诸城盆地早白垩世砂岩主量元素地球化学特征及其对物源区构造环境的制约
倪金龙+张红+唐小玲+史晓晓+孙煜杰+韩帅
摘 要：诸城盆地作为早白垩世伸展盆地，与其东南侧胶南造山带之间的耦合关系一直以来仍缺少相关研究。基于野外地质考察、砂岩碎屑组分统计及主量元素特征分析，探讨了早白垩世诸城盆地的物源方向、莱阳群砂岩的地球化学组成、物源区风化特征及大地构造背景。结果表明：诸城盆地莱阳群砂岩地球化学类型主要为铁砂岩和杂砂岩，其源岩具有长英质火成岩或中性岩特点；砂岩的化学蚀变指数（45～58）、化学风化指数（47～69）、斜长石蚀变指数（58～73）和化学组分变化指数（0.86～1.02）体现了源区风化作用很弱的特征；Dickinson分类图解及古流向指示砂岩源区主要为盆地东南侧的胶南造山带，砂岩的地球化学组成、风化特征等共同说明早白垩世时期胶南造山带经历了快速隆升事件；结合前人关于该地区岩浆岩地球化学特征，胶南造山带的本次快速隆升是岩石圈减薄作用的结果，因而诸城盆地的快速沉降与胶南造山带的隆升是相互耦合的。上述结果一方面从地球化学角度证实了胶南造山带早白垩世时期经历了快速隆升事件，另一方面也说明了诸城盆地原型是伸展断陷盆地，二者均是华北东部岩石圈减薄作用的产物。
关键词：莱阳群；早白垩世；岩石地球化学；岩石圈减薄；盆山耦合；盆地原型；风化指数；诸城盆地
中图分类号：P588.21+2.3；P595 文献标志码：A
文章编号：1672-6561（2016）05-0587-14
Abstract： The coupling relationship between Zhucheng Basin as Early Cretaceous extensional basin and Jiaonan orogenic belt is still lack of relevant research. Based on the field geology observations， sandstone detrital component statistics and the analysis of major element characteristics， the provenance of Zhucheng Basin in Early Cretaceous， the geochemical composition of sandstone from Laiyang Group， the weathering characteristics of provenance and the tectonic background were discussed. The results show that the geochemical types of sandstone in Laiyang Group of Zhucheng Basin are mainly iron sandstone and greywacke， and the source rocks have the characteristics of felsic igneous rock or intermediate rock； the chemical index of alteration（45-58）， chemical index of weathering（47-69）， plagioclase index of alteration（58-73） and index of compositional variability（0.86-1.02） reflect the relative weak weathering in provenance； Dickinson classification diagrams and the paleocurrent direction indicate that the provenance of sandstone is mainly Jiaonan orogenic belt at the southeastern side of Zhucheng Basin， and the geochemical composition and weathering characteristics of sandstone suggest that Jiaonan orogenic belt experiences rapid uplift event during Early Cretaceous； combined with the previous research on the geochemical characteristics of magma rock， the rapid uplift of Jiaonan orogenic belt results from the lithosphere thinning， so the rapid subsidence of Zhucheng Basin and the uplift of Jiaonan orogenic belt are coupled with each other. From the view of geochemistry， the above-mentioned results confirm that Jiaonan orogenic belt experiences a rapid uplift event during Early Cretaceous； on the other hand， it also illustrates that the prototype of Zhucheng Basin is an extensional fault basin， and both of them are the produce of lithosphere thinning in the eastern North China.
Key words： Laiyang Group； Early Cretaceous； petrogeochemistry； lithospheric thinning； basin-mountain coupling； basin prototype； weathering index； Zhucheng Basin
0 引 言
盆地和造山带是大陆岩石圈表面的两个基本构造单元，二者在空间上相互依存，在物质上相互转换，在地表形态上相互调整与均衡，具有密切的耦合关系[1]。前人常通过研究造山带前缘发育的盆地来揭示造山带源区特征、演化历史[2]，如合肥盆地与大别造山带[3-5]的相关研究。苏鲁造山带发育于郯—庐断裂带东侧，通常被认为是大别造山带的东延[6]，其北缘发育了胶莱盆地，为全面认识造山带的隆升与演化过程提供了一个新的窗口[7-8]。
诸城盆地发育于胶莱盆地的南端，是胶莱盆地的一个次级构造单元[9]。作为早白垩世的重要盆地，该盆地目前存在如下认知问题：①盆地的原型仍存在争议；②同为早白垩世凹陷，诸城盆地为什么存在比胶莱盆地中高密凹陷、莱阳凹陷厚得多的莱阳群沉积层（图1）？③诸城盆地与其东南侧的胶南造山带是否存在耦合关系？
砂岩的物质组分记录着物源区的信息，因而受到广泛关注。近年来，利用砂岩岩石地球化学特征判别岩石形成时的大地构造背景、盆地的物源及沉积构造背景等方面取得了很多成果[10-13]，为认识盆地及源区的性质与演化提供了新的视角。本文主要选取诸城盆地下白垩统莱阳群样品进行砂岩主量元素地球化学研究，结合砂岩组分特征深入探讨诸城盆地砂岩的物源属性、源区古风化与古气候条件，同时揭示胶南造山带抬升与诸城盆地沉降的耦合关系及区域构造意义。
1 区域地质概况
诸城盆地位于胶南造山带西侧，具有不对称的箕状结构，NE—SW向延伸的压扭性断层多发育于盆地与变质核杂岩下盘在地表的接合部，与造山带近平行。该组断层切割了诸城盆地早白垩世盆地，是晚白垩世区域挤压作用的结果。另有一组NE—SW向延伸的正断层伴随早白垩世侵入的闪长玢岩发育（图2）。
盆地的沉积中心呈NE—SW向分布，与苏鲁造山带平行。出露的盆地基底主要为元古代花岗岩（图1）。莱阳群在盆地中普遍发育，与基底的元古代花岗岩为沉积接触关系，厚度最大可达6 000 m；莱阳群主要为一套河流-湖泊相沉积，发育粒序层理、韵律层理及槽状交错层理等，岩性以灰色砂岩为主，并含少量页岩及砾岩（图3），局部夹火山岩。莱阳群（图2）从下到上可划分为林山寺组（Kll）、止凤庄组（Klz）、杨家庄组（Kly）、龙旺庄组（Kllw）、曲格庄组（Klq）和法家莹组（Klf），沉积年代为120～135 Ma[14-15]。
青山群为一套火山沉积岩，厚度分布很不均匀，最厚可达3 000 m（图2），主要发育八亩地组（Kqb），为一套安山质火山喷发岩，角度不整合覆盖于倾斜的莱阳群之上（图2）。王氏群在凹陷中分布局限，厚度较薄。
2 样品采集与物质组分特征
2.1 地层特征
野外考察选取山东省五莲县城—中至镇地质剖面，野外露头良好，从下向上发育林山寺组、龙旺庄组、曲格庄组与法家莹组（图2）。林山寺组主要为一套冲积扇相的块状角砾岩及含砾粗砂岩沉积，覆盖于胶南造山带元古代花岗片麻岩之上。龙旺庄组底部为一套灰紫色中粒长石砂岩、细砂岩、粉砂岩夹含砾粗砂岩，向上发育薄层粉、细砂岩及页岩。曲格庄组主要发育一套黄绿色薄层细砂岩、粉砂岩及页岩。法家莹组发育黄绿色含砾砂岩、中粒长石砂岩、粉砂岩及泥灰岩。根据地层发育的砾岩排列方式及地层产状，古流向总体表现为NW向[图2（b）]，显示盆地的物源主要来自于东南侧。
2.2 样品采集与物质组分统计
从盆地基底向西至青山群火山岩，样品采集的分布较均匀（图2）。砂岩的物质组分统计在薄片下进行，每个薄片大约统计550个颗粒（粒径介于60～400 μm），颗粒被分成石英、长石和岩屑，其他则当成混杂物不进行统计。单晶组分按单个矿物统计，多晶组分按岩屑统计。岩屑组分主要统计颗粒粒径小于50 μm的隐晶质微晶物质，而粒径大于50 μm的即使其明显由岩屑组成，但仍按矿物颗粒统计[3，12] 。统计结果见表1。
颗粒的大小影响着沉积岩石地球化学特征[19]，因而砂岩地球化学分析样品的选取以标本及薄片观察为基础，挑选了12个颗粒均匀的中、细粒砂岩作为分析测试对象（表1）。
3 分析方法
砂岩岩石主量元素分析使用荷兰Philips公司生产的PW2404型X 射线荧光光谱仪（XRF）测定，精度优于5%，试验在中国地质大学（北京）地质过程与与矿产资源国家重点实验室完成，分析结果见表2。数据处理时，去除烧失量，重新计算各主量元素含量。CaO含量（质量分数，下同）超过5%的样品有明显钙质胶结，需要对CaO含量进行特别处理。通常硅酸盐中CaO与Na2O含量最高为1∶1[20]，根据这样的原则对数据进行重新处理。经过处理后的数据近似为砂岩的真实含量（表2）。
4 结果分析与讨论
4.1 主量元素地球化学特征
4.1.1 化学成分特征及对比
（1）龙旺庄组与曲格庄组的对比。
数据分为龙旺庄组、曲格庄组及法家莹组，但法家莹组只有一个样品，不具有代表性。前两组样品都是经过精心挑选的，且有3个以上样品，其测试结果具有较高的科学价值。
龙旺庄组与曲格庄组相比（表2），除CaO之外，前者仅有SiO2含量（均值72.87%）高于后者（均值70.26%），其余主量元素含量均小于后者。龙旺庄组Al2O3含量介于11.83%～12.48%，均值为12.11%；K2O含量介于1.94%～2.63%，均值为2.16%；Na2O含量介于2.88%～4.55%，均值为3.56%；w（Fe2OT3）+w（MgO）均值为3.74%；TiO2含量介于0.37%～0.56%，均值为0.46%。曲格庄组Al2O3含量介于12.02%～16.17%，均值为13.93%；K2O含量介于1.81%～3.48%，均值为2.47%；Na2O含量介于2.52%～6.27%，均值为4.34%；w（Fe2OT3）+w（MgO）均值为5.84%。
摘 要：诸城盆地作为早白垩世伸展盆地，与其东南侧胶南造山带之间的耦合关系一直以来仍缺少相关研究。基于野外地质考察、砂岩碎屑组分统计及主量元素特征分析，探讨了早白垩世诸城盆地的物源方向、莱阳群砂岩的地球化学组成、物源区风化特征及大地构造背景。结果表明：诸城盆地莱阳群砂岩地球化学类型主要为铁砂岩和杂砂岩，其源岩具有长英质火成岩或中性岩特点；砂岩的化学蚀变指数（45～58）、化学风化指数（47～69）、斜长石蚀变指数（58～73）和化学组分变化指数（0.86～1.02）体现了源区风化作用很弱的特征；Dickinson分类图解及古流向指示砂岩源区主要为盆地东南侧的胶南造山带，砂岩的地球化学组成、风化特征等共同说明早白垩世时期胶南造山带经历了快速隆升事件；结合前人关于该地区岩浆岩地球化学特征，胶南造山带的本次快速隆升是岩石圈减薄作用的结果，因而诸城盆地的快速沉降与胶南造山带的隆升是相互耦合的。上述结果一方面从地球化学角度证实了胶南造山带早白垩世时期经历了快速隆升事件，另一方面也说明了诸城盆地原型是伸展断陷盆地，二者均是华北东部岩石圈减薄作用的产物。
关键词：莱阳群；早白垩世；岩石地球化学；岩石圈减薄；盆山耦合；盆地原型；风化指数；诸城盆地
中图分类号：P588.21+2.3；P595 文献标志码：A
文章编号：1672-6561（2016）05-0587-14
Abstract： The coupling relationship between Zhucheng Basin as Early Cretaceous extensional basin and Jiaonan orogenic belt is still lack of relevant research. Based on the field geology observations， sandstone detrital component statistics and the analysis of major element characteristics， the provenance of Zhucheng Basin in Early Cretaceous， the geochemical composition of sandstone from Laiyang Group， the weathering characteristics of provenance and the tectonic background were discussed. The results show that the geochemical types of sandstone in Laiyang Group of Zhucheng Basin are mainly iron sandstone and greywacke， and the source rocks have the characteristics of felsic igneous rock or intermediate rock； the chemical index of alteration（45-58）， chemical index of weathering（47-69）， plagioclase index of alteration（58-73） and index of compositional variability（0.86-1.02） reflect the relative weak weathering in provenance； Dickinson classification diagrams and the paleocurrent direction indicate that the provenance of sandstone is mainly Jiaonan orogenic belt at the southeastern side of Zhucheng Basin， and the geochemical composition and weathering characteristics of sandstone suggest that Jiaonan orogenic belt experiences rapid uplift event during Early Cretaceous； combined with the previous research on the geochemical characteristics of magma rock， the rapid uplift of Jiaonan orogenic belt results from the lithosphere thinning， so the rapid subsidence of Zhucheng Basin and the uplift of Jiaonan orogenic belt are coupled with each other. From the view of geochemistry， the above-mentioned results confirm that Jiaonan orogenic belt experiences a rapid uplift event during Early Cretaceous； on the other hand， it also illustrates that the prototype of Zhucheng Basin is an extensional fault basin， and both of them are the produce of lithosphere thinning in the eastern North China.
Key words： Laiyang Group； Early Cretaceous； petrogeochemistry； lithospheric thinning； basin-mountain coupling； basin prototype； weathering index； Zhucheng Basin
0 引 言
盆地和造山带是大陆岩石圈表面的两个基本构造单元，二者在空间上相互依存，在物质上相互转换，在地表形态上相互调整与均衡，具有密切的耦合关系[1]。前人常通过研究造山带前缘发育的盆地来揭示造山带源区特征、演化历史[2]，如合肥盆地与大别造山带[3-5]的相关研究。苏鲁造山带发育于郯—庐断裂带东侧，通常被认为是大别造山带的东延[6]，其北缘发育了胶莱盆地，为全面认识造山带的隆升与演化过程提供了一个新的窗口[7-8]。
诸城盆地发育于胶莱盆地的南端，是胶莱盆地的一个次级构造单元[9]。作为早白垩世的重要盆地，该盆地目前存在如下认知问题：①盆地的原型仍存在争议；②同为早白垩世凹陷，诸城盆地为什么存在比胶莱盆地中高密凹陷、莱阳凹陷厚得多的莱阳群沉积层（图1）？③诸城盆地与其东南侧的胶南造山带是否存在耦合关系？
砂岩的物质组分记录着物源区的信息，因而受到广泛关注。近年来，利用砂岩岩石地球化学特征判别岩石形成时的大地构造背景、盆地的物源及沉积构造背景等方面取得了很多成果[10-13]，为认识盆地及源区的性质与演化提供了新的视角。本文主要选取诸城盆地下白垩统莱阳群样品进行砂岩主量元素地球化学研究，结合砂岩组分特征深入探讨诸城盆地砂岩的物源属性、源区古风化与古气候条件，同时揭示胶南造山带抬升与诸城盆地沉降的耦合关系及区域构造意义。
1 区域地质概况
诸城盆地位于胶南造山带西侧，具有不对称的箕状结构，NE—SW向延伸的压扭性断层多发育于盆地与变质核杂岩下盘在地表的接合部，与造山带近平行。该组断层切割了诸城盆地早白垩世盆地，是晚白垩世区域挤压作用的结果。另有一组NE—SW向延伸的正断层伴随早白垩世侵入的闪长玢岩发育（图2）。
盆地的沉积中心呈NE—SW向分布，与苏鲁造山带平行。出露的盆地基底主要为元古代花岗岩（图1）。莱阳群在盆地中普遍发育，与基底的元古代花岗岩为沉积接触关系，厚度最大可达6 000 m；莱阳群主要为一套河流-湖泊相沉积，发育粒序层理、韵律层理及槽状交错层理等，岩性以灰色砂岩为主，并含少量页岩及砾岩（图3），局部夹火山岩。莱阳群（图2）从下到上可划分为林山寺组（Kll）、止凤庄组（Klz）、杨家庄组（Kly）、龙旺庄组（Kllw）、曲格庄组（Klq）和法家莹组（Klf），沉积年代为120～135 Ma[14-15]。
青山群为一套火山沉积岩，厚度分布很不均匀，最厚可达3 000 m（图2），主要发育八亩地组（Kqb），为一套安山质火山喷发岩，角度不整合覆盖于倾斜的莱阳群之上（图2）。王氏群在凹陷中分布局限，厚度较薄。
2 样品采集与物质组分特征
2.1 地层特征
野外考察选取山东省五莲县城—中至镇地质剖面，野外露头良好，从下向上发育林山寺组、龙旺庄组、曲格庄组与法家莹组（图2）。林山寺组主要为一套冲积扇相的块状角砾岩及含砾粗砂岩沉积，覆盖于胶南造山带元古代花岗片麻岩之上。龙旺庄组底部为一套灰紫色中粒长石砂岩、细砂岩、粉砂岩夹含砾粗砂岩，向上发育薄层粉、细砂岩及页岩。曲格庄组主要发育一套黄绿色薄层细砂岩、粉砂岩及页岩。法家莹组发育黄绿色含砾砂岩、中粒长石砂岩、粉砂岩及泥灰岩。根据地层发育的砾岩排列方式及地层产状，古流向总体表现为NW向[图2（b）]，显示盆地的物源主要来自于东南侧。
2.2 样品采集与物质组分统计
从盆地基底向西至青山群火山岩，样品采集的分布较均匀（图2）。砂岩的物质组分统计在薄片下进行，每个薄片大约统计550个颗粒（粒径介于60～400 μm），颗粒被分成石英、长石和岩屑，其他则当成混杂物不进行统计。单晶组分按单个矿物统计，多晶组分按岩屑统计。岩屑组分主要统计颗粒粒径小于50 μm的隐晶质微晶物质，而粒径大于50 μm的即使其明显由岩屑组成，但仍按矿物颗粒统计[3，12] 。统计结果见表1。
颗粒的大小影响着沉积岩石地球化学特征[19]，因而砂岩地球化学分析样品的选取以标本及薄片观察为基础，挑选了12个颗粒均匀的中、细粒砂岩作为分析测试对象（表1）。
3 分析方法
砂岩岩石主量元素分析使用荷兰Philips公司生产的PW2404型X 射线荧光光谱仪（XRF）测定，精度优于5%，试验在中国地质大学（北京）地质过程与与矿产资源国家重点实验室完成，分析结果见表2。数据处理时，去除烧失量，重新计算各主量元素含量。CaO含量（质量分数，下同）超过5%的样品有明显钙质胶结，需要对CaO含量进行特别处理。通常硅酸盐中CaO与Na2O含量最高为1∶1[20]，根据这样的原则对数据进行重新处理。经过处理后的数据近似为砂岩的真实含量（表2）。
4 结果分析与讨论
4.1 主量元素地球化学特征
4.1.1 化学成分特征及对比
（1）龙旺庄组与曲格庄组的对比。
数据分为龙旺庄组、曲格庄组及法家莹组，但法家莹组只有一个样品，不具有代表性。前两组样品都是经过精心挑选的，且有3个以上样品，其测试结果具有较高的科学价值。
龙旺庄组与曲格庄组相比（表2），除CaO之外，前者仅有SiO2含量（均值72.87%）高于后者（均值70.26%），其余主量元素含量均小于后者。龙旺庄组Al2O3含量介于11.83%～12.48%，均值为12.11%；K2O含量介于1.94%～2.63%，均值为2.16%；Na2O含量介于2.88%～4.55%，均值为3.56%；w（Fe2OT3）+w（MgO）均值为3.74%；TiO2含量介于0.37%～0.56%，均值为0.46%。曲格庄组Al2O3含量介于12.02%～16.17%，均值为13.93%；K2O含量介于1.81%～3.48%，均值为2.47%；Na2O含量介于2.52%～6.27%，均值为4.34%；w（Fe2OT3）+w（MgO）均值为5.84%。
