京西坳陷周口店地區(qū)洪水莊組地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義

曾金華， 蘭曉東， 司晨晨

( 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 海洋學(xué)院，北京 100083 )

0 引言

近年來(lái)，西伯利亞、阿曼和四川盆地相繼在前寒武紀(jì)地層發(fā)現(xiàn)大規(guī)模油氣田，證實(shí)中—新元古界蘊(yùn)含豐富的油氣資源[1]。薊縣系洪水莊組是華北板塊北部中元古界主力烴源巖之一，生產(chǎn)力水平較高，尤其是冀淺1井在河北寬城發(fā)現(xiàn)油苗，引起對(duì)該地層的廣泛關(guān)注[2-5]。洪水莊組物源區(qū)構(gòu)造背景及源巖類(lèi)型尚不明確，翟明國(guó)等[6]、潘建國(guó)等[7]、曲永強(qiáng)等[8]提出，華北北部在中新元古代處于伸展環(huán)境，洪水莊組沉積時(shí)期發(fā)展為被動(dòng)大陸邊緣。喬秀夫等[9]認(rèn)為，燕遼裂陷槽是弧后拉張型盆地，溝—弧—盆體系可以系統(tǒng)地解釋燕遼裂陷槽動(dòng)力學(xué)成因、地震事件、火山活動(dòng)及層控礦床等形成的地質(zhì)背景，該結(jié)論得到地球化學(xué)及地球動(dòng)力學(xué)的支持[10-13]。汪凱明等[14]、霍勇等[15]認(rèn)為洪水莊組是碳酸鹽巖臺(tái)地潮坪相沉積，羅順社等[16]、賈雨?yáng)|等[17]傾向于潟湖相沉積。此外，羅情勇等[18]提出洪水莊組是靜海沉積，MA Kui等[19]提出洪水莊組發(fā)育于深海大陸隆弱滯留缺氧—硫化環(huán)境。

沉積物是連接沉積盆地與造山帶的重要紐帶，性質(zhì)與物源區(qū)的母巖組成、構(gòu)造作用及氣候條件密切相關(guān)[20]。物源分析揭示沉積物的物源區(qū)組成、地質(zhì)演化和約束沉積盆地的構(gòu)造環(huán)境，分析方法包括沉積學(xué)方法、碎屑成分分析、黏土礦物組成、輕礦物單礦物分析、重礦物分析、磁性礦物分析、礦物顆粒微形貌分析、地球化學(xué)元素測(cè)定、地球物理方法、化石與生物標(biāo)志物分析及同位素測(cè)年[21-22]。沉積環(huán)境對(duì)有機(jī)質(zhì)的輸入和保存具有重要作用，進(jìn)而影響優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育，能否對(duì)其精確判別和恢復(fù)直接制約對(duì)沉積相和有機(jī)質(zhì)的認(rèn)識(shí)[23-24]。物源和沉積環(huán)境的變化導(dǎo)致生物生長(zhǎng)的差異及有機(jī)質(zhì)的富集，最終形成有機(jī)質(zhì)豐度的層間差異[25]。物源區(qū)與沉積環(huán)境之間存在復(fù)雜的地球化學(xué)平衡，導(dǎo)致元素類(lèi)型、豐度存在分異。其中，部分微量元素對(duì)物源區(qū)和沉積環(huán)境的變化尤為敏感，在元素含量分布和同位素組成上產(chǎn)生不同的地球化學(xué)響應(yīng)[26-27]，可以從中提取保留在沉積物中的物源區(qū)構(gòu)造、源巖類(lèi)型和古環(huán)境信息，對(duì)物源和沉積環(huán)境進(jìn)行反演。

筆者利用京西坳陷周口店地區(qū)洪水莊組微量元素和碳、氧同位素特征，分析洪水莊組物源特征及沉積環(huán)境，對(duì)物源區(qū)構(gòu)造背景和源巖類(lèi)型進(jìn)行反演，研究沉積期古氣候、古鹽度和氧化還原條件，為華北板塊中元古代古氣候及古地理的重建和烴源巖的評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

京西坳陷位于華北北緣燕山地區(qū)，地處燕山山脈與太行山山脈交匯處，西靠密懷隆起，東臨冀東坳陷，北接冀北坳陷，全區(qū)面積約為1.331 2×104km2(見(jiàn)圖1)。

圖1 京西坳陷周口店地區(qū)構(gòu)造及采樣點(diǎn)位置Fig.1 The structure and sampling location in the Zhoukoudian Area of Jingxi Depression

中元古代(1 800～1 400 Ma)，受哥倫比亞超大陸裂解影響，華北板塊在北緣開(kāi)始裂解并不斷拉伸而形成燕遼裂陷槽[7]。燕遼裂陷槽整體呈NE—NEE向展布，自下而上沉積中元古界長(zhǎng)城系、薊縣系和新元古界青白口系，地層厚度沿西北—東南向逐漸減薄，沉降中心位于薊縣—寬城一帶。其中，京西坳陷在構(gòu)造上隸屬于燕遼裂陷槽，發(fā)育巨厚的中元古界沉積，包括長(zhǎng)城系常山溝組、串嶺溝組、團(tuán)山子組、大紅峪組、高于莊組，以及薊縣系楊莊組、霧迷山組、洪水莊組、鐵嶺組。中生代晚期，受燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)抬升影響，地層廣泛出露地表。

在周口店地區(qū)，中元古界廣泛發(fā)育，洪水莊組主要出露于黃山店、八角寨一帶。其中，在八角寨剖面洪水莊組發(fā)育厚度為39.6 m，自下向上可分為三段，與下伏霧迷山組灰色中厚層白云巖和上覆鐵嶺組三段灰色中厚層白云巖呈整合接觸。洪一段以大段粉晶—泥晶白云巖為主，含砂質(zhì)；洪二段發(fā)育厚層黑色頁(yè)巖，含黃鐵礦顆粒；洪三段下部發(fā)育薄層泥晶白云巖，上部發(fā)育泥質(zhì)白云巖與泥晶白云巖薄互層，含黃鐵礦顆粒(見(jiàn)圖2)。

圖2 京西坳陷八角寨剖面洪水莊組巖性柱狀圖Fig.2 The stratigraphic column of Hongshuihuang Formation in the Bajiaozhai Section, Jingxi Depression

2 樣品采集與測(cè)試方法

2.1 樣品采集

樣品采自京西坳陷北京市房山區(qū)周口店鎮(zhèn)黃院西南八角寨剖面。該剖面洪水莊組發(fā)育完整，共采集樣品32塊(見(jiàn)圖3)。其中，下部洪一段厚度為10.7 m，采集20塊樣品；中部洪二段厚度為19.3 m，采集7塊樣品；上部洪三段厚度為9.6 m，采集5塊樣品。采集新鮮樣品，除去巖塊表面雜質(zhì)灰塵，經(jīng)清洗晾干后將新鮮樣品磨碎至200目以下，進(jìn)行微量元素和碳、氧同位素測(cè)試，分析測(cè)試在核工業(yè)北京地質(zhì)研究所完成。

圖3 周口店地區(qū)八角寨洪水莊組剖面及巖樣照片F(xiàn)ig.3 Field profile and sample photos of the Hongshuizhuang Formation from the Bajiaozhai Section in the Zhoukoudian Area

2.2 測(cè)試方法

微量元素測(cè)試在ELEMENT XR等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)中進(jìn)行。首先，取50 mg樣品置于封閉容器中，加入1.0 mL氫氟酸和0.5 mL硝酸，溶解后置于烘箱中加熱24 h，溫度控制在185 ℃。然后，將冷卻的混合溶液置于電熱板上蒸發(fā)，除去剩余的氫氟酸后，用硝酸密封溶解。最后，在ELEMENT XR等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)上對(duì)稀釋溶液進(jìn)行分析，利用外標(biāo)法計(jì)算樣品中微量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。測(cè)試過(guò)程參照GB/T 14506.30—2010《硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法 第30部分：44個(gè)元素量測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 周口店地區(qū)洪水莊組微量元素測(cè)試結(jié)果

碳、氧同位素測(cè)定在氣體同位素質(zhì)譜分析儀中完成。首先，將10 g樣品浸泡雙氧水中除去有機(jī)質(zhì)，之后用蒸餾水漂洗，收集沉淀并烘干。然后，將烘干樣品置于真空條件下與100%磷酸水浴恒溫反應(yīng)，用冷凍法分離生成的水，收集純凈的二氧化碳?xì)怏w。最后，采用MAT253氣體同位素質(zhì)譜分析儀進(jìn)行質(zhì)譜同位素分析，與標(biāo)準(zhǔn)樣品比較后校正得到δ13C和δ18O數(shù)據(jù)。測(cè)試過(guò)程參照DZ/T 0184.17—1997 《碳酸鹽礦物或巖石中碳、氧同位素組成的磷酸法測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)，分析結(jié)果采用PDB標(biāo)準(zhǔn)。

3 地球化學(xué)特征

3.1 微量元素

周口店地區(qū)洪水莊組微量元素在地層縱向序列上變化大，將其質(zhì)量分?jǐn)?shù)與平均上地殼質(zhì)量分?jǐn)?shù)(UC)[29]進(jìn)行對(duì)比，反映各段微量元素的富集特征(見(jiàn)圖4)。由圖4可知：(1)洪一段和洪三段Zr、Th、Ta、Nb、U、Hf等高場(chǎng)強(qiáng)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)低于上地殼的，出現(xiàn)強(qiáng)烈虧損，而洪二段出現(xiàn)輕度富集，反映洪一段、洪三段與洪二段在物源上具有差異；(2)洪水莊組喜干型元素Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯低于上地殼的(350×10-6)，說(shuō)明沉積期京西坳陷周口店地區(qū)氣候整體較為濕潤(rùn)，但Sr元素在洪二段虧損相對(duì)嚴(yán)重，喜濕型元素Cr、Cu、Rb僅在洪二段富集，反映洪水莊組沉積期氣候出現(xiàn)波動(dòng)，洪二段氣候最為潮濕；(3)氧化敏感元素V和Mo在洪一段、洪三段出現(xiàn)虧損而在洪二段富集，說(shuō)明洪水莊組水體環(huán)境差異較大，其中洪二段古水體還原程度更高；(4)洪一段、洪三段Ba平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為221.19×10-6、624.40×10-6；洪二段Ba平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1 972.71×10-6，對(duì)比上地殼的550×10-6，洪二段富集程度極高，可能與相對(duì)高的生產(chǎn)力和陸源碎屑輸入量有關(guān)。

圖4 周口店地區(qū)洪水莊組微量元素蛛網(wǎng)Fig.4 The trace element cobweb of the Hongshuizhuang Formation in the Zhoukoudian Area

3.2 稀土元素

洪水莊組稀土元素分析(見(jiàn)表2)顯示，洪一段w(∑REE+Y)介于(35.69～59.60)×10-6，平均為44.39×10-6；洪二段w(∑REE+Y)介于(199.06～259.66)×10-6，平均為230.51×10-6，高于北美頁(yè)巖和澳大利亞后太古代頁(yè)巖的平均值(195.12×10-6、210.82×10-6)；洪三段w(∑REE+Y)介于(15.56～72.54)×10-6，平均為37.91×10-6?？傮w上，洪水莊組稀土元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，但差異較大。洪一段和洪三段w(∑REE+Y)平均值雖低于北美頁(yè)巖和澳大利亞后太古代頁(yè)巖的[30-31]，也低于上地殼的(146.4×10-6)，但高于海相碳酸鹽巖稀土總含量[32]；以頁(yè)巖為主的洪二段w(∑REE+Y)平均值遠(yuǎn)超北美頁(yè)巖和澳大利亞后太古代頁(yè)巖的。

表2 周口店地區(qū)洪水莊組稀土元素測(cè)試結(jié)果

w(∑LREE)/w(∑HREE)能夠反映洪水莊組輕、重稀土之間的分異程度。洪一段w(∑LREE)/w(∑HREE)介于0.91～1.41，平均為1.15，低于上地殼的(3.66)；洪二段w(∑LREE)/w(∑HREE)介于4.33～6.33，平均為5.17；洪三段w(∑LREE)/w(∑HREE)介于1.29～2.45，平均為1.87，略高于洪一段的。w(∑LREE)/w(∑HREE)反映洪水莊組整體表現(xiàn)輕稀土富集型特征，重稀土元素分餾程度低于輕稀土元素的，物源可能為碳酸鹽巖、金伯利巖、酸性巖及其表生作用形成的碎屑巖。

洪水莊組球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線(xiàn)顯示，洪一段REE配分曲線(xiàn)表現(xiàn)為明顯“右傾”的輕稀土富集型，輕稀土段斜率較大，重稀土段的平緩，屬于輕稀土富集型，同時(shí)在曲線(xiàn)上顯示強(qiáng)烈的Ce負(fù)異常和微弱的Eu負(fù)異常(見(jiàn)圖5(a))。洪二段REE配分曲線(xiàn)表現(xiàn)輕稀土的強(qiáng)烈富集和重稀土的相對(duì)虧損，輕稀土段斜率陡，重稀土段的平緩，為輕稀土富集虧損型，Eu處呈現(xiàn)明顯的“V”形，具有Eu負(fù)異常特征；Ce無(wú)異?；蜉p微正異常，與上地殼的配分模式一致(見(jiàn)圖5(b))。洪三段REE配分曲線(xiàn)為輕稀土富集型，曲線(xiàn)明顯“右傾”，輕稀土段斜率陡，重稀土段的平緩，Eu處呈現(xiàn)微弱的“V”形，存在輕微的Eu負(fù)異常，Ce基本正常(見(jiàn)圖5(c))。

圖5 周口店地區(qū)洪水莊組REE配分模式Fig.5 The REE distribution patterns of the Hongshuizhuang Formation in the Zhoukoudian Area

3.3 碳、氧同位素

洪水莊組碳、氧同位素存在明顯的差異(見(jiàn)表3)。由表3可知，δ13C介于-7.00‰～1.40‰，平均為-1.17‰。其中，洪一段的介于1.00‰～1.40‰，平均為1.18‰；洪二段的介于-7.00‰～-1.30‰，平均為-4.15‰；洪三段的介于-2.40‰～-2.20‰，平均為-2.30‰。洪一段δ13C為弱正值，洪二段的出現(xiàn)負(fù)偏，洪三段的略有升高但整體依然保持負(fù)偏。

表3 周口店地區(qū)洪水莊組碳、氧同位素分析結(jié)果

δ18O介于-10.20‰～-4.30‰，平均為-6.72‰。其中，洪一段的介于-4.90‰～-4.30‰，平均為-4.63‰；洪二段的介于-8.50‰～-8.30‰，平均為-8.40‰；洪三段的介于-10.20‰～-6.90‰，平均為-8.40‰。總體上，洪水莊組δ18O呈現(xiàn)負(fù)值，低值集中在洪二段和洪三段。

4 討論

4.1 物源區(qū)構(gòu)造背景

對(duì)于碎屑巖，La、Th、Zr等高場(chǎng)強(qiáng)元素和Sc、Co等微量元素化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，在風(fēng)化、搬運(yùn)和沉積過(guò)程中損耗低，受淺變質(zhì)和輕微成巖作用的影響較弱，在沉積物中的差異主要受物源區(qū)化學(xué)組成的影響[33]。在不同的板塊構(gòu)造環(huán)境中，不同的物質(zhì)組成導(dǎo)致母巖化學(xué)成分出現(xiàn)差異。因此，通過(guò)微量元素能夠區(qū)分大洋島弧、大陸島弧、活動(dòng)大陸邊緣和被動(dòng)大陸邊緣等構(gòu)造背景，有效傳遞物源區(qū)大地構(gòu)造背景信息。

利用三角判別圖解Th-Sc-Zr/10、Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc,可將樣品中多種非遷移微量元素間的組合關(guān)系同各構(gòu)造單元進(jìn)行對(duì)比，對(duì)物源區(qū)構(gòu)造背景作出合理解釋?zhuān)粡V泛應(yīng)用于物源區(qū)構(gòu)造背景探討[34-35]。Th-Sc-Zr/10、Th-Co-Zr/10、La-Th-Sc判別圖解(見(jiàn)圖6)顯示，洪水莊組樣品在指示物源區(qū)構(gòu)造背景中顯示較好的一致性：洪二段頁(yè)巖和洪三段泥質(zhì)白云巖樣品泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，反映物源區(qū)構(gòu)造環(huán)境為大陸島??；洪一段砂質(zhì)白云巖和洪三段白云巖樣品泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，幾乎沒(méi)有樣品指示物源區(qū)構(gòu)造背景為大陸島弧，但具有明顯向大陸島弧區(qū)域偏移趨勢(shì)。由于碎屑巖直接繼承于母巖，化學(xué)成分更接近物源區(qū)，能夠更好保存物源的原始信息。相較于以白云巖為主的洪一段和洪三段，洪二段頁(yè)巖和洪三段泥質(zhì)白云巖對(duì)物源區(qū)構(gòu)造具有更好的指示意義，表明洪水莊組構(gòu)造環(huán)境主要為大陸島弧背景。

圖6 周口店地區(qū)洪水莊組構(gòu)造背景判別圖解Fig.6 The discriminant diagrams of tectonic setting in the Hongshuizhuang Formation in the Zhoukoudian Area

4.2 母巖類(lèi)型

應(yīng)用Th、Co、Sc、Hf、Zr和REE等不活潑元素之間的組合關(guān)系研究沉積物母巖類(lèi)型被證實(shí)可靠，并建立一系列判別圖解[34-36]。其中，應(yīng)用最為廣泛的是Co/Th-La/Sc、La/Yb-REE 、Th/Sc-Zr/Sc、La/Th-Hf等判別圖解(見(jiàn)圖7)。

在Co/Th-La/Sc圖解中，洪二段樣品具有低而穩(wěn)定的w(Co)/w(Th)和w(La)/w(Sc)，平均分別為1.04和2.71，反映源巖主要為長(zhǎng)英質(zhì)火山巖；洪一段和洪三段w(Co)/w(Th)和w(La)/w(Sc)變化大，與花崗巖、長(zhǎng)英質(zhì)火山巖、安山巖和玄武巖契合度較差，物源為非陸源巖漿巖貢獻(xiàn)(見(jiàn)圖7(a))。在La/Yb-REE圖解中，洪水莊組樣品集中度高，表明洪二段頁(yè)巖碎屑物質(zhì)來(lái)自酸性的花崗質(zhì)巖(見(jiàn)圖7(b))。在Th/Sc-Zr/Sc圖解中，洪二段頁(yè)巖反映碎屑物質(zhì)來(lái)自上地殼長(zhǎng)英質(zhì)火成巖；洪一段和洪三段樣品隨碎屑成分的增加而明顯趨向于長(zhǎng)英質(zhì)火山巖(見(jiàn)圖7(c))。此外，在La/Th-Hf圖解中，洪二段與長(zhǎng)英質(zhì)物源區(qū)的特征一致，并且與上地殼平均成分接近；洪一段和洪三段w(La)/w(Th)變化較大，w(Hf)極低，平均分別為0.27×10-6和0.31×10-6，遠(yuǎn)低于巖漿巖的下限(見(jiàn)圖7(d))。由圖7可知，洪二段與上地殼長(zhǎng)英質(zhì)火成巖特征相近，但與標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)英質(zhì)火山巖的元素特征存在差距；洪一段和洪二段元素特征與巖漿巖的差異較大，但明顯趨向于長(zhǎng)英質(zhì)火成巖的。這表明洪水莊組并非單一物源，碎屑物質(zhì)主要來(lái)自上地殼長(zhǎng)英質(zhì)火成巖。其中，以頁(yè)巖為主的洪水莊組主要為陸源貢獻(xiàn)，海水貢獻(xiàn)較低；洪一段和洪三段以白云巖為主，陸源貢獻(xiàn)較少，僅有部分泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的樣品反映物源來(lái)自上地殼長(zhǎng)英質(zhì)火成巖體。

REE分配模式通常與源巖的一致，源巖類(lèi)型可以在REE分配曲線(xiàn)上得以體現(xiàn)[37]。盡管REE質(zhì)量分?jǐn)?shù)有差異，但親陸性物源表現(xiàn)為輕稀土富集、重稀土貧化的特征，w(Y)/w(Ho)較低，Eu有輕微的負(fù)異常；海相沉積物REE配分曲線(xiàn)屬于輕稀土虧損、重稀土富集型，w(Y)/w(Ho)一般大于60[37-38]。洪水莊組REE球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化配分曲線(xiàn)為輕稀土富集型，具有明顯“右傾”趨勢(shì)，Eu出現(xiàn)微弱負(fù)異常，與陸源分配曲線(xiàn)的形式一致。洪一段w(Y)/w(Ho)介于 32.35～48.06，平均為40.34，遠(yuǎn)低于海相沉積物的下限，但高于上地殼平均值(27.50)。洪二段和洪三段w(Y)/w(Ho)更低，分別介于28.12～31.20、22.31～34.98，平均分別為29.95、28.24，接近上地殼的平均值。這表明洪水莊組物源具有多源性，洪一段物源既有海水貢獻(xiàn)，也有陸源碎屑的貢獻(xiàn)；洪二段和洪三段陸源貢獻(xiàn)占比較高，海水貢獻(xiàn)較少。

綜上所述，洪水莊組物源具有明顯的多源性，碎屑成分主要來(lái)自長(zhǎng)英質(zhì)物源區(qū)。其中，洪一段碎屑成分最低，海水貢獻(xiàn)占比高于洪二段和洪三段的。洪二段主要為陸源貢獻(xiàn)，母巖為長(zhǎng)英質(zhì)火山巖，在Co/Th-La/Sc、La/Yb-REE 、Th/Sc-Zr/Sc、La/Th-Hf圖解中分布較為集中。在Co/Th-La/Sc、La/Yb-REE 、Th/Sc-Zr/Sc圖解中，受海水貢獻(xiàn)干擾，洪三段雖然化學(xué)特征變化較大，但明顯趨向于長(zhǎng)英質(zhì)物源的，且泥質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高趨勢(shì)越明顯，反映碎屑物質(zhì)來(lái)自長(zhǎng)英質(zhì)物源區(qū)。

4.3 沉積環(huán)境

4.3.1 古氣候

氣候條件發(fā)生改變，沉積物中的化學(xué)元素也做出相關(guān)響應(yīng)，應(yīng)用Rb、Cu、Fe等喜濕型元素和Sr、Ca、Mn等喜干型元素富集程度的波動(dòng)性提取信息，是研究古氣候的重要方法。在干旱炎熱條件下，喜干型元素發(fā)生沉淀、富集，喜濕型元素溶解、遷移；在潮濕條件下相反[39]。

4.3.2 古鹽度

w(Th)/w(U)與水體鹽度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，在咸水沉積物中為低值，通常作為反映水體鹽度的重要參數(shù)。在陸相淡水環(huán)境中w(Th)/w(U)大于7.00，在微咸水—半咸水環(huán)境中介于2.00～7.00，在咸水環(huán)境中小于2.00[44]。洪一段w(Th)/w(U)在1.81～4.94之間波動(dòng)，變化較大，但總體上介于2.00～7.00，平均為3.42，為微咸水—半咸水環(huán)境。洪二段w(Th)/w(U)相對(duì)穩(wěn)定，介于6.17～6.73，平均為6.37，為微咸水—半咸水環(huán)境，但水體鹽度較洪一段的更低。洪三段w(Th)/w(U)介于1.97～2.99，平均為2.41，整體為微咸水—半咸水環(huán)境。w(Th)/w(U)反映洪水莊組整體處于微咸水—半咸水環(huán)境，但水體鹽度出現(xiàn)高—低—高的變化，洪一段和洪三段水體鹽度相對(duì)較高，而洪二段水體鹽度低。

w(V)/w(Zr)是恢復(fù)水體鹽度的有效指標(biāo)，在淡水及微咸水中低于0.25，在半咸水中為0.25～0.40，海相咸水高于0.40[45]。洪水莊組w(V)/w(Zr)存在明顯差異，洪一段介于0.73～4.25，平均為2.04；洪二段介于0.22～0.40，平均為0.33；洪三段介于0.83～2.79，平均為1.64。這說(shuō)明洪水莊組水體鹽度出現(xiàn)高—低—高的旋回變化，即洪二段水體鹽度最低，洪三段水體鹽度低于洪一段的。

碳、氧同位素也可以對(duì)水體鹽度變化進(jìn)行追蹤。在對(duì)數(shù)百個(gè)樣品進(jìn)行碳、氧同位素分析的基礎(chǔ)上，KEITH M L等提出與水體鹽度呈正相關(guān)關(guān)系因數(shù)Z，Z=2.048×(δ13C+50)+0.498×(δ18O+50)[46]。洪一段Z介于126.91～127.62，平均為127.40；洪二段Z介于108.83～120.40，平均為114.62；洪三段Z介于117.51～118.95，平均為118.40。洪水莊組Z出現(xiàn)高—低—高的旋回變化，說(shuō)明洪二段水體鹽度相對(duì)更低，洪一段和洪三段水體較咸，且洪一段水體鹽度高于洪三段的。

4.3.3 氧化還原條件

在不同氧化還原條件下，沉積水體中V、Ni的化學(xué)行為具有差異性，因此w(V)/w(Ni)和w(V)/w(V+Ni)可以表征古沉積環(huán)境的氧化還原情況[47-48]。通常情況下，w(V)/w(Ni)大于3.00，為還原環(huán)境；w(V)/w(Ni)介于1.90～3.00，為低氧環(huán)境。w(V)/w(V+Ni)介于0.84～0.89，反映水體分層性強(qiáng)，底層水體出現(xiàn)H2S的厭氧環(huán)境；w(V)/w(V+Ni)介于0.54～0.84，水體分層性中等，為厭氧環(huán)境；w(V)/w(V+Ni)介于0.46～0.60，水體為弱分層的貧氧環(huán)境；w(V)/w(V+Ni)低于0.46，反映水體無(wú)分層，以富氧的氧化環(huán)境為主[49]。洪一段w(V)/w(Ni)介于0.56～1.63，平均為0.88；w(V)/w(V+Ni)介于0.39～0.62，平均為0.46，表明洪一段沉積期水體具有弱分層性，以貧氧環(huán)境為主。洪二段w(V)/w(Ni)介于1.65～4.94，平均為3.15；w(V)/w(V+Ni)介于0.62～0.83，平均為0.74，表明洪二段底層水氧含量降低，水體為分層性中等的厭氧環(huán)境。洪三段w(V)/w(Ni)和w(V)/w(V+Ni)較洪二段的有所降低。其中，w(V)/w(Ni)介于0.66～1.05，平均為0.86；w(V)/w(V+Ni)介于0.40～0.51，平均為0.46。這表明洪三段古沉積水體環(huán)境與洪一段的相似，為弱分層、貧氧環(huán)境。

(δCe)N的變化也受氧化還原條件的影響，在自然條件下，Ce主要以可溶的Ce3+和難溶的Ce4+兩種形式存在；在氧化條件下， Ce3+被氧化為Ce4+，Ce4+易被吸附于顆粒物而導(dǎo)致水體中出現(xiàn)負(fù)Ce異常，因此Ce的異常波動(dòng)常常反映沉積水體氧化程度的變化[50]。洪一段、洪二段和洪三段(δCe)N平均分別為0.55、1.04、0.88，指示洪一段和洪三段發(fā)育于相對(duì)氧化的水體環(huán)境，而洪二段發(fā)育于相對(duì)還原的水體環(huán)境，且洪一段的氧化程度高于洪三段的。

Mo元素在地層縱向序列上的波動(dòng)也證明洪水莊組古沉積水體的氧化程度出現(xiàn)旋回變化。在氧化條件下，Mo4+被氧化為Mo6+，形成溶解度較高的鉬酸鹽，導(dǎo)致地層中出現(xiàn)Mo虧損；在還原條件下，鉬酸和鉬酸鹽中的Mo6+還原成Mo4+，在富含有機(jī)質(zhì)和硫化物的地層中得以富集[51]。洪一段、洪二段和洪三段w(Mo)平均分別為0.69×10-6、4.75×10-6、2.19×10-6，遠(yuǎn)高于中國(guó)東部上地殼(0.60×10-6)和中國(guó)淺海沉積物的(0.52×10-6)，其中洪二段、洪三段已達(dá)中國(guó)東部沉積巖的7.91、4.21倍[52-53]，說(shuō)明洪水莊組古沉積水體整體上偏還原條件，洪二段還原程度最高。

京西坳陷洪水莊組w(V)/w(Ni)、w(V)/w(V+Ni)、(δCe)N及w(Mo)的變化體現(xiàn)古沉積水體環(huán)境的變化：洪一段沉積期，水體較淺、分層性弱，以弱氧化—弱還原環(huán)境為主；洪二段沉積期，水體變深，分層性變?yōu)橹械?，出現(xiàn)厭氧環(huán)境；之后水體變淺，分層性下降，厭氧環(huán)境開(kāi)始向貧氧環(huán)境轉(zhuǎn)變，沉積發(fā)育洪三段。

總體上，京西坳陷周口店地區(qū)洪水莊組發(fā)育局限淺海相沉積。早期，受半潮濕氣候和相對(duì)低的海平面影響，研究區(qū)主要出現(xiàn)貧氧、弱分層的半咸水環(huán)境，發(fā)育砂質(zhì)白云巖。中期，氣候相對(duì)潮濕，伴隨海平面的上升，碳酸鹽巖臺(tái)地不斷消亡，貧氧、弱分層的半咸水環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬?、中等分層的微咸水環(huán)境。碎屑物質(zhì)不斷從大陸島弧長(zhǎng)英質(zhì)物源區(qū)搬運(yùn)至研究區(qū)，在深水環(huán)境下沉積而形成黑色頁(yè)巖。晚期，在相對(duì)干旱的半潮濕氣候下，海退作用使研究區(qū)重新轉(zhuǎn)變?yōu)樨氀?、弱分層的?qiáng)滯留環(huán)境，在微咸水—半咸水中沉積形成泥質(zhì)白云巖(見(jiàn)圖8)。

圖8 周口店地區(qū)洪水莊組沉積環(huán)境地球化學(xué)響應(yīng)Fig.8 Geochemical response to the sedimentary environment of the Hongshuizhuang Formation in the Zhoukoudian Area

4.4 油氣地質(zhì)意義

有機(jī)質(zhì)的富集通常受初級(jí)生產(chǎn)力和氧化—還原環(huán)境影響，而優(yōu)質(zhì)烴源巖往往發(fā)育于潮濕、還原的低能深水環(huán)境。相較于洪一段和洪三段，洪二段的物源特征與沉積環(huán)境更有利于有機(jī)質(zhì)的富集，是古物源、古氣候、古鹽度、氧化還原條件共同作用的結(jié)果。

洪二段黑色頁(yè)巖主要來(lái)源于陸源碎屑，碎屑物質(zhì)增加的同時(shí)保證營(yíng)養(yǎng)組分的輸入和沉積物的堆積速率，營(yíng)養(yǎng)組分的輸入提高海洋初級(jí)生產(chǎn)力，適度的沉積速率有利于有機(jī)質(zhì)的保存。相較于洪一段和洪三段，洪二段氣候更加溫暖濕潤(rùn)，不僅為生物的生長(zhǎng)繁殖提供合適的溫度和濕度，有利于有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)生；同時(shí)也增強(qiáng)物源區(qū)的風(fēng)化作用，化學(xué)風(fēng)化產(chǎn)生的生物營(yíng)養(yǎng)組分通過(guò)相對(duì)活躍的河流作用運(yùn)輸?shù)匠练e區(qū)，促進(jìn)生物的發(fā)育，從而提高初始生產(chǎn)力水平。此外，有機(jī)質(zhì)主要保存于強(qiáng)還原—弱還原環(huán)境，在氧化環(huán)境下被氧化、消耗，相較于洪一段和洪三段，洪二段相對(duì)還原、分層性更強(qiáng)的水體環(huán)境為沉積物中的有機(jī)質(zhì)提供良好的保存場(chǎng)所，表層原核生物產(chǎn)生的有機(jī)質(zhì)在底部的還原水體中得以保存。水體鹽度也對(duì)生物造成極大影響，洪一段和洪三段白云巖代表的高鹽度水體不僅抑制生物個(gè)體的生長(zhǎng)繁殖，也導(dǎo)致生物種類(lèi)和生物群落的減少。洪二段水體鹽度相對(duì)更低，能夠提供合適的無(wú)機(jī)鹽，對(duì)生物的發(fā)育起促進(jìn)作用，同時(shí)洪三段的高鹽度水體對(duì)洪二段有機(jī)質(zhì)的沉積后保存更加有利。

5 結(jié)論

(1)京西坳陷周口店地區(qū)洪水莊組富集高場(chǎng)強(qiáng)元素和輕稀土元素，w(Y)/w(Ho)高于上地殼的平均值，反映洪水莊組物源不僅有海水貢獻(xiàn)，也有陸源碎屑的貢獻(xiàn)。其中，海水貢獻(xiàn)主要集中于洪一段和洪三段，陸源貢獻(xiàn)集中于洪二段頁(yè)巖，碎屑物質(zhì)來(lái)自大陸島弧長(zhǎng)英質(zhì)物源區(qū)。

(2)周口店地區(qū)洪水莊組主要發(fā)育局限淺海相沉積，沉積環(huán)境出現(xiàn)旋回變化。w(Sr)/w(Cu)、w(Rb)/w(Sr)反映洪水莊組整體上處于潮濕氣候，相較于洪一段和洪三段的半潮濕氣候，洪二段氣候更濕潤(rùn)。洪水莊組以半咸水—微咸水環(huán)境為主，洪二段水體鹽度最低，洪三段水體鹽度略低于洪一段的。w(V)/w(Ni)、w(V)/w(V+Ni)、(δCe)N、w(Mo)反映洪水莊組水體環(huán)境發(fā)生改變，洪一段、洪三段以弱分層、貧氧的弱氧化—弱還原環(huán)境為主，洪二段出現(xiàn)中等分層的厭氧環(huán)境。

(3)洪二段具備優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的最佳地質(zhì)條件。洪二段沉積時(shí)期，陸源輸入量最高，氣候溫暖濕潤(rùn)，鹽度最低，更適宜生物的生長(zhǎng)繁殖，相對(duì)還原的底層水環(huán)境為有機(jī)質(zhì)的保存提供良好場(chǎng)所。此外，洪三段的高鹽度水體也利于洪二段有機(jī)質(zhì)的沉積后保存。