湘桂地区泥盆纪硅岩Rb-Sr、Sm-Nd同位素地球化学特征及构造沉积背景研究①

王卓卓 施立志 张永生 陈代钊 梁江平

(1.中国地质科学院矿产资源研究所 北京 100037;2.国土资源部盐湖资源与环境研究重点实验室 北京 100037;3.大庆油田有限责任公司勘探开发研究院 黑龙江大庆 163712;4.中国科学院地质与地球物理研究所 北京 100029)

Sr在海洋中存留的时间超过百万年，远远大于海洋混合年龄(1 000 a)，造成Sr在海洋中一般均匀分布，纬度、深度对Sr同位素比值没有影响。海水中Sr同位素组成可以反映全球构造、气候背景［1-3］。地质历史中海水锶同位素仅随时间发生变化，其变化受控于3个锶来源:大陆古老的经过风化的硅铝质岩石，通过河流的携带进入海水，具有较高的87Sr/86Sr比值，现代全球平均值为0.711 9［2］;洋中脊热液系统向海水提供的液体具较低的87Sr/86Sr比值，全球平均值为 0.703 5［3］;碳酸盐岩重溶形成的锶，其87Sr/86Sr平均比值为 0.708±0.001［4］。现代海水的锶同位素比值便是此三种锶平衡的结果，其平均值为0.709 073±0.000 003［5］。锶同位素的组成直接代表了原始海水，其变化可用于进行全球等时对比［6-12］，同时在海相地层对比定年中也可以发挥一定作用［8，11］。硅岩中的锶同位素组成及其变化，可以反映地壳活动历史和海底热事件发生历史，进一步反映沉积环境和碎屑物质的来源。

Nd同位素在海水中存留的时间较短(一般小于300 a)，与海水混合的时间相近，不能使Nd在全球海洋中完全混溶，因此Nd同位素可以指示局部海相盆地中物源方向、可以判断海水成分变化和海洋循环状况。在海洋环境中，沉积岩Nd同位素组成特征受海洋两大物质来源陆源和海底物质的制约，两者组成比例变化，形成的沉积岩 Nd同位素特征将有所改变［13-17］。海水越深，沉积物中 Nd的含量将会上升［13-17］。海洋中εNd值变化范围很广，可以用来作为大洋循环的指示物［13-17］。

1 地质背景

本文研究区为湖南、广西地区，以下简称湘桂地区。湘桂地区主要位于湘中、桂中台缘块断带(简称湘桂块)，部分位于南盘江—右江增生弧型冲褶带、十万大山弧后前陆盆地、钦州拗拉槽和富宁那坡增生弧形逆掩带［18］。

大地电磁测深反映了湘桂地区基底特点与扬子明显不同［19-21］，晚古生代至中三叠世，台盆相间，为边缘海盆地，印支运动强烈，西部形成增生弧型造山带，东部形成弧后前陆盆地，晚白垩世至第三纪引张，发育大小不等的造山期后陆相盆地。泥盆纪时，湘桂地区构造继承了以北北东、北东向为主的构造线，同时又有新的北西向构造出现。在活动方式上，由志留纪的挤压转化为泥盆纪的拉张活动，形成了相间出现的地堑和地垒。在空间上，构造活动具有南强北弱，西强东弱，由南向北逐渐推进的特点［21-22］，而这种周期性和海平面变化具有一定相关性。上述构造活动同时控制了区内沉积相的分异和展布规律，形成了独特的浅水台地和深水台间沟槽相间的古地理格局。

泥盆纪时，层状硅质岩广泛发育于华南地区碳酸盐台间盆地，至晚泥盆世早期分布范围最广［21-24］。其中局部还含有重要的锰和金属硫化物矿产，因此，很早就受到人们的关注［24-26］。大部分研究主要集中在含矿硅质岩上［25，27-33］，认为硅质岩的形成主要与海底热液有关，但这些研究往往局限于某一时段(如晚泥盆世)，对热液活动和构造活动的联系很少有人作深入的研究［33-36］，对湘桂地区硅岩与沉积构造背景缺乏系统的认识。

本文希望通过对湘桂地区硅岩Rb-Sr、Sm-Nd同位素的地球化学研究，阐述华南泥盆纪硅质岩沉积史、热液活动特点、演化规律及其与盆地构造活动(裂谷活动)与演化的相互关系。

本研究的样品采自南宁市以南的五象岭园艺场至大连冲一线(图1)泥盆系的莫丁组、坛新组、罗富组和榴江组(图2)。所测试样品主要为层状硅质岩(燧石)、少量结核状硅质岩和凝灰质硅质岩。本文对样品进行了Rb-Sr、Sm-Nd同位素分析，以明确湘桂地区构造环境及与全球的对应关系。

2 样品选择及其计算方法

2.1 样品选择

样品取样位置见图1。本研究所用样品大多为层状硅质岩、少量结核状硅质岩和凝灰质硅质岩，所用样品先用铁碾钵粗碎，而后用玛瑙碾钵细碎至粉末状(≤200目)。

2.2 分析方法

Rb-Sr、Sm-Nd同位素的化学分离和同位素比值测量是在中国科学院地质与地球物理研究所固体同位素地球化学实验室完成。

图1 研究区取样位置图及弗拉斯期岩相古地理图Fig.1 Sampling location and lithofacies paleogeographic map of Frasnian strata in the study area

图2 研究区综合柱状图及剖面样品取样位置Fig.2 Generalized columnar section and sampling location map of the study area

利用87Sr/86Sr和稀土元素半定量模式可以对沉积环境半定量确定沉积水来源为表层水还是深海水，是开阔大洋水、近岸水还是河水。同时可以利用其εSr(t)、Sr模式年龄tDM和∫Rb/Sr等同位素特征参数来灵敏地反映海水Sr随时间演化的情况。

式中，(87Sr/86Sr)0为初始锶比值，未知;

(87Sr/86Sr)t和(87Rb/86Sr)为现今比值，可以由样品实测;

t为地质体的年龄;

(87Sr/86Sr)DM、(87Rb/86Sr)DM为地幔现今的同位素比值。

Nicolaysen［37］用等时线方法将这个问题解决。等时线年龄的计算方法如下:在一个地质体上采集多个样品，由各样品所测得的(87Sr/86Sr)t和87Rb/86Sr值作为一组点的坐标投影到一条直线上。由此求出(87Sr/86Sr)0和 t。

对于147Sm/144Nd＞0.13或＜0.10的样品，本文采用两端的Nd模式年龄(t2DM)计算方法，以减少由于Sm/Nd分馏造成的tDM计算偏差。

式 中，(143Nd/144Nd)DM=0.213 7，(147Sm/144Nd)DM=0.513 15分别为地幔现今的同位素比值;

(143Nd/144Nd)CHUR=0.516 238，(147Sm/144Nd)CHUR=0.196 7，为现今球粒陨石同位素比值;

(147Sm/144Nd)s和(143Nd/144Nd)s分别代表样品现今的同位素比值;

t为样品的地层年龄(本文假设大陆地壳的147Sm/144Nd平均值为0.12);

(143Nd/144Nd)s，t代表样品形成时(t)的同位素比值;

λSm=0.654×10-11a-1，Nd同位素的模式年龄通常被认为是沉积岩源区的平均年龄;

可以利用其εNd(t)、tDM和∫Sm/Nd等同位素特征参数来灵敏地反映不同源区的环境随时间演化的情况。

本区测试结果见表1和表2。

表1 研究区 Rb、Sr含量 Rb/Sr、87Rb/86Sr、87Sr/86Sr、(87Sr/86Sr)0比值 δSr(‰)数值表Table 1 Numerical table of Rb，Sr content，Rb/Sr，87Rb/86Sr，87Sr/86Sr，(87Sr/86Sr)0ratio and δSr(‰)

表2 研究区Sm、Nd 含量，Sm/Nd、147Sm/144Nd、143Nd/144Nd比值 和 tDM(Ga)、εNd(t)、εNd(0)数据表Table 2 Numerical table of Sm，Nd content，Sm/Nd，147Sm/144Nd、143Nd/144Nd ratio and tDM(Ga)，εNd(t)，εNd(0)

3 分析结果

研究区 Rb、Sr 含量，Rb/Sr、87Rb/86Sr、87Sr/86Sr、(87Sr/86Sr)0比值和δ Sr(‰)结果见表1。通过表1可以看出，研究区Rb，Sr含量变化范围较大，Rb含量分布在1.17%～80.59%之间，Sr含量分布在3.10～87.00 μg/g之间。Rb/Sr比值分布在 0.02～7.34。(87Sr/86Sr)0比值相对较大，分布在 0.661 669～0.751 634。

研究区Sm、Nd含量，Sm/Nd、147Sm/144Nd、143Nd/144Nd 比值和 tDM(Ga)、εNd(t)、εNd(0)、∫Sm/Nd数据见表2。通过表2可以看出，研究区Sm、Nd含量变化范围较大，Sm 含量分布在 0.18～11.32 μg/g，Nd含量分布在 0.87～108.6 μg/g。Sm/Nd比值分布在0.03～0.23，147Sm/144Nd 比值分布在 0.02～0.23，(143Nd/144Nd)0比值分布在0.511 660 3～0.512 586 3，tDM(Ga)分布在 0.386～2.001、εNd(t)在-13.563 17～-0.041 734、εNd(0)值 分 布 在 -17.987 85～-14.659 032。

4 讨论

4.1 Rb、Sr同位素系统指示的构造环境

Weis和 Wasserburg［39］指出硅岩中 Rb含量如果与Al2O3含量呈明显的正相关关系，表明Rb主要来源于陆源碎屑物质。Rb和K富集在酸性岩石中，Sr和Ca富集于基性岩石中，Rb/Sr比值可以间接指示源岩的成分和性质。

研究区硅岩Rb和Al2O3有很明显的正相关性，Sr和Al2O3的相关性不大，说明研究区硅岩在形成时受到陆源物质影响。WXB5-1、WXB11、WXC8、XP1、LT3和CB2的Rb/Sr比值大于1，说明硅岩形成时物源主要为偏酸性的陆源岩石，偏酸性的物源主要分布在湘桂地区西部和东部的礁间台地相;WXB10、GP3，比较接近1，说明硅岩形成时受中性陆源物质影响，中性物源主要分布在西北部和东南部;其余样品Rb/Sr比值远小于1，说明形成时的物源主要为碱性岩石，碱性物源主要分布在中部地区的礁台地相。

付合(FSIL1)的(87Sr/86Sr)0最高，可以达到0.751 634，受陆源影响很大，辛铺镇(XP1)、石古元(SGY14)、城步(CB2)、白沙(BSI5)、沙湾(SW10)和五象岭(WXB11、WXB10和 WXB5-1)(87Sr/86Sr)0较高，均大于0.720 000，说明受到陆源影响很大。值得一提的是LT3的(87Sr/86Sr)0非常小，为0.661 669，贴近洋脊的数值，推测与地幔深部物质输运量的增加有关，但由于数据较少，可靠性有待进一步确认。其余地区的(87Sr/86Sr)0分布在0.712～0.720，说明受陆源和海水双重影响。Cb2的87Sr/86Sr比值达到0.765 543，但 (87Sr/86Sr)0数值不是 很高，为0.727 605，因该样品Rb含量很高，达到80.589 690。如此高的87Sr/86Sr比值很可能是放射性Rb高的缘故，且该样品受陆缘影响很大。在前人研究成果基础上，结合本研究成果指出研究区为礁台地相环境，部分地区为礁间洼地相、海槽和海槽边缘相环境。

五象岭地区从埃姆斯阶的WXB5-1到艾菲尔阶的WXB10和WXB11，(87Sr/86Sr)0有增大的趋势，到WXB11达到最大，吉维特阶的WXC2变小，弗拉斯阶的WXC8、WXCB10和 WXC12是逐渐减小，但WXC8比WXC2大，到WXC12达到最小。这些数据表明由埃姆斯期开始到艾菲尔末期受陆源影响增强，在吉维特期陆源影响明显减小，弗拉斯期陆源影响明显减弱。而陆源影响大小又与盆地大小和开放程度有关，因此，可以进一步推测泥盆纪沉积盆地从埃姆斯期加速裂解扩展后，在艾菲尔期又经历了扩展沉寂期，甚至收缩，造成陆源物质向海盆输送量的增加，吉维特末期至弗拉斯期中期，又经历了盆地的快速扩张期，使陆源物质输送量减少。此变化趋势与Geldern等［39］研究的全球泥盆纪87Sr/86Sr变化趋势相吻合。

4.2 Sm、Nd同位素系统指示的构造环境

海水Sm/Nd比值对海平面升降、古大陆风化作用和区域构造事件(如海底地壳拉张产生的幔源组合和地幔柱活动)具有指示意义，Sm/Nd比值越大，海平面越高［40］。虎岩坝(HYB4)和铁砂坪(TSP5)的 Sm/Nd比值都很高，说明当时海平面较高，可能与它们处于低洼地区有关。莲塘和古坪的Sm/Nd比值很低，可能与较强的热液活动有关。五象岭地区的Sm/Nd比值总体高于付合、沙湾和白沙，与海水由南向北侵入的古地理展布相一致［41-43］。五象岭地区从埃姆斯期的WXB5-1到艾菲尔期的WXB10和WXB11，Sm/Nd比值先是很大幅度的降低，然后微升，可能说明该区在艾菲尔早期有大幅度海退，然后海进。吉维特阶在艾菲尔期的基础上Sm/Nd比值小幅度上升，说明海水小幅度微升，弗拉斯早期继续快速升高，然后降低。说明该区在弗拉斯早期快速上升，然后开始降低。

McLennan等［44］研究指出 εNd值可以用来指示物源，εNd值小于-10的源区一般为古老的上陆壳，εNd大于+5的源区一般为洋中脊玄武岩，εNd值分布在-7.9～-13 之间的源区一般为盆地基底硅岩［14，39］。利用εNd来判断沉积环境，εNd的高值代表气候温暖期，若在海洋中，也可代表热液活动强烈时期［13-16］。研究区εNd(0)值普遍在-16到-21之间变化，说明硅质来源主要是古老的上陆壳［13-16］，与 Sr的研究结果一致。莲塘(LT3)、古坪(GP3)的εNd(0)值非常高，分别为14.66和6.16，接近洋中脊的数据［13-16］，说明有地壳深部物质加入，这可能与该区地壳裂解很深有关。莲塘的结果和Sr相似。城步(CB4)和寨沙(ZS1)的εNd(0)也较高，分别为-0.22和-0.28。虎岩坝(HYB4)、铁砂坪(TSP5)和寨子岭(ZZL2)的εNd(0)值均较高，大于-6，与盆地基底的 εNd(0)一致［13-16］。这些数据说明这些地区有少量陆源物质加入，εNd(0)值越高，深源物质加入就越多。

硅岩中Sm-Nd模式年龄tDM(Ga)主要分布在1.5～2.1之间，说明物源为元古代地壳存留区域，与李献华［45］的研究结果一致。古坪地区的 tDM(GP3)为1.016 Ga，白沙的 tDM(Bsi5)为 1.496 Ga，tDM值的变化反映了有大量新生地区物质加入到物源区。莲塘(LT3)的tDM为0.386 Ga，与硅岩形成年龄相当，可能在形成过程中有大量泥盆纪新生物质加入，可能由于裂解较深，在带入深部物质的同时，卷入泥盆纪沉积时的岩石。但由于数据量不多，结论有待于进一步确认。

5 结论

利用Rb-Sr、Sm-Nd同位素地球化学特征对研究区硅岩物质来源和形成时代进行了研究，结果表明硅岩(87Sr/86Sr)0值一般分布在0.721 000～0.731 000，说明硅岩形成时还受到陆源和海水的影响。硅岩Nd同位素模式年龄(tDM或t2DM)和εNd(0)值主要分布区间分别为1.5～2.1与-16～-21，表明硅质来源于深部元古代地壳。εNd(0)值(-0.22～14.7)高的一些地区，大多沿狭长海槽分布，表明硅质可能来源于深部地幔，通过延伸到地幔的地块边缘断裂带上升到地表。付合、辛铺镇、石古元、城步、白沙、沙湾和五象岭地区沉积时沉积物受陆源影响很大，为近物源沉积;莲塘、古坪地区为地幔来源，地壳裂解很深;其余的地区说明受陆源和海水双重影响。五象岭地区在艾菲尔早期有大幅度海退，然后海进。吉维特阶在艾菲尔期的基础上海水小幅度微升，弗拉斯早期继续快速升高，然后降低。

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