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Advances in Geosciences
Vol. 09  No. 06 ( 2019 ), Article ID: 31099 , 14 pages
10.12677/AG.2019.96060

The Geochemical Characteristics and Their Geological Significance of Sedimentary Rocks from Cambrian in Gannan Area

Wentan Xu1*, Huchao Ma1, Anzhou Gong1, Shengdu Yang1, Jiaqiang Li1, Bowen Zhou2

1College of Earth Sciences, Chengdu University of Technology, Chengdu Sichuan

2Nanjing Institute of Geology and Mineral Resources, Nanjing Jiangsu

Received: Jun. 7th, 2019; accepted: Jun. 21st, 2019; published: Jun. 28th, 2019

ABSTRACT

Gannan area is an important part of the eastern part of South China. During the Cambrian, a thick set of flysch formation was deposited. The geochemical characteristics of the sedimentary rocks indicate that they all have high SiO2 (66.07~83.85 wt%), relatively high Al2O3 (8.81~22.56 wt%), K2O (1.27~6.72 wt%) and TFeO + MgO (2.17~9.18 wt%) content, relatively low Na2O and CaO content. Trace elements and rare earth elements show relatively rich enrichment of compatible elements and light rare earth elements, similar to those of typical upper crust elements. The normalized distribution of rare earth element chondrite shows that the rare earth elements have obvious right-tilt property, and have obvious Eu negative anomaly and weak Ce negative anomaly, similar to PASS and upper crust. The geochemical characteristics of sedimentary rocks combined with the zircon geochronology and Hf isotope characteristics in the study area indicate that the provenance is mainly from the upper crust of southern part of the Cathaysia block, a small amount of basic volcanic rock areas and ancient crust recirculation. The provenance of the study area did not change significantly in Cambrian. The tectonic setting of the Early Paleozoic is a passive continental marginal environment.

Keywords:Cambrian Sedimentary Rocks, Geochemistry, Provenance, Tectonic Setting, Gannan Area

赣南地区寒武纪沉积岩地球化学特征 及其地质意义

徐文坦1*，马虎超1，龚安州1，杨圣都1，黎家强1，周博文2

1成都理工大学地球科学学院，四川 成都

2南京地质矿产研究所，江苏 南京

收稿日期：2019年6月7日；录用日期：2019年6月21日；发布日期：2019年6月28日

摘 要

赣南地区是华南东段的重要组成部分，寒武纪时期沉积了一套巨厚的复理石建造，它们都具有高SiO2 (66.07%~83.85%)，相对较高的Al2O3 (8.81%~22.56%)、K2O (1.27%~6.72%)和TFeO + MgO (2.17%~9.18%)含量，相对较低的Na2O和CaO含量。微量元素和稀土元素显示相容元素和轻稀土元素相对富集，与典型上地壳元素特征相似。稀土元素球粒陨石标准化分布图显示稀土元素具有明显右倾性，具有明显的Eu负异常和弱Ce负异常，与PASS和上地壳特征相似。岩石地球化学特征结合寒武纪碎屑锆石年代学和Hf同位素特征显示研究区物源主要来自华夏地块南部上地壳长英质源区，少量基性火山岩区和古老地壳再循环的产物。研究区寒武纪时沉积物源没有发生明显变化。研究区早古生代沉积构造背景为被动大陆边缘。

关键词 :寒武纪沉积岩，地球化学，物源区，构造背景，赣南地区

Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

由扬子板块和华夏板块沿江南造山带拼合而成的华南板块一直是地质学研究的热点问题。从中新元古代板块拼合到加里东期造山运动，华南经历了复杂多变的构造–岩浆运动 [1] [2] [3] [4] 。其中对于早古生代华南板块的构造属性一直存在争议，部分学者认为华南早古生代板块间存在一个古大洋，即华南早古生代存在洋壳 [5] - [13] 。另外一部分学者认为华南早古生代不存在洋壳俯冲，为一被动大陆边缘环境 [14] - [20] 。赣南地区作为华南东段的重要组成部分，寒武纪地层在该区广泛出露，成为了研究华南早古生代构造背景的一个重要窗口。笔者在详细野外地质调查基础之上，对该区的寒武纪地层剖面进行了系统的采样工作，并对样品主量元素、微量元素和稀土元素进行了详尽的分析，通过地球化学特征的分析对研究区寒武纪构造背景进行研究，以期对华南地区早古生代构造背景研究提供新的地质资料。

研究表明，沉积岩的化学组成记录了沉积盆地的源区性质和构造背景 [21] [22] [23] [24] 。碎屑–岩的地球化学特征主要受源区成分的控制，在运移、沉积和成岩过程中，一些微量元素和稀土元素不会发生明显变化。因此，碎屑沉积岩的地球化学特征可以为沉积岩物源与形成的构造背景提供约束。

2. 地质背景

研究区(图1)位于华南东段的赣南永新地区，大地构造位置位于华南加里东造山带的东段。其分区地层隶属于华夏地层分区的永新–井冈山地层小区。新元古代南华纪–早古生代该区为一系列浅变质泥砂岩组成的复理石连续沉积。研究区的地层出露相对齐全，尤以中生代地层发育为特色 [25] 。主要地层有：寒武系、泥盆系的浅变质单元，部分地区出露奥陶系的稳定沉积单元，侏罗系、石炭系地层在研究区也有出露。研究区岩浆活动频繁，经历了长期多旋回的构造运动，产生了从南华纪至白垩纪的多期、多阶段岩浆活动，形成了广泛分布的花岗岩及少量基性侵入岩及海相火山岩 [26] - [29] 。与侵入岩有关的岩脉也相对发育。测区内断裂构造非常发育，主要表现为北东向加里东–燕山期多期次的断裂和韧性剪切带。

Figure 1. Sketch geological map of the study area (modified after [10] ); a-Geotectonic location sketch of study area; b-Simplified geological map of Gannan area; 1-Quaternary; 2-Jurassic; 3-Carboniferous; 4-Devonian; 5-Ordovician; 6-Shuishi formation; 7-Gaotan formation; 8-Niujiaohe formation; 9-Caledonian granite; 10-Fault; 11-Location and serial number of geological section; 12-Sampling site

图1. 研究区地质简图(改自文献 [10] )；a-研究区大地构造位置简图；b-研究区地质简图；1-第四系；2-侏罗系；3-石炭系；4-泥盆系；5-奥陶系；6-水石组；7-高滩组；8-牛角河组；9-加里东期花岗岩10-断层；11-剖面位置及编号；12-取样位置

寒武纪地层在研究区内分布广泛，主要包括牛角河组、高滩组和水石组。其岩性主要为一系列浅变质的砂、板岩组成的复理石建造(图2)。其中牛角河组下部普遍发育石煤层，其上常见灰黑色的含炭硅质岩，组成了下部“华山硅质岩段”，与下覆整合接触的老虎塘组顶部的“白硅”成为了划分寒武纪与震旦纪地层的标志。水石组上部的砂板岩中常夹灰岩或其透镜体，成为与上覆奥陶纪地层的划分标志。为了更好地对研究区中生代的物源特征和构造背景进行研究，本文对赣南地区永新县坳南乡寒武纪PM113和PM111剖面进行了系统的采样工作，并对样品进行了主量、微量和稀土元素测试分析研究。

3. 测试方法

本文采集的剖面样品共计20件，为了能更加准确测定全岩地球化学数据，所采样品均为新鲜样品。

Figure 2. Field photographs and photomicrographs of sedimentary rocks of study area in Cambrian. c-Sample H113-26-1; d-Sample H113-31-2

图2. 研究区寒武纪沉积岩野外露头和样品镜下特征。c-样品H113-26-1；d-样品H113-31-2；Qtz-石英；pl-斜长石；Se-绢云母

在系统岩相学鉴定基础上，进行主量元素、微量元素和稀土元素分析测试工作，其中砂质岩12件、泥质岩8件。所有样品的主量元素、微量元素及稀土元素测试工作均在南京矿产地质研究所试验测试中心完成。其中主量元素采用Axios 4.0波长色散型X射线荧光光谱仪测定，测试精度优于1%；微量元素和稀土元素采用Finnigan ElementⅡ型电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定，精度优于5%。

4. 岩石地球化学特征

4.1. 主量元素特征

由表1可知，赣南地区沉积岩样品中SiO2含量变化较大，变化范围在66.07%~83.85%之间，平均含量为75.4%；Al2O3和K2O含量范围在8.81%~22.56% (平均为13.59%)和1.27%~6.72% (平均为3.3%)之间，含量相对较高；TiO2含量在0.21%~1.09%之间，平均含量为0.54%；TFeO + MgO含量在2.17%~9.18%之间，平均为4.91%；SiO2/Al2O3的值在2.93~9.52之间。K2O/Na2O的值大多数集中在0.1~10之间；CaO含量较低，变化范围在0.07%~0.83%之间。通常情况下，SiO2/Al2O3和K2O/Na2O的值可以反映沉积岩的成熟度 [22] 。研究区样品SiO2/Al2O3和K2O/Na2O值反映其为中等成熟度，但部分样品Na2O含量较低，反映样品可能受到了风化淋滤作用的影响，导致了Na丢失。

4.2. 微量元素特征

由表2可知，赣南地区寒武纪沉积岩微量元素具有以下特征：相容元素Cr、Ni、Co、V和Sc的值变化范围在11wt%~103 wt%、3.84 wt%~49.6 wt%、1.49wt%~190wt%、10.1wt%~98.3wt%、3.89wt%~14wt%之间；大离子亲石元素(LILE) Rb、Cs、Sr和Ba的变化范围是37.6wt%~390wt%、2.88wt%~34.9wt%、7.59wt%~111wt%和204wt%~1172wt%；高场强元素(HFSE) Zr、Hf、Th和U则在93.1wt%~714wt%、3.56wt%~18.7wt%、6.52wt%~33.7wt%、1.06wt%~15.6wt%之间变化。由多元素标准化图解(图3)可知，研究区大离子亲石元素与PASS相比Rb、Ba含量相当，而Sr具有明显亏损。与中国东部上地壳、上地壳相比，Rb富集，Ba出现弱亏损，而Sr亏损明显。样品中高场强元素与PASS、中国东部上地壳、上地壳相比含量均较高。相容元素Ni、V、Sc与上地壳的值相当，Co、Cr则与中国东部上地壳值更为相似。

Figure 3. Normalized multi-elements diagrams of sedimentary rocks in Cambrian. PASS and the upper continental crust data after reference [22] ; EC data after reference [31]

图3. 寒武纪沉积岩多元素标准化图解。PASS、上地壳数据根据文献 [22] ；中国东部上地壳数据根据文献 [31]

4.3. 稀土元素特征

如表2和图4所示，研究区变沉积岩的稀土元素变化特征明显。样品稀土元素总量整体在96wt%~465wt%之间变化，平均为203wt%，明显高于上地壳，更接近PASS；样品轻稀土(LREE)中等富集，(La/Yb)N值的范围为5.1~20.64，平均为9.41。ΣLREE/ΣHREE的比值为4.87~12.7，平均为7.96。由稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图(图4)可以看出，稀土元素具有明显右倾性，轻稀土中等富集、重稀土相对平坦，具有明显的Eu负异常，Ce负异常较弱。与PASS和上地壳具有相同特征 [22] ，反映他们都来自上地壳。

Figure 4. Chondrite-normalized REE pattern of the sedimentary rocks in Cambrian. (Chondrite-normalized data after reference [22] )

图4. 寒武纪沉积岩稀土元素球粒陨石标准化配分曲线图。(球粒陨石标准化数值据 [22] )

5. 讨论

陆源沉积物的化学组分主要受源区岩石类型、风化条件、搬运方式及成岩后生作用等的控制，这些因素又受沉积盆地的构造环境制约 [21] [32] 。因此利用不同元素之间的组合可以对沉积盆地的源区特征、构造环境等进行判别 [21] [22] 。其中主量元素构造判别图解采用 [23] 的K2O/Na2O-SiO2图解和SiO2/Al2O3-K2O/Na2O图解 [33] 。研究区部分样品H113-28-2、H113-31-2、H111-4、H111-6可能因风化淋滤作用的影响，Na值偏低。因此，在进行主量元素构造环境判别时不采用以上数据。

5.1. 源区特征

在TiO2-Ni图解中(图5)，大多数样品落入长英质源区砂岩范围内，表明源区以长英质岩石为主，部分样品落入长英质与镁铁质混合源区中，说明源区中可能存在少量基性岩石成分，这与研究区具有较高的TFeO + MgO及相容元素富集的特征一致；在Co/Th-La/Sc图解中(图6(a))，部分样品落入长英质火成岩

Figure 5. Ni-TiO2 diagram of the sedimentary rocks in Cambrian (after reference [34] )

图5. 寒武纪沉积岩Ni-TiO2图解(根据文献 [34] )

Figure 6. La/Sc-Co/Th (a) and Hf-La/Th (b) diagrams of the sedimentary rocks in Cambrian ((a) after reference [35] ; (b) after reference [34] )

图6. 寒武纪沉积岩Co/Th-La/Sc (a)和La/Th-Hf (b)图解((a)据文献 [35] ；(b)据文献 [34] )

Table 1

Table 2

物源区，部分样品落入长英质火成岩与TTG平均分成区；在La/Th-Hf图解中(图6(b))，大多数的样品落入长英质源区，部分样品落入长英质与基性源区的混合区域，这与前面得到的结论相同，说明源区中可能含有少量基性岩石成分。部分样品落入长英质源区的右侧，暗示有古老地壳物质的加入。这与上述稀土元素特征表明源区物质主要来自上地壳的结论一致。

5.2. 物源分析

利用沉积岩碎屑锆石年龄谱是探讨沉积物源与亲缘性的有效方法之一 [36] [37] [38] [39] 。本文利用已经发表的赣南地区寒武纪牛角河组和高滩组碎屑锆石年龄谱图与扬子板块和华夏板块特征年龄峰值进行对比研究，可以有效识别出沉积物来源。华夏板块(图7)存在典型的1000 Ma的碎屑锆石年龄峰值，前人的研究也可以得出这一结论 [40] [41] [42] 。扬子板块碎屑锆石年龄峰值中以典型的780~860 Ma为特征，说明扬子板块周缘存在广泛780~860 Ma的岩浆活动。虽然扬子板块也存在1000 Ma左右的岩浆活动，但是这一时期的岩浆活动主要存在与扬子板块的西缘 [43] ，与研究区相距甚远。因此，我们认为赣南地区寒武纪沉积岩的物源来自华夏板块，非扬子板块。

沉积盆地的源区改变会对沉积岩的形成产生影响，主要体现在沉积岩成分和碎屑锆石U-Pb年龄分布方面 [44] [45] 。赣南地区寒武纪碎屑锆石均具有明显的4个峰值年龄：980 Ma、800 Ma、2500 Ma、1500 Ma。因此，研究区早古生代寒武纪沉积岩的物源区没有发生明显的变化。本文作者已发表的牛角河组和高滩组碎屑锆石Hf同位素研究表明(图8)，赣南地区寒武纪沉积岩源区既与新生地壳物质熔融有关，也有古老地壳物质再循环的产物。这与研究区物源来自长英质物源区和古老地壳成分的加入的结论是一致的。

5.3. 构造环境判别

在K2O/Na2O-SiO2图解中(图9(a))，大多数样品落入被动大陆边缘区域，少部分落入活动大陆边缘；在SiO2/Al2O3-K2O/Na2O图解中(图9(b))，除一个样品落入玄武质和安山质碎屑的岛弧环境外，其他样品均落入被动大陆边缘环境；在La-Th-Sc三角图解中(图10(a))，大部分样品落入活动大陆边缘和被动大陆边缘的环境，部分落入大陆岛弧环境；在Th-Co-Zr三角图解中(图10(b))，大部分样品落入被动大陆边缘及被动大陆边缘与大陆岛弧环境，一个样品落入大洋岛弧环境；在Th-Sc-Zr图解中(图10(c))，大部分样品落入大陆岛弧环境中，部分落入被动大陆边缘环境，少量落入活动大陆边缘环境。

从主量元素和微量元素图解中可以看出，研究区早古生代变沉积岩所包含的沉积构造背景是多元的。为什么研究区沉积岩出现如此多元的沉积构造背景信息？研究表明，当物源区岩石包含多种构造背景信息时，其沉积构造背景在一定程度上也会受到源区岩石性质的影响 [46] 。被动大陆边缘相对稳定，经历了复杂的构造岩浆活动，其原岩中可能包含大陆岛弧或活动大陆边缘的信息。大陆岛弧和活动大陆边缘作用下形成的沉积盆地由于快速堆积和同期火山物质的加入，一般认为不包含有被动大陆边缘沉积环境的信息。因此，赣南地区寒武纪沉积岩的沉积环境应为被动大陆边缘。

实际上，前人的研究也可以得出与本文对应的结论。王剑等 [47] 通过对华南新元古代沉积岩的岩相学研究得出华南新元古代沉积盆地为海相沉积盆地的结论。柏道远等 [46] 对湘东南南华系–寒武系砂岩的地球化学研究表明扬子板块与华夏板块之间新元古代–早古生代期间的沉积盆地不是洋盆，而是陆内裂谷盆地。沈渭州等 [48] 运用地球化学方法对江西井冈山地区寒武纪–奥陶纪沉积盆地研究认为该地区早古生代沉积盆地属于浅海–半深海或陆壳海槽环境，其构造环境应属于被动大陆边缘。杨明桂等 [49] 通过对江西中新元古代地层对比研究认为华南新元古代裂谷盆地为陆内海盆环境。郑宁等 [50] 和杨世文等 [51] 通过对江西不同地区的沉积岩进行地球化学方面的研究得出早古生代寒武系沉积岩的沉积环境为被动大陆边缘。周恳恳等 [52] 运用岩相古地理的手段对华南盆地演化进行研究认为华南早古生代无洋盆消减，而是经历了从被动大陆边缘到前陆盆地演化的过程。

Figure 7. Age spectra of the detrital zircons from Cambrian sedimentary rocks in study area (Age spectra of the detrital zircons of Yangtze plate and Cathaysia plate is modified after reference [44] )

图7. 研究区寒武纪沉积岩碎屑锆石年龄谱图(扬子板块和华夏板块碎屑锆石年龄谱文献据 [44] )

综上所述，通过前人资料和研究区寒武纪地球化学方面等对学科多角度的研究，本文认为华南早古生代裂谷盆地为陆内裂谷，赣南地区早古生代沉积岩的沉积构造背景为被动大陆边缘。

Figure 8. Diagram of εHf(t) versus U-Pb age for detrital zircons from Niujiaohe (a); and Gaotan formation (b) (after reference [30] )

图8. 牛角河组(a)和高滩组(b)碎屑锆石εHf(t)和U-Pb年龄图(据文献 [30] )

Figure 9. Tectonic discrimination diagrams of the sedimentary rocks from major elements in Cambrian. The boundaries of different tectonic setting are from [23] (a) and [33] (b) ARC-oceanic island arc; ACM-active continental margin; PM-passive continental margin; A1-island arc of basaltic and andesitic detrital; A2-evolved island arc of felsic intrusive rock detrital

图9. 寒武纪沉积岩主量元素构造环境判别图解。不同构造环境的界线根据 [23] (a)和 [33] (b)：ARC-大洋岛弧；ACM-活动大陆边缘；PM-被动大陆边缘；A1-玄武质和安山质碎屑的岛弧环境；A2-长英质侵入岩碎屑的进化岛弧环境

Figure 10. Tectonic discrimination diagrams of the sedimentary rocks from rare elements in Cambrian. The fields of different tectonic setting are from [53] : A-oceanic island arc; B-continental arc; C-active continental margin; D-passive continental margin

图10. 寒武纪沉积岩微量元素构造环境判别图解。不同构造环境的分布区域根据 [53] ：A-大洋岛弧；B-大陆岛弧；C-活动大陆边缘；D-被动大陆边缘

6. 结论

通过对赣南地区早古生代沉积岩的主量、微量和稀土元素地球化学特征结合研究区牛角河组、高滩组碎屑锆石U-Pb年代学和Hf同位素进行研究得出以下结论：

1) 赣南地区寒武纪沉积岩的物源主要来自华夏地块南部的长英质物源区，还有少量基性岩石物源区；寒武纪时期研究区的物源没有发生明显变化；源区成分既有与新生地壳熔融有关的岩浆产物，也有古老地壳物质再循环的产物。

2) 研究区早古生代为陆内裂谷环境，沉积构造背景为被动大陆边缘。

基金项目

中国地质调查局地质调查项目(12120115030101)和青藏高原重要矿产资源基地成矿系统深部探测技术与勘查增储示范项目(2018YFC0604105)联合资助。

文章引用

徐文坦,马虎超,龚安州,杨圣都,黎家强,周博文. 赣南地区寒武纪沉积岩地球化学特征及其地质意义
The Geochemical Characteristics and Their Geological Significance of Sedimentary Rocks from Cambrian in Gannan Area[J]. 地球科学前沿, 2019, 09(06): 557-570. https://doi.org/10.12677/AG.2019.96060

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