Question

沉积盆地的构造环境分析

Answer 1

依据沉积岩地球化学特征判别沉积构造环境，国内、外研究得较少，尚属簿弱环节。目前仅有二种判别方法：①Roser和Korsch（1986）提出的SiO₂含量对K₂O/Na₂O比值图解，此方法能区分出被动大陆边缘（PM）沉积环境、活动大陆边缘（ACM）沉积环境和大洋岛弧（ARC）沉积环境的泥砂质沉积岩；②M.R.Bhatia（1983、1985、1986）提出的判别碎屑岩沉积构造环境的主量元素、微量元素和稀土元素的标志（表2-1a、b、c）。

Taylor和Mclennan等认为，∑REE、Y、Th和Co等元素，难溶于水溶液中，在海水中居留时间很短，它们在沉积成岩和成岩后的变质等地质作用过程中相对稳定，因此它们在细粒碎屑沉积物中的含量能直接定量地反映其在源区岩石中的丰度。因此细粒碎屑岩的稀土和微量元素构造环境判别方法更适用于秦岭构造带。

表2-la　不同构造环境碎屑岩成分特征（%）

表2-1b　不同构造环境碎屑岩微量元素特征（10^-6）

表2-1c　不同构造环境碎屑岩稀土元素特征（10^-6）

Eu/Eu*=（Eu/0.0866）/{[（Sm/0.230）+（Gd/0.311）]/2｝

（一）北秦岭地层的沉积环境

北秦岭地层包括早元古代秦岭群、中—新元古代宽坪群和新元古代—早古生代二郎坪群、丹凤群。北秦岭地层形成的构造环境争议较大。特别是秦岭群形成的构造环境，即它是归属华北地台还是扬子地台，或是独立的陆块，是研究秦岭造山的关键。

1.变碎屑岩的SiO₂-K₂O/Na₂O图解判别

在图2-10中，秦岭群杂砂岩样品投点绝大部分在ACM区域内部分落入PM区域；宽坪群杂砂岩样品投点情况与秦岭群相似也在ACM和PM区域内，但与秦岭群相比总体明显更靠近PM区；二郎坪杂砂岩样品投点亦主要落在ACM区域或其附近，特征与秦岭群、宽坪群极相似；丹凤群杂砂岩样品投点无例外地均落入ACM区域。用SiO₂-K₂O/Na₂O图解进行构造环境判别，一个重要的因素—成熟度因素的影响应当考虑。显然，随着杂砂岩成熟度的降低，其中的SiO₂含量将减少、斜长石含量增加而Na₂O含量将增加，样品的投点位置将作如图2-10中箭头所示方向移动，从而导致构造环境判别上的误差。结合其它资料（下文）综合分析，秦岭群似主要为被动大陆边缘环境，落入ACM区主要是由于杂砂岩的成熟度偏低造成的样品点位置偏移，杂砂岩中变质残余的碎屑矿物以An＝25-40的斜长石为主证明了这一点；宽坪群样品投点特征，除了反映其也具有较低的成熟度，秦岭群为其提供物源和宽坪群既非典型的被动陆缘或活动边缘环境而是活动大陆边缘背景上的被动裂开环境等也是重要的因素；二郎群部分样品落入PM区域，可能主要是秦岭群和宽坪群为其提供物源的反映。

图2-10　北秦岭地层变杂砂岩的SiO₂-K₂O/Na₂O图解

PM—被动大陆边缘；ACM—活动大陆边缘；ARC—大洋岛弧

●秦岭；○宽坪；×二郎坪；Δ丹凤群

表2-2　北秦岭—华北克拉通南缘各时代碎屑岩化学组成

2.REE和微量元素特征参数判别

从总体上看，北秦岭各时代碎屑沉积物REE与前面表述的后太古宙沉积物REE组成模式一，即碎屑岩具有∑REE较高（＞100×10^-6）、都有明显的负Eu异常（Eu/Eu^*=0.57-0.73）和REE组成曲线基本上互相平行等特征（表2-2，图2-11）。除此之外，北秦岭碎屑物REE和微量元素还具有如下演化规律：从古元古代到早古生代，碎屑沉积物的La、Th、Sc等元素含量依次递减，∑REE依次递减，Eu/Eu^*依次递增。这种演化特征与Bhatia（1985）提出的从被动大陆边缘到活动大陆边缘（安第斯型大陆边缘）再到大陆岛弧，杂砂岩中REE、微量元素组成的演化趋势基本一致（表2-1）。这一演化特征大致反映了北秦岭各时代杂砂岩沉积物源的构造环境的更迭：早元古代秦岭群为陆缘裂陷环境，沉积环境相对稳定，杂砂岩有较高的∑REE和明显的负Eu异常（Eu/Eu^*=0.57）；中新元古代本区发展为活动大陆边缘环境，在基底隆起背景上裂开环境中形成宽坪群，杂砂岩中∑REE较秦岭群有所下降并与活动大陆边缘近一致（∑REE=188,Eu/Eu^*值增大）；新元古代—早古生代形成丹凤群和二郎坪群活动大陆边缘沉积，由于沉积物中有来自两群早期的火山物质，因而∑REE进一步降低而Eu/Eu^*值明显升高（负Eu异常减弱），在地理位置上二郎坪群比丹凤群更靠近稳定的华北克拉通，K₂O/Na₂O比值等反映杂砂岩成熟度资料也说明二郎坪群具有被动陆缘物质的加入，因此二郎坪群列接近弧后盆地沉积环境。

图2-11　北秦岭地层碎屑岩REE组成模式

1-古元古代秦岭群；2-中新元古代宽群；3-晚元古代—早古生代二郎坪群；4-早古生代

3.构造环境的对应分析判别

沉积物或其它地质体（如花岗岩或火山岩等），它们与其成生的构造环境之间的对应关系是极其复杂的，不是少数几个地球化学指标就能表达的。实际运用J.A.Pearce和E.D.Mullen等的二元或三元图解进行地质体的构造环境判别往往出现不唯一性或矛盾性，便是这种错综复杂关系的体现。多变量、多对象综合的对应分析，一方面可以更客观地反映了地质体与其成生环境之间的有机联系，另一方面也避免了具体分析中的矛盾和不唯一性。对应分析是在R型和Q型因子分析基础上发展起来的一种多元统计方法。它将具有错综复杂关系的大量的因子或变量通过降维方法归结为数量较少的几个综合因子（又称主因子），并以此去提取研究对象和变量及其相互关系信息，揭示研究对象在成因或空间关系上的联系。经与典型构造环境岩石样品数据对应分析以确定沉积物构造环境的尝试，其结果表明对应分析方法是一种比较好的构造环境分析方法。用SiO₂等主要氧化物及其比值（表2-3a、b、c）所作的对应分析，可以将大陆岛弧环境、大洋岛弧环境、被动大陆边缘环境等典型构造环境比较清楚地区分开来。以主要氧化物及其比值作为变量的主因子F1两端分别是岛弧环境和被动大陆边缘环境，丹凤群杂砂岩被典型大陆岛弧环境杂砂岩样品簇团围限。二郎坪群杂砂岩和宽坪群杂砂岩远离典型洋岛环境的杂砂岩和典型被动大陆边缘杂砂岩簇团，而与典型活动大陆边缘环境杂砂岩样品簇团比较接近，表明二郎坪群和宽坪群沉积应类似于活动大陆边缘又非岛弧的沉积环境——即弧后盆地环境（图2-12）。

表2-3a　典型环境及二郎坪群等碎屑岩主要氧化物数据

注：①1、5、9大洋岛弧；4、8、12-被动大陆边缘；2、6、10-大陆岛弧；2、7、11-活动大陆边缘；13-二郎坪（平均）；14-丹凤（平均；）15、16-宽坪（平均、随机）。

②资料来源：1～4-Bhatia,Crooll eeal;5～12-Mukul,R.B.Bhatia。

表2-3b

表2-3c

图2-12　典型环境及二郎坪群等碎屑岩主要氧化物对应分析

1、5、9-大洋岛弧；4、8、12-被动大陆边缘；2、6、1O—大陆岛弧；3、7、11-活动大陆边缘；13-二郎坪（平均）；14-丹凤（平均）；15、16-宽坪（平均、随机）。

资料来源：1～4-Bhatia,Crooll;5～12-Mukul、R.B.Bhatia

4.碎屑物源分析

沉积盆地中陆源碎屑岩，特别是砂、泥质沉积岩，是源区岩石风化、剥蚀、搬运在沉积盆地经自然混合形成的沉积产物。许多研究者认为，陆源细碎屑沉积岩（主要是杂砂岩）的成分受物源区岩石成分和大地构造环境制约，砂泥质岩石的化学组成可以作为追溯源区及其大地构造环境的途径（Taylor和Mclennan,1985;Bhatia,1983;Bhatia和Crook,1986;Roser和Korson,1986）。近年来，不少研究人员提出了利用同位素比值或含量为参数研究岩浆岩源区性质的二元或三元混合模式方程。高山等将这种方法应用于北秦岭地层沉积岩的研究，在应用La/Co-Sc/Th混合曲线讨论沉积物物质来源的基础上分析了沉积盆地的大地构造性质。

本文进一步研究了北秦岭地层沉积岩的物质来源状况，取得了与高山等1989年的研究基本一致的结论。此外，本研究还发现变碎屑岩中Cr、Ti等元素也能近似定量地反映源区特征，Cr/Co-Ti/Cr图解也能反映秦岭群和宽坪群等地层碎屑物多元混合特征（图2-13，图2-14），根据区域各地层、碎屑岩平均成分Cr/Co和Ti/Cr比值（表2-4）及其在Cr/Co-Ti/Cr图解（图2-15）中的相对位置可以确定可能的物源区及大地构造环境的限制。

图2-13　秦岭群变碎屑岩Ti/Cr-Cr/Co图解

秦岭群杂砂岩的Cr/Co和Ti/Cr比值分别为6.02和47.97（表2-4）。区域上可能为其提供物源的地层，只可能是形成时代在秦岭群之前的老地层，即可能是华北地台的太华群、登封群和扬子地台的崆岭群等地层。从秦岭群杂砂岩与太华等岩群平均含量在Cr/Co-Ti/Cr图上的相互关系（图2-15）可以明显看出：太华、登封二群地层是秦岭岩群不可缺少的一端元成分来源；若将崆岭群作为另一端元成分与太华、登封群的混合显然无法解释秦岭群杂砂岩所含有的高Cr/Co比值。秦岭群杂砂岩中高Cr/Co比值，唯有用具有高Cr/Co比值和低Ti/Cr比值的登封群变闪长岩的风化产物或其南部消失了的构造带提供物源参与了混合才能作出合理的解释。变闪长岩是否足以作为独立的物源、南部消失了的构造带是否曾经存在，还有待进一步研究。张国伟等曾根据原岩建造特征提出，秦岭群古元古代岩系应是一陆壳上的裂陷槽型不稳定沉积，并认为它反映晚太古宙时期形成的南、北初始统一克拉通开始分裂。秦岭群主要由太华群和登封群作为其物源，而崆岭群不能成为其物质来源的事实，说明这种陆壳基础应当是华北台或其边缘型的。宽坪群杂岩体的Cr/Co和Ti/Cr比值分别为3.48和58.00（表2-4）。仅从Cr、Co等微量元素含量和比值以及在Cr/Co-Ti/Cr图（图2-15）上的关系考虑，可能提供物质来源的地层有太华、登封和熊耳等华北台北缘地层和秦岭群，甚至包括扬子台的崆岭群。但前面的分析表明扬子台崆岭群没给秦岭群沉积岩提供物源，可见二者之间存有一定的距离，而宽坪群杂砂岩为成熟度不高的岩石其物源区不可能太远，因此为宽坪群杂砂岩提供物源的只能是华北台北缘地层和秦岭群。宽坪群沉积物，由华北克拉通南缘地层和秦岭群为其提供物源表明宽坪群沉积时南侧受秦岭群围限，而且仅受秦岭群围限，此时的秦岭群作为岛链存在，宽坪群沉积盆地为华北克拉通南部边缘海盆性质。二郎坪群碎屑岩亦为多源混合物源（图2-16）。二郎坪群的Cr/Co和Ti/Cr比值分别为4.6和59.1（图2-15）。除秦岭和宽坪群等地层外，具备Cr/Co＞4.6、Ti/Cr＜59.1而可能作为二郎坪另一端元成分的仅有丹风群和崆岭群。从二郎坪群与丹凤群和崆岭群的地理关系上分析，似丹凤群更有可能作为二郎坪群的主要物源，从而丹凤群的时代有可能提早，至少应与二郎坪群同时代形成。张宗清（1992）的同位素资料也表明丹凤群与二郎坪群形成于同一时代。丹风群为其同时代的二郎坪群提供部分物源说明二者之间的构造环境上的关系应该是隆起与盆地的关系，或者说是同时代的弧与弧后盆地的关系。

图2-14　宽坪群变碎屑岩Ti/Cr-Cr/Co图解

图2-15　华北—扬子两陆块地层Ti/Cr-Cr/Co图解

表2-4

综合上述碎屑岩特征分析，显然，北秦岭地层沉积盆地的构造环境应当分别为：秦岭群形成于被动大陆边缘，即边缘裂谷型环境；宽坪群形成于活动大陆边缘背景上的隆起裂开环境，属华北克拉通南部边缘海盆性质；丹凤群和二郎坪群分别形成于活动大陆边缘的岛弧和弧后盆地环境。

图2-16　二郎坪群碎屑岩Sc/Th-La/Co图解

（引自高山，1988）

点为样品投影点

（二）华北克拉通南缘中、新元古代—早古生代沉积环境

1.碎屑岩构造环境的SiO₂-K₂O/Na₂O判别

华北克拉通南缘中晚元古代地层有官道口群和栾川群等，其岩性为碎屑岩－碳酸盐岩建造。其中碎屑岩主要为石英砂岩，砂岩的SiO₂含量为72.57%—97.66%，平均80.93%，反映成熟度很高。在K2O/Na2O－SiO₂图解上，砂岩样品点大都落在远离ACM区的PM（被动边缘）区内（图2-17），说明中—新元古代沉积物主要来自稳定的大陆地区，并沉积在远离活动大陆边缘的位置。华北克拉通南缘早古生代缺少志留系，仅有寒武系和奥陶系，沉积地层为泥砂质和碳酸盐岩建造。在SiO₂-K2O/Na2O图解（图2-16）中，砂泥质岩样品亦落在PM区，距ACM甚远，表明碎屑沉积物也来自稳定的大陆。因此，碎屑岩的SiO₂和K2O/Na2O比值特征反映华北克拉通南缘中、新元古—早古生代时期为稳定克拉通陆表海沉积环境。

图2-17　华北克拉通南缘元古宙—早古生代砂岩SiO₂-K2O/Na2O图解

（引自张本仁，1985）

2.碎屑岩构造环境的REE判别

本区中、新元古代—早古生代碎屑岩组成特征稳定，均具较高的∑REE（106×10^-6-283×10^-6），显示出大体上相同的稀土元素组成模式，REE组成模式曲线互相平行，曲线斜率相近，均具有明显的负Eu异常（Eu/Eu^*=0.60-0.75）（图2-18，表2-2）。与M.R.Bhatia（1986）提出的典型构造环境碎屑岩稀土元素标志相比较，本区中元古代碎屑岩的∑REE、（La/Yb）N和Eu/Eu^*等稀土元素特征值与被动大陆边缘十分接近（表2-1C，表2-2），表明华北克拉通南部地区中元古代时期为类似被动大陆边缘稳定区构造环境。

图2-18　华北克拉通南缘中、新元古—早生代沉积岩REE组成模式

1-中元古代碎屑岩；2-新元古代碎屑岩；3-寒武纪碎屑岩