白龍江工程新近系甘肅群成巖環(huán)境及物質(zhì)來源研究

朱維娜，毛深秋，袁彥超，趙芳萍

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津300222）

白龍江工程位于甘肅省境內(nèi)， 主體屬秦祁昆造山系，地質(zhì)條件復(fù)雜。新近系主要分布在北以華家?guī)X為界，南抵西秦嶺，東臨六盤山的廣大隴中盆地。 工程區(qū)內(nèi)出露的新近紀軟巖地層歸屬于甘肅群（N1G），分布廣泛，是輸水總干線隴中段穿過的主要地層，與下伏不同時代地層均呈角度不整合接觸關(guān)系， 地層傾角平緩， 一般為3°～10°或近水平狀， 厚度大于100m。 下部主要為紫紅色砂巖、 磚紅色泥巖夾石膏層；中部為礫巖與砂礫巖、砂巖互層夾褐灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥巖；上部為灰綠色、磚紅色泥巖、鈣質(zhì)泥巖互層，局部夾石膏。

1 實驗結(jié)果

本階段對輸水總干線隴中段甘肅群（N1G）不同深度的14塊巖芯樣品進行了巖礦鑒定、X射線衍射、主微量元素分析， 實驗在河北省區(qū)域地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查研究所實驗室完成。

1.1 巖礦鑒定

巖礦鑒定結(jié)果顯示，組成樣品的礦物顆粒較細，黏土礦物含量較高， 僅借助顯微鏡很難對樣品進行準確的定名。另外，各類沉積巖中廣泛存在的黏土礦物多為表生風(fēng)化作用的產(chǎn)物， 沉積作用和埋藏作用過程中經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)變， 其結(jié)晶形態(tài)和化學(xué)成分等特征受源區(qū)母巖巖性和形成時的風(fēng)化環(huán)境所控制，具有重要的指示意義。因此，本次工作在磨片鑒定的基礎(chǔ)上進行了X射線衍射實驗。

1.2 X射線衍射

實驗結(jié)果表明， 巖石礦物組合相似且不受取樣深度影響，巖石主要由石英（24.5%～45.8%）、斜長石（7.4%～17.8%）、鉀長石（2.3%～6.8%）、方解石（2.1%～26.7%）及黏土礦物（9.3%～40.7%）組成，個別樣品含有不等量的鐵白云石（3.0%～14.7%）、白云石（4.1%～5.3%）。其中黏土礦物整體含量較高（平均30.5%），與北美頁巖（NASC）和中國南方海相頁巖（25%～60%）相當。 另外，巖石樣品中碳酸鹽含量較高，可能與鈣質(zhì)膠結(jié)有關(guān)。

樣品中的黏土礦物主要為伊蒙混層礦物（52%～84%）、 伊利石（12%～33%） 及少量綠泥石（2.0%～9.0%）、高嶺石（2.0%～6.0%），其中伊蒙混層比（蒙脫石在伊蒙混層中所占的比例）為40%。 巖石樣品中黏土礦物含量不高， 經(jīng)計算得出伊利石是最主要的黏土礦物，全巖平均含量約19.4%，其次是蒙脫石，含量約8.5%， 這些礦物成分的存在使得巖體可能具有一定的流變性、膨脹性及崩解性。

張超等［1］采用碳酸鹽礦物、黏土礦物及長英質(zhì)陸源碎屑礦物三個端元， 對細粒沉積物進行了詳細的巖類劃分，以此作為底圖，繪制了甘肅群（N1G）全巖礦物三角圖解， 樣品主要集中在泥質(zhì)粉砂巖區(qū)及陸源碎屑型混合細粒沉積巖區(qū)， 個別落入灰質(zhì)粉砂巖區(qū)，與磨片鑒定結(jié)果有較大出入，可能是由于礦物顆粒較細，對顯微鏡下鑒定造成了一定影響，下文定名均以X射線衍射實驗結(jié)果為準。

1.3 主微量元素分析

1.3.1 主量元素地球化學(xué)特征

甘肅群 （N1G） 細碎屑巖中SiO2含量最高，為42.56%～62.38%，均值53.49，這與X射線衍射結(jié)果中石英、長石等造巖礦物的含量相對應(yīng)。Al2O3含量僅次于SiO2，占總含量的9.40%～15.83%，與黏土礦物含量較高相關(guān)。 其次為CaO，含量不均，為1.56%～16.09%，均值8.33，另外，巖石中還含有少量的TFe2O3（3.68%～6.82%，均值5.42%）、MgO（2.36%～5.98%，均值3.15）、K2O （1.90%～3.33%， 均值2.68%）、Na2O （0.95%～1.56%，均值1.21%）等，灼失量為5.62%～19.40%，其中Fe2O3（均值4.64）含量明顯高于FeO（均值0.70），這是巖石樣品呈現(xiàn)棕紅色的根本原因， 表明沉積盆地當時處于氧化條件下。

與PAAS 標 樣 相 比， 樣 品 中SiO2、Al2O3、K2O、TFe2O3含量明顯偏低，CaO、MgO含量偏高，Na2O、P2O5含量基本一致。與巖石中長英質(zhì)礦物、碳酸鹽礦物含量高相對應(yīng)，表明沉積物源巖中有酸性巖存在。

1.3.2 微量及稀土元素地球化學(xué)特征

微量元素蛛網(wǎng)圖顯示各樣品配分模式基本一致，說明其具有同源性，Pb含量明顯偏高，Ba、Nb、Sr、Ti含量呈現(xiàn)負異常。 與上地殼黏土巖相比，典型的陸源元素如Zr、Sc等含量偏高［2］，說明該套地層沉積了大量的陸源物質(zhì)。

甘肅群（N1G）細碎屑巖稀土元素（REE）總量范圍165.6～294.2μg/g，均值249.0μg/g。 從輕稀土元素與重稀土元素的相對富集程度上看， 輕稀土元素含量（127.2～234.9μg/g，均值195.5μg/g）明顯高于重稀土元素（38.4～64.8μg/g，均值53.4μg/g），LREE/HREE在3.3～4.1之間。 可見ΣLREE含量的變化決定了ΣREE的變化。 以球粒隕石數(shù)值標準化后，各樣品曲線整體形態(tài)相似，說明沉積物具有同源性，巖石中輕、重稀土元素分餾明顯，輕稀土元素富集，配分曲線較陡，重稀土元素則總體呈現(xiàn)出平坦的變化趨勢，（La/Yb）N在7.5～11.0之間，Eu呈負異常，δEu均值0.7，Ce異常不明顯，說明源巖為酸性巖。將稀土元素以北美頁巖進行標準化后，Eu和Ce均未呈現(xiàn)出明顯的異?，F(xiàn)象，配分曲線的變化趨勢與北美頁巖基本一致，說明稀土元素在沉積過程中并未受到外界因素的影響， 分異不明顯。（La/Yb）N的值在1.1～1.6之間，均值為1.4，表明其沉積速率較快，距離物源區(qū)較近，沉積水體深度較淺。

2 討論

甘肅群（N1G）樣品的CIA值在61.71～69.57之間，均值65.78，A-CN-K三角圖解中， 樣品均落在IWT線右側(cè)靠近K端元方向， 表明樣品存在一定程度的鉀交代作用。 經(jīng)矯正后的CIA值在64～74之間，顯示弱～中等化學(xué)風(fēng)化作用，其風(fēng)化線趨勢逐漸接近PAAS，主量元素在源區(qū)的判別及古氣候恢復(fù)方面具有一定的指示意義。

成分變異指數(shù)（ICV）多用以判別源巖是否為再循環(huán)沉積作用的產(chǎn)物。 甘肅群（N1G）樣品的ICV值在1.01～3.03之間，均值1.69，表明巖石主要由造巖礦物石英、 長石等組成， 黏土礦物并非最主要的礦物成分，且成分成熟度較低，未經(jīng)歷再循環(huán)沉積作用。

2.1 物源區(qū)判別

綜合CIA及ICV指數(shù)計算結(jié)果， 樣品的主量元素地球化學(xué)特征在進行物源區(qū)及古氣候恢復(fù)時具有一定的參考價值。甘肅群（N1G）的Al2O3/TiO2值在18.05～20.38之間，均值為19.19，說明源巖以長英質(zhì)或中性巖石為主。 在Roser等提出的物源區(qū)判別函數(shù)圖解中， 樣品集中落在了石英巖沉積物源區(qū)和中性巖火成物源區(qū)。

碎屑巖的地球化學(xué)特征可以很好地指示物源區(qū)原始沉積、構(gòu)造環(huán)境等。 根據(jù)Allegre 等提出的∑REE-La/Yb源區(qū)判別圖解進行樣品投點，絕大多數(shù)落在了沉積巖、花崗巖及堿性玄武巖交匯區(qū)。表明長英質(zhì)巖石在源巖中占據(jù)了重要比例。

沉積物中的某些不活潑微量元素（如La、Th、Hf）不因搬運與成巖作用而改變，而長英質(zhì)與鐵鎂質(zhì)巖石中La、Th、Hf等元素存在顯著差異，因而可利用其含量及比值推測源巖成分［6］。 Floyed和Leveridge［7］提出的Hf-La/Th物源屬性判別圖解中，樣品分布在長英質(zhì)物源附近，近半樣品靠近上地殼，但仍有古老沉積物混入。 相對不活潑的元素比值，如Th/Sc、La/Sc、Co/Th、Cr/Th等也是很好的物源指示器。 將甘肅群碎屑巖與不同構(gòu)造背景砂巖微量元素特征值進行對比，可見樣品的La/Sc、Sc/Th、Cr/Th、Co/Th及Eu/Eu*比值均與大陸上地殼（UCC）相近，而與下地殼和洋殼相差甚遠。Rb-K2O圖解中，樣品的K/Rb比值約230，分布范圍接近上地殼；Th-Th/U圖解顯示巖石經(jīng)歷了弱-中等風(fēng)化作用，樣品與地殼具有較高的親緣性，但沉積過程中可能接受了少量地幔物質(zhì)的加入。地殼與地幔的物質(zhì)組成具有明顯差異，當存在幔源物質(zhì)加入時，一些元素及其比值會存在明顯的變化， 如δEu＞1、Tb/Yb＞1、La/Sc＜2.8、La/Th＜2.8、Th/U＜3.8，根據(jù)前文的化學(xué)元素分析結(jié)果，顯示物源區(qū)的組成主要為上地殼物質(zhì)，幔源物質(zhì)較少。 微量元素中，Cr、Zr主要反映鉻鐵礦和鋯石的含量，其比值可反映鎂鐵質(zhì)和長英質(zhì)對沉積物的相對貢獻，樣品的Cr/Zr比值在0.2～0.44之前，表明源區(qū)以長英質(zhì)為主。

綜上所述，工程區(qū)甘肅群（N1G）沉積地層源巖主要來源于上地殼，以長英質(zhì)為主，其次為中性巖石，受造山運動的影響，可能混入了一定量的地幔物質(zhì)。利用地球化學(xué)元素特征雖然能對剝蝕源區(qū)進行簡單判別， 但結(jié)果可能存在著相對實際構(gòu)造發(fā)展某種程度的滯后性。

2.2 物源區(qū)構(gòu)造背景判別

主量元素作為礦物的主要構(gòu)成元素能反映砂巖中主要碎屑顆粒的組成。 楊江海等［8］利用主量元素的摩爾含量計算巖石中石英、長石和基性碎屑含量，并繪制出Qel-Fel-Lel判別圖解， 碎屑巖源巖所處的構(gòu)造環(huán)境劃分為五個類型：克拉通內(nèi)部、陸緣弧、碰撞造山帶、大陸島弧及大洋島弧。 甘肅群（N1G）的14件巖石樣品主要落在了陸緣弧、 碰撞造山帶和大陸島弧的交匯區(qū)域。

Bhatia［3］總結(jié)了不同構(gòu)造背景砂巖的常量元素特征參數(shù)，通過對比，除SiO2含量偏低外，各參數(shù)均介于大陸島弧和大洋島弧之間。 另外，樣品K2O/Na2O比值為2.23，明顯高于大陸島弧參考值（0.61），可能與巖石成巖后期經(jīng)歷的鉀化作用有關(guān)。 主量元素構(gòu)造環(huán)境判別圖解及源區(qū)構(gòu)造環(huán)境判別函數(shù)圖解中，樣品均落入大洋島弧和大陸島弧區(qū)域。

Bhatia 和Crook［4］認為，砂巖 的微量元素，尤其La、Th、Y、Zr、Ti、Co和Ni等不活潑的微量元素， 在研究砂巖物源區(qū)和判別構(gòu)造環(huán)境上作用很大， 并提出了可以區(qū)分形成于大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣砂巖的圖解。甘肅群（N1G）碎屑巖在Th-Co-Zr/10及La/Sc-Ti/Zr判別圖解中均集中落在了大陸島弧區(qū)域，個別落入活動大陸邊緣，說明源巖在成巖過程中可能受到了構(gòu)造活動的影響。

綜上所述，工程區(qū)甘肅群（N1G）沉積地層源巖更可能形成于大陸島弧環(huán)境中， 成巖過程中受到了造山運動影響，混入了少量來自地殼深部的物質(zhì)。樣品的ICV值較大，也可證明母巖與構(gòu)造活動相關(guān)，且沉積盆地與源區(qū)距離較近。Ghosh等認為細碎屑巖的低成熟度與沉積期的干旱氣候及構(gòu)造活躍背景相關(guān)聯(lián)，并可作為典型的初次旋回沉積物。 根據(jù)古地理、區(qū)域資料及構(gòu)造演化分析其原始物源區(qū)可能為下古生界李子園群片巖、火山巖及同期侵入的花崗巖。

2.3 古沉積環(huán)境判別

根據(jù)遷移富集形成的沉積物中化學(xué)元素的分布、賦存、演化等特征，可以揭示沉積物質(zhì)來源及演化規(guī)律，認識沉積物形成環(huán)境。

2.3.1 氧化還原狀態(tài)

Elderfield等［5］提出利用Ceanom判別古水介質(zhì)氧化還原條件，研究區(qū)樣品的Ceanom均值為-0.039，顯示氧化環(huán)境。

在判斷古水介質(zhì)Eh值時， 各種微量元素比值法經(jīng)常被應(yīng)用， 本次工作采用比較敏感的幾個微量元素比值參數(shù)， 如Ni/Co、V/Cr、V/Sc及Th/U等。 樣品的Ni/Co比值在2.0～2.68之間， 均值2.43；V/Cr比值在1.35～2.15之間， 均值1.61；V/Sc比值在7.23～11.07之間，均值8.60；Th/U比值在3.32～5.16之間，均值3.96，均顯示氧化環(huán)境。

2.3.2 古鹽度

古鹽度是恢復(fù)古沉積環(huán)境及其演化的重要內(nèi)容。 Sr、Ba是堿土金屬中化學(xué)性質(zhì)較相似的兩個元素，Sr/Ba比值常作為區(qū)分淡水和咸水的沉積標志，該比值與古鹽度呈正相關(guān)。 樣品的Sr/Ba比值在0.39～1.20之間，均值0.60，指示陸相沉積環(huán)境。

2.3.3 古氣候

構(gòu)成氣候的兩個基本要素是溫度和濕度， 從黏土礦物的成因來看， 它們也是控制黏土礦物形成的兩個重要因素。甘肅群（N1G）的14塊樣品均表現(xiàn)為伊蒙混層含量高、 較高的伊利石及少量的綠泥石和高嶺石組合，反映黏土礦物源區(qū)總體處于干旱-半干旱氣候， 沉積時期及埋藏成巖過程中水介質(zhì)具有鹽度較高，偏堿性，富K、Fe的特點，淋濾作用和化學(xué)風(fēng)化作用不強，但物理風(fēng)化作用較強。 高嶺石的出現(xiàn)，說明在總體干旱的氣候條件下仍有氣候波動， 出現(xiàn)過短暫的濕熱氣候。但是，黏土礦物的成分和分布除了受氣候的控制外， 還受非氣候因素影響， 如搬運介質(zhì)、侵蝕作用、顆粒分異等，后期成巖和風(fēng)化作用也會起到一定影響。

（Al2O3+K2O+Na2O）-SiO2雙變量古氣候判別圖可用來限定碎屑巖沉積時的氣候條件，隨著SiO2含量增大，砂巖化學(xué)成熟度增加。 樣品投點均位于干旱-半干旱區(qū)域， 化學(xué)成熟度不高。 通常情況下，（K2O+Na2O+CaO）/Al2O3比值的變化可表示沉積物中活性組分與惰性組分之間的關(guān)系， 也可用來反映氣候的干濕變化。 和尚鋪組（K1hs）紅色粉砂巖的（K2O+Na2O+CaO）/Al2O3比值在0.36～1.94之間波動， 均值為0.98，反映其沉積時處于較干旱環(huán)境中。

Sr/Cu比值對于古氣候變化具有較明顯的相應(yīng)，一般認為Sr/Cu比值＞5指示干熱氣候，Sr/Cu＜5則指示溫濕氣候，甘肅群（N1G）樣品的Sr/Cu比值變化范圍較大，為5.43～26.45，均值12.23，表明沉積盆地整體處于較為干旱的環(huán)境，但存在一定波動。

3 結(jié)語

（1）輸水總干線隴中段甘肅群（N1G）巖性以棕紅色泥質(zhì)粉砂巖、鈣質(zhì)粉砂巖及混合巖為主。 沉積地層源巖更可能形成于大陸島弧環(huán)境中，主要來源于上地殼，以弱-中等風(fēng)化長英質(zhì)、中性巖石為主，受造山運動的影響，可能混入了一定量的地幔物質(zhì)。 源區(qū)總體處于干旱-半干旱氣候， 沉積時期及埋藏成巖過程中水介質(zhì)具有鹽度較高，偏堿性，富K、Fe的特點。根據(jù)古地理、區(qū)域資料及構(gòu)造演化分析其原始物源區(qū)可能為下古生界李子園群片巖、 火山巖及同期侵入的花崗巖。 但還需要更多同位素地球化學(xué)成果的佐證。

（2） 工程區(qū)新近紀時期的古水介質(zhì)條件為堿性氧化環(huán)境，為鹽度較低的淡水陸相沉積盆地。古氣候總體呈干旱-半干旱，但氣候干濕存在一定波動。

（3）地球化學(xué)特征顯示，甘肅群地層為典型的初次旋回沉積物，其成分成熟度較低，為近源快速堆積的產(chǎn)物，沉積水體深度較淺，成巖后期淋濾作用和化學(xué)風(fēng)化作用不強，但物理風(fēng)化作用較強。巖石中黏土礦物含量較高，膠結(jié)類型以泥質(zhì)膠結(jié)為主，加之沉積時代較新，導(dǎo)致巖石整體膠結(jié)程度不高，工程性狀較差，可能對工程安全性產(chǎn)生不利影響。