沉積礦物的地球化學(xué)特征研究

王憲峰

（西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500）

沉積物中的地球化學(xué)元素、礦石組合以及沉積巖性，沉積構(gòu)造很好的記錄了沉積環(huán)境的性質(zhì)及其演化關(guān)系[1]。因此可以根據(jù)不同地球化學(xué)元素、礦石組合以及沉積礦物特性、構(gòu)造與礦井水的響應(yīng)關(guān)系，來研究沉積區(qū)的水文地質(zhì)情況[2]。

1 沉積學(xué)標(biāo)志

1.1 礦物特性

研究區(qū)域的礦物特性以灰黑色、深灰色、灰褐色的泥頁巖為特征，也常見薄層泥灰?guī)r或白云巖夾層[3]。淺層區(qū)域的礦物特性則以淺灰色、灰綠色粘土巖和粉砂巖為主，可夾有少量薄層或透鏡體狀地質(zhì)礦物，陸源碎屑供給充分時可出現(xiàn)較多的細(xì)砂巖[4，5]。

濱湖亞相位于沉積期地質(zhì)邊緣帶，擁有較強的水動力條件，暴露的、強烈氧化的環(huán)境使其沉積物類型出現(xiàn)多樣性[6]。

1.2 沉積構(gòu)造

深部地層濁積礦物具復(fù)理石構(gòu)造，槽模、溝模是其特征的沉積標(biāo)志[7]。淺部地區(qū)（1m～20m）層理類型多樣，間斷韻律發(fā)育，波痕、沖刷侵蝕構(gòu)造較發(fā)育[8]；干裂、雨痕等層面構(gòu)造都是反映沉積物出露水面的標(biāo)志（＜1m）[16]。

1.3 自生礦物組合

自生礦物如鋁、鐵、錳結(jié)核等，均按照各自的化學(xué)規(guī)律形成，其形成過程除與特定環(huán)境有關(guān)外，還與水深有間接關(guān)系。

常用的標(biāo)志礦物是含鐵自生礦物，其氧化環(huán)境到還原環(huán)境依次為赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦、黃鐵礦[9，10]，對應(yīng)水深依次0m～1m、1m～3m、3m～15m、大于15m[11]。含金屬元素礦物的差異主要顯現(xiàn)在礦石顏色上，尤以粘土巖的顏色判斷水深最為直接。

2 地球化學(xué)標(biāo)志

沉積礦物中的地球化學(xué)元素很好的記錄了沉積環(huán)境的性質(zhì)及其演化關(guān)系[12]。

因此可以根據(jù)不同水文地質(zhì)條件下各元素的地球化學(xué)行為，探討敏感元素的絕對含量或相互之間的比值[13]，來推測出恢復(fù)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境方法。

2.1 Mn/Fe、Mn/Ti比值法

在沉積礦物的搬運過程中不同元素的穩(wěn)定性不同，在主量元素中Fe和Ti的穩(wěn)定性相對較弱，不能長距離運移，Mn的穩(wěn)定性較好[14]，可以長距離運移。因此，Mn、Fe、Ti含量的相對變化可以從某種程度上反映沉積物搬運距離。

通常情況下認(rèn)為Mn/Ti和Mn/Fe值越小，可判定為近源堆積[15]。

2.2 Zr/Al比值法

Zr是典型的親陸性元素[13，16]，以機械遷移為主，沉積于離岸較近的地區(qū)，故常被用作指示物源區(qū)遠(yuǎn)近的指標(biāo)，越遠(yuǎn)離陸源區(qū)，礦石中含量越低。

但沉積礦物中Zr元素的分布受Al元素支配，因此Zr/Al的比值更能代表近距離搬運的陸源組分及水體深度的變化，其值越大，礦井水更深[17]。

2.3 Rb/K比值法

Rb和K在水中的遷移和富集均與粘土密切相關(guān)[18]，并且Rb比K更容易被粘土吸附而遠(yuǎn)移。

因此，比值變大，揭示礦井水較深；比值變小，則礦井水變淺。

2.4 Th/U比值法

根據(jù)元素富集特點即可定性地描述礦井水深淺情況。研究表明[19]，Th/U比值的大小與井水深具有密切關(guān)系[20，21]，即Th/U比值小趨向于還原環(huán)境，沉積時期水體相對較深；Th/U比值大則趨向于氧化環(huán)境，沉積時期礦井水相對較淺。根據(jù)Th/U比值與氧化還原條件的關(guān)系、氧化還原條件與礦井水深的關(guān)系，可間接獲得井水深度范圍。

表1 Th/U比值與礦井水深的關(guān)系（據(jù)文獻(xiàn)[22]）

2.5 Sr/Ca比值法

研究表明[23]從淺水碳酸鹽巖到深水碳酸鹽巖，Sr的絕對含量有增加的趨勢，碳酸鹽巖中1000×(Sr/Ca)比值也呈類似規(guī)律。

早期成礦過程中，原始礦物為高鎂方解石沉積物為主的淺水地帶Sr含量偏低，而以低鎂方解石沉積物為主的較深礦井水地帶Sr含量反而偏高，從而形成了Sr/Ca值由淺水相到深水相由低變高的趨勢[24]。

3 礦物學(xué)標(biāo)志

水體的溫度、壓力、透光度、含氧量等因素與水生生物的生存密切相關(guān)，而這些因素隨水體的深度變化而變化[25]。水體的深度不同，生物的種屬和數(shù)量也就顯示出明顯的差別。

3.1 介形類優(yōu)勢分異度

礦層中的化石群，有時種類繁多，有時個體雖多但屬種單調(diào)，這就是分異度的不同[26，27]?；旱姆之惗仁侵冈撊褐蟹诸悊卧?屬、種等)多樣性的程度。分異度的概念首先見于現(xiàn)代生態(tài)的研究，后來在沉積相研究中得到了廣泛的應(yīng)用，用來推判地層的沉積環(huán)境，也用來探討生物的演化規(guī)律。

對于生物群和化石群來說，熵H(s)也就是種的分異度。研究發(fā)現(xiàn)[28]，現(xiàn)代介形類的分布在波基面附近生物最繁盛。

3.2 化石組合

化石組合是指在一定地區(qū)和一定層位的某類礦石中所保存的生物化石類型的總和。由于埋藏環(huán)境不同，化石組合類型亦不相同[27，28]。

在沉積相中，化石較少[31]，可見有低級藻類，如藍(lán)藻，植物碎片等等；淺湖沉積中動物化石豐富，種類和數(shù)量較多，尤其以薄殼的腹足類、瓣鰓類、介形蟲、葉肢介、魚類為主，植物化石數(shù)量大為減少而且不完整。在半深湖至深湖沉積中，底棲生物化石貧乏乃至絕跡，常見有介形蟲、葉肢介、魚類等游泳生物的化石類別。

3.3 礦物遺跡

趙澄林等[29]認(rèn)為濱湖地區(qū)以湖水條件變化很大，故以濾食性生物活動為特征，形成各種潛穴和擾動，形成了石針跡象；淺湖區(qū)上部，水介質(zhì)條件穩(wěn)定，陽光和養(yǎng)分充足，是與生物大量繁殖，發(fā)育覓食跡[30]，形成卷跡象；淺湖下部至半深湖，陽光照射減弱，養(yǎng)分減少，逐漸轉(zhuǎn)為缺氧環(huán)境，生物量開始減少，當(dāng)有風(fēng)暴作用時，可使這個區(qū)域暫時得到氧氣和養(yǎng)分的補給，發(fā)育擾動構(gòu)造與逃逸跡[29，30]，形成伸展跡象；半深湖區(qū)大部分時間存于缺氧還原環(huán)境，僅發(fā)育特殊低級生物，發(fā)育牧食跡，覓食跡[32]，形成始網(wǎng)跡象；深湖環(huán)境主要為低級生物的牧食跡組合[31]，形成古網(wǎng)跡象。

3.4 礦石群優(yōu)勢度

優(yōu)勢度是指礦物樣品中個數(shù)最多的一個種在全群個體總數(shù)中所占的百分比值，其計算公式為[32]：

優(yōu)勢度是分異度的反向指標(biāo)，它能以側(cè)面反映分異度的大小。當(dāng)優(yōu)勢度很大時，分異度一般較小，只有優(yōu)勢度適中時，分異度才能較大，研究事實證明，優(yōu)勢度dm小時，水體深度則大；當(dāng)dm大時，水體深度則淺。

4 結(jié)論

研究區(qū)域沉積相以濱湖亞相發(fā)育最為廣泛，該區(qū)域具有較強的水動力條件，通常會在不同坡度的環(huán)境形成泥巖、粉砂巖、礫巖等沉積物，并且發(fā)育干裂、雨痕等出露水面的標(biāo)志構(gòu)造。

暴露的、強烈氧化的環(huán)境，往往發(fā)育赤鐵礦、褐鐵礦等自生礦物，還可以富集親氧化環(huán)境的元素，使得Th/U比值增大，MnO/TiO2比值減小。

而離地質(zhì)沉積區(qū)距離較近則使得遷移能力低的元素會相對富集，體現(xiàn)在Mn/Ti和Mn/Fe值、Zr/Al比值、Rb/K比值減小。

淺湖亞相在礦物特性、沉積構(gòu)造上與淺湖大致相似，然而由于水動力條件的下降與氧氣含量的充足會使得淺湖沉積相中發(fā)育較多的礦石。使遷移能力低元素的富集成都下降，使得Mn/Ti和Mn/Fe值、Zr/Al比值、Rb/K比值增加。

半深湖與深湖亞相水動力條件較弱主要形成水平層理、連續(xù)韻律層理，巖性以深灰色的泥頁巖為主，缺氧的還原環(huán)境形成菱鐵礦、黃鐵礦等自生礦物、底棲生物化石貧乏乃至絕跡，Th/U比值減小至10以下。

離岸距離較大，遷移能力強的元素會相對富集，Mn/Ti和Mn/Fe值、Zr/Al比值、Rb/K比值會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于濱淺湖亞相。

因為沉積相不同深度具有不同的特征，可以利用不同的沉積相標(biāo)志反演沉積時期的礦井水深，多種不同的方法綜合使用往往可以得到非常可靠的結(jié)果。