闽西南地区上三叠统-中侏罗统沉积物源岩地球化学特征及其物源分析

闽西南地区上三叠统-中侏罗统沉积物源岩地球化学特征及其物源分析

1闽西南地区上三叠世-中侏罗统及盆地沉积演化的地质背景福建福建省位于中国南海以北。在大地构造上，位于欧亚板块的东南端，与台湾和菲律宾板块相连。受图腾省和太平洋经济衰退的影响。目前,地质学家对晚三叠世-中侏罗世福建地区构造演化历史争议很大,其争议的焦点主要集中在大地构造性质及动力学机制上。这些观点概括起来主要为两种,一种观点认为可能与板块俯冲无关的稳定系统,即稳定陆缘背景(郭福祥,1994;郭福祥和袁奎荣,1996);另一种观点为板块运动影响的活动系统,即西太平洋型火山弧+弧后的挤压和拉张盆地(陈发景等,1996;吴淦国等,2000;徐汉林等,2001;邢光福等,2002;舒良树等,2004,2006,2008;陶建华,2006;王丽娟等,2007;张岳桥等,2009)。在板块运动影响的活动系统这一观点中,对闽西南地区重要时期盆地类型及构造背景的认识也难以统一。邢光福等(2002)认为福建地区早侏罗世火成岩形成于后造山拉张环境。陈发景等(1996)对我国南方盆地的构造特征和地球动力学研究,认为晚三叠世-中侏罗世福建地区发育类前陆盆地。舒良树等(2004,2006,2008)和张岳桥等(2009)通过研究南岭地区盆地类型转换、盆-岭时空演化和地球动力学机制,认为晚三叠世-早侏罗世福建地区发育类前陆盆地,同时提出中侏罗世发育裂谷盆地。邓平等(2004)根据闽西-赣南早-中侏罗世火成岩特征印证了舒良树等人的观点。徐汉林等(2001)则认为我国南方盆地晚三叠-中侏罗世处于东南裂陷盆地带,闽西南地区发育裂陷盆地。吴淦国等(2000)和陶建华(2006)对闽西南构造-岩浆岩带及构造应力场研究,认为印支期后闽西南地区表现为活动大陆边缘的造山环境。这些分歧的出现主要缘于对构造-岩浆带的认识不同。闽西南地区除了构造-岩浆带发育,晚三叠世-中侏罗世经历了一次重要的海侵-海退事件(曹宝森等,1989),盆地内还沉积充填大量碎屑岩,目前对闽西南地区上三叠统-中侏罗统沉积岩的矿物成分、元素地球化学特征以及沉积序列变化在构造环境研究中的应用未能引起足够的重视。沉积岩中记录着源区物质成分、构造环境等丰富而重要的信息(龙晓平等,2008)。岩石地球化学元素具有精确示踪和高分辨率的独特性(杜远生等,2006)。稀土元素具有稳定的特性,使其受风化、成岩及变质作用的影响不明显(NanceandTaylor,1976)。这些特征成为指示沉积物源岩、物源组成、恢复和重建(古)沉积环境和判断盆地构造背景的重要指标。因此,本文着重研究闽西南地区中生代沉积岩矿物成分及元素地球化学特征,深入探讨沉积物的源岩及形成环境,为恢复闽西南地区晚三叠-中侏罗世的大地构造背景和动力学机制提供一定的制约,同时对南海北部中生代盆地油气地质调查具有重要的指导意义。2沉积序列及沉积相闽西南上三叠统-中侏罗统地层出露相对完整。为采集用于确定本区沉积物源岩、物源区及恢复大地构造背景和动力学机制所需的砂岩、泥岩样品,实地勘测了南靖油柑坪剖面(位于南靖县西部,北纬24°33′56.6″,东经117°17′10.2″)文宾山组、漳平高明坑剖面(位于漳平市南部,北纬N:25°15′18″,东经117°22′4.8″)梨山组、漳平西园剖面(位于漳平市西北部。北纬N:25°18′57.2″,东经117°20′57.3″)梨山组和漳平东坑剖面(位于漳平市东北部,北纬N:25°18′11.2″,东经117°25′30.8″)漳平组(图1)。具体岩性、岩相特征分述如下。南靖县油柑坪剖面文宾山组厚度约为1030m。下部岩性主要为灰黄色、黄色细砂岩、粉砂岩夹泥岩,厚度约350m。上部岩性为浅灰色、灰色厚层状泥岩夹浅灰色、灰绿色粉砂岩、细砂岩和含砾粗砂岩。泥岩层和粉砂岩层中水平层理发育,含植物化石碎片。文宾山组岩性由下至上构成一个由粗-细的沉积序列。漳平市高明坑剖面梨山组假整合于文宾山组之上,厚度约579.7m。梨山组下段底部岩性主要为灰白色、黄白色砾岩、粗砂岩和中砂岩夹粉砂岩,粉砂岩中发育水平层理,厚度约为211.7m。下段上部岩性主要为灰白色、灰黑色粉砂岩夹砂岩透镜体。粉砂岩中发育水平层理,含泥质结核及植物碎片,厚度约为30.9m。梨山组上段底部岩性主要为灰黑色凝灰质泥岩,含少量铁质结核。上段下部岩性主要为灰绿色细砂岩、粉砂岩夹灰黑色泥岩,泥岩夹层发育水平层理,砂岩层发育小型槽状层理,含瓣鳃类,厚度约为142.6m。上段上部主要为灰绿色厚层泥岩、泥质粉砂岩,夹砂岩。发育微波状和板状交错层理,厚度约为194.5m。本组自下而上构成一个由粗-细的沉积序列。漳平市东坑剖面漳平组假整合于梨山组之上,厚度约2900m。下部岩性主要为暗紫色、紫红色、灰白色泥岩夹砂岩。泥岩发育微波状层理和水平层理,具虫孔结构,厚度约为750m。中部岩性以紫红色、浅灰色、土黄色粉砂岩夹黄色中砂岩和细砂岩,个别细砂岩层中夹薄层粉砂岩和泥岩,偶见细粒杂砂岩层,厚度约为800m。上部岩性以黄红色、浅紫色中厚-巨厚的杂砂质砂岩和含砾杂砂质砂岩为主,夹浅灰色薄层粉砂岩和泥岩,砾石成分为流纹岩及硅质岩,在薄层泥岩层发育平行细层理,有虫孔痕迹,厚度约为1350m。漳平组岩性由下至上构成一个由细-粗的沉积序列。岩性组合、层理的变化反映沉积环境的变迁。文宾山组由下部三角洲相沉积物组合和上部湖泊相沉积物组合构成。湖泊沉积的出现说明三角洲发生了退积,湖盆扩大。三角洲沉积主要为三角洲前缘的河口坝和间湾沉积。细砂岩和粉砂岩沉积代表三角洲前缘河口坝沉积,泥岩沉积代表间湾沉积。湖泊沉积中厚层的泥岩沉积代表水体相对稳定下的静水泥沉积。梨山组由下段和上段下部的三角洲相沉积物组合和上段上部的浅海相沉积物组合构成。可见,早侏罗世晚期海侵已到达福建漳平地区,但福建地区海相沉积局限在福安-南靖断裂和政和-大埔断裂带之间,盆地受断裂控制明显。三角洲沉积主要为三角洲平原水下分流河道和河道间沉积、三角洲前缘的河口坝和间湾沉积组成。砾岩、粗砂岩和中砂岩沉积代表三角洲平原水下分流河道沉积。粉砂岩沉积代表三角洲前缘河口坝沉积。浅海沉积中厚层的泥质粉砂岩沉积代表静水泥沉积,砂岩沉积代表浊流沉积。漳平组由下部湖泊相、中部三角洲相和上部扇三角洲相沉积物组合构成。由湖泊相到扇三角洲相的转变是盆地萎缩的反映。剖面上部杂砂质砂岩沉积代表扇三角洲沉积中的重力河口坝沉积,含砾杂砂质砂岩沉积代表重力河道沉积。中部粉砂岩沉积代表三角洲前缘河口坝沉积。下部泥岩沉积代表浅湖相静水泥沉积。晚三叠世-中侏罗世沉积环境的改变,是闽西南地区经历海侵-海退事件的反映,也是盆地由扩张到萎缩的表现。3测试过程及检出限样品采集于南靖油柑坪剖面上三叠统文宾山组、漳平高明坑和漳平西园剖面下侏罗统梨山组、漳平东坑剖面中侏罗统漳平组。采集了新鲜的用于矿物成分分析的砂岩样品及用于地球化学分析的泥岩样品。根据室内显微薄片观察,选择受成岩作用影响较小的样品进行元素地球化学分析。对要进行元素地球化学分析的粉砂质泥岩、凝灰质泥岩及泥岩样品先进行清水冲洗,烘干。在初步研磨后去除样品中的砂岩颗粒,再用玛瑙球研磨机破碎,保留小于200目样品。研磨好的样品分成两份,一份用于常量元素分析,一份用于微量、稀土元素分析。分析在吉林大学实验测试中心完成,详细实验测试过程可参见许中杰等(2010)。常量元素采用X-射线荧光光谱仪测定,分析精度优于5%。微量和稀土采用ICP-MS质谱仪测定,质谱仪测试检出限小于0.5×10-6。Li、Be、Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Zr、Mo、Cs、Ba和Pb检测限为0.01~0.2μg/L,Y、Nb、Hf、Ta和REE检测限为0.001~0.005μg/L。测试样品最终结果取3次测定平均值,数据如表1所示。4地球化学特征及沉积物起源岩石4.1稀土元素特征南靖油柑坪剖面上三叠统文宾山组样品常量元素含量(SiO2=58.96%~68.68%、Al2O3=18.48%~21.83%、Fe2O3T=0.79%~4.6%、CaO=0.18%~1.44%、MgO=0.43%~0.51%、K2O=5.37%~6.90%、Na2O=0.21%~0.28%);漳平西园和漳平高明坑剖面下侏罗统梨山组样品常量元素含量(SiO2=53.88%~71.16%、Al2O3=13.1%~24.05%、Fe2O3T=0.76%~8.76%、CaO=0.14%~4.38%、MgO=0.41%~1.85%、K2O=2.57%~6.05%、Na2O=0.16%~3.35%);漳平东坑剖面中侏罗统漳平组样品常量元素含量(SiO2=62.1%~75.18%、Al2O3=13.63%~19.34%、Fe2O3T=2.38%~7.71%、CaO=0.08%~1.99%、MgO=0.5%~1%、K2O=2.79%~5.22%、Na2O=0.26%~0.56%)。闽西南地区常量元素与PAAS标样(TaylorandMclennan,1985)比较,SiO2、Al2O3含量基本一致,Fe2O3T、CaO、MgO、Na2O含量相对标样偏低。微量元素与PAAS比较,Ba、Hf、Ni、Rb、Th、U、Zr含量相似,Sr、Mn、Co、Nb、Ta含量相对标样偏低。常量和微量元素特征反映沉积物源岩有酸性岩存在。文宾山组、梨山组和漳平组稀土元素均具有∑REE总量较大、轻稀土富集,同时Eu亏损的特征。文宾山组YGP-19样品∑REE=22.51×10-6,LREE/HREE=7.21,δEu=0.9,其余样品∑REE=97.43×10-6~152.6×10-6,LREE/HREE=8.30~15.01,δEu=0.69~0.82。梨山组较文宾山组∑REE增加(∑REE=115.4×10-6~383.4×10-6),轻重稀土比值变化范围增大(LREE/HREE=8.30~20.27),Eu元素更加亏损(δEu=0.48~0.67)。漳平组REE特征(∑REE=98.34×10-6~260.5×10-6,LREE/HREE=11.28~19.38,δEu=0.56~0.64)较梨山组均略有降低,与文宾山组多数样品REE特征相似。REE特征反映文宾山组物源复杂,梨山组与文宾山组和漳平组物源有差别。稀土元素分布模式图解中(图2),La-Eu段各组轻稀土配分曲线均较陡、斜率较大,表现为明显的“右倾”,说明轻稀土元素之间的分馏程度较高;Gd-Lu段各组重稀土配分曲线均表现为斜率较小,“左倾”现象不明显,说明重稀土元素之间有一定程度的分馏。上地壳内缺少使重稀土元素分馏的因素,因而重稀土含量较稳定,同时富含轻稀土。元素分异作用使下地壳中Eu元素富集,而上地壳缺失(Shaoetal.,2001)。常量、微量和稀土元素特征显示文宾山组、梨山组和漳平组沉积物来自上地壳,源岩有酸性岩存在。下面通过沉积物源岩和源区物质组成判别图解进一步完善和确定沉积物源岩。4.2闽西南地区上三叠统-中侏罗统岩源区闽西南地区上三叠统-中侏罗统稀土元素分布曲线整体形态相似,只是平行地上下移动,说明沉积物具有同源性。可以应用REE特征对物源区的性质进行更进一步判断。将样品投于∑REE和La/Yb源岩判别图解(AllègreandMinster,1978)中(图3)。西园梨山组样品全部落在沉积岩区域。油柑坪文宾山组除一个样品落在沉积岩和花岗岩两种岩性交汇区内,其余样品均落于沉积岩区域内。高明坑梨山组样品分布较分散,一个样品落在沉积岩和花岗岩两种岩性交汇区内,另外三个样品落在沉积岩或花岗岩区域内。东坑漳平组样品除一个样品落于沉积岩区域内外,其余样品全部落于沉积岩和花岗岩两种岩性交汇区内。可见,闽西南地区上三叠统-中侏罗统文宾山组、梨山组和漳平组源岩来自沉积岩和花岗岩。沉积岩中的稀土元素是稳定的,受风化、成岩及变质作用的影响不明显(NanceandTaylor,1976),因而对稀土元素的分析,可为源区物质组成提供重要的约束。δEu是灵敏反映地球化学变化的铕的异常系数,是物质来源的重要鉴别参数(张金亮和张鑫,2007)。闽西南地区上三叠统-中侏罗统泥岩样品δEu表现为负异常,说明其源岩为酸性岩。文宾山组样品比梨山组和漳平组样品δEu值高,随着δEu的降低,酸性岩含量可能增加,如花岗岩。K和Rb在碎屑沉积岩中的含量同样是沉积物源区特征的重要反映(Shaw,1968;Floydetal.,1989)。闽西南泥岩样品K/Rb比值较集中(Rb含量>100×10-6;K2O含量>1%),说明沉积物主要来自于中-酸性火成岩源区(图4)。从La/Th-Hf图解中(图5),得出了与稀土元素分布模式、泥岩源岩判别图解及δEu和K2O-Rb图解一致的结论。文宾山组样品集中在被动大陆边缘物源区和酸性岛弧源区内,西园梨山组主要集中在酸性岛弧源区内,高明坑梨山组样品分布在被动大陆边缘物源区和酸性岛弧源区内,漳平组样品除一个样品落在长英质、基性岩混合物区域内,其余样品全部分布在酸性岛弧源区内。闽西南地区沉积物物源由上三叠统文宾山组的以古老沉积物为主的被动大陆边缘物源,向下侏罗统梨山组和中侏罗统漳平组的酸性岛弧物源和长英质、基性岩混合物物源改变,物质组成由沉积岩向酸性岩、中酸性岩转变。5盆地构造类型的控制不同类型的沉积盆地有不同的沉积物物源类型,而沉积盆地的不同类型则是由不同类型的构造背景控制着。不同沉积物物源具有各自独特的地球化学特征,是认识控制盆地形成的构造背景的重要依据。5.1大陆岛弧构造背景Bhatia(1985)总结了利用稀土元素特征判别沉积盆地的构造环境,可以区分出四种典型的构造环境,即:大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘及被动大陆边缘。来自大洋岛弧(马里亚那岛弧)构造背景、源区为未切割的岩浆弧沉积物,具有低的稀土总量、弱的轻稀土富集和基本无负Eu异常的特征。来自大陆岛弧(日本岛弧)构造背景、源区为切割岩浆弧的沉积物,有较高的稀土总量和中等的轻稀土富集、弱的Eu负异常。而来自安第斯型活动大陆边缘、被动大陆边缘、地台和克拉通内构造高地的沉积物,有高的稀土总量、轻稀土富集和明显的负Eu异常。在相同构造背景下,泥岩的∑REE含量要高出杂砂岩∑REE含量20%左右,所以把研究区泥岩REE特征值除以1.2便得到相当于同期沉积的杂砂岩的含量,即校正后含量。校正后稀土元素特征值可与Bhatia总结出的判别沉积盆地构造环境的稀土元素特征对比(表2)。油柑坪文宾山组REE特征值与大陆岛弧构造背景REE特征值相似,物源来自切割的岩浆弧。西园梨山组REE特征值与活动大陆边缘构造背景REE特征值相似,物源来自上隆的基底。高明坑梨山组REE特征值与被动大陆边缘构造背景REE特征值相似,物源来自克拉通内部构造高地。东坑漳平组REE特征值与大陆岛弧构造背景REE特征值相似,物源来自切割的岩浆弧。碎屑沉积岩的物质组成决定了其地球化学特征,而物质组成与其大地构造环境有着密切联系。TaylorandMclennan(1985)等学者通过对已知构造环境的砂岩、泥岩样品的地球化学分析,认为微量、稀土元素有在水体中停留时间短,受风化淋滤作用和搬运和沉积成岩过程中仍能保持其性质稳定,特别是La、Ce、Th、Zr和Sc等元素其稳定性更强。BhatiaandCrook(1986)根据La、Ce、Th、Zr和Sc等元素的特性,总结出适合于砂岩、泥岩样品的Zr-Th、La-Th-Sc和Th-Co-Zr/10构造背景判别图解,利用元素地球化学数据在这些图解上分布的信息,能直观和清晰的反映出控制沉积物沉积的构造背景。对三个图解综合分析,其判断的构造背景要比常量元素更加可靠,同时是对利用稀土元素特征值进行构造背景判断的重要补充和佐证。本文选择进行地球化学测试的样品是新鲜、受成岩作用影响较小的泥岩样品,适用于Zr-Th、La-Th-Sc和Th-Co-Zr/10构造背景判别图解。将测试得到的微量、稀土元素数据投于构造背景判别图解中。在Zr-Th图解中(图6),各组样品落点较分散。油柑坪文宾山组5块样品中的4块样品落在大陆岛弧区域内及其周围;1块样品落于被动大陆边缘区域内。西园梨山组9块样品的4块样品落于被动大陆边缘;2块样品落于主动大陆边缘;2块样品落在大陆岛弧及其周围;1块远离各区域。高明坑梨山组样品落在大陆岛弧及其周围。东坑漳平组7块样品中的4块落于大陆岛弧区域内;另3块样品落于主动大陆边缘。在La-Th-Sc判别图解中(图6),除西园梨山组和东坑漳平组各2块样品落于大陆岛弧区域;油柑坪文宾山组1块样品落于大洋岛弧区域边部外,其余样品主要集中在大陆边缘区域内部,在Th-Co-Zr/10判别图解中(图6),油柑坪文宾山组5块样品落在被动陆缘范围内及其附近。西园梨山组样品落在被动大陆边缘或大陆岛弧区域及其附近。高明坑梨山组5块样品中的3块落在被动大陆边缘区域内及其附近;1块样品落在活动大陆边缘的边部;1块样品远离各区域。东坑漳平组7块样品主要分布在活动大陆边缘和大陆岛弧范围内。是安第斯型大陆边缘弧或日本型岛弧造山带的构造背景,这与根据砂岩成分分析的物源区相接近。综合三个判别图解分析,油柑坪文宾山组、西园梨山组和高明坑梨山组沉积物可能形成于被动大陆边缘或大陆岛弧相关沉积盆地。东坑漳平组沉积物可能形成于靠近大陆岛弧的活动大陆边缘构造环境,如弧后盆地。5.2岩石矿物成分特征影响沉积盆地内沉积矿物成分的因素很多,如物源、气候、风化作用的方式以及沉积物在向盆地内搬运过程中所经历的水动力作用等,其中物源区的原岩类型对其控制作用是十分重要的。因此,碎屑沉积物的骨架矿物成分,尤其是砂岩的骨架矿物成分对物源区的性质和构造环境有着敏感的反映。Dickinson的QFL、QmFLt、QpLyLs和QmPK图解法(Dickinson,1974)对砂岩成分的定量分析可以用来追溯物源高地的性质,以判别板块构造背景所决定的物源类型和确定盆地的性质。其对通过泥岩判断的构造背景是有益的约束和佐证。对南靖油柑坪剖面文宾山组3块样品,漳平高明坑剖面梨山组5块样品和漳平东坑剖面漳平组3块样品进行岩石矿物成分统计与分析(图7)。在QFL图解中文宾山组样品石英含量都很高,岩屑含量也较高,但长石含量均很低,位于再旋回造山带物源区。梨山组样品除一个样品点位位于岩浆弧物源区外,一个样品岩屑含量较高,其余样品石英含量较高,位于再旋回造山带物源区内。漳平组一个样品的石英含量高,点位位于再旋回造山带物源区,其余样品长石含量相对升高,位于靠近岩浆弧物源区的位置。在QmFLt图中文宾山组样品集中在再旋回造山带物源区内,多晶石英含量很少,说明其物源成分中来自大洋成分较少。梨山组和漳平组样品点的位置与QFL图中的相比,所有点均没有明显变化,说明缺少大洋组分。在QpLvLs图中文宾山组样品落于火山弧造山带物源区内。这说明油柑平地区靠近逆冲造山带。梨山组除一个样品点落于火山弧造山带物源区内,其余点位均落在靠近火山弧造山带物源区,说明漳平高明坑地区在逆冲造山带附近。漳平组所有点均落于靠近火山弧造山带物源区,这说明该地区在逆冲造山带附近。在QmPK图中文宾山组样品石英含量都有所增加,点位均落在陆块物源区,缺少深成组分与火山组分,说明其成分成熟度大大提高。梨山组除一个样品点位与其它样品相比钾长石的相对含量明显升高,表明岩浆弧深切割组分的增加外。其余样品石英含量很高,成熟度和稳定性都很好,点位位于陆块物源区,缺少深成组分与火山组分。漳平组一个样品的石英含量高,点位位于陆块物源区,缺少深成组分与火山组分,而其余两个样品钾长石的相对含量明显升高,表明岩浆弧深切割组分的增加。岩浆弧物源的出现是前期形成的岩浆弧被挤压逆冲推覆抬升后遭受剥蚀而在盆地中沉积下来的。据各图样品点的位置分析,文宾山组沉积物物源来自于火山弧造山带。梨山组和漳平组沉积物物源主要来自于火山弧造山带和岩浆弧物源区。物源区证实闽西南地区存在火山弧造山带和岩浆弧。6闽西南地区晚三叠-中侏罗世岩浆岩带及盆地沉积特征依据华南陆缘在晚三叠世卡尼中晚期遭受海侵,“粤东海盆”在粤东-粤北-粤中地区形成。闽西南地区晚三叠世除与广东交界地区为一套海陆交互相沉积,其余地区以陆相沉积为主。南靖县油柑坪剖面文宾山组为三角洲-湖泊沉积序列,由下至上构成一个由粗-细的沉积序列,湖泊的出现反映盆地在不断扩大。早侏罗世早期发生大规模海侵(周蒂等,2005),海侵的范围远远超过漳平,达到福建更北的区域。在福建地区形成龙岩海湾,这个海湾就是“粤东海盆”的北部延伸。漳平县高明坑剖面梨山组为三角洲-浅海的沉积序列,由下至上构成一个由粗-细的沉积序列,但海相沉积范围狭长,东南部边界大致以福安-南靖断裂为界,西北部大致以政和-大埔断裂带为界(曹宝森等,1989)。海相沉积在两条断裂带中间的狭长区域内发育,明显受断裂控制。中侏罗世受环太平洋构造域的强烈俯冲和挤压作用闽西南地区完全隆升为陆地,在海水完全退却的背景下,形成了“复理石”-“磨拉石”的沉积。漳平县东坑剖面梨山组为湖泊-三角洲-扇三角洲的沉积序列,由下至上构成一个由细-粗的沉积序列。梨山组下段呈现“复理石”韵律,上段整个呈现“磨拉石”韵律,沉积序列显示了盆地闭合充填的特征。泥岩地球化学特征反映闽西南地区晚三叠世和早侏罗世沉积物源岩主要为沉积岩和花岗岩;中侏罗世沉积物源岩主要为花岗岩。砂岩矿物成分和泥岩地球化学特征分析的物源区相吻合,晚三叠世沉积物物源来自火山弧造山