山東西部單縣地區二疊紀奎山組砂巖沉積環境探討

梁吉坡

(山東省地質科學研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點實驗室，山東省金屬礦產成礦地質過程與資源利用重點實驗室，山東 濟南 250013)

0 引言

單縣地區位于華北板塊東南緣的魯西地區，是我國重要的能源資源生產基地。其中，煤炭資源主要賦存于晚石炭世—早二疊世地層，因此，以往魯西地區的石炭—二疊系基礎研究主要集中在本溪組、太原組和山西組地層。關于中上二疊統地層，尤其是石盒子群地層研究較少，有關對該層系沉積環境的研究，一般將其定義為陸相河流環境[1-4]。近年來，隨著基礎地質理論研究的深入，石盒子群尤其是奎山組厚層砂巖段，不能僅用陸相沉積來解釋，原因有以下2個方面：①奎山組砂巖分布廣泛[5]，在整個魯西地區乃至渤海灣地區都能進行對比，無論是河流沉積還是湖泊沉積均不能形成如此廣泛的砂體；②奎山組砂巖基本上是以中粒砂巖為主，致密純凈，在整個沉積序列上表現的旋回性較陸相河流沉積的砂巖不明顯。前人在研究華北地區，尤其是華北東北部地區，已經發現了石盒子群存在著某些海侵的沉積證據，如王仁農等[6-10]研究微山湖西側(北至魚臺、單縣一帶，南至徐州，西南同皖北、豫東為鄰)，發現石盒子群內存在著大量的舌形貝，其認為魯西地區該時期接受過海侵；李增學等[11]在鄂爾多斯西緣(如賀蘭山沙巴臺、桌子山南端的公勿素等)石盒子群內的“硅質巖或硅質泥巖”中發現了生物碎屑巖，“硅質巖”或海綿骨針巖常與其他海相動物化石及海綠石共生，也認為晚二疊世華北地區石盒子群接受過海侵。大量證據表明，華北晚二疊世石盒子群沉積期并不完全是陸相沉積。那么能否用石盒子群曾經接受過海侵的觀點，來解釋該區及魯西地區奎山組砂巖是否大面積存在的成因機制，為此，筆者專門進行野外露頭和現場巖心觀察與采樣，采用室內顯微鏡觀察與電子探針測試相結合的方法，研究石盒子群奎山組厚層砂巖的沉積環境，探討其成因機制。這對于渤海灣—魯西地區乃至整個華北地區的石盒子群，開展沉積環境及相關基礎理論研究具有重要意義。

1 區域地質背景

研究區二疊紀石盒子群自下而上可以劃分為黑山組、萬山組、奎山組和孝婦河組[4]。該文研究的地層主要為奎山組上部白色—灰白色厚層粗粒—中粒長石石英砂巖及雜砂巖，局部含有石英砂。奎山組在魯西地區大多被剝蝕，但是在淄博、章丘一帶以及菏澤部分地區保留較完整，厚度較穩定，一般為23～65m。

此次研究在菏澤單縣地區的張集礦區現場，對ZKM1鉆孔的巖心樣進行采樣、觀察描述(圖1)，該鉆孔揭露石盒子群完全，其中奎山組巖心保留較完整[12，27]。因此，針對奎山組采用了密集采樣的方式進行巖心樣品采集。采樣主要原則：對于巖性和沉積構造等微小的變化，原則上間隔1m進行采樣；如果發現巖性或沉積構造有所變化，即使采樣間隔小于1m或者連續采樣；如果地層巖性或沉積構造沒有變化，則每隔2～3m采樣(表1)。

1—中粒砂巖；2—細粒砂巖；3—粉砂巖；4—泥巖；5—鋁質泥巖；6—板狀交錯層理；7—平行層理；8—植物根系；9—波狀層理；10—槽狀交錯層理；11—前寒武紀變質基底；12—寒武-奧陶系；13—石炭-二疊系；14—第四系；15—城市；16—斷裂；17—采樣鉆孔；18—省界圖1 魯西地區及ZKM1鉆孔位置示意圖

將采集的樣品進行磨片，然后進行電子顯微鏡觀察，查找可能存在海相證據的礦物，如海綠石[13-15]，如果沒有海綠石，則重點對填隙物進行觀察。通過將海綠石和填隙物進行標記，采用電子探針分析技術(EPMA)測試其微量元素。

該次研究采用產自日本的JXA-8230型號電子探針。在進行測試前，利用高真空鍍膜儀在顯微鏡薄片表面蒸鍍一層均勻的碳膜，目的是將入射到樣品上的電子束流及時傳導入地，防止電荷堆積。將樣品放入樣品臺后，對樣品室進行真空處理，通過調節圖像與電流，選取目標區，進行定性與定量分析。該次數據分析過程中主要參數為：電壓15kV，PCD成分電流1×10-8A，圖像電流5×10-10A[26]。

表1 菏澤地區ZKM1號鉆孔奎山組砂巖采樣對照

2 地球化學特征

2.1 填隙物測試結果

在碎屑巖中雜基和膠結物都可作為碎屑顆粒間的填隙物。填隙物的成分主要為粘土礦物，而粘土礦物中的吸附離子在成巖作用、后生作用和風化作用中，次生變化相對穩定，其吸附的離子與水介質的成分和礦化度有關。如淡水河流中的粘土通常吸附Ca，Mg，到海水中則失去大量的Ca而吸收Na與K。因而H.C.斯皮羅和N.C.格蘭姆別格認為，粘土礦物的吸附組分能夠較全面地反映沉積作用的物理化學條件，可作為指示沉積環境的標志[16-19]。該次對菏澤單縣ZKM1鉆孔石盒子群的巖心樣品，采用電子探針分析技術，對填隙物進行了B,Ga,Ba,Mn,Fe,Ni等多個沉積環境敏感元素測試，挑選其中有價值的指示元素，分析其比值變化規律，尋求對沉積環境的指示意義。測試樣品為石盒子群奎山組的中粒—粗粒砂巖，共20件，測試結果見圖2。

通過制作成薄片在顯微鏡下觀察選定填隙物，并對其進行電子探針元素分析(圖3)，在20塊樣品中有3塊樣品的填隙物具海相指示特征(表2)。

注：所測數據為質量百分數，部分樣品未測出硼含量，出自山東科技大學材料學院電子探針實驗室圖2 菏澤地區ZKM1鉆孔奎山組微量元素電子探針測試結果

表2 菏澤地區ZKM1號鉆孔砂巖填隙物電子探針定量分析

A—偏光顯微鏡，10×4;B—電子探針二次電子像，×850圖3 S8填隙物圖像

不同的微量元素對各種沉積條件有著不同的反應。海相層中B含量一般為100×10-6或更高，該次發現中6塊樣品填隙物含有B(圖2和表2)，這6塊B的含量為(1000～4000)×10-6，遠遠超過100×10-6，說明奎山組砂巖部分層位受到海水影響。王益友等[20]研究發現，B/Ga小于4為淡水沉積，大于7或20為海水沉積，該次研究的奎山組砂巖5塊樣品中有3塊樣品的B/Ga比值明顯大于7，證明了某些層位受到了海水影響。Ni/Co的比值常用來指示沉積環境的反演富氧情況，顏佳新等[21]認為Ni/Co比值小于5.0是富氧環境，比值在5.0～7.0之間是貧氧環境。該次樣品大部分Ni/Co比值變化范圍為0～2，說明奎山組砂巖形成于富氧環境。Fe/Mn的相對大小可以判斷水體深度的變化[22]，其比值與水深呈負相關，分析發現研究區Fe/Mn比值變化較大，表明奎山組砂巖形成期水深變化較快。綜上分析，奎山組砂巖其形成環境較復雜，不能簡單用傳統觀點一個環境就能解釋，應該是受到海水多次侵退影響。另外，在奎山組砂巖底部發現了海綠石，而海綠石是一種典型的指相礦物，形成于pH為8左右、水深在30～2000m和水溫在15～20℃范圍內海域區，即僅存在于海相和海泛可影響到的三角洲地區[23,24]。

2.2 海綠石的發現與證據

在奎山組砂巖樣品磨片中發現的海綠石(圖4)，在偏光顯微鏡下呈圓粒狀、卵狀、條狀和不規則粒狀，粒徑0.05～0.2mm，顏色呈翠綠、淡綠和黃綠色。挑選具代表性的樣品進行鏡下初步鑒定，進行掃描電鏡觀察和能譜成分分析(表3)，根據分析結果可以看出，砂巖中K2O含量為3%～9%，Al2O3含量為14.62%～19.23%，FeO含量為7.61%～13.71%，與威維爾[19]的平均值(Al2O3為9.15%，Fe2O3為21.38%)相比，具高鋁低鐵及低鈣鈉相的特點。前人研究成果顯示[15,24]，海綠石中K2O成分古代高、現代低，FeO+Fe2O3的成分古代低、現代高，并出現鐵含量降低則鋁含量增高的規律，因此該區研究結果與前人結論較好吻合，這也證實海綠石存在的合理性。

A—偏光顯微鏡，10×10;B—電子探針二次電子像，×350圖4 S18海綠石圖像

表3 菏澤地區ZKM1號鉆孔海綠石電子探針成分

3 沉積模式

結合前文地球化學研究，恢復海水進退及其對沉積控制(圖5)，并將奎山組砂巖劃分出4個沉積旋回Bs1,Bs2,Bs3,Bs4(相當于層序地層學中的六級基準面旋回)。每個旋回基本上是由氣候造成的海平面相對變化，該類旋回由歲差周期伴生的氣候短周期冷、暖變化過程中形成的沉積充填序列組成，底、頂界面對應相對寒冷期，即海水萎縮期或海退期。垂向上，表現為單一巖性，形成了級次較短期旋回更低的海進—海退韻律層，可將其視為最小成因地層單元[25]。

奎山組砂巖基本上為中粒砂巖和粗粒砂巖組成，第4個旋回海平面變化較大，除了Bs1外，其他3個旋回的結構類型、疊加樣式和分布規律基本一致，為對稱性旋回，總體上反映出先退積后進積特點。在此基礎上，總結出奎山組段厚層砂巖形成機制：奎山組中粒砂巖主要形成于濱海環境與陸相河流環境的結合部，即后濱或前濱沉積，Bs1全為砂巖沉積，其形成于三角洲分流河道，受到海水一定影響；Bs2總體上為一海退層序，早期相對海平面上升，局部地區分流河道充填海進砂體，晚期相對海平面下降，曲流河和三角洲等沉積相發育，大量發育著曲流河河道與三角洲分流河道的中粒砂巖或粗粒砂巖；Bs3總體上為一個海侵的旋回，原有的分流河道或者曲流河河道等大量被濱海環境所取代，形成了后濱或前濱沉積直接覆蓋在三角洲或者曲流河沉積之上，從而造成了后濱的中粒—粗粒砂巖覆蓋于曲流河河道中粗粒砂巖之上。Bs4旋回期沉積環境變化較劇烈，其總體上為海退旋回，但其存在著一次較強的海泛時間。即在早期，海平面迅速上升，幾乎覆蓋整個魯西地區，前濱或者后濱環境造成了大套的中粒砂巖分布于該區，橫向上分布比較穩定；到了晚期，海水迅速撤出該區大部分范圍，其沉積環境演化為少量濱海環境和曲流河與三角洲環境，局部發育了湖相沉積，從而形成了橫向上不穩定的河道砂體或者三角洲分流河道砂體。

圖5 奎山組沉積成因模式圖

4 結論

(1)通過采樣、電子探針實驗與磨片觀察相結合方法研究了奎山組砂巖中的B/Ga,Ni/Co,Fe/Mn等微量元素，分析發現奎山組砂巖沉積環境不能用單一的陸相成因來解釋，其形成過程較復雜，受到多次的海侵海退影響，同時鏡下觀察發現，奎山組砂巖部分層位存在著海綠石，因此綜合分析發現研究區奎山組砂巖沉積環境并不是純陸相沉積，應該形成于濱海近岸帶或三角洲環境。

(2)在此基礎上，根據前人研究成果，總結出奎山組砂巖成因模式，即濱海—陸地砂體形成模式，指出奎山組砂巖不僅具有海進分流河道砂巖和濱海海進砂體充填特點，同時也具備了海退砂體形成的特點。

(3)通過沉積學、地球化學等方法，將奎山組砂巖劃分出4個沉積旋回，其中，Bs1形成于三角洲分流河道；Bs2總體上為一海退層序，早期發育了分流河道充填海進砂體，晚期發育著曲流河河道與三角洲分流河道的中粒砂巖或粗粒砂巖；Bs3總體上為一個海侵的旋回，發育了后濱或前濱砂質沉積。Bs4旋回期沉積環境變化較劇烈，早期存在著一次較強的海泛時間，在前濱或者后濱環境發育了大套的中粒砂巖，晚期海水迅速撤出該區大部分范圍，形成了橫向上不穩定的河道砂體或者三角洲分流河道砂體。