天然气地球科学 >

2021 , Vol. 32 >Issue 10: 1489 - 1500

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2021.05.010

天然气地质学

新疆西准噶尔上石炭统哈拉阿拉特组泥岩物源及源区构造背景

  • 许锋 , 1 ,
  • 马明 , 2, 3 ,
  • 吴承美 1 ,
  • 徐田录 1 ,
  • 李维锋 4
展开
  • 1. 中国石油新疆油田分公司吉庆油田作业区，新疆 吉木萨尔 831700
  • 2. 中国科学院西北生态环境资源研究院，甘肃 兰州 730000
  • 3. 甘肃省油气资源研究重点实验室，甘肃 兰州 730000
  • 4. 长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100
马明（1989-），男，宁夏固原人，助理研究员，博士，主要从事储层沉积学研究. E-mail：.

许锋（1988-），男，甘肃张掖人，工程师，主要从事非常规油藏开发技术研究. E-mail：.

收稿日期: 2021-04-08

  修回日期: 2021-05-18

  网络出版日期: 2021-10-21

收起

Provenance and tectonic setting of mudstone of the Upper Carboniferous Hala’alat Formation mudstone in West Junggar， Xinjiang Uygur Autonomous Region

  • Feng XU , 1 ,
  • Ming MA , 2, 3 ,
  • Chengmei WU 1 ,
  • Tianlu XU 1 ,
  • Weifeng Li 4
Expand
  • 1. Jiqing Oilfield Operation Area，Xinjiang Oilfield Company，PetroChina，Jimusar 831700，China
  • 2. Northwest Institute of Eco⁃Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China
  • 3. Key Laboratory of Petroleum Resources，Gansu Province，Lanzhou 730000，China
  • 4. School of Geosciences，Yangtze University，Wuhan 430100，China

Received date: 2021-04-08

  Revised date: 2021-05-18

  Online published: 2021-10-21

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(41872118)

Fold

本文亮点

新疆西准噶尔为研究阿勒泰山脉演化提供了天然的理想实验室。虽然前人针对西准噶尔火山岩、花岗岩和蛇绿岩等做了大量工作，但很少有人开展碎屑沉积岩物源及源区构造背景方面的研究。通过对哈拉阿拉特山野外剖面上石炭统泥岩样品主量元素和微量元素测试分析，结果表明：研究区沉积物经历了简单的沉积旋回，而且物源区风化程度很低。微量元素比值（如Eu/Eu*、La/Sc、La/Co、Th/Sc、Th/Co及Cr/Th）、源区母岩类型判别图版（La/Th-Hf和La/Sc-Co/Th图解）、稀土元素球粒陨石标准化配分模式及Eu元素异常特征等表明哈拉阿拉特地区沉积物母岩以中—酸性岩为主，可能有少量中—基性母岩混入。La-Th-Sc与Th-Sc-Zr/10图解表明沉积物源区构造背景属于大洋岛弧和大陆岛弧环境。

本文引用格式

许锋 , 马明 , 吴承美 , 徐田录 , 李维锋 . 新疆西准噶尔上石炭统哈拉阿拉特组泥岩物源及源区构造背景[J]. 天然气地球科学, 2021 , 32(10) : 1489 -1500 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2021.05.010

Highlights

West Junggar provides an ideal natural laboratory to study the evolution of the Altaids. Although a considerable amount of work has been carried out to investigate the volcanic rocks， granitoid plutons and ophiolites of the West Junggar and discuss the tectonic evolution of the Altaids， few authors have examined the provenance and tectonic setting of the clastic sedimentary rocks of the area. The present research focuses mainly on the analysis of the major and trace element geochemistry data of the Upper Carboniferous mudstones samples from the field of the Hala’alat Mountains. The results suggest that these sedimentary rocks experienced a simple recycling process and with a low degree weathering conditions in the source areas. The trace element ratios of Eu/Eu*， La/Sc， La/Co， Th/Sc， Th/Co and Cr/Th， the diagram of La/Th-Hf， La/Sc-Co/Th， the chondrite-normalized REE patterns and the Eu anomalies suggest these sediments are dominated by intermediate to felsic provenance， with a few intermediate to mafic sediments. Analysis of the La-Th-Sc and Th-Sc-Zr/10 ternary plots suggest that the tectonic background is oceanic island arc （OIA） and continental island arc （CIA）.

0 引言

泥岩的化学组成和矿物组分主要受控于构造环境、源区母岩成分，同时也受风化、侵蚀、搬运、沉积和成岩作用等因素的影响‎［1］。但构造背景和母岩成分是沉积岩组分的主要控制因素‎［1-2］。因此，泥岩对于沉积盆地的物源和构造背景的研究很有意义‎［1-2］。前人有关泥岩物源研究表明，微量元素（如Y、Th、Zr、Hf、Nb、Sc、Co、Cr）和稀土元素（REE）是母岩地球化学特征的良好指标，因为它们在海水中的停留时间短，不受成岩作用和变质作用等次生作用的影响‎［1-4］。主量元素（如K、Na、Ca和Al）有助于了解源区风化和古环境条件‎［5-7］。这些特征使得泥岩元素地球化学成为沉积盆地物源分析的良好手段，在过去10年中，该方法在世界各地得到广泛应用‎［8-12］。而且前人［2-3，7］基于大量的地球化学数据建立了一系列有价值的图版用来确定泥岩母岩成分和源区构造背景。这些图版在泥岩物源分析中得到广泛运用，也为沉积盆地物源分析提供了方便。
中国西北部的新疆西准噶尔地区位于阿勒泰山脉南部。其南部主要为古生代增生杂岩，北部以火山弧为主‎［13-18］。西准噶尔为研究阿勒泰山脉的演化提供了一个天然的理想实验室。扎伊尔—哈拉—阿拉特山脉位于西准噶尔盆地东部（图1）。扎伊尔—哈拉阿拉特地区晚古生代火山岩和沉积岩广泛分布，构成了山脉的主体。虽然前人针对西准噶尔火山岩、花岗岩深成岩体和蛇绿岩等做了大量工作，用以研究阿勒泰山脉的构造演化历史‎［15，17-24］，但很少有人开展沉积岩方面的研究‎［14，25-26］。事实上，沉积岩在阿勒泰山脉广泛分布，因此可以通过沉积岩地球化学研究提供另一种视角。廖婉琳等‎［27］综合元素地球化学方法和碎屑锆石U-Pb年代学方法，分析了新疆西准噶尔早石炭世沉积地层的物源及构造环境，结果表明：包古图组有340 Ma和440 Ma 2个主峰值，主要来源于石炭系、志留系的源岩；太勒古拉组碎屑锆石主峰值为325 Ma，其年龄与地层年龄很接近，推测其主要来源于同沉积石炭纪岩石；早石炭世包古图组和太勒古拉组沉积物的物源特征及沉积构造背景较为相似，主要为大洋岛弧—大陆岛弧环境下的中酸性火山岩，夹有少量基性火山岩。本文通过分析哈拉阿拉特山晚石炭世泥岩的地球化学组成，从而确定这些碎屑岩的物源和构造背景，为明确本区构造演化过程、古地理格局提供参考。
图1 西准噶尔构造地质概图（修改自文献［14］）

Fig.1 Tectonic map of the West Junggar（modified after Ref.‎［14］）

１ 区域地质特征

西准噶尔地区为哈萨克斯坦板块的东延部分‎［14］，处于西伯利亚板块、哈萨克斯坦板块和塔里木板块的结合部位‎［28］，由不同时代和不同来源的岛弧俯冲增生而形成‎［16］。哈拉阿拉特山位于西准噶尔的中部，准噶尔盆地西缘。其北部是晚古生代萨乌尔岛弧（塔尔巴哈台—萨乌尔山脉）和早古生代博什库尔—成吉思孜岛弧（乌尔克赛尔—谢米斯台—沙尔布尔提山），西南方向紧邻晚古生代克拉玛依增生楔（扎伊尔山）‎［14］，哈拉阿拉特山为扎伊尔山北东方向的延伸部分（图1）。西准噶尔地区石炭纪2个阶段构造演化模式为：早石炭世弧前盆地构造演化阶段和晚石炭世残留海演化阶段。构造背景由板缘构造向板内构造的转变发生在早石炭世晚期。尽管大地构造背景已经发生了改变，但上叠盆地的沉积响应明显滞后。区域上，沉积相由海相到陆相的转变发生在晚石炭世末期，以下二叠统佳木河组陆相磨拉石的出现为标志‎［29］。
西准噶尔哈拉阿拉特山石炭纪层序关系自下而上依次为：包古图组、希贝库拉斯组、成吉思汗山组、哈拉阿拉特组和阿腊德依克赛组。野外接触关系指示包古图组与上覆希贝库拉斯组整合接触，成吉思汗山组角度不整合于希贝库拉斯组之上，其上沉积了哈拉阿拉特组浅海相地层‎［29］。晚石炭世哈拉阿拉特组形成于深海—半深海的沉积环境，地层主要由2套岩性地层单元组成，下地层单元主要分布于哈拉阿拉特山南坡，由火山碎屑岩和中基性火山岩组成；上地层单元主要分布在哈山的北坡，主要由泥岩、砂岩、灰岩和凝灰岩组成。古生物化石证据已表明该剖面的哈拉阿拉特组跨越了上、下石炭统，以前划分为中石炭统，现在主要归为上石炭统‎［30］。本文研究选取的研究剖面位于哈拉阿拉特山中部，岩层出露于乌尔禾至和什托洛盖公路旁（图1）。由于修筑公路揭露出新鲜的岩层，可以看到岩层中发育较为丰富的沉积构造和遗迹化石。哈拉阿拉特组沿着公路出露的剖面厚度约为140 m，以深灰色、灰黑色泥岩、粉砂质泥岩夹薄层粉细砂岩为主，砂岩中发育清晰的小型前积纹层、交错层理、火焰状构造、负载构造、球枕构造和包卷层理等特征‎［30］。

2 样品采集与测试

在哈拉阿拉特山哈拉阿拉特组选取25个泥岩样（图1）：包括乌尔禾地区（WH）深灰色泥岩样品19个以及哈拉阿拉特西南地区（HS）深灰色泥岩样品6个。使用碳化钨研钵体（磨盘）将样品磨碎至200目以下（<75 μm）。为了避免样品相互污染，每个样品研磨后将钵体冲洗擦拭干净并用电吹风吹干后再加入新鲜样品。样品粉碎和元素测试在中国科学院地质与地球物理研究所完成。将粉末样品在105 ℃烘箱内烘干24 h。样品主量元素在X-射线荧光光谱仪（XRF）上完成测试工作。完成测试之前首先需要将样品制成熔融的玻璃珠，这些玻璃珠主要由粉末样品与Li2B4O7以1∶5的比例制成。XRF得到的主量元素氧化物误差小于1%。样品微量元素测试工作在电感耦合等离子体（ICP-MS）上完成，外标采用纯元素标准，标准样品为花岗岩（GSR1）和玄武岩（GRS3），测试精度为5%。微量元素测试的前处理过程与马明等‎［31］所描述的过程相似。本文研究中样品稀土元素含量采用代表上地壳平均组成的澳大利亚太古代页岩（PAAS）标准化。计算公式如下：Eu/Eu*=EuN/（SmN×GdN）1/2，其中N代表标准化以后的值，这样有助于消除因原子数奇偶变化造成的含量影响，从而确定样品相对于标准所产生的分异程度。

3 实验结果

3.1　主量元素特征

主量元素含量见表1。乌尔禾地区泥岩样品的SiO2含量变化大，介于51.71%~66.89%之间（平均为62.54%），低于PAAS。Al2O3和Fe2Ot 3（全铁，下同）含量除一个样品较高以外，其余样品的Al2O3和Fe2Ot 3值均低于PAAS。TiO2和MnO含量也均低于PAAS，而MgO、Na2O及P2O5含量明显高于PAAS。CaO和K2O含量变化较大。哈拉阿拉特西南地区泥岩样品的SiO2含量变化相对较小，除一个样品外，其余均低于PAAS。TiO2和Al2O3含量均低于PAAS，Fe2Ot 3含量除一个样品较高外，其余样品Fe2Ot 3含量均低于PAAS。MnO、K2O及CaO含量变化相对较大，而MgO含量几乎都低于PAAS。Na2O和P2O5含量几乎都高于PAAS。Fe2Ot 3和CaO含量与富铁矿物（赤铁矿与磁铁矿）和钙质胶结物有关，Fe2Ot 3含量总体较低，意味着富铁矿物含量少，母源区镁铁质贡献少，CaO含量变化大反映钙质胶结物发育具有很强的不均一性。SiO2和Na2O含量与石英和斜长石有关，Na2O含量总体较高表明碎屑组分中含有较多的斜长石。
表1 哈拉阿拉特地区泥岩样品主量元素含量/%

Table 1 Major element contents in wt.% oxide of the mudstones samples from Hala’alat area

编号 WH02 WH05 WH06 WH07 WH08 WH09 WH11 WH12 WH13 WH14 WH15 WH16 WH18 WH20 WH21 WH22 WH23 WH24 WH26 HS03 HS04 HS05 HS06 HS07 HS09 UCC PAAS
SiO2 64.20 62.35 63.02 66.89 62.58 61.65 63.61 63.82 62.23 64.55 64.71 61.64 61.59 64.36 61.76 51.71 62.17 61.45 63.02 62.73 57.56 62.49 61.78 63.23 61.58 66.60 62.80
TiO2 0.77 0.73 0.75 0.61 0.76 0.77 0.74 0.73 0.75 0.73 0.66 0.75 0.76 0.72 0.79 0.77 0.67 0.75 0.65 0.75 0.85 0.70 0.85 0.79 0.81 0.64 1.00
Al2O3 15.30 14.99 15.41 13.44 15.41 15.36 16.00 14.61 15.34 14.70 14.74 15.84 15.93 14.35 14.91 19.75 15.60 15.44 16.96 15.52 17.92 14.10 16.47 15.35 15.40 15.40 18.90
Fe2O3 t 5.94 6.20 6.18 4.37 6.35 6.53 5.63 6.58 6.18 5.82 5.90 6.25 6.51 6.17 6.80 8.28 6.49 7.10 6.17 6.51 7.26 6.48 6.46 6.08 6.25 5.04 7.22
MnO 0.07 0.07 0.08 0.09 0.08 0.08 0.05 0.07 0.06 0.05 0.07 0.06 0.08 0.07 0.08 0.10 0.07 0.10 0.07 0.07 0.07 0.14 0.04 0.07 0.12 0.10 0.11
MgO 3.64 3.74 3.78 2.40 3.51 3.95 2.97 4.20 3.57 3.37 3.64 4.09 3.77 4.12 3.99 5.38 4.18 3.57 2.31 2.57 2.72 2.50 2.46 2.38 2.19 2.48 2.20
CaO 1.28 1.84 1.11 2.78 1.62 1.06 0.83 0.59 1.58 1.11 0.89 0.98 1.10 1.01 1.33 0.70 1.08 2.92 1.30 2.01 2.51 2.81 0.98 1.54 1.91 3.59 1.30
Na2O 2.29 2.86 2.78 3.26 2.77 2.16 3.53 3.09 2.68 2.87 3.01 3.01 3.81 3.06 2.89 3.45 3.33 3.73 2.67 2.93 3.66 3.59 4.17 3.02 3.04 3.27 1.20
K2O 2.93 3.24 3.31 2.67 3.07 3.70 3.44 2.65 3.42 3.71 3.26 4.00 2.81 3.04 3.37 5.00 3.29 1.99 3.37 3.11 3.04 2.41 2.88 3.75 3.61 2.80 3.70
P2O5 0.22 0.25 0.22 0.26 0.24 0.20 0.28 0.19 0.22 0.22 0.20 0.20 0.23 0.21 0.48 0.23 0.26 0.20 0.16 0.20 0.15 0.24 0.22 0.21 0.27 0.15 0.16
ICV 1.11 1.25 1.17 1.20 1.18 1.19 1.07 1.23 1.19 1.20 1.18 1.21 1.18 1.27 1.29 1.20 1.22 1.31 0.98 1.16 1.12 1.32 1.08 1.15 1.16 1.16 0.89
CIA 63.62 57.73 61.47 51.42 60.03 63.00 60.66 63.00 59.44 58.94 60.49 63.02 59.66 59.74 60.62 62.55 60.02 54.04 62.83 57.70 56.97 51.91 59.43 57.52 56.73 52.74 70.36

注：PAAS据文献‎[32]; UCC据文献[33]；WH和HS均为本文研究结果

3.2　微量元素特征

微量元素含量见表2。对于大离子亲石元素（LILE： Rb、Cs、Sr、Ba和Pb）而言，2个地区泥岩样品的Rb、Cs、Ba及Pb含量明显低于PAAS。2个地区各有一个样品的Sr含量较低，其余样品的Sr含量均高于PAAS，这表明泥岩样品的原岩发生了强烈的斜长石分馏。对于样品中的高场强元素（HFSEs：Zr、Hf、Y、Nb、Ta和Th），2个地区样品的Zr、Nb、Ta及Th含量明显低于PAAS。2个地区泥岩样品的Y含量变化较大，但其平均值均低于PAAS。此外，Hf含量变化范围小，平均值与PAAS很接近。所有样品的U含量也明显低于PAAS。高场强元素属于地幔不相容元素，因此在硅酸盐熔体中具有更高的含量，这些元素主要富集在锆石、榍石及磷灰石等富矿物中，研究区样品高场强元素总体较低，表明富矿物含量较少。对于过渡金属元素（TTE： Cr、Co、Ni、V、Sc、Cu和Zn），乌尔禾地区泥岩样品的Cr含量变化范围大，平均值低于PAAS，而哈拉阿拉特西南地区泥岩样品的Cr含量变化范围虽然不大，但明显低于乌尔禾地区和PAAS。2个地区样品的Ni含量变化都比较大。Sc含量变化范围小，平均值与PAAS比较接近。所有样品的Co含量均低于PAAS。乌尔禾地区样品Cu含量变化范围相比哈拉阿拉特西南地区更大，平均值也低于后者和PAAS。过渡金属元素属于地幔相容元素，在岩浆演化过程中倾向于富集在早期结晶的矿物中，属于亲铁元素，该区过渡金属元素相比PAAS总体亏损，表明母岩中镁铁质成分贡献较少。
表2 哈拉阿拉特地区泥岩样品微量元素含量及计算结果/10-6

Table 2 Trace elements compositions in ppm and its statistical results of the mudstones samples from Hala’alat area

编号 WH02 WH05 WH06 WH07 WH08 WH09 WH11 WH12 WH13 WH14 WH15 WH16 WH18 WH20 WH21 WH22 WH23 WH24 WH26 HS03 HS04 HS05 HS06 HS07 HS09 UCC PAAS
Sc 17.30 14.68 14.61 14.86 14.94 18.21 13.98 17.06 15.31 14.78 14.41 15.38 11.71 13.13 14.45 11.69 13.22 16.96 10.34 17.94 20.24 16.39 16.78 17.18 18.31 14.00 16.00
V 121.34 113.33 115.66 45.73 120.07 120.20 102.29 112.50 114.24 105.88 100.70 111.53 108.90 106.23 113.75 123.52 97.97 109.53 93.47 129.93 174.72 106.69 138.15 124.87 121.28 97.00
Cr 72.94 110.77 70.30 28.76 92.65 104.80 53.74 190.55 132.85 70.85 129.33 72.53 128.49 132.03 77.48 128.52 127.71 98.50 46.40 51.07 38.00 52.59 49.88 40.59 28.61 92.00 110.00
Co 12.13 14.32 14.46 5.21 10.53 11.80 6.38 13.57 12.20 8.87 9.38 9.54 9.66 10.19 11.34 15.57 9.92 12.29 7.37 12.66 16.25 16.48 14.84 15.09 11.48 17.30 23.00
Ni 80.00 88.75 96.15 7.02 82.20 89.53 38.99 109.20 85.11 66.17 65.22 81.60 69.45 103.43 84.44 113.40 79.66 61.80 23.97 28.85 24.20 88.39 30.35 66.61 12.82 47.00 55.00
Cu 30.68 47.16 54.66 14.30 34.92 43.85 37.17 39.50 50.79 39.53 39.76 31.39 47.48 33.01 38.99 35.74 37.59 45.99 33.24 51.35 78.59 43.32 53.30 56.71 44.81 28.00 50.00
Zn 97.43 93.92 91.07 58.93 95.42 93.84 68.57 89.74 93.20 77.70 88.34 88.94 90.91 83.15 91.07 100.77 88.48 84.68 64.95 89.39 95.22 85.01 96.01 88.12 82.98 67.00
Rb 67.01 51.23 59.94 50.67 54.51 80.66 61.26 57.83 56.45 61.34 66.45 61.90 51.84 52.45 67.62 72.34 51.25 33.97 60.88 63.32 39.62 49.83 45.97 70.10 70.35 82.00 160.00
Sr 237.22 248.75 215.14 297.67 261.85 250.54 227.83 213.44 180.33 306.61 273.90 266.18 263.12 248.84 284.39 249.08 246.67 394.19 170.19 256.48 245.62 259.04 178.50 234.11 226.69 320.00 200.00
Y 23.22 23.99 24.79 38.62 23.51 23.47 25.64 20.19 23.24 22.60 20.78 24.31 19.34 19.96 27.62 17.32 23.94 23.05 15.55 21.45 19.36 22.15 23.95 21.52 28.98 21.00 27.00
Zr 163.19 175.18 181.11 155.88 178.79 179.90 177.15 163.19 171.71 160.35 154.25 181.88 176.00 161.21 179.66 171.27 174.13 166.82 113.24 142.64 130.35 142.51 171.79 152.85 165.26 193.00 210.00
Nb 7.20 7.58 7.72 3.51 8.00 7.60 7.04 6.82 7.25 6.87 6.79 7.13 7.44 7.07 7.72 7.31 6.69 6.70 4.11 5.67 4.61 5.93 7.16 6.42 6.96 12.00 19.00
Cs 2.82 2.37 2.93 2.18 2.81 3.78 2.91 2.41 2.87 2.70 2.95 3.05 2.77 2.51 2.78 3.76 2.56 1.16 4.35 4.01 3.14 3.47 4.14 4.39 5.38 4.90 15.00
Ba 473.87 406.37 314.30 275.98 386.00 387.13 505.23 277.63 503.02 432.34 387.58 305.37 363.11 411.33 466.70 394.80 383.51 542.16 395.50 516.59 343.76 339.89 450.92 407.55 628.00 650.00
La 16.17 14.57 17.88 11.22 18.16 17.63 18.92 15.85 18.74 18.22 17.52 17.24 16.63 16.17 22.23 9.53 20.52 17.56 11.31 15.97 11.98 17.31 17.65 16.84 20.78 31.00 38.20
Ce 37.41 31.43 39.53 26.61 38.84 40.61 40.03 34.17 39.05 39.94 37.55 38.53 35.80 34.60 47.05 23.93 43.08 39.55 22.31 35.38 25.51 39.44 38.83 38.19 43.05 63.00 79.60
Pr 5.13 4.29 4.95 4.43 5.23 5.52 5.44 4.50 5.21 5.34 4.91 4.89 4.50 4.70 6.18 3.40 5.54 5.40 3.72 4.65 3.61 4.98 5.31 4.86 5.80 7.10 8.83
Nd 21.53 17.69 20.12 20.37 22.05 22.06 22.02 18.23 21.27 21.79 19.85 20.47 18.52 19.57 24.32 14.01 21.88 21.06 15.11 19.27 15.23 20.09 22.18 20.67 24.15 27.00 33.90
Sm 4.65 4.26 4.52 5.49 5.02 4.77 4.92 4.20 4.76 4.80 4.38 4.45 4.20 4.28 5.57 3.25 4.79 4.70 3.37 4.30 3.66 4.61 5.09 4.65 5.48 4.70 5.55
Eu 1.15 1.11 1.15 1.26 1.20 1.13 1.32 1.00 1.18 1.16 1.07 1.22 1.04 1.13 1.64 0.90 1.18 1.18 0.76 1.02 0.98 1.12 1.11 1.09 1.40 1.00 1.08
Gd 4.27 3.94 4.02 5.80 4.47 4.37 4.68 3.63 4.24 4.40 3.96 4.15 3.84 3.99 5.22 3.07 4.58 4.35 3.09 3.89 3.33 4.18 4.47 4.13 4.94 4.00 4.66
Tb 0.74 0.69 0.69 1.07 0.74 0.74 0.78 0.63 0.72 0.74 0.66 0.71 0.66 0.65 0.84 0.54 0.76 0.73 0.54 0.67 0.58 0.73 0.77 0.72 0.85 0.70 0.77
Dy 4.43 4.40 4.47 7.05 4.71 4.57 4.77 3.93 4.37 4.33 3.74 4.43 3.91 3.99 5.18 3.34 4.67 4.44 3.17 4.16 3.71 4.35 4.70 4.24 5.43 3.90 4.68
Ho 0.92 0.97 0.96 1.60 1.01 0.99 1.00 0.81 0.91 0.91 0.77 0.95 0.83 0.83 1.10 0.73 1.00 0.95 0.66 0.87 0.79 0.89 0.98 0.88 1.11 0.83 0.99
Er 2.63 2.73 2.72 4.56 2.79 2.80 2.89 2.40 2.62 2.57 2.32 2.78 2.47 2.39 3.05 2.14 2.70 2.59 1.82 2.56 2.29 2.56 2.83 2.57 3.23 2.30 2.85
Tm 0.42 0.44 0.42 0.71 0.43 0.45 0.46 0.38 0.40 0.40 0.38 0.45 0.40 0.37 0.48 0.34 0.42 0.40 0.28 0.40 0.35 0.40 0.45 0.41 0.47 0.30 0.41
Yb 2.73 2.95 2.82 4.62 2.94 2.92 3.09 2.60 2.74 2.65 2.54 2.96 2.68 2.53 3.13 2.32 2.74 2.62 1.86 2.61 2.42 2.70 2.96 2.72 3.19 2.00 2.82
Lu 0.43 0.46 0.44 0.72 0.47 0.46 0.50 0.41 0.42 0.43 0.40 0.47 0.44 0.41 0.49 0.37 0.43 0.40 0.29 0.41 0.38 0.42 0.46 0.43 0.50 0.31 0.43
Hf 4.95 5.07 5.23 5.09 5.13 5.40 5.00 4.85 4.95 4.67 4.46 5.41 5.19 4.64 5.22 5.01 4.65 4.88 3.42 4.06 3.74 4.08 5.06 4.48 4.88 5.30 5.00
Ta 0.51 0.50 0.51 0.25 0.53 0.55 0.48 0.48 0.49 0.46 0.47 0.50 0.51 0.50 0.52 0.54 0.47 0.48 0.31 0.41 0.31 0.41 0.50 0.45 0.48 0.90 1.28
Pb 7.30 7.48 9.60 5.66 7.34 7.96 11.67 10.06 10.08 7.39 9.50 6.53 9.50 9.68 9.78 12.46 9.66 14.30 8.33 9.60 5.72 11.22 9.93 9.56 10.11 17.00 20.00
Th 5.63 4.42 5.54 1.95 5.38 5.30 4.62 4.99 5.64 4.56 5.09 5.65 4.98 4.48 5.82 4.35 3.92 5.28 2.81 4.24 3.03 4.50 4.96 4.54 4.92 10.50 14.60
U 1.82 1.76 1.67 0.80 2.11 1.41 1.41 2.05 1.81 1.60 1.34 1.58 1.57 1.65 1.62 2.07 1.52 1.48 1.47 1.33 0.87 1.33 1.32 1.27 1.21 2.70 3.10
Zr/Sc 9.43 11.93 12.39 10.49 11.96 9.88 12.67 9.57 11.22 10.85 10.70 11.83 15.03 12.28 12.44 14.65 13.17 9.84 10.95 7.95 6.44 8.70 10.24 8.90 9.02 13.79 13.13
Th/Sc 0.33 0.30 0.38 0.13 0.36 0.29 0.33 0.29 0.37 0.31 0.35 0.37 0.43 0.34 0.40 0.37 0.30 0.31 0.27 0.24 0.15 0.27 0.30 0.26 0.27 0.75 0.91
∑REE 102.59 89.92 104.67 95.51 108.06 109.00 110.81 92.73 106.62 107.68 100.04 103.70 95.91 95.59 126.47 67.87 114.29 105.91 68.29 96.15 74.81 103.75 107.78 102.38 120.38 148.14 184.77
LREE/HREE 5.20 4.43 5.33 2.66 5.16 5.31 5.10 5.28 5.49 5.55 5.77 4.79 5.30 5.31 5.49 4.28 5.61 5.43 4.83 5.18 4.40 5.40 5.12 5.36 5.10 9.33 9.49
（La/Yb）N 3.99 3.33 4.28 1.64 4.17 4.07 4.13 4.11 4.62 4.63 4.65 3.93 4.18 4.31 4.79 2.76 5.05 4.52 4.09 4.12 3.34 4.32 4.02 4.17 4.39 9.15 10.45
Eu/Eu* 0.79 0.83 0.82 0.68 0.78 0.76 0.84 0.79 0.81 0.77 0.78 0.87 0.79 0.84 0.93 0.87 0.77 0.80 0.72 0.76 0.86 0.78 0.71 0.76 0.82 0.66 0.71
（La/Sm）N 2.19 2.15 2.49 1.29 2.27 2.33 2.42 2.37 2.48 2.39 2.52 2.44 2.49 2.38 2.51 1.84 2.70 2.35 2.11 2.34 2.06 2.36 2.18 2.28 2.39 4.27 4.15
（Gd/Yb）N 1.26 1.08 1.15 1.01 1.23 1.21 1.22 1.13 1.25 1.34 1.26 1.13 1.15 1.27 1.35 1.07 1.35 1.34 1.34 1.20 1.11 1.25 1.22 1.23 1.25 1.35 1.61
La/Sc 0.93 0.99 1.22 0.75 1.22 0.97 1.35 0.93 1.22 1.23 1.22 1.12 1.42 1.23 1.54 0.81 1.55 1.04 1.09 0.89 0.59 1.06 1.05 0.98 1.13 2.21 2.39
La/Co 1.33 1.02 1.24 2.15 1.72 1.49 2.97 1.17 1.54 2.05 1.87 1.81 1.72 1.59 1.96 0.61 2.07 1.43 1.53 1.26 0.74 1.05 1.19 1.12 1.81 1.79 1.66
Th/Sc 0.33 0.30 0.38 0.13 0.36 0.29 0.33 0.29 0.37 0.31 0.35 0.37 0.43 0.34 0.40 0.37 0.30 0.31 0.27 0.24 0.15 0.27 0.30 0.26 0.27 0.75 0.91
Th/Co 0.46 0.31 0.38 0.37 0.51 0.45 0.72 0.37 0.46 0.51 0.54 0.59 0.52 0.44 0.51 0.28 0.40 0.43 0.38 0.33 0.19 0.27 0.33 0.30 0.43 0.61 0.63
Cr/Th 12.96 25.05 12.70 14.77 17.23 19.79 11.63 38.22 23.55 15.55 25.41 12.84 25.78 29.46 13.30 29.54 32.56 18.67 16.52 12.06 12.53 11.70 10.06 8.93 5.82 8.76 7.53

注：PAAS据文献‎[32]; UCC据文献‎[33];WH和HS均为本文研究结果

3.3　稀土元素特征

样品的稀土元素含量及其相关比值见表2。乌尔禾地区泥岩样品的稀土元素总含量∑REE范围为（67.87~126.47）×10-6，平均为100.11×10-6，而哈拉阿拉特西南地区泥岩样品的稀土元素总量∑REE范围为（74.81~120.38）×10-6，平均为100.88×10-6。乌尔禾地区泥岩样品的（La/Yb）N值和∑LREE/∑HREE值分别为1.6~45.05（平均为4.07）和2.67~5.77（平均为5.08），哈拉阿拉特西南地区泥岩样品上述值分别为3.34~4.39（平均为4.06）和4.40~5.40（平均为5.09）。乌尔禾地区泥岩样品的（La/Sm）N值与（Gd/Yb）N值分别为1.29~2.70（平均为2.29）和1.01~1.35（平均为1.22），哈拉阿拉特西南地区泥岩样品的这2个比值分别为2.06~2.39（平均为2.27）和1.11~1.25（平均为1.21）。所有样品的∑REE、∑LREE/∑HREE、（La/Yb）N和（La/Sm）N值均远低于PAAS。乌尔禾地区泥岩样品和哈拉阿拉特西南地区泥岩样品的δEu值分别为0.68~0.93（平均为0.80）和0.71~0.86（平均0.78），均高于PAAS。

4 讨论

4.1　物源区风化程度

4.1.1　成分变异指数ICV

随着风化程度的增加，沉积物中氧化铝含量会随之增加，而磁铁化合物含量会逐渐降低；这2个指标的变化通常被用于反映沉积岩的成分成熟度［34］，即成分变异指数ICV，计算公式为ICV=（Fe2Ot 3+K2O+Na2O+CaO+MgO+MnO+TiO2）/Al2O3 ［34-37］，该指标是反映沉积再旋回过程的重要参数之一，其中Fe2Ot 3为总铁含量，CaO也包括所有Ca来源。在该指标中，氧化物为质量百分数。当ICV值>1指示单次沉积旋回，如典型造岩矿物长石、角闪石和辉石，而高岭石、伊利石和白云母等风化产物的ICV值则小于1［34］。乌尔禾地区泥岩样品的ICV值介于0.98~1.31之间，平均为1.19，而哈拉阿拉特西南地区泥岩样品的ICV值为1.08~1.32（平均为1.17）。这表明2个地区晚石炭世沉积物的成分成熟度较低，沉积物经历了由物源区搬运至沉积区的简单沉积旋回，无再旋回作用发生。
难溶微量元素比值（如Th/Sc、Zr/Sc、Ti/Zr、Ce/Sc）通常被用于确定沉积物的母岩化学组成‎［1］。在沉积物循环过程中，随着锆石的不断富集，Zr/Sc值也会不断地增大。因此，Th/Sc—Zr/Sc图解通常被用于确定母岩成分的变化及判断沉积再旋回。乌尔禾地区泥岩样品的Zr/Sc值和Th/Sc值分别为9.43~15.03（平均为11.65）和0.13~0.43（平均为0.33），哈拉阿拉特西南地区泥岩样品的这2个比值分别为6.44~10.24（平均为8.54）和0.15~0.30（平均为0.25）。Th/Sc—Zr/Sc图解显示所有泥岩样品的分布基本集中在基岩风化趋势线附近，只有一个样品点稍微偏离基岩风化趋势线，而且并无Zr/Sc值突然增加的情况，表明研究区沉积物在晚石炭世经历了简单的沉积循环，并无沉积再循环而导致锆石富集的情况发生（图2）。
图2 哈拉阿拉特山地区泥岩样品Zr/Sc—Th/Sc图解

Fig.2 Plots of Zr/Sc vs. Th/Sc for mudstone samples from Hala’alat Mountain area

4.1.2　化学蚀变指数CIA

目前主要用NESBITT等［38］提出的岩石化学蚀变指数（CIA）来评价碎屑岩物源区的风化程度强弱，其计算公式为CIA=［Al2O3/（Al2O3+CaO*+Na2O+K2O）］×100，公式中的Al2O3、CaO*、Na2O和K2O都是摩尔浓度，并且CaO*的值需要排除掉方解石、白云石和磷灰石中的Ca含量，仅仅为硅酸盐矿物中的Ca值。由于无法精确排除方解石、白云石及磷灰岩中的Ca含量，为了计算CaO*值，笔者选择在CaO≤Na2O时选用CaO含量本身来计算；但是当CaO>Na2O时，则假设CaO的浓度等于Na2O，并用Na2O含量替代CaO含量来计算［39］。一般未遭受风化的玄武岩和花岗岩的CIA值分别为30~45和45~55，通常认为CIA=50~60，指示低风化程度；60~80，为中等风化程度；大于80则为强风化程度‎［7］。乌尔禾地区泥岩样品的CIA值分布范围为51.42~63.42（平均为60.12）（表1），而哈拉阿拉特西南地区泥岩样品的CIA值分布范围为51.91~59.43（平均为56.71）。2个地区样品的CIA值很接近，而且都比较低，暗示沉积物从母岩区搬运至沉积盆地的过程中遭受的风化程度较低。
将CIA值投点在A—CN—K三角图解中‎［5］，该三角图解展示了Al2O3（高岭石）、CaO+Na2O（斜长石）和K2O（钾长石）之间的转换关系。不仅能很好地指示沉积物遭受的风化趋势，还可用于识别与化学风化、成岩作用或母岩成分相关的成分变化的差异［40］。火成岩的化学风化趋势平行于A—CN趋势线（图3，带箭头的实线）［6］。当沉积物受到一定程度的钾质交代作用时，风化趋势线会偏离理论趋势线并靠近K2O端元（图3，带箭头的虚线）‎［6］，这可能是伊利石化所致［7］。这个转化过程会导致K2O富集并导致CIA值降低［41］。通过K2O端点引一条经过样品点的直线，该直线与A—CN理论风化趋势线的交点（图3，带箭头的实线）为岩石遭受钾质交代CIA值［7，41］。在图3中可以发现泥岩样品偏离理论风化趋势线（图3，带箭头的虚线），表明这些样品在某种程度上受到伊利石化的影响‎［7］，通过这种方法校正之后的泥岩风化蚀变指数CIA值介于50~60.05之间，平均值为58.03，表明泥岩遭受低等程度风化作用。
图3 哈拉阿拉特山地区泥岩样品风化程度的A—CN—K三角图

Fig.3 A-CN-K ternary plot for mudstone samples from Hala’alat Mountain area

4.2　沉积物源区成分特征

La、Co、Th、Zr、Hf、Ti、Nd、Sc、Y以及REE等属于相对稳定的元素，在风化、沉积物由物源区向沉积区搬运以及成岩作用过程中不易遭受溶解而进入水体中；因此，这些元素比值如Eu/Eu*、La/Sc、La/Co、Th/Sc、Th/Co、Cr/Th等被广泛用于确定物源区母岩类型，REE、Th及La的丰度在长英质岩石中明显高于基性岩，而Co、Sc和Cr含量在镁铁质岩石中高于长英质岩石‎［36，41-43］。表3展示了研究区样品的上述元素比值，分别对比来自长英质母岩的沉积岩、镁铁质母岩的沉积岩以及上地壳的平均含量。
表3 哈拉阿拉特山地区泥岩样品微量元素比值与上地壳、长英质岩石及镁铁质岩石对比

Table 3 Range of elemental ratios of the mudstones samples from Hala’alat Mountain area compared to those in the average upper continental crustand sediments derived from felsic and mafic rocks

元素比值 乌尔禾地区 哈拉阿拉特山西南地区 长英质母岩的沉积岩 镁铁质母岩的沉积岩 上地壳
Eu/Eu* 0.68~0.93 （0.80） 0.71~0.86 （0.78） 0.40~0.94 0.71~0.95 0.63
La/Sc 0.75~1.55 （1.15） 0.59~1.13 （0.95） 2.50~16.30 0.43~0.86 2.21
La/Co 0.61~2.97 （1.65） 0.74~1.81 （1.19） 1.80~13.8 0.14~0.38 1.76
Th/Sc 0.13~0.43 （0.33） 0.15~0.30 （0.25） 0.84~20.50 0.05~0.22 0.79
Th/Co 0.28~0.72 （0.46） 0.19~0.43 （0.31） 0.67~19.4 0.04~1.40 0.63
Cr/Th 11.63~38.22 （20.82） 5.82~12.53 （10.18） 4.00~15.00 25~500 7.76

注：长英质母岩的沉积岩和镁铁质母岩的沉积岩据文献[4,42,44]；上地壳据文献[32]；0.68~0.93 （0.80）=最小值—最大值（平均值）

从表3可以看出，乌尔禾地区泥岩样品的Eu/Eu*值与长英质母岩的沉积岩比较相似，La/Sc、La/Co、Th/Sc、Th/Co及Cr/Th值大多介于镁铁质母岩和长英质母岩的沉积岩范围之间，表明其母岩可能以中—酸性母岩为主，有少量的中—基性母岩混入。哈拉阿拉特西南地区泥岩样品的Eu/Eu*值同样接近长英质母岩的沉积岩，而La/Sc、La/Co及Th/Sc值大多介于镁铁质母岩和长英质母岩的沉积物范围之间，Th/Co值与镁铁质母岩的沉积岩比较相似，Cr/Th值与长英质母岩的沉积岩比较接近。因此，综合上述元素比值发现，研究区泥岩母岩可能以中—酸性岩为主，但也有少量的中—基性母岩混入。
在本文研究中，La/Th—Hf图解和La/Sc—Co/Th图解被用于探讨物源区母岩类型［图4（a），图4（b）］。该图解在沉积岩源区组分分析和母岩类型的确定中得到了广泛运用并具有很好的指示意义‎［1，3，36，45-46］。在La/Th—Hf图解中［图4（a）］中，2个地区的泥岩样品主要集中在上地壳的酸性母岩区，少量样品落在酸性和基性母岩混源区。La/Sc—Co/Th图解［图4（b）］则显示所有样品集中分布于安山岩和酸性火山岩物源区之间，综合以上2个图解，可以发现研究区沉积物母岩应该以中—酸性岩为主，可能有一定量的中—基性岩混入。
图4 哈拉阿拉特山地区泥岩样品Hf—La/Th图解（a）和La/Sc—Co/Th图解（b）

Fig.4 The diagram of Hf-La/Th（a） and La/Sc-Co/Th（b） of mudstone samples from Hala’alat Mountain area

此外，稀土元素球粒陨石标准化配分模式及Eu元素异常特征是判别碎屑沉积物母岩类型的很好工具，多年来得到国内外学者的广泛应用‎［4，9，32，41，47-49］。总体而言，镁铁质母岩（如拉斑玄武岩）一般亏损轻稀土（LREE），钙碱性母岩则相对富集LREE并具有轻微的Eu异常，而长英质母岩则更富集LREE以及轻微的Eu负异常‎［4］。在本文研究中，Eu异常的计算公式如下：Eu/Eu*=EuN/（SmN×GdN）1/2。每个方程中的下标N表示元素含量的球粒陨石标准化值。研究区所有泥岩样品的稀土元素球粒陨石标准化配分模式如图5所示，并与上地壳（UCC）（天蓝色线条）和PAAS（大红色线条）的REE球粒陨石标准化配分模式进行了对比（图5）。从图5中可以看出2个地区大多数泥岩样品稀土元素球粒陨石标准化配分模式显示LREE富集，HREE相对平缓以及Eu负异常，乌尔禾地区一个样品和哈拉阿拉特西南地区2个样品Eu负异常不明显，另外乌尔禾地区有一个样品显示LREE轻微富集，HREE相对平缓以及Eu负异常，这表明2个地区泥岩母岩以中—酸性岩为主，可能有少量中—基性岩混入。这一结论与Eu/Eu*、La/Sc、La/Co、Th/Sc、Th/Co及Cr/Th值以及La/Th—Hf图解和La/Sc—Co/Th图解所得出的结论相一致。
图5 哈拉阿拉特山地区泥岩样品稀土元素配分模式

Fig.5 REE distribution patterns of the mudstone samples from Hala’alat Mountain area

哈拉阿拉特山一带空间上位于博什库尔—成吉思弧以南，古流向指示自北向南，博什库尔—成吉斯弧为该区早泥盆世—早石炭世地层沉积提供了物源‎［29］。运用板片断离模式能很好地解释西准噶尔地区在晚石炭世时期发生的大规模中基性—酸性岩浆活动事件，形成碱性花岗岩岩基在本区沿古俯冲带走向呈带状展布，而同期的火山作用在地层中形成巨厚的火山岩建造，反映了地壳的垂向生长过程。由于岩浆源区为早期流体交代的亏损地幔和地壳，因此在岩石组合上形成了以基性岩和酸性岩为端元的岩浆岩系，并形成不同程度的岩浆混合，而哈拉阿拉特地区广泛发育岩浆混合花岗岩的野外地质事实吻合。这些花岗岩中普遍具有高的正εNd（t）值，指示大量幔源物质的加入。在地球化学特征上，部分中基性火山岩中地壳物质的加入相对较少，其成分主要受控于早期流体交代改造的亏损地幔源区部分熔融，因此仍显示出岛弧火山岩相似的地球化学特征。在岩浆喷发和岩体侵位的过程中，地表残留海盆地处于伸展构造背景，沉积了厚度不大的滨浅海相陆源碎屑沉积，具南北2个物源区‎［29］。

4.3　源区大地构造背景

沉积岩的元素地球化学特征与板块构造背景之间的相关关系已被认为是识别古构造环境的潜在有效工具，而且由BHATIA等‎［50］提出的微量元素源区构造背景判别图版已被广泛运用‎［2，9，12，50-53］。BHATIA‎［2］认为目前最有效的微量元素源区构造背景判别图版主要有La—Th—Sc、Th—Sc—Zr/10及Th—Co—Zr/10，本文研究中的源区构造背景图版见图6。BHATIA‎［2］将三角图版分成4种构造背景：①大洋岛弧（OIA）、②大陆岛弧（CIA）、③活动大陆边缘（ACM）及④被动边缘（PM）。
图6 哈拉阿拉特山地区泥岩样品La—Th—Sc（a） 和Th—Sc—Zr/10（b）三角图

OIA：大洋岛弧； ACM：活动大陆边缘； PM：被动大陆边缘； CIA：大陆岛弧

Fig.6 The La-Th-Sc（a） and Th-Sc-Zr/10（b） discrimination diagram of mudstone samples from Hala’alat Mountain area

在La—Th—Sc图解［图6（a）］中所有泥岩均集中在大陆岛弧（CIA）或大洋岛弧（OIA）区域内，只有一个样品落在CIA附近。当投点在Th—Sc—Zr/10图解中可以发现［图6（b）］，大多数泥岩样品落在大陆岛弧（CIA）区域内或大洋岛弧（OIA）区域内，部分样品虽然落在2个区域外，但是距离2个区域距离很近，意味着研究区泥岩源区构造背景为大陆岛弧或大洋岛弧。而研究区泥岩稀土元素（REE）总量和（La/Yb）N值较低，轻稀土相对富集，重稀土相对平缓，Eu呈轻微负异常或无异常相吻合（图5，表2），该特征与通常受大洋岛弧和大陆岛弧构造背景控制的盆地沉积岩的稀土元素总量及相关元素比值相似，其母岩大多为来自上述构造背景相关的中—长英质岩石‎［54］。向坤鹏‎［29］在总结前人研究成果的基础上，综合火山岩锆石年代学和元素地球化学方法，分析了新疆西准噶尔包古图—哈拉阿拉特山一带石炭纪的构造演化特征。结果表明：西准噶尔地区石炭纪经历了2个阶段构造演化，分别为早石炭世弧前盆地构造演化阶段和晚石炭世残留海演化阶段。西准噶尔地区板缘构造向板内构造的转变发生在早石炭世末期。尽管大地构造背景在发生了改变，但上叠的晚石炭世残留海盆地的沉积响应明显滞后，仍为海相沉积。区域上，沉积相由海相到陆相的转变发生在晚石炭世末期，并以下二叠统佳木河组陆相磨拉石的出现为标志。而本文研究成果显示哈拉阿拉特山地区晚石炭世沉积物源区构造背景为大洋岛弧和大陆岛弧，从沉积学角度为本区沉积环境由海相转变为陆相提供了很好的地球化学证据。

5 结论

（1）成分变异指数ICV显示乌尔禾地区和哈拉阿拉特西南地区的沉积物经历了简单的沉积旋回，无再旋回作用发生。化学蚀变指数CIA和A—CN—K三角图解表明整个哈拉阿拉特地区沉积物从物源区搬运至沉积盆地过程中经历的低等风化强度的风化作用。
（2）微量元素比值Eu/Eu*、La/Sc、La/Co、Th/Sc、Th/Co及Cr/Th，源区母岩类型判别图版La/Th—Hf图解和La/Sc—Co/Th图解，稀土元素球粒陨石标准化配分模式及Eu元素异常特征等表明哈拉阿拉特地区沉积物母岩以中—酸性岩为主，可能有少量中—基性岩混入，显示出中—酸性母岩的特征。
（3）La—Th—Sc与Th—Sc—Zr/10图解表明沉积构造背景属于大洋岛弧和大陆岛弧环境。
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