巢北地区黄龙组岩石学、元素地球化学特征及意义*

韩宗珠,衣伟虹,李安龙,李德平

(中国海洋大学海洋地球科学学院,海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100)

巢北地区黄龙组岩石学、元素地球化学特征及意义*

韩宗珠,衣伟虹,李安龙,李德平

(中国海洋大学海洋地球科学学院,海底科学与探测技术教育部重点实验室,山东青岛266100)

安徽巢湖麒麟山中石炭统碳酸盐岩地层是研究碳酸盐岩沉积及成岩作用的理想剖面之一。文章采用岩相学及元素地球化学分析法,对该处剖面碳酸盐岩的特征做了深入研究。表明,黄龙组岩石以泥晶或亮晶颗粒灰岩为主;元素分布中稀土元素总量较低。分析认为,巢北地区中石炭统属于浅海碳酸盐台地相产物,其成岩序列属于海退序列,成岩环境主要为大气淡水成岩环境。

岩相学;微量元素;沉积相;海退序列

安徽巢湖地区地理上位于长江下游地区,构造上属于华南陆块的东北边缘或位于下扬子断块的北缘、郯庐断裂带东侧、半汤复式背斜西翼。南缘以桥头集-东关断裂为界,西缘以夏阁-圣桥断层为界。区内位于特提斯构造与太平洋构造的交界处,中生代以来构造活动强烈,尤其是印支运动表现最为明显(见图1)。巢北地区进入晚古生代,地壳活动频繁,发育了一套滨海相碳酸盐岩建造和碎屑岩建造。石炭纪以陆棚环境为主,气候温暖潮湿,生物种类繁多,尤以珊瑚和类最重要,沉积建造以碳酸盐岩为主。巢湖市北郊凤凰山古生界地层剖面完整,石炭系发育齐全,出露良好,沉积特征清楚,研究程度较高,是研究石炭系地层和沉积的重要剖面。

图1 巢北地区石炭系剖面位置图Fig.1 Lacation map of the Carboniferous section of the Chaobei Area

1930—1950 年,徐克勤、李云祝等对该地区做了相对大比例尺的地质调查,并写了相关地质报告。1960年以来,先后有30余所高校在此建立地质教学基地,2003年10月,教育部正式将该区指定为“全国地质教学实习基地”。

此外,前人对该区地层也做过较详细的生物地层和沉积学工作,为研究本区的沉积环境和沉积相分析提供了大量地质资料,但对岩石学和地球化学方面的研究很少。

本文对巢湖实习区中石炭统黄龙组地层进行了剖面实测,并以1 m的间距采集了岩石样品,对岩石样品进行切片分析和显微镜下鉴定,确定了样品的矿物组成,结构特征和岩石类型。确定了地层中的常量元素、微量元素和稀土元素的相对含量,对采集到的样品进行了ICP-MS、ICP-AES分析。在这些指标进行综合分析的基础上,对中石炭统灰岩成因和沉积环境进行了判别。

1 岩石学特征

黄龙组实测剖面如图2。该段黄龙组灰岩主要为块状构造,晶粒结构,岩层产状变化不大,岩石颜色自下而上依次为灰、深灰、黑、浅紫红色,剖面中肉眼可见大量珊瑚化石,部分岩石可见方解石颗粒。

根据实测结果,黄龙组可分为上下2段,下段为灰、深灰、肉红色中厚-厚层生物碎屑泥晶(微晶)灰岩;上段为灰色、紫红色厚-巨厚层亮晶生物碎屑灰岩夹砂屑灰岩;顶部夹有不连续的灰、黄色含铁质泥岩。黄龙组岩石类型总体可分为以下几种(见表1)。

图2 黄龙组实测剖面图Fig.2 A sketch map of Huanglong Formation

(1)颗粒灰岩 指颗粒含量大于50%的灰岩。颗粒绝大部分为生物颗粒,部分内碎屑、藻球粒、藻团等,这是区内石炭系颗粒类型的一个重要特征。按照颗粒间填隙物的类型,还可分为泥晶颗粒灰岩和亮晶颗粒灰岩,分别占灰岩的48.6%和30.3%。

①泥晶颗粒灰岩:指粒间填隙物基本上为泥晶方解石的颗粒灰岩,颗粒类型主要为生物碎屑,其次为少量砂屑。前者称之为泥晶生物碎屑灰岩,后者为泥晶砂屑灰岩。

泥晶生物碎屑灰岩是泥晶颗粒灰岩分布最广、厚度最大的一种类型,为黄龙组的主要岩石类型。岩石为灰(或带肉红色)、深灰色中厚层至块状。颗粒含量达70%～80%,以生物碎屑为主,含量达55%～70%,主要是一些浅水底栖生物,有、海百合茎、有孔虫、腕足、珊瑚,其次为腹足、三叶虫、瓣鳃、藻类、介形虫等。生物碎屑呈砂级至粉砂级,分选磨圆较差,部分泥晶、亮晶化,多为原地或近原地堆积。生物含量丰富,种类多,表明海水循环性能好,盐度正常,适于生物繁衍。

泥晶沙屑灰岩,颗粒物为砂屑,砂屑呈圆形,分选差,分布杂乱,无定向排列,砂屑呈圆形,粒间为泥晶充填,反映较高能颗粒沉积在低能环境中,是1种潮下低能浅滩或浅水碳酸盐台地环境。

②亮晶颗粒灰岩:指颗粒由亮晶方解石胶结的颗粒灰岩,是黄龙组的主要岩石类型之一,颗粒类型主要为生物碎屑,其次为砂屑、藻团、藻球粒等。前者称之为亮晶生物碎屑灰岩,后者为亮晶砂屑灰岩。

亮晶生物碎屑灰岩:呈灰色-灰黑色厚层块状,颗粒量占50%～80%。生物碎屑由腕足、珊瑚(见图3)、有孔虫等组成,含少量砂屑。碎屑分选磨圆度不高,颗粒间为亮晶方解石胶结。此类岩石形成于能量较高的浅水台地上的浅滩环境。

亮晶砂屑灰岩:岩石灰-深灰色,中至厚层,颗粒含量50%～60%,砂屑含量约55%,生物碎屑1%～5%。砂屑椭圆-圆形,粒径约0.1～0.25 mm。生物碎屑有、海百合茎、有孔虫、介形虫等。颗粒间为亮晶方解石胶结,具2个世代,第一世代呈细针粒状,围绕砂屑呈梳状分布,第二世代呈粒状。此类岩石形成于持续高能浅滩环境。

(2)含生物碎屑泥晶灰岩 是指颗粒(生物碎屑)含量介于10%～25%,泥晶含量介于75%～90%的灰岩。呈灰-灰黑色,中至厚层。生物碎屑含量15%～20%,主要为(见图4)、海百合茎、有孔虫、珊瑚、腕足、瓣鳃、介形虫等浅水底栖生物。生物碎屑分选与磨圆度不高,为原地堆积。此岩类形成于浅水开阔台地环境。

(3)泥晶灰岩 指颗粒含量小于10%或不含颗粒的灰岩,为黄龙组主要岩石类型之一。颜色灰-黑色,含量占灰岩的12.1%。此岩类均由泥晶方解石组成,仅含少量生物碎屑,形成于静水环境[1-2]。

表1 黄龙组主要岩石类型Table 1 The main rock types of Huanglong formation/%

图3 珊瑚(10×5正交偏光)Fig.3 Coral(10×5 Orthogonal polarization)

图4 (10×5单偏光)Fig.4 Fusulinina(10×5 Single polarization)

2 地球化学特征

2.1 主量元素地球化学特征

对黄龙组10件样品进行了ICP-AES和ICP-MS测试分析,其主量元素结果见表2,稀土元素结果见表3。

从表2中可以看出黄龙组灰岩主要元素组成有以下特点:

(1)CaO含量较高,最低为55.69%,最高可达61.1%,平均含量为57.989%。

(2)MgO含量较低,最低0.14%,最高0.17%,平均含量0.15%。含量虽低但较稳定。

(3)TFe2O3含量较低,最低0.05%,最高0.28%。平均含量0.098%。

(4)Al2O3含量低,半数含量小于0.01%,最高仅0.05%。

(5)K2O与Mn的含量均不超过0.01%;Ti与P的含量均<0.03%。

(7)Sr的含量最低112.2×10-6,最高414.6×10-6,平均含量为183.71×10-6。Sr含量远低于卡姆欣科夫的碳酸盐岩平均含量710×10-6,也低于涂和费的610×10-6,而与美国衣阿华和密苏里的密西西比系百宁顿灰岩中的Sr含量(160×10-6)以及田纳西东都铜岭地区上奥陶统灰岩中的Sr含量比较接近,后两者的稳定成岩作用是在一个开放的成岩系统中进行的,并且有大量的大气水参与,经历了大气淡水成岩作用,因而低的Sr含量显示了在大气淡水环境下重结晶作用结果,并且属于稳定灰岩的低Sr组(125±250)×10-6。此外,根据成岩溶液中,淡水具有0.32×10-2的Sr/Ca摩尔比率,大约150×10-6的Sr含量在由大气成岩作用影响下的碳酸盐中将被估计到[5-6],这一理论上的预计与本区吻合。

表2 黄龙组岩石主要元素分析Table 2 The main element analysis of Huanglong formation rock

表3 黄龙组稀土元素丰度及主要参数Table 3 The rare earth element abundance and main parameters of Huanglong formation rock/μg·g-1

2.2 稀土元素地球化学特征

根据表3绘制了灰岩的稀土元素图解(见图5)。从图上可以看出研究区内灰岩的稀土元素具有以下特征:(1)元素分配曲线总体显示典型右倾特征,表现为轻稀土富集,ΣLREE在(1.79～24.82)×10-6g·g-1,曲线较陡;重稀土亏损,ΣHREE在(0.34～3.46)×10-6g·g-1,曲线相对平坦,LREE/HREE为2.797～9.014。

(2)ΣREE为(2.43～27.8)×10-6g·g-1,较稀土元素在地壳中平均含量低(165.35×10-6)g·g-1。

(3)虽然元素曲线特征相似,但不同样品的元素总量及分配方面均有差异,表明不同阶段成岩作用的差异。(4)δEu<1,具有弱的Eu负异常。

3 黄龙组沉积相和成岩作用分析

3.1 沉积相分析

该区位于下扬子盆地东端,自晚泥盆世晚期部分地区海水已经侵入,沉积了滨海潮坪相地层。石炭纪早期海侵扩大,海平面上升,区内为海水淹没,沉积了一大套石炭纪海相地层[1]。

黄龙组下部海平面先是缓慢上升,幅度较大。整个扬子区沉没在海平面以下,成为广阔的台地海盆,是早石炭世末期发生的规模较大的一次海侵。之后海面缓慢下降。上部海平面先是快速上升,而后缓慢下降,沉积层暴露水面,发生沉积间断[7-8]。

黄龙组沉积特征表现为下部微波状层理,水平层理,大型单斜交错层理,底部冲刷明显。据其沉积特征,应为开阔台地中的潮下低能浅滩环境;中部微波状层理、冲洗层理、水平层理、平行层理等,其形成环境应为开阔台地;上部块状、波状层理。此环境应为开阔台地上的浅滩。

2.6 医学名词 以1989年及其以后由全国自然科学名词审定委员会审定公布、科学出版社出版的《医学名词》和相关学科的名词为准，暂未公布者仍以人民卫生出版社编的《英汉医学词汇》为准。中文药物名称应使用1995年版药典(法定药物)或卫生部药典委员会编辑的《药名词汇》(非法定药物)中的名称，英文药物名称则采用国际非专利药名，不用商品名。

总之,黄龙组从下而上反映浅水碳酸盐台地上的高能→低能→高能特征,海水有浅变深再变浅的变化规律,为开阔台地和台地上的浅滩环境。

3.2 成岩作用分析

本区碳酸盐成岩作用主要为胶结、溶解、重结晶、白云石化、压溶、压实、泥晶化等,以胶结、溶解、重结晶最为广泛,分别发生在不同成岩阶段和不同成岩环境[9]。

(1)胶结作用 主要发生在颗粒灰岩的粒间孔隙以及各类型灰岩的生物体腔孔、溶孔、铸模孔中。

本区灰岩胶结作用中大气淡水成岩环境下的胶结作用比海水成岩环境下的胶结作用重要的多。溶孔、铸模孔内的充填物几乎全为淡水亮晶。在粒间孔隙、溶孔以及早期裂缝中常出现该种亮晶,多显示重力型胶结特征。

(2)溶解作用 本区灰岩中易形成溶解铸模的为生屑、球粒与砂屑等。黄龙组铸模一侧常有新月形泥晶残余,显示溶解介质由固定的方向渗入,具有淡水渗流带特征。淡水渗流期的溶解作用最广泛,形成不规则状、网脉状、透镜状等,多分布在泥晶内,也可出现在颗粒内。浅滩、局限台地的溶解作用较开阔台地发育。(3)重结晶作用 明显的重结晶作用出现在含泥晶较多的灰岩里。较细的部分由0.005～0.010 mm的粉晶组成,其中可散布着斑块状较粗的粉晶(粒径0.010～0.020 mm);或全部重结晶为0.01～0.02 mm的晶体,部分还可达极细晶及细晶(0.040～0.100 mm)。

(4)压实、压溶作用 灰岩颗粒发生塑性变形、碎裂,压溶导致颗粒呈压溶接触以及缝合线广泛发育。压溶可使岩石厚度大规模减小。此2种作用在泥晶较多的灰岩中较明显。

黄龙组灰岩的成岩序列属于海退型:由海洋环境转化为淡水环境,再过渡为深埋藏环境。①海水环境中经历较微弱的胶结与泥晶化;②大气淡水成岩环境中开始成岩变化的主幕;③淡水渗流阶段发生广泛的溶解,并出现重力型胶结;④淡水潜流阶段发生进一步的溶解和更广泛的胶结;⑤深埋藏成岩环境中,重结晶作用进一步发展并产生压溶、压实等。

4 结论

本文通过对巢北地区中石炭统黄龙组岩石的岩相学、岩石微量元素及稀土元素特征的研究,取得以下几点认识:

(1)本区碳酸盐以泥晶颗粒灰岩和亮晶颗粒灰岩为主,粒屑结构,块状构造,颗粒主要为生物碎屑和内碎屑。

(2)元素地球化学研究显示,除极少量元素外,大部分元素含量较低。元素分配曲线表现为轻稀土富集,Eu具有弱的负异常特征。

(3)研究区的碳酸盐岩经受的成岩作用主要以胶结、溶解、重结晶最为广泛。黄龙组灰岩的成岩序列属于海退型,主要为大气淡水成岩环境,重力型胶结。

本文虽然对该区黄龙组岩石的岩相学、地球化学等方面进行了较为系统的分析研究,但限于客观条件和笔者水平,文内尚有不足之处,单就该区黄龙组出露的上段地层进行岩相分析,结果有所欠缺。此外,对碳酸盐岩的分析不全面,方法应用尚有不足。

致谢:论文在写作过程中多次得到刘东生老师和范德江老师的指点,在此表示感谢!

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Petrology,Element Geochemistry Characteristics and Significance of Huanglong Formation,Chaobei Area

HAN Zong-Zhu,YI Wei-Hong,LI An-Long,LI De-Ping
(Key Lab of Submarine Geosciences and Prospecting Techniques,Ministry of Education,College of Marine Geoscience,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

The section of eastern Qilin Mountain in Chaohu area,Anhui Province,is an ideal section for the Middle Carboniferous carbonate rock study.In this paper,the petrology and geochemistry characteristics of the carbonate rock have been deeply studied with facieology and element geochemistry method.It is concluded that the Huanglong Formation rock is mainly formed by micrite or calcsparite granule calcareous rock.Trace and REE elements reveal that the total concentration of REE is low.The final result is that the Middle Carboniferous Huanglong Formation Rock is formed in neritic carbonate plat-fa-cles-zone.The petrogenetic cycle belongs to regressive cycle,while the diagenetic environment is fresh water of atmosphere.

facieology;trace element;sedimentary facies;regressive cycle

P534.45;P595

A

1672-5174(2010)09-109-05

山东省自然科学基金项目(Y2007E08)资助

2009-11-13;

2010-03-26

韩宗珠(1964-),男,教授。E-mail:hanzongzhu@ouc.edu.cn

责任编辑 徐 环