瓊東南盆地三亞組碳酸鹽沉積Ce異常及對環(huán)境的指示

田艷麗

(中國地質(zhì)大學,湖北武漢 430074）

瓊東南盆地三亞組碳酸鹽沉積Ce異常及對環(huán)境的指示

田艷麗

(中國地質(zhì)大學,湖北武漢 430074）

通過分析研究瓊東南盆地北部邊緣三亞組碳酸鹽巖稀土元素地球化學特征,結(jié)果表明:稀土元素含量低于1μg/g,呈明顯的Ce負異常特征;沉積物沉積于氧化環(huán)境;垂向上Ce異常的波動曲線與海平面升降的變化曲線相一致。

稀土元素;Ce異常;氧化還原條件;碳酸鹽巖;瓊東南盆地

稀土元素族是一個具有特殊地球化學性質(zhì)的元素家族,是沉積環(huán)境的良好指示劑,對識別沉積環(huán)境包括古鹽度、古水深、水體的pH及 Eh值、氧化還原條件、湖/海平面升降變化等具有重要意義[1]。沉積巖中稀土元素的分布、分配與其形成的環(huán)境密切相關(guān)[2-3],稀土元素含量的高低,尤其是Ce含量的變化,已成為判別沉積環(huán)境的良好標志,因而常用Ce元素探討古沉積環(huán)境。作為地球化學指示劑,Ce元素在海洋沉積環(huán)境研究中,表現(xiàn)出日益明確的示蹤作用[4]。

研究瓊東南盆地邊緣碳酸鹽巖沉積中稀土元素的特征,尤其是Ce元素含量的變化特征,為確定研究區(qū)沉積環(huán)境提供證據(jù)。

1 地質(zhì)概況

瓊東南盆地位于海南島和西沙群島之間,其西以①號斷層與鶯歌海盆地分界,東北以神狐隆起與珠江口盆地珠三凹陷相接,是一個座落于前新生界基底之上的總體呈NE方向延伸的新生代陸緣拉張型含油氣盆地(圖1）。

由于受華南板塊、印支板塊和太平洋板塊共同作用影響,瓊東南盆地第三紀構(gòu)造演化經(jīng)歷了古近紀斷陷、斷拗和新近紀拗陷3大構(gòu)造演化和沉積充填階段[5]。其中古近紀斷陷、斷拗充填沉積代表早期裂陷作用形成的半地塹或地塹充填的產(chǎn)物,包括始新統(tǒng)、崖城組和陵水組;新近紀拗陷充填沉積層則代表盆地發(fā)育晚期的裂后熱沉降期,即拗陷作用的產(chǎn)物,包括三亞組、梅山組、黃流組和鶯歌海組[6]。其中三亞組一段和梅山組為該地區(qū)的主成礁期。海平面升降是生物礁的發(fā)育條件之一,三亞組二段有一次海進,一段有兩次海進海退;梅山組時期,發(fā)生三次海進海退過程(圖2）。

圖1 瓊東南盆地取樣點位分布Fig.1 Sampling sites in Qiongdongnan Basin

圖2 瓊東南盆地新近紀地層劃分及海平面變化Fig.2 The strata units and eustatic sea level change of Qiongdongnan Basin in Neocene period

2 稀土元素地球化學特征

研究區(qū)三亞組和梅山組主要為濱海相沉積物,包括砂巖和泥巖,局部發(fā)育泥灰?guī)r和灰質(zhì)白云巖(圖2）。水深從西北向東南逐漸變深,最深可達3 000 m,采樣點位于盆地邊緣(圖1）,水深小于300 m。YING6井采樣深度為 1 744.02～1 747.4 m,巖性為三亞組二段生物灰質(zhì)白云巖,采樣5件;BD23-1-1井采樣深度為2 089.9～2 108.2 m,巖性為三亞組一段泥灰?guī)r,采樣10件。樣品由中國地質(zhì)大學(武漢）地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點實驗室檢測,15種稀土元素皆采用ICP-MS等離子體質(zhì)譜法做了定量分析。

對稀土元素測試數(shù)據(jù)采用平均大陸上地殼的標準化數(shù)值進行標準化,標準化數(shù)據(jù)列于表1。數(shù)據(jù)表明,海洋生物碳酸鹽巖中稀土元素的含量很低,在 1μg/g以下,∑REE含量也很低,在0.75～6.47μg/g之間,平均值為 2.45μg/g。稀土元素分布模式(圖 3,圖 4）和ω(LREE）/ω(HREE）比值(表1）可以看出,樣品表現(xiàn)為明顯的Ce負異常特征,輕重稀土元素之比小于1,大于0.5,僅B-19樣品輕重稀土元素的比值為0.29,呈現(xiàn)出稀土元素濃度從輕稀土元素到重稀土元素逐漸增大的趨勢,呈左傾型到對稱型的過渡型,樣品B-19左傾較明顯。

圖3 YING6井的REE上地殼標準化豐度圖解Fig.3 REE normalized abundance of YING6 well

圖4 BD23-1-1井的REE上地殼標準化豐度圖解Fig.4 REE normalized abundance of BD23-1-1 well

稀土元素在鈣質(zhì)生物碳酸鹽中主要以類質(zhì)同象置換的方式取代Ca2+離子。但鑒于輕、重稀土元素結(jié)晶化學性質(zhì)上的差異(重稀土元素由于鑭系收縮效應的影響,其離子半徑要比Ca2+離子小許多）,輕稀土比重稀土更有利于同Ca2+離子發(fā)生類質(zhì)同象置換,從而使從海水中吸收稀土元素的鈣質(zhì)生物并未明顯富集海水中含量較富的重稀土元素[7]。這一現(xiàn)象也說明生物沉積是研究區(qū)沉積物來源之一。海洋生物碳酸鹽的稀土組成之所以呈現(xiàn)明顯的Ce虧損,主要是由于海洋生物殼體中的稀土元素是海洋生物直接從海水中吸收來的,因而反映了海水稀土配分的特點[8-10]。

表1 YING6井、BD23-1-1井稀土元素含量Tab.1 The content of rare earth elements in YING6 well and BD23-1-1 well

3 氧化還原條件的探討

Ce在15個稀土元素當中是一個很特殊的元素,存在+3和+4兩種價態(tài),氧化條件下Ce3+易氧化成Ce4+,由于 Ce4+極易水解而被 Fe(Ⅲ）和Mn(Ⅳ）等氧化物膠體吸附而沉淀,從而造成海水中Ce的強烈虧損和鐵錳結(jié)核中Ce的高度富集。在還原環(huán)境中,由于鐵錳氧化物溶解,Ce4+還原為Ce3+而被釋放出來,從而使水體中Ce的虧損消失,甚至會出現(xiàn)局部水體中Ce的相對富集,因此,Ce的異常可以反映當時海水的氧化還原條件[11],因而常被作為海水氧化還原條件的指示劑。

Ce異常大小常用δCe來反映,δCe可按下式計算[12]:

式中:ω(Ce）N、ω(La）N和ω(Pr）N均為上地殼標準化值,δCe[ω(Ce）/ω(Ce＊）]＞1為正異常,即鈰的富集 ,代表還原環(huán)境 ;δCe[ω(Ce）/ω(Ce＊）] ＜ 1為負異常,即鈰的虧損,代表氧化環(huán)境;δCe[ω(Ce）/ω(Ce＊）]=1 為無異常。

研究區(qū)稀土元素δCe均小于1,總體呈現(xiàn)出負異常特點(圖5、圖6）。

圖5為 YING6井δCe異常變化曲線,曲線在1 747.4 m到1 744.02 m深度范圍內(nèi)發(fā)生了兩次轉(zhuǎn)折,表明在1 747.4 m到1 744.02 m深度范圍內(nèi)沉積時海水的氧化還原條件發(fā)生過兩次變化。在深度1 746.8 m和1 745.3 m沉積期,Ce強烈虧損,表明海水的氧化電位相對較高,反映了古海水的氧化環(huán)境,相反,在深度 1 747.4 m和1 744.02 m沉積期,Ce虧損程度較小,即海水的氧化電位相對較低,反映了古海水的弱氧化環(huán)境,整體變化呈一個旋回。采樣區(qū)段位于三亞組二段,該沉積時期,海平面相對海岸上超一次,即發(fā)生一次海進事件,Ce異常曲線與該段海平面變化一致。

圖5 YING6井Ce異常值的分布Fig.5 Distribution of Ce anomaly in YING6 well

圖6 BD23-1-1井Ce異常值的分布Fig.6 Distribution of Ce anomaly in BD23-1-1 well

圖6為BD23-1-1井δCe異常變化曲線,曲線在2 108.2 m到2 089.9 m深度范圍內(nèi)發(fā)生了三次轉(zhuǎn)折,表明在2 108.2 m到2 089.9 m深度范圍內(nèi)沉積過程中海水的氧化還原條件發(fā)生過三次變化,在深度 2 108.2 m、2 101.92 m、2 094.15 m沉積期Ce強烈虧損,說明這三個時期海水的氧化電位相對較高,反映了古海水的氧化環(huán)境,相反,在深度 2 104.4 m和2 097.97 m沉積期,Ce虧損程度較小,說明海水的氧化電位相對較低,反映了古海水的弱氧化環(huán)境,整體變化呈兩個旋回,采樣區(qū)段位于三亞組一段,該沉積時期,海平面相對海岸上超兩次,即發(fā)生過兩次海進事件,Ce異常曲線與該段海平面變化一致。

4 結(jié)論

(1）瓊東南盆地碳酸鹽巖稀土元素含量都很低,低于 1μg/g,∑REE含量也很低,在 0.75～6.47μg/g之間,平均值為2.45μg/g。分布模式圖上顯示呈輕微的Ce虧損,即較明顯的Ce負異常特征。

(2）稀土元素Ce是表征古海洋氧化還原環(huán)境的指示元素,瓊東南盆地呈Ce負異常,表示沉積環(huán)境為氧化環(huán)境。

(3）Ce異常的變化曲線與海平面升降的變化曲線一致,說明Ce異常的波動變化跟海平面的升降變化有關(guān)。

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Ce anomaly as geochemical tracers for redox condition in carbonates of Sanya Formation,Qiongdongnan Basin

Tian Yanli
(China University of Geosciences,Wuhan430074）

Rare earth elements were measured in sedimentary cores collected in carbonates of Sanya Formation.The content of rare earth elements in marine sediment is under 1μg/g,while it shows sharp Ce anomaly,indicating that carbonate sediments in Qiongdongnan basin were deposited in oxic environments.Vertically,the curve of Ce change is consistent with eustatic sea level change,indicating that Ce change is correlated with eustatic sea level change.

rare earth elements;Ce anomaly;redox condition;carbonate;Qiongdongnan Basin

TE121.3+1

A

10.3969/j.issn.1008-2336.2010.01.021

1008-2336(2010）01-0021-05

中海油湛江分公司資助項目“南海西部深水區(qū)碳酸鹽巖—生物礁沉積環(huán)境與分布”(編號:086140）

2009-11-06;改回日期:2009-12-03

田艷麗(1984—）,女,碩士在讀,能源地質(zhì)工程專業(yè),研究方向:沉積學與層序地層學。E-mail:yanli21033@126.com。