哈爾濱地區(qū)羅家窩棚組地層的沉積學(xué)、礦物學(xué)及地球化學(xué)特征：對(duì)沉積環(huán)境的指示*

魏春艷 謝遠(yuǎn)云，2 康春國(guó) 遲云平，2 孫 磊 吳 鵬 魏振宇 冷宇坤

（1.哈爾濱師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院 哈爾濱 150025；2.哈爾濱師范大學(xué)，寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測(cè)與空間信息服務(wù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150025；3.哈爾濱學(xué)院地理系 哈爾濱 150086）

碎屑沉積物的礦物學(xué)和地球化學(xué)特征蘊(yùn)含了豐富的母巖信息，因此具有揭示過(guò)去地質(zhì)過(guò)程的巨大潛力（Basu et al.，1975；Asiedu，2000；Armstrong-Altrin et al.，2013；Armstrong-Altrin，2015；Armstrong-Altrin et al.，2017；Hamdalla et al.，2021）。沉積物中的元素含量與沉積環(huán)境關(guān)系密切，利用碎屑沉積物的元素特征來(lái)恢復(fù)沉積環(huán)境是沉積學(xué)定量研究的重要手段（馮楊偉等，2017，2019）。然而，碎屑沉積物的地球化學(xué)特征不僅受到母巖組成的影響，還受到搬運(yùn)過(guò)程中的風(fēng)化、分選以及搬運(yùn)后的沉積環(huán)境等因素的改造（Armstrong-Altrin，2009；Baiyegunhi et al.，2017），因此，評(píng)估這一過(guò)程對(duì)于揭示區(qū)域地質(zhì)過(guò)程具有重要意義（Andreozzi et al.，1997；Armstrong-Altrin et al.，2004，2015；Asiedu et al.，2004；Ahmad et al.，2016；袁方等，2017）。

哈爾濱地區(qū)作為我國(guó)東北地區(qū)第四系發(fā)育典型的地區(qū)，許多學(xué)者在此做過(guò)大量的第四紀(jì)地層、古生物以及考古等研究工作（劉淑秋等，1985）。哈爾濱下更新統(tǒng)包括羅家窩棚組、關(guān)家窩棚組和白土山組，羅家窩棚組是哈爾濱地區(qū)第四紀(jì)最底層的地層單元，直接覆于白堊系泥巖風(fēng)化殼之上（吳金城等，1984），其巖性是紫紅色砂礫石，被認(rèn)為代表了一套冰磧物堆積（趙啟剛等，1993；徐寶紅等，2009）。到目前為止，針對(duì)羅家窩棚組地層的研究工作僅限于1990年以前的少量研究，且集中于沉積學(xué)特征的描述，而對(duì)于礦物學(xué)和地球化學(xué)特征的研究尚未涉及。

為此本文對(duì)羅家窩棚組地層進(jìn)行沉積學(xué)、礦物學(xué)和地球化學(xué)特征分析，重建羅家窩棚組地層的化學(xué)風(fēng)化程度、沉積再循環(huán)和母巖特征，進(jìn)而綜合分析了羅家窩棚組地層的沉積過(guò)程以及沉積環(huán)境。此項(xiàng)研究不僅從礦物學(xué)和地球化學(xué)上完善了羅家窩棚組的地層屬性特征，而且對(duì)哈爾濱第四紀(jì)地層的劃分以及早更新世構(gòu)造—地貌—?dú)夂颉笛莼鹊刭|(zhì)事件的重建具有重要指示意義。

1 研究區(qū)概況

羅家窩棚組最早由馬洪驥等人于1964年在五常縣拉林鎮(zhèn)以東羅家窩棚（45°14′59″N，126°56′33″E）發(fā)現(xiàn)，并確定其屬于下更新統(tǒng)。1974年黑龍江省地層會(huì)議建議稱該地層為羅家窩棚組。1975年徐衍強(qiáng)首次建組并命名（趙啟剛等，1993）。羅家窩棚組地層在地貌上呈垅狀、鼓丘狀，斷續(xù)出露在山前平原與濱東丘陵的接觸帶上（吳金城等，1984）。剖面相對(duì)高度約20 m左右，頂部覆蓋薄薄的現(xiàn)代土壤，崗丘上部為河漫灘相黃褐色堆積物，下部是紫紅色砂礫石層堆積（羅家窩棚組地層；圖1）。研究區(qū)屬于中溫帶濕潤(rùn)—半濕潤(rùn)季風(fēng)性氣候，冬季受亞洲冷高壓的控制，風(fēng)力持久強(qiáng)勁，寒冷漫長(zhǎng)；夏季受太平洋西南氣流的影響，炎熱短暫，四季特征明顯。全年盛行西南風(fēng)，年降水量300～700 mm，年均溫為2℃左右。

2 材料與方法

本文以羅家窩棚組地層的礫石、基質(zhì)以及泥質(zhì)—粉砂—細(xì)砂透鏡體為研究對(duì)象，其中礫石用來(lái)研究其巖性、礫徑、礫向、分選—磨圓和化學(xué)風(fēng)化特征等，粉砂及極細(xì)砂透鏡體沉積物用于重礦物分析，基質(zhì)和泥質(zhì)—粉砂透鏡體等細(xì)粒的碎屑物質(zhì)用于地球化學(xué)分析。

在剖面上劃出100 cm×100 cm網(wǎng)格，在網(wǎng)格內(nèi)隨機(jī)進(jìn)行礫石的統(tǒng)計(jì)測(cè)量，進(jìn)行了3個(gè)礫石統(tǒng)計(jì)點(diǎn)，共統(tǒng)計(jì)285塊礫石。統(tǒng)計(jì)測(cè)量?jī)?nèi)容包括礫石a、b面傾向、傾角，礫石各軸（a軸、b軸和c軸）的長(zhǎng)度，記錄各礫石的成分、磨圓度和風(fēng)化程度。

獲取了38個(gè)樣品，其中2個(gè)樣品用于重礦物分析，剩下36個(gè)樣品（其中32個(gè)樣品主要是紫紅色泥質(zhì)基質(zhì)，其次為紫紅色泥質(zhì)—粉砂—極細(xì)砂透鏡體，剩余4個(gè)樣品屬于半風(fēng)化和全風(fēng)化的巖石樣品）用于地球化學(xué)分析。

將重礦物樣品烘干和稱重后，使用傳統(tǒng)淘洗法把重部分提取出來(lái)，剩余尾砂及淘洗污水進(jìn)行稱重計(jì)算損耗率，利用三溴甲烷（密度為2.89 g/cm3）將待測(cè)定的重礦物樣品進(jìn)行輕重礦物分離，用酒精把分離后的樣品反復(fù)沖洗，60℃恒溫烘干后再稱重，可得重礦物部分的含量（康春國(guó)等，2009）。將分離出來(lái)的重礦物部分在雙目顯微鏡下進(jìn)行鑒定，每個(gè)重礦物樣品鑒定顆粒數(shù)均在600粒以上（王嘉新等，2020）。重礦物鑒定在廊坊誠(chéng)信地質(zhì)公司進(jìn)行。

樣品在室內(nèi)經(jīng)過(guò)自然風(fēng)干后，用瑪瑙研缽研磨成粉末狀，通過(guò)干篩法對(duì)樣品進(jìn)行篩析，過(guò)200目（63 μm）標(biāo)準(zhǔn)分樣篩，獲得小于63 μm的粒度組分用于地球化學(xué)分析。常量元素用荷蘭帕納（PANalytica）XRF（X-rayfluo-rescence）光譜儀，采用壓片法完成，使得測(cè)量誤差在3%以內(nèi)。微量、稀土元素的測(cè)試是用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）完成。通過(guò)國(guó)際標(biāo)樣、重復(fù)樣與空白樣品進(jìn)行分析，測(cè)試精度和準(zhǔn)確度，分析不確定度（相對(duì)偏差）均小于2%（袁方等，2018）。樣品測(cè)試在蘭州大學(xué)進(jìn)行。

3 結(jié) 果

3.1 沉積學(xué)特征

羅家窩棚組是一套弱—中等程度固結(jié)的紫紅色礫石堆積，泥質(zhì)基質(zhì)主要存在于孔隙和顆粒的接觸面之間，具有顆粒支撐結(jié)構(gòu)，局部含泥質(zhì)和粉砂質(zhì)/砂質(zhì)透鏡體（圖1）。

圖1 羅家窩棚組剖面位置及沉積學(xué)特征a.東北平原地貌及剖面位置；b.羅家窩棚組地層剖面；c.礫石堆積；d.風(fēng)化花崗巖；e.極度風(fēng)化礫石；f.粉砂透鏡體；g.砂質(zhì)透鏡體；h.泥質(zhì)透鏡體Fig.1 Sketch map of the northeast plain in China，showing location of the studied section（a），and field photo（b～h），showing the sedimentary characteristics of the Luojiawopeng Fm.

羅家窩棚組地層礫石的礫徑多集中在30～90 mm（圖2a），最大礫徑達(dá)442 mm。整套礫石無(wú)定向性，分選差（圖2b）。礫石磨圓度以次棱角（68%）占優(yōu)，其次是次圓（21%）、棱角（10%）和圓（1%）（圖2c）。礫石的化學(xué)風(fēng)化特征以弱風(fēng)化（67%）為主（圖2d），中等風(fēng)化和強(qiáng)風(fēng)化分別占26%和7%。礫石巖性主要以砂巖—粉砂巖（44%）和花崗巖（37%）為主（圖2e），其次是凝灰?guī)r（11%）、石英質(zhì)巖石（3.4%）、閃長(zhǎng)巖（2%）、流紋巖（1%）和玄武巖（1%）。

圖2 羅家窩棚組礫石統(tǒng)計(jì)圖a.礫徑；b.定向性；c.磨圓度；d.風(fēng)化程度；e.巖性Fig.2 Statistical diagram of gravel in the Luojiawopeng Fm.

3.2 重礦物組成

羅家窩棚組的重礦物類(lèi)型相對(duì)簡(jiǎn)單，共檢測(cè)出11種重礦物，包括鋯石、螢石、重晶石、磷灰石、白鈦石、金紅石、銳鈦礦、閃鋅石、毒砂、黃鐵礦和赤/褐鐵礦（表1）。其中赤/褐鐵礦占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（87.5%），其次為白鈦石（5.0%）、鋯石（1.8%）和磷灰石（1.1%），其他重礦物含量很少。

表1 羅家窩棚組剖面重礦物組成/%Table 1 Heavy mineral composition/% of the Luojiawopeng Fm.stratigraphic section

3.3 常量元素

常量元素含量呈現(xiàn)出不同程度的變化，SiO2含量（47.36%～78.07%）較高，表現(xiàn)出酸性巖的特征，富堿（Na2O+K2O=1.08%～5.34%）、富鋁（Al2O3含量9.9%～25.01%）、貧鉀（K2O含量0.94%～4.85%）、貧鎂（MgO含量0.13%～1.14%）、貧鈣（CaO含量0.18%～3.1%）、貧鈦（TiO2含量0.31%～2.27%）、低磷（P2O5含量0.09%～0.56%）。數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)UCC（大陸上地殼）標(biāo)準(zhǔn)化后，所有粒級(jí)的樣品在MgO、CaO、Na2O表現(xiàn)出明顯的虧損（圖3a），除了單個(gè)半風(fēng)化巖石，其余樣品在P2O5表現(xiàn)出適度虧損，除了全風(fēng)化巖石樣品，其余粒級(jí)的沉積物在K2O表現(xiàn)出不同程度的虧損；全風(fēng)化、半風(fēng)化巖石和泥質(zhì)沉積物的Fe2O3的富集程度明顯高于砂質(zhì)和粉砂質(zhì)沉積物；不同粒級(jí)組分的Al2O3、MnO和TiO2表現(xiàn)出較大的波動(dòng)變化。所有樣品中SiO2含量與UCC含量相當(dāng)。

3.4 微量元素

與UCC相比，過(guò)渡元素（TTE：Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga），除了Ga全部富集，其余元素隨著粒級(jí)差異而呈現(xiàn)出不同的變化（圖3b）。砂質(zhì)沉積物在Sc、Co、Ni和Zn明顯高于其余粒級(jí)樣品的富集程度；半風(fēng)化巖石和粉砂質(zhì)沉積物在V、Cr、Ni和Zn具有相似的變化趨勢(shì)，波動(dòng)較大；Sc、Zn和Ga在全風(fēng)化巖石的富集程度高于其余元素；泥質(zhì)沉積物整體波動(dòng)較大。高場(chǎng)強(qiáng)元素（HFSE：Y、Zr、Nb、Hf、Ta、Th、U），除了Ta全部虧損，其余元素波動(dòng)較大。其中除了半風(fēng)化巖石，其余粒級(jí)的樣品在Hf表現(xiàn)出不同程度的富集；泥質(zhì)沉積物在Th上表現(xiàn)為富集，其余樣品為不同程度的虧損；泥質(zhì)、砂質(zhì)和粉砂質(zhì)沉積物在Zr和U上的虧損程度高于全風(fēng)化和半風(fēng)化巖石；所有粒級(jí)的樣品在Y上波動(dòng)較大。大離子親石元素（LILE：Rb、Sr、Cs、Ba、Pb），除了Pb全部富集，其余元素波動(dòng)較大。全風(fēng)化巖石在Rb上的富集程度明顯高于其余粒級(jí)的樣品；泥質(zhì)沉積物在Sr和Cs上的富集程度最高，而在Ba上的虧損程度最高；半風(fēng)化巖石總體上表現(xiàn)出不同程度的虧損。

圖3 羅家窩棚組元素標(biāo)準(zhǔn)化模式（全風(fēng)化和半風(fēng)化樣品屬于巖石，下同）Fig.3 The normalized patterns for elements of the Luojiawopeng Fm.

3.5 稀土元素

羅家窩棚組沉積物的稀土元素總量ΣREE為100～863（平均值為324），明顯高于UCC（146）和PAAS（澳大利亞后太古代頁(yè)巖，185）。樣品輕/重稀土同位素比值為2.45～21.9，均值為11.16；δEu為0.58～0.80，均值為0.68，顯示出Eu負(fù)異常；（La/Yb）N在1.56～45.24波動(dòng)，均值為16.28，表明樣品輕稀土富集和重稀土虧損。（La/Sm）N為1.92～4.75，均值為3.40，說(shuō)明樣品具有較高度的輕稀土分餾；（Gd/Yb）N為0.51～5.73，均值為2.28，反映樣品具有中等程度的重稀土分餾。羅家窩棚組沉積物稀土元素在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線圖（圖3c）上總體呈現(xiàn)“左端傾斜、右端平緩、Eu谷發(fā)育”的特征。

4 討 論

4.1 沉積物化學(xué)風(fēng)化特征

源區(qū)風(fēng)化是一系列連續(xù)沉積過(guò)程的先驅(qū)，是影響沉積物地球化學(xué)組成的重要過(guò)程之一（Maharana et al.，2018）。地表風(fēng)化產(chǎn)物能夠有效的提供古氣候演化的信息。在化學(xué)風(fēng)化過(guò)程中，穩(wěn)定性元素存留，而不穩(wěn)定性元素流失?；瘜W(xué)蝕變指數(shù)CIA（Nesbitt and Young，1982）常被用來(lái)反映沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度，定義如下：

CaO*是硅酸鹽中的CaO含量。該值把碳酸鹽礦物的影響去除，主要用來(lái)表示硅酸鹽礦物的風(fēng)化程度，有效反映了沉積物中長(zhǎng)石風(fēng)化為黏土礦物的程度（張曼等，2021）。CIA可以定量評(píng)價(jià)沉積物遭受的化學(xué)風(fēng)化程度（Kirschvink，1992；Hoffman，1998；Young and Nesbitt，1999），值越大，表示沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度越強(qiáng)，其中50～60代表低等風(fēng)化程度，60～80代表中等風(fēng)化程度，80～100代表強(qiáng)烈風(fēng)化程度。羅家窩棚組沉積物的CIA變化范圍72～95（平均值84），高CIA值說(shuō)明沉積物經(jīng)歷了高強(qiáng)度的化學(xué)風(fēng)化。

化學(xué)風(fēng)化程度也可以用風(fēng)化指數(shù)WIP來(lái)表示（Garzanti et al.，2013）。

隨著化學(xué)風(fēng)化程度加深，WIP值變低。羅家窩棚組沉積物的WIP變化范圍9～67（平均值26），屬于高強(qiáng)度風(fēng)化。不同粒級(jí)的沉積物表現(xiàn)出不同的化學(xué)風(fēng)化程度。泥質(zhì)沉積物（CIA和WIP指數(shù)分別為86和22）顯示出高度的化學(xué)風(fēng)化程度，砂質(zhì)沉積物（CIA和WIP指數(shù)分別為82和31）化學(xué)風(fēng)化程度中等，粉砂質(zhì)沉積物（CIA和WIP指數(shù)分別為74和41）化學(xué)風(fēng)化程度中等偏弱。

羅家窩棚組沉積物的化學(xué)風(fēng)化特征也可以通過(guò)三元圖解（A-CN-K和A-CNK-FM）（Hoffman et al.，2007）來(lái)直觀地表現(xiàn)。Nesbitt and Young（1989）提出預(yù)測(cè)陸殼風(fēng)化趨勢(shì)的A-CN-K（即Al2O3-CaO*+Na2O-K2O）三角模型圖，并以此來(lái)預(yù)測(cè)巖石和沉積物的風(fēng)化趨勢(shì)（李徐生等，2007；羅萬(wàn)銀等，2014）。在該模型中，樣品點(diǎn)的集中程度越高，反映沉積物的化學(xué)風(fēng)化和剝蝕過(guò)程越穩(wěn)定（Fedo et al.，1995）。在該模型中，早期風(fēng)化階段的產(chǎn)物為伊利石、蒙脫石和高嶺石，趨勢(shì)線與A-CN平行；中期風(fēng)化階段的剖面中斜長(zhǎng)石風(fēng)化消失，趨勢(shì)線與A-K平行；晚期風(fēng)化階段的產(chǎn)物為高嶺石—三水鋁石—綠泥石，產(chǎn)物集中在A點(diǎn)（Honda and Shimizu，1998）。

在A-CN-K圖解（圖4a）中，樣品集中分布在斜長(zhǎng)石和鉀長(zhǎng)石連線的上方，大部分樣品點(diǎn)已經(jīng)脫離了預(yù)測(cè)的化學(xué)風(fēng)化趨勢(shì)線，并沿著A-K連線分布且逐漸向A點(diǎn)靠近，說(shuō)明了樣品經(jīng)歷了很強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化。泥質(zhì)沉積物相對(duì)集中在A點(diǎn)附近接近高嶺石和綠泥石，粉砂質(zhì)沉積物分布上靠近伊利石，而砂質(zhì)沉積物處于兩者之間且距離PAAS較近，全風(fēng)化和半風(fēng)化巖石由于母巖性質(zhì)的不確定性，距離A點(diǎn)較近，樣品點(diǎn)整體分布緊湊說(shuō)明沉積物的化學(xué)風(fēng)化過(guò)程較完整。在A-CNK-FM圖解（圖4b）中，F(xiàn)M與斜長(zhǎng)石的連線反映出火成巖組成的線性趨勢(shì)，粉砂質(zhì)沉積物比較靠近風(fēng)化趨勢(shì)線，泥質(zhì)沉積物和砂質(zhì)沉積物接近綠泥石和伊利石的連線并靠近A點(diǎn)，與A-CN-K圖所呈現(xiàn)的信息一致，說(shuō)明羅家窩棚組沉積物的化學(xué)風(fēng)化程度很高。

利用穩(wěn)定重礦物系數(shù)ATi指數(shù)和W指數(shù)可以判別沉積物的風(fēng)化程度，礦物的穩(wěn)定程度與其抗風(fēng)化能力呈正比，沉積物中穩(wěn)定礦物含量越高，反映沉積物經(jīng)歷的化學(xué)風(fēng)化程度越高（康春國(guó)等，2011）。羅家窩棚組樣品的ATi指數(shù)為98～99，反映化學(xué)風(fēng)化程度極高；W指數(shù)為穩(wěn)定與不穩(wěn)定礦物的比值，羅家窩棚組樣品的W指數(shù)同樣很高，穩(wěn)定礦物含量為95%～96%，指示了沉積物經(jīng)歷了高度的化學(xué)風(fēng)化；沉積物中極高含量的赤/褐鐵礦以及完全消失的不穩(wěn)定礦物（例如輝石、角閃石和簾石類(lèi)礦物），表明了羅家窩棚組沉積物經(jīng)歷了很高程度的化學(xué)風(fēng)化?？傊珻IA、WIP、A-CN-K以及A-CNK-FM三角圖解均反映羅家窩棚組沉積物經(jīng)歷了很強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化過(guò)程。

4.2 沉積物的成熟度與再循環(huán)特征

沉積物的成分成熟度不僅受到源巖性質(zhì)、化學(xué)風(fēng)化程度和搬運(yùn)分選等因素的影響，還與沉積物形成時(shí)期的氣候環(huán)境和構(gòu)造背景有關(guān)（杜慧榮等，2020）。沉積再循環(huán)影響著巖石的成分成熟度，在一定程度上也影響著巖石的化學(xué)風(fēng)化。沉積物在循環(huán)過(guò)程中往往導(dǎo)致粘土礦物含量增加，從而造成Al2O3含量的增加，成分變異指數(shù)（ICV）反映成分成熟度（Cullers and Podkovyrov，2000），可用于判斷沉積物是屬于初次沉積還是再循環(huán)沉積（Cox et al.，1995）。ICV定義如下：

ICV＞1，表明樣品中存在少量的粘土礦物，是在構(gòu)造活動(dòng)下的初次沉積（吳福志等，2021）；ICV＜1，表明沉積物質(zhì)屬于再循環(huán)沉積或是在高度化學(xué)風(fēng)化程度下的初次沉積（吳年冬等，2020）。羅家窩棚組的ICV指數(shù)范圍為0.24～1.03，平均值為0.68，除了一個(gè)樣品（半風(fēng)化凝灰?guī)r）外，其余樣品全部＜1，表明沉積物成熟度高。羅家窩棚組礫石較差的分選和磨圓度特征，揭示其較短的搬運(yùn)距離，結(jié)合沉積物極高的CIA值，說(shuō)明羅家窩棚組沉積物是在高度風(fēng)化條件下的初次循環(huán)。

CIA/WIP二元圖解被廣泛用于判斷沉積物是屬于初次循環(huán)還是再循環(huán)（Floyd and Leveridge，1987）。如果CIA/WIP比值＜10，則沉積物屬于初次循環(huán)；如果CIA/WIP比值＞10，則沉積物屬于再循環(huán)或化學(xué)風(fēng)化程度很強(qiáng)。若沉積物符合沉積再循環(huán)特征，主要落在石英富集趨勢(shì)線和UCC風(fēng)化趨勢(shì)線之間的區(qū)域，且越靠近X軸，反映沉積物的沉積再循環(huán)程度越高（Xie et al.，2018）。羅家窩棚組樣品中CIA/WIP值都處于1～10之間（圖5a），泥質(zhì)沉積物少量落在趨勢(shì)線內(nèi)，大部分落在風(fēng)化線上方，砂質(zhì)沉積物和粉砂質(zhì)沉積物僅有個(gè)別樣品落在趨勢(shì)線內(nèi)，剩余樣品落在風(fēng)化線上方，全風(fēng)化和半風(fēng)化巖石樣品都落在風(fēng)化線上方。所有沉積物都緊緊依靠著風(fēng)化趨勢(shì)線，且大部分位于風(fēng)化趨勢(shì)線上方，反映羅家窩棚組沉積物屬于初次循環(huán)的產(chǎn)物。

Zr/Sc-Th/Sc二元圖解（Asiedu et al.，2004）是被廣泛用于判斷沉積物再循環(huán)特征的地球化學(xué)方法。碎屑顆粒的機(jī)械分選是一個(gè)至關(guān)重要的沉積分選過(guò)程，它總是發(fā)生在搬運(yùn)和沉積過(guò)程中，沉積物原始的物源特征在沉積分選過(guò)程中可能會(huì)被改變。在沉積物的分選再循環(huán)過(guò)程中，微量元素Zr在沉積物中穩(wěn)定富集，而微量元素Th通常存在于酸性巖中，Sc則存在于基性巖中，所以Zr/Sc比值可用于揭示分選再循環(huán)沉積過(guò)程中鋯石增加現(xiàn)象（馮連君等，2003）。羅家窩棚組樣品整體沿著趨勢(shì)線分布且Zr/Sc比值很低（絕大部分＜10，圖5b），說(shuō)明這些沉積物是初次循環(huán)產(chǎn)物風(fēng)化的沉積，受到分選和再循環(huán)影響較小。

圖5 羅家窩棚組沉積物沉積循環(huán)判別圖解Fig.5 Discrimination diagram of the sediment recycling in the Luojiawopeng Fm.

4.3 母巖性質(zhì)

物源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化作用會(huì)影響碎屑沉積物的化學(xué)成分，這一過(guò)程導(dǎo)致堿金屬和堿土金屬元素隨著地表流體發(fā)生遷移，而某些穩(wěn)定元素則不受風(fēng)化的影響依然滯留在沉積物中（王忠偉等，2020）。稀土元素在沉積風(fēng)化過(guò)程中由于穩(wěn)定性高，受外力影響較弱，可以很好的保存在沉積物中，可以用來(lái)判斷母巖的類(lèi)型、來(lái)源等信息（蔡觀強(qiáng)等，2006；李明龍等，2019）。

La/Th-Hf的二元圖解常用于判別母巖性質(zhì)以及沉積再循環(huán)特征（Bauluz et al.，2000），若Hf呈現(xiàn)高值，而La/Th呈現(xiàn)低值，表明母巖屬于古老地殼物質(zhì)；如果Hf呈現(xiàn)低值，而La/Th呈現(xiàn)高值，表明母巖來(lái)自島弧物源區(qū)。羅家窩棚組樣品沿著PAAS和UCC分布，處在安山巖和花崗巖之間，說(shuō)明羅家窩棚組沉積物質(zhì)初始物源區(qū)的母巖為中酸性巖石（圖6a）。另外，羅家窩棚組La/Th的比值為1.17～9.40，Hf值為2.62～8.88，樣品整體落在長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合物源區(qū)，部分落在酸性長(zhǎng)英質(zhì)島弧物源區(qū)，表明沉積物母巖以長(zhǎng)英質(zhì)源巖為主，中-基性巖漿母巖也有少量的貢獻(xiàn)。Roser and Korsch（1988）提出了一個(gè)使用7種主要元素來(lái)確定4種不同來(lái)源成分的公式化物源鑒別圖（圖6b）。羅家窩棚組泥巖和半風(fēng)化巖石整體分布在鎂鐵質(zhì)火成巖物源區(qū)，而砂質(zhì)、粉砂質(zhì)和全風(fēng)化沉積物主要分布在中性或長(zhǎng)英質(zhì)火成巖物源區(qū)，與羅家窩棚組礫石巖性特征一致。

沉積過(guò)程中由于低流動(dòng)性和在水體停留短暫的特點(diǎn)，使得某些不活動(dòng)元素（包括其比例）定量的轉(zhuǎn)移到沉積物中，為物源判別提供線索（Mclennan et al.，1983；Bhatia，1985；Condie，1991；Mclennan，1993；王松等，2012；郭望等，2020；李寶龍等，2020），所以可以使用不相容元素與相容元素比率來(lái)進(jìn)行母巖性質(zhì)的判別。長(zhǎng)英質(zhì)母巖和風(fēng)化產(chǎn)物中常富集不相容元素，而鐵鎂質(zhì)母巖和風(fēng)化產(chǎn)物中常富集相容元素。研究樣品具有高La/Sc值和低Co/Th值，分別為0.72～11.82（平均值為5.21）、0.13～5.51（平均值為0.84）（圖6c）。在La/Sc-Co/Th二元圖解中，泥質(zhì)和粉砂質(zhì)沉積物主要分布在長(zhǎng)英質(zhì)火山巖和花崗巖之間，部分泥質(zhì)沉積物逐漸向花崗巖過(guò)渡；砂質(zhì)沉積物主要分布在安山巖和長(zhǎng)英質(zhì)火山巖之間，指示研究區(qū)母巖以長(zhǎng)英質(zhì)火山巖為主。另外，樣品的Cr/Th值和Th/Sc值，分別為1.1～8.41（平均值為3.60）、0.29～2.34（平均值為1.13），在Cr/Th-Th/Sc二元圖解中（圖6d），泥質(zhì)、粉砂質(zhì)、全風(fēng)化和半風(fēng)化巖石主要分布在安山巖和長(zhǎng)英質(zhì)火山巖之間，而砂質(zhì)沉積物主要分布在長(zhǎng)英質(zhì)火山巖和花崗巖之間。

圖6 羅家窩棚組沉積物的母巖性質(zhì)判別圖解Fig.6 Discrimination diagram of source-rock nature for the sediments in the Luojiawopeng Fm.

由不活動(dòng)元素比值及其圖解推導(dǎo)的長(zhǎng)英質(zhì)巖石來(lái)源為主且鐵鎂質(zhì)也有少量貢獻(xiàn)的結(jié)論，也得到了羅家窩棚組礫石巖性的支持。花崗巖、石英質(zhì)、流紋巖等巖漿礫石的大量出現(xiàn)說(shuō)明了長(zhǎng)英質(zhì)巖漿母巖的物源貢獻(xiàn)，而玄武巖和閃長(zhǎng)巖礫石的少量出現(xiàn)表明了中-基性巖漿母巖的部分貢獻(xiàn)。在理論上重礦物也可以提供母巖的性質(zhì)，因?yàn)槟骋活?lèi)型的重礦物會(huì)來(lái)自特定性質(zhì)的母巖區(qū)（朱志軍等，2017），但是由于羅家窩棚組沉積物經(jīng)歷了強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化，不穩(wěn)定的重礦物已經(jīng)分解，所以羅家窩棚組地層的重礦物不能提供任何的母巖信息。

4.4 沉積環(huán)境

羅家窩棚組地層的沉積環(huán)境可以從沉積學(xué)（崔志強(qiáng)等，2009）、重礦物（付玲等，2013）和地球化學(xué)特征進(jìn)行判斷。礫石礫徑、磨圓程度和分選性是指示礫石搬運(yùn)距離、形成水動(dòng)力和礫石成因類(lèi)型的重要標(biāo)志（錢(qián)程等，2016）。例如礫石磨圓度能夠反映礫石的搬運(yùn)距離，一般來(lái)說(shuō)礫石磨圓度越差，說(shuō)明其搬運(yùn)時(shí)間越短，搬運(yùn)距離越近（石雨昕等，2017）。羅家窩棚組礫石排列無(wú)明顯定向性（圖2b）；礫石的磨圓度較差，大小不一的礫石混雜堆積，棱角狀和次棱角狀占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（圖2c）；礫石堆積中夾雜著泥質(zhì)和砂質(zhì)透鏡體（圖1g、圖1h）；碎屑沉積物具有初次循環(huán)特征，表明其為搬運(yùn)距離較近，搬運(yùn)動(dòng)力較強(qiáng)。綜合以上沉積學(xué)特征可知羅家窩棚組地層屬于近距離搬運(yùn)的洪積物堆積。

沉積物的顏色被認(rèn)為是判斷古氣候演化的重要指標(biāo)之一，紅色的沉積物主要是在炎熱干旱的氣候條件下形成（Seema et al.，2021）。而高價(jià)氧化鐵含量是影響沉積物顏色最突出的因素，它對(duì)沉積物的顏色有著強(qiáng)烈影響，一般來(lái)說(shuō)，其含量越高，紅色色調(diào)越明顯（丁國(guó)瑜等，1964）。羅家窩棚組沉積物的重礦物以穩(wěn)定的赤/褐鐵礦占統(tǒng)治性優(yōu)勢(shì)（表1），不穩(wěn)定礦物（角閃石和輝石）基本不見(jiàn)，極高含量的赤/褐鐵礦與羅家窩棚組地層的紫紅色顏色相符。羅家窩棚組地層的重礦物特征揭示了地層經(jīng)歷了很強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化強(qiáng)度，大部分不穩(wěn)定礦物都已經(jīng)分解，這一點(diǎn)可以從沉積物極高的CIA值（圖4）以及極度風(fēng)化的花崗巖礫石觀察到（圖1）。干熱—干旱氣候條件下有利于赤鐵礦的形成，而風(fēng)化過(guò)程中溫度起絕對(duì)性作用，所以推測(cè)羅家窩棚組沉積物是干熱氣候條件下的產(chǎn)物。

沉積物中的某些元素能夠敏感的指示沉積環(huán)境的變化，能夠很好的反映古環(huán)境、古氣候的演化過(guò)程（雷開(kāi)宇等，2017；王峰等，2017；Zhao et al.，2018；Wang et al.，2020）。古氣候演化可以用Sr/Cu的比值來(lái)指示，當(dāng)比值＞5時(shí)，反映干熱氣候；比值＜5時(shí)，反映溫濕氣候（葉荷等，2010）。研究區(qū)Sr/Cu比值除了個(gè)別樣品之外，其余樣品均＞5（介于8.72～27.23，平均值為17.37），指示羅家窩棚組沉積物是干熱氣候條件的沉積產(chǎn)物。Rb容易淋失，而Sr在風(fēng)化過(guò)程中較為穩(wěn)定，古氣候特征也可以用Rb/Sr比值來(lái)指示（陳駿等，2001）。氣候濕潤(rùn)時(shí)，風(fēng)化作用強(qiáng)烈，導(dǎo)致部分Sr淋失，表現(xiàn)為Rb/Sr比值上升，氣候干旱時(shí)，風(fēng)化作用微弱，母巖中Sr保存較多，表現(xiàn)為Rb/Sr比值下降，所以Rb/Sr比值越大，反映沉積時(shí)期的古氣候越濕潤(rùn)（張?zhí)旄５龋?016）。研究區(qū)Rb/Sr比值在0.04～0.55波動(dòng)，平均值為0.24，指示羅家窩棚地區(qū)屬于干旱古氣候。

SiO2-（Al2O3+K2O+Na2O）圖解（王金貴等，2020）也可以進(jìn)行陸源沉積物的沉積古氣候判別（圖7），羅家窩棚組沉積物絕大部分位于干旱的環(huán)境，少數(shù)位于半干旱的環(huán)境，表明羅家窩棚組地層的干旱氣候背景。

圖7 羅家窩棚組地層古氣候判別圖解Fig.7 Discrimination diagram of paleoclimatology of the Luojiawopeng Fm.

結(jié)合礫石特征、重礦物組成和地球化學(xué)特征認(rèn)為羅家窩棚組地層是干熱氣候條件下的近距離搬運(yùn)的洪積物堆積，野外調(diào)查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)礫石表面冰川擦痕。因此，羅家窩棚組地層不是以前所認(rèn)識(shí)的冰磧物堆積（吳金城等，1984）。

5 結(jié) 論

本文對(duì)羅家窩棚組的沉積學(xué)、礦物學(xué)和元素地球化學(xué)等地層屬性特征進(jìn)行研究，得出的主要結(jié)論如下：

（1）沉積學(xué)特征顯示，羅家窩棚組沉積物為紫紅色礫石堆積，局部含泥質(zhì)和粉砂質(zhì)/砂質(zhì)透鏡體。礫石分選和磨圓較差，風(fēng)化程度較高，礫石巖性種類(lèi)較多，以陸源碎屑巖（砂巖和粉砂巖，44.2%）和花崗巖（37.4%）為主，凝灰?guī)r（11.2%）次之，石英質(zhì)、閃長(zhǎng)巖、玄武巖和流紋巖也有少量出現(xiàn)。

（2）羅家窩棚組的重礦物以赤/褐鐵礦占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)（87.5%），其次是白鈦石（5.0%）、鋯石（1.8%）和磷灰石（1.1%），其它礦物含量極少，不含不穩(wěn)定礦物（如輝石和角閃石），指示了羅家窩棚組沉積物經(jīng)歷了極高的化學(xué)風(fēng)化。

（3）羅家窩棚組沉積物高的CIA指數(shù)（72～95）和低的WIP指數(shù)（9～36）以及A-CN-K和A-CNK-FM三角圖解共同揭示了沉積物中的細(xì)顆粒碎屑以及泥質(zhì)基質(zhì)經(jīng)歷了很強(qiáng)的化學(xué)風(fēng)化過(guò)程，結(jié)合低ICV指數(shù)、CIA/WIP和Zr/Sc-Th/Sc二元圖解得出沉積物成熟度較高，是初次循環(huán)的結(jié)果。

（4）地球化學(xué)特征、不相容元素比值和重礦物特征指示羅家窩棚組地層碎屑物主要來(lái)源于長(zhǎng)英質(zhì)母巖，中性和鐵鎂質(zhì)母巖也有部分貢獻(xiàn)。

（5）羅家窩棚組地層礫石特征、重礦物組成和元素地球化學(xué)共同揭示了該地層屬于干熱氣候條件下的洪積物堆積，而非寒冷氣候條件下的冰磧物堆積。

致 謝地球化學(xué)組成得到蘭州大學(xué)甘肅省西部礦產(chǎn)資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室熊聰慧和閆曉麗老師的支持，重礦物組成得到了河北廊坊誠(chéng)信地質(zhì)公司張佩萱老師的支持，研究生汪進(jìn)秋、侯心茹和李秋杭參與了部分野外取樣工作，研究生趙倩、李思琪、孫建華、孫楊、徐園園和張瑞參與論文寫(xiě)作討論，在此一并表示感謝。