当前位置: 手机论文网>工学论文>矿业工程>

诸城盆地早白垩世砂岩主量元素地球化学特征及其对物源区构造环境

阅读技巧m.Lw54.com 手机论文网

  摘 要:诸城盆地作为早白垩世伸展盆地,与其东南侧胶南造山带之间的耦合关系一直以来仍缺少相关研究。基于野外地质考察、砂岩碎屑组分统计及主量元素特征分析,探讨了早白垩世诸城盆地的物源方向、莱阳群砂岩的地球化学组成、物源区风化特征及大地构造背景。结果表明:诸城盆地莱阳群砂岩地球化学类型主要为铁砂岩和杂砂岩,其源岩具有长英质火成岩或中性岩特点;砂岩的化学蚀变指数(45~58)、化学风化指数(47~69)、斜长石蚀变指数(58~73)和化学组分变化指数(0.86~1.02)体现了源区风化作用很弱的特征;Dickinson分类图解及古流向指示砂岩源区主要为盆地东南侧的胶南造山带,砂岩的地球化学组成、风化特征等共同说明早白垩世时期胶南造山带经历了快速隆升事件;结合前人关于该地区岩浆岩地球化学特征,胶南造山带的本次快速隆升是岩石圈减薄作用的结果,因而诸城盆地的快速沉降与胶南造山带的隆升是相互耦合的。上述结果一方面从地球化学角度证实了胶南造山带早白垩世时期经历了快速隆升事件,另一方面也说明了诸城盆地原型是伸展断陷盆地,二者均是华北东部岩石圈减薄作用的产物。
  关键词:莱阳群;早白垩世;岩石地球化学;岩石圈减薄;盆山耦合;盆地原型;风化指数;诸城盆地
  中图分类号:P588.21+2.3;P595 文献标志码:A
  文章编号:1672-6561(2016)05-0587-14
  Abstract: The coupling relationship between Zhucheng Basin as Early Cretaceous extensional basin and Jiaonan orogenic belt is still lack of relevant research. Based on the field geology observations, sandstone detrital component statistics and the analysis of major element characteristics, the provenance of Zhucheng Basin in Early Cretaceous, the geochemical composition of sandstone from Laiyang Group, the weathering characteristics of provenance and the tectonic background were discussed. The results show that the geochemical types of sandstone in Laiyang Group of Zhucheng Basin are mainly iron sandstone and greywacke, and the source rocks have the characteristics of felsic igneous rock or intermediate rock; the chemical index of alteration(45-58), chemical index of weathering(47-69), plagioclase index of alteration(58-73) and index of compositional variability(0.86-1.02) reflect the relative weak weathering in provenance; Dickinson classification diagrams and the paleocurrent direction indicate that the provenance of sandstone is mainly Jiaonan orogenic belt at the southeastern side of Zhucheng Basin, and the geochemical composition and weathering characteristics of sandstone suggest that Jiaonan orogenic belt experiences rapid uplift event during Early Cretaceous; combined with the previous research on the geochemical characteristics of magma rock, the rapid uplift of Jiaonan orogenic belt results from the lithosphere thinning, so the rapid subsidence of Zhucheng Basin and the uplift of Jiaonan orogenic belt are coupled with each other. From the view of geochemistry, the above-mentioned results confirm that Jiaonan orogenic belt experiences a rapid uplift event during Early Cretaceous; on the other hand, it also illustrates that the prototype of Zhucheng Basin is an extensional fault basin, and both of them are the produce of lithosphere thinning in the eastern North China.  Key words: Laiyang Group; Early Cretaceous; petrogeochemistry; lithospheric thinning; basin-mountain coupling; basin prototype; weathering index; Zhucheng Basin
  0 引 言
  盆地和造山带是大陆岩石圈表面的两个基本构造单元,二者在空间上相互依存,在物质上相互转换,在地表形态上相互调整与均衡,具有密切的耦合关系[1]。前人常通过研究造山带前缘发育的盆地来揭示造山带源区特征、演化历史[2],如合肥盆地与大别造山带[3-5]的相关研究。苏鲁造山带发育于郯—庐断裂带东侧,通常被认为是大别造山带的东延[6],其北缘发育了胶莱盆地,为全面认识造山带的隆升与演化过程提供了一个新的窗口[7-8]。
  诸城盆地发育于胶莱盆地的南端,是胶莱盆地的一个次级构造单元[9]。作为早白垩世的重要盆地,该盆地目前存在如下认知问题:①盆地的原型仍存在争议;②同为早白垩世凹陷,诸城盆地为什么存在比胶莱盆地中高密凹陷、莱阳凹陷厚得多的莱阳群沉积层(图1)?③诸城盆地与其东南侧的胶南造山带是否存在耦合关系?
  砂岩的物质组分记录着物源区的信息,因而受到广泛关注。近年来,利用砂岩岩石地球化学特征判别岩石形成时的大地构造背景、盆地的物源及沉积构造背景等方面取得了很多成果[10-13],为认识盆地及源区的性质与演化提供了新的视角。本文主要选取诸城盆地下白垩统莱阳群样品进行砂岩主量元素地球化学研究,结合砂岩组分特征深入探讨诸城盆地砂岩的物源属性、源区古风化与古气候条件,同时揭示胶南造山带抬升与诸城盆地沉降的耦合关系及区域构造意义。
  1 区域地质概况
  诸城盆地位于胶南造山带西侧,具有不对称的箕状结构,NE—SW向延伸的压扭性断层多发育于盆地与变质核杂岩下盘在地表的接合部,与造山带近平行。该组断层切割了诸城盆地早白垩世盆地,是晚白垩世区域挤压作用的结果。另有一组NE—SW向延伸的正断层伴随早白垩世侵入的闪长玢岩发育(图2)。
  盆地的沉积中心呈NE—SW向分布,与苏鲁造山带平行。出露的盆地基底主要为元古代花岗岩(图1)。莱阳群在盆地中普遍发育,与基底的元古代花岗岩为沉积接触关系,厚度最大可达6 000 m;莱阳群主要为一套河流-湖泊相沉积,发育粒序层理、韵律层理及槽状交错层理等,岩性以灰色砂岩为主,并含少量页岩及砾岩(图3),局部夹火山岩。莱阳群(图2)从下到上可划分为林山寺组(Kll)、止凤庄组(Klz)、杨家庄组(Kly)、龙旺庄组(Kllw)、曲格庄组(Klq)和法家莹组(Klf),沉积年代为120~135 Ma[14-15]。
  青山群为一套火山沉积岩,厚度分布很不均匀,最厚可达3 000 m(图2),主要发育八亩地组(Kqb),为一套安山质火山喷发岩,角度不整合覆盖于倾斜的莱阳群之上(图2)。王氏群在凹陷中分布局限,厚度较薄。
  2 样品采集与物质组分特征
  2.1 地层特征
  野外考察选取山东省五莲县城—中至镇地质剖面,野外露头良好,从下向上发育林山寺组、龙旺庄组、曲格庄组与法家莹组(图2)。林山寺组主要为一套冲积扇相的块状角砾岩及含砾粗砂岩沉积,覆盖于胶南造山带元古代花岗片麻岩之上。龙旺庄组底部为一套灰紫色中粒长石砂岩、细砂岩、粉砂岩夹含砾粗砂岩,向上发育薄层粉、细砂岩及页岩。曲格庄组主要发育一套黄绿色薄层细砂岩、粉砂岩及页岩。法家莹组发育黄绿色含砾砂岩、中粒长石砂岩、粉砂岩及泥灰岩。根据地层发育的砾岩排列方式及地层产状,古流向总体表现为NW向[图2(b)],显示盆地的物源主要来自于东南侧。
  2.2 样品采集与物质组分统计
  从盆地基底向西至青山群火山岩,样品采集的分布较均匀(图2)。砂岩的物质组分统计在薄片下进行,每个薄片大约统计550个颗粒(粒径介于60~400 μm),颗粒被分成石英、长石和岩屑,其他则当成混杂物不进行统计。单晶组分按单个矿物统计,多晶组分按岩屑统计。岩屑组分主要统计颗粒粒径小于50 μm的隐晶质微晶物质,而粒径大于50 μm的即使其明显由岩屑组成,但仍按矿物颗粒统计[3,12] 。统计结果见表1。
  颗粒的大小影响着沉积岩石地球化学特征[19],因而砂岩地球化学分析样品的选取以标本及薄片观察为基础,挑选了12个颗粒均匀的中、细粒砂岩作为分析测试对象(表1)。
  3 分析方法
  砂岩岩石主量元素分析使用荷兰Philips公司生产的PW2404型X 射线荧光光谱仪(XRF)测定,精度优于5%,试验在中国地质大学(北京)地质过程与与矿产资源国家重点实验室完成,分析结果见表2。数据处理时,去除烧失量,重新计算各主量元素含量。CaO含量(质量分数,下同)超过5%的样品有明显钙质胶结,需要对CaO含量进行特别处理。通常硅酸盐中CaO与Na2O含量最高为1∶1[20],根据这样的原则对数据进行重新处理。经过处理后的数据近似为砂岩的真实含量(表2)。
  4 结果分析与讨论
  4.1 主量元素地球化学特征
  4.1.1 化学成分特征及对比
  (1)龙旺庄组与曲格庄组的对比。
  数据分为龙旺庄组、曲格庄组及法家莹组,但法家莹组只有一个样品,不具有代表性。前两组样品都是经过精心挑选的,且有3个以上样品,其测试结果具有较高的科学价值。
  龙旺庄组与曲格庄组相比(表2),除CaO之外,前者仅有SiO2含量(均值72.87%)高于后者(均值70.26%),其余主量元素含量均小于后者。龙旺庄组Al2O3含量介于11.83%~12.48%,均值为12.11%;K2O含量介于1.94%~2.63%,均值为2.16%;Na2O含量介于2.88%~4.55%,均值为3.56%;w(Fe2OT3)+w(MgO)均值为3.74%;TiO2含量介于0.37%~0.56%,均值为0.46%。曲格庄组Al2O3含量介于12.02%~16.17%,均值为13.93%;K2O含量介于1.81%~3.48%,均值为2.47%;Na2O含量介于2.52%~6.27%,均值为4.34%;w(Fe2OT3)+w(MgO)均值为5.84%。  龙旺庄组与曲格庄组的主量元素组成对比表明,曲格庄组沉积时物源区经历了更充分的风化作用[23],如具有更高的w(K2O)/w(Na2O)值及更低的w(SiO2)/w(Al2O3)值(表2)。另外,曲格庄组沉积物中Fe、Mg含量更高,表明此时物源区的Fe、Mg含量增加。
  曲格庄组、龙旺庄组砂岩与大陆上地壳平均化学组成相比,除Na2O含量高于大陆上地壳外,其余均表现为低于或接近后者。将龙旺庄组与曲格庄组主量元素数据与前人研究的洋岛砂岩、大陆岛弧砂岩、活动大陆边缘砂岩、被动大陆边缘砂岩的平均化学组成[19]相比(表2),位于莱阳群下部的龙旺庄组砂岩各项指标与活动大陆边缘砂岩相似,而上部的曲格庄组各项指标与大陆岛弧相似。
  (2)莱阳群与元古代侵入岩的对比。诸城盆地东南侧为苏鲁造山带,将莱阳群砂岩与造山带中现今出露的元古宙花岗岩主量元素化学组成进行对比,莱阳群砂岩中TiO2、Fe2OT3、MnO、MgO含量明显高于元古代花岗岩,SiO2、K2O含量低于元古代花岗岩,其他相似。
  (3)诸城盆地与莱阳凹陷的对比。
  将诸城盆地与莱阳凹陷莱阳群各主量元素含量进行对比,莱阳凹陷各主量元素含量与诸城盆地曲格庄组非常接近,但与整个诸城盆地的莱阳群相比却存在较大差异,主要表现为:诸城盆地SiO2含量(71.57%)、CaO含量(3.96%)明显高于莱阳凹陷(含量分别为69.37%、0.56%);诸城盆地Fe2OT3含量(3.48%)、Al2O3含量(13.27%)明显低于莱阳凹陷(含量分别为4.34%、14.24%)。
  (4)砂岩化学成分的影响因素。
  实践证明,砂岩石英颗粒、长石碎屑及不稳定岩屑之间存在一定的相关性,同时砂岩中各种元素之间也存在一定的关系[19]。基于此,本文分别对龙旺庄组和曲格庄组砂岩样品主量元素地球化学数据进行了相关性研究,结果见表3、4。
  研究区内各组砂岩Si含量与Ti、Fe、Mn、Mg、P含量呈明显负相关性,一方面表明砂岩中石英及硅酸盐矿物颗粒很大程度上影响了全岩的化学性质,另一方面表明龙旺庄组与曲格庄组源区砂岩物质成分的相似性。但是,Si与Al含量的相关性在龙旺庄组(相关系数为0.949)和曲格庄组(-0.791)表现不同,一方面说明砂岩源区存在风化作用的差异,另一方面也说明石英与富铝质黏土矿物含量对砂岩地球化学特征存在一定的影响[23]。Fe含量与Mg、Mn、Ti、P含量呈明显正相关性,反映了源区铁镁质砂岩组分中主量元素的构成。TiO2与Al2O3含量的相关性在龙旺庄组(相关系数为-0.410,化学蚀变指数(CIA)为47)与曲格庄组(相关系数为0.875,CIA值为50)表现相反(表3~5),一方面表明源区砂岩存在风化作用的差异,另一方面表明风化作用可以改变TiO2在铝硅酸盐中的聚集程度,当风化作用强时,TiO2可以在铝硅酸盐中富集[23]。
  龙旺庄组与曲格庄组中Na2O与其他主量元素含量相关系数存在明显差异。龙旺庄组Na2O含量与SiO2、Al2O3、CaO含量呈明显正相关性,与其他元素含量呈较弱负相关性; 而曲格庄组Na2O含量与TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO含量呈明显正相关性,而与SiO2等其他元素含量呈较弱负相关性(表3、4)。与之形成对比的是,K2O与各主量元素含量相关性很差。这些特征说明了斜长石矿物碎屑对砂岩中化学成分含量的影响[23]。
  4.1.2 砂岩类型
  砂岩地球化学类型通常根据主量元素的氧化物含量来划分:w(SiO2)/w(Al2O3)值可以将富Si的石英砂屑岩从富Al的泥岩中区别出来[23],也可以用来反映石英、黏土矿物以及长石类矿物成分的富集[24];w(Fe2O3)/w(K2O)值可以将岩屑砂岩从长石类砂岩(长石砂岩和次长石砂岩)中区别出来,同时也可以指示砂岩在风化过程中铁镁质矿物的稳定程度[23]。根据这些比值,前人建立了砂岩地球化学分类图解(图4)[23]。
  龙旺庄组与曲格庄组w(SiO2)/w(Al2O3)值分别为6.02与5.04,总体反映了龙旺庄组的风化作用弱于曲格庄组;w(Fe2O3)/w(K2O)值分别为1.21与1.76,反映了曲格庄组富含更多的铁质组分。将龙旺庄组与曲格庄组的样品进行主量元素地球化学分类图解,多数样品落入铁砂岩中,部分样品落入岩屑砂岩。上述结果总体反映了诸城盆地砂岩未经历强烈的风化作用,且具有近源沉积或较快的成岩过程,同时源区可能存在较多的镁铁质组分。
  4.1.3 砂岩化学蚀变及源区古风化作用
  岩石在风化、沉积及固结成岩过程中,母岩中的不稳定元素氧化物(如CaO、Na2O、K2O、MgO等)含量及相对稳定的氧化物(如Al2O3、ZrO2、TiO2等)含量会产生明显的变化[24]。前人根据主量元素氧化物含量,引入了一系列指标用来研究砂岩的化学蚀变及古风化特征。常用的指标有CIA(化学蚀变指数)、CIW(化学风化指数)、PIA(斜长石蚀变指数)及ICV(化学组分变化指数)等(表5)。
  对比各项指标,龙旺庄组与曲格庄组有相近之处,但也存在一定差别。二者的化学组分变化指数分别为0.99和1.01,均接近于1.0,没有明显区别。 一般认为,经历了强烈风化作用的第一次旋回沉积物由于在黏土中停留的时间较长,可能被进一步风化而使得化学组分变化指数趋向于小于1。当化学组分变化指数大于1时,砂岩很可能是第一次旋回的沉积物,而化学组分变化指数小于1时,砂岩很可能是再旋回的沉积物或经过强烈风化作用的第一次旋回沉积物[24]。龙旺庄组3块样品的化学组分变化指数介于0.95~1.02之间,说明源区没有经过强烈的风化作用;曲格庄组化学组分变化指数介于0.86~1.30之间,表明曲格庄组沉积时源区的风化程度存在较大变化,即有时较强,而有时很微弱。

  其他各项指标的对比,龙旺庄组均小于曲格庄组,如前者化学蚀变指数(均值47)、化学风化指数(均值51)分别小于后者的50、56。一般认为,当化学蚀变指数介于45~55之间时,预示着源区基本没有风化作用(上地壳化学蚀变指数平均值为47),当化学蚀变指数为100时,预示着强烈的风化作用及碱土金属(如Ca、Mg、Sr等)的完全流失[27]。由此可见,龙旺庄组与曲格庄组源区的风化作用很弱,但后者风化作用仍要强于前者,这一点也体现在斜长石蚀变指数上,如曲格庄组斜长石蚀变指数均值为64,高于龙旺庄组的60。上述数据也表明诸城盆地沉积岩源区存在强烈的抬升,在盆地形成前期,龙旺庄组沉积时物源区的抬升比曲格庄组沉积时更快,导致源区岩石的化学蚀变指数与上地壳的均值相同,即源区无明显的风化作用。
  源区的风化强弱及风化趋势还可以通过A-CN-K、A-CNK-FM图解来表示(图5)[20]。上述两个图解的区别在于是否考虑镁铁质成分。一般认为,岩石在风化过程中,长石类矿物及碱性铝硅酸盐矿物向黏土类矿物转化,不稳定的氧化物(如CaO、Na2O及K2O)易流失,而稳定的氧化物(如Al2O3)则相对增加[12,24]。因而,如果岩石没有受到钾化作用,岩石的风化趋势将会平行于A-CN-K三角形的A-CN边向高岭石、伊利石或白云母等方向发展(图5)。
  将所有样品分别投入A-CN-K、A-CNK-FM图解(图5)。在A-CN-K图解中,所有样品点更接近于斜长石,远离钾长石,且多数在斜长石-钾长石连线附近或以下,一方面表明样品中斜长石含量高于钾长石,另一方面表明岩石中的长石类矿物风化作用很弱[20](化学蚀变指数大多小于50%)。岩石的风化趋势总体向伊利石方向[图5(a)虚线所示]且平行于A-CN边,说明岩石没有发生过钾的交代作用。岩石的投影点接近于花岗闪长岩和安山岩,这和样品地球化学分类所获得的铁砂岩相吻合。如果考虑镁铁质成分,将样品投入A-CNK-FM图解[图5(b)]中,相对于A-CN-K图解的投影,样品落点相对分散,这与不同样品所含的镁铁质成分不同有关。但样品落点总体仍靠近花岗闪长岩,且在钾长石-FM线附近,表明岩石未经历明显的风化作用,这与A-CN-K图解、化学蚀变指数所得的结果相一致。
  4.2 盆地构造背景和物源区分析
  4.2.1 物源区大地构造背景判别
  表生条件下沉积物中化学元素的迁移受控于多种因素,其中以构造环境和物源特征最为重要[19,28]。对于碎屑沉积岩,其源区的构造环境是否稳定不仅控制沉积物的来源,也决定了化学元素从风化剥蚀到固结成岩期间在地表的相对停留时间,进而决定了化学元素的分馏程度,并在沉积岩石中留下不同的地球化学特征[12,29]。基于这样的理论,分析与解读保存在碎屑岩中的地球化学特征目前已成为判别物源区大地构造背景和碎屑物质来源的有效途径[10,13]。
  砂岩主量元素K2O/Na2O-SiO2判别图解主要依据w(SiO2)与w(K2O)/w(Na2O)的相关性来进行大地构造背景的判别。由于活动大陆边缘与大陆岛弧构造环境中SiO2、K2O、Na2O含量比较接近,因而该图解未列出大陆岛弧[30]。根据该图解,诸城盆地龙旺庄组与曲格庄组砂岩样品投影点集中于活动大陆边缘物源区,远离被动大陆边缘与大洋岛弧[图6(a)]。
  Roser等根据已知构造背景多种碎屑岩的岩石地球化学特征,建立了多变量判别方程,区分出4种不同的大地构造背景[30]。利用这种方法建立判别方程,诸城盆地莱阳群砂岩样品大多落入大陆岛弧物源区[图6(b)]。
  从图6(c)、(d)可以看出,龙旺庄组及曲格庄组样品大部分位于活动大陆边缘和大陆岛弧物源区。从沉积序列上看,由龙旺庄组向曲格庄组,呈现出由活动大陆边缘向大陆岛弧物源区变化的趋势[图6(c)、(d)]。将龙旺庄组、曲格庄组分别与活动大陆边缘、大陆岛弧岩石中主量元素氧化物含量进行对比,其结果也反映了与图解类似的变化规律(表2)。
  综上所述,尽管所得的结果有一定的差异,但总体均反映了诸城盆地莱阳群沉积岩的物源区具有活动大陆边缘和大陆岛弧的性质。一般认为,活动大陆边缘以隆起的基底作为剥蚀源区,大陆岛弧以切割的岩浆弧作为源区[19]。诸城盆地沉积岩物源区的这种性质说明莱阳群沉积期盆地的物源区遭受了强烈抬升,在隆起的基底遭受剥蚀之后,原先处于深部、侵位于基底的岩浆弧开始遭受剥蚀。这一点与砂岩化学蚀变及源区古风化作用所得结果相吻合。
  4.2.2 碎屑物来源
  基于Ti、Al、Mg、Ca、Na和K元素的氧化物而设立的F1-F2判别图解可以有效区分铁镁质、中性或长英质火成岩和石英类沉积岩(图7),因而得到广泛应用[10,31]。将诸城盆地莱阳群砂岩样品首先进行相关性分析,之后建立判别方程,并进行投点(图7)。结果显示,大多数样品落入长英质火成岩源区,少数样品落入中性岩源区。尽管砂岩样品的来源被分成两个源区,但样品点的分布非常集中,均靠近中性岩源区,表明了诸城盆地莱阳群源区主要以中酸性火成岩为主,这与砂岩主量元素地球化学分类图解(图4)所得出的砂岩主要为铁砂岩和岩屑砂岩结果相一致,也与A-CN-K图解(图5)所获得的砂岩富含斜长石的特征相吻合。
  Dickinson等提出的QFL和QmFLt三角图解也可以有效用来判别碎屑物的来源[31]。基于30余个薄片的镜下鉴定与组分统计(表1),在QFL和QmFLt图解中,大部分样品投于再旋回造山带,部分投于切割的岩浆弧与隆升的基底(图8)。众所周知,切割的岩浆弧反映了源区具有大陆岛弧的构造背景,隆升的基底反映的是活动大陆边缘构造背景。这与根据岩石地球化学特征所得出的源区构造环境相一致。再旋回造山带源区在岩石地球化学分类图解中未提及,这主要是由于再旋回造山带具有多种构造环境复合的特点,如造山带可能含有隆升基底的变质岩,也可能被岩浆侵入等,因而再旋回造山带源区提供的物源包括多晶石英、变质岩屑、火成岩屑和沉积岩屑等[31]。
出处:地球科学与环境学报作者:倪金龙 张红 唐小玲 史晓晓 孙煜杰 韩帅 转载请注明来源。原文地址:http://m.lw54.com/20161113/6477938.html