Natural Gas Geoscience >

2025 , Vol. 36 >Issue 6: 1037 - 1049

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.10.009

Provenance of the Xujiahe Formation in northern Sichuan Basin and its implications for the source to sink systems during the Late Triassic

  • Yajie TIAN , 1, 2 ,
  • Guoqi WEI , 1 ,
  • Wei YANG 1 ,
  • Hui JIN 1 ,
  • Guoxiao ZHOU 3
Expand
  • 1. Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Beijing 100083，China
  • 2. Shengli Oilfield Company Research Institute of Petroleum Exploration and Development，SINOPEC，Dongying 257015，China
  • 3. Research Institute of Petroleum Exploration and Development，Changqing Oilfield Company，PetroChina，Xi’an 710018，China

Received date: 2024-08-27

  Revised date: 2024-10-19

  Online published: 2024-10-28

Supported by

The National Science and Technology Major Project(2016ZX05007-002)

the Science and Technology Project of China National Petroleum Corporation(2021DJ0605)

Fold

Abstract

Multiple studies exist on the provenance of the Upper Triassic Xujiahe Formation， but controversies remain regarding the provenance in the northern margin of the Sichuan basin. This research combines sandstone grain point counting， heavy mineral assemblage analysis， and electron microprobe analysis of heavy mineral composition to study the provenance of the Xujiahe Formation in the Guangyuan， Wangcang， Nanjiang and Tuhuang sections of the northern Sichuan Basin. The results show that the sandstone composition， unstable heavy mineral types， and garnet composition are consistent among Guangyuan， Wangcang， and Nanjiang sections， characterized by an abundance of garnet and chromian spinel， with garnet types of almandine and pyrope derived mainly from amphibolite- to granulite-facies metasediments. Samples from the Tuhuang section lack chromian spinel and contain pyroxene （augite and diopside） derived from alkaline-subalkaline volcanic arc basalt or subalkaline mid-ocean ridge basalt magmas. Integrated analysis indicates that the provenance for the Guangyuan， Wangcang and Nanjiang sections includes Triassic turbidites from the Songpan–Ganzi fold belt and West Qinling Orogen， and Paleozoic strata from the Longmenshan thrust belt， while the provenance for the Tuhuang section involves the North China Block and Qinling Orogen. This study suggests two source-to-sink systems existed in the northern Sichuan Basin during the Late Triassic， consistent with previous provenance and sedimentary studies. This work highlights the limitations of detrital zircon U-Pb dating and the necessity of multi-method provenance analysis for discriminating between source-to-sink systems.

Key words： Sichuan Basin; Provenance of Xujiahe Formation; Heavy mineral assemblage; Garnet; Pyroxene; Source to sink system

Cite this article

Yajie TIAN , Guoqi WEI , Wei YANG , Hui JIN , Guoxiao ZHOU . Provenance of the Xujiahe Formation in northern Sichuan Basin and its implications for the source to sink systems during the Late Triassic[J]. Natural Gas Geoscience, 2025 , 36(6) : 1037 -1049 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.10.009

0 引言

碎屑岩物源研究是盆地分析的重要内容，碎屑岩的物源直接影响砂岩成分，进而影响砂岩的成岩作用，对砂岩的储集物性有重要的控制作用。此外，物源分析可以辅助沉积体系的分析，有助于厘清研究区生储盖的分布，有利于油气运移通道的分析。上三叠统须家河组是四川前陆盆地内的一套以陆相碎屑岩为主的地层，是四川盆地重要的天然气产层［1-3］。前人运用多种方法对盆缘露头和盆内的须家河组物源进行了研究。一般认为，晚三叠世须家河组沉积时期的四川盆地具有多物源特征，并且不同地区的物源具有一定差异［4-10］。有学者根据碎屑锆石U-Pb年龄认为盆地北部须家河组的主要物源为秦岭造山带，包括米仓山和大巴山［6-8，11］，也有研究根据沉积厚度、砾岩特征或重矿物含量等，认为盆地北部存在北西向和北东向2个方向的物源［10，12-16］，但对具体的物源区源岩岩性以及物源体系的情况还缺少相应研究。
在砂岩物源分析方法中，颗粒成分统计是最常用的方法，统计得到的砂岩定量成分，可以直接反映物源区的岩性组成和大地构造环境［17-19］。砂岩所含重矿物也具有指示源岩岩性的作用，可以反映物源区火成岩源岩的性质、变质岩源岩的变质程度等［20-22］。石榴子石作为一种常见重矿物，在沉积物搬运和埋藏过程中相对稳定，而且不同类型的源岩产出的石榴子石成分不同，因此石榴子石的成分可以反映源岩类型［23］。辉石广泛分布于基性火成岩与各类变质岩中，其主元素组成与源岩岩浆类型、大地构造背景有很大的相关性，因此，利用其主元素组成有助于确定其源岩类型［24-26］。一般地，同一物源、同时期沉积的、一定区域的砂岩地层，在成分三角图上会投影在一定的区域［27-28］，重矿物组合、成分也具有一致性［29-31］。因此，根据砂岩成分、重矿物组合、成分的差异，可以区分不同物源的砂岩。
本文通过对四川盆地北缘的广元、旺苍、南江和土黄4个剖面的须家河组系统取样，综合利用砂岩颗粒成分、重矿物组分和石榴子石、辉石主元素成分电子探针测试方法，研究了四川盆地北部须家河组物源，在结合盆地内部的资料、前人研究成果的基础上，进一步探讨了盆地北缘须家河组的源汇体系。

1 地质背景

四川盆地位于扬子板块西北部，西接松潘—甘孜板块，北邻秦岭造山带［图1（a）］。盆地面积约为18×104 km2，周围的山体有西部的龙门山，北部的米仓山和大巴山［图1（b）］。上三叠统须家河组在四川盆地内为一由西向东减薄的楔状沉积体，在龙门山中段山前最厚，可达4 km，在米仓山和大巴山前厚度一般为数百米。除盆地西部须家河组底部为海相沉积外，须家河组主体为陆相沉积，主要包括冲积扇、河流、湖泊三角洲和湖泊沉积［9，32-35］。
图1 四川盆地大地构造位置和周缘地区地质图（a）（据地质云网站全国1∶2 500 000地质图修改）及本文取样位置图（b）［范围见图（a）］

Fig.1 Tectonic position of the Sichuan Basin（a） （modified after the 1∶2 500 000 geological map of China from the GeoCloud website） and sampling location map in this article（b）（the scope is shown in （a））

本文研究的4个剖面位于四川盆地北部，分别位于广元、旺苍、南江和土黄。在这4个剖面上，上三叠统须家河组与下伏中三叠统雷口坡组、上覆下侏罗统白田坝组均为平行不整合接触。在野外，根据岩性一般可将须家河组划分为4~6个岩性段，细粒段主要由粉—细粒砂岩、泥页岩和煤层组成，粗粒段主要由中—粗粒砂岩和砾岩组成（图2）。广元剖面位于工农镇，须家河组厚度约为670 m，由于晚三叠世—早侏罗世构造抬升作用，此剖面的须家河组上部缺失，一般根据岩性划分为四段，砾岩主要出现在须四段。旺苍剖面位于旺苍县以北约7 km的东河岸边公路旁，须家河组厚度约为460 m，根据岩性可划分为五段［36］。南江剖面位于南江县以北约10 km的南江河东岸公路旁，须家河组厚度约为400 m，同样可划分为五段。土黄剖面位于土黄镇东北约15 km的前河公路旁，须家河组厚度约为380 m，可以分为6个岩性段［37］。本文对上述4个剖面进行系统取样，取样覆盖整个剖面，镜下岩性分析表明砂岩主要为颗粒支撑，杂基含量较少，具少量碳酸盐矿物和黏土矿物胶结物，一些样品具有较多的碳酸盐胶结物。主要选取中粒—粗粒砂岩进行砂岩颗粒成分统计、重矿物组合以及石榴子石、辉石电子探针分析。
图2 四川盆地北部须家河组剖面的野外照片

（a）广元剖面须家河组厚层砂岩；（b）广元须家河组底部石英砂岩与碎屑砂岩界面；（c）旺苍剖面须家河组下部泥岩粉砂岩互层；（d）旺苍剖面须家河组具楔状交错层理的透镜状砂岩；（e）南江剖面须家河组巨厚砾岩；（f）南江剖面须家河组厚层砂岩，顶部侵蚀面之上充填了撕裂屑砾石；（g）土黄剖面须家河组厚层块状砂岩与下伏雷口坡组白云岩的分界；（h）土黄剖面须家河组厚层砂岩与砾岩夹层

Fig.2 Outcrop photographs from the sections of the Xujiahe Formation located along the northern Sichuan Basin

2 砂岩薄片成分特征

2.1　砂岩薄片成分统计方法

砂岩薄片样品的颗粒成分统计在偏光显微镜下进行，观察矿物在单偏光下的光洁程度、突起程度、解理特征以及正交偏光下的双晶和干涉色特征等，识别主矿物石英、长石和各种类型的岩屑（图3），所统计的矿物岩屑类型见表1。每个薄片统计450个点，统计结果见表2。
图3 须家河组砂岩偏光显微镜下薄片照片

（a）、（b）为石英岩屑砂岩，岩屑为定向排列的多晶石英碎片、千枚岩和片岩、火山岩岩屑和燧石；（c）、（d）为岩屑石英砂岩，含定向排列的多晶石英碎片、千枚岩和火山岩，可见白云母；（e）、（f）为岩屑石英砂岩，主要为定向排列的多晶石英碎片以及火成岩岩屑。注：Qm：石英；Qpt：定向排列的多晶石英；Chert：燧石；Lvm：微晶火山岩；Lvv：隐晶质火山岩；Sch：片岩；Phyll：千枚岩；Musc：白云母

Fig.3 Photographs of sandstone thin-sections of the Xujiahe Formation under polarizing microscope

表1 砂岩薄片统计的矿物岩屑类型

Table 1 Grain types recorded for the point-counting of sandstone thin-sections

颗粒类型 代号 描述特征
矿物 Qm 单晶石英
K 钾长石
P 斜长石
岩屑 沉积岩 Chert 燧石
Mud/Shale 泥岩/页岩
Silt 粉砂岩
Lc 碳酸盐岩
变质岩 Phyll 千枚岩
Sch 片岩
Qpt 定向排列的多晶石英
火成岩 Qp 没有定向排列特征的多晶石英
Lvl 含长条状矿物的（基性）火山岩
Lvm 含微晶的（中性）火山岩
Lvf 酸性火山岩
Lvv 隐晶质火山岩
三角图参数 Qm 单晶石英
F 总长石=K+P
Lt 岩屑总量=Lv+Lm+Ls
Qt 石英和石英质岩屑总量=Qm+Qp+Qpt+Chert
F 总长石=K+P
L 非石英质岩屑总量=Lv+Phy+Sch+Mud/shale+Silt+Lc
Lv 火山岩岩屑总量=Lvl+Lvm+Lvf+Lvv
Lm 变质岩岩屑总量=Qpt+Phy+Sch
Ls 沉积岩岩屑总量=Chert+Mud/Shale+Silt+Lc
表2 砂岩薄片碎屑颗粒统计结果(颗粒类型缩写含义见表1)

Table 2 Results of sandstone thin-section point-counting(calculation of fragment types is shown in Table 1)

样品

编号

 Qm/% F/% Lt/% Qt/% F/% L/% Lm/% Lv/% Ls/%
GY5 48 1 50 72 1 26 68 27 6
GY7 52 8 39 76 8 16 57 18 25
GY9 69 8 23 85 8 7 49 25 26
GY11 59 14 28 73 14 13 56 23 21
GY13 52 20 28 70 20 11 60 15 25
GY20 58 13 29 76 13 11 57 16 27
GY22 64 8 28 80 8 13 40 30 30
GY23 63 14 23 76 14 10 51 31 18
GY25 49 8 43 73 8 20 65 21 14
平均值 57 6 36 76 6 19 56 17 26
WC2 56 12 31 71 12 17 56 28 16
WC3 56 11 33 70 11 19 51 33 17
WC4 66 7 27 79 7 15 45 26 29
WC5 69 7 24 80 7 13 50 26 24
WC6 63 9 28 78 9 14 53 29 18
WC7 74 6 20 86 6 8 55 15 31
平均值 64 9 27 77 9 14 52 26 22
NJ1 64 0 36 74 0 25 59 20 21
NJ3 57 2 41 74 2 24 47 33 19
NJ4 64 3 33 75 3 22 61 22 17
NJ5 57 6 36 70 6 24 59 24 17
NJ6 53 11 36 65 11 24 72 9 20
NJ7 53 11 36 82 11 7 48 8 45
NJ8 56 11 33 80 11 9 47 11 42
NJ9 57 6 37 80 6 14 66 14 20
NJ10 81 0 19 97 0 3 53 17 29
NJ12 46 5 49 62 5 33 51 16 33
平均值 59 6 36 76 6 19 56 17 26
TH2 71 15 15 80 15 5 22 18 60
TH5 69 18 13 75 18 7 27 35 38
TH6 72 13 15 78 13 9 45 27 27
TH8 77 12 11 83 12 5 35 30 35
TH9 46 11 44 63 11 27 39 30 31
TH10 52 5 43 64 5 30 30 38 32
TH13 71 16 13 77 16 7 55 17 28
TH15 76 3 21 85 3 12 57 10 33
TH17 65 16 19 79 16 5 46 12 42
平均值 66 12 22 76 12 12 40 24 36

2.2　砂岩薄片成分统计结果

广元须家河组砂岩样品由单晶石英、长石和丰富的岩屑组成。在砂岩颗粒成分中，单晶石英的含量范围为48%~69%；长石在1%~20%的范围内；岩屑占所有颗粒的23%~50%。岩屑主要包括变质沉积岩、沉积岩和火山岩碎屑3类。变质沉积岩碎屑是岩屑的主要类型，占岩屑组分的49%~68%，主要为定向排列的多晶石英、片岩和千枚岩岩屑；沉积岩岩屑主要包括燧石和碳酸盐岩岩屑；火山岩岩屑包括玻璃质、微晶质和中酸性火山岩岩屑。广元砂岩样品的平均成分如下（字母代号所代表的颗粒类型见表1，下同）：Qm、F、Lt分别为57%、6%、36%；Qt、F、L分别为76%、6%、19%；Lm、Lv、Ls分别为56%、23%、21%（表2）。计数时遇到的副矿物主要有黑云母、白云母、绿泥石、锆石和石榴子石等。
旺苍剖面的须家河组样品石英含量为56%~74%，长石含量范围为6%~12%，岩屑占全部颗粒的20%~33%。变质沉积岩岩屑占岩屑总量的一半左右，主要为定向排列的多晶石英岩屑、千枚岩和片岩岩屑。火山岩岩屑占岩屑总量的1/3左右，主要为微晶质、隐晶质和酸性火山岩岩屑。沉积岩屑主要为燧石和少量碳酸盐岩屑。旺苍剖面须家河组砂岩的平均成分如下： Qm、F、Lt分别为64%、9%、27%； Qt、F、L分别为77%、9%、14%； Lm、Lv、Ls分别为52%、26%、22%（表2）。统计到的副矿物有白云母、绿泥石、黑云母和绿泥石等。
南江剖面的须家河组样品石英含量占总颗粒数的53%~81%，长石含量的0%~11%，岩屑含量的19%~49%。岩屑的主要成分同样为变质沉积岩，占岩屑总量的48%~72%，包括定向排列的多晶石英变质岩屑、千枚岩和片岩碎片等。其次为沉积岩岩屑，一般是燧石和碳酸盐岩岩屑。火山岩岩屑主要为微晶质、隐晶质和中酸性的火山岩岩屑。南江剖面须家河组砂岩的平均成分如下：Qm、F、Lt分别为59%、6%、36%；Qt、F、L分别为76%、6%、19%；Lm、Lv、Ls分别为56%、17%、26%（表2）。在点计数过程中，统计到的副矿物有白云母、黑云母、绿泥石和电气石。
土黄剖面的须家河组样品分为2类砂岩，即石英砂岩和岩屑石英砂岩。前者主要由石英组成，石英含量较高，占70%左右，长石和岩屑的含量相近；后者主要由石英和岩屑组成，石英含量在50%左右，岩屑含量接近石英含量，长石含量很少。总体上，石英占颗粒总数的46%~77%，长石含量占总颗粒数的3%~18%，岩屑占颗粒总数的11%~44%。岩屑的主要成分为变质沉积岩，包括千枚岩、片岩和定向排列的多晶石英岩屑，也包括少量火山岩岩屑，大部分是隐晶质和酸性火山岩岩屑，沉积岩岩屑则主要为燧石、泥岩、粉砂岩和碳酸盐岩岩屑。须家河组砂岩的平均成分如下：Qm、F、Lt分别为66%、12%、22%；Qt、F、L分别为76%、12%、12%；Lm、Lv、Ls分别为40%、24%、36%（表2）。在点计数过程中，统计到的副矿物有电气石、白云母。
砂岩成分的统计结果投影在Dickinson三角模式图上（图4）。在Qm—F—Lt和Qt—F—L三角图上，4个剖面的样品均主要投影在再旋回造山带区域，广元、旺苍和南江3个剖面的样品分布范围一致。相比其他3个剖面，土黄剖面一些样品的单晶石英和长石的含量较高，投影靠近大陆板块区域，个别样品投影在大陆板块区域。在岩屑成分三角图上，广元、旺苍和南江3个剖面样品落点范围也一致，均落在靠近变质岩岩屑一端的区域，表明变质岩岩屑含量占主导地位，而土黄剖面样品的落点范围整体更靠近沉积岩岩屑端，即变质岩岩屑含量相对较低，沉积岩岩屑含量较高。
图4 四川盆地北部须家河组砂岩成分三角图（大地构造属性分区据文献［18］）

注：（1）物源区大地构造属性中：CB为Continental Block，大陆克拉通；RO为Recycled Orogen，再旋回造山带；MA为Magmatic Arc，火山弧；（2）三角图端元成分中：Qm为单晶石英；F为长石；Lt为岩屑；Qt为单晶石英和石英质岩屑；L为非石英质岩屑；Lm为变质岩岩屑；Lv为火成岩岩屑；Ls为沉积岩岩屑

Fig.4 Ternary diagrams of sandstone composition for the Xujiahe Formation in northern Sichuan Basin （the zoning of tectonic attributes in the earth is cited from Ref.［18］）

3 重矿物组分与石榴子石、辉石成分特征

3.1　重矿物组分与石榴子石、辉石成分分析方法

重矿物组合分析在河北省区域地质调查院实验室完成。重矿物一般指密度大于2.87 g/cm3的矿物。分析重矿物的流程为：首先将岩石破碎酸洗后，用重液分离重矿物进行称重，然后利用电磁仪、重力分选出几组矿物，称重后在双目镜下估计不同类型矿物的百分比，最后结合称重数据估算得到各种矿物的重量百分比。虽然最终数据有一定的误差，但能可靠地识别主要重矿物类型和相对含量多少。
石榴子石和辉石的电子探针分析，在亚利桑那大学的Michael J. Drake电子探针实验室完成。将石榴子石和辉石制靶后，利用电子探针探测矿物微区的主元素成分，测量结果为元素氧化物的重量占比。石榴子石的成分包含2个系列——铝榴石（pyra-lspite）和钙榴石（ugrandite）［20］。辉石成分多样，主要包括钙镁铁类型、钠钙类型、钠类型和其他类型［26］。根据电子探针数据，计算其主元素离子（如Mg2+、Fe2+、Mn2+和Ca2+）的比例，将数据投影到各类图版上，从而判断石榴子石所来源的源岩岩性［20］、辉石来源的岩浆类型、形成的大地构造背景［24-26］。

3.2　重矿物组分

广元剖面须家河组样品除了包含非常稳定的锆石、电气石和金红石（3种矿物合称ZTR）外，还含有亚稳定和不稳定的重矿物，如石榴子石、磷灰石、铬尖晶石和独居石（图5）。总ZTR通常小于50%，平均为36%。锆石是ZTR中占比最大的重矿物，其次是电气石和金红石。石榴子石在广元剖面含量很高，存在于所有样品中，最高可以达到70%，平均含量为24%。磷灰石在广元剖面下部含量较高，达到27%，但在剖面上部的样品中缺失。铬尖晶石存在于大多数样品中，可达16%。独居石的含量较小，少数样品含量为1%~3%。白钛矿普遍存在于样品中且含量较高，但白钛矿可能为各种含钛矿物的氧化产物，没有物源指示意义。此外，还含有一些内生矿物或氧化产物如黄铁矿、赤铁矿、钛铁矿、磁铁矿以及少量方铅矿、闪锌矿等。
图5 四川盆地北部野外剖面上三叠统须家河组重矿物组分

Fig.5 Heavy mineral assemblages of the Xujiahe Formation from sections in northern Sichuan Basin

旺苍剖面须家河组样品中除ZTR以外，主要为石榴子石、铬尖晶石、磷灰石和独居石。总ZTR的含量范围为26%~77%，平均含量47%。旺苍样品中也普遍含有石榴子石，含量最大可达24%，平均含量为9%。样品中也普遍含有铬尖晶石，含量3%~10%，平均为5%。磷灰石含量0.7%~4%，平均为2%。独居石含量范围为0.4%~7%，平均为3%。其他不透明的重矿物还包括黄铁矿、赤褐铁矿和磁铁矿。
南江剖面须家河组样品除稳定的锆石、电气石、金红石以外，铬尖晶石、独居石和磷灰石普遍存在，少量样品含有石榴子石。总ZTR的含量范围为1%~73%，平均为44%。南江样品铬尖晶石的含量为0.2%~9%，平均为4%。独居石和磷灰石的含量较低，平均分别为2%和1%。样品NJ5石榴子石含量69%。其他不透明重矿物包括黄铁矿、赤褐铁矿和钛铁矿。
土黄剖面须家河组样品除ZTR外，主要为磷灰石、独居石和辉石。总ZTR的含量范围为9%~64%，平均为49%。非稳定重矿物中最主要的重矿物是磷灰石，其含量范围为0.3%~19%，平均为7%。独居石含量范围为0.6%~4%，平均为2%。共4个样品含有辉石，含量范围为0.1%~14%。土黄样品铬尖晶石的含量普遍很低，不超过1%。石榴子石也普遍缺失，只有TH1样品含有较多的石榴子石（34%）。其他不透明重矿物包括黄铁矿、赤褐铁矿和磁铁矿。

3.3　石榴子石、辉石成分

3个剖面样品的石榴子石成分见图6。广元、旺苍和南江样品的石榴子石成分主要为铁铝榴石和镁铝榴石，投影在图版的A区和B区，A区源岩为麻粒岩相的变质沉积岩或紫苏花岗岩，B区源岩为角闪岩相变质沉积岩。土黄样品的石榴子石主要为铁铝榴石，大部分投影在三角图的Bi区，其源岩应为中酸性岩浆岩，极少样品落在A区和Ci区，Ci区源岩为较高级变质的基性岩浆岩。
图6 广元、旺苍、南江和土黄剖面所含石榴子石源岩岩性判别图

注：A型主要来源于高级变质的麻粒岩相变沉积岩或紫苏花岗岩；B型主要来源于角闪岩相变沉积岩，只投影在Bi区则来自中酸性岩浆岩；C型主要来自高级变质的基性岩浆岩；Cii型主要来自超基性岩；D型主要来自交代变质岩、低级变质的基性岩浆岩或钙质硅酸盐矿物经超高温变质形成的麻粒岩，底图据文献［20］，三角图右上角为样品编号

Fig.6 Garnet source rock discrimination diagram for samples from Guangyuan， Wangcang， Nanjiang and Tuhuang sections

土黄剖面所含的辉石属于钙镁铁类型，在图版上投影为普通辉石和透辉石［图7（a）］。在岩浆类型图版上投影在亚碱性、碱性岩浆区域［图7（b）］，在岩浆大地构造环境图版上，碱性类型（黑色样品点）投影在火山弧玄武岩区域，亚碱性类型（白色样品点）投影在火山弧玄武岩、火山弧玄武岩与洋底玄武岩的重叠区域［图7（c）］，表明研究区的辉石可能来源于碱性—亚碱性火山弧玄武岩岩浆，可能包括亚碱性洋底玄武岩岩浆。
图7 土黄剖面样品TH8所含辉石类型与来源岩浆类型

（a）辉石类型判别图版，坐标为三端元成分百分比，底图据文献［26］；（b）辉石来源岩浆类型判别图版，底图据文献［24］；（c）辉石来源岩浆的大地构造环境判别图版，底图据文献［25］。注：F1、F2由氧化物的质量百分比计算得到（其中所有铁的氧化物换算成FeO），F1=-0.012×SiO2－0.080 7×TiO2+0.002 6×Al2O3－0.001 2×FeO－0.002 6×MnO+0.008 7×MgO－0.012 8×CaO－0.041 9×Na2O；F2=-0.046 9×SiO2－0.081 8×TiO2－0.021 2×A12O3－0.004 1×FeO－0.143 5×MnO－0.002 9×MgO+0.008 5×Ca+0.016 0×Na2O。S：Subalkaline，亚碱性；A： Alkaline，碱性；P： Peralkaline：过碱性； WPA： Within Plate Alkalic Basalt， 板内碱性玄武岩；VAB： Valcanic Arc Basalt，火山弧玄武岩；OFB： Ocean-floor Basalt，洋底玄武岩；WPT： Within Plate Tholeiitic Basalt，板内拉斑玄武岩

Fig.7 Pyroxene type and source magma type for sample TH8 from Tuhuang section

4 讨论

4.1　物源综合分析

广元、旺苍、南江和土黄剖面的须家河组砂岩在三角图上主要投影在再旋回造山带，广元、旺苍、南江剖面的主要岩屑类型为变质沉积岩岩屑，土黄剖面的石英含量较高、变质沉积岩岩屑含量较低（图4）。4个剖面中，广元、旺苍和南江剖面的重矿物组合相似，除了稳定重矿物锆石、电气石和金红石（ZTR）外，主要的非稳定重矿物是石榴子石、磷灰石和铬尖晶石。从广元、旺苍到南江，总体上非稳定重矿物的含量减少，逐渐由稳定的ZTR占主导地位。变化最明显的是石榴子石的含量，3个剖面由西到东石榴子石含量减少，铬尖晶石的含量相对增加（图8）。3个剖面的石榴子石的成分一致，均为铁铝榴石和镁铝榴石，主要来自中高级变质沉积岩。现有研究表明石榴子石是比较稳定的重矿物，在一些研究区埋深大于3 km时才开始溶蚀［38-39］。与盆地北缘须家河组的埋深差别不大，所以旺苍和南江剖面石榴子石含量的减小不太可能是由于埋深变化造成的，其含量变化应是由沉积物的搬运造成，即反映了随沉积物运移的距离增加，不稳定重矿物含量逐渐减小的规律。
图8 石榴子石、磷灰石和铬尖晶石的相对含量三角图（五角星代表各剖面样品平均组成）

Fig.8 Ternary discrimination diagram showing the relative abundance of garnet， apatite and chromian spinel （stars show the average compositions for different sections）

土黄剖面除了稳定的ZTR外，主要非稳定矿物为磷灰石、独居石和辉石，铬尖晶石的含量极少，所测样品中仅有一个样品含石榴子石，其成分为铁铝榴石，来自中酸性岩浆岩。土黄剖面以缺少铬尖晶石、含有辉石和不同类型的石榴子石为特征，区别于上述的广元、旺苍和南江剖面（图7）。在石榴子石—铬尖晶石—磷灰石三角图上，4个剖面的样品投影在不同的区域，广元、旺苍和南江剖面样品具有过渡关系，土黄样品与其他3个剖面样品投影位置区分明显，显示重矿物组合的不同（图8）。根据砂岩成分、非稳定重矿物类型和石榴子石成分的差异，认为盆地西北缘的广元、旺苍和南江剖面的须家河组物源一致，而土黄剖面的须家河组物源与上述3个剖面存在差异。
广元地区须家河组砾岩的古水流多指向南东［39-40］。盆地西北部钻井岩心样品的重矿物ZTR指数（稳定重矿物锆石、电气石和金红石的百分含量）具有由北西向南东增加的趋势［10］，与本文揭示的3个剖面的非稳定重矿物含量由西向东减少的变化情况相符。因此盆地西北部的物源应来自北西方向的造山带。前人［5-8， 11］得到的广元、旺苍和南江须家河组的碎屑锆石U-Pb年龄主要包含5个峰值——200~300 Ma，400~500 Ma，650~850 Ma，1 750~1 950 Ma和2 400~2 600 Ma，与松潘—甘孜褶皱带、西秦岭地区广泛覆盖的低级变质三叠系浊积岩的碎屑锆石年龄十分相似（图1，图9）。松潘—甘孜褶皱带和西秦岭地区的三叠系富含石榴子石、磷灰石和铬尖晶石［41-42］，而西秦岭造山带三叠系所含石榴子石成分也主要为铁铝榴石和镁铝榴石［42］，与广元、旺苍和南江3个剖面的石榴子石的成分一致。此外，广元地区须四段的碳酸盐岩砾石和石英质砾石很可能来自龙门山造山带内的古生代地层［40］。因此，广元、旺苍和南江剖面的须家河组物源应来自西部的造山带，包括松潘—甘孜褶皱带和西秦岭地区的变质三叠系，以及龙门山的古生代地层。
图9 四川盆地北部须家河组碎屑锆石U-Pb年龄和潜在物源区的锆石U-Pb年龄概率密度曲线

注：华北板块南缘、北秦岭、南秦岭、松潘—甘孜褶皱带锆石年龄谱据文献［7］，广元须家河组样品据文献［5］，旺苍须家河组样品据文献［7］，南江须家河组样品据文献［11］，万源须家河组样品据文献［8］

Fig.9 Probability density curves of zircon U-Pb ages for the Xujiahe Formation from northern Sichuan Basin and for potential source regions

土黄剖面中所含的辉石可能来自碱性—亚碱性火山弧玄武岩岩浆、亚碱性洋底玄武岩岩浆，秦岭造山带包含多个缝合带，广泛发育各类基性岩及其变质岩［43］，而龙门山、松潘—甘孜褶皱带和西秦岭主要被古生界—中生界的沉积岩—变质沉积岩覆盖，很少发育基性岩浆岩。再加上广元、旺苍和南江剖面没有发现辉石，不可能由西部搬运而来，因此，土黄剖面中的辉石应来自于北侧的秦岭造山带。盆地东北部的碎屑锆石U-Pb年龄同样主要包含5个峰值，应来源于华北板块与秦岭造山带（包括北秦岭与南秦岭）的组合（图9）。此外，须四段砾岩厚度从万源地区向通江地区（北东向南西方向）减薄，以含有流纹岩、凝灰岩和玄武岩等火山岩砾石为特征，可能来自南秦岭东北部的奥陶系—志留系［14］。土黄剖面位于万源市北部约40 km，应同属于同一源汇体系。地层厚度、岩相古地理图也显示，须家河组沉积时期盆地北部存在2个沉积中心，分别位于龙门山—米仓山前缘和大巴山前缘［15，44-45］，2个沉积中心的边界大致位于通江地区。
前人［6-8，11，14］对四川盆地北部须家河组物源的研究主要有2种观点：一种根据碎屑锆石年龄，认为盆地北部的物源均为秦岭造山带；另一种主要根据砂岩分布和沉积古地理，认为盆地北部具有西北和东北方向2个物源，但没有具体探讨沉积物的具体来源［10，13，15］。本文通过4个野外剖面系统性的砂岩碎屑成分、重矿物组分和成分分析，结合前人的砾岩成分、沉积古地理研究，进一步明确了盆地北部的2个源汇体系的物质来源和大致分布范围。认为晚三叠世须家河组沉积时期，四川盆地北部应存在2个源汇体系（图10），西北部源汇体系的物源为松潘—甘孜褶皱带、西秦岭和龙门山造山带，沉积物大致的搬运方向为由西到东或北西—南东方向，主要为广元、旺苍至南江区域的须家河组提供碎屑物质。东北部的源汇体系物源为秦岭造山带，搬运方向为由北到南或北东—南西方向，主要为包括土黄地区在内的盆地东北部区域提供碎屑物质。
图10 四川盆地北部晚三叠世须家河组沉积时期源汇体系简图

注：重矿物相对含量饼图中，粉色代表石榴子石，蓝色代表磷灰石，绿色代表铬尖晶石；晚三叠世盆地边界据文献［48-50］，须二段、须四段砂岩分布据文献［15］

Fig.10 Source to sink sketch map for the northern Sichuan Basin during the deposition of Xujiahe Formation

晚三叠世，盆地北部2个源汇体系的分布受控于周缘造山带的差异活动。须家河组沉积时期，米仓山大部分地区尚未隆升［46-47］，而龙门山断裂带构造活动强烈，盆地的西北部（包括广元到南江地区）应属于龙门山前陆盆地的一部分，其可容空间和沉积物质来源均主要受控于龙门山断裂带。此时秦岭造山带前缘的构造活动主要集中在北大巴山［48-50］，构造隆升有限，因此并没有造成盆地北部大规模的沉降，只为邻近的盆地东北部提供碎屑沉积物。

4.2　须家河组物源研究反映的碎屑锆石U-Pb年龄方法的局限性

由于锆石的稳定性极强，作为碎屑颗粒进入沉积岩后，在成岩作用的温度压力环境下很难被溶蚀或交代，可以被再次搬运进入沉积体系中，成为再循环碎屑锆石。因此，仅仅根据碎屑锆石的U-Pb年龄，难以区分他们是来自造山带的岩浆岩和变质岩还是以这些岩浆岩和变质岩为物源的沉积岩［51-52］。
须家河组的碎屑锆石U-Pb年龄研究显示，盆地各部分的碎屑锆石年龄峰值十分一致，均以5组年龄为特征，其中约1 800 Ma峰值最为显著。这一年龄谱既可以与大面积覆盖松潘—甘孜褶皱带、西秦岭地表的三叠系碎屑岩的年龄谱匹配，也可以与华北板块—秦岭造山带的火成岩和变质岩匹配，因为松潘—甘孜褶皱带和西秦岭三叠系碎屑岩的物源主要为华北板块和秦岭造山带［53-55］。由于2个物源区的碎屑锆石组成十分一致的，导致这2个物源区所供给的碎屑锆石的U-Pb年龄具有相似性，因此仅根据碎屑锆石U-Pb年龄数据难以确定须家河组的物源。
本文研究表明，通过砂岩成分、重矿物组分、成分和岩相古地理综合分析，盆地北部可以划分为2个源汇体系，体现了多方法综合分析对碎屑岩物源研究的重要性。虽然锆石是碎屑岩中含量较高的副矿物，但仅仅根据一种矿物来判断碎屑岩的物源有很大的局限性，并且由于锆石的稳定性，基于锆石年龄、同位素等的物源研究方法既有优点也有一定的缺陷。因此，在实际研究过程中应注意多种物源方法的结合，找到适用于研究区的可以区分不同源汇体系的有效研究方法。

5 结论

（1）四川盆地北部的广元、旺苍、南江和土黄剖面的须家河组物源均来自再旋回造山带，具有较高的稳定重矿物（ZTR）含量，但广元、旺苍和南江剖面须家河组的砂岩成分、非稳定重矿物类型和石榴子石成分一致，而与土黄剖面有差异。
（2）晚三叠世须家河组沉积时期四川盆地北部存在2个源汇体系：西北部源汇体系的物源为松潘—甘孜褶皱带、西秦岭和龙门山造山带，沉积物大致的搬运方向为由西向东或北西—东南方向，沉积中心位于盆地西北部；东北部的源汇体系物源为秦岭造山带，搬运方向为由北向南或北东—南西方向搬运，沉积中心位于盆地东北部。
（3）碎屑锆石U⁃Pb年龄物源研究方法具有一定的局限性，在进行物源分析时应注重多方法的综合，区分不同的源汇体系。

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