沉积岩物质成分所蕴含的地球深部信息_于炳松

第5卷第3期

1998年9月地学前缘(中国地质大学,北京)Earth Science Frontiers (China University of Geosciences ,Beijing )Vol .5No .3Sep .1998

收稿日期:1998-04-15 修改稿收到日期:1998-05-25

作者简介:于炳松,男,1962年生,博士,副教授,主要从事沉积岩石学、层序地层学和地球化学的科研与教学工作。

本项目受中国博士后科学基金和中国科学院矿床地球化学开放研究实验室基金资助。

沉积岩物质成分所蕴含的地球深部信息

于炳松 乐昌硕

(中国地质大学,北京,100083)

摘　要　沉积岩的稀土元素、微量元素、Sr 同位素和N d 同位素等物质成分中蕴含着与地壳构

造演化密切相关的地球深部信息。当盆地发育处于拉张裂陷时期,盆地基底不太稳定,沉降比

较快,且常有来自地球深部的幔源物质进入沉积盆地。来自地球深部的沉积物源,其成分和性

质与来自陆源的完全不同,这种物源加入到沉积盆地中,必然导致沉积物中元素地球化学体系的

异常。与正常陆源沉积岩相比,通常表现为,在经球粒陨石标准化后的稀土元素分布模式中,Eu

负异常减小甚至消失,w n (Tb )/w n (Yb )值增高,w (Th )/w (Sc )值、w (T h )/w (U )值、w (La )/

w (Sc )值明显降低,Cr ,Ni 等铁镁质元素含量增高,N (87Sr )/N (86

Sr )值低,而ε(Nd )值将明显增

高。沉积岩物质成分中的这些特征,可作为判断沉积物受深部幔源物质影响的重要证据。关键词　沉积岩　物质成分　地球化学　深部信息

C LC P58,P59

近年来,随着沉积岩中微量元素、稀土元素和Sr ,Nd 同位素等研究的深入,沉积岩中蕴含着的大量地球深部信息不断被揭示出来。沉积岩的形成,由于受风化、侵蚀、搬运、沉积和成岩等一系列作用的影响,其物质成分变得相当复杂。但研究表明,沉积物的陆源成分中某些元素,如REE ,Th ,Sc 可以被定量地搬运,因为这些元素的分配几乎不受次生过程如成岩和变质作用影响,所以它们在研究地壳成分时是最有效的[1～2]。

沉积岩的微量元素和稀土元素与同位素体系的结合可以对地壳演化和地质构造背景作出有价值的分析。这方面的工作已引起了广泛的关注,但主要集中在太古代和后太古代的边界上,如太古代和后太古代地层在稀土元素特征上的明显差异[3～7],太古代与后太古代地层边界上Th 和U 元素丰度的突变等[8],这些变化被认为是大陆地壳成分发生根本性质变化的反映[2]。对于整个显生宙的沉积地层,其元素地球化学性质具均一性。沉积地层中微量元素与地壳演化之间关系的研究,就整体而言仍处在资料积累阶段[9]。

近年来,M cLennan 和Taylor 等人[2,6]应用地球化学和同位素成分来分析板块构造背景和判断沉积岩源区成分的工作,给我们很大的启发。他们依据岩石学、地球化学和Nd -Sr 同位素数据,将现代沉积岩源区划分出老的上陆壳、年轻的未分异弧、年轻分异(壳内)弧和洋中脊玄武岩(MORB )这四种组分,并给出了这四种组分在微量元素、稀土元素和同位素组成—

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上的特征,用以区分来自不同源区的沉积物。通过对这些物质成分的分析,结合地质背景,可为我们正确分析地球物质循环和演化提供重要的信息。

1　稀土元素

在地球化学中REE是研究得最详尽的一组微量元素。它们的离子半径有一个相当大的范围,所以REE模式的整体形式对火成分馏过程很敏感。Eu与其它三价REE不同,在还原条件下,它也能够以正二价状态存在,为此,Eu与Sr的行为很相似,在斜长石中强烈富集,且仅仅在地球浅部(<40km)稳定存在,这样它就可以提供有关地壳分异过程(例如区别地幔和壳内源区)发生的一般深度的信息。在后太古代沉积岩中普遍发现的Eu负异常表明,壳内分异(可能主要是部分熔融)是制约陆壳成分和分异作用的基本过程。因为REE 模式的形状能够提供有关源区总成分以及影响源区的占主要地位的火成作用过程性质的信息,所以对REE成分形式应予以高度重视。

对于正常沉积的后太古代页岩通常具有非常一致的稀土分布模式,

这种分布模式的典

图1　扬子地块西南部泥质岩

w(Eu)/w(Eu＊)和w n(Tb)/w n(Yb)值演化图Fig.1　Evolution of w(Eu)/w(Eu＊)and w n(Tb)/w n(Yb)ratios of mudstone in the southwest Yang tze M

assif

图2　扬子地块西南部泥质岩w(T h)/w(U)和w(T h)/w(Sc)值演化图

Fig.2　Evolution of w(Th)/w(U)and w(Th)/w(Sc)ratios of mudstone in the southwest Yang tze Massif

型特征,是经球粒陨石标准化后轻稀土的明显富集,非常平坦的重稀土型和一定的Eu亏损。w(Eu)/w(Eu＊)通常在0.60～0.70,平均为0.65[6]。然而,在特殊条件下沉积的粘土岩和页岩,特别是在有深部幔源物质加入时,这些粘土岩和页岩的稀土元素分布模式将会明显不同于正常沉积岩石的稀土元素分布模式。其最大的特点是经球粒陨石标准化后的稀土

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前沿·边缘·分支·热点 地　学　前　缘 1998,5(3)　

笔者曾系统研究了扬子地块西南部自新元古代到三叠纪深水相泥质岩的稀土元素地球化学特征,发现其稀土元素特征在地史演化中经历了几个明显的阶段。在新元古代震旦纪、奥陶纪—志留纪、石炭纪—早二叠世和中三叠世地层中,泥质岩的球粒陨石标准化稀土分布曲线具有典型的后太古代页岩的特征,即轻稀土明显富集,重稀土段平坦,具有明显的负Eu 异常。寒武纪、泥盆纪和晚二叠世地层中,泥质岩的稀土元素特征与后太古代页岩典型的稀土元素组成明显不同,其轻稀土虽然也明显富集,但重稀土段明显变陡,且负Eu异常减小,甚至没有明显的负Eu异常[10]。从w(Eu)/w(Eu＊)和w n(Tb)/w n(Yb)演化图上可以清楚地看到这三个层位稀土元素组成的特殊性(图1)。本区大部分层位w(Eu)/w(Eu＊)值在0.70左右,w n(Tb)/w n(Yb)值在1～1.5之间,反映的是后太古代页岩典型的稀土元素组成特征。而在寒武系、泥盆系和上二叠统这三个层位中,w(Eu)/w(Eu＊)大于0.73,其w n(Tb)/w n(Yb)值绝大部分大于1.5,且有许多大于2,反映出明显不同于后太古代平均页岩的稀土元素组成模式。本区稀土元素明显不同于后太古代页岩的这三个层位,与中国南方盆地构造演化中的三次明显的拉张裂陷期[11]相对应。

2　微量元素

由于Th,Sc这两种微量元素被认为在沉积和成岩过程中受次生作用影响比较小,故在研究地壳成分和演化中,具有重要意义。Th在多数火成熔融和分异作用过程中是高度不相容元素,同样它也是生热元素。在多数地壳岩石中,生热元素之间的比值是十分恒定的(如w(Th)/w(U)=3.8)[1～2]。Sc的地球化学行为不同于REE和Th,所以它是非常有用的元素。Sc的离子半径较REE小(8次配位时IR=0.87×10-10m),故较REE元素具有更强的相容性,从而进入早期结晶相,如火成岩中的辉石,这样,如w(Th)/w(Sc),w(La)/w(Sc)这些比值就是火成分异作用过程最敏感的指示剂[2]。

笔者在对扬子地块西南部自新元古代至三叠纪深水相泥质岩的元素地球化学研究中发现,一些微量元素的比值与该区的地壳演化之间存在着密切的联系。

2.1　w(Th)/w(U)

在沉积作用过程中,U可被氧化成可溶的U+6而流失,导致w(Th)/w(U)值增高,因此,w(Th)/w(U)值可被用来解释沉积再旋回历史[8]。本区所测的泥质岩的w(Th)/ w(U)的平均值为4.52,该值较上地壳的平均值3.8[8]要高。w(Th)/w(U)值在下寒武统为0.23～0.72,在上泥盆统为1.21,明显地低于本区的平均值和上地壳的平均值。从w(Th)/w(U)值在本区地史中的变化可以看出(图2),在寒武系和泥盆系,其值较其它层位明显偏低。低的w(Th)/w(U)值在海洋岛弧和海洋玄武岩中非常普遍,这可能反映了地幔中大离子亲石元素的亏损。本区寒武系和泥盆系中的低w(Th)/w(U)值,除了高度的还原环境导致U相对富集这一原因外,可能更主要的是反映了幔源物质的加入和影响。这两个w(Th)/w(U)值相对较低的层位,正好是前面讨论的稀土元素地球化学异常层,且

与盆地的拉张裂陷相对应,也反映盆地拉张裂陷时期沉积物源的特殊性。盆地中这种特殊

沉积物源的直接加入,可能是造成沉积物具有低成熟度成分特征的主要原因。

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