塔里木盆地東北緣下寒武統(tǒng)泥頁巖古氣候與物源背景研究

謝巍　李一凡　劉旺威

關(guān)鍵詞 寒武系；庫魯克塔格；主量元素；泥頁巖；古氣候；微量元素

第一作者簡介 謝巍，男，1998年出生，本科，海洋地質(zhì)學(xué)，E-mail： wxie@#edu.cn通信作者 李一凡，男，副教授，博士生導(dǎo)師，E-mail： liyifan@cugb.edu.cn

中圖分類號 P512.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

0 引言

在地球46億年的演化歷史中，埃迪卡拉—寒武紀(jì)界線（～540 Ma）是一個極其重要的時期，發(fā)生了一系列重大事件。Rodinia 大陸裂解板塊匯聚形成Gondwana超大陸，生物圈從微體生物為主向動物占主導(dǎo)地位轉(zhuǎn)變，地表開始形成相對富氧的環(huán)境，發(fā)育低緯度冰川沉積，碳同位素發(fā)生顯著負(fù)漂移事件[1]，全球海洋（大氣）化學(xué)成分顯著變化，海洋中出現(xiàn)缺氧環(huán)境，導(dǎo)致了前寒武紀(jì)的生物滅絕事件，第二次氧氣突增事件導(dǎo)致寒武紀(jì)早期出現(xiàn)“生命大爆發(fā)”。因此對寒武紀(jì)早期形成的泥頁巖進(jìn)行研究，有助于了解地球早期古氣候特征、古構(gòu)造背景、物質(zhì)來源等的演化。

塔里木陸塊在新元古代初期參與了Rodinia超大陸的聚合過程，隨著Rodinia超大陸的裂解，塔里木盆地整體處于拉張背景，周緣發(fā)育一系列斷裂[2]。在新元古代晚期，塔里木主體上升為古陸，遭受剝蝕，僅在北緣與東緣接受局部海侵。寒武紀(jì)塔里木板塊的古板塊位置和古緯度大致位于赤道附近，克拉通主體在伸展背景下呈現(xiàn)東西分異的特點，中西部為克拉通內(nèi)坳陷盆地，東部為克拉通邊緣坳陷盆地。古塔里木板塊被洋盆所環(huán)繞，其北側(cè)為南天山洋，南側(cè)為古特提斯洋[3?5]。

庫魯克塔格地區(qū)位于塔里木盆地東北緣，南天山和盆地的接合部位[6]，寒武系底部發(fā)育一套黑色泥巖[7]。前人對該區(qū)新元古界的構(gòu)造格局、沉積環(huán)境、古生物組合、下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組硅質(zhì)巖成因等做了較多的研究。劉偉等[8]對塔東北地區(qū)巖相古地理進(jìn)行分析，認(rèn)為該區(qū)為克拉通邊緣拗陷欠補償性質(zhì)的盆地；馮增昭等[9]認(rèn)為該區(qū)古生物組合主要分布深水古生物及半深水浮游生物，沉積環(huán)境為深水盆地，塔東北部地區(qū)早寒武世與震旦紀(jì)之間存在較長時間的沉積間斷；劉文等[10]發(fā)現(xiàn)庫魯克塔格且干布拉克地區(qū)泥質(zhì)巖源區(qū)母巖以巖漿巖為主，磷、釩等成礦元素與中基性巖漿巖有關(guān)。本次研究基于下寒武統(tǒng)泥頁巖的地球化學(xué)數(shù)據(jù)，結(jié)合前人大量研究，旨在恢復(fù)早寒武世塔東地區(qū)的古氣候特征、古地理背景及古構(gòu)造單元，推斷物源背景，探討塔里木盆地下寒武統(tǒng)泥頁巖的成因演化模式。

1 地質(zhì)概況

1.1 研究區(qū)概況

塔里木盆地位于中國新疆南部，經(jīng)緯度為74°～91° E，36°～42° N，是一個大型多旋回疊合盆地，面積約56×104 km²，該盆地是我國最大的內(nèi)陸盆地。盆地北向為天山山脈，西南向為昆侖山脈，周邊還有其他次一級山脈，東北向為庫魯克塔格山，東南向為阿爾金山，西北向為柯坪塔格山。盆地中央是我國最大的沙漠——塔克拉瑪干沙漠，面積約33.7×10⁴km²，盆地自然條件差，勘探程度較低，油氣資源量豐富。本文研究區(qū)位于塔里木東北緣的庫魯克塔格地區(qū)，位于天山山脈的南端，向北以辛格爾斷裂為界，向南以孔雀河斷裂為界，西起庫爾勒，向東至玉兒滾布拉克一帶[11]（圖1）。該區(qū)以興地斷裂為界可分為南、北兩區(qū)，興地斷裂形成于中元古代，是一條穿越整個庫魯克塔格地區(qū)的深大斷裂，控制了南、北兩區(qū)自新元古代以來的沉積過程。研究剖面恰克馬克鐵什I號和恰克馬克鐵什Ⅱ號位于興地斷裂北側(cè)。

1.2 區(qū)域構(gòu)造演化

塔里木盆地是在前震旦紀(jì)陸殼基底上發(fā)展起來的大型復(fù)合疊合盆地[12]，新元古代早期，南、北塔里木陸塊拼合形成統(tǒng)一結(jié)晶的克拉通基底[13]。南華紀(jì)初期，隨著Rodinia古陸的裂解，受控板塊邊緣的俯沖作用和Rodinia超級地幔柱的影響，塔里木內(nèi)部和邊緣發(fā)生強烈的裂陷作用。至震旦紀(jì)中晚期，塔里木北緣南天山洋、南緣西昆侖—阿爾金—祁連洋已經(jīng)打開，塔里木周緣演化成被動大陸邊緣[14]，被洋盆包圍，同時柯坪運動大范圍發(fā)育，對盆地南部影響較強，在中央高磁異常帶南部形成相對較高的大面積隆起[15]。晚震旦世，塔里木盆地處于穩(wěn)定的構(gòu)造背景之下，塔北地區(qū)為克拉通內(nèi)拗陷演化階段，以熱沉降為主，持續(xù)的海侵使得塔北殘余古陸逐漸消失，塔北地區(qū)整體接受沉積，穩(wěn)定的構(gòu)造背景以及陸源碎屑的減少，開始發(fā)育碳酸鹽巖沉積體系。震旦紀(jì)末期，整個塔里木盆地經(jīng)歷了一次構(gòu)造抬升及海退過程，震旦系遭受長期風(fēng)化剝蝕作用[16]。

1.3 盆地基底性質(zhì)

前人研究發(fā)現(xiàn)塔里木盆地前寒武系發(fā)育廣泛分布的大型不整合[17]。下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組沉積期，塔里木盆地北部發(fā)生廣泛海侵[18]（圖2），南部地區(qū)缺少震旦系的大面積連片沉積，形成大面積的中央隆起帶，在同1井—巴探5井—瑪北1井—玉龍6井—中深1井一帶廣泛分布，呈東西走向[18]（圖2）。

下寒武統(tǒng)沉積期，中央隆起帶西部基底組成為新元古代綠片巖相變質(zhì)基底[16]，方1、和4井鉆穿寒武系蓋層，基底為玄武巖等基性火成巖[17]。中央隆起帶東部基底由元古宙中淺變質(zhì)巖組成[19]，塔東2井前寒武紀(jì)樣品為角閃質(zhì)花崗巖，礦物含量主要為鉀長石（49%～54%）、鈉長石（5%～30%）、石英（10%～20%）、角閃石（10%～20%）[20]。中央隆起帶中部缺失南華系—震旦系、下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組沉積[21]，塔參1井鉆穿寒武系后鉆遇花崗閃長巖，中深1井發(fā)現(xiàn)含石榴石花崗巖樣品，主要礦物為斜長石（30%～35%）、微斜長石（15%～25%）、石英（40%～55%）和少量石榴石（小于5%）[22]。

1.4 研究地層概況

基于野外露頭觀察、樣品分析、光學(xué)顯微鏡觀察等沉積學(xué)分析手段，從宏觀和微觀視覺上分別對恰克馬克鐵什I號剖面和恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面下寒武統(tǒng)西山布拉克組和西大山組進(jìn)行精細(xì)描述并建立了巖性柱狀圖（圖3）。

恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面西山布拉克組底部為一套火成巖（圖4a），與上部灰黑色硅質(zhì)巖侵入接觸，西山布拉克組上部發(fā)育灰黑色硅質(zhì)巖夾灰色頁巖（圖4b），西大山組底部為灰色砂質(zhì)灰?guī)r與灰色灰?guī)r夾灰黑色鈣質(zhì)頁巖，中部發(fā)育灰白色灰?guī)r夾白云質(zhì)砂巖，頂部發(fā)育灰色—深灰色泥質(zhì)灰?guī)r、灰黑色頁巖與灰黑色鈣質(zhì)頁巖互層（圖4c）。恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面西山布拉克組發(fā)育一整套灰黑色硅質(zhì)巖，中間夾灰褐色磷質(zhì)頁巖（圖4d），與下伏漢格爾喬克組冰磧巖呈不整合接觸關(guān)系（圖4e），西大山組發(fā)育黃褐色泥質(zhì)灰?guī)r與灰黑色鈣質(zhì)頁巖互層（圖4f）。

2 樣品測試及結(jié)果

本文針對恰克馬克鐵什I號和恰克馬克鐵什Ⅱ號兩個剖面的不同巖相，從西山布拉克組和西大山組選取74塊樣品，其中恰克馬克鐵什I號剖面39個樣品（表1），恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面35個樣品（表2）。將巖石樣品磨至為200目以下的粉末，進(jìn)行主量和微量元素測試，測試結(jié)果如表1，2。

分析測試在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心進(jìn)行。主量元素使用Axios-mAX波長色散X射線熒光光譜儀，微量元素使用ELEMENT-XR等離子體質(zhì)譜儀。

3 討論

3.1 古氣候特征

石英和長石的抗風(fēng)化能力具有差異，石英抗風(fēng)化能力很強，SiO₂元素含量在溫暖濕潤的強風(fēng)化作用中能夠較多地保留，長石抗風(fēng)化能力較弱，Al₂O₃、K₂O、Na₂O等元素容易因風(fēng)化作用而流失，在強風(fēng)化條件下含量較低。因此，利用SiO₂（/ Al₂O₃+K₂O+Na₂O）圖解可以對氣候類型進(jìn)行判別（圖5）。彭洪超等[23]通過古地磁的研究認(rèn)為庫魯克塔格地區(qū)早寒武世位于30°S左右的地理位置，為濕熱的氣候條件。從研究區(qū)氣候類型判別圖解中可以看出，西山布拉克組整體為濕潤氣候，少數(shù)投影點為半干旱—干旱氣候。

西大山組與漢格爾喬克組均為半干旱氣候條件，反映了從漢格爾喬克組—西山布拉克組—西大山組沉積時，氣候逐漸由半干旱—溫暖濕潤—半干旱。說明早寒武世塔里木盆地東北緣迅速從埃迪卡拉紀(jì)末期的寒冷干旱氣候中恢復(fù)，隨后又逐漸向半干旱氣候轉(zhuǎn)變。

Nesbitt et al.[24]提出化學(xué)蝕變指數(shù)（CIA）用以反映物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化程度，CIA主要反映長石相對于黏土礦物的含量，其計算公式為：

Savoy et al.[29]設(shè)計了泥質(zhì)巖的La-Th-Sc 判別圖解。在對研究區(qū)泥頁巖應(yīng)用La-Th-Sc判別圖解（圖8）時發(fā)現(xiàn)，恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面泥頁巖投點主要落于被動大陸邊緣沉積物區(qū)域，為陸內(nèi)較穩(wěn)定的構(gòu)造環(huán)境；恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面泥頁巖投點較為分散，在被動大陸邊緣沉積物區(qū)域及與巖漿弧有關(guān)的沉積物區(qū)域分布較多，指示該區(qū)域構(gòu)造環(huán)境變化較大。

Th、Sc元素的富集受到物源區(qū)母巖類型的控制。典型大陸上地殼（UC）中，Th元素和Sc元素富集程度相近，而鐵鎂質(zhì)物源則具有Sc元素富集的特征。因此，可用Th-Sc圖解來識別兩類不同源區(qū)的母巖[30]。在Th-Sc圖解（圖9）中，恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面西大山組和西山布拉克組泥頁巖的投影點均靠近Th/Sc=1趨勢線，Th元素和Sc元素富集程度相近，反映沉積物源區(qū)母巖含有較高的硅鋁質(zhì)組分；恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面西山布拉克組泥頁巖的投影點靠近Th/Sc=0.2趨勢線，指示沉積物源區(qū)母巖具有較高的鐵鎂質(zhì)組分。兩者差異反映了其物源背景的不同，中央隆起帶基底性質(zhì)為酸性巖漿巖，因此判斷中央隆起帶東部可能為恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面提供物源。塔西隆起為基性火成巖，但由于其距離研究區(qū)較遠(yuǎn)，因此判斷恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面受到鐵鎂質(zhì)熱液的影響。

根據(jù)前人的研究，基于幾種主量、微量和稀土元素的判別函數(shù)圖被用于推斷硅質(zhì)碎屑巖的來源[25，31]。本文中的公式化判別函數(shù)（即雙變量F1、F2）是基于不易流失和容易流失的幾種主量元素的濃度來進(jìn)行計算。從公式化判別圖解（圖10）可以看出，恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面投影點幾乎全部落在石英巖沉積物源區(qū)，恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面投影點主要落在石英巖沉積物源區(qū)，少部分落在鐵鎂質(zhì)火成巖物源區(qū)。

Taylor et al.[32]提出，運用Th/Sc-La/Sc圖解可以衡量沉積物物源區(qū)地殼物質(zhì)所占的比例。巖漿巖從基性—酸性，La/Sc值與Th/Sc值具有較好的正相關(guān)性，因此將沉積物中的相關(guān)比值與此值作比較，可以反映沉積物源區(qū)的母巖性質(zhì)。圖11顯示，恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面的投點位于中性—中酸性巖漿巖區(qū)域，指示源區(qū)母巖可能為花崗閃長巖、英云閃長巖、英安巖等巖漿巖；恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面的投點位于基性—中酸性之間，沉積物物源既來自于長英質(zhì)組分的巖石，也來自于鐵鎂質(zhì)組分的巖石，具有混合源區(qū)的特征。

以上結(jié)果表明，恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面和恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面硅質(zhì)巖都具有大洋盆地的沉積背景，但是其物源區(qū)母巖性質(zhì)不同。恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面母巖性質(zhì)為中性—中酸性巖漿巖，含較多硅鋁質(zhì)組分。研究區(qū)北部隨著伊犁、中天山地塊的裂解，形成南天山洋盆[33]，其物源可能來自中央隆起帶中部前寒武系的中酸性噴出巖。恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面母巖性質(zhì)為基性—中酸性巖漿巖，其鐵鎂質(zhì)組分較恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面明顯增加，結(jié)合其構(gòu)造環(huán)境背景分析，除中央隆起帶物源的輸入外，可能還受到海底鐵鎂質(zhì)熱液噴出的影響。

3.3 硅質(zhì)巖成因

此巖相廣泛分布于恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面和恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面西山布拉克組，是西山布拉克組的主要組成部分。在野外照片中表現(xiàn)為灰黑色薄層狀，厚70～80 m，與下伏安山巖侵入接觸。礦物成分以石英為主，含量高達(dá)90%以上。顆粒間以黏土礦物作為基質(zhì)，含少量方解石晶體（圖12a），局部可見少量黃鐵礦發(fā)育（圖12b），反映沉積時的深水缺氧還原環(huán)境。

據(jù)前人研究，海相地層中的TiO₂一般為陸源碎屑成因[34]。將Al₂O₃、SiO₂分別與TiO₂進(jìn)行相關(guān)性分析（圖13），發(fā)現(xiàn)在恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面中，Al₂O₃與TiO₂呈正相關(guān)關(guān)系，說明Al₂O₃元素主要為陸源碎屑成因，SiO₂與TiO₂呈負(fù)相關(guān)，說明SiO₂的產(chǎn)生與陸源碎屑無關(guān)。而恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面中，Al₂O₃與TiO₂含量呈正相關(guān)，SiO₂與TiO₂以及Al₂O₃均為負(fù)相關(guān)，說明SiO₂為自生成因。從主量元素的垂向變化中也可以看出，西山布拉克組硅質(zhì)巖SiO₂與Al₂O₃的含量互為消長，且Al₂O₃含量增加時，巖相類型從硅質(zhì)巖變?yōu)轫搸r。因此可得出結(jié)論，西山布拉克組硅質(zhì)巖主要為自生成因，且陸源碎屑的輸入對硅質(zhì)巖的沉積起破壞作用。

硅質(zhì)巖中Fe、Mn 的富集主要與熱水有關(guān)。因此可利用Al-Fe-Mn三元圖來區(qū)分正常沉積和熱水沉積的硅質(zhì)巖（圖14）。在恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面中，西山布拉克組硅質(zhì)巖樣品投影點在正常沉積區(qū)占63%，熱水沉積區(qū)占37%，在恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面中，西山布拉克組硅質(zhì)巖樣品投影點正常沉積區(qū)占41%，熱水沉積區(qū)占59%。說明西山布拉克組硅質(zhì)巖成因并不是完全的自生化學(xué)成因或熱液成因，而是由兩種成因類型混合而成，恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面西山布拉克組硅質(zhì)巖以正常沉積為主，恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面西山布拉克組硅質(zhì)巖以熱水沉積為主。

前人研究表明，V、Cr、Ni、As、Sr、Mo、Ag、Cd、Sb、Ba和U等這些元素在泥質(zhì)巖和硅質(zhì)巖中的高度富集，常與深部物源密切相關(guān)[35]。從研究區(qū)恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面和恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面西山布拉克組樣品的微量元素平均含量來看（表3），V、Cr、Ni、As、Sr、Mo、Ag、Cd、Sb、Ba、U等元素含量比地殼中同類巖石豐度明顯增加，說明西山布拉克組硅質(zhì)巖具有受到深部物源影響的特征。

從研究區(qū)V、Cr、Ni、As、Sr、Mo、Ag、Cd、Sb、Ba、U等與深部物源有關(guān)的微量元素垂向變化特征（圖15）中可以看出，總體上這些元素在西山布拉克組呈多期次的富集，其中恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面受到深部物源影響的樣品點約占38%，恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面受到深部物源影響的樣品點約占50%。根據(jù)前文主量元素交會圖（圖13）以及Al-Fe-Mn 三元圖（圖14）的結(jié)果，結(jié)合早寒武世塔里木盆地處于強烈拉張環(huán)境的背景，以及深部物源的影響，可以判斷研究區(qū)西山布拉克組硅質(zhì)巖沉積時總體處于伸展構(gòu)造的背景，硅質(zhì)巖為海水沉積和熱液沉積混合而成。其中恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面硅質(zhì)巖以海水成因為主，部分遭到陸源碎屑輸入的破壞，恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面硅質(zhì)巖受熱液影響的程度更高。

3.4 成因模式

通過對研究區(qū)西山布拉克組和西大山組泥頁巖進(jìn)行古氣候及物源分析，還原了該套泥頁巖的成因模式，繪制了研究區(qū)早寒武世泥頁巖沉積模式圖。研究區(qū)構(gòu)造環(huán)境為克拉通邊緣坳陷盆地，沉積時主要為深水盆地環(huán)境。西山布拉克組—西大山組氣候逐漸變得寒冷干旱，沉積序列由一套深?；旌铣梢蚬栀|(zhì)巖逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇\海自生碳酸鹽巖。

西山布拉克組主要沉積一整套灰黑色硅質(zhì)巖（圖16），沉積時氣候溫暖濕潤，巖石風(fēng)化作用加強，陸源碎屑輸入的強度增加，表現(xiàn)為地層中的Al₂O₃和TiO₂等元素含量的增加，形成硅質(zhì)巖夾層中的頁巖，同時海平面上升，沉積物形成的構(gòu)造環(huán)境為深水盆地，此時硅質(zhì)巖的成因以海水沉積成因和深部熱液成因為主。

西大山組主要沉積淺海碳酸鹽巖（圖17），氣候比西山布拉克組較為寒冷干旱，巖石化學(xué)風(fēng)化作用減弱，陸源碎屑輸入的強度降低，同時海平面下降，沉積物形成的構(gòu)造環(huán)境為大陸邊緣，海水沉積的作用進(jìn)一步加強，巖性以灰色泥質(zhì)灰?guī)r、灰黃色泥質(zhì)灰?guī)r、灰黑色鈣質(zhì)頁巖為主。

4 結(jié)論

（1） 研究區(qū)古氣候背景總體處于濕潤—半干旱條件，由埃迪卡拉紀(jì)進(jìn)入寒武紀(jì)時期，氣候條件由寒冷干旱轉(zhuǎn)變?yōu)闇嘏瘽駶?，寒武紀(jì)早期具有明顯波動。

（2） 西山布拉克組硅質(zhì)巖的沉積背景為大洋盆地背景，其上覆的西大山組和下伏的漢格爾喬克組均顯示出穩(wěn)定的大陸邊緣背景。

（3） 恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面物源可能來自中央隆起帶中部前寒武系的花崗閃長巖、橄欖石花崗巖。恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面除中央隆起帶中部物源的輸入外，還受到了海底鐵鎂質(zhì)熱液的影響。

（4） 硅質(zhì)巖為海水沉積和熱液沉積混合而成，多期次深部熱液的噴出影響了硅質(zhì)巖的成因，其中恰克馬克鐵什Ⅰ號剖面硅質(zhì)巖以海水成因為主，部分受到熱液影響，恰克馬克鐵什Ⅱ號剖面硅質(zhì)巖以熱液成因為主。

致謝 感謝編輯和外審專家提出的寶貴意見，感謝張?zhí)?、匡明志、江維和李超凡在野外工作中的幫助。