王旭影,姜在興
1)唐山學院土木工程學院,河北唐山,063000; 2)中國地質大學能源學院,北京,100083
內容提要: 沉積巖的微量、稀土元素對沉積環境的水介質變化有著較高的敏感度,對于研究古環境、沉積物源性質和構造背景方面具有重要的意義。前人對于東臺坳陷元素地球化學方面的研究相對薄弱,利用元素地球化學資料解釋古環境和源區性質方面的研究尚屬空白。本文以蘇北東臺坳陷古新統阜寧組三段20件泥巖樣品為研究對象,對其進行微量、稀土元素測定,并分析其地球化學特征及所揭示的地質意義。結果表明:①Sr含量、Sr/Cu、Rb/Sr、Lan/Ybn比值指示干熱氣候;Li、Sr、Ni、Ga微量元素含量和Sr/Ba比值均指示淡水—半咸水的水體環境,整體以淡水環境為主,偶有咸水注入盆地,局部為半咸水環境;而V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co、U/Th、δCe指示氧化—弱還原的水體環境。②Co/Th—La/Sc、La/Th—Hf判別圖解和稀土元素配分模式,表明阜寧組三段沉積巖應來自于上地殼的長英質物質。③La—Th—Sc、Th—Co—Zr/10和Th—Sc—Zr/10構造背景判別圖解反映了大陸島弧與活動大陸邊緣的構造背景,且與Bhatia不同構造背景雜砂巖的微量、稀土元素特征值的對比分析結果一致。
沉積巖中某些微量元素能反映水體介質的鹽度、氧化還原性等特征,如Li、Sr、Ni、Ga、Sr等能夠指示古鹽度(田景春等,2016),V、Cr、Co、Ni等能夠指示氧化還原條件(Hatch et al.,1992;Jones et al.,1994)。稀土元素的溶解度低,且化學性質非常穩定,其組成及配分模式受風化、剝蝕、搬運、再沉積及成巖作用的影響很小。沉積物中的稀土元素主要受控于母巖,可以反映物源成分、沉積環境、構造背景的變化等(Bhatia,1985;Bhatia et al.,1986)。隨著元素地球化學的發展,學者們通過微量與稀土元素的含量、比值、特征值、配分模式、判別圖解等,開展元素地球化學分析,已經得到地質界的廣泛關注。
蘇北東臺坳陷經歷了近半個世紀的勘探歷史,目前已進入中、高勘探程度階段。古新統阜寧組三段(以下簡稱阜三段)成藏條件優越,勘探潛力大,是東臺坳陷重要的勘探目的層,受到了廣泛的關注。阜三段沉積時期,蘇北盆地的構造格局為建湖隆起分割南北,東臺坳陷和鹽阜坳陷為兩個相對獨立的湖盆體系(王旭影,2017;韓元紅等,2018)。東臺坳陷阜三段已經積累了一定程度的研究,主要集中在年代地層與構造演化(陳友飛等,1993;劉玉瑞,2010;朱光等,2013)、古地理演化(柯光明等,2006;傅強等,2007)、油氣成藏(邱旭明,2003;劉玉瑞,2011)、物源與沉積體系(王旭影,2017;韓元紅等,2018)等方面。而關于元素地球化學方面,王旭影(2017)在對阜三段物源體系的研究中,利用稀土元素含量及特征參數對構造背景進行了判別,認為構造背景更接近于活動大陸邊緣背景,但是缺少更全面的對比論證。另外,利用元素地球化學資料解釋古環境和源區性質方面的研究尚屬空白。基于此,本文通過對蘇北東臺坳陷阜三段泥巖微量元素和稀土元素分析,研究其元素地球化學特征及地質意義,旨在揭示阜三段沉積時期東臺坳陷的古氣候、古鹽度和氧化還原條件,重建沉積古環境,并探討源區物源性質和構造背景。

圖1 蘇北盆地東臺坳陷構造單元及采樣井位置Fig. 1 Tectonic units and sampling well location in Dongtai Depression, Subei Basin
蘇北盆地位于江蘇省東北部,屬于蘇北—南黃海盆地的陸上部分,是一個中、新生代陸相箕狀斷陷盆地,面積約為35000 km2。蘇北盆地被建湖隆起分為南北兩大坳陷,分別為東臺坳陷和鹽阜坳陷。東臺坳陷西臨張八嶺隆起,東至南黃海海岸,北接建湖隆起,南臨蘇南隆起(圖1)。東臺坳陷又可以劃分為6個凹陷(金湖、高郵、海安、臨澤、溱潼和白駒凹陷),8個凸起(菱塘橋、柳堡、柘垛、吳堡、梁垛低凸起和泰州、小海、裕華凸起)。凹陷主要呈北東向展布,都屬于南陡北緩、南斷北超、南深北淺的不對稱箕型,其中高郵、金湖、海安3個凹陷是油氣勘探和油氣發現的主力探區。
蘇北盆地內覆蓋在第四系之下的上白堊統泰州組—新近系地層廣泛發育(邱旭明等,2006),自下而上包括,上白堊統泰州組(K2t),古近系古新統阜寧組(E1f)、始新統戴南組(E2d)和三垛組(E2s),新近系鹽城組(Ny),缺失古近系漸新統(E3)。阜寧組(E1f)自下而上又分為阜一段(E1f1)、阜二段(E1f2)、阜三段(E1f3)和阜四段(E1f4),阜三段(E1f3)為本文研究的目的層。阜三段沉積時期,建湖隆起南側位于迎風緩坡帶,波浪作用強烈,形成了廣闊的濱淺湖區,主要發育濱淺湖灘壩沉積(圖2)。

圖2 蘇北盆地東臺坳陷阜三段梁3井綜合柱狀圖Fig. 2 Generalized column of Well Liang 3 of the 3rd Member of Funing Formation in Dongtai Depression, Subei Basin
樣品共20個,來自東臺坳陷17口鉆井巖芯,全部位于阜三段,采樣井位置如圖1所示,巖性為泥巖或粉砂質泥巖。采樣受取芯井勘探部署和巖芯保存情況的限制,主要分布于金湖凹陷、高郵凹陷和海安凹陷。采樣時盡可能地在各凹陷內均勻采集,同時盡量避免成巖作用的影響。對樣品進行微量元素和稀土元素的測試分析,采用電感耦合等離子體質譜(ICP-MS)儀器,均在南京大學內生金屬礦床成礦機制研究國家重點實驗室完成。各標準樣品(GSR-4,SCo-1,GSR-1,BHVO-2)及空白樣品所測的元素線性良好,分析誤差基本小于5%,相同樣品的測試結果一致,測試結果準確可信。
東臺坳陷阜三段泥巖樣品微量元素數據見表1。微量元素上陸殼標準化蛛網圖見圖3a。樣品中Cu、Ga、Rb、Zr、Ba、Hf、U元素含量與上陸殼平均豐度相當,Li、Cs、Cr、V、Sc、Co、Ni、Th元素含量略高于上陸殼平均豐度,只有Sr元素表現為虧損。高場強元素Th(均值14.35 μg/g)相對富集,Th主要富集在長英質巖石中。Li(均值55.58 μg/g)、Cs(均值9.68 μg/g)、Co(均值16.45 μg/g)、Ni(均值34.2 μg/g)相對富集,說明泥質含量較高。沉積巖中Sr含量一般與主量元素Ca密切相關,Sr富集與Ba虧損在一定程度上可以反映水體的高咸化特征,研究區樣品Sr含量(136.52~295.33 μg/g,均值207.83 μg/g)均低于上陸殼平均豐度值(350 μg/g),表現為Sr虧損,Ba與上陸殼相似,反映水體咸化度較低。

圖3 蘇北盆地東臺坳陷阜三段微量元素、稀土元素曲線特征(a:微量元素上陸殼標準化蛛網圖;b:稀土元素配分模式)Fig. 3 Curve characteristics of trace elements and rare earth elements of the 3rd Member of Funing Formation in Dongtai Depression, Subei Basin (a:Upper continental crust normalized trace elements patterns; b:REE distribution patterns)
東臺坳陷阜三段泥巖樣品稀土元素數據見表2?!芌EE為171.86~266.96 μg/g,均值221.34 μg/g,高于大陸上陸殼∑REE的均值(146.4 μg/g),接近北美頁巖的均值(173.2 μg/g)。LREE/HREE值為7.91~11.26,均值為9.83,反映研究區樣品輕稀土元素富集,重稀土元素相對虧損。LaN/YbN為8.04~12.39,均值為10.1,反映研究區樣品輕、重稀土元素分異程度較大。δEu為0.65~0.89,均值為0.78,明顯的Eu負異常。δCe為0.93~0.99,均值為0.96,呈輕微Ce負異常。

表1 蘇北盆地東臺坳陷阜三段微量元素含量(×10-6)及比值Table 1 Trace element contents (×10-6) and ratios of the 3rd Member of Funing Formation in Dongtai Depression, Subei Bain

表2 蘇北盆地東臺坳陷阜三段稀土元素含量(×10-6)及比值Table 2 REE contents (×10-6) and ratios of the 3rd Member of Funing Formation in Dongtai Depression, Subei Basin

采用Leedey球粒隕石平均值除以1.2作為標準值(趙志根,2000),對稀土元素含量進行標準化處理,配分模式見圖3b。阜三段樣品具有類似的配分模式:表現為明顯的“右傾”,輕稀土元素富集,重稀土元素虧損;La—Eu輕稀土元素段,配分曲線陡、斜率大,表明輕稀土元素之間具有較高的分餾程度;Gd—Lu重稀土元素段,配分曲線平坦、斜率小,表明重稀土元素之間分餾程度較低;Eu處呈明顯的“谷”狀,存在Eu的負異常,Ce輕微負異常。
Shiekds等研究認為成巖作用可以導致δCe、δEu具有良好的相關性,δCe與∑REE正相關,以及δCe與DyN/SmN負相關(Shields et al.,2001)。東臺坳陷樣品中δCe與δEu、δCe與∑REE、δCe與DyN/SmN均無相關性,說明成巖作用對樣品稀土元素影響不明顯(圖4)。
陸相沉積盆地中,高含量的Sr元素往往與干旱炎熱條件下的湖水濃縮沉積有關。Sr元素含量和Sr/Cu值常被用于古氣候恢復。通常認為,溫濕氣候中,Sr元素含量低,Sr/Cu值為1.3~5.0;干熱氣候中,Sr元素含量高,Sr/Cu值大于5(Lermanm,1978;張天福等,2016)。樣品中Sr元素含量為136.52~295.33 μg/g,均值為207.83 μg/g,含量整體偏高,Sr/Cu值為4.58~17.78,均值為8.94,僅1個樣品比值小于5,其余樣品均大于5。從Sr元素含量和Sr/Cu值分析來看,反映阜三段為干熱的氣候環境。
在風化作用中,Sr元素比較容易淋失,而Rb元素相對穩定(陳駿等,2001)。溫濕氣候中,降水較多,風化作用較強烈,Sr元素容易發生淋失,從而使Rb/Sr值升高;干熱氣候中,降水較少,風化作用較弱,沉積巖中殘留更多的Sr元素,使Rb/Sr值相對降低(葉荷等,2010;張文防等,2012)。換言之,Rb/Sr高值指示溫濕氣候,低值指示干熱氣候。樣品中Rb/Sr值為0.33~1.03,均值為0.63,比值相對較低,反映干熱的氣候環境。

圖4 蘇北盆地東臺坳陷阜三段δEu—δCe、δCe—∑REE及δCe—DyN/SmN圖解Fig. 4 δEu—δCe, δCe—∑REE, δCe—DyN/SmN diagrams of the 3rd Member of Funing Formation in Dongtai Depression, Subei Basin
此外,La和Yb分別是輕稀土元素和重稀土元素的指標性元素,Lan/Ybn表征輕重稀土之間分異程度,其高值代表輕稀土元素相對富集,低值代表重稀土元素相對富集。在溫暖濕潤的條件下,由于風化作用和生物作用,重稀土元素比輕稀土元素更容易在溶液中形成碳酸鹽和有機絡合物而優先被溶解遷移,造成輕稀土元素在風化殘余物中富集(陳駿等,1996)。因此,Lan/Ybn的高值指示溫濕的氣候環境,低值指示干熱的氣候環境(張虎才等,2009;沈立建等,2015)。樣品中Lan/Ybn值為1.18~1.82,均值為1.48,數值整體偏低,反映沉積時干熱的程度較高。

表3 蘇北盆地東臺坳陷古鹽度的微量元素判別參數及樣品數據統計Table 3 Paleo-salinity trace element identification parameters and sample data in Dongtai Depression, Subei Basin
綜合Sr含量、Sr/Cu、Rb/Sr,以及Lan/Ybn值的分析,4種判別參數對東臺坳陷阜三段的古氣候的反映基本一致,即整個阜三段沉積時期以干熱氣候為主。
4.1.2古鹽度
Li、Sr、Ni、Ga等微量元素的含量對水體鹽度的變化有很好的指示作用。研究表明,咸水環境中,Li元素含量大于150 μg/g,Sr元素含量為800~1000 μg/g,Ni元素含量大于40 μg /g,Ga元素含量小于8 μg/g;淡水環境中,Li元素含量小于90 μg/g,Sr元素含量為100~500 μg/g,Ni元素含量為20~25 μg/g,Ga元素含量大于17 μg/g(田景春等,2016)。樣品中Li元素含量為39.27~78.73 μg/g,均值為56.58 μg/g,所有樣品均小于90 μg/g,反映淡水沉積環境。樣品中Sr元素含量為136.52~295.33 μg/g,均值為207.83 μg/g,樣品均為100~500 μg/g,反映淡水沉積環境。樣品中Ni元素含量為25.69~47.35 μg/g,均值為34.2 μg/g,絕大部分樣品含量小于40 μg/g,反映淡水—半咸水沉積環境。樣品中Ga元素含量為13.01~21.25 μg/g,均值為16.58 μg/g,樣品均大于8 μg/g,反映淡水—半咸水沉積環境。根據統計結果(表3),從Li、Sr、Ni、Ga微量元素的含量來看,所分析的樣品主要來自于淡水—半咸水沉積環境。
通常Sr元素比Ba元素的溶解度更大,Sr比Ba的遷移能力也要更強,隨著水體鹽度的增加,Sr和Ba逐漸以硫酸鹽的形式沉淀,其中BaSO4優先沉淀,當水體鹽度增大到一定程度時,SrSO4才沉淀。Sr/Ba值與古鹽度成正相關,為湖泊水體古鹽度判別的有效參數(鄭榮才等,1999;李進龍等,2003)。一般來說,咸水環境中,Sr/Ba值大于1;半咸水環境中,Sr/Ba值為0.6~1.0;淡水環境中,Sr/Ba值小于0.6(王益友等,1983)。據統計(表3),樣品中Sr/Ba值為0.26~0.69,均值為0.44,其中,16個樣品比值小于0.6,4個樣品比值為0.6~1.0,反映整體表現為淡水—半咸水沉積環境,以淡水環境為主,偶有咸水注入盆地,局部為半咸水環境,這與Li、Sr、Ni、Ga元素含量判斷的結果一致。
4.1.3古氧化還原條件
Hatch等(1992)、Jones等(1994)通過研究典型黑色泥頁巖中V、Cr、Co、Ni等微量金屬元素對氧化還原環境的示蹤作用,提出了相應的定量化判識標準,已被國內外學者廣泛采用。缺氧還原環境中,V/(V+Ni)值大于0.84,V/Cr值大于4.25,Ni/Co值大于7;貧氧環境中,V/(V+Ni)值為0.60~0.84,V/Cr為2.00~4.25,Ni/Co為5~7之間;富養氧化環境中,V/(V+Ni)小于0.6,V/Cr小于2,Ni/Co小于5(Hatch et al.,1992;Jones et al.,1994)。研究區樣品中V/(V+Ni)值為0.71~0.78,均值為0.74,小于0.84;V/Cr值為0.87~1.53,均值為1.12,小于2;Ni/Co值為1.35~2.65,均值為2.13,小于5。根據判別參數V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co值的判別分析,阜三段沉積水體屬于氧化—弱氧化環境。
氧化還原環境不同會導致U和Th的賦存狀態不同。氧化環境下,Th4+較易溶解,還原環境下,U4+不溶于水,而U6+易溶。因此,可以利用U/Th判斷沉積環境的氧化—還原狀態。缺氧還原環境中U/Th值大于1.25;氧化環境中U/Th值較低,一般小于0.75(Wignall et al.,1996)。樣品中U/Th值為0.13~0.25,均值為0.19,小于0.75,反映沉積時水體狀態總體為氧化環境。

表4 蘇北盆地東臺坳陷氧化還原環境的微量、稀土元素判別參數及樣品數據統計Table 4 Identification parameters and sample data of trace and rare earth elements in redox environment in Dongtai Depression, Subei Basin
稀土元素中Ce元素具有變價的性質。氧化環境中,Ce易被氧化成Ce4+而被鐵錳等氧化物膠體吸附,導致水體中Ce虧損而沉積物中Ce富集;還原環境中,隨著鐵錳等氧化物的溶解,Ce4+被還原成Ce3+釋放,導致沉積物中Ce富集(楊守業等,1999)。Ce異??梢造`敏的反映沉積環境的氧化還原條件,δCe值大于1為正異常,表示還原環境;δCe值小于0.95為負異常,表示氧化環境(王中剛等,1989)。樣品中δCe值為0.93~0.99,均值為0.96,樣品全部小于1,整體接近于判別的臨界值0.95,可以判斷,當時沉積環境為氧化—弱氧化性。
利用微量、稀土元素判斷氧化還原環境的方法很多,本文綜合利用V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co、U/Th、δCe 5種判別參數進行判別分析(表4),結果顯示東臺坳陷阜三段沉積時期為氧化—弱還原的水體環境。
過渡族元素Sc、Cr、Co等往往富集在鎂鐵質基性巖石中,而高場強元素La、Zr、Th等則富集在長英質巖石中,這些元素的比值能很好地區分源巖巖性?厱基于此,Gu等提出Co/Th—La/Sc的源巖屬性判別圖解(Gu et al.,2002),Floy and Leveridge提出了利用La/Th—Hf的源巖屬性判別圖解(Floyd et al.,1987)。利用Co/Th—La/Sc判別圖解對阜三段泥巖樣品進行投點(圖5a),樣品點主要落在長英質火山巖區域,反映源區主要為長英質巖石。在La/Th—Hf判別圖解上(圖5b),大多數樣品投點落在長英質源區范圍內,并且有古老沉積物的混入,這與Co/Th—La/Sc判別圖解的分析結果一致。
在指示盆地沉積源區性質的指標中,稀土元素的配分模式是比較可靠的指標。源自上地殼的稀土元素具有輕稀土元素富集、重稀土元素含量穩定和明顯的Eu負異常等特征。東臺坳陷阜三段泥巖樣品的稀土元素配分模式相似,屬于輕稀土富集、重稀土虧損的右傾型,La—Eu輕稀土段較陡,Gd—Lu重稀土段平緩,存在明顯的Eu負異常,Ce輕微負異常(圖3b)。這種配分模式與上地殼的配分模式基本一致,表明其沉積物源來源于上地殼。

圖5 蘇北盆地東臺坳陷阜三段Co/Th—La/Sc及La/Th—Hf判別圖解(底圖a據Gu et al.,2002;底圖b據Floyd et al.,1987)Fig. 5 Co/Th—La/Sc, La/Th—Hf diagrams of the 3rd Member of Funing Formation in Dongtai Depression, Subei Basin(a, modified from Gu et al.,2002; b, modified from Floyd et al.,1987)
綜合Co/Th—La/Sc、La/Th—Hf判別圖解及稀土元素配分模式的分析,認為東臺坳陷阜三段的原始物質應來自于上地殼的長英質物質。據調研,阜三段沉積時期,張八嶺隆起和建湖隆起均為物源區,張八嶺隆起主要出露中生界中酸性火成巖和新元古界變質巖基底(曹洋等,2010;張妮等,2012),建湖隆起向南以中酸性火成巖、石英巖和花崗巖為主(王旭影,2017)。

表5 蘇北盆地東臺坳陷阜三段泥巖與不同構造背景雜砂巖的微量、稀土元素特征值比較
沉積巖的地球化學成分與構造背景之間存在著必然聯系,可以用來區分構造環境。Bhatia等通過對已知構造背景的雜砂巖地球化學特征分析,指出La、Ce、Nd、Y、Th、Zr、Hf、Nb、Ti、Co和Sc等微量、稀土元素能夠有效的判別構造背景,并提出了一系列元素特征值和判別圖來鑒別被動大陸邊緣、活動大陸邊緣、大洋島弧和大陸島弧等構造背景(Bhatia,1985;Bhatia et al.,1986)。
與Bhatia不同構造背景雜砂巖的微量元素特征值進行對比,可以得出,阜三段泥巖微量元素特征值總體上接近大陸島弧構造背景,Th、Zr、Hf、La/Sc值介于大陸島弧和活動大陸邊緣(表5)。泥巖的稀土元素含量比同期沉積的雜砂巖高20%左右,因此需要將研究區泥巖的稀土元素特征值除以1.2進行校正(李雙應等,2003;李福來等,2016),校正后的稀土元素特征值可直接與Bhatia總結的稀土元素特征值進行對比。對比發現,阜三段泥巖La、Ce、∑REE值更接近活動大陸邊緣,而LREE/HREE、La/Yb、LaN/YbN、δEu值介于大陸島弧與活動大陸邊緣之間(表5)。綜合對比結果,可以認為阜三段沉積巖源區的構造背景為大陸島弧和活動大陸邊緣。

圖6 蘇北盆地東臺坳陷阜三段La—Th—Sc(×10-6)、Th—Co—Zr/10(×10-6)及Th—Sc—Zr/10(×10-6)判別圖解(底圖據Bhatia et al.,1986)Fig. 6 La—Th—Sc (×10-6), Th—Co—Zr/10 (×10-6), Th—Sc—Zr/10 (×10-6) diagrams of the 3rd Member of Funing Formation in Dongtai Depression, Subei Basin(modified from Bhatia et al.,1986)A—大洋島??;B—大陸島?。籆—活動大陸邊緣;D—被動大陸邊緣A—oceanic island arc; B—continental island arc; C—active continental margin; D—passive continental margin
根據Bhatia和Crook提出的La—Th—Sc、Th—Co—Zr/10和Th—Sc—Zr/10源區構造背景判別圖解(Bhatia et al.,1986),對阜三段泥巖樣品進行投點(圖7)。在La—Th—Sc判別圖上,樣品點主要靠近大陸島弧和大陸邊緣源區。在Th—Co—Zr/10判別圖和Th—Sc—Zr/10判別圖上,樣品點主要落在大陸島弧和活動大陸邊緣及其附近。微量元素判別圖解總體反映了源區為大陸島弧與活動大陸邊緣的構造背景,此分析結果與Bhatia特征值的對比結果一致。
通過蘇北東臺坳陷古新統阜寧組三段泥巖樣品微量和稀土元素分析,研究了其元素地球化學特征及地質意義,得到以下認識:
(1)東臺坳陷阜寧組三段泥巖樣品中Li、Cs、Cr、V、Sc、Co、Ni、Th等微量元素富集,Sr元素虧損?!芌EE高于大陸上陸殼∑REE均值,接近北美頁巖均值。稀土元素具有相似的配分模式,屬于輕稀土富集、重稀土虧損的右傾型,存在明顯的Eu負異常,Ce輕微負異常。
(2)Sr含量、Sr/Cu、Rb/Sr、Lan/Ybn值,反映阜寧組三段沉積時期以干熱氣候為主。Li、Sr、Ni、Ga微量元素含量,以及Sr/Ba值,指示淡水—半咸水沉積環境,整體以淡水環境為主,偶有咸水注入盆地,局部為半咸水環境。綜合V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co、U/Th、δCe 5種判別參數對氧化還原環境進行判別分析,結果顯示阜寧組三段為氧化—弱還原的水體環境。
(3)Co/Th—La/Sc、La/Th—Hf判別圖解及稀土元素配分模式,說明阜寧組三段的原始物質來自于上地殼的長英質物質。與Bhatia不同構造背景雜砂巖的微量、稀土元素特征值進行對比,可以認為阜寧組三段源區的構造背景為大陸島弧和活動大陸邊緣。La—Th—Sc、Th—Co—Zr/10和Th—Sc—Zr/10構造背景判別圖解,與Bhatia特征值的對比結果一致,總體反映了源區為大陸島弧與活動大陸邊緣的構造背景。