安徽含山小茨山早石炭世高驪山組稀土元素特征及其地質(zhì)學意義

趙 歡, 洪天求, 羅 雷, 張立夫

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009)

安徽含山小茨山早石炭世高驪山組稀土元素特征及其地質(zhì)學意義

趙 歡, 洪天求, 羅 雷, 張立夫

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009)

文章對安徽含山縣小茨山下石炭統(tǒng)高驪山組10件泥巖樣品的稀土元素進行了地球化學分析,結(jié)果表明:該區(qū)高驪山組泥巖的稀土元素總量較高,該區(qū)輕稀土元素相對富集,重稀土元素相對虧損;Ceanom值反映出當時水介質(zhì)處于還原狀態(tài);(La/Yb)n值表明該區(qū)高驪山組上部的沉積速率普遍比下部低。根據(jù)四射珊瑚化石組合及其分布規(guī)律,將高驪山組自下而上劃分出2個組合帶(Arachnolasmaintermedium-Yuanophyllum組合帶與Lonsdaleia組合帶)。通過分析高驪山組稀土元素地球化學特征和沉積環(huán)境特征與古生物群的分布關(guān)系,認為風暴作用以及沉積環(huán)境是影響化石保存和古生物群發(fā)展的主控因素。

稀土元素;沉積環(huán)境;古生物群;高驪山組;早石炭世;小茨山

稀土元素(rare earth element, REE)具有良好的化學穩(wěn)定性,可被定量地保存下來,同時其配分幾乎不受次生過程影響,因此可作為母巖物質(zhì)的重要標志。近年來,REE被廣泛運用于沉積源區(qū)的確定、古氣候與環(huán)境演化、沉積介質(zhì)研究等諸多方面[1-8]。 本研究以安徽含山縣小茨山高驪山組剖面為對象,以該組泥巖中稀土元素地球化學特征的測試與分析為重點,結(jié)合前人的研究成果,分析該地區(qū)早石炭世高驪山組沉積環(huán)境的變化及其對生物發(fā)展的影響,為該區(qū)早石炭世的研究提供新的信息。

1 地質(zhì)概況與古生物組合特征

研究區(qū)位于安徽省馬鞍山市含山縣小茨山地區(qū)。該區(qū)在大地構(gòu)造位置上屬于下?lián)P子拗陷東段,在地層區(qū)劃上屬于揚子地層區(qū)的下?lián)P子地層分區(qū)巢縣地層小區(qū)[9]。小茨山地區(qū)下石炭統(tǒng)分布廣泛,層序完整,出露清楚,富含海相動物化石,如珊瑚、腕足、有孔蟲、鈣質(zhì)海綿、苔蘚蟲等,含少量腹足和介形蟲等,是研究下?lián)P子地區(qū)下石炭統(tǒng)的重要地區(qū)之一。

小茨山下石炭統(tǒng)高驪山組剖面位于小茨山采石場。該組剖面總厚度約為12 m,由灰?guī)r和泥巖組成。其中,絕大部分為泥巖,含有大量珊瑚以及腕足動物化石。高驪山組剖面野外照片如圖1所示,實測地層柱狀圖如圖2所示。

根據(jù)地層發(fā)育特征,小茨山剖面的高驪山組自下而上可以分成3段。

(1) 下段(層號0～4)。該段主要由土黃色和紫紅色黏土巖組成,局部出現(xiàn)夾燧石結(jié)核的泥質(zhì)灰?guī)r。上部泥質(zhì)灰?guī)r中含礫屑約20%,礫屑直徑達2～3 cm;下部多為黏土巖和薄層灰?guī)r,未見底,古生物化石稀少。

(2) 中段(層號5～12)。該段由雜色泥巖和暗灰色中薄層灰?guī)r組成,含大量單體和群體珊瑚、腕足和雙殼化石。下部為雜色黏土巖,含有大量泥質(zhì)灰?guī)r礫屑(團塊),礫屑內(nèi)見保存較好的珊瑚和腕足化石;上部為黑色炭質(zhì)泥巖,含有大量珊瑚、腕足和雙殼動物化石。該段為化石的主要產(chǎn)出層位。

(3) 上段(層號13～21)。該段為泥巖與灰?guī)r的互層,含少量珊瑚及腕足動物化石。

(1)Arachnolasmaintermedium-Yuanophyllum組合帶。該組合帶主要組成分子有中間型擬棚珊瑚ArachnolasmaintermediumYan et Qi、中國擬棚珊瑚A.sinense(yabeetHayasake)、甘肅袁氏珊瑚YuanophyllumkansuenseYu、銀屏袁氏珊瑚Y.yinpingenseYan et Chen、雅致袁氏珊瑚Y.elegantulumYan et Chen、湖南蛛網(wǎng)珊瑚ClisiophyllumhunanenseYu、極厚棚珊瑚DibunophyllumpercrassumGorsky和不列斯頓干溝珊瑚亞種D.bristolensekankouenseYu等。此外，可見腕足(湖南獅鼻長身貝Pugilishunanensis(Ozaki)、舒克貝Schunchertallasp.、無窗貝Athyrissp.)、少量雙殼(變帶蛤Wilkingiasp.)和植物化石碎片。

圖1 含山縣小茨山下石炭統(tǒng)高驪山組剖面野外照片

圖2 安徽含山縣小茨山下石炭統(tǒng)高驪山組實測地層柱狀圖

2 稀土元素地球化學特征

2.1 稀土元素特征

為探討高驪山組的沉積環(huán)境特征及其變化,在高驪山組剖面共采集泥巖樣品10件,采樣層位和樣品編號參見圖2。

稀土元素測試工作委托澳實分析檢測(廣州) 有限公司澳實礦物實驗室在ME-MS82等離子質(zhì)譜儀中進行,測試誤差小于5%。測試結(jié)果見表1、表2所列。

表1 安徽含山縣小茨山下石炭統(tǒng)高驪山組泥巖樣品稀土元素質(zhì)量比 μg/g

注:∑LREE為輕稀土元素(light rare earth element, LREE)質(zhì)量比之和;∑HREE為重稀土元素(heavy rare earth element, HREE)質(zhì)量比之和;∑REE為總稀土元素質(zhì)量比。

表2 安徽含山縣小茨山下石炭統(tǒng)高驪山組泥巖樣品稀土元素地球化學分析結(jié)果

注:δCe=CeN/(LaN×PrN)1/2, CeN、LaN、PrN為元素球粒隕石標準化值;δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2, EuN、SmN、GdN為元素球

粒隕石標準化值;Ceanom=lg[3Cen/(2Lan+Ndn)];下標N表示元素相對球粒隕石標準化值,下標n表示元素相對北美頁巖

標準化值。

采用Leedy球粒隕石樣的測定值對所測稀土元素的結(jié)果進行標準化。由表1可知,小茨山剖面樣品總稀土元素質(zhì)量比介于104.5～292.0 μg/g,平均值為175.72 μg/g?？傮w上看,研究區(qū)下石炭統(tǒng)高驪山組泥巖的稀土元素總量接近于北美頁巖的平均值(173.2 μg/g),大部分樣品的稀土元素總量高于大陸上地殼的平均值(146.4 μg/g)。

2.2 稀土元素配分模式

對研究區(qū)泥巖樣品中稀土元素球粒隕石標準化,得到稀土元素配分模式圖,如圖3所示。

圖3 高驪山組泥巖樣品稀土元素配分模式

(1) ∑LREE/∑HREE比值反映了分析樣品的輕、重稀土元素的分餾程度。研究區(qū)∑LREE/∑HREE比值為5.11～11.04,平均值為8.17,略高于北美頁巖值(7.5)[15],總體表現(xiàn)為輕稀土元素富集,重稀土元素較為虧損。

(2) (La/Yb)N與(Ce/Yb)N是稀土元素球粒隕石標準化圖解中分布曲線的斜率,反映曲線的傾斜程度;(La/Sm)N與(Gd/Yb)N分別反映了輕、重稀土元素之間的分餾程度,(La/Sm)N值越大,表明輕稀土越富集[8],而(Gd/Yb)N值越小,表明重稀土分異程度越低。研究區(qū)(La/Yb)N值為4.06～8.96,平均值為6.68;(Ce/Yb)N值為2.50～7.38,平均值為5.21,表明研究區(qū)樣品中輕、重稀土元素有一定程度的分異,輕稀土元素相對富集。(La/Sm)N值為1.70～6.62,平均值為3.92,表明輕稀土元素之間分異不明顯;(Gd/Yb)N值為0.59～1.76,平均值為1.17,表明重稀土元素之間分異不明顯。

(3) 配分模式曲線在稀土元素Eu處出現(xiàn)一個低谷,存在明顯的Eu負異常,Ce處為輕微負異常。研究區(qū)樣品的δEu值為0.47～0.81,平均值為0.65,與北美頁巖標準值(0.65)相當。這表明物源比較一致,物源區(qū)也相對比較穩(wěn)定。

3 稀土元素的地質(zhì)學意義

3.1 氧化-還原性分析

稀土元素對沉積環(huán)境的變化十分敏感,故經(jīng)常被用于古環(huán)境研究。在一定的pH值條件下,若水體為氧化環(huán)境,Ce3+會被氧化成Ce4+,Ce3+濃度就降低;反之,若水體缺氧,Ce3+的濃度就會增大[7]。因此,δCe與Ceanom被廣泛用來判斷水介質(zhì)的氧化還原條件[2,8,16-19],δCe>1.05為正異常(富集),表示還原環(huán)境;δCe<0.95為負異常(虧損),表示氧化環(huán)境。文獻[20]提出用Ceanom來表示Ce異常,并用來判別古缺氧環(huán)境,當Ceanom<-0.10為Ce虧損,表示介質(zhì)為氧化條件;Ceanom>-0.10為Ce富集,表示介質(zhì)為缺氧條件。

文獻[21]研究表明,在外海、開闊海域,δCe虧損嚴重;在邊緣海和被陸地封閉的海灣中,δCe基本正常,虧損不嚴重。研究區(qū)δCe值為0.91～1.06,均值為0.99,介于0.95～1.05之間, Ce異常不明顯,基本正常,不能用來判斷其水介質(zhì)的氧化還原條件,但可以得出高驪山組泥巖的沉積環(huán)境在淺海區(qū); Ceanom值為-0.088～-0.001,均值為-0.038,均大于-0.1,反映其沉積時水體呈缺氧的還原環(huán)境。

REE的分異程度[(La/Yb)n]可作為反映沉積速率變化的一種標志。例如,懸浮物在海水中停留較短,REE隨其快速沉積,與海水發(fā)生交換的時間較短,分異較弱[17],這種沉積物的頁巖標準化的REE配分模式曲線就會比較平緩,δCe呈正?；蛉踟摦惓?曲線斜率 (La/Yb)n值約為1。研究區(qū) (La/Yb)n值為0.68～1.50,平均值為1.12,該剖面自下而上(La/Yb)n值大體上呈逐步上升的趨勢(表2),表明高驪山組上部的沉積速率普遍比下部低,這更有利于有機質(zhì)聚集和古生物化石保存,該剖面上部發(fā)育的炭質(zhì)泥巖及其保存的化石也證實了這一點。

3.2 物源分析

在指示盆地沉積物源區(qū)性質(zhì)的指標中,REE分布模式是可靠的指標之一[7]。源自上地殼的稀土元素具有輕稀土元素富集、重稀土元素含量相對穩(wěn)定以及明顯的Eu負異常等特征[22]。由圖3可知,研究區(qū)稀土元素總體具有輕稀土元素富集、重稀土元素含量穩(wěn)定、Ce基本正?；蜉p微負異常及較明顯的Eu負異常等特征。文獻[23]認為,若母巖為花崗巖,則沉積巖多為Eu負異常;若母巖為玄武巖,則沉積巖無Eu異常。研究區(qū)的δEu值為0.47～0.81,平均值為0.65,存在明顯負異常,證明物源區(qū)母巖可能為花崗巖。小茨山地區(qū)高驪山組樣品顯示出與上地殼基本一致的REE分布模式,說明高驪山組沉積時期的原始物質(zhì)應來源于花崗質(zhì)上地殼。

高驪山組泥巖La/Yb-∑REE圖解如圖4所示(據(jù)文獻[24]修改)。

由圖4可以看出,研究區(qū)樣品的投影部分主要落在沉積巖與花崗巖的交匯區(qū),部分落在大陸拉斑玄武巖及堿性玄武巖區(qū)域內(nèi),這也說明了研究區(qū)母巖可能為多源型。

∑REE/10-6圖4 高驪山組泥巖La/Yb-∑REE圖解

3.3 環(huán)境變化與古生物群發(fā)展

本研究關(guān)注的小茨山采場高驪山組由泥巖與灰?guī)r互層組成,大部分地層中泥質(zhì)含量高,泥質(zhì)灰?guī)r中保存大量以四射珊瑚為主的不同種類化石,古生物演化可分為4個階段:層號1～4,海生動物化石稀少,記為階段Ⅰ;層號5～7,化石開始出現(xiàn),記為階段Ⅱ;層號8～12,化石含量高,類群最為豐富,在整個高驪山組剖面中占主導地位,記為階段Ⅲ;層號13～20,化石含量減少,記為階段Ⅳ。從表2可以看出,階段Ⅰ～階段Ⅳ中的∑LREE/∑HREE值、(La/Yb)N、(Ce/Yb)N、(La/Sm)N、(Gd/Yb)N值均表明其輕、重稀土元素分異程度較大,輕稀土元素含量相對豐富。

δCe與Ceanom值表明,研究區(qū)的水體處于淺海還原環(huán)境,說明其沉積環(huán)境惡劣,不適宜古生物的生存與發(fā)展,但在研究區(qū)高驪山組地層中,化石記錄從下到上開始驟然增多,與樣品的REE地球化學分析結(jié)果矛盾。經(jīng)詳細觀察發(fā)現(xiàn),研究區(qū)化石一般保存在泥質(zhì)灰?guī)r礫屑之中,有明顯的搬運痕跡。結(jié)合前人認為該地區(qū)高驪山組發(fā)育風暴沉積的認識[25],本研究認為小茨山采場高驪山組所含的珊瑚等化石大多是風暴作用導致異地搬運的產(chǎn)物。

研究區(qū)所在的下?lián)P子地區(qū)在高驪山組沉積時,伴隨著地殼運動的影響,曾出現(xiàn)頻繁的海平面升降,總的趨勢是海水逐漸變淺,加之風暴作用頻繁,此時環(huán)境不利于古生物群生存與發(fā)展。

4 結(jié) 論

(1) 高驪山組泥質(zhì)灰?guī)r中化石豐富,種類繁多,并以四射珊瑚為主。本研究在高驪山組中建立了2個四射珊瑚組合帶(Arachnolasmaintermedium-Yuanophyllum組合帶和Lonsdaleia組合帶)。

(2) 高驪山組泥巖稀土元素地球化學分析表明,研究區(qū)高驪山組泥巖的稀土元素總量較高,輕稀土元素相對富集,重稀土元素相對虧損。Ceanom值反映沉積時水介質(zhì)為還原條件;(La/Yb)n值分析表明小茨山下石炭統(tǒng)高驪山組自下而上(La/Yb)n值相比于±1有逐漸變大的趨勢,表明沉積速率自下而上有降低的趨勢;根據(jù)稀土元素組合及其質(zhì)量比的比值特征以及La/Yb-∑REE圖解,母巖物源主要來自上地殼,源巖為花崗巖和古老的沉積巖的混合。

(3) 通過分析高驪山組各層泥巖樣品的稀土元素地球化學特征與化石的產(chǎn)出關(guān)系,認為風暴作用以及還原性的水介質(zhì)環(huán)境是影響古生物群生存和發(fā)展的主要因素。

[1] BHATIA M R.Rare earth element geochemistry of Australian Paleozoic graywackes and mudrocks:provenance and tectonic control[J].Sedimentary,1985,45(1/2):97-113.

[2] 謝國梁,沈玉林,魏展航,等.鄂爾多斯盆地延川南地區(qū)下二疊統(tǒng)山西組泥巖稀土元素特征及地質(zhì)意義[J].天然氣地球科學,2013,24(5):992-994.

[3] 白斌,鄒才能,朱如凱,等.利用露頭、自然伽瑪、巖石地球化學和測井地震一體化綜合厘定層序界面:以四川盆地上三疊統(tǒng)須家河組為例[J].天然氣地球科學,2010,21(1):78-86.

[4] 劉銳娥.泥質(zhì)巖稀土元素地球化學特征在物源分析中的意義:以鄂爾多斯盆地上古生界為例[J].天然氣地球科學,2005,16(6):788-791.

[5] 郝樂偉,劉暢,王琪,等.西湖凹陷古近系花港組物源區(qū)特征分析[J].天然氣地球科學,2011,22(2):315-323.

[6] 侯偉,劉招君,王偉濤,等.黑龍江省東部綏濱坳陷下白堊統(tǒng)泥巖稀土元素地球化學特征[J].古地理學報, 2007,9(2):210-212.

[7] 李雙建,肖開華,沃玉進,等.湘西、黔北地區(qū)志留系稀土元素地球化學特征及其地質(zhì)意義[J].現(xiàn)代地質(zhì),2008,22(2):274-279.

[8] 王欣欣,鄭榮才,閆國強,等.基于稀土元素地球化學特征的泥巖沉積環(huán)境及物源分析[J].天然氣地球科學,2014,25(9):1388-1392.

[9] 王道軒,宋傳中,金福全,等.巢湖地學實習教程[M].合肥:合肥工業(yè)大學出版社,2005:1-159.

[10] 嚴幼因.下?lián)P子區(qū)石炭紀珊瑚化石[J].中國地質(zhì)科學院南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所所刊,1987,8(2):100-106.

[11] 賈慧貞,許壽永,鄺國敦,等.中南地區(qū)古生物圖冊二[M].北京:地質(zhì)出版社,1977:240-409.

[12] 姜水根.湖南古生物圖冊[M].北京:地質(zhì)出版社,1982:81-147.

[13] 南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所.華東地區(qū)古生物圖冊(二):晚古生代圖冊[M].北京:地質(zhì)出版社,1982:1-495.

[14] 俞建章,林英鐋,時言,等.石炭紀二疊紀珊瑚[M].長春:吉林人民出版社,1983:208-209.

[15] 陳德潛,陳剛.實用稀土元素地球化學[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1996:1-268.

[16] 王中剛,于學元,趙振華.稀土元素地球化學[M].北京:科學出版社,1989:90-93.

[17] 趙振華.微量元素地球化學原理[M].北京:科學出版社,1997:143-223.

[18] 朱如凱,郭宏莉,河東博,等.中國西北地區(qū)石炭系碎屑巖儲層研究[J].石油勘探與開發(fā),2002,29(3):40-43.

[19] 劉俊來,楊香華,于水,等.東海盆地麗水凹陷古新統(tǒng)沉積巖的稀土元素地球化學特征[J].現(xiàn)代地質(zhì),2003,17(4): 421-427.

[20] ELAERFIELD H, GREAVES M J.The rare earth elements in seawater[J].Nature, 1982, 296(18):214-219.

[21] 王中剛,于學元,趙振華.國外稀土元素地球化學的進展[J].礦物巖石地球化學通報,1986,5(1): 2-4.

[22] TAYLOR S R,MCLENNAN S M.The continental crust:its composition and evolution[M].Oxford:Blackwel, 1985:215-223.

[23] MCLENNAN S M.Rare earth elements and sedimentary rocks:influence of provenance and sedimentary processes[J].Reviews in Mineralogy,1989,21(1):169-200.

[24] ALLEGRE C J,MINSTER J F.Quantitative models of trace element behavior in magmatic processes[J].Earth Planetary Science Letters,1978,38(1):1-25.

[25] 錢崢,李淳,馬在平.安徽巢北地區(qū)下石炭統(tǒng)高驪山組風暴沉積[J].石油大學學報(自然科學版),1996,20(5):8-10.

REEcharacteristicsofEarlyCarboniferousGaolishanFormationfromXiaociMountaininHanshanCounty,AnhuiProvinceanditsgeologicalsignificances

ZHAO Huan, HONG Tianqiu, LUO Lei, ZHANG Lifu

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Through the geochemical analysis of rare earth elements(REE) of ten mudstone samples of Lower Carboniferous Gaolishan Formation in Xiaoci Mountain in Hanshan County, Anhui Province, it is shown that the total content of REE in mudstone of Gaolishan Formation is high. There are relative enrichment of LREE and relative loss of HREE in the studied area. Ceanomvalues reflect that the water medium belongs to reducing condition at that time. (La/Yb)nvalues show that the deposition rate in the upper part of the studied area is generally lower than that in the lower part. According to the fossil assemblage and distribution pattern of coral, the studied area can be divided into two groups, namelyArachnolasmaintermedium-Yuanophyllumcombination belt andLonsdaleiacombination belt. Through the geochemical research of REE in the Gaolishan Formation and combined with the analysis of the characteristics of the sedimentary environment and the influence of the Palaeobiota in the Gaolishan Formation in Xiaoci Mountain area, it is concluded that the storm action and sedimentary environment are the main control factors for the survival and development of the Palaeobiota.

rare earth elements(REE); sedimentary environment; Palaeobiota; Gaolishan Formation; Early Carboniferous; Xiaoci Mountain

2016-04-05；

2016-04-28

安徽省國土資源科技資助項目(2011-k-16)

趙 歡(1990-),男,吉林九臺人,合肥工業(yè)大學碩士生;

洪天求(1953-),男,安徽懷寧人,博士,合肥工業(yè)大學教授,博士生導師,通訊作者,hongtianqiu@sina.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.023

P618.7

A

1003-5060(2017)09-1269-07

(責任編輯 張淑艷)