西藏南部侏罗纪—古近纪砂岩重矿物分析：探讨岩浆弧与大陆地块物源差异性

傅焓埔，胡修棉*，梁文栋，EDUARDO Garzanti

1. 南京大学 地球科学与工程学院，南京 210023；2. Department of Earth and Environmental Sciences, University of Milano-Bicocca, Milano 20126, Italy

物源分析是古地理重建与盆地分析的重要手段（Dickinson and Suczek, 1979; Weltje and von Eynatten, 2004; Allen, 2008）。Dickinson和Suczek （1979）基于全球前寒武纪—全新世88件砂岩的碎屑组分（石英、长石和岩屑）将物源区分为：“大陆地块物源”、“岩浆弧物源”、“再旋回造山带物源”，很好地区分了不同构造背景下的砂岩（大陆尺度，Ingersoll, 1990）。现代砂的研究表明重矿物组合也可以区分不同的大地构造背景（如岩浆弧、大陆地块）（如Garzanti and Andò, 2007a, b; Garzanti et al., 2014, 2015, 2017）。由于化学风化、水动力分选、成岩作用会改造原有的重矿物组合，因此现代砂的重矿物组合规律并不能直接应用于古代砂岩（Milliken, 2007; Morton and Hallsworth, 2007; Garzanti et al., 2018）。目前缺乏岩浆弧与大陆地块来源古代砂岩的重矿物研究（Garzanti et al., 2007b）。藏南侏罗纪—古近纪砂岩物源明确——亚洲大陆的冈底斯弧或印度大陆地块（如Hu et al., 2010, 2012, 2016; Wang et al., 2011; An et al., 2014; DeCelles et al., 2014），因此是研究岩浆弧与大陆地块来源的古代砂岩重矿物组成的绝佳场所。本文对西藏日喀则弧前盆地与特提斯喜马侏罗纪—古近纪16件砂岩进行定量重矿物分析，试图探讨岩浆弧与大陆地块来源的古代砂岩重矿物组成特征。

1 地质背景

1.1 地质概况

从北向南，青藏高原南部主要由拉萨地体、雅鲁藏布缝合带、特提斯喜马拉雅三个地质单元组成（图1）。雅鲁藏布缝合带由雅鲁藏布蛇绿岩套、修康混杂岩和碰撞后的砾岩带组成（Hébert et al., 2012; Wang et al., 2013; An et al., 2017）。雅鲁藏布缝合带以北的拉萨地体根据基底和盖层可以分为北、 中、南三个地体（潘桂棠等, 2006; Zhu et al., 2011) 。北拉萨地体以侏罗纪—白垩纪的沉积岩和火成岩为主（潘桂棠等, 2006; Zhu et al., 2009） ； 中拉萨地体以石炭纪—二叠纪变沉积岩和早侏罗世—晚白垩世火山—沉积地层为主（Kapp et al., 2005; Zhu et al., 2011）；南拉萨地体以晚三叠世—古近纪持续活动的冈底斯弧和白垩纪—古近纪的林子宗火山序列为主，分布少量的晚三叠世—白垩纪沉积盖层（潘桂棠等, 2006; Ji et al., 2009） 。沿拉萨地体南缘出露的日喀则弧前盆地从白垩纪至古近纪持续接受冈底斯弧为主的物质充填（Wang et al., 2012; An et al., 2014; Orme et al., 2015; Hu et al., 2016）。雅鲁藏布缝合带以南的特提斯喜马拉雅发育古生代—始新世沉积（Jadoul et al., 1998; Li et al., 2005）。

1.2 相关地层单元

日喀则弧前盆地早白垩世至古新世的冲堆组、昂仁组、帕达那组和加拉孜组（图2）为亚洲活动大陆边缘沉积，物源主要来自冈底斯弧（An et al., 2014; Orme et al., 2015; Hu et al., 2016）。特提斯喜马拉雅晚侏罗世至古新世的门卡墩组、古错村组、蹬岗组和基堵拉组（图2）为印度被动大陆边缘沉积，物源来自印度大陆地块（包括一些火山岩）（陈蕾等，2007；Hu et al., 2010, 2012; Wang et al., 2011; DeCelles et al., 2014; 胡修棉等，2017）；古新世—始新世的桑单林组、者雅组、恩巴组和扎果组（图2）为印度—亚洲大陆同碰撞沉积，物源主要来自冈底斯弧（Hu et al., 2012; Wang et al., 2011; DeCelles et al., 2014）。

2 方法

16件样品（表1）粉碎后，取约40 g使用标准的钢制筛网进行湿筛（32～500 μm）（Garzanti et al., 2009）。烘干后，样品在多钨酸钠重液（密度～2.90 g/cm3）中进行离心分离，通过液氮冷冻收集重矿物后称重，最后使用加拿大树脂将重矿物粘至载玻片上计数。13件样品通过面积法统计200～250颗透明重矿物（Mange and Maurer, 1992）；3件样品由于重矿物数量不足，用Fleet法进行统计。肉眼难以判断的重矿物利用拉曼光谱进行确认（Andò and Garzanti, 2014）。蚀变颗粒、氧化物、岩屑、页硅酸盐或碳酸盐均不计入重矿物。

表1 藏南侏罗纪—古近纪日喀则弧前盆地与特提斯喜马拉雅砂岩样品信息（岩性分类据Garzanti，2016)Table 1 Analyzed sandstones of Jurassic-Paleogene Xigaze forearc basin and Tethys Himalaya

ZTR指数是锆石、电气石和金红石之和相对于总透明重矿物的比例（Hubert，1962），通常用来评估重矿物组合的稳定性（即再旋回或成岩作用对重矿物的影响）。总重矿物浓度（HMC）和透明重矿物浓度（tHMC）按体积百分比进行计算，指示重矿物相对含量。透明重矿物的丰度可以分为极低(tHMC ＜0.1)、很低(0.1≤tHMC ＜0.5)、低(0.5≤tHMC＜1)、较 低(1≤tHMC ＜2)、较 高(2≤tHMC ＜5)、高(5≤tHMC ＜10)（Garzanti and Andò, 2007a; Garzanti et al., 2018）。

3 结果

相关重矿物已按重要程度列出（表2）。

表2 藏南侏罗纪—古近纪日喀则弧前盆地与特提斯喜马拉雅砂岩重矿物组合特征(物源中的弧为冈底斯弧，大陆地块为印度次大陆)Table 2 Heavy mineral assemblages of Jurassic-Paleogene Xigaze forearc basin and Tethys Himalayan sandstones in Southern Tibet

3.1 日喀则弧前盆地

冲堆组透明重矿物含量很低，以绿帘石（89%）为主，含少量磷灰石、石榴子石和铬尖晶石，ZTR=2（图3a）。昂仁组下段透明重矿物含量高，以绿帘石（100%）为主，ZTR=0（图3b）。昂仁组中段透明重矿物含量很低，以绿帘石（96%）为主，可见锯齿边等溶蚀结构（图3h），含少量磷灰石、石榴子石和铬尖晶石，ZTR=2（图3c）。昂仁组上段透明重矿物含量很低，以锆石、电气石和金红石为主（ZTR=65），含较多磷灰石（28%），可见锯齿边等溶蚀结构（图3g），见少量铬尖晶石、石榴子石和绿帘石（图3d）。帕达那组透明重矿物含量极低，一件样品以绿帘石为主（71%）（图3e），含少量磷灰石和铬尖晶石，ZTR=19；另一件样品以锆石、电气石和金红石为主（ZTR=55），含少量磷灰石、绿帘石和铬尖晶石。加拉孜组透明重矿物含量很低，以绿帘石为主（94%），含少量石榴子石、电气石、锆石和磷灰石，ZTR=3（图3f）。

图3 日喀则弧前盆地砂岩重矿物显微照片Fig. 3 Micrographs of heavy minerals in sandstones from Xigaze forearc basin

3.2 特提斯喜马拉雅

3.2.1 物源来自印度大陆地块的砂岩

门卡墩组透明重矿物含量极低，以电气石（92%）为主，见少量锆石和金红石（ZTR=100）（图4a）。古错村组透明重矿物含量较低，以锆石（64%）和磷灰石为主（19%），含少量金红石和电气石（ZTR=81）（图4b）。蹬岗组透明重矿物含量极低，以电气石、锆石、金红石、磷灰石和绿帘石为主，见少量石榴子石和铬尖晶石，两件样品的ZTR指数分别为76和81（图4c）。基堵拉组透明重矿物含量很低，以金红石（50%）和电气石（41%）为主，含少量锆石，见绿帘石、磷灰石和铬尖晶石，ZTR=97（图4d）。

3.2.2 物源来自冈底斯弧的砂岩

桑单林组透明重矿物含量极低，以电气石、磷灰石、锆石、金红石为主，见少量绿帘石和铬尖晶石，ZTR=55（图4e）。者雅组透明重矿物含量很低，以绿帘石为主（90%），含少量磷灰石、石榴子石和铬尖晶石，ZTR=6（图4f）。恩巴组透明重矿物含量很低，以磷灰石（54%）和电气石（27%）为主，含少量金红石、锆石、绿帘石、铬尖晶石和石榴子石，ZTR=38（图4g）。扎果组透明重矿物含量很低，以磷灰石（53%）、电气石（19%）和锆石（10%）为主，含少量金红石、石榴子石、绿帘石和铬尖晶石，ZTR=33（图4h）。

图4 特提斯喜马拉雅砂岩重矿物显微照片Fig. 4 Micrographs of heavy minerals from Tethys Himalayan sandstones

4 讨论

4.1 冈底斯弧与印度大陆地块来源砂岩的重矿物特征

物源以冈底斯弧为主的砂岩要么以绿帘石为主（日喀则弧前盆地砂岩与者雅组），要么以磷灰石为主（桑单林组、恩巴组和扎果组），HMC集中在0.1～1（表2）。这些砂岩的ZTR指数较低，大部分小于38（图5），昂仁组上段与桑单林组较高的ZTR指数（分别是65与55）可能与中拉萨地体提供较多物质有关（Wang et al., 2011; An et al., 2014）。昂仁组下段的大量绿帘石（全岩的5.5%）表明砂岩经历了沉积后的低级变质作用，类似的还有冲堆组、昂仁组中段和者雅组。

物源来自印度大陆地块的砂岩（门卡墩组、古错村组、基堵拉组和蹬岗组）以极高的ZTR指数为特征（75～100）（图5）。源区还包括部分火山岩（如Rajmahal和Deccan溢流玄武岩）的砂岩含少量磷灰石和铬尖晶石（表2，古错村组和蹬岗组）。

图5 藏南日喀则弧前盆地与特提斯喜马砂岩重矿物组合Fig. 5 Heavy mineral suites of Xigaze forearc basin and Tethys Himalayan sandstones

4.2 成岩作用对重矿物组合的影响

藏南侏罗纪—古近纪砂岩的部分重矿物显示溶蚀结构（图3g, h）；重矿物组合要么以绿帘石为主，要么以抗成岩作用的重矿物为主，如锆石、电气石、金红石、磷灰石和铬尖晶石，HMC集中在0.1～1（图5, 图6b）。而冈底斯弧来源的现代砂以角闪石为主，HMC为1～10（图6a, b）（Garzanti et al., 2017）；印度大陆地块来源的现代砂以角闪石、绿帘石、石榴子石为主（图6a）（Sinha et al., 2009）。这表明目前砂岩的重矿物组合已经被成岩过程强烈改造，大量不稳定的重矿物，如辉石、角闪石已消失。基于HMC推测（藏南砂岩HMC集中在0.1～1，现代砂HMC集中在1～10），目前保留的重矿物可能不足原始的10%。这与尼罗河、墨西哥湾、孟加拉扇等地的重矿物特征类似（Milliken, 2007; Morton and Hallsworth, 2007; Garzanti et al., 2018）。

图6 冈底斯弧、印度大陆地块来源现代与古代沉积的重矿物特征Fig. 6 Heavy mineral suites of modern and ancient sediments from Gangdese arc and Indian continental block

除了选择性地溶蚀一些不稳定的矿物，成岩作用还导致自生绿帘石的出现（日喀则弧前盆地砂岩与者雅组）。这是因为火山质岩石在低级变质作用下很容易形成绿帘石(Garzanti, 1985) ，如西喜马拉雅印度弧前盆地砂岩中普遍含有自生绿帘石（Garzanti and Van Haver, 1988; Henderson et al., 2010）。

4.3 碎屑组分与重矿物物源分析方法对比

碎屑组分可以指示物源区的岩石组成，是目前物源分析的有效手段（Garzanti, 2016）。藏南冈底斯弧来源的砂岩以大量的火山岩岩屑、较低的石英含量为特征（日喀则弧前盆地砂岩、桑单林组、者雅组、恩巴组和扎果组）；而大部分印度大陆地块来源的砂岩以极高的石英含量为特征（门卡墩组、蹬岗组和基堵拉组），源区为印度大陆地块且有部分火山岩的砂岩也呈现出大量火山岩岩屑与较低石英含量的特征（古错村组和蹬岗组）（图7）。因此碎屑组分可以区分冈底斯弧来源与印度大陆地块来源的砂岩，但不能很好地区分冈底斯弧与有部分火山岩的印度大陆地块来源的砂岩。

图7 藏南日喀则弧前盆地与特提斯喜马拉雅砂岩碎屑组分特征Fig. 7 Petrographic composition of Xigaze forearc basin and Tethys Himalayan sandstones

重矿物种类丰富（常见的有50种），能获取源区丰富的岩石学信息，是物源分析的重要对象（Mange and Maurer, 1992; Morton and Hallsworth, 2007; Garzanti et and Andò, 2007a, b）。尽管古代砂岩会经历成岩作用，保留的重矿物信息与源区存在一定偏差（Milliken, 2007; Morton and Hallsworth, 2007; Garzanti et al., 2018），但就本次研究而言，重矿物组合仍能很好地区分冈底斯弧、印度大陆地块与印度大陆地块且有部分火山岩来源的砂岩。冈底斯弧来源的砂岩以绿帘石或磷灰石为主，绝大多数ZTR指数小于40；印度大陆地块来源的砂岩以锆石、电气石和金红石为主， ZTR指数大于75；源区为印度大陆地块且有部分火山岩的砂岩以锆石、电气石和金红石为主，含少量磷灰石，ZTR指数为55～75（图5）。与碎屑组分分析相比，重矿物分析能较好地区分冈底斯弧与印度大陆地块且有部分火山岩来源的砂岩。因此，对古代砂岩来说，重矿物分析仍不失为一种有效的物源分析手段（如Morton et al., 2011, 2016）。

5 结论

西藏日喀则弧前盆地与特提斯喜马拉雅侏罗纪—古近纪砂岩的定量重矿物分析表明，大部分砂岩的重矿物浓度很低—极低，主要由一些相对稳定的、抗成岩作用强的矿物（锆石、电气石、金红石、磷灰石等）组成。成岩作用导致角闪石、辉石等不稳定矿物消失，绿帘石等自生矿物出现（如昂仁组下段）。尽管如此，重矿物组合可以很好地区分岩浆弧与大陆地块来源的砂岩：冈底斯弧来源的砂岩以绿帘石或磷灰石为主，绝大多数ZTR指数小于40；印度大陆地块来源的砂岩以极高的ZTR指数为特征（ZTR指数大于75），源区有部分火山岩的会含有一些磷灰石和铬尖晶石，ZTR指数为55～75。

致谢：感谢审稿人的建设性意见。感谢意大利比可卡大学Mara Limonta, Sergio Andò在重矿物实验处理中的帮助。