天津薊州霧迷山組與洪水莊組沉積環(huán)境與地球化學特征

賈雨東，王德海，王新宇，巴燕·夏木提汗，郭憶茹

吉林大學 地球科學學院，長春 130061

0 引言

燕遼地區(qū)的天津薊州(原薊縣)剖面歷來被當作中國中—新元古界標準剖面，具研究早、地層連續(xù)、研究價值高和研究程度深等特點。前人在燕山地區(qū)對中新元古界的地球化學特征以及沉積環(huán)境已有一定研究。羅順社等研究了燕山地區(qū)宣龍坳陷洪水莊組[1]和冀北坳陷霧迷山組[2]地球化學特征，認為霧迷山組沉積時期氣候干旱，洪水莊組沉積時期氣候溫暖濕潤。羅情勇等[3]就華北北部洪水莊組頁巖進行了物源及風化作用研究，得出相似結論。筆者在總結前人研究成果的基礎上，依托野外露頭巖性識別與18塊樣品化學測試分析，開展天津薊州霧迷山組與洪水莊組的地球化學特征研究，以揭示其沉積環(huán)境，對于明確該區(qū)沉積特征和沉積環(huán)境等有促進作用，可為該區(qū)及鄰區(qū)環(huán)境古地理研究提供依據。

1 區(qū)域地質背景

天津薊州中—新元古界剖面出露于天津市薊州區(qū)東北部約8 km處，處于燕山古海盆地內凹陷，具有地層厚度大、地層發(fā)育齊全、層位連續(xù)、接觸關系清晰等優(yōu)點[4]，是中、新元古代地質研究的理想場所。中—新元古代華北地臺進入了坳拉谷發(fā)展階段，燕遼坳拉谷位于內蒙古古陸南側，是華北地區(qū)強烈坳陷地帶。研究區(qū)位于燕遼坳拉裂谷盆地東北部，霧迷山組沉積時期，華北北部在楊莊組沉積末期大幅度下降，海域迅速擴大，海平面升降運動頻繁，廣泛發(fā)育碳酸鹽巖。洪水莊組是霧迷山組海進海退旋回的繼續(xù)，此時海水逐漸退去，海域面積大幅度減小，使洪水莊組地層退覆于霧迷山組地層之上(圖1)。古地磁資料顯示[5]，薊州沉積地層多處于30°S～30°N的低緯度古地理區(qū)，為薊州地區(qū)形成大量碳酸鹽巖提供了古地理依據。

Chc.長城系常州溝組；Chch.長城系串嶺溝組；Cht.長城系團山子組；Chd.長城系大紅峪組；Chg.長城系高于莊組；Jxy.薊州系楊莊組；Jxw.薊州系霧迷山組；Jxh.薊州系洪水莊組；Jxt.薊州系鐵嶺組；待建系下馬嶺組；Qnc.青白口系長龍山組；Qnj.青白口系景兒峪組；∈f.寒武系府君山組；Q.第四系。圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of study area

2 地層及沉積環(huán)境分析

通過對天津薊州中—新元古界剖面的觀察及分析，認為在研究區(qū)內的霧迷山組與洪水莊組廣泛發(fā)育碳酸鹽巖臺地相，其特征為海底地形極其平緩，碳酸鹽巖十分發(fā)育，沉積亞相可分為潮坪亞相和潟湖亞相，其中霧迷山組主要發(fā)育潮坪亞相，洪水莊組主要發(fā)育潟湖亞相(圖2)。

圖2 天津薊州中—新元古界霧迷山組與洪水莊組地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of Wumishan Formation and Hongshuizhuang Formation in Meso--Neoproterozoic in Jizhou, Tianjin

霧迷山組地層厚度3 264.8 m，繼承了楊莊組末期的海侵，以富鎂的碳酸鹽巖為主，夾少量碎屑巖和黏土巖，碳酸鹽巖類型韻律明顯，發(fā)育有大量疊層石，水體深淺變化頻繁，反映了海水的進退過程。霧迷山組最基本的沉積韻律自下而上為：底層為潮上帶上部的含砂泥質泥晶白云巖；下層為潮間帶的紋層狀硅質條帶微晶白云巖；中層由潮下帶厚層至塊狀亮晶白云巖組成；上層為潮間帶的紋層狀硅質條帶微晶白云巖；頂層為潮上帶淺色硅質條帶微晶白云巖。根據水體能量的強弱將潮坪亞相細分為潮上帶、潮間帶和潮下帶3種微相。潮上帶離海岸較近，位于平均高潮面和最大高潮面之間，常在干旱條件下，陸源物質供給相對較為充足，常有碎屑物質的混入。潮間帶位于平均低潮面與平均高潮面之間，巖石類型主要為粉晶白云巖、內碎屑白云巖和硅質團塊，顏色以淺色為主，可見韻律特征(圖3a)。潮下帶位于平均低潮面之下，巖石類型主要是砂礫屑白云巖。研究區(qū)霧迷山組以潮上帶-潮間帶-潮下帶沉積環(huán)境的韻律反復為主[6](圖3b)，反映了霧迷山組沉積時期潮汐作用更迭頻繁。末期水體開始變淺，海水退卻。

洪水莊組是霧迷山組海侵—海退的沉積韻律的繼續(xù)，受沉降作用影響，海域面積大面積減少。洪水莊組下部巖性主要為灰白色微晶白云巖夾薄層灰綠色頁巖；上部巖性主要為灰白色、綠色、黑色、棕色泥頁巖夾粉砂巖或細砂巖(圖3c)，多為紋層狀水平層理(圖3d)。整體沉積環(huán)境以瀉湖沉積為主，洪水莊組疊層石不發(fā)育，藻類植物發(fā)育。

a.霧迷山組潮間帶韻律變化；b.霧迷山組碳酸鹽巖沉積韻律；c.黑洪水莊組灰白色、綠色、黑色、棕色泥頁巖夾粉砂巖或細砂巖(地質錘總長33.5 cm)；d.洪水莊組水平層理(地質錘總長33.5 cm)。圖3 研究區(qū)霧迷山組與洪水莊組沉積特征Fig.3 Sedimentary characteristics of Wumishan Formation and Hongshuizhuang Formation in study area

3 地球化學特征

本文利用的碳酸鹽巖、硅酸鹽巖樣品均采自天津薊州中—新元古界剖面，共計18件，其中霧迷山組9件、洪水莊組9件，用于常量和微量元素分析。樣品未受到風化作用影響。由自然資源部東北亞礦產資源評價重點實驗室采用的X射線熒光光譜測試，檢測的元素有Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti、P。選取其中含量較高，變化范圍較大的元素作為研究對象(表1)。

表1 霧迷山組—洪水莊組巖石地球化學分析數據Table 1 Geochemical analysis data of Wumishan Formation--Hungshuangzhuang Formation

3.1 相關性分析

沉積環(huán)境、物源區(qū)和成巖作用等會對元素的含量產生影響，對各元素兩兩之間的相關系數進行分析從而研究各元素之間的關系(表2)。

表2 各組分及元素質量分數相關系數Table 2 Correlation coefficients of mass fraction of each component and element

(1)SiO2與CaO和MgO呈明顯負相關關系(R值分別為-0.993和0.974)，表明沉積環(huán)境中陸源物質會抑制碳酸鹽巖礦物的生成和沉淀。

(2)Al2O3與K2O、TFe、Na2O、TiO2具有明顯的正相關關系(R值分別為0.955、0.986、0.943、0.99)，而與CaO和MgO呈明顯負相關關系(R值分別為-0.912、-0.853)。因為Fe常吸附于黏土礦物中，Al為黏土礦物的格架組分，K是伊利石黏土的主要組分，主要賦存于黏土礦物中，代表了陸源泥質。

(3)MnO與SiO2、TFe有明顯的正相關關系(R值分別為0.737和0.557)，表明研究區(qū)Mn元素與陸源物質相關，李超等[7]與李雙應等[8]的分析結果也表明，Mn和Fe主要受陸源黏土含量控制。

(4)Sr與Ca有弱的負相關性，是Sr的離子半徑與Ca的離子半徑相近，置換碳酸鹽巖中Ca2+的結果，因而Sr可在富含碳酸鹽礦物的巖石中富集[9]。

3.2 地球化學特征

(1)霧迷山組和洪水莊組主量元素組成差異較大，是由于研究區(qū)霧迷山組發(fā)育碳酸鹽巖，洪水莊組發(fā)育泥巖、頁巖?；瘜W組成方面，霧迷山組以CaO與MgO為主，兩者含量相近，SiO2含量較多，Al2O3、K2O、Na2O含量較少；洪水莊組以SiO2為主，含有較多的Al2O3、K2O，少量的CaO、MgO與Na2O。其中霧迷山組沉積時混入陸源碎屑，體現為SiO2增多。

(2)霧迷山組與洪水莊組微量元素的平均含量差異較大，表現為洪水莊組具有較高的B與Sr，而Cu較低。王敏芳等[10]認為海相環(huán)境中B質量分數為(80～120)×10-6，而淡水環(huán)境中B質量分數多<60×10-6。洪水莊組B含量平均值為98.12×10-6，反映了洪水莊組沉積時為潟湖環(huán)境；霧迷山組B含量平均值為8.9×10-6，反映了霧迷山組沉積時為淡水環(huán)境，對應關系良好。

4 沉積環(huán)境分析

根據地球化學分析結果，通過元素之間的比值、元素含量等(圖4)，對霧迷山組與洪水莊組的陸源供應、古水深、古鹽度以及古氣候展開研究討論。

圖4 元素含量及元素比值變化圖Fig.4 Diagram showing variation of element content and element ratio

(1)Ti是一種較為穩(wěn)定的元素，一般不溶于海水，因而Ti元素在海水中含量很低，主要來自于陸源碎屑，所以可以通過Ti元素來確定陸源供應。研究區(qū)內洪水莊組的Ti元素平均相對含量為0.3%～0.6%，說明洪水莊時期陸源碎屑物質供應良好，導致Ti元素含量較高。而霧迷山組平均相對含量<0.2%，主要原因是該時期是以碳酸鹽巖沉積為主，陸源碎屑供應相對于洪水莊組較少，但1號、5號以及9號樣品含量明顯偏高，說明霧迷山組也有短時期的陸源物質供應。Al元素作為陸源組分的代表[11]，具有和Ti元素相一致的趨勢，洪水莊組Al元素含量普遍>12%，而霧迷山組大部分介于0.1%～0.3%之間，高值與Ti元素對應，反映了短時期陸源供應的特征。

(2)Fe和Mn元素在沉積作用過程中由于化學性質的差異其分異現象較為明顯，并且主要受水介質的Eh值與pH值的控制。鐵的氧化物在pH值<3時溶解度最大，當入?；蛉牒r，由于pH值提高，其溶解度降低，發(fā)生沉淀作用。而Mn的氧化物、硫化物的穩(wěn)定性大于Fe，可在水盆中發(fā)生長距離遷移。因而Fe/Mn可以反映沉積物在水盆中搬運的相對距離和水深[9]。研究區(qū)霧迷山組Fe/Mn比值明顯整體低于洪水莊組，說明洪水莊組沉積時期水深大于霧迷山組沉積時期，與野外露頭識別出的巖性對應關系良好。

(3)鎂鋁比值m=100×MgO/Al2O3，可作為沉積環(huán)境古鹽度的判別標志[12]。經雅麗等[13]認為，淡水環(huán)境中的m<1，海陸過渡性環(huán)境中m介于1～10，海水環(huán)境中m介于10～500，陸表?；驗a湖碳酸鹽巖沉積環(huán)境中m>500，另外m也會隨著湖水的逐漸咸化而增大。研究區(qū)霧迷山組m絕大部分介于695～21 670，只有9號樣品m=309，表明霧迷山組屬于陸表?；驗a湖碳酸鹽巖沉積環(huán)境。除去3號樣品m=108 050的異常高值，m值上下浮動劇烈，反映了霧迷山組沉積時期海水進退頻繁，與所識別出潮上帶-潮間帶-潮下帶沉積微相的反復韻律相一致。而洪水莊組的m值介于8～12，古鹽度較低，可能是由于沉積環(huán)境由霧迷山組的潮坪沉積過渡為洪水莊組的潟湖沉積，來自河流或者大氣的淡水注入潟湖，而此時氣候相對潮濕，淡水注入量超過蒸發(fā)量，導致潟湖上部水體部分進入海洋，淡水的不斷補給以及潟湖中鹽度較高的水體外流，此時的潟湖水體逐漸淡化，致使洪水莊時期的古鹽度較低[14]。

(4)Mn和Fe在不同的氣候條件下賦存情況不同，Mn在干旱環(huán)境下含量比較高，而Fe在潮濕環(huán)境中易以 Fe(OH)3膠體的形式快速沉淀，因而沉積物中 Fe/Mn高值對應潮濕氣候,低值對應干熱氣候。氣候潮濕導致淡水輸入增多，鹽度降低，此時Al元素含量較高；干旱氣候條件下，水體蒸發(fā)強烈導致鹽度增加，Na元素以鹽類形式富集[15]，因此Na/Al比值也可反映氣候。研究區(qū)霧迷山組Fe/Mn比值明顯整體低于洪水莊組，洪水莊組Na/Al比值低于霧迷山組，均反映了霧迷山組為干熱氣候，洪水莊組為潮濕氣候。其中霧迷山組Fe/Mn比值的浮動變化說明了由水體深淺變化引起的偏干旱與偏短暫濕潤氣候頻繁轉換的沉積特點。

Nesbitt et al.[16]提出應用化學蝕變指數(CIA)評價物源區(qū)化學風化程度,CIA可以很好地評價長石向黏土礦物(如高嶺石)轉化的程度。CIA=50～60指示初級風化作用強度,CIA=60～80指示中等風化作用強度,CIA=80～100指示強烈風化作用強度。洪水莊組頁巖CIA值分布范圍為62.767～68.561，平均值為65.260。因此該組頁巖CIA值表明其物源區(qū)發(fā)生了中等風化作用?；瘜W風化作用主要受水分和溫度的影響，在寒冷干燥氣候下，晝夜溫差大，機械風化作用增強，使得巖石破碎，但降雨量小，導致化學風化作用不強。但在溫暖潮濕的氣候條件下，由于氣溫高、降雨量大、微生物活躍，有利于化學風化作用的發(fā)生[3]。故中等化學風化作用表明洪水莊組沉積時期的氣候應是溫暖潮濕的。

5 結論

(1)霧迷山組沉積相為潮坪亞相，洪水莊組為潟湖亞相。其中霧迷山組以潮坪亞相中潮上帶-潮間帶-潮下帶沉積環(huán)境的韻律反復為主，洪水莊組主要為潟湖沉積。

(2)霧迷山組樣品的化學成分以CaO和MgO為主，兩者含量相近，較多的SiO2含量顯示該時期碳酸鹽巖沉積時混入較多的陸源碎屑；洪水莊組樣品的化學成分以SiO2為主。

(3)鎂鋁比值顯示霧迷山組沉積環(huán)境為典型的碳酸鹽巖沉積環(huán)境，洪水莊組為潟湖沉積環(huán)境，這與野外露頭巖性判斷結論相一致。

(4)Mn含量、Na/Al以及Sr/Cu比值顯示霧迷山組沉積時期氣候干旱，并且具有偏干旱與偏短暫濕潤氣候頻繁轉換的沉積特點，洪水莊組沉積時期氣候溫暖潮濕。