大佛寺井田洛河組砂巖地球化學(xué)特征及其對(duì)沉積環(huán)境和物源的制約

蔡玥 羅旭東 周對(duì)對(duì) 劉家鵬,何靜 汪慶國(guó) 李登科 魏少妮

摘 要：下白堊統(tǒng)洛河組含水層是鄂爾多斯盆地南部大佛寺井田煤炭開采的主要充水含水層，為查明洛河組沉積期古環(huán)境、古氣候及物質(zhì)來(lái)源，系統(tǒng)采集樣品開展微量元素及稀土元素地球化學(xué)分析。結(jié)果表明：洛河組砂巖氧化還原判別指標(biāo)數(shù)值較低，U/Th為0.17～1.07，平均0.37；Ni/Co為1.14～2.17，平均1.67；AU為-1.33～7.29，平均0.28；Ceanom為-0.21～-0.07，平均-0.17，指示洛河組沉積期為氧化環(huán)境；Co含量為4.38～20.06，平均8.21，定量計(jì)算出沉積期的平均古水深為4.14 m，屬于淺水環(huán)境；Sr/Ba比值中等，為0.33～1.99，平均0.82；Th/U比值較高，為0.93～5.94，平均3.10，指示洛河組沉積期為陸相淡水環(huán)境；Sr/Cu比值較高，為12.90～362.84，平均95.12；Rb/Sr比值較低，為0.13～0.72，平均0.29，指示干燥氣候背景下沉積，大佛寺井田洛河組為干燥氣候背景下氧化環(huán)境中的陸相淺水沉積。洛河組砂巖具有與北秦嶺較一致的稀土配分模式，指示物源來(lái)自北秦嶺，主要為長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合物源和安山巖島弧物源。

關(guān)鍵詞：地球化學(xué)；洛河組；古沉積環(huán)境；物質(zhì)來(lái)源

中圖分類號(hào)：P 595

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2023）04-0752-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2023.0412

Geochemical characteristics of? sandstones in? Luohe Formation of Dafosi

Wellfield and their constraints on paleoenviornment and provenance

CAI Yue1，2，3，LUO Xudong1，2，3，ZHOU Duidui4，LIU Jiapeng4，HE Jing4，

WANG Qingguo4，LI Dengke4，WEI Shaoni1

（1.College of Geology and Environment，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

2.Geological Research Institute for Coal Green Mining，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China;

3.Shaanxi Provincial Key Laboratory of Geological Support for Coal Green Exploitation，Xian 710054，China;

4.Shaanxi Binchang Dafosi Mining Co.，Ltd.，Binzhou 713500，China）

Abstract：The Lower Cretaceous ultra-thick Luohe Formation aquifer is the main water-filled aquifer for coal mining in the Dafosi wellfield in the southern part of the Ordos Basin.In order to identify the palaeoenvironment，palaeoclimate and its material provenances，samples of sandstones were systematically collected for trace element and rare earth element geochemical analysis.The results show that the redox indicators of the sandstones of the Luohe Formation are low，with U/Th ranging from 0.17 to 1.07，with an average of 0.37；

Ni/Co ranging from 1.14 to 2.17，with an average of 1.67；AU ranging from -1.33 to 7.29，with an average of 0.28；Ceanom ranging from -0.21 to -0.07，with an average of -0.17，indicating an oxic environment in the water column during the deposition of the Luohe Formation.Co contents range from 4.38 to 20.06，with an average of 8.21，quantifying the average paleo-depth of 4.14 m during the deposition period，which is a shallow water environment.Sr/Ba ratios are moderate，ranging from 0.33 to 1.99，with an average of 0.82；Th/U ratios are high，ranging from 0.93 to 5.94，with an average of 3.10，indicating a terrestrial freshwater environment during the deposition of the Luohe Formation.Sr/Cu ratios are high，ranging from 12.90 to 362.84，with an average of 95.12；Rb/Sr ratios are low，ranging from 0.13 to 0.72，with an average of 0.29，indicating deposition in a dry climatic context.It reflects that the Luohe Formation in the Dafosi Wellfield is a terrestrial shallow water deposit formed in an oxic environment and a dry climatic context.The rare earth elements patterns of the sandstones from the Luohe Formation are more consistent with the North Qinling，indicate that its provenance is from the North Qinling Mountains，which is mainly a mixture of felsic and basaltic provenances and andesitic island arc provenances.

Key words：geochemistry；Luohe Formation；paleosedimentary environment；material provenances

0 引 言

大佛寺井田

位于鄂爾多斯盆地一級(jí)構(gòu)造單元渭北隆起北部。下白堊統(tǒng)洛河組厚度為180～240 m，平均220 m，是井田內(nèi)煤炭開采的主要充水含水層。受物源、沉積環(huán)境及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素的影響，洛河組巖性、巖相、滲透性、富水性等特征在空間分布上存在差異，導(dǎo)致出水形式特殊，瞬時(shí)水量大，是煤炭開采主要水害威脅，嚴(yán)重制約安全生產(chǎn)進(jìn)程。圍繞鄂爾多斯盆地洛河組-環(huán)河華池組開展大量研究工作，侯光才、謝從瑞和李嘉璐等從水文地質(zhì)角度出發(fā)，系統(tǒng)查明盆地白堊系洛河組-環(huán)河華池組地下水賦存特征、水文地質(zhì)參數(shù)、含水介質(zhì)孔隙特征和水化學(xué)特征等［1-3］；李超峰等從防治水角度出發(fā)，提出洛河組精細(xì)化勘探概念，對(duì)洛河組含水層進(jìn)行垂向差異性研究［4］；郭小銘對(duì)洛河組垂向沉積控水模式及煤礦開采擾動(dòng)含水層流場(chǎng)響應(yīng)特征進(jìn)行研究，優(yōu)化了洛河組含水層疏放措施［5］；李文平等對(duì)盆地巨厚白堊系下煤層開采突泥潰砂物源進(jìn)行研究，構(gòu)建了突泥潰砂成災(zāi)的地質(zhì)模型［6］；魏斌等以鄂爾多斯盆地為研究單元，從盆地尺度開展白堊系洛河組-環(huán)河華池組的沉積相類型劃分，認(rèn)為洛河組主要為沖積扇相、辮狀河相、沙漠相和風(fēng)成沉積相［7］；李玉宏等對(duì)盆地沉積相進(jìn)行了區(qū)域劃分，認(rèn)為大佛寺井田洛河組主要為河流相沉積［8］；謝淵等系統(tǒng)分析了白堊系黏土礦物的分布特征及其形成時(shí)的沉積-成巖環(huán)境，認(rèn)為白堊紀(jì)盆地處于干旱-半干旱氣候環(huán)境［9］；張忠義通過(guò)對(duì)白堊系沉積特征研究，認(rèn)為洛河組物源主要為盆地南部的秦嶺、西部的六盤山—賀蘭山［10］。目前對(duì)洛河組形成時(shí)期的古沉積條件以及物質(zhì)來(lái)源的研究多以盆地尺度展開，鄂爾多斯盆地南緣洛河組沉積特征有待深

入研究，從地球化學(xué)角度開展的沉積特征研究有待探索。

沉積巖的微量元素和稀土元素對(duì)沉積期水介質(zhì)變化較敏感，是古沉積環(huán)境恢復(fù)及沉積物源分析的有效手段。如U/Th、Co/Ni、Ce/La等可用于古氧化環(huán)境的判別［11-13］，Co元素可用于古水深的定量計(jì)算［14-15］，Sr/Ba、Th/U常用于古鹽度分析［16-17］，Sr/Cu、Rb/Sr可用于古氣候的恢復(fù)［18-19］。微量元素的構(gòu)造判別圖解可提供物源區(qū)性質(zhì)的重要信息［20-22］。以大佛寺井田白堊系洛河組為研究對(duì)象，系統(tǒng)采集樣品開展微量及稀土元素地球化學(xué)分析，重建洛河組沉積期的古環(huán)境與古氣候條件，查明其物質(zhì)來(lái)源及源巖屬性，揭示洛河組沉積環(huán)境演化過(guò)程，為白堊系地下水資源的勘查開發(fā)利用和礦井水害防治提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺(tái)西部，為一走向南北，東緩西陡的中生代不對(duì)稱向斜盆地，盆地四周被山地環(huán)繞，北起陰山，南至秦嶺，西接賀蘭山—六盤山，東達(dá)呂梁山。內(nèi)有伊盟隆起、西緣逆沖帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、渭北隆起6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元。大佛寺井田位于渭北隆起北部，總體呈走向近北東向，傾向近北的波狀單斜構(gòu)造（圖1）。井田范圍內(nèi)白堊系地層自上而下劃分為華池組、洛河組、宜君組。洛河組在井田范圍廣泛分布，與下伏宜君組連續(xù)沉積。巖性為棕紅色巨厚層狀-厚層狀細(xì)、中、粗粒長(zhǎng)石砂巖夾礫質(zhì)砂巖及暗棕紅色薄層泥巖，發(fā)育平行層理、板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理等。

2 樣品采集與分析方法

本次地球化學(xué)測(cè)試樣品采自D40302和D40307兩口鉆井，從洛河組底板至頂板，總計(jì)30件樣品（圖2、圖3）。

將采集到的新鮮砂巖樣品在顎式破碎機(jī)上進(jìn)行粗碎，無(wú)污染的條件下人工研磨至200目。粉末樣品溶解于HNO3、HF及HClO4混合物中，在230 ℃環(huán)境下消解5 h后用王水浸提，配成50 mL溶液。溶液樣品通過(guò)帶有Perkin Elmer SciexElan 6000的電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）測(cè)定，微量元素的分析誤差＜1%，符合硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法（GB/T 14506.30—2010標(biāo)準(zhǔn)）。

3 測(cè)試結(jié)果

洛河組砂巖具有非常一致的微量元素含量特征（圖4）。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖上，洛河組砂巖整體富集Cs、Rb、Ba、Th、U等不相容元素，相容元素含量較低。Nb、Ta呈現(xiàn)明顯的負(fù)異常，Pb正異常顯著（圖4（a））。稀土元素含量整體偏低，∑REE為68.09～232.72×10-6，平均127.78×10-6，略低于大陸上地殼（UCC）的稀土元素總量146.67×10-6。∑LREE為60.72～209.19×10-6，平均114.45×10-6，∑HREE為7.37～26.11×10-6，平均13.32×10-6?！芁REE/∑HREE為6.34～11.49，平均8.63。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土配分模式上，曲線呈右傾型，輕稀土富集，重稀土平坦分布（圖4（b））。（La/Yb）N為8.24～16.67，平均12.42，指示輕重稀土分異較強(qiáng)。（La/Sm）N為4.11～6.13，平均5.04，（Gd/Yb）N為1.25～2.70，平均2.13，指示洛河組砂巖輕稀土元素分餾程度總體強(qiáng)于重稀土元素，N值為球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值［23］。δEu為0.84～2.47，平均1.48，顯示Eu正異常。

4 討 論

4.1 古氧化還原環(huán)境

沉積物氧化還原敏感元素比值被廣泛應(yīng)用于古沉積環(huán)境判識(shí)［28］。U、Th在不同沉積環(huán)境下的賦存狀態(tài)不同，U在還原條件下溶解度低，氧化條件下易被氧化，發(fā)生遷移，Th元素?zé)o論在什么樣的沉積環(huán)境下溶解度都不高，容易富集在沉積物中。Ni元素在氧化環(huán)境中易發(fā)生遷移，還原狀態(tài)下易發(fā)生沉淀。Co在還原環(huán)境中比Ni敏感，造成沉積物中Ni/Co比值增大。張?zhí)旄５韧ㄟ^(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地北部延安組-直羅組泥巖研究認(rèn)為，U/Th<0.75指示氧化環(huán)境，>1.25指示還原環(huán)境；Ni/Co<5指示氧化環(huán)境，>7指示還原環(huán)境［11］；WIGNALL通過(guò)測(cè)量碎屑物質(zhì)中U和Th含量之間的關(guān)系，提出自生U的計(jì)算公式為：AU=U-Th/3，認(rèn)為AU<5×10-6代表氧化環(huán)境，>12×10-6代表缺氧環(huán)境［29］。鄂爾多斯盆地南部大佛寺洛河組砂巖U/Th為0.17～1.07，平均0.37；Ni/Co為1.14～2.17，平均1.67；AU為-1.33～7.29，平均0.28（表1），指示氧化環(huán)境（圖5）。

稀土元素同樣可用于判別古氧化還原環(huán)境，Ce元素對(duì)外界環(huán)境變化反應(yīng)敏感，氧化環(huán)境中溶解度較低，表現(xiàn)為虧損，還原環(huán)境下表現(xiàn)為富集。ELDERFIELD等提出的Ce異常參數(shù)［30］。

Ceanom=Log10［3CeN/2LaN+NdN］（1）

N為北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值，是目前常見的判斷古氧化還原條件的指標(biāo)。Ceanom>-0.1時(shí)，指示還原環(huán)境；Ceanom<-0.1時(shí)，指示氧化環(huán)境。Ce/La同樣可用于判別氧化還原環(huán)境，Ce/La<1.5指示為氧化環(huán)境，>2為還原環(huán)境［13］。大佛寺洛河組砂巖樣品的Ceanom為-0.21～-0.07，平均-0.17，Ce/La為1.25～1.69，平均1.39（表1），進(jìn)一步指示為氧化環(huán)境。由巖石學(xué)觀察可知，洛河組砂巖整體呈現(xiàn)棕紅色，指示氧化環(huán)境下沉積。綜合以上分析結(jié)果可知，大佛寺井田洛河組砂巖形成于氧化背景。

4.2 古水深與古鹽度

沉積時(shí)期的水體深度既與古氧化還原環(huán)境息息相關(guān)又是恢復(fù)古沉積環(huán)境的重要參數(shù)。沉積物中Co元素的豐度值可以反映出沉積物的沉積速率，可用于古水深的定量計(jì)算［14-16，31］。

VS=V0×NCo/（SCo-t×TCo）（2）

t=SLa/NLa（3）

h=3.05×105/V1.5S（4）

式中 h為古水深，m；

VS為樣品沉積時(shí)的沉積速率，m/Ma；

V0為沉積物的沉積速率，與具體的沉積相帶有關(guān)，淺濱湖沉積速率200 m/Ma，三角洲前緣300 m/Ma，河流沉積速率400 m/Ma［15］。大佛寺井田洛河組砂巖形成于河流環(huán)境［8］，沉積速率為400 m/Ma；SCo為樣品中Co的豐度，×10-6；t為物源Co對(duì)樣品的貢獻(xiàn)值；SLa為樣品中La的豐度，×10-6；NCo為正常湖泊沉積物中Co的豐度，20×10-6；TCo為陸源碎屑巖中Co的豐度，4.68×10-6；NLa為陸源碎屑巖中La的平均豐度，38.99×10-6［15-16，31］。計(jì)算結(jié)果顯示，大佛寺井田洛河組沉積期古水深為1.33～20.95 m，平均4.14 m。巖性和沉積構(gòu)造也可判斷古水深的相對(duì)深度。沉積物中的砂質(zhì)含量會(huì)隨著沉積水體深度的增加而減少，相應(yīng)的黏土質(zhì)含量則會(huì)增加。礫巖、砂巖對(duì)應(yīng)水深為1～10 m，泥質(zhì)粉砂巖對(duì)應(yīng)水深為5～20 m，暗色泥巖水深>20 m。深水和較深水區(qū)主要形成微細(xì)水平層理，連續(xù)韻律發(fā)育，淺水地區(qū)層理類型多樣，大型交錯(cuò)層理、平行層理、沙紋層理等發(fā)育［32］。大佛寺井田洛河組主要沉積砂巖和礫巖，平行層理、板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理等發(fā)育。巖性和沉積構(gòu)造均表明沉積時(shí)期水體深度較淺。

沉積時(shí)期的古水深還可以反應(yīng)出當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境，沉積環(huán)境水體深度的不同，含氧程度也不相同。小于15 m為淺水環(huán)境，水體充氧程度高，為氧化環(huán)境；15 m到20 m之間為半深水環(huán)境，表現(xiàn)為弱氧化-弱還原環(huán)境；大于20 m為深水環(huán)境，表現(xiàn)為強(qiáng)還原環(huán)境［31］。由古水深計(jì)算結(jié)果可知，洛河組砂巖僅有一個(gè)樣品指示水深大于20 m，其余均小于15 m，平均4.14 m，指示淺水環(huán)境，與上文得出的氧化背景相吻合。

古鹽度是指保存于沉積物之中的所有可溶鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，是區(qū)分海相和陸相環(huán)境的重要標(biāo)志。Sr/Ba常用作古鹽度的恢復(fù)，原理是Sr與Ba的化學(xué)性質(zhì)相近，但Sr的遷移能力高于Ba，更容易遷移到大洋深處，Ba在淡水沉積中容易形成沉淀。Sr/Ba＞1是海洋沉淀；＜0.6為陸相微咸水或淡水環(huán)境；0.6～1之間為海陸過(guò)度的半咸水環(huán)境［16］。大佛寺井田洛河組砂巖Sr/Ba為0.33～1.99，平均0.82，指示淡水-半咸水環(huán)境。

Th/U也可以用來(lái)判斷古鹽度。Th容易被黏土礦物吸附，U容易淋失。海相沉積物中Th/U小于2，陸相則高［17］。大佛寺井田洛河組砂巖樣品測(cè)試結(jié)果顯示Th/U為0.93～5.94，平均3.10，結(jié)合Sr/Ba（表2），認(rèn)為大佛寺井田洛河組砂巖沉積水體為陸相淡水環(huán)境。

4.3 古氣候

沉積物中的微量元素在不同的氣候環(huán)境中存在差異，喜干型元素為：Sr、As、Ca、Pb、Au、Na、Ta、Mg、Mo、U、Zn、B；喜濕型元素為：Mn、Cu、Cr、Ni、Fe、Co、Cs、Ba、Br、Hf、Th、Rb、Sc。喜干型元素（Sr）與喜濕型元素（Cu）的比值可以反映古氣候，Sr/Cu<10指示溫暖、濕潤(rùn)氣候；Sr/Cu>10表示炎熱、干燥氣候［18］。大佛寺洛河組砂巖Sr/Cu為12.90～362.84，平均95.12，指示干熱氣候。

Rb/Sr比值對(duì)氣候變化敏感，Rb相對(duì)穩(wěn)定，Sr易發(fā)生淋失，氣候干旱時(shí)，降水較少，母巖中含有較多的Sr，Rb/Sr比值降低；氣候濕潤(rùn)時(shí)，降水較多，Sr部分淋失，Rb/Sr比值升高。即Rb/Sr低值指示干旱氣候，Rb/Sr數(shù)值越高，氣候越濕潤(rùn)［19］。大佛寺井田洛河組砂巖Rb/Sr為0.13～0.72，平均0.29。通過(guò)對(duì)比Sr/Cu和Rb/Sr垂向演化曲線（圖6）發(fā)現(xiàn)兩者在整體上呈現(xiàn)鏡像變化的趨勢(shì)，與前文提到的規(guī)律相一致。綜合分析指示大佛寺井田洛河組砂巖為干旱炎熱的古氣候背景。

4.4 沉積物源區(qū)

物源分析是盆地分析的重要內(nèi)容，是再現(xiàn)沉積盆地演化、古環(huán)境恢復(fù)的重要依據(jù)［33］。鄂爾多斯盆地物源主要來(lái)自盆地北部陰山和東北部大青山，西部“古陸梁”，西南部東祁連造山帶，西北部阿拉善古陸以及南部秦嶺造山帶［34］。

大佛寺井田洛河組砂巖形成于白堊世，燕山運(yùn)動(dòng)使得鄂爾多斯盆地發(fā)生了自三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)后的第3次拗陷，形成四周升起、封閉統(tǒng)一的盆地，這一過(guò)程使得盆地南部的秦嶺有為大佛寺井田洛河組砂巖提供物源的可能。沉積巖稀土元素特征受控于相應(yīng)物源區(qū)的巖石組成，相同來(lái)源的沉積巖具有相似的稀土元素配分模式。除Eu元素外，大佛寺井田洛河組砂巖的稀土元素配分模式與北秦嶺片麻巖和變質(zhì)沉積巖的稀土元素配分模式一致（圖4（b））。Eu正異常的出現(xiàn)與熱液輸入增加或斜長(zhǎng)石風(fēng)化程度增大有關(guān)［35］。熱液沉積情況可通過(guò)U/Th判斷，比值小于1時(shí)指示非熱水沉積情況［36］。大佛寺井田U/Th為0.17～1.07，平均0.37，指示非熱水沉積環(huán)境，據(jù)此推斷大佛寺井田Eu正異常與斜長(zhǎng)石風(fēng)化程度增大有關(guān)，沉積物質(zhì)來(lái)源于北秦嶺區(qū)域。

除稀土配分模式外，地球化學(xué)性質(zhì)相近的微量元素，在地質(zhì)作用過(guò)程中不易發(fā)生分異，受后期風(fēng)化、成巖等作用的影響相對(duì)較弱，可以很好地反應(yīng)源區(qū)的地球化學(xué)信息［11］。La/Th-Hf和Co/Th-La/Sc源巖屬性判別圖解常被用于物質(zhì)來(lái)源分析。如圖7所示，洛河組砂巖樣品在La/Th-Hf圖解中集中分布于長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合物源和安山巖島弧物源上。在Co/Th-La/Sc圖解中，洛河組砂巖具有低且相對(duì)穩(wěn)定的Co/Th值，平均為1.67，La/Sc值較高且變化較大，顯示出酸性和基性物源的混合特征。

5 結(jié) 論

1）鄂爾多斯盆地南部大佛寺井田洛河組砂巖U/Th、Ni/Co、Ce/La、AU、Ceanom顯示洛河組沉積期為氧化環(huán)境。

2）Co元素含量特征指示洛河組沉積時(shí)屬于淺水環(huán)境，Sr/Ba、Th/U指示洛河組沉積水體為陸相淡水環(huán)境，Sr/Cu、Rb/Sr指示大佛寺井田洛河組沉積于干燥氣候背景。

3）相似的稀土配分模式顯示大佛寺井田洛河組砂巖物源來(lái)自于鄂爾多斯盆地南部的北秦嶺，洛河組的源巖主要為長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合物源和安山巖島弧物源。

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（責(zé)任編輯：李克永）