K图解(据文献[26, 28]修改) Fig.3 The A-CN-K diagram of the mudstones from Shoushangou Formation(Modified from References [26, 28]) |
| $ {\rm{CI}}{{\rm{A}}_{{\rm{corr}}}} = \left[ {{\rm{A}}{{\rm{l}}_2}{{\rm{O}}_3}/\left( {{\rm{A}}{{\rm{l}}_2}{{\rm{O}}_3} + {\rm{Ca}}{{\rm{O}}^*} + {\rm{N}}{{\rm{a}}_2}{\rm{O}} + {{\rm{K}}_2}{{\rm{O}}_{{\rm{corr}}}}} \right)} \right] \times 100 $ | (1) |
| $ {{\rm{K}}_2}{{\rm{O}}_{{\rm{corr}}}} = \left[ {m \cdot {\rm{A}}{{\rm{l}}_2}{{\rm{O}}_3} + m \cdot \left( {{\rm{Ca}}{{\rm{O}}^*} + {\rm{N}}{{\rm{a}}_2}{\rm{O}}} \right)} \right]/(1 - m) $ | (2) |
式中氧化物以摩尔数为单位, 其中K2Ocorr为未发生钾交代作用的泥质岩中K2O的含量; m值可通过图 3得到, 图中近似平行于A-CN连线的实线a的延长虚线与CN-K坐标轴的交点即为母岩的 m值, 从图中得到 m值为0.08; CaO*是指硅酸盐矿物中的CaO.本次研究采用McLennan提出的CaO*校正方法[11]:CaO剩余=CaO-P2O5×10/3, 如果CaO剩余 < Na2O, 则CaO*=CaO剩余; 如果CaO剩余>Na2O, 则CaO*=Na2O.计算后得到CIAcorr值为54.28~70.06, 平均值为65.33, CIAcorr值基本都落在50~70, 属于初等-中等风化强度.
4.2 物源由于泥质岩的性质, 它们也被认为是最适合进行地球化学物源研究的碎屑岩[34].根据Roser and Korsch提出的主量元素多变量物源区环境的判别函数[35-36], 寿山沟组泥岩样品基本落入富含石英质沉积岩物源区, 少量落入铁镁质火山岩物源区(图 4), 但是基本落在不同物源区的分界线附近, 可能指示物源的多源性.砂岩和泥岩中的Al2O3/TiO2值一般与其母岩保持一致, 当沉积物Al2O3/TiO2 < 14时, 沉积物的母岩可能来自镁铁质岩; 而当Al2O3/TiO2的值介于19~28时, 沉积物的母岩可能来源于长英质岩[37].寿山沟组泥岩Al2O3/TiO2值为20.16~27.04, 平均值为22.00, 说明样品母岩应该主要来源于长英质岩.
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图 4 研究区寿山沟组泥岩F2-F1物源判别图解(据文献[36]) Fig.4 The F2-F1 provenance discrimination diagrams for the mudstones from Shoushangou Formation(After Reference [36]) P1-铁镁质火山岩物源区(femic volcanic rock); P2-中性火山岩物源区(intermediate volcanic rock); P3-酸性火山岩物源区(acid volcanic rock); P4-富含石英质沉积岩物源区(quartz-rich sedimentary rock) |
在风化、剥蚀以及沉积后作用过程中, 岩石中的La、Th、Sc等元素较为稳定, 元素含量基本不受影响, 因此常应用La/Th、La/Sc等值判别碎屑沉积岩物源属性[12, 38].在La/Th-Hf图解中[39], 大多数样品落入长英质源区, 少数样品落入长英质/基性混合源区(图 5).前人一般认为, 当Th/Sc < 1时, 其物源为年轻未分异弧; Th/Sc=1时, 其物源为古老大陆的上地壳; 当Th/Sc>1时, 其物源为再循环沉积岩[23].样品Th/Sc的值为0.25~1.54, 平均值为0.48, 指示寿山沟组物源并非来源于古老克拉通.
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图 5 研究区寿山沟组泥岩源岩成分Hf-La/Th判别图(据文献[37]) Fig.5 The Hf-La/Th discrimination diagrams for source rock compositions of the mudstones from Shoushangou Formation(After Reference [37]) |
因为稀土元素和部分微量元素(如Th、Sc、Zr)在岩石中的稳定性, 也被广泛地应用到物源区构造背景的研究中[39-42].将寿山沟组的样品投影到La-Th-Sc及La-Sc-Zr/10三角图中, 可以发现样品基本落入大陆岛弧背景源区内(图 6).在La/Sc-Ti/Zr判别图中, 样品也主要落入大陆岛弧构造环境, 但向大洋岛弧构造环境倾斜(图 7).
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图 6 研究区寿山沟组泥岩形成构造背景La/Sc-Ti/Zr判别图(据文献[40]) Fig.6 The La/Sc-Ti/Zr discrimination diagrams for tectonic setting of the mudstones from Shoushangou Formation (After Reference [40]) A-大洋岛弧(oceanic island arc); B-大陆岛弧(continental island arc); C-活动大陆边缘(active continental margin); D-被动大陆边缘(passive continental margin) |
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图 7 研究区寿山沟组泥岩形成构造背景La/Sc-Ti/Zr判别图(据文献[40]) Fig.7 The La/Sc-Ti/Zr discrimination diagrams for tectonic setting of the mudstones from Shoushangou Formation(After Reference [40]) A-大洋岛弧(oceanic island arc); B-大陆岛弧(continental island arc); C-活动大陆边缘(active continental margin); D-被动大陆边缘(passive continental margin) |
通过对西乌珠穆沁旗地区寿山沟组泥岩的稀土元素配分曲线与不同构造背景下杂砂岩[25-26]的稀土元素配分曲线的对比分析, 发现研究区寿山沟组泥岩的稀土元素球粒陨石标准化曲线和北美页岩标准化曲线的分布模式均与大陆岛弧杂砂岩的稀土元素配分曲线(图 2)相似.
综合风化作用、物源分析及构造背景分析结果, 笔者认为洋壳俯冲作用导致本区下二叠统寿山沟组泥岩的沉积.板块俯冲作用使原本的浅海-半深海的还原环境变为氧化环境, 使原岩受到弱的风化作用, 但是这个过程并不影响沉积之后的有机质保存, 而且洋壳俯冲作用还会造成大量的陆源物质进入海相沉积环境, 形成了物源的多源性, 有机质也呈现出海相与陆源输入为主的特点.
5 结论通过对内蒙古西乌珠穆沁旗地区下二叠统寿山沟组泥岩样品开展系统的主量、微量元素地球化学研究, 可以获得如下结论:
1) 泥岩样品基本未受到二次成岩作用影响, 但受到一定的钾交代作用, 且风化强度为初等-中等级别.
2) 主量元素地球化学特征指示寿山沟组泥质沉积物主要来源于长英质物源区, 且混有少量铁镁质火山岩源区物质.
3) 主量、微量元素地球化学特征综合分析表明, 内蒙古西乌珠穆沁旗地区寿山沟组沉积时期的构造背景为大陆岛弧.推测古亚洲洋可能在早二叠世并未闭合, 洋壳俯冲作用导致本区下二叠统寿山沟组泥岩的沉积.
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