張家界三岔地區(qū)五強(qiáng)溪組巖石地球化學(xué)與構(gòu)造背景探討

梁恩云， 彭能立， 劉耀榮， 劉庚寅， 彭云益， 曹解華

(湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長(zhǎng)沙 410011)

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張家界三岔地區(qū)五強(qiáng)溪組巖石地球化學(xué)與構(gòu)造背景探討

梁恩云， 彭能立， 劉耀榮， 劉庚寅， 彭云益， 曹解華

(湖南省地質(zhì)調(diào)查院，湖南 長(zhǎng)沙 410011)

張家界三岔地區(qū)五強(qiáng)溪組巖石以淺變質(zhì)砂巖為主，夾少量凝灰質(zhì)板巖。巖石中SiO2含量平均66.21%，SiO2/ Al2O3值3.36～5.36，K2O/ Na2O值變化較大(0.60～16.27)，Al2O3/(K2O+Na2O)值2.12～3.42，平均2.83。稀土元素∑REE含量平均233.48×10-6，LREE/HREE值6.01～11.03，LaN/YbN值平均7.513；δEu值0.498～0.730，δCe值平均0.867。微量元素除Sr遠(yuǎn)低于上地殼豐度、B遠(yuǎn)高于上地殼豐度之外，整體上與上地殼豐度相差不大，略有增加。利用砂巖的構(gòu)造環(huán)境判別圖確定了當(dāng)時(shí)該地區(qū)的沉積環(huán)境為活動(dòng)大陸邊緣，表現(xiàn)出以活動(dòng)大陸邊緣盆地沉積混入來自大陸島弧環(huán)境物質(zhì)的特點(diǎn)。進(jìn)而推斷，造成板溪群與冷家溪群之間呈角度不整合接觸的晉寧運(yùn)動(dòng)并沒有使沉積構(gòu)造格架發(fā)生較大的變化，華夏陸塊與揚(yáng)子陸塊拼接的時(shí)間點(diǎn)要晚于青白口紀(jì)五強(qiáng)溪組沉積時(shí)間。

地球化學(xué)；構(gòu)造背景；五強(qiáng)溪組；新元古代；張家界；湘西北

梁恩云，彭能立，劉耀榮，等.2016.張家界三岔地區(qū)五強(qiáng)溪組巖石地球化學(xué)與構(gòu)造背景探討[J].東華理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，39(3)：259-265.

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一直以來，地學(xué)界對(duì)揚(yáng)子陸塊與華夏陸塊的拼接問題及相關(guān)引申問題存在爭(zhēng)議(Chen et al.，1991；沈渭洲等，1993；Li et al.，1995，2003；李獻(xiàn)華等，1996，2008，2012；李獻(xiàn)華，1998；王劍等，2001；Greentree et al.，2006；Wang et al.，2007；胡肇榮等,2009；胡肇榮，2010)。一些認(rèn)為冷家溪群和板溪群代表了一套溝、弧、盆體系的沉積物，華夏陸塊通過晉寧(雪峰)運(yùn)動(dòng)拼貼于揚(yáng)子陸塊(郭令智等，1980，1986；王鴻禎，1986；徐備，1990)；但另一些認(rèn)為，板溪群為華夏陸塊與揚(yáng)子陸塊拼接、Rodinia 超大陸形成后的早期裂谷沉積(Li et al，1996，2003)。本文對(duì)湘西北張家界三岔地區(qū)青白口系(板溪群)五強(qiáng)溪組沉積巖進(jìn)行了系統(tǒng)的常量元素、稀土元素、微量元素地球化學(xué)研究，旨在判別當(dāng)時(shí)的沉積構(gòu)造環(huán)境，以此來為區(qū)域大地構(gòu)造演化提供依據(jù)(柏道遠(yuǎn)等，2007；毛光周等，2011；胡楠等，2013)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

張家界三岔地區(qū)位于揚(yáng)子陸塊東南緣，毗鄰華夏陸塊，往北西為石門—桑植復(fù)向斜，往南東為武陵斷彎褶皺帶。區(qū)內(nèi)構(gòu)造以北東向斷裂為主，為湘西北弧形構(gòu)造帶的組成部分。出露地層(圖1)由老到新有青白口系、南華系、震旦系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、二疊系、白堊系。其中青白口系五強(qiáng)溪組為本區(qū)最老地層，是本次探討重點(diǎn)。

圖1 張家界三岔地區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Simplified regional geological map of Sancha area in Zhangjiajie city1.第四系；2.白堊系；3.志留系；4.奧陶系；5.寒武系；6.震旦系；7.南華系；8.青白口系；9.地層界線；10.平行不整合界線；11.角度不整合界線；12.斷層；13.采樣點(diǎn)

2 樣品及分析

五強(qiáng)溪組主體巖性為淺變質(zhì)砂巖，夾少量板巖。砂巖主要為灰綠色、灰白色、灰紫色中-厚層狀淺變質(zhì)(含礫)長(zhǎng)石石英砂巖、淺變質(zhì)細(xì)粒石英砂巖、淺變質(zhì)(巖屑)長(zhǎng)石石英雜砂巖、淺變質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖夾灰綠色、紫紅色條帶狀粉砂質(zhì)板巖、凝灰質(zhì)板巖及巖屑石英砂巖、透鏡狀礫巖。本次研究以區(qū)內(nèi)2條露頭剖面為基礎(chǔ)，采集樣品8件，包括淺變質(zhì)細(xì)粒長(zhǎng)石石英雜砂巖(YJ1)、淺變質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖(YJ2，YJ4，SY1，SY2)、粉砂質(zhì)板巖(YJ3，YJ5，YJ6)等。采樣時(shí)避免了風(fēng)化、后期方解石脈及裂隙的發(fā)育，保證新鮮、無污染?？赡苡捎赟Y2樣品中的含有較多的有機(jī)質(zhì)或含水礦物，其燒失量過高，考慮會(huì)影響判別，只能將其舍棄。

樣品的分析在國(guó)土資源部長(zhǎng)沙礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成，使用儀器有原子熒光光度計(jì)(AFS-830a)、原子吸收光度計(jì)(Z-2300)、ICP質(zhì)譜儀、ICP全譜儀(ICP-6300)等，分析環(huán)境溫度20 ℃、濕度65%。

3 地球化學(xué)特征

3.1 常量元素特征

樣品常量元素分析結(jié)果見表1。SiO2含量62.50%～72.46%，平均66.21%；Al2O3含量13.52%～18.82%，平均16.42%；SiO2/ Al2O3值3.36～5.36，平均4.22。K2O含量2.39%～6.02%，平均4.24%；Na2O含量0.37%～3.99%，平均1.63%，樣品YJ1中明顯偏高，一般1.05%～1.94%；K2O/ Na2O值變化較大，從0.60～16.27，平均5.06，一般1.99～3.42，平均2.52。Fe2O3+ FeO含量3.03%～7.72%，平均4.89%；MnO含量0.018%～0.071%，平均0.041%。CaO含量0.16%～1.11%，平均0.54%，一般0.16%～0.49%，平均0.32%；MgO含量1.00%～2.17%，平均1.75%。Al2O3/(K2O+Na2O)值2.12～3.42，平均2.83。

3.2 稀土元素特征

樣品稀土元素分析結(jié)果見表2。稀土元素含量總體較高，∑REE含量167.82×10-6～354.41×10-6，平均233.48×10-6；LREE含量151.17×10-6～306.39×10-6，平均207.07×10-6；HREE含量16.65×10-6～48.02×10-6，平均26.44×10-6；LREE/HREE值6.01～11.03，平均8.47； LaN/YbN值4.788～9.508，平均7.513；δEu值0.498～0.730，平均0.636；δCe值0.744～0.992，平均0.867。

從稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布型式圖(圖2)及LREE/HREE值可知，其具輕稀土富集、重稀土平緩的特點(diǎn)，兼具銪負(fù)異常、鈰異常不明顯的特點(diǎn)。與典型的后太古宙頁(yè)巖和上陸殼相似(輕稀土富集、重稀土平坦、銪負(fù)異常顯著)。在圖中，樣品YJ2與YJ5表現(xiàn)出更明顯的負(fù)銪異常，重稀土含量也較其它樣品多，但整體上與上陸殼(Taylor et al., 1985)相似。

表1 常量元素分析結(jié)果表

表2 稀土元素分析結(jié)果表

圖2 稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化分布型式圖Fig.2 Chondrite-normalized REE patterns

3.3 微量元素特征

樣品微量元素分析結(jié)構(gòu)見表3。微量元素含量整體上與上地殼豐度(Taylor et al.,1985)相差不大，略有增加；變化較大的為Sr，B二元素。樣品中Sr含量17×10-6～96.87×10-6，平均48.997×10-6遠(yuǎn)低于上地殼豐度350×10-6；樣品中B含量57×10-6～211×10-6，平均131.857×10-6遠(yuǎn)高于上地殼豐度15×10-6。Rb/Sr值0.84～11.74，變化較大，平均4.58；Ba/Rb值4.51～5.70，平均4.995；Ba/Sr值4.30～60.23，變化較大，平均23.556；Zr/Hf值11.81～47.99，平均28.50；Zr/Th值26.23～42.97，平均32.08；Sc/Cr值0.143～0.444，平均 0.252。

微量元素B在陸相巖石中一般低于70×10-6，而海相巖石中一般大于100×10-6(劉英俊等，1984)。本次采集樣品中，B含量最高211×10-6，大于100×10-6的有5件，小于70×10-6的有1件，另外有1件為75×10-6，具有較為鮮明的海相沉積特征。陸相環(huán)境中B/Ga值一般為3.0～3.3，海相環(huán)境中則大于4.5～5.0(劉英俊等，1984)，樣品中有5件大于5.0，2件為3.0～3.3，總體表現(xiàn)為海相沉積特征。

4 構(gòu)造背景判別方法

在沉積建造中，陸源碎屑巖不僅保留著源區(qū)母巖的相關(guān)信息，也直接記錄了沉積盆地構(gòu)造演化軌跡。研究表明，盡管有沉積過程中的改造作用，但物源區(qū)的地球化學(xué)成分是碎屑巖成分的主要控制因素。因此，通過分析碎屑巖的化學(xué)成分即可確定母巖性質(zhì)(其通常與構(gòu)造環(huán)境密切相關(guān))，再造沉積盆地的構(gòu)造演化歷史。

表3 微量元素分析結(jié)果表

注：上地殼豐度據(jù)Taylor et al.(1985)。

Roser等(1986)和Maynard等(1982)分別提出了砂巖和泥巖沉積盆地構(gòu)造環(huán)境的K2O/Na2O-SiO2圖解(圖3a)和K2O/Na2O-SiO2/Al2O3圖解(圖3b)。其中活動(dòng)大陸邊緣包括了一系列復(fù)雜的位于活動(dòng)板塊邊界之上或鄰近板塊邊界的構(gòu)造活動(dòng)大陸邊緣，沉積物來自大陸邊緣巖漿弧或與走滑斷層有關(guān)的隆升區(qū)；被動(dòng)大陸邊緣包括了穩(wěn)定大陸邊緣的板內(nèi)盆地和克拉通內(nèi)部盆地，沉積物來自穩(wěn)定的大陸地區(qū)并沉積在遠(yuǎn)離活動(dòng)板塊邊緣的地方。從圖中可讀出，三岔地區(qū)五強(qiáng)溪組巖石大多落入活動(dòng)大陸邊緣的范圍，也有來自被動(dòng)大陸邊緣的，且多分布在二者分界線附近。

Bhatia(1985)將大陸邊緣和大洋盆地劃分為大洋島弧、大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣，并提出了一些以主量元素參數(shù)來判別構(gòu)造環(huán)境的圖解(圖4)。圖4a中，三岔地區(qū)五強(qiáng)溪組巖石樣品落點(diǎn)集中在活動(dòng)大陸邊緣及大陸島弧范圍；圖4b中，判別函數(shù)Ⅰ=-0.0447 SiO2-0.972 TiO2+0.008 Al2O3-0.267 Fe2O3+0.208 FeO-3.08 MnO+0.14 MgO+0.195 CaO+0.719 Na2O-0.032 K2O+7.51 P2O5+0.303，判別函數(shù)Ⅱ=-0.421 SiO2+1.988 TiO2-0.526 Al2O3-0.551 Fe2O3-1.61 FeO+2.72 MnO+0.881 MgO-0.907 CaO-0.177 Na2O-1.84 K2O+7.244 P2O5+43.57，樣品投點(diǎn)大都落入了活動(dòng)大陸邊緣范圍，僅個(gè)別落入大陸島弧和被動(dòng)大陸邊緣，且靠近活動(dòng)大陸邊緣附近。

常量元素SiO2，TiO2，F(xiàn)e2O3*+MgO，Al2O3/ SiO2等數(shù)值對(duì)于碎屑巖源區(qū)及其構(gòu)造背景判別具有指導(dǎo)性，如表4，不同構(gòu)造背景砂巖常量元素特征參數(shù)引自Bhatia(1985)。從表中可以看出，三岔地區(qū)五強(qiáng)溪組巖石的沉積構(gòu)造背景屬活動(dòng)大陸邊緣與大陸島弧的可能性要大于其它構(gòu)造背景。

研究證明，REE，Th，U，Nb，Ta，Zr和Hf屬惰性元素范圍，性質(zhì)穩(wěn)定，較少或不受沉積過程的影響(Pearce et al.,1983)，因此它們被轉(zhuǎn)移到沉積物中而反映了母巖的地球化學(xué)習(xí)性。Bhatia(1985)在研究澳大利亞古生代濁積雜砂巖的構(gòu)造環(huán)境時(shí)，認(rèn)為最具構(gòu)造判別意義的是La-Th-Sc，Th-Sc-Zr/10及Th-Co-Zr/10三種三角圖(圖5)。從圖5可知，三岔地區(qū)五強(qiáng)溪組巖石樣品落點(diǎn)均在大陸島弧和活動(dòng)大陸邊緣范圍，且大部分樣品落入大陸島弧范圍。

圖3 三岔地區(qū)五強(qiáng)溪組巖石的構(gòu)造環(huán)境判別圖Fig.3 Tectonic setting discrimination diagrams for Wuqiangxi formation rocks in SanchaARC.大洋島弧；ACM.活動(dòng)大陸邊緣；PM.被動(dòng)大陸邊緣；A1.玄武質(zhì)和安山質(zhì)碎屑的島弧環(huán)境；A2.長(zhǎng)英質(zhì)侵入巖碎屑的進(jìn)化島弧環(huán)境

圖4 三岔地區(qū)五強(qiáng)溪組巖石常量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖(據(jù)Bhatia,1985)Fig.4 Tectonic setting discrimination diagrams of major compositions for Wuqiangxi formation rocks in Sancha area (from Bhatia et al. 1985)A.大洋島弧；B.大陸島弧；C.活動(dòng)大陸邊緣；D.被動(dòng)大陸邊緣

構(gòu)造背景SiO2/%TiO2/%Fe2O3*+MgO/%Al2O3/SiO2大洋島弧58.831.0611.70.29大陸島弧70.690.646.790.2活動(dòng)大陸邊緣73.860.464.630.18被動(dòng)大陸邊緣81.950.492.890.1五強(qiáng)溪組62.5～72.460.3～0.654.04～7.530.187～0.298

圖5 三岔地區(qū)五強(qiáng)溪組巖石微量元素構(gòu)造判別圖(據(jù)Bhatia,1985)Fig.5 Tectonic setting discrimination diagrams of trace elements for Wuqiangxi Formation rocks in Sancha area (from Bhatia et al. 1985)A.大洋島?。籅.大陸島??；C.活動(dòng)大陸邊緣；D.被動(dòng)大陸邊緣

5 討論

Li等(1995，1996)認(rèn)為華夏古陸屬中元古代勞亞大陸的西緣，揚(yáng)子克拉通則位于勞亞大陸和澳大利亞—東南極大陸之間，兩者通過東安運(yùn)動(dòng)(1.05～1.00 Ga)碰撞拼合，形成Rodinia超大陸，超大陸形成不久，華南的東南部、西部、北部邊緣出現(xiàn)裂谷和被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境，板溪群(包括五強(qiáng)溪組)便是Rodinia超大陸解體前的陸內(nèi)裂谷沉積。

顧雪祥等(2003)在判別江南造山帶雪峰隆起區(qū)新元古代板溪群(包括五強(qiáng)溪組)地球化學(xué)特征時(shí)，發(fā)現(xiàn)元素特征在顯示活動(dòng)大陸邊緣信息的同時(shí)，亦顯示出被動(dòng)大陸邊緣信息，認(rèn)為被動(dòng)大陸邊緣信息的顯示與風(fēng)化沉積過程及成巖和變質(zhì)過程導(dǎo)致Na2O和CaO虧損有關(guān)，最終確定為活動(dòng)大陸邊緣弧后盆地沉積。

而本次研究所采取五強(qiáng)溪組巖石樣品，在TiO2-(Fe2O3+MgO)、判別函數(shù)Ⅰ- 判別函數(shù)Ⅱ以及La-Th-Sc，Th-Sc-Zr/10，Th-Co-Zr/10構(gòu)造判別圖解中，反映出強(qiáng)烈的活動(dòng)大陸邊緣及大陸島弧信息。由于五強(qiáng)溪組巖石中常含有凝灰質(zhì)，有些甚至為凝灰質(zhì)板巖夾層，所以在投點(diǎn)時(shí)落入大陸島弧環(huán)境是合理的。

根據(jù)活動(dòng)大陸邊緣盆地沉積物來自于大陸邊緣的巖漿弧或與走滑斷層有關(guān)的隆升區(qū)(Bhatia et al.，1986)，不難推斷，研究區(qū)在新元古代五強(qiáng)溪時(shí)期沉積物大部分來自盆地北側(cè)的揚(yáng)子陸塊，另有少部分來自南側(cè)的島弧帶(Gu et al.，2002)。

6 結(jié)論

本文通過構(gòu)造環(huán)境判別圖解得出，張家界三岔地區(qū)青白口紀(jì)五強(qiáng)溪組巖石在不同的主量元素、微量元素圖解中均表現(xiàn)出以活動(dòng)大陸邊緣盆地沉積混入來自大陸島弧環(huán)境物質(zhì)為特點(diǎn)?？傮w上繼承了中元古代活動(dòng)大陸邊緣弧后盆地的沉積構(gòu)造格架，造成板溪群與冷家溪群之間呈角度不整合接觸的晉寧運(yùn)動(dòng)并沒有使沉積構(gòu)造格架發(fā)生較大的變化，華夏陸塊與揚(yáng)子陸塊拼接的時(shí)間點(diǎn)要晚于青白口紀(jì)五強(qiáng)溪組沉積時(shí)間。

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Geochemistry of Rocks and Tectonic Setting of Wuqiangxi Formation in Sancha Area, Zhangjiajie City

LIANG En-yun, PENG Neng-li, LIU Yao-rong, LIU Geng-yin, PENG Yun-yi, CAO Jie-hua

(Hunan Institute of Geological Survey, Changsha, HN 410011, China)

The rocks of Wuqiangxi formation, which in Sancha area, Zhangjiajie City, are almost epi-metamorphic sandstone, with a few of tufaceous slate. In the rocks, the average content of SiO2is 66.21%, and SiO2/ Al2O3are from 3.36 to 5.36.The values of K2O/ Na2O are from 0.60 to 16.27, Al2O3/(K2O+Na2O)are from 2.12 to 3.42 and the average is 2.83. The average content of rare earth elements is 233.48×10-6, the values of LREE/HREE are from 6.01 to 11.03.The average of LaN/YbNis 7.513, the values of δEu are from 0.498 to 0.730, while the average of δCe is 0.867. The contents of trace elements are nearly equality between the abundance of upper crust, some have little increasing, but lack of Sr and enrich of B. Through the analyse of tectonic setting discrimination diagrams of sandstone, it can be confirmed that the sedimentary environment of Wuqiangxi formation in Sancha area is active continental margin, also interfused in some matter which comes from continental arc.Accordingly，it can be concluded that Jinnning movement, which had made the contact of Banxi Group and Lengjiaxi Group is angular unconformity, had not made the sedimentary tectonic framework change too much. The time of Cathaysia landmass joints to Yangtse landmass is later than the time of Wuqiangxi formation sediment in Qingbaikouan Period.

geochemistry；tectonic setting；Wuqiangxi formation；New Proterozoic Era；Zhangjiajie；northwestern Hunan

2016-03-04

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(12120114066201)

梁恩云(1983—)，男，碩士，地質(zhì)工程師，主要從事區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作。E-mail：8832188@163.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2016.03.009

P59

A

1674-3504(2016)03-0259-07