DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.02.027
赣杭构造带西段上白垩统河口组砂岩碎屑组成及物源区的构造属性
陈留勤1, 2, 3，郭福生3，梁伟3
(1. 江西省核资源与环境重点实验室，江西 南昌，330013；
2. 中国地质科学院 地质研究所，北京，100037；
3. 东华理工大学 地球科学学院，江西 南昌，330013)
摘要：对赣杭构造带西段永丰—崇仁盆地上白垩统河口组砂岩碎屑组分进行分析和统计，研究盆地沉积物源及其构造属性。研究结果表明永丰—崇仁盆地上白垩统河口组砂岩碎屑组分特征为：单晶石英颗粒数量占总量的29%~81%，多晶石英颗粒数量占总量的为2%~26%，长石颗粒数量占总量的6%~19%，岩屑颗粒数量占总量的11%~40%。河口组砂岩碎屑主要为次棱角状—次圆状，分选程度中等-差。总体来看，研究区河口组砂岩碎屑组分中岩屑含量相对较高，反映了砂岩成分成熟度偏低。河口组主要为冲积扇和河流沉积体系的产物，沉积物源主要来自盆地两侧青白口系低级变质岩系地层和燕山期酸性火山-侵入杂岩。碎屑组分Dickinson投图表明，研究区上白垩统河口组砂岩主要来自再旋回造山带物源区。
关键词：白垩系；河口组；砂岩碎屑组分；物源分析；赣杭构造带
中图分类号：P534.53，P588.21 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2015)02-0571-08
Sandstone detrital composition and tectonic attributes of provenance of the Upper Cretaceous Hekou Formation in western Gan-Hang tectonic belt
CHEN Liuqin1, 2, 3, GUO Fusheng3, LIANG Wei3
(1. Jiangxi Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment, Nangchang 330013, China;
2. Institute of Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing 100037, China;
3. College of Earth Sciences, East China Institute of Technology, Nangchang 330013, China)
Abstract: The sandstone detrital composition of the Upper Cretaceous Hekou Formation in Yongfeng—Chongren basin of western Gan—Hang tectonic belt was analyzed, and the provenance characteristics and its tectonic attributes were studied. The characteristics of sandstone detrital composition of Hekou Formation show that the content of monocrystal quart (Qm) is 29%-81%, the polycrystal quart (Qp) is 2%-26%, the content of feldspar is mainly 6%-19% and the lithic fragments is 11%-40%. The sandstones from Hekou Formation are characterized by subangular to subrounded grains and moderate to poor sorting. As a whole, the content of the lithic fragments is relatively high, which indicates that the compositional maturity of the Hekou Formation sandstones is commonly low. Based on outcrop sedimentary features, Hekou Formation is interpreted as products of fluvial fan river despsitional systems. Both the detrital composition and provenance analysis of the Hekou Formation sandstones indicate that sediments were mostly from the uplifted areas on the both sides of the basin, mainly including low-grade metamorphic rocks of Qingbaikouan System and granitic volcanic intrusive complex of Yanshanian stage. Dickinson ploting results indicate that sandstones of Hekou Formation were mainly derived from the recycled orogen provenance area.
Key words: Cretaceous; Hekou Formation; sandstone detrital composition; provenance analysis; Gan—Hang tectonic belt
赣杭构造带是我国东南部一条重要的铀多金属成矿带，广泛发育白垩纪火山岩盆地和陆相红色碎屑岩盆地，是研究热液铀成矿作用的重要场所，著名的相山铀矿田即位于赣杭带西段。华南白垩纪热液铀矿床与陆相断陷红盆具有紧密的时空关联[1]，但是近年来的研究主要集中在热液铀矿床方面[2-3]，对陆相红层的沉积学研究[4-5]较少，因而对白垩纪温室气候条件下的华南热液铀成矿作用与陆相红盆演化之间的关系缺乏认识和把握。本文作者以赣杭带西段永丰、崇仁地区上白垩统河口组为研究对象，通过河口组砂岩显微镜下碎屑组分统计和分析，对盆地沉积物源及其构造属性进行探讨，为该地区白垩纪陆相断陷红盆的形成和演化研究提供基础材料。物源分析是沉积盆地研究的重要内容，砂岩碎屑组分统计是一种行之有效的物源属性判断方法。该方法将沉积盆地物源区划分为3个一级物源区和7个次级物源区[6-7]。Ingersoll等[8]提出了Gazzi-Dickinson碎屑骨架分析方法和模型判别图解。目前，该方法已经在许多沉积盆地的物源分析中取得了较好的应用效果[9-13]。相对于易受成岩作用影响的填隙物(杂基和胶结物)而言，砂岩碎屑颗粒组成相对较为稳定，能较好地反映物源区岩石的构造属性。本研究采用Gazzi-Dickinson计点法，在显微镜下对常规岩石薄片中各种碎屑组分(包括单晶石英、多晶石英、钾长石、斜长石以及不同岩屑)进行统计，每个薄片碎屑颗粒统计数不少于300个。然后，将这些碎屑组分含量的数据投点到广泛应用于砂岩物源区分析的Dickinson三端元图解[6-7]上，以便进行物源区构造属性解释。
1 区域地质背景
华南晚白垩世处于拉张构造背景，陆相红盆充填以粗粒碎屑岩为主[14-16]。赣杭构造带东起浙江绍兴，西至江西永丰，总体呈北东向展布，自西向东发育一系列白垩系陆相断陷红盆[17](图1)。赣杭构造带大地构造位置上处于华南一级构造单元的结合部位，横跨江南元古宙岛弧和华南加里东造山带2个不同的二级构造单元，北侧为下扬子地块，南侧为华南地块[17-18]。研究区先后经历扬子—加里东、海西—印支、燕山等多期次强烈的构造运动和岩浆作用，于晚白垩世末的燕山晚期构造运动中形成一套陆相红色碎屑岩沉积，即龟峰群，自下而上划分为河口组、塘边组和莲荷组。
图1 赣杭构造带地质简图(据余心起等[17]有所改动)和永丰—崇仁盆地河口组岩性柱状图
Fig. 1 Geological sketch map of the Gan-Hang tectontic belt (Amended after Yu et al[17]) and lithological column of Hekou Formation in Yongfeng—Chongren basin
江西永丰—崇仁盆地位于赣杭构造带西段，呈北东—南西走向，南西段较窄，北东段较开阔，长约200 km，宽10~30 km，面积为3 018 km2[19]。研究区青白口系变质岩发育，为一套浅变质的砂泥质复理石建造，经历了多期变形、变质作用，岩石类型多样，以区域变质岩为主，其次为热接触变质岩。燕山期岩浆活动强烈，产出以早白垩世为主的火山-侵入杂岩。研究区上白垩统河口组陆相红色碎屑岩与下伏下白垩统鹅湖岭组(k1e)碎斑熔岩呈角度不整合接触，顶部与塘边组呈整合接触(图1)。
2 河口组沉积特征
河口组以发育紫红色、砖红色或淡红色粗碎屑岩为特征，露头剖面上沉积现象丰富(图2)。碎屑沉积物粒度自下而上由粗变细所形成的正粒序十分发育(图2(b)和图2(c))。正粒序的厚度一般为10~30 cm，正粒序底部一般为砾石层，砾石大小和成分在盆地不同位置相差较大，砾石沿冲刷面集中发育，往上砾石粒度具有明显变小的趋势，一般与上部粗砂级碎屑为缓慢过渡关系，然后渐变为细砂、粉砂，但也可见粗砂岩之上即发育下一个正粒序。在一个正粒序的上部，由水动力条件减弱所形成的细粒沉积物(一般是含细砾粉砂岩和泥岩)中，可见网格状风化特征(图2(f))，其上一般发育明显的冲刷侵蚀作用界面(图2(a))，反映了下一期冲积沉积作用的开始。在厚层-块状含砾粗砂岩中发育大型楔状交错层理(图2(d))，在含砾中—细砂岩中发育小型楔状交错层理(图2(e))。
对于陆相冲积沉积作用形成的地层记录，由于沉积水动力条件的不稳定性，导致一套沉积序列中不同级次的沉积界面十分发育。这些沉积界面大多为不同期次河流冲刷侵蚀作用界面(图2(a))，凹凸不平，冲刷面之上一般会富集一薄层砾石，砾石层厚度为3~5 cm，横向上延伸一般不会超过3 m。冲刷面之上的沉积砂体中可见倾斜的前积层，反映了较强的水流条件。纵向上不同倾向的前积层反映了古水流方向的改变。露头剖面上沉积物组构变化和不同级次界面反映了沉积物内部非均质性较强，代表了河流沉积作用在横向上和纵向上发育的不稳定性。
在永丰下袍河口组剖面中，河漫滩或干旱泻湖相紫红色泥质岩中发育钙质结核(图2(g))，钙质结核集中发育的单层最大厚度可达1.6 m。另外，在含砾中—粗砂岩中可见钙质凝缩薄层(薄层厚度为2~6 mm)，呈波状弯曲，大致平行于层理方向延伸较远，也可见不规则同心圆状钙质薄层(图2(h))。这二者都指示了干旱炎热的古气候条件。
图2 河口组露头沉积特征
Fig. 2 Outcrop sedimentary characteristics of Hekou Formation
3 河口组砂岩碎屑组分特征
砂岩碎屑组分相对稳定，不易受到后期成岩作用和风化作用的改变，因而在显微镜下根据砂岩碎屑骨架进行物源判别，可能优于采用地球化学分析方法进行物源判别。江西永丰-崇仁盆地上白垩统出露较好，河口组砂岩碎屑颗粒主要为石英、岩屑和长石，以及少量的白云母和黑云母。本文对研究区河口组16个薄片进行了碎屑组分统计和分析，每个薄片在镜下统计颗粒数不少于300个，统计结果换算为颗粒含量(颗粒数量占总量的比例，余同)见表1。
河口组砂岩碎屑颗粒的统计结果显示，石英颗粒占总量的47%~83%，长石颗粒占总量的6%~19%，岩屑含量普遍较高，岩屑颗粒占总量的11%~40%，表明河口组砂岩成分成熟度偏低，碎屑沉积物没有经历远距离的搬运和分选，因而，指示了河口组砂岩多为近源快速堆积的产物。
河口组砂岩碎屑组分镜下特征如图3所示。从图3可见：砂屑颗粒间多呈点接触-线接触，孔隙-接触式胶结类型，颗粒支撑碎屑结构。分选性差、磨圆度中等偏差，成分成熟度和结构成熟度较低。胶结物主要有铁质、钙质、泥质和硅质，其体积分数为10%~20%。基质由黏土矿物(吸附Fe3+，呈褐红色)、细粉砂组成，颗粒质量分数为8%~15%。此外，在岩石薄片中，局部见颗粒间无接触，呈悬浮状漂浮于基质当中，因此为基底式胶结和杂基支撑碎屑结构。重矿物见有少量锆石，偶见电气石。大量褐红色铁质胶结物的出现指示沉积-成岩作用过程中的干旱氧化 环境。
根据薄片鉴定结果，主要碎屑组分为：
1) 石英。石英可分为单晶石英(颗粒占总量的29%~ 81%)和多晶石英(颗粒占总量2%~26%)。单晶石英以次棱角状-次圆状为主，少量为圆状和棱角状，个别可见双锥状，具有中等-差的磨圆程度，粒径为0.09~1.85 mm，少量单晶石英的粒径为0.15~0.23 mm。单晶石英基本上具有均匀消光的特点，表明单晶石英来自酸性岩浆岩，可见溶蚀港湾状的单晶石英。多晶石英一般为粒状，具有波状消光，粒径变化范围较大，主要为0.30~1.80 mm。本研究中，将石英片岩、石英岩和燧石等作为多晶石英进行统计。
表1 河口组砂岩碎屑矿物成分点统计结果
Table 1 Point-count results of detrital compositions of Hekou Formation sandstones %
图3 河口组砂岩显微镜下特征
Fig. 3 Microscopic features of Hekou Formation sandstones
2) 长石。长石一般呈短柱状和次圆状，主要为钾长石(颗粒占总量的1%~8%)和斜长石(颗粒占总量的4%~15%)。其中，钾长石以次圆状为主，其次为次棱角状，发育轻微黏土化，少量具有卡氏双晶和格子状双晶，粒径为0.14~0.85 mm，最大粒径为1.25 mm。其中，可见微斜长石，次棱角—次圆状，粒径为0.44~ 0.51 mm。斜长石通常为板状，聚片双晶发育，轻微绢云母化，主要来自酸性岩浆岩和变质岩。
3) 岩屑。岩屑是判断物源区母岩类型的重要标志。研究区河口组岩屑多呈次圆状、椭圆状，粒径为0.20~1.79 mm，颗粒占总量的11%~40%，岩浆岩和变质火山岩岩屑颗粒占总量的4%~22%，沉积岩和变质沉积岩岩屑颗粒占总量的7%~21%。岩屑种类较多，主要类型有流纹岩岩屑、花岗斑岩(或碎斑熔岩)岩屑、千枚岩岩屑、泥质岩岩屑和砂岩岩屑。可见少量云母矿物碎屑，包括白云母和黑云母。其中，白云母常见扭曲状，往往指示来自变质岩；黑云母多暗化，来自岩浆岩和云母石英片岩。
4 物源区构造属性分析
砂岩是陆源碎屑岩的主要岩石类型，其组分主要受物源区影响，而物源区与沉积盆地之间的关系则受构造作用所控制[6-7]。根据Dickinson等[6]提出的QFL，QmFLt，QpLvLs和QmPK三端元图解(见图4)，对研究区河口组砂岩样品中的石英、长石和岩屑进行三角图投点。在主图解QFL上可区分陆块、岩浆弧和再旋回造山带3个基本物源区，在辅助图解QmFLt，QpLvLs和QmPK中可进行一对一的分析，趋势更加明显。
如图4所示，在QFL和QmFLt图解中，河口组16块砂岩样品投点全部落入再旋回造山带物源区，而且大多数砂岩样品的海洋组分含量高于大陆组分含量。QpLvLs图解反映的是对再旋回造山带物源区的进一步细分，将其分为克拉通前缘碰撞缝合线及褶 皱-逆掩带、弧造山带、俯冲带和上述作用的混合造山带4类。在QpLvLs图解中，研究区河口组砂岩样品分别落在弧造山带物源区和混合造山带物源区，表明河口组沉积时期具有弧造山带和混合造山带物源区，而没有俯冲消减带物源区。在QmPK图解中，河口组砂岩样品全部集中于再旋回造山的陆块物源区，具有成熟度和稳定性较高的特点，而不是岩浆弧来源。后来，Dickinson等[7]提出的三端元图解对物源区界线作了进一步量化，指出了主要沉积盆地与主要板块边界类型和相关的碎屑物源之间的关系，反映了QFL、QmFLt图解、沉积盆地和构造背景三者的关系。根据该方法进行的投点结果如图5所示。由图5可知：在QFL图解中，河口组砂岩投点全部落入再旋回造山带物源区。利用QmFLt图解来进一步确定物源可知，所有样品投点都落在石英再旋回与岩屑再旋回的过渡区域(再旋回过渡带)及其附近。
综上所述，赣杭构造带西段江西永丰、崇仁一带的上白垩统河口组砂岩主要来源于再旋回造山带物源区，可能部分来自弧造山带物源。
图4 河口组砂岩QFL，QmFLt，QpLvLs和QmPK三端元图解[6]
Fig. 4 Triangular QFL, QmFLt, QpLvLs and QmPK plots of Hekou Formation sandstones[6]
图5 河口组砂岩QFL和QmFLt三端元图解[7]
Fig. 5 Triangular QFL and QmFLt plots of Hekou Formation sandstones[7]
晚中生代古太平洋板块相对古亚洲大陆的俯冲作用导致赣杭地区构造-火山活动强烈，赣杭构造带位于华南扬子地块和华夏地块的结合部位，晚侏罗世-早白垩世分布有数十个火山盆地、火山穹隆，早白垩世晚期开始由于强烈的地壳伸展作用形成一系列陆相断陷红盆[20]。永丰—崇仁盆地上白垩统河口组红层与下伏燕山期酸性火山-侵入杂岩呈角度不整合接触。因此，研究区河口组砂岩的物源应为断陷红盆两侧的隆起地区，主要为再旋回造山带物源，可能存在少量弧造山带物源。研究区青白口系主要为一套以千枚岩、片岩为主的低级变质岩系地层，原岩为浅海—次深海相沉积，具有成熟度和稳定性较高的特点。在干旱的古气候条件下，剥蚀产生的长石经短距离搬运后得以保存，不稳定的岩屑组分含量相对较高，导致河口组砂岩整体的成分成熟度较低，反映了一种近源快速沉积过程。
5 结论
1) 位于赣杭构造带西段的永丰—崇仁盆地上白垩统河口组砂岩碎屑组分特征主要为：单晶石英颗粒占总量的29%~81%，多晶石英颗粒占总量的2%~26%，长石颗粒占总量的6%~19%，岩屑颗粒占总量的11%~40%。总体来看，研究区河口组砂岩碎屑组分中岩屑含量相对较高，反映了砂岩成分成熟度偏低。结合露头沉积组构特征和岩相组合关系，认为河口组主要为干旱气候条件下冲积扇-河流沉积体系的产物。
2) 河口组砂岩碎屑组分特征和Dickinson图解投点的物源分析结果表明，在中国东南部地壳伸展拉张背景下形成的江西永丰—崇仁陆相断陷盆地，沉积物源主要来自盆地两侧的隆起地区，主要为青白口系浅变质岩系地层、燕山期酸性火山—侵入杂岩，其次为河口组沉积时期遭受剥蚀的前晚白垩世地层。宏观和微观沉积物组构反映了近源快速沉积作用的特点。综合分析认为，研究区上白垩统河口组砂岩主要来自再旋回造山带物源区，具有再旋回过渡带的特点。
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(编辑 赵俊)
收稿日期：2014-03-18；修回日期：2014-06-22
基金项目(Foundation item)：博士后科研启动基金资助项目(DHBHK1102)；江西省博士后科研择优资助项目(2012)；江西省教育厅资助科研项目(GJJ13438)；中国地质调查局工作项目(1212011120836，1212011220248)；东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室开放基金资助项目(NRE1210)；核放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室开放基金资助项目(RGEET1304)(Project (DHBHK1102) supported by the Postdoctoral Research Startup Foundation; Project (2012) supported by the Foundation for Selected Postdoctoral Research of Jiangxi Province; Project (GJJ13438) supported by Research Foundation of Jiangxi Education Department; Projects (1212011120836, 1212011220248) supported by China Geological Survey; Project (NRE1210) supported by the Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment of the Ministry of Education; Project (RGET1304) supported by the Fundamental Science on Radioactive Geology and Exploration Technology Laboratory of East China Institute of Technology)
通信作者：陈留勤，博士，讲师，从事沉积学研究；E-mail：liuqincheen@163.com
