受华夏板块与扬子板块碰撞影响, 上扬子地区在早志留世由碳酸盐台地相转变为盆地相, 上扬子海沉积盆地受北侧上扬子北缘隆起、西侧川中隆起与康滇古陆、南侧黔中隆起、南东侧雪峰隆起以及华夏古陆的控制, 形成了较为复杂多源的陆源碎屑沉积体系^{[1, 2, 3, 4, 5]}。其中湘西北地区位于上扬子海东南缘, 在早志留世沉积了一套以泥质、砂质碎屑岩为主的地层, 一般认为该区主要由雪峰山古隆起、华夏古陆及黔中隆起提供物源^{[6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18]}, 但还未确定主要沉积物源的方向, 雪峰山隆起的形成时限也存在争议。

稀土元素化学性质稳定, 不易受变质作用干扰, 其配分模式可有效反演沉积岩成岩过程中的物理化学条件, 进而揭示沉积岩的物源、构造背景等信息^{[19, 20, 21, 22]}。本文对湘西北永顺地区志留系的稀土元素及相关的伴生微量元素特征开展研究, 分析其沉积时的古环境、构造背景和物源属性, 初步探讨了雪峰山隆起的形成时限, 为湘西北地区志留系的岩相古地理恢复提供参考。

永顺地区位于杨子板块的东南缘, 跨武陵地块湘北断褶带和雪峰构造带2个III级构造单元。研究区以保靖— 慈利断裂为界, 往北西属石门— 桑植复向斜南东翼边缘, 出露寒武纪— 泥盆纪沉积体; 往南东为武陵断弯褶皱带北西边缘地带的断块区, 出露地层以寒武系为主, 其次分布有青白口系、南华系、震旦系及奥陶系。

研究区志留系主要出露于保靖— 慈利断裂北西侧的永顺复向斜核部和翼部, 整合于奥陶系之上, 与上覆的泥盆系云台观组呈平行不整合接触, 由一套滨浅海相的砂泥质沉积组成。出露地层自下而上为龙马溪组、新滩组、小河坝组、马脚冲组、溶溪组、吴家院组、回星哨组及小溪峪组共8个岩石地层单元, 其中龙马溪组为穿时地层单元, 其下部为晚奥陶世晚期沉积, 志留系岩性总体以浅灰绿色泥岩、粉砂质泥岩夹粉砂岩、石英细砂岩为主, 其中溶溪组与回星哨组发育紫红色泥岩。研究区砂岩主要发育于小河坝组、马脚冲组中段及小溪峪组, 其他地层单元内砂岩多以夹层出现, 厚度不一(图1)。

图1

Fig.1

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	图1 湘西北永顺地区地质简图(左)和志留系柱状图(右)Fig.1 Geological sketch (left) and histogram of Silurian strata (right) in Yongshun area of Northwestern Hunan

本文在研究区采集了15件志留系砂岩、粉砂岩样品, 分析了样品的稀土元素与微量元素含量, 采样位置和采样层位如图1所示。分析工作在湖南省地质实验测试中心完成, 使用检测仪器为ICP-6300电感耦合等离子体发射光谱仪、AFS-830a双道原子荧光光谱仪等, 分析误差小于5%, 测试结果如表1所示。

表1

Tab.1

表1(Tab.1)

表1 湘西北永顺地区志留系砂岩稀土元素地球化学分析结果及地球化学参数 Tab.1 Geochemical analysis and characteristics of REE contents in Silurian sandstone of Yongshun area in Northwestern Hunan 组名 样品编号 ω B/10-6 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu 小溪峪组 6733 14.1 27.0 3.20 12.1 2.41 0.21 2.11 0.38 2.08 0.44 1.20 0.20 1.28 0.21 小溪峪组 1764 13.4 25.8 2.98 11.2 2.19 0.44 1.90 0.35 1.98 0.44 1.31 0.21 1.32 0.23 回星哨组 6732-1 23.0 45.5 5.37 20.4 4.11 0.47 3.46 0.64 3.84 0.79 2.19 0.38 2.39 0.41 回星哨组 6732-2 21.6 41.6 4.94 19.2 3.78 0.65 3.37 0.57 3.10 0.70 1.91 0.33 2.28 0.35 吴家院组 1634-2 33.4 64.7 7.77 29.8 5.55 0.83 4.65 0.76 3.85 0.78 2.24 0.37 2.33 0.38 吴家院组 1634-1 25.8 49.2 5.70 21.4 4.00 0.42 3.59 0.63 3.67 0.75 2.29 0.39 2.49 0.43 溶溪组 PM004-64 24.0 48.8 5.62 21.6 4.52 0.88 4.08 0.75 4.23 0.88 2.52 0.42 2.61 0.43 溶溪组 PM004-66 14.9 29.3 3.47 13.7 2.94 0.41 2.67 0.49 2.68 0.55 1.50 0.24 1.54 0.25 马脚冲组 5266 22.7 43.8 5.02 18.8 3.44 0.31 3.03 0.52 2.80 0.61 1.74 0.30 1.87 0.32 马脚冲组 PM004-43 36.1 69.5 8.28 31.4 6.35 1.16 5.48 0.96 5.04 1.05 2.87 0.46 2.89 0.49 马脚冲组 PM004-48 37.2 71.4 8.42 31.8 6.16 1.22 5.53 0.95 5.30 1.10 3.08 0.51 3.18 0.50 小河坝组 5264 33.4 63.6 7.51 28.0 5.38 0.92 4.68 0.80 4.30 0.95 2.56 0.43 2.74 0.45 小河坝组 5263 23.6 45.3 5.36 20.4 4.01 0.73 3.57 0.62 3.34 0.68 1.98 0.34 2.16 0.34 新滩组 5278 23.2 43.6 5.20 19.8 4.03 0.61 3.57 0.63 3.48 0.67 1.95 0.33 1.97 0.32 新滩组 5521 22.7 43.5 5.04 19.1 3.96 0.62 3.59 0.63 3.53 0.72 2.03 0.33 2.10 0.36 平均值 24.6 47.5 5.59 21.2 4.19 0.66 3.69 0.65 3.55 0.74 2.09 0.35 2.21 0.36 组名 样品编号 ω B/10-6 特征参数 Σ REE Σ LREE Σ HREE LREE/ HREE (La/ Yb)N (La/ Sm)N (Gd/ Yb)N δ Eu δ Ce Ceanom (La/ Yb)n 小溪峪组 6733 66.92 59.02 7.90 7.47 7.26 3.56 1.32 0.29 0.93 -0.04 1.07 小溪峪组 1764 63.75 56.01 7.74 7.24 6.69 3.72 1.15 0.67 0.95 -0.04 0.98 回星哨组 6732-1 112.95 98.85 14.10 7.01 6.34 3.41 1.16 0.38 0.95 -0.03 0.93 回星哨组 6732-2 104.38 91.77 12.61 7.28 6.24 3.48 1.18 0.56 0.94 -0.05 0.92 吴家院组 1634-2 157.41 142.05 15.36 9.25 9.44 3.66 1.60 0.50 0.93 -0.04 1.39 吴家院组 1634-1 120.76 106.52 14.24 7.48 6.83 3.92 1.15 0.34 0.94 -0.04 1.00 溶溪组 PM004-64 121.34 105.42 15.92 6.62 6.06 3.23 1.25 0.63 0.98 -0.02 0.89 溶溪组 PM004-66 74.64 64.72 9.92 6.52 6.37 3.08 1.39 0.45 0.95 -0.04 0.94 马脚冲组 5266 105.26 94.07 11.19 8.41 8.00 4.02 1.30 0.30 0.95 -0.03 1.18 马脚冲组 PM004-43 172.03 152.79 19.24 7.94 8.23 3.46 1.52 0.61 0.93 -0.04 1.21 马脚冲组 PM004-48 176.35 156.2 20.15 7.75 7.71 3.67 1.39 0.65 0.94 -0.04 1.13 小河坝组 5264 155.72 138.81 16.91 8.21 8.03 3.78 1.37 0.57 0.93 -0.04 1.18 小河坝组 5263 112.43 99.4 13.03 7.63 7.20 3.58 1.32 0.60 0.94 -0.04 1.06 新滩组 5278 109.36 96.44 12.92 7.46 7.76 3.50 1.45 0.50 0.92 -0.05 1.14 新滩组 5521 108.21 94.92 13.29 7.14 7.12 3.49 1.37 0.51 0.94 -0.04 1.05 平均值 117.43 103.8 13.63 7.56 7.28 3.57 1.33 0.50 0.94 -0.04 1.07 注: 下标N为元素比值的球粒陨石标准化值, 下标n为元素比值的北美页岩标准化值。

表1 湘西北永顺地区志留系砂岩稀土元素地球化学分析结果及地球化学参数 Tab.1 Geochemical analysis and characteristics of REE contents in Silurian sandstone of Yongshun area in Northwestern Hunan

研究区大部分样品的∑ REE较接近大陆上地壳的稀土元素平均值(146.4× 10^-6), 均小于北美页岩平均值(173.2× 10^-6)。以球粒陨石标准值^[19]对研究区志留系样品进行标准化(图2), 可以看出研究区各样品稀土元素配分曲线的分布形态基本一致, 且表现出显著的右倾, 表明轻稀土元素分馏程度较高, 重稀土元素配分曲线平坦, 表明重稀土元素分馏程度较低。δ Eu值表现出显著的负异常; 研究区样品δ Ce值的平均值为0.94, Ce异常不显著^[19]。

图2

Fig.2

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	图2 研究区志留系砂岩样品稀土元素球粒陨石标准化配分模式Fig.2 Chondrite-normalized distribution pattern of REE in Silurian sandstone of the study area

成岩过程中MREE对于Ca²⁺的替代作用会对稀土元素的丰度特征产生一定影响, 从而影响δ Ce值对沉积环境的解释^{[23, 24]}。Shields等^[23]指出成岩蚀变会造成REE的分配倾向于Ce富集、Eu亏损, 进而导致δ Ce与δ Eu、δ Ce与Σ REE之间具有较强的相关性。研究区志留系砂岩样品的δ Eu-δ Ce及Σ REE-δ Ce不具显著的相关性(图3), 表明成岩作用对研究区砂岩的REE影响较小, δ Ce可以代表沉积物沉积时的原始信息。

图3

Fig.3

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	图3 研究区志留系砂岩样品δ Eu-δ Ce图解(左)与Σ REE-δ Ce(右)图解Fig.3 Diagrams of δ Eu-δ Ce (left) and Σ REE-δ Ce (right) of Silurian sandstone in the study area

通过对研究区沉积速率的研究, 结合前人^{[12, 13, 14, 16]}对川东南、湘西北、黔北等地区志留系稀土元素的研究结果, 本文认为处于雪峰山隆起西北边缘一线的花垣、永顺、张家界地区, 其志留系沉积速率要普遍高于远离雪峰山隆起的川东南、湘西北地区。湘西北地区自北向南、自西向东, 志留系的沉积速率整体上呈增加趋势, 即更加靠近物源区。笔者在龙山、永顺、张家界地区进行野外地质调查工作发现, 志留系发育大量的对称波痕和不对称波痕, 主要集中在小河坝组与马脚冲组, 不对称波痕显示古流向主要为NW向, 与周恳恳等^[15]、朱志军等^[33]在湘西北永顺、龙山、花垣等地区测量的龙马溪组、小河坝组的不对称波痕所表现出的优势古流水方向一致, 进一步证实了研究区沉积来源于南东方向的雪峰古隆起。

李双建等^[12]分析了贵州习水喉滩和湘西石门磺厂志留系的稀土元素特征, 认为中上扬子南缘志留系的沉积物源为雪峰古陆和黔中古陆的沉积岩和花岗岩; 王国茹等^[13]、朱志军等^[33]对川东南和湘西地区志留系小河坝组的砂岩特征开展研究, 认为其物源区具有活动大陆边缘、大陆岛弧及被动大陆边缘构造背景的复杂特点, 湘西地区的物源来源于雪峰山隆起的北东段, 川东南志留系小河坝组砂岩的物源来自雪峰山隆起的南西段; 梁恩云等^[14]对张家界地区志留系的沉积构造环境进行判别, 认为其具有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。

雪峰山隆起区位于扬子地台与华南古陆之间, 自前寒武纪至志留纪经历了裂谷作用阶段、被动大陆边缘阶段及活动大陆边缘阶段的板块构造演化^[33]。湘西北永顺地区志留系稀土元素指示的构造背景与石门、张家界、酉阳、秀山一线志留系稀土元素所反映的大地构造背景特征较为相似^{[12, 13, 14, 33]}, 与物源区雪峰山古隆起区的构造演化相契合, 较为精确地反映了雪峰山古隆起北东段的边界走向。

前人认为雪峰山隆起的形成始于早奥陶世— 中奥陶世, 结束于晚奥陶世, 侯明才等^[34]认为在五峰页岩沉积时期, 江南— 雪峰山隆起两侧的海域是相通的, 江南— 雪峰山古隆起的形成时代为下志留统石牛栏组(小河坝组)沉积时期, 相当于埃隆期末期— 特列奇期早期。周恳恳等^[15]认为湘西北龙山、永顺地区龙马溪组潮控型三角洲沉积的物源为雪峰古陆, 认为雪峰山隆起可能在鲁丹期中晚期— 埃隆期已经形成。本文采集的新滩组石英砂岩与其他样品的稀土元素特征均较为一致(表1), 反映了志留纪各时期砂岩在物质来源方面的一致性, 指示龙山、永顺地区南东侧的雪峰古陆可能在鲁丹期中晚期— 埃隆期已经升出水面, 为龙山、永顺地区提供沉积物源, 而雪峰山隆起完全形成的时限可能为小河坝组沉积时期。

(1)湘西北永顺地区志留系砂岩样品的稀土元素配分模式显示, 研究区志留系轻稀土和重稀土元素分异明显, 轻稀土元素富集, 重稀土元素呈平坦型, Eu具明显的负异常, Ce异常不显著, 指示研究区志留系沉积物的原始物质应源自上地壳。

(2)研究区志留系样品的Ce_anom值反映研究区沉积物沉积时海水介质为缺氧的弱还原环境。(La/Yb)_N值震荡变化, 整体接近1, 表明研究区沉积速率整体较快, 结合前人对湘西北、川南地区志留系的研究结果及研究区的沉积构造特征, 判断其物源应为来自研究区东南方向的雪峰山古隆起, 源岩主要为古老沉积岩。

(3)研究区南东侧的雪峰古陆可能在鲁丹期中晚期— 埃隆期已经升出水面, 为永顺一带提供沉积物源, 而雪峰山隆起的完全形成时限则可能为小河坝组沉积时期。

(责任编辑: 魏昊明)