引用本文
邓贵标, 杨忠琴, 田文明, 古镇综, 杨竹. 贵州三穗地区隆里组的沉积物源与沉积环境分析[J].中国地质调查, 2016,2(7): 45-52.
DENG Gui-biao, YANG Zhong-qin, TIAN Wen-ming, GU Zhen-zong, YANG Zhu. Sedimentary Environments and Provenance Analysis of Longli Formation in Sansui Area, Guizhou Province[J].Geological Survey of China, 2016,2(7): 45-52.  
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贵州三穗地区隆里组的沉积物源与沉积环境分析
邓贵标, 杨忠琴, 田文明, 古镇综, 杨竹
贵州省地质调查院, 贵阳 550000

第一作者简介: 邓贵标(1970—),男,工程师,长期从事区域地质调查与研究工作。Email: 757205734@qq.com。

收稿日期: 2015-02-01
基金资助: 中国地质调查局“贵州1:50 000三穗县、台江县、岑松、桐林4幅区域地质调查(编码: 1212011120628)”项目资助
摘要

对贵州三穗地区隆里组砂岩的地球化学、稀土元素、微量元素及沉积构造进行了研究,分析了隆里组砂岩的物源方向、母岩类型及源区的构造背景: 主要为长英质火成、镁质火成物源区,其次为火山弧物源区(基本为深成)和过渡区,物源是上地壳剥蚀而来,且隆起基底多为稳定克拉通,具有被动大陆边缘的构造背景。沉积构造与地球化学研究进一步证明,该地区隆里组为淡水环境沉积,是裂谷盆地由拉张裂陷演化为逐渐萎缩阶段沉积而成的产物。

关键词: 沉积环境; 沉积物源; 元素特征; 隆里组; 贵州三穗
中图分类号:P512.2;P534.3 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2015)07-0045-08
Sedimentary Environments and Provenance Analysis of Longli Formation in Sansui Area, Guizhou Province
DENG Gui-biao, YANG Zhong-qin, TIAN Wen-ming, GU Zhen-zong, YANG Zhu
Guizhou Institute of Geological Survey, Guiyang 550000, China
Abstract

Based on geochemistry, sedimentary structure, trace element and rare earth element analyses for sandstone from Longli Formation in Sansui area of Guizhou Province, the provenance, mother rocks and tectonic background are summed up. It is inferred that the mother rock belongs to felsic and magnesian magma rocks which form in stable continental, partially form in volcanic arc and transition zone. It is proposed that the provenance might be derived from upper crust, the uplift basement belongs to stable craton, and the tectonic background is passive continental margin. Sedimentary structures and geochemistry data from Longli Formation reflectes a freshwater environment which correspond to the depression stage of rift basin extension.

Keyword: sedimentary environment; sedimentary provenance; element characteristics; Lonli Formation; Sansui of Guizhou
1 研究区概况

研究区东起南明、西至五河、北抵三穗、南至中寨, 大地构造属于扬子东南区湘桂分区[1], 位于江南造山带南西段北亚带[2]。北西为扬子陆块, 南东为华夏陆块(图1)。在新元古代早期, 由于武陵造山期后地幔柱上隆伸展, 区内逐渐形成裂谷盆地, 沉积了一套海相复理石建造[3]。对区内新元古代裂谷盆地特征前人已做过大量研究, 并取得了一系列的成果。认为该地区青白口系为浅海沉积[4], 但其边缘过渡相区的位置及范围仍比较模糊。

图 1 研究区大地结构图(据参考文献[2], 略作简化)
①. 师宗— 松桃— 慈利— 九江断裂带(北亚带); ②. 罗城— 龙胜— 桃江— 景德镇断裂带(中亚带); ③. 北海— 萍乡— 绍兴断裂带(南亚带)Fig.1 Tectonic map of the study area (after reference[2])

2012年, 笔者在该地区开展1:50 000地质调查工作时, 在该地发现一套紫红色岩屑长石砂岩组合, 与区域上隆里组岩性组合相同, 出露良好, 交通方便, 是研究三穗一带隆里组沉积环境的理想场所。

区内出露的地层有青白口系清水江组、平略组、隆里组, 南华系铁丝坳组、大塘坡组、南沱组, 震旦系陡山沱组、老堡组, 寒武系牛蹄塘组、九门冲组、变马冲组、杷榔组、乌训组, 二叠系栖霞组、茅口组、合山组及第四系堆积物。其中大塘坡组与南沱组、隆里组与铁丝坳组为平行不整合接触关系, 二叠系地层与下伏地层为角度不整合接触关系, 构造以NE向为主, 次见近EW向构造(图2)。

图 2 研究区地质略图
1.第四系堆积物; 2.茅口组; 3.栖霞组; 4.乌训组; 5.杷榔组; 6.变马冲组; 7.九门冲组; 8.牛蹄塘组; 9.南沱组; 10.大塘坡组; 11.铁丝坳组; 12.老堡组; 13.陡山沱组; 14.隆里组; 15.平略组; 16.清水江组第二段; 17.清水江组第一段; 18.断层; 19.剖面线; 20.地名Fig.2 Geological sketch map of the study area

2 剖面结构及横向变化
2.1 剖面结构特征

笔者在地灵、中寨、磨老坡实测剖面5条, 分别为PM030、PM026、 PM019、PM025、PM028(图2)。以磨老坡(PM019)剖面出露最好, 层序清楚 (图3)。

图 3 研究区青白口系隆里组实测地层剖面(据PM019剖面)
1.含砾砂岩; 2.岩屑石英砂岩; 3.岩屑长石石英砂岩; 4.粉砂岩; 5.泥质砂岩; 6.泥岩; 7.产状; 8.铁丝坳组; 9.隆里组; 10. 平略组; 11.磨老坡砂岩Fig.3 Geological profile PM019 of Longli Formation of the Qingbaikou System in the study area

下部(49~58层)为灰绿色厚块状绢云变细粒岩屑长石砂岩夹砖红、灰黄色变质凝灰质粉砂岩、淡红色泥岩, 夹一层沉凝灰岩。发育小型斜层理、潮汐层理、波状层理及平行层理。

中部(29~48层)为紫红色厚块状变质细粒岩屑长石砂岩夹少量紫红色厚块状粉砂岩, 含砾石, 呈扁平状、纸片状, 成分为紫红色泥岩, 砾石细小, 一般为0.3~2 cm, 砾石呈次棱角状, 无分选, 无定向排列。出现以粉砂岩、细粒岩屑长石砂岩组成不等厚韵律沉积, 向上变粗, 具逆粒序变化特征。发育大型板状交错层理、潮汐层理及波状层理。

上部(1~28层)为灰黄、灰白色中厚层— 厚层块状绢云变细粒岩屑长石砂岩夹灰绿、灰白色厚块状粉砂岩、细砂岩、板岩(泥岩), 偶夹细粒长石砂岩, 顶部为粉砂岩与板岩互层, 砂岩中含少量砾石。

2.2 横向变化特征

隆里组在横向上变化较大, 沉积厚度从东向西逐渐变薄, 在五河一带尖灭 (图4)。在南明一带厚659.9 m, 中寨一带厚543.1 m, 磨老坡一带厚480.6 m, 至五河一带未见出露。造成此现象原因, 是研究区地壳抬升剥蚀不均一形成, 可能也受沉积时期古地理条件影响。

图 4 隆里组柱状对比图
1.岩屑长石砂岩; 2.石英砂岩; 3.含砾砂岩; 4.细砂岩; 5.粉砂岩; 6.变余砂岩; 7.粉砂质板岩; 8.板岩; 9.铁丝坳组; 10.隆里组; 11.平略组; 12.剖面编号Fig.4 Contrasting histogram of Longli Formation

3 剖面基本层序

据PM019剖面岩性及沉积构造特征, 上部(4~28层)出现以含砾细砂岩、细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩组成的正粒序与逆粒序呈韵律式互层, 单个韵律层序向上变宽(图5)。4~8层以细砂岩为底、含砾细砂岩为顶, 组成向上变粗的逆粒序变化特征 (图5(a)), 单个韵律厚40~50 cm, 为海平面下降的进积沉积。9~16层以含砾细砂岩为底, 粗砂岩、细砂岩组成向上变细的正粒序特征(图5(b), (c), (d)), 单个韵律厚13~120 cm, 含砾细砂岩与下伏岩层接触面略有冲刷波状面, 为海平面上升的退积沉积。17~26层由泥质粉砂岩为底, 分别以细砂岩或粉砂岩为顶组成的多个逆粒序变化特征(图5(e), (f)), 单个韵律厚50~200 cm, 为海平面下降的进积沉积。发育小— 大型楔状交错层理、斜层理、细纹层理及水平层理。

图 5 PM019剖面基本层序图
1.含砾粗砂岩; 2.含砾细砂岩; 3.含砾粉砂岩; 4.粗砂岩; 5.细砂岩; 6.粉砂岩; 7.粉砂质泥岩; 8.砂岩中的斜层理; 9.粉砂岩透镜体Fig.5 Basic sequence diagram of PM019 profile

中部(28~43层)总体为粉砂岩、细粒岩屑长石砂岩组成的基本层序, 由粉砂岩与岩屑长石砂岩组成不等厚韵律沉积。向上变粗, 具逆粒序变化特征, 发育大型板状交错层理、潮汐层理及波状层理。

下部(44~57层)基本上以岩屑长石砂岩与粉砂岩组成向上变细的正粒序特征。发育小型斜层理、潮汐层理、波状层理及平行层理。

隆里组岩石具水平层理、交错层理、波状层理和包卷层理等构造、变余同生砾构造、板状构造、肠状构造及液化卷曲变形构造等(图6)。

图 6 隆里组沉积特征(据PM019剖面)
1.纹层或水平层理; 2.波状层理; 3.大型斜层理; 4.板状交错层理; 5.滑移变形层理; 6.蝶状构造层理Fig.6 Sedimentary characteristics of Longli Formation (according to profile PM019)

(1) 水平层理。主要发育于板岩、变余粉砂岩中, 为彼此平行的纹层, 细层厚0.1~0.2 mm, 每个层序厚1~5 cm, 细层由泥质、粉砂质组成, 由颜色、粒度变化显示。

(2) 同生角砾构造。同生角砾有长条状和片状2种, 成分为紫红色泥岩(绢云母板岩), 呈棱角状、次棱角状、次圆状。砾石长5~30 cm, 宽2~10 cm, 厚0.5~1 mm, 含量5%~10%, 砾石无分选, 杂乱堆积, 具有短距离搬运特征, 为准原地沉积, 底部为冲刷面接触关系。

(3) 交错层理。发育于变余细粒岩屑长石砂岩中, 为小— 大型斜层理(图7(a))、板状交错层理、楔状层理(图7(b)), 一般为1~50 cm, 前积纹层产状倾向为160° ~270° , 倾角10° ~20° , 部分底部可见微小冲刷面。

图 7 隆里组沉积结构素描Fig.7 Sketch map of sedimentary structure in Longli Formation

(4) 包卷变形构造。凝灰质粉砂岩中凝灰质、泥质纹层发生卷曲、褶皱及扭曲现象, 大小不一, 从几厘米至几米, 甚至更长, 其上下岩层层理不变形。在卷曲层面上可见少量的黄铁矿晶粒, 镜下显示为它形晶。

(5) 波状层理。为浪成小— 中型波纹状层理。波长5~30 cm, 波高2~10 cm, 大多为不对称波痕。

(6) 透镜状沙纹层理。由泥质包绕粉砂质构成, 长5~10 cm, 相互呈断续、透镜状、交错状产出, 具沙包泥与泥包沙沉积现象(图7(c))。

(7) 斜层理。为小— 大型斜层理, 单个斜层理厚3~20 cm, 一个层序厚5~18 cm, 前积纹层产状

倾向为100° ~240° , 倾角5° ~15° (图7(d))。

4 沉积物源分析

对隆里组采集了5件化学样品、33件岩矿样品, 根据其Sr、Ba、B元素、主量元素、稀土元素、微量元素特征以及矿物特征进行物源分析。

4.1 Sr、Ba、B元素特征

对红色岩屑长石砂岩(29~48层)顶与底取5件样品做Sr、Ba、B测试(表1), Sr/Ba比值为0.009~0.122, B为46× 10-6~48× 10-6, 结果显示为淡水环境沉积[5]。

表 1 Sr、Ba、B测试结果 Tab.1 Sr, Ba, B data and Sr/Ba ratio (10-6)
4.2 Ba / Sr比值

利用Ba/ Sr比值衡量物源区物质来源, 大洋岛弧Ba/Sr为0.95、大陆岛弧为3.55、活动大陆边缘为3.80、被动大陆边缘为4.70、中国东部上地壳为2.55, 测区东部江西Ba/Sr为8.39~19.83, 研究区Ba/Sr为8.3~31.4, 远远大于上地壳, 说明物源来于上地壳, 而该比值较高的原因是本区 Sr 值较低, 可能受其在物源隆起区强烈风化作用的影响。

4.3 主量元素特征

本次对研究区采4件粉砂岩质泥岩样品进行主量元素分析(表2), 样品的SiO2 含量均较高, 为62.15%~65.72%, 平均值约63.94%; Al2O3/SiO2为0.26~0.31, 平均值为0.29; Fe2O3/MgO为6.55~7.54, 平均值为7.05; Al2O3/(CaO+Na2O)为14.6~71.39; K2O/Na2O为3.38~18.57; CaO含量较低为0.028%~0.091%, 平均值约0.06%。

表 2 测区主量元素分析结果 Tab.2 Major elements data in the study area (%)
4.4 主量元素判别函数图解

据Roser等提出主量元素判别函数图解[6](图8), 其中判别函数因子f1=-1.773TiO2+0.607Al2O3+0.76Fe2O3-1.5MgO+0.616CaO+0.509Na2O-1.224K2O-9.09; 判别函数因子f2=0.445TiO2+0.07Al2O3-0.25Fe2O3(总)-1.142MgO+0.438CaO+4.75Na2O+1.426K2O-6.861。从图8中可见, 有3件样品落入长英质火成物源区, 一件样品落入镁铁质火成物源区。

图 8 砂岩主量元素判别函数限定物源区特征图解(底图据参考文献[6]修改)Fig.8 Dicrimination diagram for provenance region after major element of sandstone [6]

4.5 微量元素特征

目前 Sr、Ba、V、Ni 等微量元素的含量及其相关比值的大小与变化常被用于研究古沉积环境特征。本次对测区红色岩屑长石砂岩顶底各取样一件, 对微量元素进行分析(表3), 并与赵振华、高山、郑宁等发表的大陆上地壳微量元素值相比较[7, 8] (表3), 亲石元素 Li 远远低于中国东部地区平均值, Rb 高于平均值, 亲硫元素Pb、Cu略偏高, W、Be、Nb、Th、和亲硫元素Ga高于中国东部上地壳丰度值, 亲石元素Sc、Sr和亲铁元素Cr含量远远低于上地壳丰度, 其中 Sr 值可能因淋滤作用对其影响较大而偏低, Cr偏低可能是受其在成岩过程中化学性质活泼所致。 总体来看, 其物源是上地壳剥蚀而来。

表 3 测区稀土、微量元素分析结果 Tab.3 Trace elements and rare earth elements data in the study area (10-6)
4.6 稀土元素特征

稀土元素的含量特征值见表3, 稀土配分类型及成因参数见表4。稀土元素含量总体不高, REE 为72.21× 10-6~401.29× 10-6, 平均171.61× 10-6, LREE/HREE 值高, 为7.7~4.9, 平均值为6.3; LaN/YbN值范围在3~10.36 之间, 平均值为7.69; Gd/Yb为1.36~0.53, 平均0.945, δ Eu平均值为0.73, δ Ce平均值为1.08。

表 4 稀土配分类型及成因参数 Tab.4 Distribution types and genesis parameters of rare earth elements in the area

稀土元素REE在沉积岩中仅受源区岩石中的稀土元素丰度和源区风化条件的控制, 在搬运、沉积和成岩作用过程中REE含量的改变比较微小。因此, REE特征被广泛用作判别源区岩石构造环境的主要标志之一, 而在沉积岩中分析更为有效。

稀土元素分配曲线(图9)中, Eu呈较明显负异常, Ce弱富集, REE分布模式具有轻稀土元素富集、重稀土元素相对平坦、Eu 亏损较明显的特征。图解中分配曲线明显呈右倾型, 与典型的后太古宙页岩和上地壳有一定相似性, 反映其来源于上地壳。Taylor等[9]认为随着地壳分异作用的进行, REE总量将增加, 轻稀土元素LREE逐渐富集, Eu负异常趋于明显。因而研究区稀土元素特点反映它们的物源区岩石经历了较为明显的分异作用。

图 9 稀土元素球粒陨石标准化分布型式图Fig.9 Chondrite-normalized rare earth element pattern

4.7 微量、稀土元素分配曲线特征

V/(V+Ni)比值的变化可作为古氧化还原环境的判别, 比值< 0.46为富氧环境, 0.46< 比值< 0.54为贫氧环境, 比值> 0.54为厌氧环境, 顶部PM019-19 V/(V+Ni)比值为0.902, 底部PM019-43 V/(V+Ni)比值为0.84, 均大于0.54, 说明沉积区为深水或水流不畅的还原环境。从Sr/Ba比值为0.032~0.122来看, 比值小于1为淡水沉积环境。从稀土元素球粒陨石标准化分布型式图(图9)中可见, PM019-19曲线相对较平缓, Eu没有明显变化, 沉积水体可能是淡水, 而PM019-43曲线变化较大, 具有明显的Eu亏损, 沉积水体为咸水, 指示在研究区内由西向东水体深度逐渐加深或更为接近水体循环条件差的滞留区域, 从Zr/Hf为37.27~38.8, Zr/Th为18.18~21.97, Sc/Cr为0.36~0.40, 其数据与被动大陆边缘(Zr/Hf为29.5, Zr/Th为13.3~24.9, Sc/Cr为0.36~0.40)的相应比值相近。

4.8 Qt-F-L三角图解

对隆里组砂岩的骨架矿物进行统计(表5), 得知隆里组主要为细砂岩和粉砂岩。其中粉砂岩约为30%, 细砂岩约为70%, 且细砂岩基本上为细粒岩屑长石砂岩。碎屑物的磨圆度中等, 而分选性较好。粒径较为均一, 大部分碎屑成分成熟度中等— 偏差。砂岩中骨架颗粒主要为斜长石和单晶石英, 含量为25%~90%, 其次是岩屑(为沉积岩岩屑和火成岩岩屑), 含量为2%~30%。

表 5 三穗地区青白口系隆里组砂岩薄片组分统计数据 Tab.5 Statistical data of mineral components of Longli Formation sandstones in the Qingbaikou System from Sansui area (%)

应用Dickinson等[10, 11]的分析理论和模式分析进行Qt-F-L投图(图10), 投点落入大陆块物源区、火山弧物源区, 反映三穗地区隆里组砂岩物源主要为大陆块物源区, 且隆起基底多于稳定克拉通, 其次为火山弧物源区(基本为深成)和过渡区。

图 10 隆里组砂岩骨架成分三角图解
1.大陆块物源区; 2.再循环造山带物源区; 3.火山弧物源区B— 隆起基底; C— 稳定克拉通; P— 深成; V— 火山Fig.10 QFL diagram of sandstone for provenance region

5 沉积环境解释

沉积环境位于陆地与海洋之间, 受地表水与海洋水的共同作用而形成的沉积岩, 主要为一套岩屑长石砂岩夹粉砂岩、泥岩, 从剖面上可识别出分流间沼泽、分流河道、分支间湾、河口砂坝、远砂坝及前三角洲相[12] (图6)。

分流间沼泽相由1~3层组成, 岩性为粉砂岩与泥岩互层, 纹层发育, 具向上变细的正粒序特征。

分流河道相由4~12层组成, 岩性为岩屑长石砂岩夹粉砂岩, 含少量纸片砾石, 砾石成分为紫红色泥岩, 呈纸片状, 发育小型交错层理、小— 中型楔状层理、斜层理、不对称波痕。具正粒序与逆粒序变化特征。

分支间湾相由13~21层组成, 岩性为块状粉砂岩夹泥岩、泥质粉砂岩, 发育纹层及滑移包卷层理, 小— 大型斜层理、不对称波痕。

河口砂坝相由22~44层组成, 岩性为岩屑长石砂岩夹粉砂岩, 含少量纸片砾石, 砾石成分为紫红色泥岩, 偶见石英砂岩砾, 呈次圆状, 岩屑长石砂岩与粉砂岩较纯净, 结构成熟度中等。发育大型斜层理(图7(a))、板状交错层理、楔状层理(图7(b))、波状层理、平行层理。具正粒序特征。

远砂坝相由44~57层组成, 岩性为岩屑长石砂岩夹粉砂岩、泥岩, 呈韵律式互层, 发育小型斜层理、波状层理, 下部发育脉状层理、透镜状层理(图7(c))。

前三角洲相由58、59层组成, 岩性为灰绿色粉砂质绢云母板岩、板岩, 二者呈细层状不等厚韵律互层, 发育水平层理, 岩层以厚块状为主。

6 结论

对三穗地区隆里组砂岩的地球化学、稀土元素、微量元素、岩矿及沉积构造的研究分析表明, 隆里组具有被动大陆边缘的构造背景, 其砂岩的物源为长英质火成、镁质火成物源区, 其次为火山弧物源区(基本为深成)和过渡区, 由上地壳剥蚀而来, 且隆起基底多为稳定克拉通。沉积构造与地球化学研究进一步证明, 该地区隆里组为淡水环境沉积, 形成一套由大陆块物源区和火山弧物源区提供物源的大陆边缘陆源碎屑岩组合, 是裂谷盆地由拉张裂陷演化为逐渐萎缩阶段沉积而成的产物。

致谢: 本文在写作中得到贵州省地质调查院黄勇研究员的指导及项目组人员的大力帮助,在此一并表示感谢。

The authors have declared that no competing interests exist.

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