萍樂坳陷地區(qū)吳家坪期沉積環(huán)境的元素地球化學指示

肖富強， 章雙龍， 祁 星

(江西省煤田地質勘察研究院，江西 南昌 330001)

沉積物地球化學元素研究主要是分析特征元素含量及其元素對的比值、微量元素異常等方面(譚紅兵等，1999；宋明水，2005；李春榮等，2004)。沉積過程中，水介質和沉積物之間有復雜的地球化學關聯(lián)，包括元素交換和沉積物對特定微量元素的吸附等(范玉梅等，2012)。同時受沉積介質的物理化學條件影響，在不同的沉積環(huán)境下，沉積水介質有著不同的物理化學條件，這為利用沉積物中的微量元素進行古沉積環(huán)境分析提供理論基礎(劉剛等，2007；韓建恩，2010)。元素含量變化是古氣候演變、古環(huán)境變遷、盆地發(fā)展、水介質條件等因素綜合影響的結果，從沉積過程中的低位體系域到高位體系域，元素組成對沉積環(huán)境的變化較為敏感，因此通過分析元素含量變化可有效揭示沉積環(huán)境的變化。

研究區(qū)吳家坪期總體為海陸交互相沉積。早期以河流相沉積為主，代表地層為樂平組官山段；中期發(fā)生大規(guī)模海侵，沉積了樂平組老山段；晚期受地殼不均勻抬升影響，在萍樂坳陷內發(fā)生沉積分異現(xiàn)象，北部沉積七寶山組的灰?guī)r、硅質巖相地層，南部為樂平組獅子山段、王潘里段的濱?！獪\海相地層。前人對沉積過程及環(huán)境的解釋多從巖性、古生物化石等方面定性分析(祁星等，2019；章雙龍等；2019)，但從元素地球化學角度進行定量分析的研究較少。本次研究利用便攜式XRF元素分析儀器，對萍樂坳陷帶YXZ02井、ZK2601井中吳家坪期樂平組和七寶山組巖心的元素進行測試分析，研究吳家坪期沉積過程中各項沉積環(huán)境指標的變化規(guī)律及對沉積環(huán)境的特殊指示意義。

1 地質背景

萍樂坳陷帶位于江西省中北部，大致介于萍鄉(xiāng)—分宜—豐城—進賢—婺源賦春一線與宜豐—南昌—景德鎮(zhèn)一線之間，呈NEE至NE向延伸的狹長坳陷地帶，西延入湖南，北東端延入浙江(江西省地調院，2017；龔紹禮，2002；李文恒等，1998)。構造位置處于華夏板塊和揚子板塊的交界處北緣，欽杭結合帶江西段北部(圖1)，是江西省主要的煤炭富集區(qū)，其主要聚煤期包括晚二疊世吳家坪期及晚三疊世安源期。本次研究對象為吳家坪期北型樂平組和七寶山組，地層主要分布于萍樂坳陷帶西段北部地區(qū)。

圖1 江西省北部構造分區(qū)略圖Fig.1 Sketch map of the northern part of Jiangxi province

2 測試儀器及工作方法

本次研究所使用的測試儀器為美國賽默飛世爾科技(Thermo Fisher Scientific)旗下尼通公司(NITON)生產的便攜式X射線熒光分析儀(XRF)，型號為XL3t 500，具有不破壞樣品完整性、準確度高、分析速度快、操作簡便等特點，能測定固體、粉末和液體樣品，且用于常量和微量元素測定(祁昌煒等，2013)。

X射線熒光光譜分析(XRF)是利用原級X射線光子激發(fā)待測物質中的原子，使之產生次級的特征X射線(X光熒光)，從而進行物質成分分析和化學態(tài)研究的方法。通常情況下，不同元素具有不同波長的特征X射線譜，而各譜線的熒光強度又與元素的濃度呈一定關系，測定樣品中待測元素的特征X射線譜線波長和強度，就可以對元素進行定性和定量分析(錢建平等，2010；祁昌煒等，2013)。

XRF元素分析儀對測試環(huán)境條件要求較少，具備兩種測試模式，即礦石模式和土壤模式。礦石模式可測試30種元素，土壤模式可測試32種元素。本次研究采用土壤模式進行分析，測試精度在10-6～100%含量范圍(景亮兵等，2011)。為保證元素含量的準確測定，所有測試點均選擇在巖心的新鮮巖面，每個樣品測試時間均為60 s，測點分布依據(jù)巖性變化規(guī)律進行調整，一般間隔1～5 m，巖性復雜層段的間隔則縮短。

3 元素分布特征

根據(jù)本次工作中對萍樂坳陷帶內新田、洪塘礦區(qū)鉆孔(以YXZ02井、ZK2601井為例)巖心進行的元素測試分析結果，繪制YXZ02井、ZK2601井主要元素含量的縱向分布圖(圖2，3)。

圖2和圖3中各元素的縱向分布情況顯示，Sr、Ca分布曲線形態(tài)較為相近，兩者含量在七寶山組和樂平組老山段中上部明顯高于樂平組老山段下部和官山段；從地層成因看，海相成因地層中的Sr、Ca含量高于陸相成因地層。七寶山組的Sr、Ca含量呈鋸齒狀波動，對比地層巖性發(fā)現(xiàn)，在陸源碎屑含量高的層段，這兩種元素的含量偏低，故Sr和Ca存在一定的相關性。

圖2 YXZ02井元素含量分布圖Fig.2 Distribution map of element content in YXZ02 well

圖3 ZK2601井元素含量分布圖Fig.3 Distribution map of element content in ZK2601 well

S、Rb、Fe、Zn、V、Ti、Zr等元素含量縱向分布相似，主要表現(xiàn)在七寶山組中含量低，而在樂平組中含量高，V、Ti、Zr等元素在樂平組老山段底部生物碎屑灰?guī)r中顯示出極高值，可能與生物作用有關。

4 元素對沉積環(huán)境的指示意義

古氣候、古水體性質及古生產力等環(huán)境指標對不同元素的分異作用使得元素分布產生差異性，這為通過元素分析的方法來恢復古沉積環(huán)境提供較為可靠的依據(jù)(鄭一丁等，2015)。本次研究過程中，通過選取環(huán)境變化敏感性元素和地化指標，分析不同元素、指標的變化規(guī)律，反映當時沉積環(huán)境的演變規(guī)律。

4.1 古鹽度

Sr對氣候干濕條件反應明顯，一般情況下，Sr豐度較低則表明氣候潮濕，豐度較高則表明氣候干燥。由于Ba的化合物溶解度較Sr的低，當Sr2+、Ba2+隨陸相流體匯入海水中時，與海水中豐富的SO42-發(fā)生反應，生成SrSO4和BaSO4，且因BaSO4的溶解度比SrSO4的要小，SrSO4較BaSO4遷移得遠，至遠海通過微生物作用而沉淀(熊小輝等，2011)。

通過以上兩種元素之間的對比可知，海相沉積中一般Sr含量更高，而陸相沉積中Ba含量更高。利用Sr/Ba法，可以對陸相與海相沉積環(huán)境進行區(qū)分，Sr/Ba值隨著遠離海岸線而逐漸增大，因而Sr/Ba值在一定程度上能反映沉積水體的古鹽度。一般來講，陸相沉積物中Sr/Ba值小于1，而海相沉積物中Sr/Ba值大于1(劉剛等，2007；許鳳鳴，2008)。

YXZ02、ZK2601巖心中Sr、Ba的含量結果顯示(表1)，兩口井各地層的Sr、Ba含量變化具有一定的相似性，Sr含量由高到低分別為樂平組老山段、七寶山組、樂平組官山段。這從側面反映出當時的氣候背景，即官山段沉積時期(吳家坪早期)氣候最為濕潤，樂平組老山段處于海侵期，水體深度不斷加深，氣候則偏干燥。Ba在樂平組官山段含量最高，老山段次之，在七寶山組中含量最低，即從樂平組官山段至七寶山組，經歷低位體系域、海進體系域、高位體系域，水體不斷加深，則越不利于Ba的聚集。

表1 YXZ02、ZK2601鉆孔巖心中Sr、Ba的平均含量及其比值Table 1 Average content and the ratio of Sr and Ba in the core of YXZ02 and ZK2601

Sr/Ba值最大的為樂平組老山段，其次為七寶山組，最小為樂平組官山段。在樂平組官山段中，Sr/Ba<1，指示當時的沉積水體應為淡水，對應為陸相沉積環(huán)境；樂平組老山段中，Sr/Ba>1，表明此時水體為咸水，為海相沉積環(huán)境；七寶山組中，Sr/Ba值分別為0.92、0.89，均小于1，這與七寶山組沉積時高位體系域較深的海水環(huán)境相矛盾。筆者認為，七寶山組沉積時為深水沉積環(huán)境，可能由于海底熱液噴流作用，導致其沉積物中Ba含量增加，使得Sr/Ba法判定的海、陸相變得不準確(熊小輝等，2011)。

4.2 古生產力

前人研究發(fā)現(xiàn)，Ba積累率與有機碳含量、生物生產力呈正相關，意味著Ba富集指示高生產力(鄭一丁等，2015)。Ti的含量變化反映的則是陸源碎屑沉積物加入的程度，含量值越高表明陸源碎屑物含量愈豐富，生產力越強；反之，值越低，陸源碎屑物含量越少，反映當時的生產力越弱(劉剛等，2007；韓建恩，2010)。另外，F(xiàn)e、Zn等營養(yǎng)元素對古生產力亦具有較好的指示作用，其值越高，反映當時的古生產力越大(鄭一丁等，2015)。

從地層中各元素平均含量數(shù)據(jù)(表2)可以看出，各元素含量有一個共同規(guī)律，即從樂平組官山段、老山段至七寶山組呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。各元素在樂平組官山段含量為最大，表明此時陸源碎屑物供應豐富，徑流量最大，應為陸相沉積；樂平組老山段元素含量較之減少，但數(shù)值較高，反映此時陸源碎屑物注入較為充分，伴隨著有一定的海相沉積物，此時應為淺海環(huán)境；七寶山組各元素含量值最少，尤其Ti、Fe含量呈突變式降低，表明此時陸源碎屑物供應已很少，主要以海相沉積物為主，應是較深的水體環(huán)境下沉積形成。

表2 YXZ02、ZK2601鉆孔巖心Ba、Ti、Fe、Zn元素平均含量Table 2 Average content of Ba, Ti, Fe and Zn in the core of YXZ02 and ZK2601

4.3 氧化還原條件

氧化還原敏感元素是確定沉積古海洋水體氧化還原強度的重要指標，V含量高一般出現(xiàn)在缺氧的還原條件下。由于V在有機質中優(yōu)先被結合，而Cr通常出現(xiàn)在沉積物碎屑中，因此V/Cr值可作為含氧量指標。一般V/Cr值<2.00為含氧環(huán)境，V/Cr值在2.00～4.25為貧氧條件，而V/Cr值>4.25為次氧至缺氧條件，即V/Cr值越高代表水體還原性越強(王淑芳等，2014)。

YXZ02井在七寶山組檢測V、Cr數(shù)據(jù)較少，僅少數(shù)測點有數(shù)據(jù)，并且V/Cr比值較低(0.31～1.74)，平均值為0.70。由此說明，七寶山組在沉積過程中，水體雖然較深，但含氧較為充足，可能是當時水動力條件較好，給水體帶來豐富的氧氣。樂平組V、Cr含量分布如圖4所示，其含量大小在垂向上無明顯規(guī)律，但對比這兩個元素含量發(fā)現(xiàn)，二者高值分布有一定同步性。分析V/Cr值發(fā)現(xiàn)，在樂平組老山段，主要集中在1～2的范圍，少數(shù)測點比值小于1，有2個測點比值達到2以上。由此表明老山段沉積過程中，其含氧量不及七寶山組，但總體仍為氧化環(huán)境，僅在局部巖性段(泥巖)元素比值達到2以上，為貧氧環(huán)境。樂平組官山段V/Cr值多數(shù)小于2，在官山段上部粉砂質泥巖、中部炭質泥巖、下部泥巖段有部分測點的V/Cr值大于2，最大值在炭質泥巖層段，表明官山段水體在多數(shù)時候為含氧環(huán)境，在部分時期水體變?yōu)樨氀醐h(huán)境。

圖4 YXZ02井V、Cr元素含量及V/Cr值分布圖Fig.4 Distribution of V and Cr contents and V/Cr values in YXZ02 well

ZK2601井中，七寶山組的V/Cr值為0.52，其沉積時候水體為含氧環(huán)境。圖5為ZK2601井樂平組V、Cr及其比值分布圖。在樂平組老山段中，V、Cr含量在碎屑巖地層明顯高于灰?guī)r地層，說明二者含量的大小與碎屑沉積物有密切聯(lián)系。V/Cr值多數(shù)小于2，在泥巖、粉砂巖地層中大于2，表明老山段沉積過程中，水體含氧量存在波動變化，在碎屑巖沉積時水體還原性較強。樂平組官山段，V/Cr值呈現(xiàn)從上到下變大的趨勢，上部以粗碎屑巖為主，下部以細碎屑巖為主，總體表現(xiàn)為細碎屑巖沉積時水體還原性更強。

圖5 ZK2601井V、Cr元素含量及V/Cr值分布圖Fig.5 Distribution of V and Cr contents and V/Cr values in ZK2601 well

4.4 古水深

Zr是典型的親陸性元素，離陸源區(qū)越遠，巖石中Zr含量則越低。因此，Zr含量能一定程度上可反映近距離搬運的陸源組分及水體深度變化情況，其值越小，表明沉積地點離岸越遠，水體越深(鄭一丁等，2015；熊小輝等，2011)。

樂平組官山段至七寶山組Zr平均含量呈逐漸降低的規(guī)律(表3)。樂平組官山段Zr含量最高，表明此時水體深度最淺，陸源碎屑供應量最為充足；樂平組官山段含量降低，說明在海侵作用下，水體變深，陸源碎屑供應降低；在七寶山組中，Zr含量進一步降低，且大多數(shù)測點未能檢測出Zr，僅有少數(shù)測點有數(shù)據(jù)，說明在七寶山組中陸源碎屑供應很少，此時離岸距離較遠，反映此時為沉積水體深度最深時期?？傮w來看，從樂平組到七寶山組，是一個海侵不斷擴大，水深不斷加深的過程。

表3 YXZ02、ZK2601鉆孔巖心Zr元素平均含量Table 3 Average content of Zr in the core of YXZ02 and ZK2601

5 結論

對萍樂坳陷地區(qū)YXZ02井、ZK2601井的元素地球化學特征分析，根據(jù)不同的元素含量及參數(shù)指標，可以定性了解樂平組的沉積古環(huán)境。

(1)樂平組官山段Sr/Ba值小于老山段，說明官山段到老山段經歷了水體由淡轉咸過程，推斷這一時期發(fā)生了一次海侵作用。

(2)從樂平組官山段、老山段、七寶山組Ba、Ti、Fe、Zn含量逐漸降低，說明吳家坪期是一個物源供應減少、沉積速率變慢的過程。

(3)樂平組官山段下部泥巖段、粉砂巖段V/Cr值高于上部砂巖段，老山段中泥巖段V/Cr值高于灰?guī)r段，均表明前者沉積環(huán)境還原性強于后者。

(4)吳家坪早期至晚期Zr含量減少，反映該時期沉積水體逐漸加深。