2012, Vol. 28
大别山作为全球最大规模的高压-超高压变质岩为主的造山带, 不仅成为国内外造山带和大陆动力学研究的热点地区, 而且也成了盆-山耦合研究的经典地区。前人对于大别造山带周缘中、新生代盆地充填序列、碎屑岩岩石学特征和地球化学成分来反映造山带的演化历史以及盆山耦合关系 (Liu et al., 2003；Li et al., 2006；李任伟等, 1999；李忠等, 2000；王道轩等, 2001；李双应等, 2002)。但是, 对大别山古生代地质历史演化却了解不多。石炭系是大别山北缘古生代地层中唯一未变质或轻微变质的沉积地层, 其沉积记录可以较好的反映物源区的组成以及古生代的构造演化历史。
李宝芳等 (2000)根据石炭系地层古水流方向, 指示物源主要来自南侧的大别山区；李双应等 (2003)通过对大别造山带北缘石炭系胡油坊组中砾石成分及Rb-Sr同位素研究, 认为其中的变质砾石不是来源于佛子岭群或是信阳群, 而是可能来自于扬子陆块的中新元古代地层, 同时认为在古生代大别山存在一个主要由扬子板块新元古代变质岩和早古生代碳酸盐岩组成的构造剥露区。李任伟等 (2004)、李任伟 (2010)曾对大别山北缘石炭系的物源进行了研究, 综合其地球化学、锆石U-Pb年龄及单颗粒碎屑矿物成分分析, 推断该区石炭系源区属于早古生代华北大陆南缘活动大陆边缘, 其与当时的秦岭和桐柏山地区属于同一个岛弧体系, 并据此提出大别山类似于秦岭造山带的构造演化模式。本文通过对砂岩碎屑组分、地球化学成分以及碎屑锆石年龄的系统分析, 进一步确定了大别山北缘石炭系的物质成分, 物源区的大地构造属性及其演化历史。
1 地质背景大别山北缘石炭系断续展布在信阳-商城-金寨-舒城断裂以北, 长约200km, 宽1~20km, 主要由一套未变质或轻微变质的沉积岩组成 (图 1), 本文采用金福全等 (1987)提出的北淮阳石炭系地层自上而下的划分方案：花园墙组 (D3？-C1h)、杨山组 (C1y)、道人冲组 (C1-2d)、胡油坊组 (C2h)、杨小庄组 (C2y) 和双石头组 (C2s)。
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图 1 大别山北缘石炭系沉积地层分布图及采样剖面位置 (据徐启东等, 2005编制) 1-古近系-第四系；2-上侏罗统和白垩系；3-中侏罗统；4-南湾组；5-佛子岭群；6-龟山组；7-二郎坪群；8-定远组；9-石炭系；10-海西期基性侵入体；11-燕山期花岗岩；12-大别核部杂岩；13-超高压单元；14-高压单元；15-飞来峰构造；16-取样剖面位置与编号；17-断层 Fig. 1 Distribution of Carboniferous sandstones in the northern margin of the Dabie Mountains and the location of sampling section (modified after Xu et al., 2005) 1-Eogene-Quaternary; 2-Upper Jurassic and Cretaceous; 3-Middle Jurassic; 4-Nanwan Formation; 5-Foziling Group; 6-Guishan Formation; 7-Erlangping Group; 8-Dingyuan Formation; 9-Carboniferous; 10-Hercynian basic intrusion; 11-Yanshanian granite; 12-Dabie core complex; 13-UHP unit; 14-HP unit; 15-klippe; 16-sampling section; 17-fault |
花园墙组主要由中-粗粒石英砂岩和砾岩、粉砂岩所组成的一套河流相沉积。主要分布在固始县杨山煤矿东侧的花园墙至皮冲一带, 柳林-花园墙-石门口出露较好, 可以见到与上覆杨山组的直接接触关系, 与下伏地层接触关系不明。而杨山组是典型的含煤地层, 煤层厚度一般约1~2m, 近三十多层, 其它岩石主要为砾岩、石英砂岩夹少量泥岩和泥质粉砂岩, 主要分布于固始县的皮冲、五尖山、老营子、大小杨山等地。道人冲组主要为石英砂岩和长石石英砂岩, 其次是泥岩和少量砾岩, 出露较少, 主要出露在固始县管家店-杨山煤矿食堂。胡油坊组为该区石炭系分布最广的地层, 主要见于河南省商城岩体两侧, 向东延伸到固始县段集以及安徽省金寨县。该组岩石类型以长石石英砂岩为主, 其次是砾岩和泥岩, 局部夹泥灰岩薄层。杨小庄组主要为炭质细-粉砂质粘土岩、粉砂质泥岩夹煤线或凸镜状煤层, 主要出露于商城岩体东西两侧。双石头组在不少地区已变质, 主要为含砾绢云石英片岩、含红柱石绢云石英片岩夹炭质薄层及含砾砂岩, 上部为透辉斜长角闪岩, 未见顶, 下以含砾绢云石英片岩为标志与杨小庄组整合接触, 典型剖面见于商城县王坳。
2 岩石组分 2.1 岩石碎屑组分研究区石炭系砂岩主要为中细粒石英砂岩和长石石英砂岩, 碎屑颗粒大小0.2~0.8mm, 多为棱角状, 颗粒支撑, 分选较差, 结构成熟度低。砂岩成分统计分析表明 (表 1), 石英含量61.3%~88.2%, 主要为单晶石英, 约占石英总量的70%, 多晶石英常常由三个以上的晶体组成；长石含量2.0%~32%, 主要为斜长石和钾长石, 其中斜长石约占60%, 钾长石一般风化强烈；岩屑含量4.7%~13.3%, 主要为燧石、火山岩岩屑和千枚岩、片麻岩等变质岩岩屑。
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表 1 大别山北缘石炭系砂岩碎屑组分统计 Table 1 Gravel composition of Carboniferous sandstones in the northern margin of the Dabie Mountains |
石炭系12个碎屑岩及浅变质岩样品的地球化学主元素分析表明 (表 2), SiO2含量变化较大, 为40.77%~90.58%, 平均值为63.69%, Al2O3平均含量为11.25%(3.05%~18.36%), MgO为3.66%(0.28%~7.48%), CaO为5.15%(0.01%~11.93%), Fe2O3T为6.15%(2.55%~10.41%), K2O为1.68%(0.22%~3.22%), Na2O为0.68%(0.02%~3.08%), TiO2平均0.67%(0.25%~0.98%)。
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表 2 大别山北缘石炭系岩石主元素 (wt%) 和稀土元素 (×10-6) 含量 Table 2 The major elements (wt%) and the REE content (×10-6) of Carboniferous sandstones in the northern margin of the Dabie Mountains |
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表 5 碎屑岩源区性质判别函数的变量组成及其系数 (据Roser and Korsch, 1988) Table 5 Provenance discriminant function coefficients used to calculate discriminant scores for clastic rocks (after Roser and Korsch, 1988) |
REE分析结果表明 (表 2), 石炭系平均ΣREE为146.2×10-6(54.11×10-6~256.0×10-6), δEu平均0.64(0.33~0.75), δCe平均0.96(0.89~1.01), 轻稀土富集, La/Yb为12.58(3.94~15.42), (La/Yb)N为9.02。其中杨山组的ΣREE最低, 为54.67×10-6, 胡油坊组最高, 平均为186.3×10-6。在已测的样品中, 杨山组、胡油坊组、杨小庄组的δEu由0.63→0.66→0.7逐渐递增但相差不大, 而双石头组δEu为0.54, 和上述三个组有明显差别。砂岩样品中特征微量元素Th, U, Hf, Sc, Zr, Y平均含量分别为10.78×10-6、2.64×10-6、4.39×10-6、15.67×10-6、166×10-6、25.33×10-6, Rb/Sr, Th/U, La/Y, La/Sc, Th/Sc比值分别为1.49、4.10、14.75、31.92和0.89。根据Bhatia (1985)、Bhatia and Crook (1986)的判别标准 (表 3、表 4), 其构造背景为大陆岛弧环境。
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表 3 不同构造背景沉积盆地杂砂岩的REE特征 (据Bhatia, 1985) Table 3 The REE characteristics of graywackes in sedimentary basins of different tectonic settings (after Bhatia, 1985) |
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表 4 各种构造背景杂砂岩微量元素特征 (据Bhatia and Crook, 1986) Table 4 The trace element characteristics of graywackes in different tectonic backgrounds (after Bhatia and Crook, 1986) |
由于锆石属于超稳定重矿物, 其成分和年龄不受沉积过程的影响 (Morton et al., 1996), 因此可以作为判别物源特征的最有效的证据 (Sircombe, 1999；Cawood and Nemchin, 2000；Hallsworth et al., 2000)。本文采集了下石炭统花园墙组、杨山组和上石炭统双石头组三个砂岩样品, 进行碎屑锆石U-Pb同位素LA-ICP-MS测年分析。
本次分析主要选取谐和度>90%的碎屑锆石颗粒, 其中花园墙组80个, 杨山组77个, 双石头组78个。通过对所测年龄统计分析表明 (图 2), 花园墙组中有9个颗粒年龄介于430~442Ma之间, 占总数的11.25%；41个颗粒介于446~523Ma之间, 占总数的51.25%；9个颗粒位于682~991Ma之间, 占总数的11.25%；10个颗粒介于1035~1544Ma之间, 占总数的12.5%；另外还有8个介于1661~2456Ma之间。杨山组中有27个颗粒介于386~443Ma之间, 占总数的33.75%；22个颗粒介于444~528Ma之间, 占总数的27.5%；5个颗粒介于741~985Ma之间, 占总数的6.25%；另外还有12个和9个颗粒分别介于1008~1527Ma和1634~2471Ma, 分别占总数的15%和11.25%；在上石炭统的双石头组中只有1个颗粒是属于早古生代 (535 Ma), 8个颗粒为638~837 Ma, 占总数的10.2%；18个颗粒为866~996Ma, 占总数的23.1%；33个颗粒为1006~1591Ma, 占总数的42.3%；此外还有15个颗粒为1673~2449Ma和3个颗粒为2555~2789Ma, 分别占总数的19.2%和0. 4%。另外在双石头组样品中还对同一颗粒的核部和边缘年龄进行了对比, 发现其核部年龄为1267Ma属于中元古代, 边缘年龄为880Ma属于晚青白口世早期。通过对比分析发现, 花园墙组和杨山组碎屑锆石年龄分布主要集中于早中古生代, 双石头组年龄分布集中于元古代, 以中元古代为主, 其次为新元古代青白口纪和早元古代。由此我们可以认为, 花园墙组物源主要来自早-中古生代地质体, 时代以奥陶纪为主, 小部分物源来自元古代；杨山组物源主要来自早-中古生代, 以志留纪和奥陶纪为主, 其次来自前寒武纪；双石头组物源主要来自元古代地质体, 以中元古代为主。
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图 2 大别山北缘石炭系碎屑岩中碎屑锆石LA-ICP-MS年龄频谱 年龄间隔25Ma；大于1000Ma的年龄值采用207Pb/206Pb年龄, 小于1000Ma的年龄采用206Pb/238U年龄 Fig. 2 Histograms of detrital LA-ICP-MS zircon ages for the Carboniferous sandstone in the northern margin of the Dabie Mountains with a plotting increment of 25Ma Ages greater than 1000Ma are calculated using 207Pb/206Pb ratios, and ages less than 1000Ma are calculated from 206Pb/238U ratios |
沉积物物源分析是盆地分析的重要内容, 是再现沉积盆地演化、恢复古环境的重要依据 (徐亚军等, 2007)。物源研究方法包括岩石学、地球化学、重矿物、同位素年代学等。其中, Dickinson (1983)的三角图解方法应用最为广泛, 其利用砂岩碎屑组分特征判别沉积物源区构造背景, 该方法简单易行, 但也存在一些问题, 会受到风化搬运等沉积作用及混合物源的影响。为此还要综合地球化学、电子探针、重矿物特征及锆石年龄等方法来判断沉积物及源区的构造背景。本文主要依据地球化学和碎屑锆石年龄并结合传统的Dickinson三角图对该区石炭系的物源区构造背景进行了分析研究。由于稀土元素和一些微量元素如Th, Sc, Zr和Co在一般的天然水体中很难溶解, 因而相对稳定, 不受风化搬运和沉积作用影响, 能够很好的反映源区的地球化学性质 (Taylor and Mclennan, 1985；Girty et al., 1993)。因此, 到目前为止已被广泛的应用到沉积物物源和构造背景的研究当中 (Bhatia and Crook, 1986；Murray et al., 1990；McLennan et al., 1993)。将杨山组、胡油坊组、杨小庄组和双石头组12个样品的测试数据投影到Bhatia and Crook的La-Th-Sc, Th-Sc-Zr/10, Th-Co-Zr/10三角图和Girty的La-Th-Sc三角图 (图 3) 上, 可见其样品点绝大多数落在大陆岛弧范围, 并结合微量元素Th, U, Hf, Sc, Zr, Y平均含量及Rb/Sr, Th/U, La/Y, La/Sc, Th/Sc比值可以认为组成源区的岩石应该形成于大陆岛弧的构造环境, 这与李任伟等 (2004)的结论是一致的。再结合Roser and Korsch (1988)等提出的砂岩-泥岩主元素F1-F2判别图解, 进一步分析源区的性质。图 4可以看出大部分的点都落在P4区域内, 说明物源区主要为成熟大陆石英质物源区可能为古老的地质体, 克拉通或是再旋回造山带。
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图 3 大别山北缘石炭系砂岩微量元素构造环境判别图 (a) 为被动大陆边缘和岩浆弧分区 (根据Girty et al., 1993):A区-大洋岛弧；B区-大陆岛弧；C区-活动大陆边缘；D区-被动大陆边缘 (Bhatia and Crook, 1986) Fig. 3 Diagram of trace elements and tectonic setting of Carboniferous sedimentary rocks in the northern margin of the Dabie Mountains |
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图 4 大别山北缘石炭系碎屑岩源区性质函数判别图 Fig. 4 Provenance discriminant function diagram of Carboniferous sedimentary rocks in the northern margin of the Dabie Mountains |
为了进一步判断上述推论的正确性, 本文还通过运用传统的Dickinson三角图投点来确定源区的属性。由于北淮阳地区石炭系地层遭受轻微的变质, 因此选取有代表性的花园墙组、杨山组、胡油坊组和双石头组7个砂岩样品进行碎屑成分分析 (表 1)。在QFL三角图中可以看出 (图 5), 其物源可能主要来自陆块或再旋回造山带, 其中胡油坊组主要为再旋回造山带, 而其它主要为陆块来源。在QmFLt图中同样也反映出其再旋回造山的物源属性, 张惠良 (1996)曾对该区花园墙组、杨山组和道人冲组砂岩的碎屑组分做了QmFLt分析, 认为物源主要属于再旋回造山带中的板块碰撞造山带及前陆隆起造山带。而在QmPK图中反映沉积物更多的是来自陆块高成熟度的区段。这与上述的F1-F2判别图结果相吻合, 由此我们可以推断石炭系物源区可能为再旋回造山带。
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图 5 大别山北缘石炭系砂岩碎屑组分图解 (据Dickinson, 1983) Fig. 5 Triangular plots showing the Carboniferous sandstone in the northern margin of the Dabie Mountains (after Dickinson, 1983) |
前人已就大别造山带古生代的构造演化提出了多种模式。李曰俊等 (1997)通过对杨山前陆盆地的形成演化分析, 认为扬子板块和华北板块的陆-陆碰撞始于晚泥盆世之前 (S3-D2)；Li et al.(2004)提出了类似于秦岭造山带的演化模式；李双应等 (2011)根据地层沉积记录特征将扬子陆块和华北陆块的汇聚时间限制在中-晚泥盆世, 并提出大别造山带经历的两次汇聚和两次俯冲的演化模式。本次石炭系三个样品 (花园墙组Lsy0601106、杨山组Lsy0601107和双石头组10101014) 碎屑锆石同位素年龄结构分析表明, 花园墙组样品碎屑锆石年龄由两部分构成, 一部分是425~525Ma, 占总数的62.5%, 其中峰值为450~475Ma, 属于奥陶纪年龄范围；另一部分是925~1000Ma, 所占比例为10.5%。杨山组样品锆石年龄也由两部分构成, 一部分为400~500Ma, 占总数的61.2%, 其中峰值为425~450Ma, 属于志留纪-奥陶纪年龄范围；另一部分为925~1075Ma, 所占比例较小为10%左右, 与花园墙组相似。双头组样品的锆石结构年龄特征与花园墙和杨山组有很大差别, 其年龄范围主要在900~1300Ma, 约占总数的73%, 其中峰值出现在1050~1075Ma之间, 属于中元古代, 相对缺少早古生代的锆石年龄, 说明其物源可能主要来自古老的基底。由于华北板块南缘在古生代为活动大陆边缘 (Lerch et al., 1995), 并且在秦岭大别地区的中古生代 (奥陶纪-泥盆纪) 地层以秦岭群和二郎坪群为代表 (Hacker et al., 1998), 而目前经过众人对秦岭群和二郎坪群中大量的锆石测年研究, 发现单颗粒锆石Pb/Pb蒸发年龄值主要为：488±10Ma~470±20Ma和410±10Ma~395±6Ma两部分 (Li et al, 2004)。而本文所测得的花园墙组和杨山组的锆石主要年龄范围为400~525Ma, 与秦岭群和二郎坪群年龄基本吻合, 也与之前Li et al.(2004)在该区胡油坊组通过锆石测年所得出的结论一致。但是, 双石头组锆石年龄特征没有秦岭群和二郎坪群相应的年龄结构, 只有较老的锆石年龄。华北板块在太古代和古元古代时主要经历了四次造山过程：3000~2900Ma (迁西期), 2600~2500Ma (阜平期), 2400~2300Ma (五台期) 和1800~1700Ma (吕梁-中条运动)(Chen et al., 2003), 扬子板块则在中新元古代形成了稳定的基底, 经历了两期构造热事件分别是四堡运动 (1100~1000Ma) 和晋宁-澄江运动 (800~700Ma)(Li et al., 2002；Li et al., 2003；Chen et al., 2003)。对比华北板块和扬子板块的构造运动, 双石头组锆石年龄主要为900~2499Ma, 跨越古-中元古代, 由此可以推断该组物质主要来自华北板块的古老基底, 而花园墙组和杨山组则主要来自扬子陆块。另外的可能是, 晚石炭世的双石头组沉积时, 志留系-奥陶系的源区已经剥蚀殆尽, 不能继续提供物源。
4 结果及认识本文对大别山北缘石炭系砂岩碎屑组分、常量元素和微量元素地球化学以及碎屑锆石年龄进行了测试分析, 探讨了石炭系物源性质及其构造环境, 获得了如下结果和认识：
(1) 研究区石炭系砂岩主要为中细粒石英砂岩和长石石英砂岩, 砂岩成分以石英和长石为主, 岩屑主要为燧石、火山岩岩屑和千枚岩、片麻岩等变质岩岩屑。砂岩的QFL平均值为Q 76.2%, F 15.9%, L较低7.9%, Q/(F+L) 为4.26。
(2) 碎屑岩及浅变质岩中主量元素平均含量SiO2 63.69%、Al2O3 11.25%、MgO 3.66%、CaO 5.15%、Fe2O3T 6.15%、K2O 1.68%、Na2O 0.68%；部分特征微量元素Th、U, Hf、Sc、Zr、Y平均含量分别为10.78×10-6、2.64×10-6、4.39×10-6、15.67×10-6、166×10-6、25.33×10-6。Rb/Sr、Th/U、La/Y、La/Sc、Th/Sc比值分别为1.49、4.10、14.75、31.92和0.89；稀土元素总量ΣREE平均146.2×10-6(54.11×10-6~256.0×10-6), Eu异常0.64, 轻稀土略有富集。
(3) 碎屑锆石年龄统计显示, 研究区石炭系碎屑岩的物源包括中古生代、中元古代和早元古代地层。早、晚石炭世地层中碎屑锆石年龄特征具有明显的差异, 早石炭世地层中碎屑锆石的年龄主要集中在400~500Ma, 其次是元古代的年龄 (占25%~35%), 晚石炭世地层中碎屑锆石年龄主要为900~1300Ma, 部分为2000~2800Ma。
(4) 石炭系碎屑岩微量元素组成特征揭示其物源区的大地构造属性为大陆岛弧, 砂岩碎屑锆石峰值年龄进一步确定了岛弧的年龄为早古生代 (400~500Ma), 与秦岭岛弧时代相一致, 这暗示该岛弧可能属于秦岭-桐柏山岛弧组成部分。
(5) 依据石炭系砂岩主元素组成判别, 物源区大地构造属性为古老陆块或是陆内造山带, 而碎屑锆石定年中的元古代年龄进一步支持了上述结论, 这也就说明大别山北缘石炭系部分物源来自年龄较老的变质基底。将早石炭世的碎屑锆石年龄结构与华北板块和扬子板块基底的物质组成对比, 可以推断早石炭世地层的物源可能部分来自于扬子板块的中新元古代基底, 而晚石炭世地层中的物源可能部分来自于更加古老的华北板块的中-古元古代基底。对比晚石炭世双石头组与早石炭世地层中的碎屑锆石年龄, 揭示晚石炭世的双石头组物源主要是古老变质基底, 而早石炭世地层的早古生代源区可能被剥蚀殆尽。
致谢 刘德良教授和江来利高工审阅了本文, 并提出了宝贵的修改意见；同时李振生副教授对本文给予了很大帮助；在此一并特致谢意!| [] | Boynton WV. 1984. Geochemistry of the rare earth elements: Meteorite stduies. In: Hendrson P (ed.). Rare Earth Element Geochemistry. Amsterdam: Elservier, 63-114 |
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