Geochemistry and Provenance of the Early Cretaceous Lacustrine Clastic Sedimentary Rocks of Yixian Formation from the Sihetun Section, West Liaoning
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摘要: 辽西北票上园镇四合屯地区义县组沉积层是热河生物群珍稀化石的重要产出层位之一, 其中蕴含丰富的地壳演化和古地理环境演化信息.分析了四合屯剖面上12m厚的含鸟化石沉积岩层的50件样品的微量元素组成和其中10件样品的主量元素组成.结合前人已发表数据, 得出以下认识: (1) 该套沉积岩具有与下伏火山岩类似的地球化学特征: Mg#值较高, 大离子亲石元素含量较高.稀土元素的分异程度较高, 在微量元素分布蛛网图中表现为明显的Nb负异常和Pb正异常等.因此我们认为义县组高镁火山岩构成了该沉积岩的主要源区之一; (2) 样品的Eu/Eu*=0.48~1.81, 其中大部分样品具负Eu异常.正的Eu异常(7件样品) 主要由于含有长石造成; (3) 通过微量元素Th-Co-Zr/10沉积构造环境判别图解对区域构造环境进行分析, 结果表明该沉积岩物源区具有大陆岛弧和活动大陆边缘物源特征.Abstract: A wide range of well-preserved Jehol biota fossils have been found in the sedimentary rocks of the Yixian Formation from the Sihetun area in West Liaoning Province.We have analyzed major and trace element compositions of fifty samples of clastic sedimentary rocks from this section.Combined with data previously publicized by others, the conclusions are as follows: firstly, this set of sedimentary rocks share similar chemical characteristics to the associated volcanic rocks, with LREE enrichment, flat HREE, high-Mg#, high contents of large ion lithophile element (LILE) and variable REE anomalies.Their spider diagrams show significant negative Nb and positive Pb anomalies.It is deducted that the sedimentary rocks were mainly derived from the high-Mg# volcanic rocks from the Yixian Formation.Secondly, these sedimentary rocks show variable Eu anomalies (Eu/Eu=0.48-1.81) with the average value being 0.75.The positive anomaly is due to presence of plagioclase.Moreover, tectonic discrimination diagram of Th-Co-Zr/10 suggests that these sedimentary rocks were formed in a tectonic setting similar to the continental island arc and active continental margin.
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Key words:
- Sihetun /
- Mesozoic /
- sedimentary rock /
- trace element composition
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辽西地区早白垩世义县组由于含有大量长羽毛或毛状皮肤衍生物的恐龙和早期鸟类等珍稀热河动物化石而备受世界注目(Hou et al., 1995; Chen et al., 1998; Ji et al., 1999; 季强等, 2004).近20多年来, 很多学者对该区古地理环境、地层学、火山岩的岩石系列、演化、地球化学特征及岩浆起源等问题进行了深入广泛研究, 取得了重要的研究成果(陈义贤等, 1997; 彭艳东等, 2004; 张立东等, 2004; 张宏和张旗, 2005; 王晓蕊等, 2005; 邵济安等, 2006).
前人对相关火山岩及火山碎屑岩进行了详细的同位素定年, 结果表明四合屯地区义县组形成时代为早白垩世中期, 其中珍稀化石沉积层中凝灰岩的同位素年龄120~125 Ma (罗清华等, 1999; Swisher et al., 1999, 2001; 潘永信等, 2001; 王松山等, 2001a, 2001b; 彭艳东等, 2003; 陈文等, 2005).同时认为这些生物的出现和化石的保存, 与在晚侏罗世晚期至白垩纪早-中期滨太平洋构造域东部地区强烈的构造-岩浆活动有密切的关系(郭正府等, 2003; 张立军和巩恩普, 2003).
北票地区的金岭寺-羊山盆地(金羊盆地) 作为辽西地区最大、发育最为完整的中生代陆内盆地, 沉积了巨厚的中生代地层, 包含了辽西地区大量的中生代构造岩浆活动信息, 成为探讨辽西构造格局形成及燕-辽造山带地球动力学背景的重要窗口.前人对义县组火山岩已有较多研究(季强等, 2004; 王晓蕊等, 2005; 张宏和张旗, 2005), 但是对义县组沉积岩的地球化学研究相对较少(丁秋红等, 2003; 刘艳青等, 2006).对于该套沉积岩的地球化学研究不仅可提供有关构造背景的信息, 而且有可能进一步为所包含的珍稀生物群的形成环境提供重要制约.
本文通过四合屯剖面义县组中部含珍稀化石的湖相沉积岩主量和微量元素地球化学系统研究, 探讨其物质来源和形成的构造环境.
1. 地质背景和样品来源
辽西地区北部以赤峰-开原断裂为界, 与内蒙古-兴安造山带和松辽盆地相邻, 向西与东西向延伸的燕山造山带相连, 东部以依兰-伊通断裂带为界与辽东隆起带相隔.所处的构造部位属于华北陆块、辽东隆起带及内蒙古-兴安造山带三者的过渡地带, 具有稳定型陆块与活动造山带之间的过渡型特征(陈义贤等, 1997; 王根厚等, 2001; 肖高强等, 2008).区内出露义县组主体为基性、中基性火山岩及火山碎屑岩, 局部发育富含“热河生物群”化石的沉积层.
四合屯剖面位于辽西北票中生代陆相火山沉积盆地——金羊盆地的中部(图 1).本文样品来自位于化石管理站的义县组中上部含化石的湖相沉积岩, 出露厚度约12 m.其上覆地层为灰黄褐色杏仁状玄武安山岩及灰黑色玄武岩.该沉积层形成于义县组火山活动间歇期(陈树旺等, 2001; 郭正府和汪筱林, 2002; 丁秋红等, 2003; 王五力等, 2004; 张宏和王五力, 2004; 张立军等, 2005), 主要为浅灰白-深灰色薄层细砂岩、泥灰岩, 浅灰绿含钙质片状泥岩、页岩夹黄褐色薄层凝灰质砂岩、粉砂岩, 上部含有的主要化石类型是叶肢介, 下部含的化石种类更多, 包括哺乳动物、鸟类、鱼类和昆虫等等(王五力等, 2004).本研究在此剖面由上到下连续取样, 选出50个样品进行测试(表 1).这些样品已由朱日祥等人做了详细的地磁研究(Zhu et al., 2007).
图 1 辽西四合屯地区区域地质简图及义县组剖面图(据王晓蕊等, 2005修改)NC.华北克拉通; QL-DB.秦岭-大别造山带; SC.华南克拉通; YC.扬子克拉通Fig. 1. Geological sketch map and section of the Yixian Formation in Sihetun area, West Liaoning Province表 1 样品描述Table Supplementary Table Description of samples
2. 分析方法
我们分析了全部50件代表性样品的微量元素含量, 并对其中10件样品进行了主量元素分析.用于主量和微量元素分析的样品用玛瑙研钵手工碎至200目.元素分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室进行.主量元素分析采用XRF (RIGAKU 2100型) 玻璃熔片法完成.微量元素采用ICP-MS (Perkin Elmer公司具动态反应池的Elan 6100 DRC) 法完成.样品溶解采用1.5 mL HNO3+1.0 mL HF+0.05 mL HClO4混合酸在Teflon高压溶样弹(bomb) 中进行.对国际标准参考物质BHVO-1 (玄武岩)、BCR-2 (玄武岩)、G-2 (花岗岩) 和AGV-1 (安山岩) 以及重复样的分析结果表明, 主量元素分析精度和准确度优于5%, 微量元素分析的精度和准确度一般优于10%.研究样品的主量、微量元素分析结果分别见表 2和表 3.
表 2 辽西四合屯地区义县组沉积岩样品主量元素含量(%)Table Supplementary Table Major element compositions of sedimentary rocks from Yixian Formation in Sihetun area (%)
表 3 辽西四合屯地区义县组沉积岩样品微量元素含量(10-6)Table Supplementary Table Trace element compositions of sedimentary rocks from Yixian Formation in Sihetun area (10-6)
本文Ce异常值和Eu异常值分别采用下列公式计算: Ce/ Ce*=CeN/ (LaN×PrN)1/2, Eu/Eu*=EuN/ (SmN×GdN)1/2, 其中N代表球粒陨石标准化值, 球粒陨石标准化数据采用Sun and McDonough (1989) 的推荐值.
3. 地球化学特征
3.1 主量元素
所研究样品的SiO2=57.40%~75.70%, Al2O3=11.10%~19.49%, Na2O=0.87%~2.49%, K2O/Na2O=1.14~4.42.MgO=1.53%~4.98%, Mg#较高, 为39~72, 均值54.不同样品之间的主量元素含量变化较大.部分样品因为长石、粘土等富铝矿物的富集, Al2O3含量较高.个别样品CaO含量较高系碳酸盐含量较高引起.
3.2 稀土元素
由稀土元素球粒陨石标准化曲线图(图 2) 可以看出, 虽然所研究样品的稀土元素含量有较大变化范围, 但所有样品都具有轻稀土元素明显富集, 轻稀土与重稀土元素分异明显(LaN/YbN=7~50, 均值为15.6) 的特征.稀土元素总量分布不均, 平均含量为128×10-6.剖面中间偏下层位的样品REE总含量最低, 向顶部和底部有逐渐增加的趋势.
图 2 四合屯义县组沉积岩样品稀土元素模式分配图和微量元素分布蛛网图a、b为Eu正异常(Eu/Eu* > 1.05) 组样品; c、d为无Eu异常(Eu/Eu*=0.95~1.05) 组样品; e、f为Eu负异常(Eu/Eu* < 0.95) 组样品; 阴影部分为四合屯义县组安山岩数据(王晓蕊等, 2005)Fig. 2. Chondrite-normalized REE patterns (a, c, e) and primitive mantle-normalized spider diagrams (b, d, f) of Sihetun sedimentary rocks按照Eu异常值, 可将样品分为具Eu正异常(Eu/Eu* > 1.05) (图 2a, 2b), 不具Eu异常(Eu/Eu*=0.95~1.05) (图 2c, 2d) 和具Eu负异常(Eu/Eu* < 0.95) (图 2e, 2f) 三组.
3.3 微量元素
由微量元素分布蛛网图(图 2) 可以看出, 所有样品的微量元素组成特征和含量变化趋势基本一致, 富集Cs、Rb、Th、U、Ba等大离子亲石元素, 且具Nb、Ta负异常和明显的Pb正异常; Sr整体含量较高(Sr=169×10-6~2 000×10-6, 均值498×10-6), 高场强元素Zr、Hf具有弱的正异常.
4. 讨论
4.1 沉积物质来源
细粒碎屑沉积岩(页岩、泥岩、粉砂岩) 是出露地表的大陆上地壳岩石的天然混合样品(Taylor and McLennan, 1985, 1995). Taylor and McLennan (1995)指出由于REE、Y、Th、Sc、Co的水-岩分配系数很小, 加之在碎屑沉积岩中副矿物不是它们的主要载体, 且这些元素不受或较少受成岩和变质作用的影响, 因此它们在细粒碎屑沉积岩中的含量定量指示了其在源区的含量.Th和La倾向于长英质岩石中富集, 而Sc和Co则倾向于铁镁质岩石中富集, 所以这两类元素的比值对碎屑沉积岩源区岩石组成具有指示意义.
四合屯位于金岭寺-羊山盆地, 多期火山作用致使在盆地内的凹陷部位充填了爆发相、溢流相火山岩.研究区新开岭至化石观察站剖面出露大量义县组火山岩, 是义县组珍稀化石层(尖山沟层) 之下火山岩最发育、最完整的地区之一(王晓蕊等, 2005).本研究发现, 含珍稀化石的湖相沉积薄层页岩、泥岩、粉砂岩具有与澳大利亚后太古宙页岩(PAAS)、北美页岩和全球平均大陆上地壳一致的稀土分配模式(Taylor and McLennan, 1985), 总体上表现为轻稀土元素富集、重稀土元素相对亏损以及负Eu异常的特征.
与下伏安山岩(王晓蕊等, 2005) 相比, 除具有较明显的Eu负异常外, REE模式基本一致.与PAAS (Mg#=38)、中国东部后太古宙平均页岩(Mg#=30) 和华北克拉通后太古宙平均页岩(Mg#=38) (Gao et al., 1998) 相比, 该套沉积岩样品的Mg# (平均=54) 偏高, 与义县组安山岩更相近(Mg#=63) (图 2), 这说明义县组安山岩应是湖相沉积岩的主要物源.而该套沉积岩样品的Eu、Sr和Ti含量比义县组火山岩低, 这可能是因为火山岩在风化、剥蚀和搬运过程中, 一方面斜长石优先风化, 另一方面磁铁矿等副矿物富集在碎屑岩中形成.湖相沉积岩中发育有多个凝灰岩夹层(潘永信等, 2001; 季强等, 2004), 也支持火山物质是湖相沉积物主要物质来源的说法.同时, 在四合屯剖面湖相沉积岩中, 可见次火山岩穿侵于湖相地层之中, 顶部为灰黑色橄榄安山岩压盖, 该期火山作用对化石沉积层产生了强烈的破坏作用.
本文研究的部分样品具有明显的Eu正异常, 说明其源岩成分可能较复杂.图 3显示了本文研究样品以及前人研究样品中Sr与Eu/Eu*的相关关系.可以看出, 具有明显Eu正异常的样品的Sr含量相对较高.由于Sr、Eu在斜长石中的分配系数远远高于其他矿物(赵振华, 1997), 说明源区可能存在富斜长石的岩石, 造成Eu的正异常可能是继承了物源的特征, 而物源很可能来自附近地区的岩浆岩, 如燕山地区部分岩浆杂岩具有正的Eu异常(Eu/Eu*=1.96) (苏尚国等, 2006).在La/Th-Hf源区属性判别图解上(Gu et al., 2002), 大多数样品落入长英质源区和混合长英质及基性源区(图 4).
图 3 辽西四合屯义县组沉积岩Sr与Eu/Eu*相关图及其与前人资料的对比上地壳均值和华北克拉通内部数据来源于Gao et al.(1998); 义县组火山岩数据来自王晓蕊等(2005); 燕山杂岩体数据来自苏尚国等(2006); 燕山晚侏罗世火山岩数据来自李晓勇等(2006)Fig. 3. Sr versus Eu/Eu* plot for Sihetun sedimentary rocks
图 4 辽西四合屯义县组沉积岩La/Th-Hf源区判别图解(Gu et al., 2002)Fig. 4. La/Th Hf discrimination diagram of source rocks for Sihetun sedimentary rocks4.2 沉积构造背景探讨
由于地壳的岩石组成部分取决于所处的构造环境, 因此对细粒碎屑岩的研究可以反映物源区的大地构造背景和构造演化特征. Bhatia and Crook (1986)研究了东澳大利亚已知物源区构造环境的古生代泥岩及杂砂岩, 发现其稀土和微量元素含量与源区类型和构造背景之间存在对应关系, 并给出不同构造环境下的沉积岩稀土元素特征和微量元素Th-Co-Zr/10三元判别图解.
图 5是研究沉积岩样品的Th-Co-Zr/10构造环境判别图.由图 5可知, 研究区沉积岩的投点分布较零散, 可能是复杂构造背景的反映.在Th-Co-Zr/10图解中, 大部分样品集中在大陆岛弧区和活动大陆边缘区域.这也符合前人对辽西地区早白垩世沉积岩的构造背景的分析.在此期间辽西地区的构造环境一方面具有华北地台稳定、次稳定的特征, 另一方面还具有在太平洋构造域的影响下的大陆边缘活动带、岛弧的特征, 表现出多种构造背景的叠加(刘艳青等, 2006).
图 5 辽西四合屯义县组沉积岩Th-Co-Zr/10判别图解(Bhatia and Crook, 1986)A.大洋岛弧(OIA); B.大陆岛弧(CIA); C.活动大陆边缘(ACM); D.被动大陆边缘(PM)Fig. 5. Tectonic discrimination diagram of Th-Co-Zr/10 for Sihetun sedimentary rocks5. 结论
本文通过研究辽西四合屯义县组含珍稀化石的碎屑沉积岩的地球化学组成表明, 该套碎屑沉积岩除Eu异常外, 与义县组安山岩稀土元素分布模式一致, 并具有高Mg#, 富集大离子亲石元素, 轻重稀土元素明显分异的地球化学特征.在微量元素分布蛛网图中表现为明显的Nb负异常和Pb正异常, 推测该套碎屑沉积岩的物源主要来自下伏火山岩, 其次来自附近的火山物质的风化.正的Eu异常表明沉积物源可能来自燕山地区岩浆杂岩.在碎屑沉积岩构造环境判别图上, 样品的投点分布较零散, 大部分样品分布在活动大陆岛弧和大陆边缘广泛的区域内, 反映了早白垩世辽西地区较复杂的构造背景.
致谢: 样品分析在西北大学大陆动力学国家重点实验室和中国地质大学(武汉) 地质过程与矿产资源国家重点实验室完成.期间得到了王建其、袁洪林、刘晔、柳小明、戴梦宁、宗春雷等人的帮助, 同时也非常感谢与王晓蕊、张锦丽、肖高强等的有益交流. -
图 1 辽西四合屯地区区域地质简图及义县组剖面图(据王晓蕊等, 2005修改)
NC.华北克拉通; QL-DB.秦岭-大别造山带; SC.华南克拉通; YC.扬子克拉通
Fig. 1. Geological sketch map and section of the Yixian Formation in Sihetun area, West Liaoning Province
图 2 四合屯义县组沉积岩样品稀土元素模式分配图和微量元素分布蛛网图
a、b为Eu正异常(Eu/Eu* > 1.05) 组样品; c、d为无Eu异常(Eu/Eu*=0.95~1.05) 组样品; e、f为Eu负异常(Eu/Eu* < 0.95) 组样品; 阴影部分为四合屯义县组安山岩数据(王晓蕊等, 2005)
Fig. 2. Chondrite-normalized REE patterns (a, c, e) and primitive mantle-normalized spider diagrams (b, d, f) of Sihetun sedimentary rocks
图 3 辽西四合屯义县组沉积岩Sr与Eu/Eu*相关图及其与前人资料的对比
上地壳均值和华北克拉通内部数据来源于Gao et al.(1998); 义县组火山岩数据来自王晓蕊等(2005); 燕山杂岩体数据来自苏尚国等(2006); 燕山晚侏罗世火山岩数据来自李晓勇等(2006)
Fig. 3. Sr versus Eu/Eu* plot for Sihetun sedimentary rocks
图 4 辽西四合屯义县组沉积岩La/Th-Hf源区判别图解(Gu et al., 2002)
Fig. 4. La/Th Hf discrimination diagram of source rocks for Sihetun sedimentary rocks
图 5 辽西四合屯义县组沉积岩Th-Co-Zr/10判别图解(Bhatia and Crook, 1986)
A.大洋岛弧(OIA); B.大陆岛弧(CIA); C.活动大陆边缘(ACM); D.被动大陆边缘(PM)
Fig. 5. Tectonic discrimination diagram of Th-Co-Zr/10 for Sihetun sedimentary rocks
表 1 样品描述
Table 1. Description of samples
表 2 辽西四合屯地区义县组沉积岩样品主量元素含量(%)
Table 2. Major element compositions of sedimentary rocks from Yixian Formation in Sihetun area (%)
表 3 辽西四合屯地区义县组沉积岩样品微量元素含量(10-6)
Table 3. Trace element compositions of sedimentary rocks from Yixian Formation in Sihetun area (10-6)
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