除了气候、地形、搬运距离和成岩作用, 一般认为碎屑岩组分主要受物源区母岩性质和构造背景影响^{[1, 2, 3]}, 因此, 利用碎屑岩的化学成分可以判断母岩特征, 并分析研究盆地沉积环境、大地构造背景和构造演化等^{[4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]}。在奥陶纪时期, 张家界地区沉积了大量的碳酸盐岩, 而奥陶系— 志留系之交的龙马溪组则为炭质页岩, 其作为烃源岩研究是当今热点^{[16, 17, 18, 19, 20, 21, 22]}; 志留系沉积了一套以碎屑岩为主的地层, 而此后缺失了石炭系, 石炭系的缺失是由于加里东隆升导致没有接受沉积还是沉积之后由于加里东隆升导致剥蚀仍没有定论^{[23, 24, 25, 26]}。为此, 研究当时的沉积环境与构造背景有一定的意义。至今为止, 湖南省地质调查院在湘西北地区开展了大量的区域地质调查工作, 积累了丰富的野外资料及测试数据。本文拟以张家界地区志留系兰多弗里统泥岩的地球化学特征为讨论点, 分析当时的沉积构造背景。

张家界地区位于扬子陆块东南缘, 毗邻华夏陆块, 其北西为石门— 桑植复向斜, 南东为武陵断弯褶皱带。区内构造以NE向断裂为主, 为湘西北弧形构造带的组成部分。区内无岩浆岩出露, 出露地层(图1)由老到新有青白口系、南华系、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、泥盆系、二叠系、三叠系、白垩系和第四系。青白口系岩性以浅变质砂岩为主, 夹少量板岩; 南华系岩性主要为含冰碛砾泥岩、含冰碛砾粉砂岩、砂泥质冰碛砾岩等; 震旦系、寒武系、奥陶系以碳酸盐岩为主; 志留系主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩、石英粉砂岩等; 泥盆系以石英砂岩为主, 夹泥质粉砂岩; 二叠系、三叠系主要为碳酸盐岩, 夹石英砂岩、碳质页岩等; 白垩系主要为灰质砾岩、泥质粉砂岩。其中以志留系出露最广, 是本文探讨的重点。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 张家界地区地质简图Fig.1 Regional geological sketch of Zhangjiajie area

在张家界地区, 志留系仅出露兰多弗里统及文洛克统, 岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及石英粉砂岩等, 自下而上, 形成多个泥岩→ 砂岩旋回, 本次研究对象为志留系兰多弗里统泥岩。在杨家坪附近测制剖面及采集样品(图1), 有新滩组(S₁x)、小河坝组(S₁xh)、马脚冲组(S₁m)、溶溪组(S₁r)、吴家院组(S₁w)。本次采集了7件泥岩样品(18-22、19-0、19-1、19-13、19-14、19-19和19-20), 分别采自新滩组、马脚冲组和溶溪组。采样时避免了风化及节理、裂隙, 保证样品新鲜、无污染。

样品的分析在国土资源部长沙矿产资源监督检测中心完成, 使用仪器有原子荧光光度计(AFS-830 a)、原子吸收光度计(Z-2300)、ICP质谱仪、ICP全谱仪(ICP-6300)等, 分析环境温度20 ℃、湿度65%。

在沉积建造中, 陆源碎屑岩不仅保留着源区母岩的相关信息, 也直接记录了沉积盆地构造演化轨迹。研究表明, 尽管有沉积过程中的改造作用, 但物源区的地球化学成分是碎屑岩成分的主要控制因素。因此, 通过分析碎屑岩的化学成分即可确定母岩性质(其通常与构造环境密切相关), 再造沉积盆地的构造演化历史。

Bhatia^[32]将大陆边缘和大洋盆地划分为大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘, 并提出了一些以主量元素参数来判别构造环境的图解(图3(a))。Roser和Korsch^[33]提出了砂岩和泥岩沉积盆地构造环境的K₂O/Na₂O-SiO₂图解(图3(b))。其中活动大陆边缘包括了一系列复杂的位于活动板块边界之上或邻近板块边界的构造活动大陆边缘, 沉积物来自大陆边缘岩浆弧或与走滑断层有关的隆升区; 被动大陆边缘包括了稳定大陆边缘的板内盆地和克拉通内部盆地, 沉积物来自稳定的大陆地区并沉积在远离活动板块边缘的地方。在图3(a)和图3(b)中, 研究区志留系样品的投点均落入活动大陆边缘范围。

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 岩石常量元素构造环境判别图Fig.3 Tectonic setting discrimination diagrams of major elements in the rocks

REE、Th、U、Nb、Ta、Zr和Hf属惰性元素范围, 性质稳定, 较少或不受沉积过程的影响^[34]。Bhatia^[35]在研究澳大利亚古生代浊积杂砂岩的构造环境时, 认为最具构造判别意义的是La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10及Th-Co-Zr/10 3种三角图(图4)。从图4(a)可知, 张家界地区志留系兰多弗里统泥岩落入大陆岛弧范围内, 其在图4(b)、4(c)中则落入活动大陆边缘范围及附近。在La/Y-Sc/Cr图解^[36]中, 则主要落入被动大陆边缘及其外围, 可能反映了古老物源特性(图5)。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 岩石微量元素构造判别图Fig.4 Tectonic setting discrimination diagrams of trace elements in the rocks

图5

Fig.5

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图5 La/Y-Sc/Cr判别图Fig.5 Discrimination diagrams of La/Y-Sc/Cr

综上所述, 张家界地区志留系岩石主要显示了活动大陆边缘与大陆岛弧的沉积环境信息, 其古老物源则有被动大陆边缘的特征。当然, 这还要结合区域地质资料来考虑。

戎嘉余等^[37]认为奥陶纪晚期扬子地块和华夏地块汇聚拼合后引起隆升, 且向西北扩大。志留纪兰多维列世黔中古陆北缘和东北缘发生了一次短暂的向北扩展露出海面的地质事件^[38]。朱志军等^[39]提出渝东— 湘西地区早志留世小河坝期碎屑岩沉积的物质主要来自东南部的江南雪峰山隆起。马义波等^[40]在研究江南造山带西南缘盆地演化时, 认为贵州梵净山地区从南华纪到奥陶纪经历了大陆裂谷盆地到被动大陆边缘盆地的转变, 至志留纪形成前陆盆地。李斌等^[26]认为, 湘西地区志留系物源来自于东南部雪峰隆起, 其沉积盆地构造演化经历了前陆盆地的形成期、发展期、萎缩期和消亡期几个阶段。梁恩云等^[41]认为湘西北地区奥陶纪— 志留纪地质背景从伸展体制的被动大陆边缘演化为挤压体制的前陆盆地, 并建立了沉积-构造演化模型。

元古宙基底陆源碎屑岩是扬子与华夏陆块变质基底的主体, 扬子陆块Th/U值为4.4~4.8, 华夏陆块Th/U值为5.3~5.4^[42]。张家界地区志留系兰多弗里统泥岩样品的Th/U为5.01~6.20, 平均5.61。由此可以认为, 兰多弗里统泥岩的物源为华夏陆块。

张家界地区志留系时期的沉积构造背景为: 已经拼合在一起的华夏、扬子陆块, 在志留纪时期继续向北西挤压, 且形成多处隆升(黔中隆起、雪峰隆起等), 随着进一步挤压, 雪峰隆起升出海面, 在沉积间断的同时遭受剥蚀。

(1)张家界地区志留系岩石地球化学主要显示了活动大陆边缘与大陆岛弧的沉积环境信息, 物源为华夏陆块, 其古老物源则有被动大陆边缘的特征。

(2)志留系兰多弗里统时期的张家界地区附近存在岛弧, 且东南方向的雪峰隆起开始升出水面, 提供沉积物源。

(责任编辑: 刘丹, 刘永权)