0 引言

晚古生代，西伯利亚地块快速向南漂移，华北地块向北移动，两者于晚古生代末期发生碰撞，两大板块间古亚洲洋的闭合表现为一种由西向东的剪刀式闭合模式^[1]，兴蒙造山带的形成标志着古亚洲洋的完全闭合^[2-9]。古亚洲洋闭合的具体时间和地理位置一直都饱受争议^{[2-4, 7-13]}，部分学者认为古亚洲洋最终闭合于晚二叠世，拼合位置为索伦-苏尼特左旗-林西缝合带^[7-10]，也有部分学者认为贺根山是西伯利亚板块和华北板块最终拼合的位置^[14-16]。作为古亚洲洋闭合关键期的同期沉积，上二叠统林西组的相关研究一直备受关注。前人利用古地磁分析、古生物和同位素测年等手段对林西组的沉积环境和构造演化等宏观地质背景进行了大量研究，认为林西组属于残余弧后盆地背景下的海陆过渡-陆相沉积^{[2-4, 8-9, 11-13]}，但是未对林西组的母岩类型和物源开展工作。研究区位于索伦-苏尼特左旗-林西缝合带的东端，强烈且多期次的构造运动对缝合带附近的沉积物源具有重要影响。在前人针对大地背景和沉积环境研究的基础上，本文对林西组地球化学特征展开系统分析，以更好地研究林西组沉积背景。

作为区域构造作用和沉积作用等地质因素综合影响的结果，沉积物包含了丰富的母岩背景、构造运动和地壳演化等信息，是分析古地质背景的重要手段。其中，沉积物的化学元素组成很好地记录了特定地质历史时期的沉积水体、沉积物源、古气候等地质问题，对于研究沉积盆地演化史和恢复古环境具有重要意义^[17-24]。此次研究中，笔者采用Bhatia和Roser等人提出的地球化学分析手段^[25-27]，通过分析常量元素、微量元素和稀土元素等地球化学特征对研究区林西组母岩类型进行了讨论，并结合构造背景对沉积物源进行了探讨。

1 区域地质概况

研究区索伦地区主要为内蒙古天山-兴安地层区的大兴安岭地层分区和西乌珠穆沁旗地层分区。该区位于天山-兴安地槽褶皱区，地质构造上属于西伯利亚板块和华北板块的夹持区域(图 1)，先后遭受古亚洲洋和太平洋构造域的叠加和改造，是经多次相互作用的复合造山带^{[3, 7-10]}。晚二叠世以前，研究区属地槽型沉积建造，晚古生代末期发生的古亚洲洋闭合事件对该区沉积环境和构造背景具有重要影响^{[4-5, 10, 15]}。

2 沉积特征

林西组在内蒙古自治区东部广泛分布，是晚二叠世主要岩石地层单位，以整合或不整合沉积在哲斯组之上，上覆地层为下三叠统老龙头组^[11]。林西组的建组剖面位于林西县官地-翟家沟剖面，主要由一套黑色板岩、粉砂岩、砂岩组成，含丰富的淡水瓣鳃类和植物化石(图 2)。在不同地区曾被称为索伦组、包尔敖包组和陶海营子组，根据岩性和生物群特征，统称为林西组^[13]。

3 样品采集与分析

为了更好地研究该区林西组地球化学特征和沉积物源，此次共采集新鲜岩石样品14块，包括3块细砂岩样品、1块粉砂岩样品、9块泥岩样品和1块页岩样品，采样地点位于索伦镇北，样品在实测剖面上的分布位置如图 2所示。

去除样品的风化面，用蒸馏水清洗干净，放入烘箱在120 ℃下烘烤12 h，烘干后利用刚玉瓷无污染颚式破碎机破碎至粗、中碎，然后在三头玛瑙球磨机上研磨至200目以下(＜0.174 mm)。对于泥岩样品，研磨前需要先将粉砂岩颗粒去除，样品加工过程均在无污染设备中进行。

相关实验均在吉林大学测试科学实验中心进行。研磨至200目的样品一部分用于常量元素分析，首先将样品粉末熔制成玻璃饼，然后采用X射线荧光光谱法(XRF)以玻璃熔片方式进行常量元素测定；另一部分样品采用三酸一水溶矿法，运用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测得微量元素和稀土元素含量，相对标准偏差＜5%。

4 地球化学特征

沉积物的化学成分与母岩之间存在着一定的关系，在不同的构造环境下发育不同的化学组成，据此可以根据成分变化特征来判定物源区的环境性质和构造背景^{[18-24, 28]}。Bhatia等和Roser等通过对砂泥岩的研究，提出了一系列常量元素、微量元素和稀土元素特征图版来鉴别不同构造背景^[25-27]。

4.1 常量元素分析

索伦地区林西组样品中，P₃₀-1与其他样品在常量元素组成方面具有明显的差异(表 1)。P₃₀-1样品中SiO₂质量分数为54.58%，明显低于其他样品(64.44%~71.84%)；Al₂O₃质量分数仅为6.46%，而其他样品为13.68%~18.47%；K₂O质量分数为0.12%，其他样品为1.27%~3.55%；Na₂O质量分数仅为0.08%，其他样品为1.71%~3.66%；TFe₂O₃质量分数高达20.23%，其他样品最高仅为6.06%；P₂O₅质量分数为3.50%，其他样品最高仅为0.42%；CaO质量分数为5.14%，而其他样品多小于0.50%。常量元素含量的差异性表明，与其他样品相比P₃₀-1样品的沉积母岩类型明显不同。

化学蚀变指数(CIA)常用来表征母岩的古风化强度。通常认为CIA值在50左右，表明碎屑岩母岩未遭受化学风化；CIA值为100时，表明母岩遭受了强烈的化学风化。成分变异指数(ICV)可反映源岩的成分成熟度。沉积物在循环过程中非黏土矿物的降低或第一次循环碎屑输入量的降低，都将导致ICV值的降低；黏土矿物质量分数较低的岩石ICV值一般＞1，多属于构造活动地区第一次旋回的沉积物；黏土矿物质量分数较高的碎屑岩ICV值≤1，形成于构造平静的环境，此背景下第一次循环沉积物的再循环十分发育^{[18, 28]}。

与其他样品相比，P₃₀-1具有较低的CIA值(54.75)，反映了P₃₀-1母岩经受的风化程度相对低于其他样品的母岩；同时具有较高的ICV值(4.45)，反映了P₃₀-1母岩黏土矿物质量分数明显低于其他样品，表明P₃₀-1样品很可能是在构造运动相对活动的背景下第一次旋回沉积物。其他样品CIA值较高(69.12~77.32)、ICV值较低(0.61~0.93)，表明很可能是再旋回或者经过中等风化的第一次旋回沉积物。

常量元素含量的明显差异性，表明了林西组早期沉积形成的P₃₀-1与后期样品的异源性。w(SiO₂)-w(TiO₂)判别图(图 3)显示，研究区林西组碎屑岩母岩主要为火成岩。

Roser等^[27]根据Ti、Al、Fe、Mg、Ca、Na和K等元素的氧化物含量提出了区分物源成分的判别图解，并划分出四类物源成分：铁镁质火成物源区、中性岩火成物源区、长英质火成物源区、石英岩沉积物源区。对研究区林西组样品进行投点(图 4)，发现除样品P₃₀-1落在铁镁质火成物源区(基性火山岩区)外，其余样品均落在中性岩火成物源区及其与铁镁质火成物源区交界区。由此判定研究区林西组沉积母岩以大陆岛弧背景下发育的中性火成岩为主，早期沉积物源有碱性火成岩参与。

值得注意的是，常量元素分析的基础是沉积物对母岩的主元素组合和重矿物组合的继承性，一般在短距离搬运和化学风化很弱的条件下对母岩具有良好的指示意义，可能存在元素迁移带来的干扰^{[18, 28]}。

4.2 微量元素、稀土元素分析

沉积岩中微量元素和稀土元素的化学性质非常相近，溶解度普遍较低，在水体中停留的时间极短，因此能够快速进入到细粒沉积物中且不发生分异，使得细粒沉积物能较好地保存源区的地球化学信息^{[21-22, 30]}。因此，微量元素和稀土元素的地球化学特征，特别是稀土元素分馏特征和分配模式对揭示沉积物源具有重要意义。

与常量元素相比，Th、Y、Zr、Co等不活泼微量元素和稀土元素均为非迁移性的，受后期风化作用和成岩作用影响较弱，是指示沉积物源区化学成分相当有效的元素^[31-32]。

研究区林西组碎屑岩稀土元素总质量分数为(93.26~217.80)×10^-6，平均为170.39×10^-6。其中，轻稀土元素的含量较高，LREE/HREE为3.77~7.84，平均值为6.48，表现为明显的重稀土元素亏损，轻稀土元素富集；除P₃₀-1外，δEu均小于1(0.507~0.816)，表现为明显的负异常(表 2)。一般情况下，相同构造背景，泥岩的REE质量分数要高出杂砂岩的REE质量分数20%左右，把研究区泥岩的稀土元素质量分数除以1.2，便得到相当于同期沉积的杂砂岩的质量分数。

Bhatia等^[25]对构造环境判别较灵敏的微量元素和稀土元素进行了研究，总结完成了一些判别指标和图版，以更直观、清晰和准确地反映出研究区的构造背景，并分析了沉积盆地可能存在于下列的大地构造环境中：大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘等环境(表 3)。研究区林西组稀土元素特征值所反映的构造特征与大陆弧背景类似。

利用La-Th-Sc和Th-Sc-Zr/10判别图版(图 5)对研究区林西组样品进行投点，样品均落在大陆岛弧区域内，说明母岩主要为大陆岛弧构造背景下的产物。

w(Th)-w(Zr)判别图版投点(图 6)表明，研究区林西组多落在大陆岛弧区域及其边缘，个别点落在被动大陆边缘内；应用w(REE)-La/Yb图版对物源区母岩性质进行分析，显示多数样品落在碱性玄武岩和沉积岩交汇区内，个别样品落在沉积岩区域，与其他样品相比，P₃₀-1受大陆拉斑玄武岩影响更为明显(图 6)。而碱性玄武岩的存在指示着板内快速拉张构造环境^[34]。

在稀土元素配分模式图(图 7)中，除样品P₃₀-1配分曲线呈倒“V”字形外，其余样品均呈“V”字形配分。La-Eu段轻稀土配分曲线均较陡且斜率较大，表现为明显的“右倾”，说明轻稀土元素之间的分馏程度较高；Gd-Lu段重稀土配分曲线较为平坦、斜率较小，重稀土元素之间的分馏程度较低，与大陆上地壳稀土元素配分模式相似^[26]。虽然样品采集位置不同，但是配分曲线几乎平行的上下移动，整体形态没有发生明显变化，反映了沉积物来源的同源性。从配分曲线形态上可以看出，样品P₃₀-1与其他样品沉积物来源不同。

Eu异常对于沉积物源具有良好的指示意义。花岗岩和长英质变质岩遗迹来自大陆源区的沉积岩等Eu多呈负异常。除P₃₀-1外，索伦地区林西组碎屑岩样品δEu为0.507~0.816，记录了源岩的Eu亏损。稀土元素配分模式表明，林西组母岩来自于上地壳。McLennan研究认为上地壳中稀土元素的分异作用引起上地壳中Eu元素的缺失造成Eu负异常^[32]。

前人研究表明，Gd元素质量分数和(Gd/Yb)_n对地层年代具有一定的划分意义，随着元素分馏作用，新地层中Gd质量分数越来越少，(Gd/Yb)_n值也随之减小，并以(Gd/Yb)_n=2为界，其中太古宙地层(Gd/Yb)_n常大于2，后太古宙的年轻地层则小于2^[24]。因此，可以将Gd作为研究沉积物源的标志元素。

研究区林西组P₃₀-1样品(Gd/Yb)_n值高达4.48，明显高于其他样品(均小于2)，表明与其他样品样品相比，P₃₀-1样品的母岩沉积时代更早，为太古宙地层。

综合索伦地区林西组常量元素、微量元素和稀土元素分布特征，可以看出研究区林西组母岩沉积环境主要为大陆岛弧背景下切割的岩浆弧，以上地壳碱性-中性火成岩为主，伴有钙质-泥质沉积岩。林西组早期沉积的样品P₃₀-1表现为明显的异源性，沉积母岩为年代较老的碱性火成岩。

5 构造背景讨论

早在早古生代末期，西伯利亚板块和华北板块之间的松嫩-佳木斯微地块与额尔古纳-兴安微地块沿黑河-嫩江-白城一线碰撞拼合，形成统一的佳蒙地块。佳蒙地块形成以后，主体隆升为陆，南部处于与古亚洲洋相连的大陆边缘^{[3-4, 15]}。约320 Ma古亚洲洋洋壳向北俯冲到佳蒙地块之下，俯冲过程中古亚洲洋板块断离，形成了苏尼特左旗-锡林浩特-西乌旗南岩浆弧花岗岩^{[12, 35-36]}，随着古亚洲洋的持续向北俯冲，导致弧-陆碰撞。由于古亚洲洋板块的俯冲作用，晚石炭世晚期-早二叠世，索伦缝合带处于后造山伸展构造背景，在伸展环境下形成了华北板块北缘同时期广泛分布的闪长岩-花岗闪长岩带^{[4, 37]}。

Shi等、Miao等、韩国卿等和李红英等人通过锆石年代分析，认为林西地区林西组砂岩碎屑锆石年龄中出现的1 800 Ma和2 500 Ma左右的峰值，对应物源应该来自南部华北板块的北缘地区；而280 Ma和320 Ma两个峰值年龄与北侧苏尼特左旗-锡林浩特-西乌旗南岩浆弧组成基本一致^{[3, 38-40]}。

余和中等^[41]通过锆石测年发现锆石年龄分布曲线具有多峰性，反映了晚二叠世物源类型的复杂性；赵立敏等^[42]在对林西-翟家沟林西组剖面进行测量时，发现有波痕层面显示古流方向SE150°，指示有来自于南部(即华北板块北缘)的沉积物源；韩国卿等^[3]通过对林西地区林西组砂岩进行碎屑锆石年代学分析研究，发现研究区的锆石年龄特征具有华北板块基底物源的特征，反映在林西组沉积时期华北板块与佳蒙地块已经非常接近，林西组在沉积过程中得到了南侧华北板块北缘和北侧苏尼特左旗-锡林浩特-西乌旗南岩浆弧的混合物源，这与Qin等^[43]通过观察砂岩中的波痕和古水流分析，推断得到的古沉积物源方向相似。

综合构造背景和元素地球化学特征，推测母岩为太古宙沉积的样品P₃₀-1沉积物源来自于华北板块的北缘，而其他样品则同时受南侧华北板块北缘和北侧苏尼特左旗-锡林浩特-西乌旗南岩浆弧的共同物源供给，其中碱性玄武岩可能来自于晚石炭世晚期-早二叠世伸展构造背景下的佳蒙地块南缘的上地壳岛弧沉积。

为进一步明确索伦地区林西组沉积物源，下一步应针对特定区域采集母岩样品进行元素地球化学特征研究，辅之以测年等技术手段，对研究区林西组沉积背景进行深入研究，以更好地解释古亚洲洋闭合时间等地质问题。

6 结论

1) 内蒙古索伦地区上二叠统林西组常量元素分布特征表明，早期沉积属于风化程度较弱的第一次旋回产物，后期为中等风化的第一次旋回产物或再旋回产物；沉积源岩以中性火成岩为主，沉积岩贡献较少，早期沉积物源表现为明显的异源性，有碱性火成岩参与。

2) 微量元素和稀土元素的分布特征表明，研究区林西组母岩沉积环境主要为大陆岛弧背景下切割的岩浆弧，以上地壳碱性-中性火成岩为主，伴有钙质-泥质沉积岩，早期沉积母岩为太古宙碱性火成岩。

3) 结合索伦地区晚古生代构造背景，林西组沉积物源同时受南侧华北板块北缘和北侧苏尼特左旗-锡林浩特-西乌旗南岩浆弧的共同物源供给，其中碱性玄武岩可能来自于晚石炭世晚期-早二叠世伸展构造背景下的佳蒙地块南缘的上地壳岛弧沉积；早期沉积有华北板块北缘太古宙基底母岩的参与，表明林西组早期华北板块与佳蒙地块已经碰撞拼合或非常接近。