Question

利用碎屑岩的化学成分恢复物源区构造背景

Answer 1

一、恢复原理及方法

碎屑岩的化学成分与碎屑矿物构成之间存在着一定的关系，在不同的构造环境下具有不同的特征，据此来判定物源区的性质和构造背景(徐亚军等，2007)。利用沉积岩的化学成分恢复物源区构造背景的方法包括:①常量元素，主要利用K₂O、Na₂O、SiO₂、CaO、Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO等相关判别图来区别被动大陆边缘、主动大陆边缘和大洋岛弧、大陆岛弧物源区;②微量元素，利用Th、Sc、Zr、Co和La等元素判别图来区别被动大陆边缘、主动大陆边缘和大洋岛弧、大陆岛弧物源区;③稀土元素，主要利用轻稀土元素(La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu)和重稀土元素(Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Y)的特征及其分布模式图，区别物源区构造背景。

二、利用常量元素恢复物源区构造背景

Bhatia et al.(1983，1986)和Roser et al.(1986)通过对砂岩和砂泥质岩的研究，提出用一系列常量元素和微量元素地球化学端元图来鉴别被动大陆边缘、活动大陆边缘、大洋岛弧和大陆岛弧等构造背景。Bhatia et al.(1983)根据已确定构造背景的澳大利亚东部古生代杂砂岩以及已发表的现代和古代砂的化学成分分析，证实了砂岩的化学成分特征受控于板块构造环境，可以追溯盆地和物源区的大地构造性质。Bhatia et al.(1983)认为砂岩的主要化学元素成分判别参数中，Fe₂O³⁺MgO、TiO₂、Al₂O₃/SiO₂、K₂O/Na₂O和Al₂O₃/(CaO+Na₂O)最具判别意义。在板块构造环境从大洋岛弧向大陆岛弧、活动陆缘到被动陆缘的变化过程中，随着Fe₂O₃+MgO的减小，TiO₂和Al₂O₃/SiO₂值减小，而K₂O/Na₂O和Al₂O₃/(CaO+Na₂O)值增大(图16－6)。

图16－6 常量元素构造环境判别图(Bhatia et al.，1983)

三、利用微量元素恢复物源区构造背景

微量元素中的Th、Sc、Zr、Co和La等元素对源区特征的分析很有价值，因为它们最难溶，相对稳定，不受搬运过程和沉积过程的影响，即具有非迁移性，而且这些元素仅随陆源碎屑沉积物搬运，故能反映源区的地球化学性质，依据Bhatia et al.(1986)的微量元素构造环境判别图(图16－7)，可以作为判读物源区构造背景的依据。

图16－7 Th-Co-Zr，Th-Sc-Zr，La-Th-Sc微量元素构造环境判别图(Bhatiaetal.，1986)

四、利用稀土元素恢复物源区构造背景

1.稀土元素分类

稀土元素(Rare Earth Element，简称REE)指元素周期表上15个镧系元素(原子序数57～71)，元素Sc、Y因其性质相似也常被视为稀土元素。除钪(Sc)以外的16种稀土元素，据其物理、化学、地球化学和矿物化学性质可分为2组:

轻稀土元素(LREE):镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)。

重稀土元素(HREE):钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)、钇(Y)。

2.恢复原理及方法

稀土元素稳定性强，在沉积岩中其含量随岩石类型不同而不同。一般在泥质岩中∑REE值最高，达(200～300)×10－6;碳酸盐岩中∑REE值最低，多小于100×10－6;砂岩中∑REE值则介于前两者之间。不同类型沉积岩稀土元素配分形式不同，泥质岩与砂岩一般轻稀土相对富集、Eu中度亏损，而碳酸盐岩重稀土相对富集、Ce明显亏损。稀土元素在风化、搬运、沉积及成岩时组成变化较小，所携物源区源岩信息一般不会丢失，因此被视为重要的物源示踪物(刘宁等，2009)。

Muleuletal.(1985)通过对澳大利亚古生代杂砂岩和泥岩的稀土元素地球化学特征的研究，总结了不同大地构造背景下沉积盆地中杂砂岩的稀土元素特征(表16－2)及其分布模式图(图16－8)。Muleul et al.(1985)用四种参数来表征岩石中稀土元素的丰度，分别为∑REE、∑LREE/∑HREE、La/Yb和Eu/Eu*。∑REE表示所有稀土元素(La-Yb)的总和;∑LREE/∑HREE表示轻稀土元素(La-Sm)的和与重稀土元素(Gd-Yb)的和的比值;La/Yb反映轻稀土元素比重稀土元素的富集程度，当其数据经球粒陨石标准化后，该比值表达为LaN/YbN;Eu/Eu*为标准化后的实测值与从标准化模式曲线上用内插法所获得值之比，其计算公式如下:

岩石学

表16－2 不同大地构造背景的沉积盆地中的杂砂岩稀土元素特征

图16－8 不同大地构造背景下杂砂岩的稀土分布模式图

结果显示，大洋岛弧型杂砂岩以稀土元素丰度低、La_N/Yb_N低比值(平均La8×10^－6，Ce19×10^－6;∑REE58×10^－6，La_N/Yb_N28)以及球粒陨石标准化模式曲线平滑无Eu异常(平均Eu/Eu^*1.0)为特征。来源于拉斑玄武岛弧火山的沉积物的稀土丰度更低(特征是LREE)。在PAAS标准化模式图上，这些沉积物以LREE高亏损和出现Eu正异常(图16－8)而与其他沉积类型区别。在某些非造山带也出现类似的稀土模式，但厚度巨大的浊积岩序列一般不出现在这些地带。大陆岛弧和发育于薄壳大陆边缘的岛弧的杂砂岩变化大，但它们的高LREE(平均La27×10^－6，Ce59×10^－6;∑REE146×10^－6)、高La_N/Yb_N比值和较小的Eu负异常(平均Eu/Eu^*0.79±0.13)的特征可与大洋岛弧相区别，大陆岛弧的特点是霏细火山物质比值增加、典型沉积岩的LREE稍有减少并在PAAS模式图上出现Eu的正异常。