چینه‌نگاری سنگی، پتروگرافی و ژئوشیمی ماسه‌سنگ‌های بخش میانی سازند قرمز بالایی منطقة قزلجه، شمال غرب زنجان

مقدمه

سنگ‌های رسوبی آواری اطلاعات باارزشی دربارة محیط رسوبی و جایگاه ژئودینامیکی گذشته ارائه می‌کنند (Rieser et al. 2005). ترکیب سنگ‌شناسی و ژئوشیمیایی این سنگ‌ها در کنترل عوامل متعددی از قبیل ماهیت و هوازدگی سنگ‌منشأ، موقعیت زمین‌ساختی و فرایندهای دیاژنتیکی است (Mclennan et al. 1993)؛ البته تفکیک محیط‌های زمین‌ساختی براساس عناصر در سال‌های اخیر با انتقاداتی همراه بوده است (Armstrong-Altrin 2015). ترکیب سنگ‌های سیلیسی آواری متأثر از عوامل حمل‌ونقل، میزان هوازدگی، ویژگی‌های سنگ‌منشأ، پستی و بلندی، اقلیم، فعالیت‌های تکتونیکی و اثرهای دیاژنزی است (Whitmore et al. 2004; Von Eynatten 2004). برخلاف عناصر اصلی، بعضی عناصر فرعی و تمام عناصر نادر خاکی طی فرایندهای رسوب‌گذاری، دیاژنز و متامورفیک غیرمتحرک‌اند و ارتباط نزدیکی با مطالعات خاستگاه و تعیین محیط زمین‌ساختی دارند؛ بنابراین مطالعات خاستگاه براساس عناصر فرعی نسبت به عناصر اصلی، نتایج قابل اعتمادتری دربردارد (Mclennan et al. 1993; Cullers 2000; Augustsson and Bahlburg 2008)؛ بر این اساس در این پژوهش نیز، علاوه بر مطالعات پتروگرافی از اطلاعات حاصل از عناصر فرعی و نادر خاکی برای پی‌بردن به منشأ سنگ‌ها، تعیین محیط زمین‌ساختی و آب‌وهوای دیرینه استفاده شده است.

طی چند سال اخیر، زمین‌شناسان مختلف (e.g., Rajabzadeh et al. 2017; Haghighi 2017; Qavim et al. 2018) پژوهش‌هایی را دربارة نهشته‌های قاره‌ای سازند قرمز بالایی در بخش‌های غربی حوضة رسوبی البرز و ایران مرکزی انجام داده‌اند. این پژوهش‌ها ازنظر جنبه‌های مختلف رسوبی، تکتونیکی و شرایط آب‌وهوایی، ماسه‌سنگ‌های این سازند را به‌طور کامل مدنظر قرار داده‌اند. رسوبات تبخیری، مارنی و ماسه‌سنگی سازند قرمز بالایی در حوضة رسوبی البرز و ایران مرکزی با توجه به ماهیت و ترکیب سنگ‌شناسی آنها، به‌مثابة یک پوش سنگ مناسب در میدان‌های گازی این حوضه (همانند میدان گازی سراجه و البرز) حائز اهمیت هستند (Guoqiang et al. 2007)؛ همچنین رسوبات دانه‌درشت‌تر این سازند (نظیر میکروکنگلومراها و ماسه‌سنگ‌های دانه‌درشت) به‌مثابة یک سنگ میزبان مناسب برای ذخیرة مقادیر زیادی از ذخایر فلزی و معدنی (ازجمله کانسار مس، سرب و روی قزلجه در شمال غرب زنجان) از دیرباز در کانون توجه زمین‌شناسی قرار گرفته است؛ بنابراین بررسی دقیق چینه‌نگاری سنگی، پتروگرافی و ژئوشیمی بخش‌های مختلف این سازند در حوضه‌های رسوبی ایران مرکزی و البرز بسیار حائز اهمیت است.

با توجه به تمرکز و فراوانی لایه‌های ماسه‌سنگی در بخش‌های میانی این سازند در منطقة مدنظر (شمال غرب زنجان)، در این پژوهش یک رخنمون مناسب از بخش‌های میانی سازند قرمز بالایی در منطقة قزلجه به‌لحاظ چینه‌نگاری سنگی، پتروگرافی و ژئوشیمی و با هدف تعیین نوع سنگ‌منشأ، شرایط آب‌وهوایی دیرینه و تعیین موقعیت تکتونیکی این ماسه‌سنگ‌ها مدنظر قرار گرفته است. امید است نتایج حاصل از پژوهش حاضر به همراه دیگر پژوهش‌هایی که دربارة این ماسه‌سنگ‌ها طی چند سال اخیر انجام شده است، ازنظر اکتشاف هرچه بهتر این ذخایر رسوبی و درنهایت بازسازی دقیق جغرافیای دیرین و شرایط آب‌وهوایی زمان میوسن مورد استفادة زمین‌شناسان قرار گیرد.

روش کار و شیوة انجام پژوهش

در این پژوهش، در مرحلة اول برای انتخاب یک برش مناسب، نخست نقشة زمین‌شناسی 1:100000 ماهنشان (Lotfi 2001) مطالعه شد؛ سپس در بخش صحرایی از ماسه‌سنگ‌های بخش میانی سازند قرمز بالایی در منطقة قزلجه، 64 نمونة ماسه‌سنگی برداشت شد. در بخش آزمایشگاهی، از نمونه‌های انتخابی یادشده، 30 نمونه مقطع نازک تهیه و با استفاده از میکروسکوپ پلاریزان دومنظورة مدل GX در دانشگاه زنجان مطالعة دقیق رسوب‌شناسی شد. شمارش نقطه‌ای برای نام‌گذاری دقیق ماسه‌سنگ‌ها روی مقاطع و به پیروی از روش گزی- دیکنسون (Gazzi- Dickinson method) انجام شد؛ همچنین نمونه‌های ماسه‌سنگ‌های بررسی‌شده، براساس تقسیم‌بندی فولک (Folk 1980) نام‌گذاری شد (جدول 1). برای انجام مطالعات ژئوشیمیایی در کانسار قزلجه، تعداد 8 نمونه از ماسه‌سنگ‌های سازند قرمز بالایی با کمترین دگرسانی و میزان سیمان‌های کربناته، قطعات آهکی و فسیلی انتخاب و به آزمایشگاه زرآزما در زنجان ارسال شد. قطعات ماسه‌سنگی انتخاب‌شده بدون رگه‌های کلسیتی به روش ICP-MS، برای مشخص‌شدن مقدار دقیق عناصر فرعی آنالیز شد (جدول 3). نتایج حاصل از شمارش نقطه‌ای و آنالیز ژئوشیمیایی روی نمودارهای استاندارد موجود رسم و درنهایت نتایج بررسی شد.

زمین‌شناسی و چینه‌شناسی سازند قرمز بالایی

منطقة پژوهش، بخشی از نقشة زمین‌شناسی ۱:۱۰۰۰۰۰ منطقة ماه‌نشان (Lotfi 2001) را شامل می‌شود (شکل 1). این منطقه در تقسیمات ساختاری رسوبی ایران (Alavi 1991; Aghanabati 1998‚ 2005) در پهنة ایران مرکزی قرار می‌گیرد. واحدهای رخنمون‌یافته در این محدوده عمدتاً به زمان‌های الیگوسن تا میوسن شامل سازند قرمز زیرین، سازند قم و سازند قرمز بالایی هستند (شکل 1). واحدهای متعلق به سازند قرمز بالایی با واحدهای پلیوسن و کواترنری پوشیده شده است. علاوه بر نهشته‌های مربوط به زمان سنوزوئیک که حجم غالب رسوبات منطقة قزلجه واقع در شمال غرب زنجان را تشکیل می‌دهند، در این ناحیه رسوبات قدیمی‌تر و حتی متعلق به زمان‌های پرکامبرین پسین- پالئوزوئیک پیشین با ترکیب سنگ‌شناسی غالب ماسه‌سنگی و شیلی نیز در نزدیکی برش بررسی‌شده رخنمون دارد. گفتنی است به داخل این رسوبات، توده‌های نفوذی گرانیتی- گرانودیوریتی خاکستری‌رنگ با گسترش قابل ملاحظه نیز تزریق شده است (Torkamani 2019). به نظر می‌رسد گسل‌های موجود در منطقه موجب برون‌زد توده‌های نفوذی در منطقه شده است.

شکل 1- نقشة زمین‌شناسی منطقة پژوهش (Modified after Lotfi 2001)، که فقط سازندهای اصلی متعلق به زمان سنوزوئیک شامل سازند قرمز زیرین، آهکی قم و قرمز بالایی در آن نمایش داده شده است.

Fig. 1- Geological map of study area (Modified after Lotfi 2001), which shows the formations of Cenozoic time including the Lower Red, Qom and the Upper Red Formations.

سازند قرمز بالایی، اصلی‌ترین سازند موجود در محدودة بررسی‌شده است. این سازند با توجه به ترکیب سنگ‌شناسی آن به سه بخش به‌صورت زیر تقسیم می‌شود (شکل‌های 2 و 3):

1. بخش زیرین (M₁) که تناوبی از مارن‌های سبز و قرمز همراه با لایه‌های تبخیری است. این بخش با یک لایة تبخیری از سازند کربناته و ریفی قم جدا می‌شود. ضخامت این بخش با توجه به مطالعات صحرایی انجام‌شده، 250 متر است. این بخش به‌صورت پیوسته و هم‌شیب با بخش میانی سازند قرمز بالایی پوشیده شده است.
2. بخش میانی (M₂) که به‌طور عمده از نوع ماسه‌سنگ‌های دانه‌متوسط ضخیم‌لایه همراه با لایه‌های مارنی قرمزرنگ تشکیل شده است. در داخل ماسه‌سنگ‌های این واحد، انواعی از ساختمان رسوبی نظیر لایه‌بندی متوسط، ریپل مارک به همراه ردپای پرندگان مشاهده و شناسایی شده است (شکل 2). به دلیل فرایندهای چین‌خوردگی و گسلش، شیب و امتداد این بخش در قسمت‌های مختلف منطقه متفاوت است؛ اما در برش بررسی‌شده، ضخامت این بخش از سازند قرمز بالایی با توجه به مطالعات صحرایی انجام‌شده، حدود 500 متر در نظر گرفته شده است. در این پژوهش، تمرکز اصلی مطالعات پتروگرافی و ژئوشیمی عنصری بر لایه‌های ماسه‌سنگی این بخش بوده که در نمونه‌هایی این لایه‌های ضخیم‌لایه دربرگیرندة کانه‌زایی‌های فلزی متنوعی نظیر سرب، روی و مس است.
3. بخش بالایی سازند قرمز بالایی (M₃) که شامل تناوبی از مارن‌های سبزرنگ، ماسه‌سنگ و گل‌سنگ‌های قرمز تیره است و به تعداد ناچیز، لایه‌های متناوب از ماسه‌سنگ خاکستری تا سبز آنها را همراهی می‌کند. در بخش‌های مارنی این واحد، لایه‌های نازک غنی از ژیپس نیز مشاهده می‌شود. این واحد به‌لحاظ لیتولوژیکی شامل تناوبی از مارن و ماسه‌سنگ‌های نازک تا لامینه‌دار است که لایه‌های مارن قهوه‌ای واحدهای غالب در این عضو را تشکیل می‌دهند. ضخامت این بخش از سازند حدود 400 متر در نظر گرفته شده که در ستون چینه‌شناسی این بخش از سازند ترسیم نشده است. این واحد به‌صورت ناپیوسته در زیر کنگلومرای پلیوسن واقع شده و خود به‌صورت پیوسته و هم‌شیب روی بخش میانی سازند قرمز بالایی قرار گرفته است.

شکل 2- تصاویر صحرایی از منطقة پژوهش؛ A. نمایی از سازند قرمز بالایی در منطقة قزلجه (دید به سمت شمال غرب)؛ B. لایه‌بندی متوسط‌لایه در ماسه‌سنگ‌های سازند قرمز بالایی در منطقة پژوهش (دید به سمت جنوب غرب)؛ C. آثار ریپل مارک‌های موجود در سازند قرمز بالایی در منطقة پژوهش؛ D. قالب‌های شیاری و وزنی ساده و کوچک در این سازند؛ E. ردپای پرندگان در داخل واحدهای ماسه‌سنگی سازند قرمز بالایی

Fig- 2. Field images of the study area, A) photo of the Upper Red Formation in the Ghezeljeh area (view to the northwest), B) Medium layering in sandstone layers of the Upper Red Formation in the study area (view to the southwest), C) the ripple marks traces in the Upper Red Formation in the study area, D) load and flute casts within this formation, E) bird footprints inside the sandstone units of the Upper Red Formation.

ستون چینه‌شناسی ترسیم‌شده از بخش زیرین (با لیتولوژی غالب تبخیری و مارن) و بخش میانی (مارن با میان‌لایه‌های ماسه‌سنگ) سازند قرمز بالایی در منطقة قزلجه، ضخامتی حدود 750 متر دارد و شامل تناوبی از واحدهای سنگی از جنس گل سنگ و مارن به رنگ قهوه‌ای همراه با میان‌لایه‌هایی از ماسه‌سنگ‌های خاکستری ضخیم‌لایه است (شکل‌های 3 و 4). در محدودة قزلجه، بخش دارای تناوب مارن و ماسه‌سنگ متشکل از لایه‌های ماسه‌سنگی با ضخامت حدود 2 تا 7 متر است (شکل‌های 3 و 4).

شکل 3- ستون چینه‌شناسی کلی تهیه‌شده از توالی سازند قرمز بالایی که روی سازند قم قرار گرفته است. در سمت راست لایه‌های مارن و ماسه‌سنگی بخش میانی سازند قرمز بالایی در منطقة قزلجه نشان داده شده است. محل برداشت نمونه‌های سنگی برای انجام مطالعات پتروگرافی در کنار لایه‌های ماسه‌سنگی با دایرة مشکی مشخص شده است.

Fig 3- General stratigraphic column of Upper Red Formation which is located on the Qom Formation. In the right side, marl and sandstone layers of the middle part of the Upper Red Formation are shown in the Ghezeljeh area. The sampling points (black circles) for petrographic studies has been marked next to the sandstone horizons.

شکل 4-پروفیل تهیه‌شده از منطقة پژوهش

Fig 4- Geological profile of the study area.

پتروگرافی ماسه‌سنگ‌های بررسی‌شده

با توجه به مطالعات پتروگرافی، ذرات اصلی تشکیل‌دهندة این ماسه‌سنگ‌ها نسبت به کل سنگ به‌طور میانگین شامل 16% کوارتز (عمدتاً به‌صورت تک‌بلوری با خاموشی مستقیم)، 8% فلدسپات (عمدتاً از نوع فلدسپات آلکالن و به مقدار کمتر پلاژیوکلاز) و %24 خرده‌سنگ است (جدول 1 و شکل 5). خرده‌سنگ‌های رسوبی حدود 16 درصد کل سنگ را شامل می‌شود که دربرگیرندة 2 درصد قطعات چرت، 8 درصد خرده‌های آهکی و فسیلی و همچنین 6 درصد خرده‌سنگ ماسه‌سنگی است. خرده‌سنگ‌های دگرگونی نیز با فراوانی حدود 6 درصد و خرده‌سنگ ولکانیکی با فراوانی حدود 2 درصد همراه با خرده‌سنگ‌های رسوبی در مقاطع شناسایی شده‌اند. بیشتر فضای زمینة ماسه‌سنگ‌های بررسی‌شده را ماتریکس (حدود %16) تشکیل می‌دهد؛ علاوه بر ماتریکس، %۸ فضای خالی ذرات را سیمان کربناته و %۴ زمینه را فضای خالی بین ذرات پر می‌کند. از دیگر ذرات موجود در این ماسه‌سنگ‌ها، کانی‌های فرعی (بیوتیت، مسکویت، کلریت، پیروکسن، اپیدوت، آزوریت، مالاکیت، آپاتیت، زیرکن، اکسید آهن) است که حدود %۱۰ ذرات تشکیل‌دهندة ماسه‌سنگ‌ها را شامل می‌شود. کانی‌های کدر نیز درمجموع حدود %۱۴ حجم ماسه‌سنگ‌ها را شامل می‌شود (جدول 1).

جدول 1. ترکیب مدال نمونه‌های ماسه‌سنگی سازند قرمز بالایی در منطقة قزلجه نسبت به کل سنگ. کوارتز با خاموشی مستقیم (Q_non)، کوارتز با خاموشی موجی (Q_un)، کوارتز تک‌کریستالی (Q_m)، کوارتز چندکریستالی (Q_p)، کوارتز کل (Q_t)، آلکالی فلدسپار (Or)، پلاژیوکلاز (Pl)، فلدسپات کل (Ft)، خرده‌سنگ دگرگونی (L_v)، خرده‌سنگ آتشفشانی (L_m)، چرت (Cht)، خرده‌سنگ آهک و فسیل (Lls)، خرده‌سنگ ماسه‌سنگی (Ls)، خرده‌سنگ کل (Lt)، ماتریکس (M)، سیمان کربناته (C)، فضای خالی (P)، بیوتیت (Bt)، مسکویت (Ms)، کلریت (Chl)، پیروکسن (Pyr)، اپیدوت (Ep)، آپاتیت (Ap)، زیرکن (Zr)، آزوریت (Az)، مالاکیت (Mlc)، اکسید آهن (FeO)، عناصر فرعی کل (T).

Table 1- The modal composition of sandstone samples from Upper Red Formation in the Ghezeljeh area. Quartz with parallel extinction (Qnon), Quartz with undulose extinction (Qun), monocrystalline quartz (Qm), polycrystalline quartz (Qp), total quartz (Qt), Alkali feldspar (Or), plagioclase (Pl), total feldspar (Ft), metamorphic (Lv), volcanic (Lm), chert (Cht), limestone and fossil (Lls), sandstone (Ls), total (Lt), Matrix (M), carbonate cement (C), open space (P), biotite (Bt), muscovite (Ms), chlorite (Chl), pyroxene (Pyr), epidote (Ep), apatite (Ap), zircon (Zr), azurite (Az), malachite (Mlc), iron oxide (FeO), total trace elements (T).

شکل 5- تصویر میکروسکوپی از اجزای تشکیل‌دهندة ماسه‌سنگ‌های موجود در محدودة قزلجه؛ A. ماسه‌سنگ با ترکیب سنگ‌شناسی از نوع لیت‌آرنایت دارای کوارتز تک‌بلوری (Qz_m)؛ B. تصویر میکروسکوپی از کوارتز چندبلوری (Qz_m) با ترکیب سنگ‌شناسی از نوع لیت‌آرنایت (تصاویر میکروسکوپی با استفاده از نور دوبار پلاریزة عبوری گرفته شده است)؛ C. پلاژیوکلاز (Pl) با مأکل پلی‌سنتتیک که با سیمان کلسیتی احاطه شده است، ترکیب سنگ‌شناسی از نوع فلدسپاتیک‌آرنایت است؛ D. کانی آلکالی‌فلدسپار (Or) که تا حدی متأثر از دگرسانی قرار گرفته است، ترکیب سنگ‌شناسی از نوع فلدسپاتیک‌آرنایت؛ E. خرده‌هایی از جلبک قرمز در ماسه‌سنگ‌های بررسی‌شده؛ F. فرامینیفر بنتیک در ماسه‌سنگ‌های بررسی‌شده؛ G. فرامینیفر پلانکتون در ماسه‌سنگ‌های بررسی‌شده؛ H. یک قطعة کربناته که دربرگیرندة فرامینیفر بنتیک و دوکفه‌ای است (تصاویر میکروسکوپی با استفاده از نور دوبار پلاریزة عبوری گرفته شده است). علائم اختصاری کانی‌ها ازWhitney and Evans 2010  اقتباس شده است.

Fig 5- Photomicrographs of sandstones components in the Ghezeljeh area, A) litharenite sandstone with monocrystalline quartz (Qzm), B) Microscopic image of polycrystalline quartz (Qzm), C) plagioclase (Pl) with a polysynthetic twinkle which surrounded by calcite cement. The composition of rock is litharenite, D) alkali feldspar (Or) mineral that has been affected by alteration. The composition of rock is litharenite, E) fragments of red algae in the studied sandstones, F and G) benthic and plankton foraminifera in the studied sandstones, H) a carbonate fragment containing benthic foraminifera and Bivalvia fossils (microscopic images were taken using crossed polarized light). Mineral abbreviations are from Whitney and Evans (2010).

در جدول 2، درصد کانی‌های اصلی تشکیل‌دهندة ماسه‌سنگ‌های بررسی‌شده (کوارتز، فلدسپات و خرده‌سنگ‌ها) نیز بیان شده است. همان‌گونه که در جدول دیده می‌شود، فراوان‌ترین ذره از بین ذرات اصلی تشکیل‌دهندة ماسه‌سنگ‌های توالی بررسی‌شده، خرده‌سنگ‌ها (به‌طور میانگین 47 درصد) و کمترین کانی فلدسپات (به‌طور میانگین حدود 15 درصد) است. با توجه به تقسیم‌بندی فولک (Folk 1980) و درصد کانی‌های تشکیل‌دهنده، ماسه‌سنگ‌های بخش میانی سازند قرمز بالایی در منطقة قزلجه از نوع فلدسپاتیک‌لیت‌آرنایت و لیت‌آرنایت (سدآرنایت- کالک لیتایت) است (شکل 6). این ماسه‌سنگ‌ها جهت‌یافتگی ضعیفی دارند و ازنظر پارامتر جورشدگی خوب تا ضعیف و ازنظر گردشدگی، نیمه‌زاویه‌دار تا زاویه‌دار هستند. این ماسه‌سنگ‌ها ازلحاظ بلوغ بافتی به‌صورت ایمچور و گاه ساب‌مچور در نظر گرفته می‌شوند که احتمالاً بیان‌کنندة نزدیک‌بودن محیط رسوب‌گذاری آنها به سنگ‌منشأ است.

جدول 2- درصد محاسبه‌شده از نتایج نقطه‌شماری برای استفاده در نمودارهای فولک (Folk 1980)، کوارتز تک‌کریستالی (Q_m)، کوارتز چندکریستالی (Q_p)، کوارتز کل (Q_t)، آلکالی فلدسپار (Or)، پلاژیوکلاز (Pl)، فلدسپات کل (Ft)، خرده‌سنگ دگرگونی (L_v)، خرده‌سنگ آتشفشانی (L_m)، چرت (Cht)، خرده‌سنگ آهک و فسیل (Lls)، خرده‌سنگ ماسه‌سنگی (Ls)، خرده‌سنگ کل (Lt).

Table 2- Calculated percentage of counting results of sandstones for using in the Folk (1980) diagrams. monocrystalline quartz (Qm), polycrystalline quartz (Qp), total quartz (Qt), alkali feldspar (Or), plagioclase (Pl), total feldspar (Ft), metamorphic fragments (Lv), volcanic fragments (Lm), chert (Cht), limestone and fossil fragments (Lls), sandstone fragments (Ls), total fragments (Lt).

شکل 6- موقعیت ماسه‌سنگ‌های بخش میانی سازند قرمز بالایی در منطقة قزلجه روی نمودار مثلثی فولک (Folk 1980)

Fig 6- Position of sandstones from middle of the Upper Red Formation in the Ghezeljeh area on the Folk (1980) triangular diagram.

موقعیت تکتونیکی براساس آنالیز مدال

با توجه به دیاگرام‌های مثلثی (Qt-F-L) و (Qm-F-Lt) مربوط به دیکینسون و سوچک (Dickinson and Suczek 1979) و همچنین دیکینسون و همکاران (Dickinson et al. 1983) که براساس نسبت کوارتزهای تک‌بلوری، فلدسپات و خرده‌سنگ است، می‌توان جایگاه تکتونیکی ماسه‌سنگ‌های منطقة قزلجه را تعیین کرد. با توجه به فراوانی بیشتر خرده‌سنگ‌ها نسبت به کوارتز و فلدسپات، ماسه‌سنگ‌های سازند قرمز بالایی در منطقة قزلجه در محدودة کمان‌های فرسوده، انتقالی و چرخة انتقالی مجدد قرار می‌گیرند (شکل 7. الف و ب).

شکل 7- جایگاه تکتونیکی ماسه‌سنگ‌های منطقة قزلجه روی نمودارهای الف: (Dickinson and Suczek 1979) و ب: (Dickinson et al. 1983)؛ (F: فلدسپات، L: خرده‌سنگ، Lt: خرده‌سنگ کل، Qm: کوارتز تک‌بلوری، Qt: کوارتز کل).

Fig 7- Tectonic discrimination diagrams of the Ghezeljeh sandstones, A: Dickinson and Suczek (1979) and B: Dickinson et al. (1983). (F: feldspar, L: rock fragments, Lt: total rock fragments, Qm: monocrystalline quartz, Qt: total quartz).

از سوی دیگر، دیاگرام‌های مثلثی (Qp-Lvm-Lsm)، (Lv-Lm-Ls) و (Qp-Lv-Ls) مربوط به اینگرسول و سوژک (Ingersoll and suczek 1979) که براساس مودال ماسه‌سنگ‌های منطقة قزلجه تهیه شده‌اند، نشان‌دهندة موقعیت تکتونیکی کمربندهای برخوردی و به میزان کمتر کمان ماگمایی در ارتباط با حوضه‌های فورلندی و برخوردی هستند. این موضوع حاکی از آن است که جایگاه تکتونیکی ماسه‌سنگ‌های منطقة پژوهش در حاشیة صفحات همگرا و فعال تکتونیکی قرار دارد (شکل 8). تعداد محدودی از نمونه‌های ماسه‌سنگی (4 نمونه) متعلق به بخش بالای توالی بررسی‌شده نیز در محدودة کمان‌های ماگمایی قرار می‌گیرد. در این نمونه‌ها به میزان کم (حداکثر 5 درصد)، خرده‌سنگ‌های آتشفشانی و کانی پلاژیوکلاز (حدود 4 تا 5 درصد) شناسایی شده است. این موضوع احتمالاً مبین آن است که جایگاه تکتونیکی ماسه‌سنگ‌های منطقة پژوهش در حاشیة صفحات همگرا و فعال تکتونیکی قرار دارد و از فرسایش کمان‌های ماگمایی فرسودة رخنمون‌یافته در منطقة پژوهش، بخشی از خرده‌سنگ‌ها و کانی‌های تشکیل‌دهندة ماسه‌سنگ‌های بخش میانی سازند قرمز بالایی در منطقة قزلجه تأمین شده است (شکل 8).

شکل 8- تعیین جایگاه تکتونیکی ماسه‌سنگ‌های منطقة قزلجه براساس دیاگرام‌های مثلثی اینگرسول و سوژک (Ingersoll and Suczek 1979)؛ (Lm: خرده‌سنگ دگرگونی، Ls: خرده‌سنگ رسوبی، Lv: خرده‌سنگ آتشفشانی، Lsm: خرده‌سنگ رسوبی دگرگونی، Lvm: خرده‌سنگ آتشفشانی- دگرگونی، Qp: کوارتز چندبلوری)

Fig 8- Tectonic discrimination diagrams of sandstones in the Ghezeljeh area based on Ingersoll and Suczek (1979) triangular diagrams. (Lm: metamorphic fragments, Ls: sedimentary fragments, Lv: volcanic fragments, Lsm: metamorphic sedimentary fragments, Lvm: volcanic-metamorphic fragments, Qp: polycrystalline quartz).

شرایط آب‌وهوایی براساس آنالیز مدال

با استفاده از نمودار مثلثی (Q-F-RF) ساتنر و همکاران (Suttner et al. 1981) و نتایج حاصل از مطالعات پتروگرافی ماسه‌سنگ‌های منطقة قزلجه (براساس مطالعات میکروسکوپی، بخش عمدة ذرات را خرده‌سنگ‌ها به‌ویژه خرده‌سنگ‌های دگرگونی درجه پایین تا متوسط "اسلیت و فیلیت" و رسوبی تشکیل می‌دهند و همچنین کوارتزهای شناسایی‌شده عمدتاً تک‌بلوری با خاموشی مستقیم هستند) و با توجه به اینکه مقدار کوارتز موجود در نمونه‌ها کم است، ماسه‌سنگ‌های منطقة قزلجه در آب‌وهوایی خشک تشکیل شده‌اند. موقعیت نمونه‌های ماسه‌سنگی منطقة قزلجه روی نمودار ساتنر و دوتا (Suttner and Dutta 1986) (Qt/F+RF) در مقابل (Qp/F+ RF) و همچنین حضور توالی تبخیری در توالی بررسی‌شده، نشان‌دهندة حاکمیت شرایط نیمه‌خشک تا خشک حین هوازدگی سنگ‌منشأ و نهشت این ماسه‌سنگ‌هاست (شکل 9. A).

گراندام و ولبل (Grantham and Velbel 1988) ضریب هوازدگی (Wi) را برای سنگ‌های سیلیسی آواری به‌صورت Wi= cr تعریف می‌کنند. در این رابطه c، سرعت و میزان هوازدگی (آب‌وهوا) و r، مدت‌زمان اقامت رسوبات در شرایط هوازدگی است. میزان c و r در نمودار ولتژ (Weltje 1994) بررسی شده است. همان‌طور که در این نمودار دیده می‌شود، ماسه‌سنگ‌های منطقة قزلجه از سنگ‌های آذرین درونی و به مقدار کمتر دگرگونی منشأ گرفته‌اند که در یک محیط دارای آب‌وهوای نیمه‌خشک تا نیمه‌مرطوب بوده‌اند. وجود فلدسپات‌های غیرهوازده، زاویه‌دار تا نیمه‌زاویه‌دار بودن دانه‌ها و بلوغ نسبتاً کم ماسه‌سنگ‌ها، حاکی از آب‌وهوای خشک حاکم بر منطقه در زمان رسوب‌گذاری است (شکل 9. B).

بالاتو و همکاران (Ballato et al. 2010) با مطالعات ایزوتوپی که روی کربنات‌های پدوژنیک و دریاچه‌ای سازند قرمز بالایی و همچنین نوع کانی‌های رسی تشکیل‌دهندة این سازند انجام داده‌اند، سه نوع رژیم آب‌وهوایی مختلف را در طول رسوب‌گذاری سازند قرمز بالایی شناسایی کرده‌اند. این پژوهشگران علت اصلی این تغییرات آب‌وهوایی را تکامل رشته‌کوههای البرز طی زمان میوسن در نظر گرفته‌اند؛ به‌طوری که در زمان‌هایی که این رشته‌کوه به‌صورت یک سد توپوگرافی مانع انتقال رطوبت به دامنه‌های جنوبی‌تر خود (همانند منطقة بررسی‌شده در پژوهش حاضر) شده، شرایط آب‌وهوایی خشک و نیمه‌خشک در این بخش از حوضة رسوبی البرز به میزان زیادی گسترش یافته است. این مطالعات نشان داده در بخش‌های زیرین تا میانی سازند قرمز بالایی، مقادیر مثبت و سنگین‌تر ایزوتوپ اکسیژن بیان‌کنندة استمرار شرایط آب‌وهوایی خشک و نیمه‌خشک در دامنه‌های جنوبی البرز بوده است که منطقه و ماسه‌سنگ‌های بررسی‌شده در این پژوهش نیز، جزئی از این ناحیه محسوب می‌شود.

شکل 9- A. نمایش شرایط آب‌وهوایی منطقة قزلجه در زمان ته‌نشینی سنگ‌ها با استفاده از ترکیب مودال ماسه‌سنگ‌ها (Suttner et al. 1981)؛ کوارتز (Q)، فلدسپات (F)، خرده‌سنگ (RF)؛ B. نمودار دوبعدی تعیین آب‌وهوا براساس داده‌های حاصل از ترکیب مودال (Suttner and Dutta 1986)

Fig 9- A) The diagram show climate conditions in the Ghezeljeh area at the deposition time of rocks using modal composition of sandstones (Suttner et al. 1981). Quartz (Q), feldspar (F), rock fragments (RF). B) Two-dimensional diagram of climate determination based on modal composition of sandstones (Suttner and Dutta 1986).

ژئوشیمی

 سنگ‌های رسوبی آواری با توجه به اجزای تشکیل‌دهندة خود نمایندة خوبی از محیط گذشته و حتی جایگاه زمین‌ساختی و ژئودینامیکی گذشته‌اند (Rieser et al. 2005). ترکیب شیمیایی رسوبات آواری متأثر از عواملی مانند ویژگی سنگ‌منشأ، هوازدگی شیمیایی، فرایندهای جورشدگی حین حمل، نحوة رسوب‌گذاری و شرایط دیاژنز است (Nebsit et al. 1982)؛ با وجود این باور بر این است که بعضی عناصر غیرمتحرک مانند Th, Sc, Y, Zr, Hf, Cr, Co و عناصر کمیاب، شاخص‌های مفیدی برای فرایندهای زمین‌شناسی، منشأ و جایگاه تکتونیکی هستند (Taylor and Maclennan 1985; Bahita and Crook 1986; Maclennan et al. 1993). چگونگی توزیع عناصر مختلف در واحدهای سنگی و کانسنگی و همین‌طور همبستگی آنها، اطلاعات مفیدی را در اختیار زمین‌شناسان می‌گذارد. به‌منظور انجام مطالعات ژئوشیمیایی در این پژوهش، تعداد 8 نمونه از ماسه‌سنگ‌های برداشت‌شده از بخش میانی سازند قرمز بالایی به آزمایشگاه زرآزما برای آنالیز ICP_MS ارسال شد که در جدول 3 مقادیر عناصر فرعی ماسه‌سنگ‌های سازند قرمز بالایی نشان داده شده است. همان‌گونه که پیش از این نیز بیان شد، در انتخاب نمونه‌های ژئوشیمی عنصری سعی شده است از نمونه‌های با کمترین دگرسانی و حضور کانی‌های کربناته و فسیلی در بحث ژئوشیمی استفاده شود. گفتنی است نمونه‌های با تمرکز زیاد قطعات کربناته و فسیلی آنالیز زمین‌شیمیایی نشده‌اند. مطالعات پتروگرافی به‌وضوح نشان می‌دهد یکی از اجزای اصلی تشکیل‌دهندة ماسه‌سنگ‌های بخش میانی سازند قرمز بالایی، قطعات کربناته و فسیلی (احتمالاً مربوط به سازند قم) است که در نتایج حاصل از مطالعات ژئوشیمیایی تا حدودی خطا ایجاد می‌کند؛ از این

رو در این پژوهش تا جای ممکن از نتایج حاصل از مطالعات ژئوشیمیایی فقط برای تأیید نتایج آنالیزهای پتروگرافی ماسه‌سنگ‌های بررسی‌شده استفاده شده است.

سنگ‌منشأ

نمودار دوتایی La/Sc دربرابر Th/Co برای درک اطلاعات سنگ‌منشأ سنگ‌های آواری بسیار مفید است (Cullers 2002)؛ بر این اساس ماسه‌سنگ‌های منطقة قزلجه در محدودة سنگ‌های کاملاً سیلیسی قرار می‌گیرند که این امر نشان می‌دهد ماسه‌سنگ‌های بررسی‌شده عمدتاً با یک سنگ‌منشأ فلسیک تغذیه شده‌اند (شکل 10. A). دو عنصر Th و Sc از فرایندهای رسوبی تأثیر نمی‌پذیرند؛ درنتیجه نسبت این دو عنصر نمایندة خوبی برای شناخت سنگ‌منشأ است (Taylor and Maclennan 1985). نمودار Th در مقابل Sc (Maclennan et al. 1993) برای ماسه‌سنگ‌های منطقة قزلجه حاکی از آن است که منشأ عمدة این سنگ‌ها، سنگ‌های آذرین حدواسط هستند (شکل 10. B)؛ همچنین در نمودار مثلثی V- Ni- Th*10 که در آن مناطق با ترکیب سنگ‌های اسیدی، بازی و فوق بازی مشخص شده است (Bracciali et al. 2007)، نمونه‌های بررسی‌شده نزدیک مناطق با منشأ آذرین حدواسط قرار گرفته‌اند (شکل 10. C).

لازم به توضیح است همان‌گونه که در مطالعات پتروگرافی نیز بیان شده، علاوه بر سنگ‌منشأ آذرین حدواسط که احتمالاً به توده‌های گرانیتی- گرانودیوریتی خاکستری‌رنگ در منطقة بررسی‌شده مربوط است، بخش بزرگی از اجزای تشکیل‌دهندة ماسه‌سنگ‌های مطالعه‌شده را خرده‌سنگ‌های کربناته و به میزان کمتر خرده‌سنگ‌های دگرگونی تشکیل می‌دهد. این دو بخش احتمالاً با توجه به برون‌زد قابل ملاحظة سنگ آهک‌های سازند قم و دگرگونی‌های متعلق به سازند کهر در منطقة قزلجه، از این دو سازند تأمین شده‌اند و به همراه دیگر ذرات با منشأ آذرین حدواسط، قطعات اصلی ماسه‌سنگ‌های سازند قرمز بالایی را در منطقة قزلجه واقع در شمال غرب زنجان تشکیل می‌دهند.

جدول 3- نتایج آنالیزهای شیمیایی عناصر کمیاب و عناصر کمیاب خاکی (ppm) برای واحدهای ماسه‌سنگی منطقة قزلجه

Table 3- Geochemical analysis of trace and rare earth elements (ppm) of sandstone units in the Ghezeljeh area.

شکل 10- نمودارهای تعیین منشأ ماسه‌سنگ‌های سازند قرمز بالایی براساس عناصر فرعی؛ A. نمودار La/Sc دربرابرTh/Co  (Cullers 2002)؛ B. نمودار Sc در مقابل Th(Maclennan et al. 1993)؛ C. نمودار سه‌تایی V- Ni- Th*10(Bracciali et al. 2007)

Fig 10- Diagrams show the origin of sandstones from Upper Red Formation based on trace elements, A) diagram of La/Sc vs. Th/Co (Cullers 2002). B) diagram of Sc vs. Th (Maclennan et al. 1993), C) V-Ni-Th*10 diagram (Bracciali et al. 2007).

جایگاه زمین‌ساختی

شرایط و جایگاه تکتونیکی تأثیر مستقیم بر ترکیب ماسه‌سنگ‌ها دارد؛ بنابراین استفاده از داده‌های پتروگرافی و ژئوشیمی نشان می‌دهد هر جایگاه تکتونیکی، ترکیب کانی‌شناسی و شیمیایی متفاوتی دارد (Zaid and Gahtani 2015)؛ همچنین به گفتة ورما و آرمسترانگ (Verma and Armestrong 2013) استفاده از ژئوشیمی ماسه‌سنگ‌ها، ابزار سودمندی برای به‌دست‌آوردن جایگاه تکتونیکی است و از نمودارهای مختلف ژئوشیمیایی عناصر اصلی، فرعی و نادر خاکی برای تعیین جایگاه تکتونیکی سنگ‌های سیلیسی- آواری استفاده می‌شود.

جایگاه تکتونیکی، دو ویژگی بررسی نواحی خاستگاهی (شامل بلوک قاره‌ای، سیستم کمان‌های آتشفشانی و کمربندهای تصادمی) و بررسی نوع مرز بین صفحات (شامل حاشیة قاره‌ای غیرفعال یا ریفتی، حاشیة قاره‌ای فعال یا کوه‌زایی و حاشیة گسلی امتداد لغز) را شامل می‌شود (Dickinson and Suczek 1979; Dickinson et al. 1983; Garzanti and Vezzoli  2003; Garzanti et al. 2007). با توجه به ناپایداری عناصر قلیایی و قلیایی خاکی در مقابل فرایندهای هوازدگی، تعیین محیط تکتونیکی فقط براساس عناصر اصلی به دلیل تحرک این عناصر در طول فرایندهای هوازدگی و دگرسانی ممکن است موجب بروز خطا و ایجاد نتایج غیرواقعی شود (Cingolani et al. 2003). در سنگ‌های رسوبی آواری، عناصر فرعی مانند La, Th‚ Sc‚ Zr‚ Ti‚ Nb‚ Cs‚ Ni‚ V‚ Co‚ Y در شرایط هوازدگی، دیاژنز و حتی فرایندهای دگرگونی درجه متوسط، بدون تغییر هستند و مقادیر اولیة آنها حفظ می‌شود (Bhatia and Crook 1986; Mclennan et al. 1993)؛ بنابراین عناصر فرعی یادشده، شاخص‌های خوبی برای تعیین منشأ و جایگاه زمین‌ساختی در سنگ‌های رسوبی آواری به شمار می‌روند (Bhatia and Crook 1986; Mclennan 2001).

باتیا و کروک (Bhatia and Crook 1986) برای تعیین محیط تکتونیکی از نمودارهای (Th- Co- Zr/10) و (La- Th- Sc) استفاده کردند. نتایج این ترسیم برای تمامی نمونه‌های بررسی‌شده در نمودار سه‌تایی La- Th- Sc، بیان‌کنندة تشکیل آنها عمدتاً در داخل محیط‌های تکتونیکی حاشیة فعال قاره‌ای است (شکل 11. A)؛ همچنین در نمودار Th-Co- Zr/10، نمونه‌های بررسی‌شده، احتمالاً بیان‌کنندة محیط تکتونیکی جزایر قوسی قاره‌ای است (شکل 11. B) که با نتایج حاصل از مطالعات پتروگرافی همخوانی دارد.

با ترسیم نسبت Sc به V در نمودار دومتغیره‌ای که باتیا و کروک (Bhatia and Crook 1986) ارائه کردند، می‌توان جایگاه تکتونیکی ماسه‌سنگ‌ها را تعیین کرد. براساس این نمودار، نمونه‌های بررسی‌شده در محدودة حاشیة فعال قاره‌ای و جزایر کمانی قرار می‌گیرند (شکل 11. C)؛ همچنین اسکاندل و گورتن (Schandl and Gorton 2002) برای تشخیص محیط تکتونیکی نمونه‌‌های بررسی‌شده، از نمودارهای دومتغیرة Ta/Hf در مقابل Th/Hf و Yb در مقابل Th/Ta استفاده کرده‌اند. براساس این نمودارها، نمونه‌های برداشت‌شده از منطقة مدنظر در محدودة حاشیة فعال قاره‌ای و محیط‌های فورلندی قرار می‌گیرند (شکل 11. D, E).

شکل 11- نمودارهای تفکیک‌کنندة محیط تکتونیکی براساس عناصر فرعی: (A. نمودار La- Th- Sc؛ (B. نمودار Th- Co - Zr/10 (Bhatia and Crook 1986)، جزایر قوسی اقیانوسی (A)، جزایر قوسی قاره‌ای (B)، حاشیة فعال قاره‌ای (C)، حاشیة غیرفعال قاره‌ای (D)؛ (C نمودار دوتایی Sc- V (Bhatia and Crook 1986)؛ (D نسبت Ta/Hf در مقابل Th/Hf؛ (E  نمودار Yb دربرابر Th/Ta (Schandl And Gorton 2002)

Fig 11- Tectonic discrimination diagrams based on trace elements: A) La-Th-Sc diagram and B) Th-Co-Zr/10 diagram (Bhatia and Crook 1986), oceanic island arc (A), continental magmatic arc (B), continental active margin (C), continental passive margin (D), C) diagram of Sc vs. V, (Bhatia and Crook 1986), D) diagram of Ta/Hf vs. Th/Hf, E) diagram of Yb vs. Th/Ta (Schandl And Gorton 2002).

پراکندگی عناصر کمیاب و کمیاب خاکی

مقایسة عناصر فرعی سنگ‌های رسوبی سازند قرمز بالایی با ترکیب پوستة قاره‌ای بالایی (Upper Continental Crust) نشان‌دهندة غنی‌شدگی در عناصر Ba, Sr, Ti و تهی‌شدگی در عناصر Ta, Nb, Hf و Zr است (شکل 12. A). غنی‌‌شدگی در عنصر استرانسیوم به دلیل وجود کانی‌‌های سیلیکاتی، ماتریکس سنگ و واحدهای تبخیری است؛ همچنین غنی‌‌شدگی در عنصر باریم به وجود واحدهای تبخیری در منطقه مربوط است. غنی‌شدگی نسبت به Ti به دلیل وجود کانی‌های تیتانیوم‌دار در سنگ‌های بررسی‌شده و همچنین به دلیل فراوانی کم کانی زیرکن در نمونه‌های آنالیزشده (براساس مطالعات پتروگرافی 1 درصد) و تهی‌شدگی در عنصر زیرکونیوم به دلیل کم‌بودن مقدار زیرکن در سنگ‌های تجزیه‌شده است. همچنین با توجه به اینکه کانی زیرکن میزبان خوبی برای Hf به شمار می‌آید، تهی‌شدگی Hf نیز، دلیلی بر کم‌بودن مقدار زیرکن در ماسه‌سنگ‌های تجزیه‌شده است. تهی‌شدگی در عناصر Nb و Ta نیز، دلیلی بر تشکیل سنگ‌منشأ این سنگ‌ها در یک محیط حاشیة فعال است (Rollinson 1993; Askren et al. 1997)؛ همچنین به هنجارسازی نمونه‌ها نسبت به کندریت (Thompson 1982)، تهی‌شدگی در عناصر Nb, Ta, Ti و P و غنی‌شدگی در K و Rb را نشان می‌دهند (شکل 12. B). آسکارن و همکاران (Askren et al. 1997) معتقدند تهی‌شدگی Ti, Nb نشان‌دهندة تشکیل سنگ‌ها در محیط‌های حاشیة فعال قاره‌ای است؛ همچنین به عقیدة رولینسون (Rollinson 1993)، بی‌هنجاری منفی Nb، شاخص سنگ‌های قاره‌ای، نشان‌دهندة شرکت پوسته در فرایند ماگمایی است؛ افزایش Rb, K در نمونه‌های تجزیه‌شده نیز ممکن است به تشکیل کانی‌های رسی و سریسیت در آنها مربوط باشد.