蘇宏圖白堊系黏土巖元素地球化學(xué)和黏土礦物特征及其古氣候意義

饒耕瑋, 劉曉東*, 劉平輝, 戴朝成, 黃光輝

(1.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 南昌330013; 2.核資源與環(huán)境國家重點實驗室, 南昌330013)

沉積物中地球化學(xué)元素特征受氣候環(huán)境等多種因素的影響[1]而不同地球化學(xué)元素在不同的氣候環(huán)境中具有不同的表現(xiàn)，不但為古氣候及環(huán)境的演化提供可靠信息[2]在記錄古環(huán)境、古氣候方面也具有很好的優(yōu)越性[3]；黏土礦物存在于各種類型的沉積物(巖)中，其形成和轉(zhuǎn)化與氣候(尤其是溫度和濕度)有十分密切的關(guān)系[4]。通常在溫暖潮濕氣候條件下，淋濾作用較強，堿金屬(堿土金屬)元素容易流失，利于形成蒙脫石等黏土礦物；寒冷干燥氣候條件下，淋濾作用較弱，利形成伊利石等黏土礦物[5]，由于黏土礦物批量分析測試相對簡單且其相對組成能較好地反映古氣候條件[6-7]，元素地球化學(xué)特征又能準(zhǔn)確地示蹤古氣候環(huán)境，因此越來越多的學(xué)者運用元素地球化學(xué)和黏土礦物特征來反演古氣候和環(huán)境[8]，并取得了較大的成功(如方謙等[9]通過自生黏土礦物對古氣候的指示作用；張哲[10]通過三水盆地下白堊統(tǒng)的黏土礦物，反演出區(qū)域構(gòu)造及氣候事件),可見黏土礦物對古氣候的指示作用及其準(zhǔn)確度，受到越來越多學(xué)者的青睞。

內(nèi)蒙古阿拉善左旗北部蘇宏圖地區(qū)白堊系蘇紅圖組地層主微量元素特征及其古環(huán)境未曾詳細(xì)報道，研究深入不夠[11]，本文主要依托“高放廢物地質(zhì)處置庫西北地區(qū)黏土巖地段篩選與評價研究”項目，對內(nèi)蒙古阿拉善左旗北部蘇宏圖地區(qū)白堊系蘇紅圖組地層進(jìn)行古氣候恢復(fù)研究。分析研究SZK-1鉆孔巖心樣品的元素地球化學(xué)和黏土礦物特征，并對應(yīng)沉積體系垂向上的分布差異[12]，首次運用元素地球化學(xué)和黏土礦物特征來結(jié)合的方法反演蘇宏圖地區(qū)白堊系晚期的古氣候環(huán)境，較為全面的分析出蘇紅圖組各時期地層的元素地球化學(xué)和黏土礦物特征，為今后這個地區(qū)的沉積環(huán)境和地球化學(xué)工作提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)概況

蘇宏圖位于巴音戈壁盆地蘇宏圖凹陷的次級凹陷-艾力特格凹陷，北至蘇宏圖深斷裂，南界為宗乃山-沙拉扎山隆起帶，呈東西向展布，傾向北(圖1)。出露的主要地層為下白堊統(tǒng)蘇紅圖組、巴音戈壁組，基底埋深小于500 m。斷裂活動期主要為華力西期，次為加里東及燕山期。中新生代以燕山期斷裂為主，印支期和喜山期分布較少，SZK-1鉆孔樣品的采集位置可見圖1。

研究區(qū)主要發(fā)育陸相沉積，白堊系在研究區(qū)分布最為廣泛，發(fā)育最為齊全。下白堊統(tǒng)從下到上分為巴音戈壁組、蘇紅圖組和銀根組，巴音戈壁組從下到上又分為下段和上段，蘇紅圖組也分為上下兩段，上白堊統(tǒng)為烏蘭蘇海組。主要沉積蓋層可見表1。研究區(qū)目標(biāo)主要為下白堊統(tǒng)蘇紅圖組的地層。

下白堊統(tǒng)蘇紅圖組以扇三角洲相沉積為主(圖2)，盆地局部發(fā)育較大規(guī)模的河流相沉積系，盆緣主要分布沖積扇體系，湖泊相沉積體系主要分布在SZK-1鉆孔周圍[13]。

2 樣品的采集與分析

采集巴音戈壁盆地艾力特格坳陷蘇紅圖組的巖心樣品，共采取31個巖心樣品，采集層位如圖2所示。實驗選取了31件過200目篩的黏土巖粉末樣品，預(yù)處理及地球化學(xué)(主量、微量元素)分析測試均在澳實分析檢測(廣州)有限公司完成。實驗儀器分別為電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)，儀器型號Aglilent，產(chǎn)地美國。電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜儀(ICP-MS)，儀器型號Perkin Elmer Elan 9000，產(chǎn)地美國，在系統(tǒng)設(shè)定上，檢測方法的準(zhǔn)確度和精密度(相對偏差和相對誤差)均控制在小于(10±5)%。全巖礦物學(xué)分析和黏土礦物含量分析均在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點實驗室，采用X射線粉晶衍射(XRD)分析方法，實驗儀器為德國布魯克D8 ADVANCE，測角儀精度為0.000 1°，準(zhǔn)確度小于等于0.02°。掃描電子顯微鏡(SEM)可以觀察礦物的微觀形貌特征，能譜分析可以得出元素的種類及質(zhì)量百分比，亦可進(jìn)一步驗證XRD的實驗數(shù)據(jù)的可靠性，其實驗均在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點實驗室完成，實驗儀器采用JSM-35CF型掃描電子顯微鏡，儀器型號Nova Nano SEM450；能譜儀型號Inca Energy X-Max20；加速電壓10 kV，分析取小塊巖石樣品的自然斷面，噴鉑金，用導(dǎo)電膠黏到樣品座上，放到電鏡下觀察。為避免氧化和可能的污染樣品采集后進(jìn)行密封封存，且選樣分布較為均勻，盡可能消除外在因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏差。

圖1 蘇宏圖地區(qū)構(gòu)造及取樣位置圖Fig.1 Structure and sampling location map of Suhongtu Area

表1 巴音戈壁盆地沉積蓋層特征

圖2 SZK-1巖性巖相剖面圖Fig.2 Lithologic lithofacies profile of SZK-1

3 測試結(jié)果

3.1 元素地球化學(xué)分析結(jié)果

主量元素和微量元素測試分析結(jié)果見表2、表3。分析結(jié)果表明樣品的燒失量在3.89%～12.86%，平均可達(dá)7.78%，燒失量值相對較大，且波動明顯，因為樣品整體黏土礦物含量較高，推測可能由于中碳酸鹽和黏土礦物中結(jié)構(gòu)水的失去所引起。SiO2在48.90%～68.01%，均值可達(dá)58.29%，在所有樣品中均含量較高，是主要的化學(xué)組成。含量最低的元素為MnO，均值只有0.09%。且各主量元素含量在樣品中相對穩(wěn)定。Cu、Sr、Mn等微量元素在樣品中整體含量較高，推測由于在干燥氣候下水分蒸發(fā)，導(dǎo)致水介質(zhì)堿性增強，而Ni、Zn、Co等微量元素整體含量不是很高但波動明顯，可能是由于干濕氣候變化差異大導(dǎo)致，Na、K、Ca等元素則由于易受到化學(xué)風(fēng)化作用，因此含量變化稍有差異。

表2 SZK-1鉆孔樣品主量元素測試結(jié)果

表3 SZK-1鉆孔樣品相關(guān)微量元素測試含量

3.2 X射線晶粉衍射分析結(jié)果

通過圖3的XRD圖譜可分析各礦物的特征峰值，可見伊利石特征峰峰數(shù)較齊全，強度較大，對稱性較好，說明其含量高；石英、方解石和鈉長石的衍射峰，表明含量相對較高；其他礦物衍射峰不太明顯，說明含量相對較低。對SZK-1井31個蘇紅圖組的巖心樣品進(jìn)行全巖XRD分析可知，主要礦物包括黏土礦物、石英、鈉長石和白云母；次要礦物為方解石、石膏、白云石、方沸石(圖4)。

圖3 SZK-1井樣品多晶X射線衍射曲線Fig.3 Polycrystalline X-ray diffraction curves of well SZK-1 samples

圖4 SZK-1井樣品礦物組成含量Fig.4 Mineral composition content of well SZK-1 samples

通過表4可知，全巖中黏土礦物含量最多，且變化幅度較大(16.8%～53.8%，平均含量31.39%)，考慮到研究樣品為同一地層，推測其變化可能主要受氣候環(huán)境和外動力搬運的影響。含量次之的鈉長石平均含量占19.06%且含量變化相對穩(wěn)定，石英含量在3.43%～45.68%，平均可達(dá)14.81%，波動同樣較大，說明沉積環(huán)境受外動力影響較大。所有樣品中均見有方沸石和白云石，但含量較低(方沸石平均含量4.48%白云石含量僅占0.87%)。單獨對樣品黏土礦物XRD含量進(jìn)行分析可見表5，分析結(jié)果顯示31個樣品具有相似的黏土礦物組合，以伊利石為主(含量在66.1%～90.6%，均值可達(dá)75.8%)，其次為高嶺石和綠泥石(平均含量分別為12.2%和11.2%)，而蒙脫石含量極少，不到總黏土礦物的1%。

3.3 掃描電鏡與能譜分析結(jié)果

掃描電鏡分析結(jié)果顯示，樣品中主要黏土礦物伊利石為葉片狀伊利石[圖5(a)]，晶體邊緣不甚整齊，表面呈鱗片狀排列，為葉片狀伊利石集合體，少量葉片與顆粒表面斜交，推測是被次生石英或長石晶體生長時掀起導(dǎo)致，極少見葉片狀伊利石晶體自立于顆粒表面[14]；鏡下還可見鈉長石礦物呈紋層狀和條帶狀產(chǎn)出，部分呈斑塊狀或呈膠結(jié)物和碎屑狀，可見化學(xué)沉淀形成的鑲嵌狀或堆晶結(jié)構(gòu)，并常伴隨溶蝕現(xiàn)象[圖5(b)]。能譜分析顯示黏土礦物主要成分為O、Si、Al，其次為K、Fe、Mg等元素，與伊利石[K0.5(Al-Fe-Mg)3(Si-Al)4O10(OH)2]的化學(xué)成分一致(圖6)。

表4 SZK-1井樣品全巖多晶X射線衍射分析結(jié)果

表5 SZK-1井樣品黏土礦物含量

圖5 SZK-1井樣品掃描電鏡微觀形貌特征Fig.5 Microscopic morphology characteristics of Well SZK-1 samples by scanning electron microscope

4 討論

4.1 元素地球化學(xué)對古氣候的指示

某些化學(xué)元素在地層中含量的變化可在一定程度上反映沉積物形成時的構(gòu)造地質(zhì)條件和古氣候特征[15]，其主微量元素含量及其相關(guān)比值(Na、Ca、Mg、Sr及Mg/Ca、Sr/Ca、Al2O3/MgO等)在判別沉積環(huán)境等方面得到了廣泛的應(yīng)用[16]。

P元素對古氣候變化較為靈敏，在干燥的環(huán)境下，某些低等生物因水體蒸發(fā)，鹽度劇增而死亡，從而使P元素相對富集；Mn含量一般用于指示氣候的干濕程度，Mn含量越高，表示蒸發(fā)作用越強[17]。SZK-1鉆孔蘇紅圖組樣品的P含量在310～930 μg/g，平均值為619 μg/g，Mn含量在307～1 390 μg/g平均值為693 μg/g，樣品分析可知蘇紅圖組總體呈現(xiàn)干旱炎熱的氣候環(huán)境，通過P和Mn含量變化曲線(圖7)可知，整體的沉積環(huán)境極其干燥，有干濕變化的波動，且扇三角洲前緣沉積的古氣候相對濕潤。

圖7 樣品P、Mn含量變化趨勢曲線Fig.7 Trend curves of P and Mn values of samples

圖8 樣品元素地球化學(xué)古氣候指示Fig.8 Elemental geochemical paleoclimate indicator map of sample

Sr/Cu、Mg/Ca、SiO2/Al2O3等元素的比值均是判別古氣候環(huán)境的常用指標(biāo)[18]。Sr是典型的喜干型元素，含量高時代表干旱的氣候，反之則指示濕潤的氣候；Sr/Cu對氣候具有敏感的變化，當(dāng)其處在1.3～5時指示溫濕的氣候，大于5時指示干旱的氣候；相對于Ca元素，Mg在高溫下更易沉積，因此Mg/Ca常會隨著干旱程度的增加而增大(在極度干旱的情況下，Mg/Ca所指示的意義剛好相反[19])；在潮濕氣候下SiO2由于化學(xué)風(fēng)化而搬運遷移，Al2O3在潮濕氣候下大量富集，因此常運用沉積巖中SiO2/Al2O3來反映古氣候特點，通過圖8可知，Sr/Cu遠(yuǎn)大于5，表現(xiàn)出極度干旱的沉積環(huán)境，SiO2/Al2O3曲線與Sr/Cu的相一致，Mg/Ca則由于極度干旱的原因，在樣品S29前比值較小。

4.2 黏土礦物對古氣候的指示

黏土礦物是大多數(shù)海陸相碎屑沉積物的重要組成部分，因其晶體結(jié)構(gòu)和顆粒細(xì)小使得它對地質(zhì)環(huán)境的變化特別敏感，而黏土礦物的類型和組合與沉積環(huán)境、古氣候等有著密切的關(guān)系[20]。

黏土礦物分為自生黏土礦物和碎屑黏土礦物，只有碎屑黏土礦物才能反映源區(qū)的風(fēng)化情況，所以利用黏土礦物分析古氣候時，需要進(jìn)行黏土礦物成因的判別。成巖作用過程中會導(dǎo)致黏土礦物性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，影響其可靠性。通過表5可知樣品黏土礦物主要為伊利石，綠泥石和高嶺石的含量大體上呈現(xiàn)此消彼長的趨勢，掃描電鏡下黏土礦物主要為伊利石，偶見綠泥石和高嶺石，基本不可見蒙脫石和伊利石-蒙脫石混層，伊利石主要呈現(xiàn)片層狀構(gòu)造，且邊緣呈不規(guī)則的參差狀，表明其經(jīng)歷過搬運沉積過程并遭受侵蝕，主要為碎屑來源?？梢灾甘竟艢夂颦h(huán)境。

伊利石主要形成于氣溫低、淋濾作用差的弱堿性介質(zhì)環(huán)境中，反映干冷氣候環(huán)境；綠泥石形成環(huán)境同伊利石一樣，同樣指示干冷的氣候環(huán)境，因此伊利石和綠泥石含量的逐漸增加表示了逐漸干旱的氣候條件，而當(dāng)黏土礦物中綠泥石含量占一定的比例時，則反映當(dāng)時氣溫較高，相對干旱的環(huán)境[21]；高嶺石作為潮濕的熱帶、亞熱帶地區(qū)的典型黏土礦物，多由長石風(fēng)化淋濾而成[22]，或形成于酸性介質(zhì)環(huán)境中，反映了溫濕的古氣候條件，與綠泥石反映的古氣候條件截然相反，因此二者的含量也常出現(xiàn)此消彼長的規(guī)律。樣品黏土礦物為伊利石、綠泥石的組合，反映當(dāng)時主要為干燥寒冷的氣候，高嶺石含量的波動表示當(dāng)時雖然總體為干燥環(huán)境，但也伴隨著干濕沉積環(huán)境的變化。

5 結(jié)論

(1)通過分析樣品的元素地球化學(xué)特征可知，SiO2為主要的化學(xué)組成，平均可達(dá)58.29%，含量最低的元素為MnO，均值只有0.09%，Cu、Sr、Mn、Ni、Zn、Co等微量元素特征差異可推出沉積環(huán)境總體干燥，且干濕氣候變化差異較大。

(2)通過XRD分析可知全巖中黏土礦物含量最高，黏土礦物中伊利石含量最高，XRD圖譜上表現(xiàn)為特征衍射峰峰形寬緩、不對稱、鞍峰比較高，表明黏土礦物主要是陸源風(fēng)化作用的產(chǎn)物，并經(jīng)過搬運和沉積作用而保存，而不是化學(xué)沉積和自生作用的結(jié)果。掃描電鏡下黏土礦物主要呈現(xiàn)片層狀構(gòu)造，且邊緣呈不規(guī)則的參差狀，表明黏土礦物經(jīng)歷過搬運沉積過程并遭受侵蝕，主要為碎屑來源。

(3)通過P、Mn元素的含量和Sr/Cu、Mg/Ca、SiO2/Al2O3等元素的比值分析可知，白堊系蘇紅圖組總體呈現(xiàn)極度干燥的沉積環(huán)境，不同亞相之間沉積環(huán)境稍有干濕變化，且扇三角洲相對濕暖。

(4)通過黏土礦物含量可知伊利石為主要的黏土礦物，其次為綠泥石、高嶺石，黏土礦物的組合類型為伊利石、綠泥石的組合，且綠泥石和高嶺石呈現(xiàn)此消彼長的現(xiàn)象，反映了干燥寒冷的沉積環(huán)境，并伴隨著干濕的氣候變化。