引用本文
白宪洲, 文龙, 王玉婷, 伏国通. 四川省西昌盆地上三叠统白果湾组地球化学特征及其意义[J].中国地质调查, 2017,4(2): 51-58.
BAI Xianzhou, WEN Long, WANG Yuting, FU Guotong. Geochemical characteristics and their implications of Upper Triassic Baiguowan Formation in Xichang Basin, Sichuan Province[J].Geological Survey of China, 2017,4(2): 51-58.  
Doi:10.19388/j.zgdzdc.2017.02.06
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四川省西昌盆地上三叠统白果湾组地球化学特征及其意义
白宪洲, 文龙, 王玉婷, 伏国通
四川省地质调查院, 成都 610081

第一作者简介: 白宪洲(1975—)男,博士,高级工程师,主要从事区域地质调查和地球化学研究工作。Email:9793136@qq.com。

收稿日期: 2016-06-13
基金资助: 中国地质调查局“龙门山—滇中成矿带通安和宁蒗地区地质矿产调查(编号: 121201010000150016-04)”项目资助
摘要

对四川省西昌盆地上三叠统白果湾组碎屑岩的主量元素、微量元素、稀土元素进行综合研究,得出其主量元素具有富SiO2、CaO、P2O5,贫Al2O3、TFe2O3、MgO、Na2O、K2O的特征; 微量元素具有富Zr、Cs、Th、U等特征; 稀土元素总量相对较高,轻重稀土元素分馏明显,轻稀土较重稀土相对富集,具有中等负铕异常。白果湾组物源区为长英质岩区,属于被动大陆边缘区; 白果湾期的气候经历了湿润→干旱→湿润→干旱的变化过程; 成分成熟度总体偏低,呈现高→低→高→低的变化规律,与CIA变化趋势呈负相关。本次研究为该区晚三叠世环境演化研究提供了基础资料。

关键词: 西昌盆地; 上三叠统; 白果湾组; 地球化学特征; 构造背景; 古风化
中图分类号:P534.51;P595 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2017)02-0051-08
Geochemical characteristics and their implications of Upper Triassic Baiguowan Formation in Xichang Basin, Sichuan Province
BAI Xianzhou, WEN Long, WANG Yuting, FU Guotong
Sichuan Institute of Geological Survey, Chengdu 610081, China
Abstract

Through the comprehensive research on major elements, trace elements and rare earth elements of the clastic rocks in Upper Triassic Baiguowan Formation of Xichang Basin Sichuan Province, this research found that the major elements are rich in SiO2, CaO and P2O5 , and lack of Al2O3, TFe2O3, MgO, Na2O and K2O. The trace elements are rich in Zr, Cs, Th and U. The capacity of rare earth elements are relatively higher. The fractionation of light and heavy rare earth elements is obvious. The light rare earth elements is richer than the heavy ones, and have medium negative europium anomaly. The provenance of Baiguowan Formation in Xichang Basin is felsic rocks and passive continental margin area. The climate period experienced the process from humid to arid and to humid and arid again. Compositional maturity of Baiguowan Formation rocks is generally low, and shows the variation from high to low, and to high and low again. The variation is negatively correlated with chemical alteration index(CIA). This paper provides basic data for the study of environmental evolution of Late Triassic.

Keyword: Xichang Basin; Upper Triassic; Baiguowan Formation; geochemistry; tectonic setting; paleoweathering
0 引言

碎屑沉积岩是源区内岩石成分、古化学风化条件和大地构造背景等信息的良好载体。研究发现, 稀土元素以及某些微量元素能够有效地指示地质作用过程、物源区特征、大地构造背景以及物源区古化学风化特征[1, 2, 3, 4, 5]。由于砂泥岩中的微量元素, 特别是稀土元素、高场强元素Cr、Co等在沉积水体中的溶解度低, 且在沉积作用过程中很少分异, 所以尽管其地球化学成分受母岩、化学风化、搬运和分选等沉积过程, 以及埋藏后成岩作用等因素的影响, 但这些微量元素的相对稳定性使它们仍然能够指示物源区性质[3, 6]。因此研究碎屑岩的化学成分, 对于追溯物源区性质和判别其构造背景[7]有积极的意义。同时, 碎屑沉积岩的某些化学成分也可以反映物源区古风化特征, 为古气候的恢复提供地球化学证据。

西昌盆地地处四川省西南部, 西至安宁河断裂, 东至峨边断裂, 南至则木河断裂, 北至大渡河断裂, 为南北向展布的狭长构造盆地, 面积约为14 000 km2[8]。上三叠统白果湾组广泛分布于盆地中, 前人曾对其砂岩储层次生孔隙成因[9]、沉积环境[8]、古油藏痕迹[10]等进行了详细研究, 取得了一定的成果和认识。但对于白果湾组的沉积地球化学特征、物源区性质及构造背景、源区古风化作用及其对古气候的指示方面的研究则鲜见报导。笔者在对四川省西昌盆地中部越西县瓦里觉乡竹洛木村一带的白果湾组进行实测剖面的基础上, 对其沉积地球化学特征进行了研究, 为该区晚三叠世环境演化研究提供了基础资料。

1 地质背景及样品采集

西昌盆地为覆于较活动结晶基底上的较大型陆相盆地[11]。在早、中三叠世时期, 以甘洛— 汉源断裂为界, 两侧呈断块式差异升降。西侧继续上升为古陆剥蚀区, 东侧继续沉降, 接受沉积。从早三叠世到中三叠世早期(安尼期)依次沉积了以河流为主的陆相碎屑岩建造、滨海碎屑岩建造、陆屑碳酸盐建造及蒸发岩、碳酸盐建造, 构成了一个完整的海进— 海退旋回[11]。中三叠世晚期(拉丁期), 受太平洋板块向西俯冲的影响, 本区东部也上升为陆地, 至此海水全部退出研究区, 结束了本区海侵的历史。到晚三叠世早期, 研究区与扬子板块主体一起成为统一的隆起剥蚀区, 缺失了拉丁期至诺利中期的沉积, 从此本区进入了一个新的发展阶段— — 陆内改造阶段, 也即开始进入西昌盆地的形成和演化阶段。此后经历了晚三叠世— 早侏罗世前陆盆地形成阶段、中侏罗世— 早白垩世盆地形成与发展阶段、晚白垩世— 古近纪盆地萎缩阶段、新近纪— 第四纪盆地改造阶段。

白果湾组是西昌盆地形成初期沉积的一套陆相类磨拉石建造的砂砾岩。本次工作区在四川省越西县瓦里觉乡竹洛木村附近(图1), 这里的上三叠统白果湾组出露齐全, 层序稳定, 露头较好(约80%), 与下伏上二叠统峨眉山玄武岩组呈角度不整合接触关系, 其上与下— 中侏罗统益门组呈整合接触关系, 顶底齐全, 构造变形较弱, 沉积构造丰富。

图1 西昌盆地地质背景略图及采样位置
1.第四系冲洪积物; 2.牛滚凼组; 3.新村组; 4.遂宁组; 5.益门组; 6.自流井组; 7.白果湾组; 8.须家河组; 9.雷口坡组; 10.飞仙关组— 嘉陵江组; 11.铜街子组; 12.东川组; 13.峨眉山玄武岩组; 14.宣威组; 15.阳新组; 16.断层; 17.实测剖面位置; 18.采样点位置Fig.1 Geological background and sampling points of the study area

研究区白果湾组可分为4段。一段为粗碎屑岩段, 厚107.5 m, 岩性为灰绿色、青灰色、灰色、灰黄色砾岩, 含砾粗粒长石石英砂岩夹灰绿、深灰色、灰色粉砂岩、泥岩, 自下而上韵律性显著, 发育均匀层理、粒序层理、平行层理、板状交错层理、楔状交错层理、水平层理等沉积构造; 二段为细碎屑岩段, 厚52.3 m, 岩性为灰色、深灰色、灰黑色碳质粉砂岩、泥岩及煤线, 局部夹厚— 巨厚层状粗— 细砂岩, 发育水平层理, 并见植物化石; 三段为细碎屑岩向上变细变薄的旋回段, 厚863.4 m, 岩性表现为灰白、灰、深灰色粗— 细粒岩屑长石、岩屑砂岩、岩屑石英砂岩、粉砂岩、泥岩组成的韵律旋回, 总体上具向上变细变薄的韵律特征, 砂泥岩厚度比由底部(6~8)∶ 1, 逐渐向上变为(1~2)∶ 1, 局部见煤线, 发育粒序层理、平行层理、板状交错层理、楔状交错层理、水平层理等沉积构造, 局部见波痕; 四段为泥岩夹砂岩段, 厚251 m, 岩性表现为灰、青灰色粉砂岩、泥岩夹厚— 中厚层状中— 细粒岩屑长石砂岩, 其中砂岩中见平行层理、板状交错层理, 泥岩中多发育水平层理。该剖面共分为337层, 本次工作在22、45、46、54、62、71、154、182、287和336层采集岩石地球化学样品, 通过澳实分析检测(广州)有限公司对所采样品进行主量元素、微量元素及稀土元素分析, 以期对白果湾组的沉积地球化学特征进行研究。

2 分析结果
2.1 主量元素特征

西昌盆地上三叠统白果湾组砂泥岩的主量元素分析结果见表1。各样品常量元素平均值与Taylor和McLennan[3]发表的大陆上地壳成分相比, 具有富SiO2(砂岩中高达72%~84%)、CaO、P2O5, 贫Al2O3、TFe2O3、MgO、Na2O、K2O的特点, TiO2、MnO含量与大陆上地壳相当。

表1 白果湾组岩石主量元素含量及元素比值 Tab.1 Major elements content and element ratios of the rocks in Baiguowan Formation

K2O /Al2O3值常用来确定细碎屑岩源区岩石的成分, 在碱性长石中, K2O/Al2O3值为0.4~1.0, 在伊利石中约为0.3, 在其他黏土矿物中接近于0[12]。Cox 等[13]研究表明, 当泥质岩中K2O/Al2O3值大于0.5时, 说明母岩中具有相当数量的碱性长石; K2O/Al2O3值小于0.4时, 说明母岩中只含有少量的碱性长石。西昌盆地白果湾组岩石样品的K2O /Al2O3值为0.10~0.36, 小于0.4, 表明母岩中碱性长石的含量较低。Girty 等[14]认为, 沉积物中Al2O3 /TiO2值小于14时, 沉积物物源可能来源于铁镁质岩石; 而Al2O3 /TiO2值为19~28之间时, 物源可能来源于安山质和流纹质岩石(或者花岗闪长质和英云闪长质)岩石。研究区砂泥岩样品中有1件样品(182H1)Al2O3 /TiO2值小于14, 可能来源于铁镁质岩石; 10件样品的Al2O3/TiO2值平均为 24.76, 介于19~28之间, 说明其物源可能来源于安山质和流纹质岩石(或者花岗闪长质和英云闪长质岩石)。岩石样品中化学蚀变指数(CIA)介于13.71~84.73, 平均值为58.69, 说明西昌盆地白果湾组显示了中等程度的源区风化历史; 成分成熟度指数(ICV)介于0.39~6.92, 平均值为2.23, 说明西昌盆地白果湾组的成分成熟度较低, 为近距离搬运的产物。

2.2 微量元素特征

西昌盆地白果湾组微量元素含量见表2。由表可见, 西昌盆地白果湾组岩石与Taylor和McLennan[3]发表的大陆上地壳微量元素值相比: 白果湾组岩石微量元素中富Zr、Cs及放射性元素Th、U等, 它们的丰度均值均大于上地壳丰度; 贫Ga、Sr等, 其中Ga的丰度(16.31× 10-6)小于上地壳丰度(17× 10-6), 造岩元素Sr的丰度(97.01× 10-6)小于下地壳(230× 10-6)和上地壳(350× 10-6)。总体来看, 白果湾组岩石的微量元素丰度与上地壳丰度相当, 这与其形成于陆相盆地的构造背景比较一致。

Cr和Zr的丰度主要反映铬铁矿和锆石的含量, 其比值可以反映镁铁质与长英质物质对沉积物的相对贡献[7, 8, 9, 10, 11, 12]。本区砂泥岩的Cr /Zr值变化范围不大, 为0.18~0.71, 平均值为0.29, 全部小于1, 说明源区物质多以长英质为主。

表2 白果湾组岩石的微量元素含量 Tab.2 Trace elements content of the rocks in Baiguowan Formation
2.3 稀土元素特征

西昌盆地白果湾组岩石的稀土元素含量及元素比值见表3。由此可见, 白果湾组岩石的稀土总量相对较高, 但不同样品之间含量变化较大, 在76.96× 10-6~419.49× 10-6之间, 平均值为167.06× 10-6, 相比地壳中的稀土元素总量112× 10-6高。轻重稀土元素分馏明显, 轻稀土较重稀土相对富集, LREE/HREE值为6.42~13.69, 平均值为9.60; (La/Yb)N为6.02~14.35, 平均值为9.20; (La/Sm)N为2.69~9.54, 平均值为5.08; (Gd/Yb)N为0.53~2.19, 平均值为1.34; (La/Sm)N> (Gd/Yb)N。δ Eu为0.32~0.68, 平均值为0.53, 具有中等负铕异常。

表3 白果湾组岩石稀土元素含量及元素比值 Tab.3 REE content and element ratios of the rocks in Baiguowan Formation

在稀土配分曲线(图2)上, 所有样品都呈现较一致的右倾轻稀土富集、重稀土亏损的配分模式。由于稀土元素在水体中停留时间短, 几乎全部进入了沉积物中, 这些相容和不相容元素的比例能够区分碎屑岩中长英质、铁镁质的来源[3, 4, 12]。基性岩的LREE/HREE值低, 无Eu异常[15], 而酸性岩通常具有较高的LREE /HREE值和负Eu异常[16], 从西昌盆地白果湾组稀土配分模式可以看出, 白果湾组碎屑岩物源区可能为长英质岩区。

图2 白果湾组球粒陨石稀土元素配分曲线Fig.2 Chondrite-normalized REE distribution patterns of the rocks in Baiguowan Formation

3 物质来源及构造环境分析
3.1 物质来源

通过以上对西昌盆地白果湾组岩石主量元素、微量元素、稀土元素特征的分析, 得出西昌盆地白果湾组物源区为长英质岩区。从主量元素来看, 西昌盆地白果湾组岩石的K2O /Al2O3值为0.10~0.36, 小于0.4, 表明母岩中碱性长石的含量较低。Al2O3 /TiO2均值为24.76, 介于19~28之间, 说明其物源区可能来源于安山质和流纹质岩石(或者花岗闪长质和英云闪长质岩石)[14]。ICV介于0.39~6.92, 平均值为2.23, 说明西昌盆地白果湾组的成分成熟度较低, 为近距离搬运的产物。从微量元素来看, 白果湾组岩石的微量元素丰度与上地壳丰度相当, Cr/Zr值变化范围不大, 为0.18~0.71, 平均值为0.29, 全部小于1, 说明物源区物质多以长英质为主[12]; 从稀土元素来看, 白果湾组岩石的稀土总量相对较高, 高于地壳中的稀土元素总量, 轻重稀土元素分馏明显, 轻稀土较重稀土相对富集, 具中等的负铕异常, 显示其物源区可能为长英质岩区。

3.2 物源区构造背景

Bhatian[17]认为TFe2O3+ MgO、TiO2含量及Al2O3/ SiO2、K2O/ Na2O和Al2O3/ (CaO + Na2O) 值是大地构造背景判别中最重要的判别参数。从表4看出, 研究区内上述判别参数变化较大, 与被动大陆边缘的砂岩成分相近。

表4 西昌盆地白果湾组主要元素特征 Tab.4 Major elements characteristics of the rocks in Baiguowan Formation of Xichang Basin

陆源碎屑中的微量元素(包括部分稀土元素)与常量元素相比, 具有较大的稳定性, 尤其是La、Th、Ti、Zr、Sc等, 在风化搬运和沉积过程中很少受其他地质作用的影响。因此, 陆源碎屑的微量元素地球化学特征更适宜于研究源区类型及大地构造背景[2, 18]。Bhatia和Crook[2]通过对东澳大利亚5个已知构造背景的古代杂砂岩套的微量元素地球化学特征进行研究, 提出一套判别物源区类型和大地构造背景的准则。应用Bhatia图解(图3), 在Th-Sc-Zr/10图解中, 西昌盆地白果湾组岩石大都投落于被动大陆边缘区内; 在La-Th-Sc图解中, 大部分样品投落于被动大陆边缘和活动大陆边缘区内; 在Th-Hf-Co图解中, 样品投落于长英质火山岩和长石砂岩区。由此可见, 西昌盆地白果湾组的物源区构造背景应为被动大陆边缘区。

图3 西昌盆地白果湾组构造背景判别图解Fig.3 Discrimination of tectonic setting of Baiguowan Formation in Xichang Basin

区域研究表明, 甘孜— 理塘洋盆和西秦岭地区洋盆的闭合作用导致扬子地块西南缘的金沙江— 哀牢山缝合带、昌宁— 孟连缝合带和甘孜— 理塘缝合带处于强烈的俯冲碰撞环境[19], 松潘— 甘孜地区的海相沉积盆地褶皱回返, 最终形成松潘— 甘孜造山带, 康滇构造带则变为前陆环境, 并开始迅速接受陆相沉积, 形成了甘洛盆地、西昌盆地、楚雄盆地等一系列中生代盆地, 而研究区则多为山前或山间盆地堆积形成的山前磨拉石、碎屑岩建造, 这与用沉积地球化学判别的被动大陆边缘区的结论一致。

3.3 源区古风化作用及其对古气候的指示

Nesbitt等[20]提出用细碎屑沉积岩的CIA指数确定物源区的化学风化程度, 该指数是目前被广泛应用于确定物源区风化特征的化学指标。由于白果湾组细碎屑岩相对较少, 本次以砂岩和泥岩作为研究对象对源区古风化作用进行研究。由表1可以看出, 西昌盆地白果湾组碎屑岩的CIA指数变化范围为13.71~84.73, 平均值为58.69, 总体反映物源区风化程度中等。随着沉积作用的发展, 源区的化学风化作用经历了强→ 弱→ 强→ 弱的变化过程。鉴于陆源的风化程度主要受气候和构造隆升速率的影响[12, 21], 对该区的研究表明[22], 上三叠统白果湾组的埋深在7.6~5.8 km, 川东北这一时期的沉积-沉降速率较低, 平均为45~50 Ma[23], 反映构造隆升作用不强。因此可以将CIA指数作为该区环境变化的一个替代指标, 将其投图(图4)可以发现, 西昌盆地白果湾期的气候经历了从湿润(40层以下)→ 干旱(40~60层)→ 湿润(60~150层)→ 干旱(150层以上)的变化过程。

图4 白果湾组CIA变化趋势Fig.4 CIA trend in Baiguowan Formation

研究表明可以用ICV指数来定量反映沉积物的成分成熟度[7]。西昌盆地白果湾组碎屑岩的ICV指数在0.39~6.92之间, 平均值为2.23, 成分成熟度总体上偏低, 这与其为近源沉积的地质特征吻合。将ICV指数投图(图5), 白果湾组碎屑岩成分成熟度也存在高→ 低→ 高→ 低的变化规律, 与CIA趋势呈负相关。

图5 白果湾组ICV变化趋势Fig.5 ICV trend in Baiguowan Formation

4 讨论与结论

(1)西昌盆地白果湾组碎屑岩的地球化学特征表现为: 主量元素具有富SiO2、CaO、P2O5, 贫Al2O3、TFe2O3、MgO、Na2O、K2O的特点; 微量元素富Zr、Cs及放射性元素Th、U等, 与上地壳丰度相当; 稀土元素比地壳中的稀土元素总量高, 轻重稀土元素分馏明显, 轻稀土较重稀土相对富集, 具有中等的负铕异常。

(2)西昌盆地白果湾组岩石的K2O /Al2O3值为0.10~0.36, 小于0.4; Al2O3 /TiO2均值为24.76, 介于19~28之间; Cr/Zr值变化范围不大, 为0.18~0.71, 平均值为0.29, 全部小于1, 说明西昌盆地白果湾组物源区为长英质岩区。

(3)白果湾组碎屑岩的TFe2O3+ MgO、TiO2含量及Al2O3/ SiO2 、K2O/ Na2O 和Al2O3/ (CaO + Na2O)值等特征值与被动大陆边缘的砂岩成分相近, 通过Th-Sc-Zr/10、La-Th-Sc、 Th-Hf-Co图解判别其物源区为被动大陆边缘区。

(4)西昌盆地白果湾组碎屑岩的CIA指数变化范围为13.71~84.73, 平均值为58.69, 总体反映物源区可能处于一个半干旱的气候条件。西昌盆地白果湾期的气候经历了从湿润(40层以下)→ 干旱(40~60层)→ 湿润(60~150层)→ 干旱(150层以上)的变化过程。ICV指数在0.39~6.92之间, 平均值为2.23, 成分成熟度总体偏低, 白果湾组碎屑岩成分成熟度也存在高→ 低→ 高→ 低的变化规律, 与CIA趋势呈负相关。

The authors have declared that no competing interests exist.

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