右江盆地泥盆系硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

周倩玉, 侯明才, 黃 虎, 吳超偉

(油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)(成都理工大學(xué))，成都 610059)

右江盆地位于桂西、黔南及滇東交接部位，地處特提斯與濱太平洋構(gòu)造域交匯部位[1-2]。有關(guān)盆地演化的研究對認(rèn)識該地區(qū)地質(zhì)演化特征具有重要意義。然而，目前不同的學(xué)者對于該地區(qū)泥盆紀(jì)的大地構(gòu)造性質(zhì)和演化存在不同認(rèn)識，包括陸內(nèi)裂谷[3-4]、被動(dòng)大陸邊緣裂谷[5]、古特提斯多島洋的一部分[6-7]、大陸邊緣裂谷[8]等不同的觀點(diǎn)。

硅質(zhì)巖由于具有穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，不易受風(fēng)化及后期成巖作用影響。其地球化學(xué)特征記錄了熱液沉積、火山碎屑及陸源碎屑等的含量變化，對恢復(fù)古環(huán)境具有指示意義[9-10]。前人通過對右江盆地不同地區(qū)硅質(zhì)巖的研究，探討了晚泥盆世-晚二疊世盆地演化的特征[11-14]。然而，受地層出露和研究程度的限制，目前仍缺少有關(guān)右江盆地泥盆紀(jì)早期硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征的研究。本文擬通過對右江盆地東南緣南寧六強(qiáng)、那洋地區(qū)泥盆系硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征研究，并結(jié)合其他地區(qū)硅質(zhì)巖地球化學(xué)時(shí)空分布特征，探討泥盆紀(jì)右江盆地構(gòu)造演化特征。

1 地質(zhì)背景及樣品

研究區(qū)位于南寧和崇左交匯處,其北部和南部分別為隆林-百色-南寧和欽州裂陷槽[8]。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育北西向的上沖斷層和北東向的走滑斷層。泥盆系在研究區(qū)零散分布，主要分布在研究區(qū)東西兩側(cè)(圖1)。其中，下泥盆統(tǒng)主要為一套濱岸相碎屑巖，中上泥盆統(tǒng)主要為深水相的硅質(zhì)巖和泥巖以及淺水相的碳酸鹽巖[15]。

本次研究共采集六強(qiáng)上泥盆統(tǒng)榴江組和中下泥盆統(tǒng)平恩組10件硅質(zhì)巖樣品以及那洋中下泥盆統(tǒng)壇河組6件硅質(zhì)巖樣品(圖2)。六強(qiáng)剖面位于南寧東部那隆鄉(xiāng)六強(qiáng)村鄉(xiāng)村公路旁(地理坐標(biāo)：22°47′9″N，107°38′45″E)。該剖面下段為下泥盆統(tǒng)郁江組灰色薄層泥巖，中段為平恩組炭質(zhì)泥巖和灰?guī)r夾薄層硅質(zhì)巖(圖3-A)，上段為榴江組灰黑色薄層硅質(zhì)巖與灰色薄層泥巖互層(圖3-B)。壇河剖面位于南寧東南部那洋村東鄉(xiāng)村小路旁(地理坐標(biāo)為：22°38′12″N，108°8′36″E)。剖面下段為壇河組黑色薄層硅質(zhì)巖夾少量黑色薄層放射蟲硅質(zhì)巖，上段壇河組為黑色薄層硅質(zhì)巖夾黃色泥巖呈水平狀產(chǎn)出(圖3-C)[15]。

圖1 右江盆地大地構(gòu)造圖和研究區(qū)地質(zhì)簡圖Fig.1 Tectonic framework of the Youjiang Basin and geological sketch of the study area(A)右江盆地大地構(gòu)造圖(據(jù)文獻(xiàn)[12]); (B)研究區(qū)地質(zhì)簡圖

圖2 六強(qiáng)、那洋泥盆系柱狀圖及采樣位置Fig.2 Stratigraphic column of Devonian and sampling locations in the Liuqiang and Nayang areas(據(jù)文獻(xiàn)[15])

圖3 六強(qiáng)、那洋泥盆系野外照片和硅質(zhì)巖顯微照片F(xiàn)ig.3 Field photographs of Devonian stratum and microscopic photographs of siliceous rocks in the Liuqiang and Nayang areas(A)六強(qiáng)平恩組灰黑色薄層硅質(zhì)巖和黑色中薄層灰?guī)r互層; (B)六強(qiáng)榴江組灰黑色層狀硅質(zhì)巖與泥巖互層; (C)那洋壇河組黑色薄層硅質(zhì)巖夾黃色薄層泥巖; (D)六強(qiáng)榴江組硅質(zhì)巖(樣品LQ-08)隱晶-微晶結(jié)構(gòu)，主要由微晶石英、少量黑色有機(jī)質(zhì)組成，正交偏光; (E)六強(qiáng)平恩組硅質(zhì)巖(樣品LQ-02)隱晶結(jié)構(gòu)，富含放射蟲，放射蟲殼體主要由微晶石英充填，單偏光; (F)那洋壇河組硅質(zhì)巖(樣品NY-03)微晶結(jié)構(gòu)，主要由微晶石英組成，正交偏光

六強(qiáng)剖面榴江組硅質(zhì)巖主要由微晶石英及少量泥質(zhì)組成(圖3-D)；平恩組硅質(zhì)巖樣品主要由微晶石英和少量的黑色有機(jī)質(zhì)組成，并含有豐富的放射蟲化石(圖3-E)；壇河組硅質(zhì)巖由微晶石英及少量黑色有機(jī)質(zhì)組成(圖3-F)。

2 測試方法

所有樣品的主元素由廣州奧實(shí)礦物實(shí)驗(yàn)室采用XRF-1800波長掃描X射線熒光光譜儀測定。全巖微量元素含量在武漢上譜分析科技有限責(zé)任公司分析測試中心利用Agilent 7700e ICP-MS分析完成。樣品處理過程如下：①將200目樣品置于105℃烘箱中烘干12 h； ②準(zhǔn)確稱取粉末樣品50 mg置于特氟龍溶樣彈中；③先后依次緩慢加入1 mL高純HNO3和1 mL高純HF；④將特氟龍溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190℃烘箱中加熱24 h；⑤待溶樣彈冷卻，開蓋后置于140℃電熱板上蒸干，然后加入1 mL 硝酸并再次蒸干；⑥加入1 mL高純HNO3、1 mL 超純水和1 mL內(nèi)標(biāo)In(濃度為1×10-6)，再次將特氟龍溶樣彈放入鋼套，擰緊后置于190℃烘箱中加熱12 h；⑦將溶液轉(zhuǎn)入聚乙烯料瓶中，并用2%硝酸稀釋至100 g以備ICP-MS測試[16]。

所有樣品的主元素及稀土元素分析結(jié)果見表1和表2。樣品的稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化均采用澳大利亞后太古代平均頁巖(PAAS)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化[17]。其中，Ce和Eu異常表達(dá)式分別為

Ce/Ce*=2×CeN/(LaN+PrN)，Eu/Eu*=EuN/(SmN×GdN)1/2。

3 地球化學(xué)特征

3.1 主元素

除壇河組的NY-05和NY-07含有較低的SiO2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為88.74%和88.40%),其余樣品的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)為92.18%～97.89%。其中，六強(qiáng)的榴江組硅質(zhì)巖的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.6%±0.18%，六強(qiáng)的平恩組和那洋壇河組硅質(zhì)巖的SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為96.4%±0.5%和92.5%±3.1%。由于硅質(zhì)巖成巖過程中存在的SiO2稀釋劑作用影響，除壇河組的NY-05和NY-07樣品具有相對較高的TiO2的含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.11%)，其他樣品的TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%～0.03%。其中，那洋的壇河組具有相對較高的Al2O3和K2O含量，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.69%±1.0%和0.42±0.28%，指示其含有較高的泥質(zhì)組分。六強(qiáng)的榴江組和平恩組以及那洋的壇河組硅質(zhì)巖的Fe2O3含量較低(平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.70%、0.65%和1.02%)。所有硅質(zhì)巖的MnO和Na2O含量均在儀器檢出范圍(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.01%)附近。

表1 六強(qiáng)、那洋地區(qū)泥盆系硅質(zhì)巖樣品主元素含量(w/%)Table 1 Major element analysis of Devonian siliceous rocks in the Liuqiang and Nayang areas

表2 六強(qiáng)、那洋地區(qū)泥盆系硅質(zhì)巖樣品稀土元素含量(w/10-6)Table 2 Rare earth element data of Devonian siliceous rocks in the Liuqiang and Nayang areas

3.2 稀土元素

稀土元素PAAS標(biāo)準(zhǔn)化分布曲線圖(圖4)顯示，樣品具有明顯的Ce負(fù)異常和Y正異常。其中，六強(qiáng)的榴江組、平恩組硅質(zhì)巖和那洋的壇河組的Ce/Ce*值分別為0.37～0.57、0.54～0.57和0.55～0.71，Y/Ho值分別為29.28～43.88、43.89～46.14、36.70～43.24。六強(qiáng)的榴江組∑REE+Y平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為29.01×10-6，高于平恩組的∑REE+Y平均值(14.56×10-6)。2組樣品均低于那洋壇河組的∑REE+Y平均值(43.19×10-6)。六強(qiáng)的榴江組、平恩組以及那洋的壇河組硅質(zhì)巖的Eu/Eu*值分別為0.78～1.10、1.08～1.13和0.36～0.95。

圖4 六強(qiáng)、那洋泥盆系硅質(zhì)巖標(biāo)準(zhǔn)化稀土模式曲線圖Fig.4 REE+Y patterns of the Devonian samples normalized to PAAS in Liuqiang and Nayang area

4 硅質(zhì)巖成因

硅質(zhì)巖中熱液的參與會導(dǎo)致Fe、Mn的富集，而陸源物質(zhì)的輸入會造成Al、Ti的富集。K.Bostr?m等[18]提出，海相沉積物中Al/(Al+Fe+Mn)值是衡量沉積物熱液組分含量的標(biāo)志。M.Adachi等[19]在系統(tǒng)研究了北太平洋熱液成因的硅質(zhì)巖和日本中部Kamiaso的非熱液成因的硅質(zhì)巖后[20]，擬定了Al-Fe-Mn三角判別圖解。在該判別圖解上，熱液成因硅質(zhì)巖的投點(diǎn)落入圖解的富Fe端，非熱液成因硅質(zhì)巖的投點(diǎn)落入圖解的富Al端。將本區(qū)樣品投在Al-Fe-Mn三角判別圖解中(圖5)，除NY-04、LQ-04樣品落在熱液區(qū)附近，其余樣品為典型的非熱液成因硅質(zhì)巖。榴江組Al/(Al+Fe+Mn)值為0.40±0.07，低于平恩組和壇河組的Al/(Al+Fe+Mn)值(0.43±0.01、0.50±0.14)。

圖5 六強(qiáng)、那洋硅質(zhì)巖Al-Fe-Mn三角圖解Fig.5 Al-Fe-Mn diagram of siliceous rocks in the Liuqiang and Nayang area(作圖方法據(jù)文獻(xiàn)[19])

由于Mn是一種容易遷移的元素，其受成巖作用的影響很大[21],樣品中Mn元素含量較低(圖5)。針對該現(xiàn)象，可以用Al/(Al+Fe)-Fe/Ti圖解來判斷硅質(zhì)巖成因[22]。當(dāng)Al/(Al+Fe)>0.5且Fe/Ti<30時(shí)，為非熱液成因；而當(dāng)Al/ (Al+ Fe)<0.35且Fe/ Ti>30時(shí)，為熱液成因。如圖6所示，除NY-04、LQ-04樣品落在熱液區(qū)，其余樣品均未受熱液作用影響，與Al-Fe-Mn判別圖的結(jié)果基本一致。硅質(zhì)巖Eu正異常的出現(xiàn)一般指示熱液作用[23-24]。所有樣品的Eu/Eu*值為0.36～1.13，均不具有明顯的Eu正異常，進(jìn)一步證明了硅質(zhì)巖樣品為非熱液成因。

圖6 六強(qiáng)、那洋硅質(zhì)巖Al/(Al+Fe)-Fe/Ti圖解Fig.6 Al/(Al+Fe)-Fe/Ti diagram of siliceous rocks in the Liuqiang and Nayang area(作圖方法據(jù)文獻(xiàn)[21])

5 硅質(zhì)巖的形成環(huán)境

硅質(zhì)巖中的稀土元素特別是Ce/Ce*可以用來很好地判別其形成環(huán)境[21,25]。由于洋盆位于大陸邊緣和大洋中脊之間，海水中的稀土元素行為受控于大陸邊緣和大洋中脊的共同影響。而河流輸入是海水中稀土元素的主要來源[26]。通常情況下它們的稀土元素地球化學(xué)行為中，Ce相對于其他元素一般無分異或者弱分異。在氧化開闊的海水環(huán)境中，3價(jià)鈰離子容易被氧化為4價(jià)鈰離子并被有機(jī)物微粒、鐵錳氧化物或結(jié)合吸附，造成海水中剩余溶解態(tài)Ce的相對虧損[27-28]，從而顯示明顯的Ce負(fù)異常。

R.W.Murray等[29-30]對加利福利亞弗朗西斯科雜巖中層狀硅質(zhì)巖序列的研究表明，形成于開闊洋盆中硅質(zhì)巖的Ce/Ce*值，為0.56±0.10(PAAS標(biāo)準(zhǔn)化)，大洋中脊及兩翼環(huán)境中硅質(zhì)巖Ce/Ce*值為0.28±0.12(PAAS標(biāo)準(zhǔn)化)。六強(qiáng)的榴江組和平恩組、那洋的壇河組Ce/Ce*值分別為0.46±0.05、0.55±0.02和0.64±0.06。除LQ-08號樣品顯示與弗朗西斯科洋脊環(huán)境硅質(zhì)巖相似，其余均與弗朗西斯科遠(yuǎn)洋環(huán)境硅質(zhì)巖相似。六強(qiáng)地區(qū)上泥盆統(tǒng)榴江組硅質(zhì)巖樣品比中下泥盆統(tǒng)平恩組的硅質(zhì)巖樣品具有更小的Ce負(fù)異常值(圖7)。

(La/Yb)N值對于區(qū)分不同構(gòu)造的硅質(zhì)巖也具有意義[26,32]。形成于受陸源物質(zhì)輸入影響明顯的沉積物，其(La/Yb)N值在1.0～1.3之間，表現(xiàn)出輕稀土元素富集的特征[29]。對廣西桂林榴江組硅質(zhì)巖的研究表明，形成于開闊海洋環(huán)境的硅質(zhì)巖(La/Yb)N平均值為0.52，指示其輕稀土元素明顯虧損的特征[33]。六強(qiáng)榴江組硅質(zhì)巖(La/Yb)N平均值為0.63，低于平恩組和壇河組硅質(zhì)巖的0.65和0.64，指示晚泥盆世硅質(zhì)巖可能形成于更加開闊的海水環(huán)境。

圖7 右江盆地泥盆紀(jì)硅質(zhì)巖Ce/Ce*分布Fig.7 The Ce/Ce* distribution of Devonian siliceous rocks in the Youjiang Basin普安龍吟、南丹羅富硅質(zhì)巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[11]；田林八渡硅質(zhì)巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[12]；五象嶺硅質(zhì)巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[31]； 那坡魚塘、巖信硅質(zhì)巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[13]； 洋脊、遠(yuǎn)洋和大陸邊緣硅質(zhì)巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[30]； 廣西桂林硅質(zhì)巖數(shù)據(jù)引自文獻(xiàn)[25]

Y和Ho具有相似的離子半徑和電負(fù)性，常具有相似的地球化學(xué)行為[34]。在海水、河水以及河流入海口，均存在Y和Ho分異的現(xiàn)象；但由于Ho和Y與海水中無機(jī)配位體(主要為碳酸根離子)的絡(luò)合行為不同，導(dǎo)致海水中在Ho相對Y具有2倍的移出速率[35]，海水常比河水具有更高的Y/Ho值。其中，河水的Y/Ho 值與PAAS相近, 而低于大洋海水的平均值55[35-36]。南寧泥盆系硅質(zhì)巖的Y/Ho值為29.28～46.14，均明顯高于PAAS值，而低于大洋海水，指示其形成于遠(yuǎn)離陸源輸入的海水環(huán)境。

硅質(zhì)巖的稀土元素含量和海水中暴露的時(shí)間存在線性關(guān)系。其中，暴露時(shí)間越長，其從海水中吸附的稀土元素含量越高[32]，因此，理論上形成于遠(yuǎn)洋環(huán)境的硅質(zhì)巖應(yīng)比大陸邊緣環(huán)境硅質(zhì)巖具有更高的稀土元素含量。然而，受硅化作用的影響，硅質(zhì)巖單純的∑REE很難用于判別形成環(huán)境[11]?？紤]到SiO2/Al2O3值可以代表硅化程度，黃虎等[11]建立了∑REE+Y與SiO2/Al2O3關(guān)系圖。其中，曲線②、③、⑤、⑩分別代表相同的硅化過程中，硅質(zhì)巖中∑REE+Y的含量分別是PAAS的2、3、5、10倍。硅質(zhì)巖∑REE+Y含量越高，從海水中吸附的∑REE+Y越高[12]。榴江組的樣品大部分落在曲線3的左上方，個(gè)別樣品落在曲線5上；平恩組的樣品落在曲線2上；壇河組除一個(gè)樣品(NY-03)落在曲線5上，其他均落在曲線3和曲線1之間(圖8)。以上結(jié)果表明晚泥盆世硅質(zhì)巖形成過程中比早中泥盆世硅質(zhì)巖從海水中吸附了更多的∑REE+Y，指示前者形成于受陸源環(huán)境影響更弱的環(huán)境。

6 盆地演化的意義

早泥盆世埃姆斯期開始，右江盆地為受陸源物質(zhì)輸入影響較大的裂谷盆地[2,37]。南寧泥盆紀(jì)硅質(zhì)巖均具有Ce負(fù)異常和Y正異常，表明其形成于遠(yuǎn)離陸源供應(yīng)的環(huán)境。然而，上泥盆統(tǒng)榴江組硅質(zhì)巖相對于中下泥盆統(tǒng)平恩組和壇河組具有更加明顯的Ce負(fù)異常值和更小(La/Yb)N值。這一特征與前人在南寧、桂林、田林八渡、那坡等地區(qū)采集的榴江組硅質(zhì)巖樣品地球化學(xué)數(shù)據(jù)一致(表3)，指示從早中泥盆世到晚泥盆世右江盆地硅質(zhì)巖受陸源輸入的影響逐漸減弱。從盆地西北到東南緣，硅質(zhì)巖的Ce/Ce*值具有逐漸減小的特征，暗示水體由西北向東南緣逐漸變深的古地理特征。右江盆地泥盆紀(jì)硅質(zhì)巖的地球化學(xué)時(shí)空分布規(guī)律表明，泥盆紀(jì)該盆地可能處于伸展演化階段。同時(shí)，前人在右江盆地西南緣八布地區(qū)發(fā)現(xiàn)MORB型蛇綠巖，暗示古特提斯分支洋的存在[14,38-39]。最近對該地區(qū)的變玄武巖U-Pb年代分析，指示該洋殼的形成時(shí)間在晚泥盆世末期-早石炭世初期(358.9±5.5 Ma B.P.)[40]。而對那坡地區(qū)晚泥盆世到早石炭世玄武巖的研究表明，右江盆地在晚古生代可能受軟流圈上涌作用的影響，而處于伸展演化的構(gòu)造背景[41]。以上研究與右江盆地晚泥盆世硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征的研究結(jié)果一致，暗示由于早期伸展作用的進(jìn)行，右江盆地在晚泥盆世末期出現(xiàn)初始洋殼。

圖8 六強(qiáng)、那洋硅質(zhì)巖(∑REE+Y)-(SiO2/Al2O3)關(guān)系圖Fig.8 (∑REE+Y)-(SiO2/Al2O3) diagram of siliceous rocks in the Liuqiang and Nayang area(作圖方法據(jù)文獻(xiàn)[11])

表3 六強(qiáng)、那洋泥盆系硅質(zhì)巖元素平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差(±1σ)Table 3 Mean and standard deviation of the Devonian siliceous rocks in Liuqiang and Nayang area

數(shù)據(jù)來源：八渡硅質(zhì)巖據(jù)文獻(xiàn)[12];南丹硅質(zhì)巖據(jù)文獻(xiàn)[11];五象嶺硅質(zhì)巖據(jù)文獻(xiàn)[31];桂林硅質(zhì)巖據(jù)文獻(xiàn)[25]。

7 結(jié) 論

對南寧六強(qiáng)、那洋泥盆系硅質(zhì)巖地球化學(xué)特征研究表明：壇河組、平恩組、榴江組硅質(zhì)巖都具有較高的SiO2含量。硅質(zhì)巖多具有較高的 Al/(Al+Fe+Mn)值，缺失明顯的Eu正異常，指示該區(qū)的硅質(zhì)巖樣品基本不受熱液作用影響。除去硅化作用的影響，中下泥盆統(tǒng)平恩組和壇河組樣品從海水中吸收了較少的∑REE+Y，且具有中等的Ce負(fù)異常和較高的Y/Ho值；而上泥盆統(tǒng)榴江組的硅質(zhì)巖具有較明顯的Ce負(fù)異常和較低的LaN/YbN值，表明與平恩組和壇河組硅質(zhì)巖相比，榴江組硅質(zhì)巖形成于更加開闊的環(huán)境。綜合右江盆地泥盆系硅質(zhì)巖地球化學(xué)時(shí)空分布規(guī)律，泥盆紀(jì)該盆地處于洋殼形成前的伸展演化階段。