山東西部單縣地區(qū)二疊紀(jì)奎山組砂巖沉積環(huán)境探討

梁吉坡

(山東省地質(zhì)科學(xué)研究院，國土資源部金礦成礦過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東省金屬礦產(chǎn)成礦地質(zhì)過程與資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250013)

0 引言

單縣地區(qū)位于華北板塊東南緣的魯西地區(qū)，是我國重要的能源資源生產(chǎn)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(qū)的石炭—二疊系基礎(chǔ)研究主要集中在本溪組、太原組和山西組地層。關(guān)于中上二疊統(tǒng)地層，尤其是石盒子群地層研究較少，有關(guān)對該層系沉積環(huán)境的研究，一般將其定義為陸相河流環(huán)境[1-4]。近年來，隨著基礎(chǔ)地質(zhì)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(qū)乃至渤海灣地區(qū)都能進(jìn)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(xiàn)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(qū)，尤其是華北東北部地區(qū)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了石盒子群存在著某些海侵的沉積證據(jù)，如王仁農(nóng)等[6-10]研究微山湖西側(cè)(北至魚臺、單縣一帶，南至徐州，西南同皖北、豫東為鄰)，發(fā)現(xiàn)石盒子群內(nèi)存在著大量的舌形貝，其認(rèn)為魯西地區(qū)該時期接受過海侵；李增學(xué)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(nèi)的“硅質(zhì)巖或硅質(zhì)泥巖”中發(fā)現(xiàn)了生物碎屑巖，“硅質(zhì)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(rèn)為晚二疊世華北地區(qū)石盒子群接受過海侵。大量證據(jù)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(jīng)接受過海侵的觀點(diǎn)，來解釋該區(qū)及魯西地區(qū)奎山組砂巖是否大面積存在的成因機(jī)制，為此，筆者專門進(jìn)行野外露頭和現(xiàn)場巖心觀察與采樣，采用室內(nèi)顯微鏡觀察與電子探針測試相結(jié)合的方法，研究石盒子群奎山組厚層砂巖的沉積環(huán)境，探討其成因機(jī)制。這對于渤海灣—魯西地區(qū)乃至整個華北地區(qū)的石盒子群，開展沉積環(huán)境及相關(guān)基礎(chǔ)理論研究具有重要意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)二疊紀(jì)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?！辛ｉL石石英砂巖及雜砂巖，局部含有石英砂。奎山組在魯西地區(qū)大多被剝蝕，但是在淄博、章丘一帶以及菏澤部分地區(qū)保留較完整，厚度較穩(wěn)定，一般為23～65m。

此次研究在菏澤單縣地區(qū)的張集礦區(qū)現(xiàn)場，對ZKM1鉆孔的巖心樣進(jìn)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(jìn)行巖心樣品采集。采樣主要原則：對于巖性和沉積構(gòu)造等微小的變化，原則上間隔1m進(jìn)行采樣；如果發(fā)現(xiàn)巖性或沉積構(gòu)造有所變化，即使采樣間隔小于1m或者連續(xù)采樣；如果地層巖性或沉積構(gòu)造沒有變化，則每隔2～3m采樣(表1)。

1—中粒砂巖；2—細(xì)粒砂巖；3—粉砂巖；4—泥巖；5—鋁質(zhì)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(jì)變質(zhì)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(qū)及ZKM1鉆孔位置示意圖

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

該次研究采用產(chǎn)自日本的JXA-8230型號電子探針。在進(jìn)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(dǎo)入地，防止電荷堆積。將樣品放入樣品臺后，對樣品室進(jìn)行真空處理，通過調(diào)節(jié)圖像與電流，選取目標(biāo)區(qū)，進(jìn)行定性與定量分析。該次數(shù)據(jù)分析過程中主要參數(shù)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(qū)ZKM1號鉆孔奎山組砂巖采樣對照

2 地球化學(xué)特征

2.1 填隙物測試結(jié)果

在碎屑巖中雜基和膠結(jié)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(fēng)化作用中，次生變化相對穩(wěn)定，其吸附的離子與水介質(zhì)的成分和礦化度有關(guān)。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(rèn)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(xué)條件，可作為指示沉積環(huán)境的標(biāo)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(shù)，對填隙物進(jìn)行了B,Ga,Ba,Mn,Fe,Ni等多個沉積環(huán)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(guī)律，尋求對沉積環(huán)境的指示意義。測試樣品為石盒子群奎山組的中?！至Ｉ皫r，共20件，測試結(jié)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(jìn)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(shù)據(jù)為質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，部分樣品未測出硼含量，出自山東科技大學(xué)材料學(xué)院電子探針實(shí)驗(yàn)室圖2 菏澤地區(qū)ZKM1鉆孔奎山組微量元素電子探針測試結(jié)果

表2 菏澤地區(qū)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(yīng)。海相層中B含量一般為100×10-6或更高，該次發(fā)現(xiàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(fā)現(xiàn)，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(huán)境的反演富氧情況，顏佳新等[21]認(rèn)為Ni/Co比值小于5.0是富氧環(huán)境，比值在5.0～7.0之間是貧氧環(huán)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(huán)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(fù)相關(guān)，分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)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(huán)境較復(fù)雜，不能簡單用傳統(tǒng)觀點(diǎn)一個環(huán)境就能解釋，應(yīng)該是受到海水多次侵退影響。另外，在奎山組砂巖底部發(fā)現(xiàn)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(nèi)海域區(qū)，即僅存在于海相和海泛可影響到的三角洲地區(qū)[23,24]。

2.2 海綠石的發(fā)現(xiàn)與證據(jù)

在奎山組砂巖樣品磨片中發(fā)現(xiàn)的海綠石(圖4)，在偏光顯微鏡下呈圓粒狀、卵狀、條狀和不規(guī)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(jìn)行鏡下初步鑒定，進(jìn)行掃描電鏡觀察和能譜成分分析(表3)，根據(jù)分析結(jié)果可以看出，砂巖中K2O含量為3%～9%，Al2O3含量為14.62%～19.23%，F(xiàn)eO含量為7.61%～13.71%，與威維爾[19]的平均值(Al2O3為9.15%，F(xiàn)e2O3為21.38%)相比，具高鋁低鐵及低鈣鈉相的特點(diǎn)。前人研究成果顯示[15,24]，海綠石中K2O成分古代高、現(xiàn)代低，F(xiàn)eO+Fe2O3的成分古代低、現(xiàn)代高，并出現(xiàn)鐵含量降低則鋁含量增高的規(guī)律，因此該區(qū)研究結(jié)果與前人結(jié)論較好吻合，這也證實(shí)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(qū)ZKM1號鉆孔海綠石電子探針成分

3 沉積模式

結(jié)合前文地球化學(xué)研究，恢復(fù)海水進(jìn)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(dāng)于層序地層學(xué)中的六級基準(zhǔn)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(yīng)相對寒冷期，即海水萎縮期或海退期。垂向上，表現(xiàn)為單一巖性，形成了級次較短期旋回更低的海進(jìn)—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(jié)構(gòu)類型、疊加樣式和分布規(guī)律基本一致，為對稱性旋回，總體上反映出先退積后進(jìn)積特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，總結(jié)出奎山組段厚層砂巖形成機(jī)制：奎山組中粒砂巖主要形成于濱海環(huán)境與陸相河流環(huán)境的結(jié)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(qū)分流河道充填海進(jìn)砂體，晚期相對海平面下降，曲流河和三角洲等沉積相發(fā)育，大量發(fā)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(huán)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?！至Ｉ皫r覆蓋于曲流河河道中粗粒砂巖之上。Bs4旋回期沉積環(huán)境變化較劇烈，其總體上為海退旋回，但其存在著一次較強(qiáng)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(qū)，前濱或者后濱環(huán)境造成了大套的中粒砂巖分布于該區(qū)，橫向上分布比較穩(wěn)定；到了晚期，海水迅速撤出該區(qū)大部分范圍，其沉積環(huán)境演化為少量濱海環(huán)境和曲流河與三角洲環(huán)境，局部發(fā)育了湖相沉積，從而形成了橫向上不穩(wěn)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(jié)論

(1)通過采樣、電子探針實(shí)驗(yàn)與磨片觀察相結(jié)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(fā)現(xiàn)奎山組砂巖沉積環(huán)境不能用單一的陸相成因來解釋，其形成過程較復(fù)雜，受到多次的海侵海退影響，同時鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，奎山組砂巖部分層位存在著海綠石，因此綜合分析發(fā)現(xiàn)研究區(qū)奎山組砂巖沉積環(huán)境并不是純陸相沉積，應(yīng)該形成于濱海近岸帶或三角洲環(huán)境。

(2)在此基礎(chǔ)上，根據(jù)前人研究成果，總結(jié)出奎山組砂巖成因模式，即濱?！懙厣绑w形成模式，指出奎山組砂巖不僅具有海進(jìn)分流河道砂巖和濱海海進(jìn)砂體充填特點(diǎn)，同時也具備了海退砂體形成的特點(diǎn)。

(3)通過沉積學(xué)、地球化學(xué)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(fā)育了分流河道充填海進(jìn)砂體，晚期發(fā)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(fā)育了后濱或前濱砂質(zhì)沉積。Bs4旋回期沉積環(huán)境變化較劇烈，早期存在著一次較強(qiáng)的海泛時間，在前濱或者后濱環(huán)境發(fā)育了大套的中粒砂巖，晚期海水迅速撤出該區(qū)大部分范圍，形成了橫向上不穩(wěn)定的河道砂體或者三角洲分流河道砂體。