新疆哈密大草灘地區(qū)早—中泥盆世濁積巖的發(fā)現(xiàn)及其沉積大地構(gòu)造背景

李浩，張孟，張雄華，郭瑞祿，高璐

1.中國地質(zhì)大學（武漢）地球科學學院，武漢 430074

2.中國地質(zhì)大學（武漢）地質(zhì)調(diào)查研究院，武漢 430074

0 引言

大草灘地區(qū)位于吐哈盆地南緣，為中新生代盆地中的一個古生代基巖“天窗”。1∶20萬大草灘幅[1]和1∶25萬五堡幅[2]都將該地區(qū)古生代地層劃歸為下泥盆統(tǒng)大南湖組，認為其是一套火山巖—火山碎屑沉積巖。近年來，隨著銅金等金屬礦床的勘探開發(fā)，位于大南湖島弧帶中的卡拉塔格—大草灘地區(qū)再次成為了研究熱點[3?6]。前人的研究主要集中在該地區(qū)的巖漿事件、大地構(gòu)造環(huán)境及相關(guān)的成礦地質(zhì)背景方面[7?12]。這些研究多從巖漿活動判斷該區(qū)為具有重要成礦背景的島弧帶，而對其中的地層序列、沉積環(huán)境及沉積盆地分析涉足甚少。

本研究在大草灘蛇綠巖南北兩側(cè)發(fā)現(xiàn)兩套碎屑巖沉積，兩者巖性基本一致，皆以缺乏火山巖夾層為特征。本文通過巖性組合、沉積構(gòu)造及砂巖粒度分析等方法對兩者進行沉積相分析，判斷其沉積環(huán)境演化序列，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景，對沉積盆地屬性進行了恢復。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)位于哈密市西南約80 km處，地處吐哈盆地南緣，屬大南湖—頭蘇泉島弧帶，以奧陶紀—泥盆紀具島弧特征的巖漿巖出露為主要特征[13?14]，近年來在大草灘一帶曾有晚志留世—早泥盆世SSZ型蛇綠巖的報道[15]。

該帶北部的博格達—哈爾里克山一帶廣泛發(fā)育石炭紀雙峰式火山巖[16?19]，南部的覺羅塔格構(gòu)造帶內(nèi)石炭系火山巖—沉積巖廣泛發(fā)育[20]，多條奧陶紀—石炭紀的蛇綠巖或混雜巖以構(gòu)造巖片的形式楔入其中[21?23]，至中天山地塊則大規(guī)模出露前寒武紀基底（圖1）。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)簡圖（據(jù)王國燦等[24]修改）Fig.1 Simplified regional geological map of the study area（modified from Wang et al.[24]）

研究區(qū)廣泛出露的下泥盆統(tǒng)大南湖組總體上以一套海相火山碎屑巖、火山碎屑沉積巖為主夾中基性火山熔巖和碳酸鹽巖[25]，灰?guī)r層中的腕足類或珊瑚化石指示其時代為早泥盆世[26?27]或早泥盆世—中泥盆世早期（項目內(nèi)部資料，另文發(fā)表）。本次研究所發(fā)現(xiàn)的這套復理石沉積分布于大草灘蛇綠巖帶兩側(cè)（圖2a），與區(qū)域上的大南湖組處于同一地層分區(qū)；南北兩側(cè)的砂巖樣品中最年輕的碎屑鋯石U?Pb年齡分別為390 Ma和417 Ma（項目內(nèi)部資料，另文發(fā)表），故其時代與大南湖組相仿，但在巖性組合及地層序列上具有顯著的差異，推測兩者為同期異相關(guān)系。

為清晰了解大草灘地區(qū)復理石沉積序列，本次研究在蛇綠巖南北兩側(cè)（后文以南北區(qū)分）各實測1∶2 000精度的地層剖面一條（圖2a）。在剖面上采集相關(guān)巖石樣品，并對保存良好的沉積構(gòu)造照相，以作為沉積相劃分的重要依據(jù)。

圖2 大草灘地區(qū)早—中泥盆世復理石分布、地層序列及沉積相劃分柱狀圖Fig.2 Distribution,stratigraphic succession and sedimentary facies classification of Lower to Middle Devonian turbidites from the Dacaotan area

2 地層序列及沉積特征

2.1 地層序列

該復理石層系以斷夾塊形式分布在大草灘蛇綠巖兩側(cè)，北側(cè)復理石斷塊規(guī)模較大，地層序列出露相對南側(cè)齊全。該斷塊靠近蛇綠巖的一側(cè)見基性巖巖片斜沖至復理石之上，導致序列下未見底，上部被晚泥盆世康古爾塔格組以角度不整合覆蓋。根據(jù)巖性可以分為三段：

第一段厚479 m，巖性以灰色—灰褐色巖屑砂巖和灰黃色—磚紅色泥質(zhì)粉砂巖、泥巖為主，夾少量含礫巖屑砂巖。砂巖中發(fā)育遞變層理、平行層理、砂紋層理、滑塌構(gòu)造，局部可見不完整的鮑馬序列發(fā)育。

第二段厚991 m，以巨大透鏡狀礫質(zhì)砂巖—細礫巖的廣泛發(fā)育為特征，礫石巖性以安山巖、英安巖為主，含少量玄武巖。該段由多個沉積旋回組成，單個旋回下部為灰色復成分細礫巖、礫質(zhì)長石巖屑砂巖、含礫砂巖，多呈橫向連續(xù)分布、長軸長3～40 m、厚1～5 m的巨大透鏡體產(chǎn)出，發(fā)育遞變層理、平行層理和底沖刷面，礫石礫徑具有向上變粗的趨勢；上部為灰色巖屑砂巖、粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，砂巖中多發(fā)育遞變層理、平行層理或砂紋層理。

第三段厚138 m，巖性以透鏡狀的細—中礫巖、含礫砂巖、巖屑砂巖、粉砂巖和泥巖為主。該段的礫巖透鏡體橫向分布不連續(xù)，規(guī)模和其中的礫石礫徑皆大于第二段。

蛇綠巖南側(cè)地層受構(gòu)造改造作用強烈，復理石斷塊規(guī)模較小，單個斷塊內(nèi)地層序列出露不完整。選取一序列保存最完整的斷夾塊恢復其地層序列，發(fā)現(xiàn)其可劃分為上下兩個巖性段。下段以泥質(zhì)粉砂巖、泥巖夾少量巖屑砂巖為主；上段巖屑砂巖增多，發(fā)育較多礫巖、礫質(zhì)砂巖或中—粗砂巖透鏡體，整體上為一向上變粗的沉積序列。

2.2 砂巖粒度特征

根據(jù)統(tǒng)計和計算所得的粒度參數(shù)（表1），并繪制了這套濁積砂巖的C?M圖（圖3）。可見蛇綠巖兩側(cè)的樣品散點基本都分布在濁流區(qū)，分布區(qū)域呈平行于C=M基線的帶狀，沉積物最大粒徑與粒度中值變化范圍較大。整體上表現(xiàn)為跳躍和懸浮搬運，符合重力流特征。

圖3 大草灘地區(qū)濁積砂巖樣品C?M圖Fig.3 C?M figure for turbidites from Dacaotan area

概率累計曲線能有效的區(qū)別沉積環(huán)境[28]。大草灘地區(qū)濁積巖的概率累計曲線存在二段式和三段式兩種。其中，二段式主要分布于蛇綠巖兩側(cè)濁積巖序列的第一段（圖4b），僅由跳躍總體和懸浮總體組成，跳躍總體含量等于或略高于懸浮總體（50%～70%），線段斜率略大于懸浮總體，說明其分選稍好，兩者結(jié)點多在2.5～4f之間。結(jié)合以上參數(shù)特征，推斷兩側(cè)序列的第一段沉積環(huán)境穩(wěn)定，水動力強度中等。

三段式集中分布于兩側(cè)濁積巖序列的第二段（圖4a），滾動總體含量多不超過10%，線段多較平緩，個別較陡，與跳躍總體截點位于1～2.5f之間；跳躍總體含量占50%～55%，線段斜率多在55°左右，具水道濁積巖特征，少數(shù)在45°左右；懸浮總體占總體的35%～50%，線段斜率在30°～45°之間，表明分選較差，與跳躍總體的截點多在2.5～4f之間。結(jié)合以上參數(shù)特征，推斷兩側(cè)序列的第二段為水動力條件較強的沉積環(huán)境。

粒度頻率曲線可以直觀的表現(xiàn)出碎屑物粒度的分布情況。大草灘地區(qū)濁積巖樣品的粒度頻率曲線皆存在不對稱的單峰（圖5a，d）、雙峰（5b，e）與多峰形態(tài)（圖5c，f），主峰多在2～4f之間，樣品的粒度范圍整體較廣，都在0.25～7f之間。北側(cè)序列第二段砂巖中粒度較粗的組分明顯多于第一段和南側(cè)砂巖，反映碎屑物沉積更接近源區(qū)，與野外識別結(jié)果相符。頻率曲線的多峰性反映出大草灘濁積巖具有多物源區(qū)的特征。

圖5 大草灘地區(qū)濁積砂巖樣品粒度頻率曲線圖Fig.5 Frequency distribution curves of turbidites from Dacaotan area

3 沉積相劃分

根據(jù)巖性組合和沉積構(gòu)造特征，結(jié)合粒度分析數(shù)據(jù)，參考Muttiet al.[29]以及Pickeringet al.[30]提出的經(jīng)典濁積巖巖相的劃分方案，共在兩套復理石中識別出9種巖相（表2）。根據(jù)巖相組合特征，共在序列中識別出內(nèi)扇—中扇—外扇3種沉積環(huán)境，在內(nèi)扇和中扇環(huán)境中又分別識別出3種沉積亞環(huán)境（表3）?，F(xiàn)將沉積環(huán)境/亞環(huán)境的特征描述如下：

表2 大草灘地區(qū)濁積巖巖相分類表Table 2 Classification of turbidite facies in Dachaotan area

表3 大草灘地區(qū)濁積巖沉積環(huán)境及沉積亞環(huán)境（巖相組合）分類表Table 3 Classification of sedimentary environment and sedimentary subenvironment(lithofacies association)of turbidites in Dacaotan area

3.1 內(nèi)扇沉積

濁積扇內(nèi)扇沉積主要由主水道沉積、次級水道沉積和高階地沉積三部分組成。由于內(nèi)扇沉積自身較難保存，加之后期強烈的構(gòu)造作用，該沉積環(huán)境僅見于北側(cè)序列的第三段。

3.1.1 主水道沉積

該亞環(huán)境僅見于北側(cè)序列第三段底部，濁積巖相以A1相為主，伴有少量A3相或B相。底部發(fā)育明顯的侵蝕面，切割中扇沉積（圖6a）。A1相為塊狀無層序構(gòu)造的復成分細—中礫巖，橫向上延伸極不穩(wěn)定，呈長軸長20 m以上、厚度5～10 m的巨大透鏡體產(chǎn)出。礫巖中礫石礫徑多為0.5～5 cm，成分復雜，分選磨圓皆差，含較多紅褐色—淺灰綠色、形狀不規(guī)則的砂巖礫或泥礫（圖6b，c）；基質(zhì)含量較高，達50%以上，為典型的扇根主水道內(nèi)顆粒流在能量降低后形成的混雜快速堆積。A3相或B相常覆于A1相之上（圖6d），為含礫砂巖、中—粗粒巖屑砂巖，發(fā)育不明顯的遞變層理、平行層理，代表主水道上部沉積產(chǎn)物。

圖6 大草灘地區(qū)濁積扇內(nèi)扇沉積典型野外地質(zhì)現(xiàn)象Fig.6 Representative field outcrops of the inner fan of turbidites in Dacaotan area

3.1.2 次級水道沉積

該亞環(huán)境主要見于北側(cè)序列第三段中部。濁積巖相主要為A3相和B相，頂部往往發(fā)育C相。A3相為厚層礫質(zhì)砂巖、含礫砂巖，局部可見不明顯的遞變層理，底部可見明顯侵蝕面（圖6e）；B相往往覆于A3相之上，為中層—塊狀巖屑砂巖，發(fā)育不明顯的遞變層理或平行層理；C相往往覆于B相之上，為中—厚層狀細—中砂巖夾粉砂巖、泥巖，發(fā)育平行層理。與主水道沉積相比，次級水道沉積橫向延展同樣不穩(wěn)定，但其中的碎屑顆粒普遍較細，且層理發(fā)育。

3.1.3 高階地沉積

高階地沉積主要見于北側(cè)序列第三段的底部，濁積巖相以E相為主，伴有少量的B相或C相。E相巖性主要為粉—細砂巖與泥巖互層（圖6h），發(fā)育砂紋層理（圖6f，g）或水平層理，B相或C相可能由次級水道側(cè)向遷移和側(cè)向加積形成，以層厚偏大、粒度偏粗和發(fā)育平行層理區(qū)別于E相。

3.2 中扇沉積

中扇沉積是濁積扇沉積的主體部位，其由分支水道沉積、分支水道漫灘沉積和外緣垛體沉積三種沉積亞環(huán)境構(gòu)成。

3.2.1 分支水道沉積

該亞環(huán)境主要分布于南側(cè)序列上段和北側(cè)序列第二段底部和中上部，濁積巖相以A2相、A3相為主，伴有少量的B相，往往被C相或D相覆蓋。A2相多分布于該微相的底部，呈長軸10～40 m，厚2～5 m的巨大透鏡體產(chǎn)出（圖7a），巖性以復成分細礫巖（圖7b）和礫質(zhì)砂巖為主，不發(fā)育層理，底部見明顯的沖刷面（圖7c）；A3相粒度細于A2相，巖性以含礫砂巖為主，發(fā)育不明顯的遞變層理（圖7e），呈規(guī)模稍小的透鏡體產(chǎn)出（圖7d），或覆于A2相之上（圖7a）；B相常分布于A相之上，或與A3相互層（圖7f），個別也作為規(guī)模較小的透鏡體發(fā)育在A相兩側(cè)，巖性以中—粗粒巖屑砂巖為主。

3.2.2 分支水道漫灘沉積

該亞環(huán)境主要分布在北側(cè)序列第二段的下部和頂部，濁積巖巖相以C相和D相為主，含有少量的B相，上往往被水道沉積覆蓋（圖7g）。C相為長石巖屑細—中砂巖夾粉砂巖、泥巖（圖7h），或與泥巖互層，砂巖多呈中層狀，少數(shù)呈薄層狀，發(fā)育平行層理、砂紋層理（圖7i）或不明顯的遞變層理，泥巖中水平層理或均質(zhì)層理發(fā)育，鮑馬序列常見Tae或Tbe；D相為細粒長石巖屑砂巖、粉砂巖與泥巖互層，粉—細砂巖呈薄層狀，發(fā)育平行層理（圖7k）或砂紋層理，泥巖中水平層理或均質(zhì)層理發(fā)育，鮑馬序列常見Tbde、Tce或Tcde；少量B相為中—粗粒巖屑砂巖，多呈透鏡狀產(chǎn)出，發(fā)育遞變層理、平行層理，與上覆泥巖構(gòu)成Tabd（圖7j）或Tabe型鮑馬序列，為漫灘上偶發(fā)的小規(guī)模分支水道形成。

圖7 大草灘地區(qū)濁積扇中扇沉積典型野外地質(zhì)現(xiàn)象Fig.7 Representative field outcrops for the middle fan of turbidites in Dacaotan area

3.2.3 外緣垛體沉積

外緣垛體沉積主要見于北側(cè)序列的第一段和第二段下部以及南側(cè)序列的中上部，是一種無水道的濁流沉積，是中扇靠近外扇的部分。濁積巖相主要為E相，含有少量的C相和F相，其上往往被G相覆蓋。E相的砂泥比較D相明顯偏高，砂巖為細—中粒長石巖屑砂巖，局部發(fā)育遞變層理，粉砂巖和泥巖中發(fā)育小型斜層理和水平層理（圖7n）；F相以變形層理（圖7l）、滑塌構(gòu)造（圖7m）的發(fā)育為典型特征，巖性以細—粗粒巖屑砂巖和粉砂質(zhì)泥巖為主，為滑塌作用的沉積物。G相以粉砂質(zhì)泥巖和泥巖為主，發(fā)育水平層理、均質(zhì)層理，為濁流懸浮沉積的產(chǎn)物。

3.3 外扇沉積

該環(huán)境廣泛分布于蛇綠巖兩側(cè)濁積巖序列的下部，橫向延伸穩(wěn)定。濁積巖相以D相為主（圖8a），被G相覆蓋，外扇沉積是濁積扇沉積中粒度最細的部分，巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主，夾薄層狀粉—細砂巖，局部見截面呈長條狀的泥質(zhì)灰?guī)r透鏡體（圖8b，c），發(fā)育小型斜層理、水平層理（圖8b）、均質(zhì)層理（圖8c）等。泥巖顏色以深紅褐色—深灰色，與中扇D相泥巖相比顏色較深，總體沉積于水動能較弱的環(huán)境。

圖8 大草灘地區(qū)濁積扇外扇沉積典型野外地質(zhì)現(xiàn)象Fig.8 Representative field outcrops for the outer fan of turbidites in Dacaotan area

4 討論

4.1 沉積序列特征

大草灘蛇綠巖北側(cè)的濁積巖序列下與玄武巖巖片呈斷層接觸，自下而上呈現(xiàn)出由外扇—中扇—內(nèi)扇的沉積序列（圖2b），為一典型的進積序列，可代表水深逐漸變淺的盆地填充過程。受強烈的構(gòu)造改造作用，南側(cè)的濁積巖多以大小不一的巖片形式存在，故整個序列出露不完整。選取一層厚較大的巖片，發(fā)現(xiàn)其下段以外扇沉積和外緣垛體沉積為主，上段開始出現(xiàn)分支水道沉積（圖2c），同樣為一典型的進積序列。

4.2 沉積盆地分析

大草灘地區(qū)濁積巖的鏡下照片顯示，其顆粒組分普遍具有低石英、正長石，高斜長石和巖屑的特征（圖9a，b），所有樣品中皆含較豐富的凝灰質(zhì)組分，個別樣品中還有少量的輝石顆粒（圖9c），礫質(zhì)砂巖中見安山巖礫石和英安巖礫石（9d）。

圖9 大草灘地區(qū)濁積砂巖鏡下照片F(xiàn)ig.9 Photomicrographs of turbidites in Dacaotan area

根據(jù)Dickson[31]對于雜砂巖物源與沉積背景關(guān)系的理論，推斷其碎屑物質(zhì)可能來源于活躍的島弧系統(tǒng)或活動大陸邊緣系統(tǒng)。從兩側(cè)序列中各選取5個巖屑砂巖樣品投點到Dicksonet al.[32]三角圖解中（圖10），投影集中落在了切割島弧和過渡島弧區(qū)，表明該套地層具有典型島弧物源區(qū)的特征。

圖10 大草灘地區(qū)濁積砂巖成分三角圖解（據(jù)Dickinson et al.[32]修改）Fig.10 Triangle diagram for turbidites in Dacaotan area（modified from Dickinson et al.[32]）

受俯沖板片后撤的影響，島弧沉積系統(tǒng)可分為弧前、弧間和弧后三類沉積盆地。其中，弧前盆地內(nèi)多發(fā)育向上粒度變粗水深變淺的沉積序列[33?35]，其空間上介于島弧火山巖至增生楔蛇綠混雜巖之間[36]，可見其不整合覆于蛇綠巖之上[37]或陸殼基底之上[31]；弧間盆地附近火山活動劇烈，火山熔巖、火山噴發(fā)角礫、火山碎屑裙和濁流沉積大量填充于盆地內(nèi)，整體為粒度向上變粗的沉積序列[38?39]；弧后盆地受伸展作用影響，往往發(fā)育水深逐漸增大、火山碎屑物質(zhì)減少的沉積序列[40?42]，其底部往往發(fā)育伸展背景火山巖不整合覆于陸殼基底之上[41]。此外，由于盆地發(fā)育時間與島弧活動時間的差異，以及火山活動與俯沖深度的關(guān)系，火山熔巖往往出現(xiàn)在弧間盆地或弧后盆地內(nèi)，而弧前盆地中往往沒有這些記錄[35]。

大草灘蛇綠巖南北兩側(cè)的泥盆紀濁積巖皆存在顯著的向上變粗的沉積序列，這種沉積序列在弧前盆地和填充的弧間盆地中皆可發(fā)育，但其不含火山巖夾層、毗鄰蛇綠巖的特征僅可見于弧前盆地沉積中。綜上所述，筆者認為，大草灘地區(qū)的泥盆紀濁積巖為俯沖背景下弧前盆地中少有的，保存較為完好的地質(zhì)記錄，其物源主要由早期噴發(fā)的火山巖提供，火山噴發(fā)形成的正地貌為大規(guī)模重力流（濁流）的形成提供了良好的地形條件。

5 結(jié)論

（1）通過對大草灘地區(qū)早—中泥盆世濁積巖巖性組合、粒度特征、沉積構(gòu)造和垂向上的分布規(guī)律的研究，共識別出A（A1,A2,A3）?G?9種不同的濁積巖相，不同的濁積巖相組合對應(yīng)著不同的沉積環(huán)境，分別為：外扇沉積，中扇沉積（分支水道沉積、分支水道漫灘沉積、外緣剁體）和內(nèi)扇沉積（主水道沉積、次級水道沉積、高階地沉積）。

（2）沉積序列與沉積相分析表明，北側(cè)的濁積巖發(fā)育完整的外扇—中扇—內(nèi)扇的進積序列，而南側(cè)濁積巖發(fā)育外扇—中扇的進積序列。沉積序列受沉積盆地構(gòu)造屬性的影響，具有獨特的沉積特征，結(jié)合濁積巖的巖性組合、空間分布，推斷其在早—中泥盆世處于弧前盆地的構(gòu)造背景中。

致謝 在野外工作中得到項目組同學們的極大幫助，王國燦教授和廖群安教授對文章內(nèi)容提出建設(shè)性意見，在此一并表示感謝。