沉積巖地球化學(xué)研究—以川西南永善地區(qū)志留系龍馬溪組碎屑巖為例

劉 燦，劉 逍

（成都理工大學(xué)，四川成都 610059）

沉積巖的地球化學(xué)分析在尋找物源，確定沉積背景、沉積條件以及構(gòu)造環(huán)境中具有非常重要的作用，近年來，眾多學(xué)者利用沉積地球化學(xué)方法在碎屑巖的研究中取得了大量的研究成果。毛光周等[1]從沉積巖的常量元素、稀土元素、微量元素及同位素的特征分析入手，展開了對(duì)沉積巖的物源及其沉積背景的研究。熊小輝等[2]通過對(duì)沉積物中各常量、微量元素、各種同位素特征的研究，并由此對(duì)沉積巖的古沉積環(huán)境進(jìn)行示蹤，了解了當(dāng)時(shí)的沉積特征。牛亞斐等[3]通過分析沉積物中元素的分異和富集，研究了其元素含量的變化特征，并判別了其不同的沉積環(huán)境。梁萬樂等[4]應(yīng)用元素地球化學(xué)方法，對(duì)中生界三疊系和侏羅系泥巖的主、微量和稀土元素的特征進(jìn)行了研究，并探討了其沉積環(huán)境意義?？掠蚜恋萚5]采用有機(jī)地球化學(xué)方法，對(duì)準(zhǔn)頁(yè)3 井油頁(yè)巖進(jìn)行了總有機(jī)碳的測(cè)試、抽提、族組分分析和氣相色譜-質(zhì)譜分析，并預(yù)測(cè)了優(yōu)質(zhì)油頁(yè)巖發(fā)育層位，且指示了準(zhǔn)南天山山前沖斷帶東南側(cè)蘆草溝組上段油頁(yè)巖沉積時(shí)的古環(huán)境特征及其垂向演化規(guī)律。劉田等[6]綜合地球化學(xué)指標(biāo)系統(tǒng)對(duì)巫溪地區(qū)五峰組進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)主量元素指示其屬陸源碎屑影響的大陸邊緣—遠(yuǎn)洋沉積環(huán)境，微量元素反映五峰組沉積期水體屬硫化—缺氧狀態(tài)，稀土元素指示正常海水沉積、受熱液作用影響不明顯。李鳳杰等[7]通過巖石學(xué)和地球化學(xué)方法對(duì)湘西南南華系大塘坡組照洞錳礦的沉積環(huán)境進(jìn)行了分析。李文博等[8]采用X 射線熒光光譜法及電感耦合等離子質(zhì)譜的方法對(duì)秀D1 井白堊系九佛堂組的18 件砂泥巖樣品進(jìn)行了常量及微量元素的分析，探討了九佛堂組的古氣候條件、古水體環(huán)境條件以及物源區(qū)的構(gòu)造背景。陳波等[9]綜合運(yùn)用對(duì)沉積環(huán)境反映敏感的主量元素和微量元素，結(jié)合碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)及沉積學(xué)特征，對(duì)柴達(dá)木盆地北緣冷湖地區(qū)新近系上干柴溝組的古氣候、古鹽度、古水深、氧化還原環(huán)境等古環(huán)境參數(shù)進(jìn)行研究。王峰等[10]通過電感耦合等離子質(zhì)譜法對(duì)鄂爾多斯盆地紙坊組的泥巖及粉砂巖樣品進(jìn)行了微量元素分析，在以對(duì)沉積環(huán)境介質(zhì)較為敏感的元素作為判別指標(biāo)之后，通過結(jié)合沉積學(xué)標(biāo)志及對(duì)孢粉的分析，研究了紙坊組碎屑巖的沉積環(huán)境及古氣候特征。一般認(rèn)為，碎屑巖組分的變化主要受氣候、地形、搬運(yùn)距離、成巖作用、物源區(qū)的母巖性質(zhì)和構(gòu)造背景的影響[11]。不同成因的碎屑巖具有元素和元素組合的差異性，而且其物源的多樣性及不同物源區(qū)沉積物的差異供給都會(huì)影響碎屑巖的化學(xué)組成，因此利用碎屑沉積物的地球化學(xué)特征對(duì)碎屑巖進(jìn)行物源分析及其成巖構(gòu)造背景的判別，常常出現(xiàn)多解性和復(fù)雜性[12]。

目前對(duì)于龍馬溪組沉積物研究多集中在儲(chǔ)層特征、沉積相、盆地構(gòu)造演化及頁(yè)巖的成巖作用分析等方面，而用沉積地球化學(xué)方法系統(tǒng)的對(duì)川西南永善地區(qū)志留系龍馬溪組的沉積環(huán)境、物源及其構(gòu)造背景研究還很少見。為此，本文參考前人的研究成果，以川西南地區(qū)碎屑巖為例，對(duì)兩條剖面沉積巖樣品中主量元素及部分微量元素的地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，并結(jié)合區(qū)域地質(zhì)背景和前人的研究方法，探討了該區(qū)域志留系龍馬溪組的沉積物的物源、大地構(gòu)造背景以及沉積環(huán)境。

1 研究區(qū)概況

永善地區(qū)位于四川西南部，云南省東北部的昭通市，該區(qū)處于川滇交界，地處滇東北中山山原西北邊緣，屬中亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，是世界第三大水電站—溪洛渡水電站所在地。永善地區(qū)海拔差異較大，其地勢(shì)呈北低南高，峰高谷深，重巒疊嶂。該地區(qū)具有十分豐富的礦產(chǎn)資源，有鋁、鋅、鐵、鉛、銅、汞、銀、磷、煤、石膏、石灰石、重晶石及冰洲石等。研究區(qū)部分區(qū)塊頁(yè)巖氣資源豐富，很有開采潛力，目前對(duì)該區(qū)頁(yè)巖的研究正處于熱點(diǎn)階段。

研究區(qū)內(nèi)未出露上震旦統(tǒng)下部的地層，偶見上統(tǒng)燈影組白云巖、碎屑巖出露。下古生界地層分布廣泛，上古生界泥盆、石炭系地層被剝蝕完全，二疊系地層由于超覆作用覆蓋在志留系之上，其上部連續(xù)沉積三疊系地層。本次研究的地層主要為志留系龍馬溪組，其上部為志留系下統(tǒng)羅惹坪組，呈整合接觸，巖性主要為鈣質(zhì)泥巖、頁(yè)巖夾灰?guī)r；下部為奧陶系上統(tǒng)寶塔組，也呈整合接觸，巖性主要為厚層狀灰?guī)r（見表1）。研究剖面為永善縣渡口鄉(xiāng)蘇田村和吳家灣剖面，巖性主要為黑色碳質(zhì)、鈣質(zhì)頁(yè)巖，粉砂質(zhì)泥巖、黑色碳質(zhì)、鈣質(zhì)頁(yè)巖，沉積環(huán)境為深水陸棚相[14，15]。

表1 永善地區(qū)區(qū)域地層巖性描述[13]Tab.1 Description of regional stratigraphy and lithology in Yongshan area

2 地球化學(xué)數(shù)據(jù)分析

本文參考前人的研究成果，以川西南永善地區(qū)兩條剖面為例，結(jié)合孫小浩、楊亞民的地化數(shù)據(jù)，對(duì)該區(qū)碎屑巖進(jìn)行初步地化分析。川西南永善地區(qū)龍馬溪組碎屑巖部分地球化學(xué)數(shù)據(jù)（見表2）。

由Roser 等于1988 年發(fā)表的用于制作碎屑巖源區(qū)性質(zhì)圖解的判別函數(shù)變量及其系數(shù)（見表3），該數(shù)據(jù)可以有效地判別碎屑巖物源性質(zhì)。根據(jù)表2 和表3中的數(shù)據(jù)，結(jié)合前人研究方法，利用Microsoft Office Excel 2003 及CorelDRAW X8 進(jìn)行投點(diǎn)、制圖，結(jié)果（見圖1）。

表2 川西南永善地區(qū)碎屑巖分析測(cè)試數(shù)據(jù)表[14，15]Tab.2 Analysis and test data sheet of clastic rock in Yongshan area，southwest of Sichuan

表3 碎屑巖源區(qū)判別函數(shù)的變量及其系數(shù)[17]Tab.3 Variables and coefficients of discriminant function in clastic source region

圖1 研究區(qū)地球化學(xué)數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖[11，17-19]Fig.1 Scatter diagram of geochemical data in the study area

圖1 中A，所有樣品都落入火成巖區(qū)，故可以初步認(rèn)為，研究區(qū)龍馬溪組碎屑巖的物源與火成巖有關(guān)。圖1 中B 指示出YS01-03（碳質(zhì)頁(yè)巖）、YS01-06（鈣質(zhì)碳質(zhì)頁(yè)巖）、YS02-01（碳質(zhì)粉砂巖）均為成熟大陸石英質(zhì)物源，而YS01-15（粉砂質(zhì)泥巖）、YS02-19（碳質(zhì)粉砂巖）為中性火山巖。

在碎屑巖SiO2-K2O/Na2O 及K2O/Na2O-SiO2/Al2O3構(gòu)造環(huán)境判別圖解（圖1C、圖1D）中得到了兩種不同的結(jié)果：圖1 中C 指示沉積物沉積于大洋島弧環(huán)境，而圖1 中D 則指示沉積于被動(dòng)大陸邊緣。這表明主量元素的含量不足以判別永善地區(qū)龍馬溪組碎屑巖形成的構(gòu)造環(huán)境，還需其他地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3 地球化學(xué)數(shù)據(jù)的指示

3.1 CIA 指數(shù)（Chemical Index Alteration）

該指數(shù)通常被用來確定沉積巖物源區(qū)的化學(xué)風(fēng)化程度[20]。一般來講，沉積巖物源區(qū)的巖石沒有遭受風(fēng)化時(shí)，CIA 值為50 左右，而沉積巖物源區(qū)巖石遭受了一定強(qiáng)度的化學(xué)風(fēng)化時(shí)，CIA 值為50～100[21]。研究區(qū)YS01剖面CIA 值為0.51～0.64，平均值為0.58，表明其物源區(qū)的巖石發(fā)生過較弱的化學(xué)風(fēng)化作用；而YS01 剖面CIA 值較為穩(wěn)定，均為0.27，表明其物源區(qū)的巖石并沒有經(jīng)歷過化學(xué)風(fēng)化。綜合來看，川西南永善地區(qū)龍馬溪組碎屑巖物源區(qū)巖石幾乎未受到過化學(xué)風(fēng)化作用，說明其成分比較穩(wěn)定。

3.2 ICV 指數(shù)（Index Chemical Variation）

該指數(shù)用來確定沉積物的成分成熟度[22]，ICV 指數(shù)越高，其代表的成分成熟度越低。從表2 中可以看出，蘇田村YS01 剖面與吳家灣YS02 剖面相比，具有更高的成分成熟度。梁斌等認(rèn)為巖石受到強(qiáng)烈的化學(xué)風(fēng)化作用或是位于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)時(shí)，其成分成熟度要比處于構(gòu)造活動(dòng)區(qū)的巖石的成分成熟度高[16]，而上文已論證永善地區(qū)龍馬溪組碎屑巖幾乎未經(jīng)歷化學(xué)風(fēng)化作用，由此可推斷YS01 剖面的構(gòu)造背景要比YS02 剖面更穩(wěn)定。

3.3 Sr/Cu

該比值可以指示干旱或溫濕性氣候，劉剛等認(rèn)為：當(dāng)沉積巖形成時(shí)的古氣候?yàn)闇貪裥詺夂驎r(shí)，其Sr/Cu比值的范圍是1～10，而Sr/Cu 比值大于10 則指示是干熱性氣候[23]；王隨繼等認(rèn)為Sr/Cu 比值范圍在1.3～5.0指示的是溫濕性氣候，而Sr/Cu 比值若大于5 則指示干熱性氣候[24]。研究區(qū)YS01 剖面中Sr/Cu 比值為1.60～3.49，而YS02 剖面中YS02-01 樣品Sr/Cu 為7.21，YS02-19 樣品Sr/Cu 為20.27，對(duì)比前人的數(shù)據(jù)范圍，可以推測(cè)，研究區(qū)可能發(fā)生過由溫濕氣候到干熱氣候的變化，但龍馬溪組沉積期仍以溫濕性氣候?yàn)橹鳌?/p>

3.4 構(gòu)造環(huán)境判別

碎屑巖沉積盆地的構(gòu)造環(huán)境分為島弧、活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣環(huán)境。

（1）島弧（Island Arc）：島弧是位于大陸邊緣且連綿不斷呈弧狀的島嶼。它與強(qiáng)烈的火山運(yùn)動(dòng)、地震作用和造山作用都有關(guān)聯(lián)。根據(jù)島弧的地殼結(jié)構(gòu)，可分為兩種不同的成因類型，一種是有花崗巖基底的大陸島??；另一種是其下伏大洋與大陸的過渡型地殼，其離大陸較遠(yuǎn)，但展布在大洋以內(nèi)。當(dāng)一個(gè)大洋板塊俯沖到另一個(gè)大洋板塊下面時(shí)，大洋島弧可以向大陸島弧轉(zhuǎn)化；

（2）活動(dòng)大陸邊緣（Active Continental Margin）：又稱主動(dòng)大陸邊緣、太平洋型大陸邊緣（Pacific Type Continental Margin），是大洋與大陸匯聚，且大洋板塊向與之相鄰的大陸板塊的下部俯沖消減形成的大陸邊緣。其往往具有很強(qiáng)的地震和火山活動(dòng)；

（3）被動(dòng)大陸邊緣（Passive Continental Margin）：又稱大西洋型大陸邊緣（Atlantic Type Continental Margin），也就是穩(wěn)定大陸邊緣，即在構(gòu)造上長(zhǎng)期處于相對(duì)穩(wěn)定的大陸邊緣。它的地殼是洋殼向陸殼的過渡，是陸地和海洋處于同一個(gè)剛性巖石圈斑塊以內(nèi)的過渡地帶。特征是沒有強(qiáng)烈的地震、火山和造山運(yùn)動(dòng)。

碎屑巖的微量元素主要是對(duì)于沉積環(huán)境的水介質(zhì)變化較為敏感，是沉積物研究沉積時(shí)期的古氣候、古環(huán)境的有效指示劑。碎屑巖中Th、Sc、Zn、Cr 等非活潑元素對(duì)于碎屑巖沉積的構(gòu)造環(huán)境判別具有很強(qiáng)的指示作用[25]。不同構(gòu)造環(huán)境碎屑巖的微量元素特征（見表4），是由Bhatia 等提出的判別沉積盆地構(gòu)造環(huán)境最佳標(biāo)志。

將表2 數(shù)據(jù)與表4 數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可得表5。從表5可以看出，不同的微量元素對(duì)比指示出不同的構(gòu)造環(huán)境，但總體上仍以大洋島弧和被動(dòng)大陸邊緣為主，這與由圖1 中C 和D 得出的結(jié)論不謀而合。如此還是不足以判斷川西南永善地區(qū)志留系龍馬溪組碎屑巖沉積的構(gòu)造背景。

表4 不同構(gòu)造環(huán)境碎屑巖的微量元素特征Tab.4 Trace element characteristics of clastic rocks in different tectonic environments

表5 表2 與表4 數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果Tab.5 Comparison of data between Tab.2 and Tab.4

據(jù)Murray[26]Al2O3與Fe2O3的百分含量也可以判斷構(gòu)造環(huán)境，即不同的大地構(gòu)造背景，則Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）值就不同。當(dāng)比值為0.5～0.9 時(shí)，為大陸邊緣環(huán)境；當(dāng)比值為0.4～0.7 時(shí)，為遠(yuǎn)洋盆地環(huán)境；當(dāng)該比值小于0.4 時(shí)，則為洋中脊環(huán)境。而研究區(qū)龍馬溪組碎屑巖的Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）值為0.73～0.77，平均為0.75，說明該區(qū)沉積巖的構(gòu)造背景為大陸邊緣環(huán)境。

綜上，可以得出，云南省永善地區(qū)志留系龍馬溪組碎屑巖沉積的構(gòu)造背景可能為被動(dòng)大陸邊緣，構(gòu)造較為穩(wěn)定。

4 結(jié)論

在查閱大量文獻(xiàn)，結(jié)合前人研究成果，并利用相關(guān)軟件對(duì)川西南永善地區(qū)龍馬溪組碎屑巖的地球化學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行投點(diǎn)、制圖以及相關(guān)計(jì)算并與前人的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后，得出了以下結(jié)論：

（1）砂、泥巖SiO2-TiO2圖解指示所有樣品均投在火成巖區(qū)；而在F1-F2圖解中，樣品落在了P2、P4 區(qū)域，說明其物源與成熟大陸石英質(zhì)和中性火山巖有關(guān)。

（2）在碎屑巖SiO2-K2O/Na2O 及K2O/Na2O-SiO2/Al2O3構(gòu)造環(huán)境判別圖解中得到了兩種不同的結(jié)果，前者指示沉積物沉積于大洋島弧環(huán)境，而后者則指示沉積于被動(dòng)大陸邊緣。本文又利用Th、Sc、Zn、Cr、U 及Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）的含量，在與前人的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)碎屑巖的沉積構(gòu)造背景可能為被動(dòng)大陸邊緣，構(gòu)造較為穩(wěn)定。

（3）CIA 指數(shù)可以指示物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化作用的強(qiáng)度，本文通過計(jì)算，得出：云南省東北部昭通市永善地區(qū)志留系龍馬溪組碎屑巖的物源區(qū)幾乎未受到過化學(xué)風(fēng)化作用，且成分比較穩(wěn)定。

（4）Sr/Cu 比值可以反映沉積期的古氣候條件，本文通過計(jì)算Sr/Cu 比值并與前人數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)：研究區(qū)龍馬溪組沉積時(shí)期為溫濕性氣候。