微量元素在沉積巖研究的作用

(成都理工大學(xué) 四川 成都 610059)

一、沉積地球化學(xué)的概念

沉積地球化學(xué)是一門沉積學(xué)與地球化學(xué)相互滲透、相互結(jié)合而產(chǎn)生的新興邊緣學(xué)科。是以沉積物和沉積巖為對(duì)象,研究其在沉積——成巖過程中所含元素及穩(wěn)定同位素的遷移、聚集與分布規(guī)律來判斷、恢復(fù)沉積古環(huán)境。現(xiàn)在研究結(jié)果表明:利用沉積地球化學(xué)特點(diǎn)不僅有助于恢復(fù)確定古環(huán)境(古氣候、古鹽度、古水溫、氧化——還原條件和古水深等),還可以判斷當(dāng)時(shí)海平面變化旋回,為層序地層學(xué)研究提供證據(jù)。

二、沉積地球化學(xué)的研究?jī)?nèi)容

沉積地球化學(xué)研究的對(duì)象內(nèi)容涉及面甚廣,歸納起來主要涉及到兩個(gè)大的領(lǐng)域:研究沉積中的化學(xué)成分、化學(xué)元素及同位素的分布與分配、分散與集中、共生組合與遷移也就說是“研究物質(zhì)的化學(xué)運(yùn)動(dòng)和變化過程”,研究控制和影響元素和同位素運(yùn)動(dòng)和變化的各種因素,亦即沉積物質(zhì)中化學(xué)運(yùn)動(dòng)和變化過程中的控制因素。研究?jī)?nèi)容涉及到沉積巖形成的全過程:風(fēng)化產(chǎn)物在搬運(yùn)過程中的元素的遷移形式和沉積分異規(guī)律及影響因素;沉積物中元素的沉積方式、機(jī)制、元素集中、分散規(guī)律及控制因素;成巖作用過程中元素及同位素的轉(zhuǎn)移、分配及化學(xué)機(jī)制;元素和同位素分配和組合,元素在沉積巖中的豐度、賦存狀態(tài)、分配規(guī)律;地史時(shí)期沉積巖中化學(xué)成分的地球演化歷史、規(guī)律;有機(jī)地球化學(xué)的演化及其在沉積成礦的作用。

三、微量元素地球化學(xué)研究現(xiàn)狀

主要研究沉積巖中元素的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)變化,及控制因素。沉積巖的形成過程同時(shí)也是地殼中的元素再分配和重新分布的過程。沉積物在風(fēng)化、搬運(yùn)、沉積過程中不同的元素可以發(fā)生一些有規(guī)律的遷移、聚集,沉積區(qū)的大地構(gòu)造背景、古氣候、源區(qū)母巖性質(zhì)、沉積盆地地形、沉積環(huán)境和沉積介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)對(duì)元素的分異和聚集均有影響。可以利用這行元素的分異和富集規(guī)律來研究和推斷控制元素運(yùn)動(dòng)和變化的各種環(huán)境因素。目前已廣泛使用Fe,Mn,Sr,Ba,B,Ga,Rb,Co,Ni,V及Sr/Ba,Fe/Mn,V/Ni,Fe3+/Fe2+等含量和比值來判別海相與陸相、氧化與還原、水體深度、鹽度等沉積特征。用地球化學(xué)的方法推斷古鹽度是最常用的,也是效果較為理想的一種方法,包括硼法、元素比值法、沉積磷酸鹽法等;判斷沉積環(huán)境的氧化、還原條件主要是根據(jù)同生礦物組合;由于元素在沉積作用中所發(fā)生的機(jī)械分異作用、化學(xué)分異作用和生物化學(xué)分異作用,使元素的聚集和分散與水盆深度也有一定關(guān)系。

四、微量元素特征與沉積環(huán)境的關(guān)系

在沉積過程中,沉積物與水介質(zhì)之間有著復(fù)雜的地球化學(xué)平衡,如沉積物與水介質(zhì)之間的元素交換以及沉積物對(duì)某些元素的吸附等。這種交換和吸附作用除與元素本身性質(zhì)有關(guān)外,還受到沉積介質(zhì)物理化學(xué)條件的影響,而不同沉積環(huán)境的水介質(zhì)有不同的物理化學(xué)條件,這就為利用沉積物微量元素及其含量進(jìn)行古環(huán)境分析提供了理論依據(jù)。

在封閉鹽湖中原生碳酸鹽巖和粘土礦物的形成與湖泊水體的化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān),從湖泊的低位體系域到高位體系域,湖泊泥巖中的粘土礦物、泥巖和泥膏鹽中的微量元素組成對(duì)沉積環(huán)境的水文變化很敏感,因此可以有效地揭示湖平面的變化。筆者對(duì)潛江凹陷潛江組進(jìn)行密集取樣,利用微量元素分析技術(shù)來確定鹽巖的成因和旋回性,分析微量元素在不同層序、不同體系域中的變化特征,討論其環(huán)境意義。

(一)鍶、鋇含量及其比值

Sr/Ba 是反映古鹽度的重要指標(biāo)。Sr 和 Ba元素在表生過程中的化學(xué)性質(zhì)有較大的差異。Sr 比Ba 遷移能力強(qiáng),在淡水中,水介質(zhì)的酸性比較強(qiáng),礦化度很低,Sr、Ba 均以重碳酸鹽的形式保留在水中。當(dāng)?shù)c海水相混時(shí),淡水中的 Ba2+與海水中的硫酸根離子結(jié)合生成 BaSO4沉淀,而 SrSO4溶解度較大,它可以繼續(xù)遷移到遠(yuǎn)海,通過生物作用沉淀下來。所以,Sr/Ba 隨著鹽度的提高有明顯增大的趨勢(shì)。表 2為不同水介質(zhì)條件下沉積物的 Sr/Ba,由表中可以看出,海相沉積物 Sr/Ba 較高。

(二)Ce 異常

Ce 異常已成功用來判別古海洋氧化還原條件的變化,通常認(rèn)為,Ce/Ce*>1 為正異常,指示氧化環(huán)境; Ce/Ce*<1 為負(fù)異常,指示還原環(huán)境。從大陸來的陸源物質(zhì)和水不存在明顯的輕、重稀土分異,大多數(shù)存在明顯的 Ce 正異常。Ce 的負(fù)異常主要出現(xiàn)在洋盆環(huán)境中,因?yàn)檠笈柚械?Ce3+很快被氧化成 Ce4+并被 Fe-Mn 氧化物所吸附,從而很快從海水中被清除,造成海水中 Ce 虧損。Murray 等的研究結(jié)果顯示:大洋中脊 Ce/Ce*最低(平均 0.29),大洋盆地?fù)碛兄械鹊?Ce/Ce*(平均 0.60),大陸邊緣的Ce/Ce*最高(平均 1.03),從大洋中脊到大陸邊緣的沉積物中 Ce 負(fù)異常逐漸不明顯。青島八仙墩的碎屑巖樣品都有弱的 Ce負(fù)異常,Ce/Ce*在 0.94～0.98,表明其水體為還原環(huán)境,也表明八仙墩碎屑巖是在靠近大陸邊緣環(huán)境下形成的。

五、結(jié)論

通過對(duì)八仙墩碎屑巖的微量元素地球化學(xué)特征的研究,結(jié)合其沉積地質(zhì)特征,可以判斷八仙墩碎屑巖是在還原環(huán)境下形成的中生代海相地層。八仙墩碎屑巖應(yīng)屬于南黃海中生代地層在盆地邊緣地區(qū)的露頭,根據(jù)本套地層的屬性,在南黃海盆地深部應(yīng)該有與此相對(duì)應(yīng)的中生代的海相地層,推測(cè)其巖性與這套地層類似,為一套濁積成因的塊狀砂巖、頁(yè)巖等,可能是良好的濁積砂巖油氣儲(chǔ)層,對(duì)南黃海海相地層油氣勘探具有重要的指示意義,應(yīng)該在南黃海盆地及周邊地區(qū)對(duì)本套地層進(jìn)行追索研究。