內(nèi)蒙古二連盆地川井坳陷賽漢組泥巖地球化學特征

蔣美霞, 劉平輝*, 向龍, 高宏霞

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

發(fā)展核能是國家發(fā)展戰(zhàn)略,是實現(xiàn)“雙碳”目標的重要途徑,對核能利用產(chǎn)生的高放廢物實施“深地質(zhì)處置”是目前國際公認高放廢物處置的可行方案[1-3]。當前,中國正在開展高放廢物地質(zhì)處置庫黏土巖(泥巖)場址的篩選與評價工作。薛凱喜等[4]提出了中國黏土巖(泥巖)處置庫場址預選地區(qū)篩選的基本準則。泥巖作為高放廢物地質(zhì)處置庫圍巖應(yīng)具備的基本地質(zhì)條件有:縱向深度連續(xù)分布厚度不小于100 m;目標層的埋藏位于300～1 000 m;富黏土礦物;質(zhì)地均勻;產(chǎn)狀平緩。地球化學條件需滿足:圍巖具有吸附性;圍巖中所含的活性物質(zhì)少;系統(tǒng)應(yīng)處于還原環(huán)境中,最好含有還原性的硫化物等[5]。內(nèi)蒙古二連盆地川井坳陷作為高放廢物地質(zhì)處置的備選區(qū)[6],賽漢組泥巖是目標圍巖之一。前人對于賽漢組的研究多側(cè)重于砂巖特征、沉積相等方面。齊文博等[7]對賽漢組砂巖粒度特征研究表明砂巖沉積時的水動力能量較強,識別為河流—三角洲沉積相;李西得等[8]對川井凹陷賽漢組砂巖類型進行研究,認為砂巖類型主要為低程度低成熟度巖屑砂巖或長石巖屑砂巖。而從賽漢組泥巖礦物組分和沉積環(huán)境角度,對其進行高放廢物地質(zhì)處置庫黏土巖(泥巖)場址地質(zhì)條件及地球化學條件適宜性評價卻鮮有探究。

利用元素地球化學穩(wěn)定性特征來追溯沉積巖古沉積環(huán)境,是地質(zhì)學研究者恢復古環(huán)境的重要手段[9]。沉積巖的主微量元素對于不同環(huán)境和氣候等感應(yīng)度靈敏,具有不同表現(xiàn),能真實反映古鹽度、古氣候、古環(huán)境[10-11],稀土元素極強的穩(wěn)定性保留了大量沉積區(qū)物源信息,是可靠的物源指示劑[12]。因此,地球化學元素分析在古環(huán)境、古氣候反演中具有越來越重要的地質(zhì)意義。

因此,借助在川井坳陷白音查干凹陷施工鉆孔KZK2-6的泥巖樣品,現(xiàn)對賽漢組泥巖礦物組分和主量元素及微量稀土元素地球化學特征進行研究,以期為賽漢組泥巖作為黏土巖(泥巖)預選場址備選圍巖地質(zhì)條件評價提供科學依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

川井坳陷位于內(nèi)蒙古高原中部,為華北地臺與內(nèi)蒙古中部地槽褶皺帶過渡區(qū)域,是中國高放廢物地質(zhì)處置庫黏土巖(泥巖)預選場址篩選的備選區(qū)。地勢上具南高北低、西高東低的特點,屬中溫帶干旱氣候區(qū),區(qū)內(nèi)呈現(xiàn)荒漠草原地貌景觀。從構(gòu)造的穩(wěn)定性來看,內(nèi)蒙古二連盆地構(gòu)造活動形式主要為斷裂構(gòu)造,活動構(gòu)造不發(fā)育,構(gòu)造環(huán)境穩(wěn)定,地殼處于穩(wěn)定狀態(tài)。川井坳陷屬于二連盆地五大坳陷之一,位于二連盆地的西部,呈近東西向展布。該坳陷為大陸內(nèi)的裂谷盆地,盆地基底的分割性強,坳陷內(nèi)部進一步可劃分為3個凹陷和2個凸起5個次級構(gòu)造單元,分別為白音查干凹陷、桑根達來凹陷、包龍凹陷、巴音杭蓋凸起和白彥花凸起(圖1)。白音查干凹陷位于坳陷西北部,呈東北-西南走向的狹長梭形,面積約為3 200 km2。白音查干凹陷基底為古生界的變質(zhì)巖,其沉積蓋層主要為下白堊統(tǒng)的巴彥花群和厚度較薄的二連達布蘇組,下白堊統(tǒng)巴彥花群自下而上依次填充了阿爾善組(K1a)、騰格爾組(K1t)、都紅木組(K1d)和賽漢塔拉組(K1s)[13]。賽漢組在白音查干凹陷內(nèi)普遍發(fā)育,上部以雜色粉砂巖、泥巖為主,下部巖性以中粗粒或不等粒砂巖為主。組內(nèi)發(fā)育的湖相泥巖經(jīng)已施工鉆孔揭露其連續(xù)厚度超過100 m,且展布的連續(xù)性好,其賦存深度和厚度符合國際原子能機構(gòu)(International Atomic Energy Agency, IAEA)建議的高放廢物地質(zhì)處置庫建造深度(300～1 000 m)及連續(xù)厚度(大于100 m)圍巖篩選要求[14]。

2 樣品采集與測試

23件泥巖樣品均采自于二連盆地川井坳陷白音查干凹陷KZK2-6鉆孔,結(jié)合IAEA高放廢物地質(zhì)處置庫建造深度的相關(guān)準則,選取埋藏深度為300～480 m且連續(xù)性好、顏色為灰色或深灰色的塊狀泥巖巖芯進行采樣,所采集的泥巖樣品全部真空封存,具體采樣層位和樣品編號如圖1所示。

將23件樣品經(jīng)酒精擦拭并烘干,研磨為過200目標準篩的泥巖粉末。樣品進行預處理后,通過X射線衍射分析泥巖全巖礦物組分;測試泥巖的主微量、稀土元素等進行地球化學特征及古環(huán)境分析。X射線衍射分析在東華理工大學“核資源與環(huán)境國家重點實驗室”完成,實驗儀器為多晶X射線衍射儀,儀器型號為德國布魯爾D8 ADVANCE,測角儀精度為0.000 1°,準確度≤0.02°。主微量、稀土元素地球化學測試在澳實分析檢測(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,系統(tǒng)設(shè)定檢測方法的精密度和準確度(相對誤差和相對偏差)均控制在<10(±5)%。

3 樣品礦物組分成及地球化學特征

3.1 礦物組分

賽漢組泥巖部分樣品X衍射圖譜解譯如圖2所示,礦物組分顯示泥巖主要由石英、黏土礦物、鈉長石組成(表1),其平均質(zhì)量分數(shù)分別為29%(15.2%～40.2%)、21.2%(6.5%～29.8%)、19.79%(14%～32.4%)。此外含有一定質(zhì)量的方沸石、白云石和方解石,其平均質(zhì)量分數(shù)分別為8.33%(3.4%～22.8%)、7.44%(2.4%～22.8%)、7.37%(2.3%～17.1%);另有少量的黃鐵礦和赤鐵礦。黏土礦物組成中高嶺石和伊利石質(zhì)量分數(shù)含量略高,平均值為8.33%和8.61%,綠泥石平均值為4.26%?？v向上各礦物組分質(zhì)量分數(shù)與深度線性變化不明顯。

表1 KZK2-6鉆孔泥巖樣品X衍射分析數(shù)據(jù)表

圖2 KZK2-6鉆孔部分泥巖樣品X射線衍射圖

3.2 主量元素特征

賽漢組泥巖主量元素分析如表2所示,從表2可看出 SiO2在所有元素中含量最高,與礦物組分中石英質(zhì)量分數(shù)最高較吻合,范圍在37.59 %～61.27 %,平均值為51.26%;其次為Al2O3,范圍為12.6%～21.48%,平均值為17.3%;次之TFe2O3為3.82%～7.39%,均值為5.79%;MnO、P2O5和TiO2含量都小于1%,均值分別為0.09%、0.14%、0.68%。燒矢量為6.55%～19.38%,波動大,推測與鹽酸鹽和泥巖礦物中結(jié)構(gòu)水流失有關(guān)[15]。以大陸上地殼主量元素平均含量為標準對23件泥巖樣品主量元素含量進行標準化處理(圖3),與大陸上地殼平均含量相比,賽漢組泥巖Al2O3、MgO、SiO2、TiO2和Fe2O3含量相對富集,CaO在不同深度富余與虧損波動較大,上段大部分泥巖樣品CaO富余,可能與上段泥巖白云質(zhì)含量相對較高有關(guān);MnO、P2O5含量相較于上地殼虧損,可能與缺氧的沉積環(huán)境中Mn易遷移有關(guān)。

表2 KZK2-6鉆孔泥巖樣品主量元素分析結(jié)果

圖3 KZK2-6鉆孔泥巖樣品主量元素UCC標準化模式

3.3 微量元素特征

賽漢組泥巖樣品微量元素分析如表3所示。Ba的質(zhì)量分數(shù)最高,范圍為332×10-6～931×10-6,平均值可達465.96×10-6;其次為Sr,范圍為177.5×10-6～550×10-6,平均值為278.8×10-6;質(zhì)量分數(shù)最低的是U,范圍為2.01×10-6～5.13×10-6,平均值為3.55×10-6。在微量元素蛛網(wǎng)圖(圖4)中可以看出微量元素總體與大陸上地殼保持在同一水平,其中Ga、Cr、Cu、Rb、Th、V、U、Zn元素稍有富集,而Ba、Sr略微虧損。

表3 KZK2-6鉆孔泥巖樣品微量元素分析結(jié)果

圖4 KZK2-6鉆孔泥巖樣品微量元素大陸上地殼標準化蛛網(wǎng)圖

3.4 稀土元素特征

泥巖樣品稀土元素分析如表4所示,賽漢組泥巖稀土元素總量(∑REE)為140.83×10-6～194.85×10-6,稀土元素總量平均值166.68×10-6明顯高于大陸上地殼稀土元素總量平均值146.37×10-6,輕稀土(∑LREE)范圍為124.62×10-6～174.89×10-6,平均值為149.79×10-6,重稀土(∑HREE)范圍為14.63×10-6～23.16×10-6,平均值為17.07×10-6。賽漢組泥巖輕重稀土(∑LREE/∑HREE)比值范圍為7.13～11.08,平均值為8.87,略低于大陸上地殼(9.54),可見輕重稀土分異明顯,輕稀土富集,重稀土虧損。(La/Yb)N是稀土元素配分模式中分布曲線的斜率,斜率越大趨勢越陡,賽漢組泥巖(La/Yb)N范圍為7.49～12.84,配分曲線呈明顯的“右傾”趨勢(圖5),輕稀土元素段斜率趨勢更陡,重稀土元素段斜率趨勢相對較緩。(La/Sm)N、(Gd/Yb)N可分別表示輕稀土元素和重稀土元素的分餾程度,(La/Sm)N范圍為3.04～3.99,平均值為3.56;(Gd/Yb)N范圍為1.37～1.85,平均值為1.68,說明輕稀土元素分餾特征明顯,重稀土元素分餾較弱,輕稀土元素比重稀土元素更富集。賽漢組泥巖δCe介于0.89～1.04,平均值為0.98,表現(xiàn)為輕微負異常;δEu介于0.58～0.67,平均值為0.63,為明顯的負異常。

表4 KZK2-6鉆孔泥巖樣品稀土元素分析結(jié)果

圖5 KZK2-6井樣品稀土元素球粒隕石標準化數(shù)值

4 地質(zhì)意義

4.1 物源分析

稀土元素和部分微量元素具有較穩(wěn)定的化學性質(zhì),很少受到剝蝕、搬運、風化、沉積及成巖作用的影響,源巖區(qū)的巖石化學性質(zhì)成為控制其地球化學特征的主要因素,因此它們可以提供沉積巖物源區(qū)的相關(guān)信息,常常用來追蹤沉積物源區(qū)類型和特征[16-17]。賽漢組泥巖經(jīng)過球粒隕石標準化配分模式后,配分曲線整體呈“右傾”模式,與大陸上地殼配分模式形態(tài)基本保持一致(圖5);輕重稀土分異明顯,輕稀土元素富集、重稀土元素虧損;δEu介于0.58～0.67,表現(xiàn)Eu為明顯的負異常;δCe介于0.89～1.04,表現(xiàn)Ce無明顯異常,表明賽漢組泥巖源巖可能來自大陸上地殼。La /Yb-∑REE是Allègre等[18]提出的源巖判別圖解可以揭示源巖類型,對泥巖樣品原始屬性進行投點分析[圖6(a)],樣品主要落在沉積巖區(qū)及沉積巖和花崗巖的交匯區(qū)有少部分落在堿性玄武巖區(qū),說明賽漢組泥巖源巖來源具有多樣性。為進一步揭示源巖屬性,利用La/Th-Hf圖解進行投點[圖6(b)],樣品點主要落在大陸上地殼酸性島弧物源區(qū)少部分落在長英質(zhì)、基性巖混合物源區(qū)。

圖6 二連盆地川井坳陷賽漢組泥巖樣品源巖判別圖解

綜上說明,賽漢組泥巖母巖類型較復雜,主要為沉積巖和花崗巖,物源為長英質(zhì)和基性巖混合物的混合來源。

4.2 沉積環(huán)境分析

4.2.1 古氣候

沉積物中元素的配分不僅受本身物理化學元素性質(zhì)影響也受沉積氣候和環(huán)境的影響,地球化學元素如Sr、Cu、Sr/Cu、Sr/Ba、Rb/ Sr、Al2O3/MgO能很好地判別古氣候演變過程[19]。當Sr/Cu<10指示為溫暖、濕潤氣候,當Sr/Cu>10表示為炎熱、干燥氣候[20]。賽漢組泥巖樣品Sr/Cu范圍為4.01～21.24,平均值為7.95,整體指示為溫暖濕潤氣候。

SiO2/Al2O3也可以用于研究沉積時期古氣候特征,其比值大于4時,表示為干燥氣候,反之為濕潤氣候[21]。研究區(qū)樣品SiO2/Al2O3比值范圍在2.71～3.79,平均值為2.98,說明賽漢組處于濕潤氣候的沉積環(huán)境,且比值縱向波動小,推測在賽漢組泥巖沉積時期氣候較為穩(wěn)定。此外本文研究區(qū)巖芯泥巖標本顏色為灰色及暗色,說明該泥巖形成于潮濕的還原環(huán)境。

4.2.2 古鹽度

古鹽度是反映地質(zhì)歷史時期沉積環(huán)境海陸變化的重要參數(shù)。一般采用Sr/Ba值作為反映沉積物古鹽度的指標,Sr/Ba元素比值越高,環(huán)境水體古鹽度也越高[22-23]。當沉積物中Sr/Ba比值>1時,指示為海相沉積環(huán)境;當沉積物中Sr/Ba比值為1～0.5時,指示為海陸過渡沉積;當沉積物中Sr/Ba比值<0.5時,指示為陸相沉積環(huán)境[24]。賽漢組樣品Sr/Ba比值為0.23～1.47,平均值為0.67,比值在0.5～1,結(jié)合古氣候分析,判斷賽漢組泥巖為海陸過渡的微咸水沉積環(huán)境。

4.2.3 古氧化還原條件

微量元素如Th、V、Ni、U等對氧化還原非常敏感,是古環(huán)境水體氧化還原示蹤的可靠指標。根據(jù)Jones等[25]和Elderfield等[26]提出的V/Ni,V/(V+Ni)和 Ceanom元素參數(shù)在判別水體氧化還原環(huán)境具有可靠指示作用基礎(chǔ)上歸納出一套判別沉積物沉積時期水體氧化-還原環(huán)境數(shù)據(jù)指標如表5[25-26]所示。賽漢組泥巖樣品V/Ni,V/(V+Ni)值范圍分別為1.79～4.71、0.64～0.82,平均值分別為2.89、0.74,最小值均分別大于1、0.6,指示賽漢組整體沉積環(huán)境為厭氧的還原環(huán)境,與鉆井巖芯整體以灰色、深灰色為主相應(yīng)證,也與前文所證實的濕潤古氣候相耦合。Ceanom范圍為-0.066～0.015,平均值為-0.018,同樣可證明為厭氧的還原環(huán)境。綜上表明賽漢組整體為厭氧的還原環(huán)境。

表5 氧化-還原環(huán)境判別表

4.3 構(gòu)造背景判別

利用穩(wěn)定的微量、稀土元素構(gòu)成的La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10和 Th-Co-Zr/10[27]判別圖解是判別構(gòu)造背景有效工具。將研究區(qū)樣品數(shù)據(jù)分別投入3個判別圖解中[圖7(a)],從圖7(a)中可以看出,大部分樣品都落在大陸島弧范圍內(nèi),反映出源巖沉積時的構(gòu)造背景為大陸島弧。此外主量元素之間不同關(guān)系也可用作構(gòu)造背景判別,結(jié)合文獻[17,28]提的主量元素K2O/Na2O-SiO2判別圖解將樣品數(shù)據(jù)投圖,如圖7(b)所示,可見白音查干凹陷賽漢組泥巖大部分落入島弧范圍,僅有小部分分布在活動大陸邊緣。綜上推斷,白音查干凹陷賽漢組沉積時期形成于大陸島弧的構(gòu)造背景中。

圖7 二連盆地川井坳陷賽漢組泥巖樣品構(gòu)造背景判別圖解

4.4 泥巖特性對處置庫場址篩選的意義

就泥巖礦物組分而言,泥巖作為深地質(zhì)處置庫天然圍巖具有先天阻滯優(yōu)勢,基本不含水、具有自愈合特性和對核素的強吸附性是其作為建造高放廢物地質(zhì)處置庫圍巖的三大優(yōu)勢[29-31]。賽漢組泥巖由黏土礦物、方沸石、黃鐵礦等組成,黏土礦物比表面積大、空隙多和結(jié)構(gòu)疏松是其吸附性能強的重要原因;基于方沸石孔道及分子篩等功能,含方沸石泥巖在核素吸附、含水率、滲透性方面兼?zhèn)淞说湫宛ね翈r圍巖的優(yōu)勢[32-33],此外方沸石含有的沸石水在應(yīng)對處置庫運行初期核廢料熱輻射溫度場時具有更高的耐相變溫度,方沸石“抗礦物轉(zhuǎn)化”優(yōu)勢較典型黏土巖明顯,熱穩(wěn)定性更強[34-35];黃鐵礦會使整體處于弱還原環(huán)境,導致整體不但可吸附放射性核素,還可以讓處于高價的放射性核素改變成遷移難度大的低價狀態(tài)[36]。由此可見,賽漢組泥巖相對高含量的黏土礦物和一定含量的方沸石和黃鐵礦在核素吸附、低滲透性、熱穩(wěn)定性等圍巖關(guān)鍵參數(shù)方面優(yōu)勢凸顯。

就泥巖沉積環(huán)境而言,賽漢組還原的沉積環(huán)境,有利于高價鈾離子還原,從而降低鈾離子的活動性,使系統(tǒng)整體處于難遷移狀態(tài),輔助核素吸附與固化[37];加之賽漢組泥巖連續(xù)厚度超過100 m,是高放廢物地質(zhì)處置庫黏土巖場址篩選過程中有較高研究價值的目標圍巖。若能進一步探究其核素吸附性能,對于推動中國高放廢物地質(zhì)處置庫黏土巖(泥巖)場址篩選與評價的進程具有重要科學價值和意義。

5 結(jié)論

由川井坳陷白音查干凹陷賽漢組泥巖元素地球化學數(shù)據(jù)分析結(jié)果,綜合古沉積學標志和高放廢物處置庫黏土巖場址篩選與評價的地質(zhì)條件得出以下結(jié)論。

(1)賽漢組泥巖礦物組分以石英、黏土礦物、鈉長石為主,且含有一定質(zhì)量方沸石和黃鐵礦;由伊利石、高嶺石和綠泥石組成的黏土礦物含量為21.2%,縱向深度與礦物組分不存在明顯線性關(guān)系。黏土礦物、方沸石和黃鐵礦是核素吸附的有利條件,具有低滲透性和熱穩(wěn)定性等特性,可為高放廢物處置庫黏土巖(泥巖)場址篩選與評價提供一定參考。

(2)主量元素以SiO2、Al2O3、TFe2O3為主,微量元素Ga、Cr、Cu等元素稍有富集,輕重稀土分異明顯,輕稀土富集重稀土虧損,配分曲線呈明顯的“右傾“趨勢,δCe輕微負異常而δEu明顯的負異常。

(3)泥巖物源為長英質(zhì)和基性巖混合物的混合來源,母巖以沉積巖和花崗巖為主。由主微量構(gòu)造背景判別圖結(jié)果表明賽漢組形成于大陸島弧的構(gòu)造背景。賽漢組古鹽度、古氣候、古氧化還原環(huán)境指示為海陸過渡的微咸湖相沉積、整體以厭氧的還原環(huán)境為主,高價放射性核素向難遷移的低價核素轉(zhuǎn)換,有利于增強整體環(huán)境對放射性核素的吸附與固化。