華北北緣化德—康保一帶化德巖群原巖恢復(fù)及沉積環(huán)境探討

田 賀，王立考，李博文，李艷杰，王 政

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河北總隊，河北 保定 071051)

華北陸塊北緣在其演化期間發(fā)生了一系列重大地質(zhì)事件，經(jīng)歷了多次構(gòu)造熱事件。與此同時，伴隨產(chǎn)生了大規(guī)模成礦作用，形成了十分豐富的礦產(chǎn)資源[1]。前人對化德巖群研究主要集中在化德巖群地層劃分、巖石礦物學(xué)特征、年代等研究，對化德巖群原巖恢復(fù)尚未進(jìn)行系統(tǒng)研究。對變質(zhì)巖的原巖恢復(fù)研究表明，依據(jù)不同的變質(zhì)巖原巖類型有特定的微量元素組成及其比值特征這一特性，運用巖石地球化學(xué)方法對化德巖群變質(zhì)巖進(jìn)行研究，采用地球化學(xué)穩(wěn)定性較強，在地殼中廣泛分布且有指示意義的微量元素及其相關(guān)比值、圖解方法可以有效指示其形成環(huán)境及與某種礦產(chǎn)之間的關(guān)系[2]。本文在對化德巖群進(jìn)行巖相學(xué)特征研究的基礎(chǔ)上，運用巖石地球化學(xué)方法對其進(jìn)行原巖恢復(fù)研究，探討其形成時的古構(gòu)造環(huán)境，以期為今后化德巖群中礦產(chǎn)資源探尋提供指導(dǎo)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)特征

化德巖群主要分布在內(nèi)蒙化德縣、河北康?？h，向東延至內(nèi)蒙太仆寺旗。大地構(gòu)造位置處于柴達(dá)木—華北板塊、華北陸塊、華北北緣沉降帶[3]。區(qū)內(nèi)地層主要為新太古界中深變質(zhì)的紅旗營子巖群及古元古界淺變質(zhì)的化德巖群，化德巖群主要為鈣硅酸鹽類、長石石英巖類、片巖—千枚巖類和碳酸鹽巖類。鈣硅酸鹽類包括透閃巖和透輝巖，僅分布于戈家營組中，宏觀上巖石成層性好，致密堅硬，常形成正地形。長石石英巖類包括石英巖、變質(zhì)砂巖等，三夏天組、毛忽慶組、頭道溝組和北流圖組中該巖類為主體巖石類型，而在朝陽河組和戈家營組中則呈夾層出現(xiàn)。片巖—千枚巖類巖石在化德群中分布廣泛，其中朝陽河組、三夏天組及戈家營組一段中片巖類極為發(fā)育；頭道溝組中千枚巖、板巖為主要巖石類型；毛忽慶組、北流圖組和戈家營組段中該巖類以夾層形式產(chǎn)出。碳酸鹽巖類主要為大理巖，產(chǎn)出層位主要為頭道溝組和戈家營組，成層性好，厚度巨大。局部地段有中生界侏羅系陸相火山沉積建造不整合覆蓋在變質(zhì)基底之上。新生界第四系覆蓋較厚且遍布全區(qū)，主要為殘坡積物、沖洪積物和風(fēng)積物[3]。工作區(qū)內(nèi)褶皺及斷裂構(gòu)造發(fā)育，巖漿活動強烈(圖1)。化德巖群礦產(chǎn)主要為低品位赤鐵礦、褐鐵礦、晶質(zhì)石墨礦、石英巖礦等。

圖1 化德—康保一帶地質(zhì)背景簡圖

2 巖相學(xué)特征

化德巖群主要為一套鈣硅酸鹽—碳酸鹽巖—變質(zhì)泥質(zhì)巖—變質(zhì)碎屑巖組合。依據(jù)礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點，可歸納為鈣硅酸鹽類、長石石英巖類、片巖—千枚巖類和碳酸鹽巖類。本次共采集樣品12件，石英巖類4 件、片巖類4 件、鈣硅酸鹽3 件、變質(zhì)碳酸鹽1 件，均來自頭道溝—戈家營一帶地質(zhì)填圖采樣，主要在戈家營組和三夏天組中采集，基本上代表了該群所有巖石類型。巖石主要呈灰白、灰褐、深灰、灰黑色，粒狀—鱗片粒狀變晶結(jié)構(gòu)、斑狀變晶結(jié)構(gòu)，變余層狀構(gòu)造、塊狀構(gòu)造、局部變余砂狀結(jié)構(gòu)、片狀或千枚狀構(gòu)造，化德巖群變質(zhì)巖顯微照片見圖2，主要礦物成分詳述如下。

圖2 化德巖群變質(zhì)巖顯微照片

石墨：多呈粒狀或鱗片狀，片徑大小一般為0.01～0.05mm，少數(shù)為0.05～0.1mm，個別為0.1～0.3mm，多數(shù)呈集合體分布，沿黑云母、白云母解理分布，部分分布于石英顆粒內(nèi)部或填隙于石英顆粒之間，大部分集合體呈條痕狀定向分布，石墨含量1%～15%。

石英：多呈拉長狀，粒徑0.2～1.25mm，多聚集成團(tuán)塊狀、似條痕狀無規(guī)則分布，石英顆粒大小較為均勻，石英顆粒彼此鑲嵌排列，少數(shù)顆粒略顯定向拉長，部分顆粒亦保存有變余砂粒特征，多見石英內(nèi)部包嵌鱗片狀石墨、云母。

斜長石：呈他形粒狀，粒徑0.1～0.5mm，集合體呈似條紋、似薄層狀定向分布，表面渾濁，發(fā)生較強烈的土化，長石解理縫和裂理內(nèi)部多見有赤鐵礦充填。

黑云母、白云母：呈半自形片狀，部分發(fā)生彎曲變形，片徑大小一般為0.1～0.4mm，多沿長軸方向定向分布，呈條帶狀或團(tuán)塊狀集合體，黑云母多被綠泥石交代。

方解石：呈自形、半自形粒狀，粒徑0.2～1.3mm，集合體呈條痕狀、透鏡狀及似層狀平行定向展布，礦物長軸定向，礦物間以平直邊界呈鑲嵌狀分布。

透閃石：無色針柱狀、毛發(fā)狀，粒度1mm，集合體呈放射狀、束狀。

透輝石：無色，半自形—他形粒狀，粒度0.1～0.3mm，具褐鐵礦化，以不規(guī)則形態(tài)與石英、方解石互呈鑲嵌狀分布。

副礦物種類主要為鋯石、磷灰石、褐鐵礦、磁鐵礦、金紅石等。各巖類鋯石形態(tài)與陸源碎屑鋯石特征一致，呈渾圓—次渾圓柱狀，表面粗糙，可見麻點凹坑，并具鐵染。另外，鋯石粒度0.2～10.2mm，變化較大，表明原巖中富含砂質(zhì)，可能為砂質(zhì)粘土巖類，且物質(zhì)來源具有多樣性，或與搬運距離和埋藏速度有關(guān)，基本反映了沉積巖的特征[4]。

綜上所述，從巖石的礦物成分、結(jié)構(gòu)、構(gòu)造來看，其原巖應(yīng)為砂泥質(zhì)—碳酸鹽巖組成，礦石局部還保留有變余砂狀結(jié)構(gòu)[2]。

3 地球化學(xué)特征

3.1 常量元素特征

3.1.1 石英巖類

樣品(1-4)：SiO2含量84.28%～96.92%，平均90.64%；Al2O3為1.21%～7.81%，平均4.43%，與石英砂巖SiO2含量95.4%相近[5]，Al2O3偏高，但總體較為接近，顯示原巖為石英砂巖，巖石中可能混有少量泥質(zhì)或有機質(zhì)成分；Na2O 為0.04%～0.6%，平均0.2%；K2O 為0.42%～1.79%，平均1.14%，遠(yuǎn)高于石英砂巖的0.2%；K2O 明顯高于Na2O，說明原巖高鋁、富鉀的特征(表1)。

表1 化德群常量元素分析結(jié)果 (單位：%)

3.1.2 片巖類

樣品(5-8)：SiO2為60.08%～75.72%， 平 均70.42%；Al2O3為1.38%～20.12%，平均11.94%；K2O為0.03%～3.28%，平均2.25%；Na2O為0.06%～0.32%，平均0.20%；K2O 明顯高于Na2O。其中SiO2與Al2O3具有明顯的負(fù)相關(guān)性。分析結(jié)果顯示其成分總體介于長石砂巖和雜砂巖的平均值之間，具有高鋁、富鉀特征。

3.1.3 鈣硅酸鹽類

樣品(9-10)：SiO2為56.86%～66.80%，平均61.81%；Al2O3為6.21%～12.18%，平均9.20%；MgO 為3.54%～5.58%，平 均4.56%；CaO 平 均13.49%。其成分在雜砂巖和頁巖之間，僅Al2O3偏低，CaO、MgO 明顯偏高。樣品(11)：SiO239.90%、Al2O31.62%、MgO 0.48%、CaO 36.98%?？傮w介于灰?guī)r和頁巖平均值之間，僅SiO2含量較高，K2O含量明顯高于Na2O，基本反映了沉積巖的特征。

3.1.4 變質(zhì)碳酸鹽類

樣品(12)：SiO2為7.18%，CaO 為49.45%，MgO為1.4%。與灰?guī)r平均值相似，MgO 略顯偏低，反映了沉積巖特征。

3.2 微量元素特征

3.2.1 石英巖類

與砂巖微量元素含量平均值相比，本巖類V、Ni、Th、Co 元素豐度值略顯偏高，Ba 含量普遍較高，而Cr、Rb、Ga 元素豐度值偏低，Sr 含量較低，其它元素豐度值基本接近；Sr/Ba=0.03～0.11，平均0.07。一般認(rèn)為Ba 在淡水環(huán)境含量較高，而Sr在海相環(huán)境含量較高，因此，本巖類形成于水體較淺，離岸稍近的沉積環(huán)境(表2)。

3.2.2 片巖類

該巖類微量元素豐度值基本介于砂巖和頁巖平均值之間。但Zr 元素含量較高，是砂巖和頁巖平均值的1.7 和2.3 倍，可知巖石中含有一定量的陸源碎屑。V/Ni 平均比值為8.56，Sr/Ba 比值均＜1，由此可知，該類巖石形成于離岸較遠(yuǎn)，泥質(zhì)成分相對增加的沉積環(huán)境。

3.2.3 鈣硅酸鹽巖類

一般認(rèn)為微量元素多富集于粘土質(zhì)巖石中，高于砂巖和碳酸鹽巖的豐度值，其中Sr 常富集于碳酸鹽巖中，Zr 則傾向于在砂巖中富集。從總體來看，該巖類微量元素多介于頁巖與碳酸鹽巖和砂巖之間。而Sr 豐度值比碳酸鹽巖偏低，Zr 豐度值明顯低于砂巖和頁巖的平均值。由此可見該巖類原巖介于頁巖與碳酸鹽巖、砂巖平均值之間，鈣鎂含量較高，且泥、鈣質(zhì)成分隨巖石不同而變化。

3.2.4 變質(zhì)碳酸鹽巖類

該巖類與碳酸鹽巖平均值相比，巖石中Sr、Li元素虧損，Zr 元素相對富集，元素中以親碳酸鹽巖元素占優(yōu)勢，陸源物質(zhì)明顯減少，表明本區(qū)原巖形成時水體較深，但仍混雜有數(shù)量不等的泥砂質(zhì)成分。

表2 化德群微量元素含量一覽表 (單位：×10-6)

3.3 稀土元素特征

3.3.1 石英巖類

∑REE=15.62-199.12×10-6，平 均78.20×10-6，普遍偏低；(La/Yb)N=2.45～7.57，平均5.88，輕、重稀土分餾程度較高；δEu=0.53～0.62，平均0.57，銪虧損明顯。稀土配分曲線基本一致，均表現(xiàn)為輕稀土部分向右緩傾，重稀土部分向左緩傾，形成不對稱“V”型谷(圖3)，但樣品3、4 稀土總量稍高，顯示其原巖中含有一定量的泥質(zhì)或長石質(zhì)成分?？芍搸r類稀土元素總體特征與中國槽區(qū)砂巖相似(表3)。

3.3.2 片巖類

∑REE=189.91-330.12×10-6，高于石英巖類3 倍，這可能與片巖類含有較多的泥質(zhì)成分有關(guān)；稀土配分曲線近于一致(圖3)，輕稀土部分右傾，斜率不大，重稀土部分平緩，表明輕稀土較富集，而重稀土相對虧損?！艭e/∑Y=2.80～7.39，(La/Yb)N=5.76～7.19，表明輕重稀土分餾程度較高；δEu=0.53～0.65，銪虧損較強烈。顯示稀土元素豐度特征介于北美頁巖和槽區(qū)砂巖之間，兼有泥、砂質(zhì)的過渡特征[6]。

圖3 化德群(石英巖1-4、片巖5-8、鈣硅酸巖9-11、變質(zhì)碳酸巖12)稀土曲線配分模式圖

3.3.3 鈣硅酸鹽巖類

∑REE=34.87-205.48×10-6，變 化 較 大，平 均121.57×10-6；稀土配分模式一致，均為右傾“V”型曲線(圖3)，但稀土曲線離散性較大，表明原巖中含有不同數(shù)量的泥質(zhì)、鈣質(zhì)及砂質(zhì)成分?！艭e/∑Y=2.73～3.20，(La/Yb)N=7.10～7.28，顯示輕稀土富集，輕重稀土分餾程度較高；δEu=0.42～0.55，具較明顯的負(fù)銪異常。樣品9、10 稀土元素含量及模式曲線介于中國槽區(qū)砂巖和北美頁巖兩者之間；而樣品11 則介于大陸殼碳酸鹽巖和北美頁巖之間。

表3 化德群稀土元素含量及特征參數(shù) (單位：×10-6)

3.3.4 變質(zhì)碳酸鹽巖類

∑REE=66.38×10-6，顯示稀土元素總量較低；∑Ce/∑Y=1.31，(La/Yb)N=2.61，表明輕重稀土分餾程度明顯；δEu=0.37，中度虧損。稀土配分曲線向右傾斜(圖3)，輕稀土斜率較大，重稀土趨于水平。稀土元素總量明顯高于大陸碳酸鹽巖平均值，這可能與原巖中不溶組分(碎屑)有關(guān)，即含有砂、泥質(zhì)成分。

4 原巖恢復(fù)

原巖恢復(fù)主要依據(jù)野外宏觀特征、巖石組合類型、變余結(jié)構(gòu)構(gòu)造等進(jìn)行判定[7]，并結(jié)合巖相學(xué)、地球化學(xué)以及圖解判別法對巖石的原巖類型進(jìn)行探討[4]。

化德巖群為一套淺變質(zhì)地層。宏觀上，不同巖石類型均保留較明顯的原始沉積構(gòu)造；鏡下觀察，沉積巖的諸多變余結(jié)構(gòu)、構(gòu)造保存完好(圖3)[1]。顯然，化德巖群原巖為沉積巖。在宏、微觀調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合地球化學(xué)分析結(jié)果對該群原巖類型進(jìn)行了圖解判別[6]。

4.1 石英巖類

在利克(al+alk)-C 圖解中(圖4)，4 件樣品(樣品1-4)落入正常粘土—長石質(zhì)粘土和雜砂巖區(qū)；在涅洛夫(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解中(圖5)，樣品1-3 落入石英砂巖、石英巖區(qū)，樣品4 落入長石砂巖區(qū)。該類巖石與其他巖石呈互層狀產(chǎn)出，野外宏觀上成層性好，延伸穩(wěn)定，巖層中保存有斜層理、粒序?qū)永?、波痕等變余沉積構(gòu)造，部分巖石仍可見變余砂狀結(jié)構(gòu)。綜合上述特征，其原巖以石英砂巖為主，長石石英砂巖次之，巖石中混有極少量泥質(zhì)或有機質(zhì)成分。

4.2 片巖類

在西蒙南(al+fm)-(c+alk)-Si 圖解中(圖6)，樣品5-8 落在砂質(zhì)沉積巖與泥質(zhì)沉積巖的過渡區(qū)，其中樣品5、6、7 砂質(zhì)物相對較多，而樣品8 泥質(zhì)物含量趨于增高；在(al-alk)-C 圖解中(圖4)，樣品5、6、8 落入正常粘土區(qū)，樣品7 投入正常粘土區(qū)與鋁質(zhì)粘土區(qū)交界處，顯示了樣品7、8 鋁質(zhì)成分較樣品5、6 增高；在(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解中(圖5)，樣品5 落入復(fù)礦砂巖與長石砂巖過渡區(qū)，并靠近含泥質(zhì)砂巖、寒溫帶粘土區(qū)，樣品6 投入圖解下方硅質(zhì)泥灰?guī)r、含鐵砂巖區(qū)，樣品7 落在復(fù)礦砂巖—長石砂巖與含泥質(zhì)膠結(jié)物砂巖、寒溫帶粘土交界處，樣品8 投入海相—陸相粘土巖區(qū)；在尼格里四面體圖解中(圖7)，所樣品投點均落入粘土質(zhì)沉積巖區(qū)。綜合以上特征，并結(jié)合野外宏觀特征，可知片巖類原巖為粘土質(zhì)粉砂巖及粘土巖(泥巖、頁巖)，少數(shù)為泥質(zhì)砂巖[8]。

圖4 (al+alk)-C 圖解(據(jù)利克，1969)

4.3 鈣硅酸鹽巖類

在(al+alk)-C 圖解中(圖4)，樣品9、12 落入粘土—白云巖混合物區(qū)與粘土—石灰?guī)r混合物區(qū)之間，樣品10 落入粘土—白云巖混合物區(qū)，樣品11投入石灰?guī)r區(qū)；在(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解中(圖5)，樣品9 落入鈣質(zhì)砂巖、含鐵砂巖區(qū)，樣品10 落入硬砂巖區(qū)，樣品11 投入含鐵石英巖區(qū)，樣品12 落入硅質(zhì)泥灰?guī)r、含鐵砂巖區(qū)。另外，巖石化學(xué)成分和地球化學(xué)特征顯示，該巖類總體由鈣質(zhì)砂泥巖向碳酸鹽巖過渡，其中樣品11、12 向碳酸鹽巖過渡的特征更為明顯。宏觀上，該類巖中發(fā)育石變余紋層理，局部可見變余砂狀結(jié)構(gòu)。綜上所述，該巖類原巖主要為鈣質(zhì)砂頁巖、白云質(zhì)泥灰?guī)r及泥灰?guī)r。

圖5 (Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解(據(jù)涅洛夫，1974)

圖6 (al+fm)-(c+alk)-Si 圖解(西蒙南，1953)

圖7 尼格里四面體圖解(據(jù)尼格里，1954；轉(zhuǎn)引自契特維里科夫，1956)

4.4 變質(zhì)碳酸鹽巖類

在(al+alk)-C 圖解中(圖4)，樣品12 落入石灰?guī)r端區(qū)；在(Al2O3+TiO2)-(SiO2+K2O)-∑(其余組分)圖解(圖5)中，樣品12 投入圖解外，表明Ca、Mg 含量更高；在尼格里四面體圖解中(圖7)，樣品落在灰?guī)r區(qū)。該巖與鈣硅酸鹽巖類呈互層產(chǎn)出，部分巖石中可見變余砂屑。綜上可得，該類巖原巖主要為含砂屑灰?guī)r、泥質(zhì)白云質(zhì)灰?guī)r及泥質(zhì)灰?guī)r[2]。

5 構(gòu)造環(huán)境淺析

地質(zhì)活動過程的不同方式賦予了獨特的地球化學(xué)標(biāo)志，研究巖石地球化學(xué)特征對反演源區(qū)系統(tǒng)的古構(gòu)造和古地理重建至關(guān)重要。本文主要是在野外宏觀和室內(nèi)鏡下觀察基礎(chǔ)上，據(jù)常微量元素特征，借助相關(guān)圖解對化德—康保一帶化德巖群變質(zhì)巖進(jìn)行構(gòu)造環(huán)境分析。

Sm/Nd 比值是反映ΣREE 分餾程度的重要參數(shù)之一，也是反映物質(zhì)來源的一個重要參數(shù)。如地幔為0.260～0.375，大洋玄武巖為0.234～0.425，而源于殼層的花崗巖類及各類沉積巖一般＜0.3。該 區(qū)Sm/Nd 值 除12 號 樣 透 輝 大 理 巖0.33 外，其余介于0.18～0.25，均值0.22，落在沉積巖區(qū)[12]。本區(qū)除樣品7 外，11 件樣品Y/Ho 比值在20.77～30.65，平均值26.35，與現(xiàn)代河水或河口水體(25-28)相近[9]，反映出明顯的海水性質(zhì)。一般認(rèn)為La 在陸源物質(zhì)中相對富集，Ba 在淡水環(huán)境含量較高，而Sr 在海相環(huán)境含量較高。而本區(qū)(La/Yb)N 的值介于2.45～7.57，均＞1。1-8 號樣Sr/Ba=0.03～0.16，平均0.08。因此，可推斷為離岸稍近的海洋淺水環(huán)境。但9-11 樣品Sr/Ba=0.82～7.51，平均3.39，元素中以親碳酸鹽巖元素占優(yōu)勢，陸源物質(zhì)明顯減少，表明形成時水體較深，但仍混雜有數(shù)量不等的泥砂質(zhì)成分。Ni/Co 比值可用來判別氧化—還原環(huán)境，本區(qū)Ni/Co比值在0.56～5.25 之間，平均1.99，總體顯示為氧化環(huán)境(＜5.0)，僅有1 個樣品落入次還原環(huán)境(5.0～7.0 之間)[9]。Rb/Sr 值介于0.05～5.52，＜18，指示古氣候為干旱氣候[2]。

綜上所述，化德巖群原巖類型為一套砂泥質(zhì)—碳酸鹽巖組成的類復(fù)理石建造。沉積環(huán)境總體為潮坪—潮下—開闊海(淺海)沉積。從地層展布、巖性組合及縱橫相變化特征綜合分析[10]，可知海槽南界大致在康保東60km 外太仆寺旗—閆油坊—張紀(jì)鎮(zhèn)一線，水體自南向北變深。

6 結(jié)論

本文采用巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)方法結(jié)合恢復(fù)了化德巖群變質(zhì)巖的原巖類型，并探討了其古沉積環(huán)境，得出以下結(jié)論。

(1)該巖群主要為一套鈣硅酸鹽—碳酸鹽巖—變質(zhì)泥質(zhì)巖—變質(zhì)碎屑巖組合，其原巖類型為一套砂泥質(zhì)—碳酸鹽巖組成的類復(fù)理石建造。

(2)構(gòu)造環(huán)境判別表明化德巖群變質(zhì)巖沉積環(huán)境總體為潮坪—潮下—開闊海(淺海)沉積。Sm/Nd 均 值0.22，落 在 沉 積 巖 區(qū)；Y/Ho 比 值20.77～30.65，反映出明顯的海水性質(zhì)；(La/Yb)N 的值介于2.45～7.57 顯示為陸源物質(zhì)；1-8 樣Sr/Ba=0.03～0.16 顯示為海洋淺水環(huán)境，9-11 樣Sr/Ba=0.82～7.51 表明形成時水體較深；Ni/Co比值在0.56～5.25 之間，指示古氣候為干旱氣候。

(3)目前發(fā)現(xiàn)賦存于化德巖群中有晶質(zhì)石墨、赤鐵礦、磁鐵礦、石英巖礦等礦床。本文開展對化德巖群原巖恢復(fù)及古沉積環(huán)境探討，在區(qū)域成礦規(guī)律與找礦預(yù)測方面具有重要意義，為找礦方向提供開闊思路。