前陆盆地砂岩岩石地球化学的构造背景和物源区分析.pdf

申阎种晕旧辑)第3 3卷第1 2期SC IE NC EINC HIN A(Se rie、D)2()()3年12月漠河前陆盆地砂岩岩石地球化学的构造背景和物源区分析*和 政军*李锦轶莫 申国A.A.so rok in(中国地质科学院地质研究所,北京10 0 037;俄罗斯科学院远东分院,布拉戈维中斯克6 75()()0,俄罗斯)摘要砂岩 岩石地球化学对沉积盆地形成 时期构造 背景的稳定 与否有着较高的敏感性,已成 为地质构造复杂地区研究的有效 手段.分析表明,中生代漠河盆地砂岩在化学成分特征上显示出活动大陆边缘盆地的特 点;同时又充分地揭示出,碎 屑物质主要来自北侧 的造山带并接 受了盆地南侧的大陆区碎屑来源,具有前陆盆地的二元物源特征.根据岩石地球化学分析并结合构造等方面的研究结果,认为 中国黑龙江省漠河盆地 的堆积 物应属于磨拉石 沉积,所反 映 出的盆地构造类型应为前陆盆地,而不是以往认 为的裂谷盆地.这一研究结果 为漠河前陆盆地 与相邻 蒙古一鄂霍茨克造山带在中生代的构造成因关 系提 供了重要的岩石地球 化学依据.关键词漠河前 陆盆地砂岩岩石 地球化 学构造背景碎屑物源区侏罗纪漠河地区位于中国北方边 睡黑 龙江省,地处 大兴 安岭山脉最北端,地貌 上属 于低山丘 陵.在构造上,漠 河 盆地 位于额尔古纳地块北 缘,其北 为蒙古一鄂 霍茨克造山带(简 称“蒙一鄂 带”).由于受地域偏远和 植被发育等条件限制,以往中生代漠河 盆地研究基础较为薄弱,相关的专题性地质研究 几乎 为空自.目前,蒙一鄂带对 中 国北 方中生代时期 构造演 化 所产 生 的影 响,已越来越 引起人们 的关注一“.为了揭示 中国北方 中生代地 质演化的动力学机 制,进一步了解蒙-鄂带 的地质历史和造山过 程是非 常必要 的.蒙一鄂带 的主体位于蒙古国东部及俄罗斯远 东地区,与中 国境 内没有 直接接壤,而 漠河 盆地与紧靠蒙一鄂带 的俄罗斯上 阿穆 尔盆地,在 中生代时期同属一个盆地,并 且具 有相 同的特点和地质构造演化历史,它们的形成演化都与蒙一鄂带的造山过程有密切 的联 系.因此从某种 意义上讲,漠河盆 地是中国学者直接了解蒙古一鄂 霍茨 克造山带 中生代地质状 况的惟 一窗口2 0世纪8 0年代的区域地 质调查研究认为,漠河 盆地 为 中生代形成的裂谷盆地).笔者近年来 根据漠河 盆地 与蒙古一鄂霍茨克造山带的演化关系,首次提出该盆地 的构造性 质应属于前陆 盆地l.在 国家自然 科学 基金 资助下,我们近 年对 中生 代漠河盆地的成因进行了专项研究.在研究过 程 中,为了从整体上 加深对漠河盆地 形 成演化的认识,我们实地 考察了俄罗斯 阿穆尔州境内的中生代地质,由斯特烈尔卡 向南至 中俄边境处 的加林达,穿 越了蒙一鄂带 主体以及上 阿穆尔盆 地(图I),获得了第一手地质资料.20 0 3一0 2一0收稿,20()3一0 5一28收修改稿国家 自然科学基金项目(批 准号:498 7 2066)和国家 自然科学基金重点项目(批准号403202()共同资助*E一mail:z jhee enl)黑龙江省地质矿产局.漠河、连案、老沟、二十五站幅百:2 O万区域地质调查报告19 88】2 20中国科学(D辑)第3 3卷图l黑龙 江省漠河和俄罗斯阿穆尔地区地质简图及采样位置.上三叠统二2.下一中侏罗统;3.中侏罗统(俄罗斯地区包括部分上侏罗统);4.卜侏罗统;5.元古界花岗岩;6.元古界变质岩:7.古生界;8.中生代花岗岩;9古生代花岗岩;10.断裂;1.采样点及样品编号:12.黑龙江(中一俄界河)1区域地质背景漠河侏罗纪盆地(图l)面积 约1400 0kmZ,累计沉积厚度大于5 o0 0 m,为陆相沉积.黑 龙江省地 矿部门原来将漠河盆地 的侏罗纪地层 自下 而上 划分为中侏罗统绣 峰组、二十二站组和额木尔河组,以及上侏罗统开库康组和塔木兰沟组l 7”.其中原定 中侏罗统下部的绣峰组岩石类型主要 为灰色砂岩和粉砂岩,在 盆地南部边缘地带出现大 量 的粗砾砾岩.二十二站组,额木尔河组以及开库康组 主要 为深灰 色砂岩和黑灰色粉砂岩夹 黑色粉砂岩、泥岩及砾岩,在盆地北部砾岩厚度 百 分比较高,前两个组砂岩中碳酸盐胶结现象较普遍.塔木兰沟组 主要 为火山碎屑岩 和火山熔岩.漠河地区地 层 出露 连续 性较差,盆地北部沉积岩层大部分遭受程度不同 的动力变质作用改造(可达高绿片岩相一低角闪岩相).在侏罗纪4个沉积地层为主的组中,除开库康组 可见与下伏地 层为 不整合关系外,其他3个组之间关系不 十分清楚.在区域上,中生代地层分布总体走 向呈近东西 向;从俄罗斯上 阿穆尔盆地 至漠河盆地,地层层位 自北 向南 有 由老 变新 的趋势;沉积岩 的变 质程 度则由南 向北 逐渐增强.黑 龙江北 岸俄罗斯境内的上阿穆尔盆地充填物中,晚三 叠世一早侏罗世沉积地层以海相 细一)见12 19页脚注l第1 2期和政军等:漠河前陆盆地砂岩岩石地球化学 的构造 背 景和物源区分析1221碎 屑 岩夹碳 酸盐岩 沉积 为主,并 出现典型的复理 石沉积;中、晚侏罗世沉积主要 为陆相砂岩和粉砂岩,夹少量海 相碎屑岩层.与_上阿穆尔盆 地北侧紧邻的蒙一鄂 造山带,现今 出露了古生代被 动陆缘型沉积地 层和属 活动陆缘的消减杂 岩等,并分布有残 留 的侏罗纪地层1 8一0(图均.蒙-鄂带以北地区则 出露了大面 积的前寒武 纪结 晶基底 岩石 和早 中生代 花岗岩等侵入 岩体.在 漠河 盆地南缘一侧,主要 分布有元 古代花 岗质 岩石,以及 元古界和小面 积分布的古生代地层.在 中晚侏罗世一早 白奎世 时期,沿蒙一鄂造山带 发 育主体向南 逆冲的大规 模推覆构 造和韧性 剪切带.L i等1 2 1认为,漠 河地区与蒙古一鄂霍次克造山带 晚 中生 代造山作用有关的构造 变形有3期:(1)中一晚侏罗世 向南 的逆冲和地壳缩 短;(1 1)晚侏罗世 的 向东冲断作用 和平行 造山带的走滑断裂 活动;(i)早 白噩世的向南东方 向的斜向逆冲活动及地 壳缩 短.2砂岩基本特征及分析方法从侏罗系岩石 组合特 征上看,漠河盆地 沉 积充 填物 中砂岩 约 占各组地 层 厚度 的6 1%-7 3%(据2 1条音 面统计).以往将漠河盆地 砂岩岩石类型大部分定为 长石砂 岩”,通过 此次研究,确定主要 是岩屑杂砂岩和长石岩 屑杂砂岩等.根据13 7个岩 石薄片镜下观察,分布在 盆地北部的二 十二站组和额 木尔河组,岩石碎屑组成 中石英含量 一般占碎屑 总量 的3 5%一5 5%,长石巧%一3 0%,岩屑 2 5%一4 5%,而南部 的锈 峰组长 石含量相对 较高,可 达 2 5%一3 5%.未变质 的砂岩 中杂基含量大部 分在1 5%一2 5%之间在空间分布上,向北岩 屑含量有 增多 的趋势,部 分可达 4 5%一5 5%.此外,盆 地南部岩屑组成主要为多晶石英、变质 岩屑及 火山岩屑 等,北部沉积岩 的岩屑含 量相对 较高.碎屑 颗粒的大小影 响着沉积 岩石 地球 化学 特征!”,21.为强调岩化数据 的可比性,漠 河盆地5 2个 岩石样 品分析 均选择 中、细粒砂岩作为分析测试 对象.主元素化学 全分析测试方 法为x RF;稀土元素测 和微量 元素测试采用I CP一A ES和I CP一MS方法,仪器为JA一116 0,均 由国家地 质实验测 试 中心完成.3岩石地球化学特征漠河 盆地 和俄罗斯上 阿穆 尔盆地侏罗纪砂岩 岩石地球 化学具有以下基本特点:(l)漠河盆地侏罗系各组砂岩的 A 120:,5 10:及其相关比值与典型的杂砂岩平 均值一致,而与长 石砂 岩或 裂谷砂 岩 明显不 同!”,2手.典型的大陆 裂谷 盆地的长石砂岩一般以富含钾长石和K含量高为特征,该比值明显 高于1,通 常在1.5一1 5之 间.漠河 盆 地侏罗纪 砂 岩 的KZo/Na20平 均比值为。.9 1,反 映 出较典型杂砂岩的特征,与长石砂岩或 大陆裂 谷砂岩不 同.在P et ti john的砂岩岩石化学分类图川上(图2(a),几乎所有 样品投 点都落在 杂砂 岩(灰 瓦克岩)区,与镜下及野外 观察所获得 的结果 一致.(2)漠河4个组砂 岩稀土元素总量(艺REE,包括Y)平均值为145、10一6,L R EE/H R E E为5.2 7.Eu/Eu*值为0.6 2,与平均中一新生代和古生代杂砂 岩Eu的亏损程度(分别为0.6 0和0.62)近于一致,反映了后太古 代沉积岩Eu的演化特点t”川.稀 土元素和微量元素特征比值T h/Sc,G d汉Ybn以及La/Y b,均高于一些典型杂砂 岩平均值,而La/T h基本相同.(3)漠河盆地砂岩球粒陨石标 准化RE E分布曲线 总体上 属于轻稀土中等富集型(图3(a).一)见12一9页脚注l1222中国科学(D辑)第3 3卷!,值岩石均。漠 河盆地 北部,漠河盆地南部.n=19n=33(a)100杂砂岩(灰瓦克岩)口漠河盆地北部砂漠河盆地南部砂.漠河盆地砂岩平0俄上阿穆尔盆地砂岩平均值.”n=19n=33n=(b)RC nACMA RCO才Z0.窝O叫芝O刃之助。闷长石砂岩FSw0 IL4 On UI、一一 一Log5 102/A!20303(d)口产 尸一、口,I沪尸沪尸A 0 I 20 2O8O口住670510,a g少,/“/一-一一 一沪州.,/R c l疾RC f l气示 而4内乙n曰tn0d迈d 岁V被动大陆边缘1 50FeZO;T+Mg OFeZO:T+Mg O图2漠河盆地砂岩岩石地球化学分类及构造背 景判别图(a)据文献日l J;(b)据文献15,分区实线经修改据文献16,虚线及cR(大陆裂谷)为笔者所加.A Rc示大洋岛弧;A cM示活动陆缘;PM示被动陆缘(岩石地球化学数据中烧失量去除,重新按百分比计算);CR示克拉通及陆内拉张盆地;(c),(d)据文献!2.样品资料来源及说明:大陆裂谷砂岩:Re d 据文献6 j,Rc nl笔者未发表,Rnw据文献汇!8,Rf e据文献9;前陆盆地或磨拉石砂岩:Fsw据文献120,Fmr据文献2一,Fag据文献22,Ftl据文献2 3,Fap据文献I一(n表示样品数量)(Fe Zo3T=Fe ZO3xo刀+FeO)50 010二二1 00口.气.-.日,巨一仙咯.,t口二.声=.P-zoj阴,口漠河盆地北部,n=1 9.漠河盆地南部,n=33函上阿穆尔盆地,n=2 6咀旧集溉昭攀旧却一0一42o(a)一 一上一一土一._吐】吐井1,.LaCePrNdSmEuG d TdDyL IoErT mybLu(b)0.60.70 80 夕1.0EuX100压REE图3漠河盆地砂岩球粒陨石标准化REE分布曲线和砂岩散点分布图(a)漠河及上阿穆尔盆地侏罗纪砂岩稀土元素分布曲线;(b)砂岩L REE/HR EE对E ux 0 0/艺REE散点分布图第1 2期和政军等:漠河前陆盆地砂岩岩 石地球化学的构造背景和物源区分析1223近 于平行蒙一鄂造山带走 向,沿老沟断裂大致将漠河盆 地分为走 向近E一w的南北 两个 带(图l),可看出南北 两部分砂岩稀土元素组成有 明显 差异北带RE E曲线斜率相对比较平缓且样 品分布较集中,而南带 的 较 陡 并 分 散.同样,在LREE/HRE E对Eu x1 00/艺REE图上 南 带的LR EE用RE E比值明显高于北带,并巨数据点分散(图3(b).两张 图均反映 出南部的轻稀土元素相对富集程度较北带更强,与上阿穆尔盆地砂岩R E E平均曲线对照,轻稀土富集程度 由北 向南增高.(4)漠河盆地与俄境内的上 阿穆尔盆 地侏罗纪砂岩主元素、稀土元素及其他微量元素特 征值总体上相近.除上阿穆尔盆地艺RE E较高外,部分特征值略低 于漠河 盆地.从北部的上阿穆尔盆地至漠河盆地南部,REE和微 量元素比值均显 示 出逐渐增高的变化趋 势.4盆地构造背景判别和物 源区分析在Ros e:和Kor seh的构造 背景判别图lSJ(经Murphy修改l“J)上(图2(b),几乎所有砂 岩样品点都分 布在 活动大陆边缘区(A cM),而远离 被动 大陆 边缘(PM)或 大陆(边 缘)裂古盆地砂岩通常分布区(C R).同样,在Bh at ia的构造 环境判别图l 2上(图2(c),(d),漠 河盆地砂岩样品点大部 分投在了活动大陆边缘区(C区).其中,盆地南部的部 分砂岩化学主量 元素的投点分布在Bhat ia的大 陆岛弧区(B),可能表明南侧物源区也向盆 地部分地提供了前侏罗纪(盆地 基底)的火山碎 屑物质.在砂岩 主元素多变量(l1个氧化物)构造 环境判别 方程 图2上(图4(a),漠河 盆地砂 岩数据点也都分 布在活动 陆缘和大 陆岛弧区.其中盆 地北部样品绝大 多数落在活动 陆缘一一一P3酸性火山名源区I2中子牛火上l岩源区目0醉里声.了/.了.、.口P4石英质沉积 名源区P1具J畔火山岩源区一,。巴L留 Yb一。图4(a)漠河盆地砂岩FI对F Z构造判别方程图“:(b)Th一sc一Z r/1 0构造背景判别图了l;(c)漠河盆地砂岩F 1对F 2物源判别方程图I4一;d)LazT h对Lazy b地壳模式成分判 别图2 31(样品点符号含义r f i%l2(b)1224中国科学(D辑)第3 3卷区,而盆地南部的则部分分布在大陆岛弧区,也表 明南部砂岩更多地混人了火山物质.漠河砂岩的一 些 特 征稀土元素和微量元素的构造背景分析也显示 出与主元素同样的判 别结果.在T h一s c一z r/1 0砂岩构造环境判别图t7上,砂岩样 品点 也大部分落在活动陆缘区(图4(b),c区).上述分析结果 显示 出多 种不 同判别图上 所获 结果 的高度 一致,这与通过野外地质观察在区域构造 变形l 2 以及宏观盆地分析等方面所获得的前陆盆地 的认识相 同.Ro se r和Ko rsc h根据已知构造背景的不同碎屑岩组合岩石化学特征,进行多变量(7个氧化物)判别方程分析,综合出4种 混合物源模型t 2 4.在物 源区方程判别图上,漠河盆地砂岩 点大部分落在 相当于酸性火山岩的P 3源区,少部分在P 4的石英质沉积岩源区(图4(c).P 3区的酸性火成 岩物 源区介 于 中性火山碎屑成因杂砂岩(P 2区)和石英含量较高 的大陆源区之间,碎屑组成 来 自包括再旋回造山带和大 陆 内部的沉积碎屑与活 动大陆岩浆弧以及部分变质岩的混合12 4,25.它代表活动大陆边缘碎屑物质来源,大致对应于 图 2(b)中的A CM区.在La/T h一La iyb比值图(图4(d)2 3上,漠河盆地岩化数据点分别落在两个区域中,显示 出南北碎屑在物源供给上 的差 异.北部样 品主要分布在 平均 上 陆壳(UC)和平均 总陆壳(TC)点之间,南部样品大 部分La/Y b比值大于平均总 陆壳值.5讨论沉积物化学元素在 表生条件下 的地球化学行为受诸多因素影 响日2,2 5一“7,其中以构造环境和物源特征最为重要 2 8.就碎屑沉积岩而 言,构造活 动对岩石 化 学 的影 响 主要反映 在,对有关的物源区母岩性质及其碎屑 化学成分稳定性 的控制上.构造环境的稳定与否,既控制了沉积物质的来源,又决定了化学元素从风化剥蚀到沉积过程在地表的相对“停留,时 间,从而影响元素的 聚集丰度或分馏程度,并在沉积岩石 中 留下了不 同 的地球化学“印记,.“解读,这些保存下来 的沉积岩石化学印记”,已成 为恢复盆地构造性质和追溯碎屑物质 来源 的有效途径.漠河盆 地属 于蒙古一鄂霍次克造山带中生代前陆盆地,2,与以往 的“裂谷盆地”的认识迥异,因此 它们在岩石地球化学 上也应具有不 同 的特征,上述分析结果充分地支持了前陆盆地的结论.图2至图4中砂岩岩石化学特征 的多种构造 背景判别和对比均显示 出,漠河砂岩类型接近 于总体上处 于活动大陆 边缘区,与典型 的前陆盆地 或磨拉石岩石化学成分特征 一致.漠河前陆盆地砂 岩与 发育在大陆基底 上的裂谷盆地砂岩相比,在 两类图中投点分别落在相 隔较远 的两个不 同区域(图2(b),(c),(d).一般情况 下,经典造山带 的前陆盆地 中的磨拉石堆积形成于造山过程中陆一陆板块碰撞的晚期演化阶段.由于产 生于 活动大陆边缘构造背景,盆地一侧紧邻同期造山带,而盆地主体则奠基于大陆块体之上,因此碎屑成分具有造山带和大陆双 向来 源 的二元的物源供给特点.蒙-鄂带是古生代与中生代 活 动的复合造山带,随着中生代隆升一剥蚀作用 的加 剧,前期造山过程形成的产物以及古老 被动 陆缘和被深切 割暴露出来的侵人岩等碎屑,也会加人到前陆盆地 中.从图l中也 可以看出,在经历了中生代(以及新生代)地质演化之后,现今蒙一鄂带主体分布区域中大部分中生代沉积已被剥蚀掉,并出露较大 面积 的古生代地 层和花岗岩,推 测 它们的碎屑当时也 曾作为物源进人中生代前陆盆地.伴随着造山带仰冲板快向南运移,相邻的前陆区大陆地壳 发 生 向下挠 曲并逐渐加 大,会在盆地向陆 一侧的外部前缘形成相对的正 向地貌,同时向盆地内提供具有大陆性质的混合碎屑.漠河前陆盆地侏罗纪砂岩从早期到晚期或从北到南,第1 2期和政军等:漠河前陆盆地砂岩岩石地球化学的构造背景和物源区分析1225岩化特征所发生的变 化和南北 差异(图2至 图4),即为这种 特定构造背景 下保留在砂岩 中的记录(因篇幅所限,将另 文讨论).从另一个 角度看,大陆 裂谷 盆地 由于形 成于 同一 个 大陆块体之上,在拉张过 程 中盆地 两侧所产生的碎 屑成分基本 上相 同.而前陆盆地同时 接受混有另一侧陆块物质的造山带 碎屑,以及前 陆盆地 所在 陆块的大陆基 底碎 屑物 质,因此 实际 上其盆地 充填物质来自两个地质演化历史不 同的大陆块体,这也 是产生二 元 的物源供给 的主要 原 因之一6基本结论(l)岩石 地球化学和岩石学 分析结果均显 示出,中生代漠 河盆 地 的砂岩岩 石类型主要 为通 常形成在 强烈构造活 动背景下堆积的杂砂岩,而不是以往所认为的长 石砂岩.(2)中生代漠 河盆 地砂岩岩 石 化学投点 主要分布 在活动 大陆边 缘区,在 多种 构 造背 景和物 源区判别图上显 示 出了分析结 果 的高 度一 致 性.它揭 示 出盆地碎屑主要来自造山带 一侧,并受 到大陆一 侧碎屑补 给影 响,碎 屑来源具 有前陆盆地所特有的二 元物源供给特点.(3)研 究表明,漠河 盆地砂 岩岩化特征与 典型的前 陆盆地砂 岩相 同.可以认为,蒙古一鄂霍茨克 造山带在 中生代时期 的构 造活 动既 控制了漠河C上 阿穆尔)前 陆盆地 的形 成 和发展,又成为该盆 地沉积 充填 的主要碎屑物质供给区.致谢由于5.VNu zhn o v教授 的大力协助,使得俄 罗斯远东地 质考察得以顺利成行;研究过程中 曾得到其 和日格及黑龙江省地调院齐 齐哈 尔分院的热情帮助,在此深表谢 意,参考文献234567891()和政军,李锦轶,牛 宝贵,等.燕山阴山地区晚侏罗世强烈推覆隆升事件及沉积响应.地质论评、199 8,44(4):4()7一41 8Li J、HeZ,MoSetajThelateMe so zoleoroge niePr o ees s esofMongolia一O khotskOrogen:Ev 一de neef r()mfield一 nv estigat一)n sintode入)rr nationoftheMohea rea,NEC hin aJo 一 岌 rn alofGe oseient一fieResea rehinNo rthea stAsi是 1199 9,2:17 2178赵越,杨振宇,马醒华.东亚大地构造发展的重要转折地质科学,!99 4,292):!0 5一11 9RenJ.NiuB、HeZ,etalT eet()n一 eframewo rkandge()dyna n,iee v olutionofe as飞ernChin a,Pro e.3()lhInt.lGe()1eo ngrV s只A mste rdam,199 7,6:l一14郑亚东,Di l vi、GA,王 二综,等燕山带中生代主要构造事件 与板块构造背景问题.地质学报,2()()(),7 4(4):2 893()2Da visGA,Z he ng Y,Wang C,etalMes oz oieteeto niee v olutionoftheya n,hanf olda ndthr u stbelt,wither nPha sis()nHebe-and L i之 l()ningProvine es.northernC hin aIn:HendrixMS,Da vlsGA,eds.Pale oz oica ndMes o z oicT eetonieEv olut一o n()fCe ntr al Asla:Fr or n(二o ntine ntalAss em b lytoIntr ae ontln e ntalDef ormation.Ge olSoeA me,20()l,Mem()一r19 4:17 1一9 7黑龙江省地质矿产局.黑龙江省区域地质志.北京:地质出版社,199 3,l(,8一19 1Zo rinY A,BeliehenkoVG,T urutano vE K,eral.T heEastSlbe 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