火山噴發(fā)間歇期沉積巖層古沉積環(huán)境的地球化學(xué)示蹤與判別

張 桓,陳亞軍,伍宏美,馬 強(qiáng)

1.華北地質(zhì)勘查局五一九大隊地質(zhì)環(huán)境工程院,河北 保定 071051

2.北京中科聯(lián)華石油科學(xué)研究院,北京 100101

3.中國石油玉門油田分公司勘探開發(fā)研究院,甘肅 酒泉 735019

0 引言

沉積物中微量元素的地球化學(xué)特征與沉積時的氧化-還原環(huán)境密切相關(guān)。利用微量元素含量法、微量元素比值法等微量元素地球化學(xué)方法來示蹤沉積物沉積期的氧化-還原環(huán)境,以及區(qū)分陸相與海相沉積環(huán)境的研究已較為成熟[1-4]。V/(V+Ni)、V/Cr、V/Sc、Ni/Co、Sr/Ba、U/Th等微量元素比值在各類沉積巖或細(xì)粒沉積物,特別是頁巖、泥巖、致密砂巖等沉積氧化-還原環(huán)境的示蹤被證實具較好的應(yīng)用效果[2,5-6]?；鹕綆r的形成不同于沉積巖,巖漿噴溢作用形成的熔巖和火山碎屑巖在固結(jié)成巖作用過程中,很可能發(fā)生了流體溶蝕蝕變、交代充填等一系列次生變化[7]。雖然火山巖中所蘊(yùn)含的地球化學(xué)信息記錄著巖漿來源(地殼、地幔)及構(gòu)造成因環(huán)境[8](板內(nèi)、島弧),但對火山噴發(fā)堆積保存期古地理環(huán)境介質(zhì)(陸上、水下)的反映顯然存在很大的不確定性?；鹕絿姲l(fā)作用一般具有多期次、多旋回性和間歇性的特征,較短的火山噴發(fā)間歇期沉積的薄層粉砂巖、砂礫巖、泥巖或凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)泥巖等具有沉積巖的特征,且與同一地質(zhì)時期火山噴發(fā)堆積保存期的古地理環(huán)境(陸上氧化環(huán)境,水下還原環(huán)境)相同,這些薄層沉積巖層所蘊(yùn)含的微量元素地球化學(xué)特征對沉積期的古地理環(huán)境(氧化-還原環(huán)境)具有重要的指示意義,可以示蹤和反映沉積古地理環(huán)境。因此,通過火山噴發(fā)間歇期沉積的薄層粉砂巖、泥巖、炭質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)泥巖等沉積巖中的Mo、U、V、Cr、Ni、Co等氧化-還原敏感性元素(RSE)[9]質(zhì)量分?jǐn)?shù),以及V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co、U/Th、Sr/Ba等微量元素比值來重建沉積古地理環(huán)境的氧化-還原條件(狀態(tài))[10-11],可間接獲取火山巖地質(zhì)環(huán)境演化有關(guān)的信息。

本次搜集整理了國內(nèi)外有關(guān)主、微量元素比值分析方法研究沉積物沉積氧化-氧化環(huán)境的文獻(xiàn)成果,歸納總結(jié)了對沉積物沉積期古地理環(huán)境具有重要指示意義的主、微量元素地球化學(xué)參數(shù),如Fe3+/Fe2+、Cu/Zn、V/Cr、V/(V+Ni)、V/Sc、Ni/Co、U/Th、自生U、B/Ga、Sr/Ba、V/Zr,形成有關(guān)細(xì)粒沉積物古沉積氧化-還原環(huán)境示蹤判別的標(biāo)準(zhǔn)。并以新疆三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)哈爾加烏組火山噴發(fā)間歇期泥巖、炭質(zhì)泥巖和粉砂巖等沉積巖層為實例,通過巖心微量元素測試分析,計算Sr/Ba、V/(V+Ni)、V/Cr、V/Sc、V/Zr、Cu/Zn、B/Ga等比值,采用多比值指標(biāo)聯(lián)合對哈爾加烏組火山噴發(fā)間歇期薄層沉積巖層沉積期的古地理環(huán)境(氧化-還原環(huán)境)進(jìn)行示蹤,間接獲取哈爾加烏組火山巖噴發(fā)堆積保存時的古地理環(huán)境(陸上、水下或水陸過渡)信息,以期為火山巖地層巖石成因環(huán)境分析及巖相古地理研究提供地球化學(xué)依據(jù)。

1 常見敏感性微量元素的地球化學(xué)性質(zhì)

沉積環(huán)境的氧化-還原狀態(tài)對敏感性元素[9]的遷移、共生、沉淀起著重要的控制作用,可改變敏感性元素的遷移狀態(tài),使同一元素的不同價態(tài)或共生元素間發(fā)生分離[12-14]。

V和Cr具多種化學(xué)價態(tài),是對氧化-還原環(huán)境敏感的元素,高V質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常出現(xiàn)在還原條件下,而Cr一般多見于沉積物碎屑中;因此,V/Cr常用來作為古氧化還原狀態(tài)示蹤判別的指標(biāo)。在自然界中,V可能以V2+、V3+、V4+和V5+4種價態(tài)存在,在貧氧環(huán)境中,V5+被還原成V4+,以VO(OH)3-和不溶的VO(OH)2的形式存在[14];在缺氧環(huán)境中,V4+還原成V3+,以V2O3、V(OH)3沉淀的形式存在[15-16];在氧化環(huán)境中,V3+常被氧化為易溶的釩酸絡(luò)陰離子(VO43-),以高價態(tài)(V5+)的HVO42-和H2VO4-的形式存在[9,17-18]。Cr常見化合價有+2、+3和+6,在氧化環(huán)境下,多以六價態(tài)(Cr6+)的鉻酸根陰離子(CrO42-)形式存在,少部分以三價態(tài)(Cr3+)溶解性離子Cr(H2O)4(OH)2+形式存在[14,19]。在缺氧環(huán)境中,Cr6+被還原成Cr3+,形成Cr(OH)2+、Cr(OH)3和(Cr、Fe)(OH)3等水合離子,(Cr、Fe)(OH)3水和離子易被腐殖酸形成復(fù)雜的化合物,或被吸附到Fe、Mn的氫氧化物而進(jìn)入沉積物中[20-21]。

Ni在弱氧化環(huán)境中,多以Ni2+、NiCl+以及溶解的碳酸鎳(NiCO3)形式存在,也可以以Ni2+形式吸附在腐殖酸上[22],常被Mn、Fe氧化物捕獲而隨Mn、Fe一起富集;在中等還原環(huán)境下,由于缺乏Ni2+可以附著的硫化物和Mn的氧化物,絡(luò)合物中的Ni會被分離而發(fā)生遷移流失[2,14,23];在強(qiáng)還原環(huán)境下,Ni會以不溶的NiS進(jìn)入黃鐵礦晶格而固定在沉積物中富集[2,24]。彭雪峰等[25]研究總結(jié)出Ni元素在淡水中質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般低于30×10-6,在海水中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般高于40×10-6。

Sc為非變價元素,它在酸度較強(qiáng)的介質(zhì)中易形成Sc(OH)3沉淀或吸附于黏土和Fe、Mn氧化物中[18,26],在頁巖、黏土巖類以及黏土質(zhì)沉積物中,Sc質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍較高,一般為(13～20)×10-6。

在細(xì)粒沉積物中,Th是重礦物或黏土的成分,一般受氧化-還原環(huán)境變化影響較小,是陸源輸入的典型代表元素。在還原環(huán)境中,Th是一種相對惰性的元素,多富集在黏土碎屑中;在表生氧化環(huán)境下,Th只有+4價一種價態(tài),且不易溶解,會在風(fēng)化殘留物質(zhì)中富集[5,9,27]。U為變價元素,在強(qiáng)還原條件下,以不溶解于水的低價態(tài)(U+4)形式沉淀下來[28-29],導(dǎo)致它在沉積物或火山噴發(fā)物中富集。在氧化條件下以易溶的高價態(tài)(U+6)存在,雙氧鈾根與碳酸鹽結(jié)合形成溶解相UO2(CO3)4-,不被任何顆粒捕獲沉淀,造成沉積物或火山噴發(fā)物中U的丟失或遷移。故U/Th值可以反映沉積物的氧化-還原條件。

自生U的富集主要發(fā)生在沉積物中而不是在水體中,因為U從U6+被還原為U4+,與游離H2S的數(shù)量是一個反耦合關(guān)系,且這種還原反應(yīng)不被水體中的Fe、Mn的氧化-還原循環(huán)直接影響;因此,自生U含量被視為古沉積物的缺氧環(huán)境指標(biāo)。

B在海相咸水介質(zhì)和陸相半咸水、淡水介質(zhì)中的差別明顯,海相咸水中B質(zhì)量分?jǐn)?shù)明顯高于陸相半咸水、淡水,在陸相環(huán)境中B質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般小于60×10-6[30]。與B元素相比,Ga元素的遷移能力要小得多,Ga元素易在河流相沉積物中富集,而B易在湖相泥巖、粉砂質(zhì)泥巖等細(xì)粒沉積物中富集;因此,B/Ga值與B質(zhì)量分?jǐn)?shù)經(jīng)常用來區(qū)分海相沉積和陸相沉積。

Sr和Ba在自然界水體中都是以重碳酸鹽的形式存在,當(dāng)沉積介質(zhì)環(huán)境中含鹽度增大時,由于Sr和Ba的溶度積不同,Ba優(yōu)先與SO42-離子結(jié)合形成不溶于水的BaSO4沉淀,而此時Sr還是以離子的形式保留在沉積水體中;隨著鹽度的不斷增高,Ba2+逐漸減少,這時Sr開始和水體中的SO42-離子結(jié)合形成SrSO4沉淀[31-34]。因此,通過計算Sr/Ba值對海相沉積和陸相沉積加以區(qū)別。Sr元素在咸水(海相)中[33]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為8×10-4～10×10-4,在陸相半咸水淡水介質(zhì)中[33]的質(zhì)量分?jǐn)?shù)多為1×10-4～3×10-4。

2 主、微量元素參數(shù)指標(biāo)與沉積環(huán)境意義

2.1 主量元素參數(shù)指標(biāo)

2.1.1 變價元素鐵(Fe3+、Fe2+)的沉積地球化學(xué)相

鐵元素在自然界中有兩種離子價態(tài)(Fe2+、Fe3+),其在沉積物中的價態(tài)對氧化-還原狀態(tài)(條件)較為敏感,在還原環(huán)境下多以低價態(tài)(Fe2+)保存在沉積物中,在氧化環(huán)境下多以高價態(tài)(Fe3+)存在[11]。一般認(rèn)為,Fe3+/Fe2+>1為弱氧化環(huán)境[35-36],Fe3+/Fe2+?1為氧化環(huán)境,Fe3+/Fe2+=1為中性環(huán)境,Fe3+/Fe2+<1為弱還原環(huán)境,Fe3+/Fe2+?1為還原環(huán)境。氧化相代表性鐵礦物主要有赤鐵礦、褐鐵礦(磁鐵礦),過渡相代表性鐵礦物主要為海綠石、鱗綠泥石(富含鐵的鮞綠泥石),弱還原相代表性鐵礦物主要是菱鐵礦、鮞綠泥石、鐵白云石,還原相代表性鐵礦物主要是黃鐵礦、白鐵礦(表1)。對于沉積巖來說,Fe3+/Fe2+值指標(biāo)會隨氧化還原電位(Eh)和酸堿度(pH)的不同而發(fā)生變化,如介質(zhì)的pH升高時,低價態(tài)鐵(Fe2+)易氧化成高價態(tài)鐵(Fe3+)。據(jù)黃劍霞[36]廈門港灣氧化-還原沉積環(huán)境的劃分,Eh>200 mV、Fe3+/Fe2+>1.5為強(qiáng)氧化環(huán)境區(qū);Eh<0、Fe3+/Fe2+<0.8為還原環(huán)境區(qū),Eh在100～200、0～100 mV和Fe3+/Fe2+在1.0～1.5、0.8～1.0分別對應(yīng)弱氧化環(huán)境區(qū)和弱還原環(huán)境區(qū)。值得一提的是,Fe3+/Fe2+值在經(jīng)受一定地質(zhì)作用后變化也較大,很難客觀反映原始沉積環(huán)境的氧化-還原狀況。

表1 鐵的沉積地球化學(xué)相

2.1.2 Cu/Zn值的地球化學(xué)相

Cu、Zn系銅族元素會隨環(huán)境介質(zhì)氧逸度的降低出現(xiàn)由Cu向Zn過渡的沉積分帶,即Cu/Zn值會隨沉積介質(zhì)氧逸度的升降而分帶[11,37]。在無大規(guī)?；蜷L期火山噴發(fā)作用或高級區(qū)域變質(zhì)作用的地質(zhì)環(huán)境中,Cu/Zn值基本穩(wěn)定,因而具有指相的穩(wěn)定性。據(jù)梅水泉[37]對湖南前震旦系冷家溪群和板溪群329個組合樣品的統(tǒng)計,Cu/Zn值<0.21,0.21～0.38,0.38～0.50,0.50～0.63和>0.63時,依次對應(yīng)還原相、弱還原相、過渡相、弱氧化相和氧化相。在弱還原和還原相帶巖石顏色分別為灰綠色及綠色、灰黑色及黑色,黃鐵礦普遍發(fā)育,見炭屑等有機(jī)質(zhì);在弱氧化和氧化相區(qū)巖石顏色多分別為紫紅色、褐黃色,見大量高價鐵氧化物,極少或不見黃鐵礦與炭屑等有機(jī)質(zhì)。綜合評估來看,Cu/Zn值作為沉積相劃分的地球化學(xué)參數(shù)指標(biāo)是可靠的。

2.2 微量元素參數(shù)指標(biāo)

V/Cr值。Ernstt[23]在地球化學(xué)相分析著作中將V/Cr>2視為還原環(huán)境,V/Cr<2被認(rèn)為更偏向于氧化環(huán)境;Jones等[2]通過對西北歐晚侏羅世暗色泥巖V/Cr與DOP值(黃鐵礦礦化度)對比分析發(fā)現(xiàn):V/Cr=2時對應(yīng)DOP=0.42,V/Cr<2時對應(yīng)DOP<0.42,即V/Cr<2反映氧化環(huán)境;V/Cr=4.25對應(yīng)貧氧向缺氧的過渡位置;以2和4.25為界限值,將V/Cr<2劃為富氧環(huán)境,2～4.25劃為次富氧環(huán)境,>4.25劃為貧氧或缺氧環(huán)境。宋立軍等[38]依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn),對鄂爾多斯盆地西南部王全口組沉積巖沉積環(huán)境進(jìn)行判識,樣品測試V/Cr值為0～4,<4.25,顯示王全口組沉積巖形成于富氧環(huán)境或次富氧過渡環(huán)境;黃燕[39]依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn),對張家界地區(qū)寒武系牛蹄塘組黑色巖系樣品測試,V/Cr值為6.38～7.78,>4.25,認(rèn)為其是還原的沉積環(huán)境。然而,韋恒葉[40]依據(jù)Jones等[2]的V/Cr與DOP交會圖分析發(fā)現(xiàn),V/Cr=4.25為貧氧向缺氧過渡的特征并不明顯,V/Cr<4.25的一部分值落在了缺氧環(huán)境區(qū)域;而V/Cr=2作為區(qū)分富氧與次富氧的界限則十分明顯。因此,用V/Cr=2作為富氧與次富氧的界限是可靠的,用V/Cr=4.25作為貧氧或缺氧的界限存在一定的不確定性。

V/(V+Ni)值。Lewan等[41-42]認(rèn)為油氣烴源巖中的V/(V+Ni)值主要受氧化-還原條件控制,通常用 V/(V+Ni)值來指示水體氧化-還原強(qiáng)度,其中 V/(V+Ni)>0.46代表缺氧環(huán)境,V/(V+Ni) <0.46 為富氧環(huán)境;黃燕[39]依據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn),對張家界地區(qū)寒武系牛蹄塘組黑色巖系樣品測試,V/(V+Ni)值多數(shù)在0.59～0.98之間,>0.46,指示其為還原的缺氧沉積環(huán)境。Hatch等[43]通過對美國堪薩斯地區(qū)賓夕法尼亞上統(tǒng)黑色頁巖地球化學(xué)特征研究認(rèn)為,V/(V+Ni) ≥0.84時反映靜海環(huán)境,0.60

V/Sc值。Kimura等[46]在研究伊朗北部生物化石豐富地層的沉積記錄時對V/Sc值進(jìn)行研究,認(rèn)為缺氧環(huán)境下V/Sc值較高,一般高于30,氧化環(huán)境下V/Sc值較低,一般低于14;Emerson等[47]相關(guān)研究也認(rèn)為缺氧環(huán)境下V/Sc值較高,氧化環(huán)境下V/Sc值較低。張國濤等[10]利用這一標(biāo)準(zhǔn),對貴州獨山下二疊統(tǒng)梁山組黑色頁巖樣品進(jìn)行測試,V/Sc 值為3.39～16.81,平均值為8.39,表明了梁山組的氧化環(huán)境特征。

Ni/Co值。Jones等[2]將Ni/Co值與DOP值對比分析發(fā)現(xiàn):Ni/Co<5.0時,與之對應(yīng)的DOP均值<0.42,指示氧化環(huán)境;Ni/Co>7.0時,與之對應(yīng)的DOP>0.75,指示缺氧環(huán)境;提出Ni/Co<5.0反映氧化環(huán)境,5.07.0指示缺氧環(huán)境。曾春林等[48]在柴達(dá)木盆地相關(guān)研究中指出,氧化環(huán)境常造成Ni/Co值低,在還原環(huán)境中Ni/Co值高;Ni/Co<2.5為氧化環(huán)境,在2.5～5.0之間為缺氧環(huán)境,Ni/Co>5.0為貧氧環(huán)境。宋立軍等[38]依據(jù)Jones等[2]提出的標(biāo)準(zhǔn),對鄂爾多斯盆地西南部王全口組沉積巖樣品測試,Ni/Co值為0.4～0.6,<7.0,形成于氧化環(huán)境或貧氧過渡環(huán)境;黃燕[39]依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn),對牛蹄塘組黑色巖系樣品測試,Ni/Co值為11.59～12.08,>7.0,明顯指示缺氧的沉積環(huán)境。張國濤等[10]利用這一標(biāo)準(zhǔn),對貴州獨山下二疊統(tǒng)梁山組黑色頁巖樣品進(jìn)行測試,Ni/Co值為0.12～0.28,平均值為0.2,<5.0,反映梁山組為氧化環(huán)境特征。

U/Th值。Th、U這兩種特殊的元素在還原條件(狀態(tài))下地球化學(xué)性質(zhì)相似,但在氧化條件(狀態(tài))下差別甚大[49],基于其地球化學(xué)性質(zhì)的迥異,細(xì)粒沉積物中Th/U值常作為環(huán)境的氧化-還原條件(狀態(tài))指示[46,50]。Jones等[2]研究指出缺氧環(huán)境下U/Th>1.25,貧氧環(huán)境中U/Th值介于0.75～1.25之間,氧化環(huán)境下U/Th<0.75。黃燕[39]依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn),對牛蹄塘組黑色巖系樣品測試,U/Th值為12.37～19.96>1.25,反映了還原性的沉積條件。張國濤等[10]依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn),對貴州獨山下二疊統(tǒng)梁山組黑色泥巖樣品測試,U/Th值為0.12～0.29,平均值為0.20,<0.75,表明其形成于氧化沉積環(huán)境。范玉梅等[45]對鄂爾多斯盆地西部晚三疊世延長組長7—長9期計算,長7 U/Th值平均為0.57,長8和長9 U/Th值平均為0.29,均小于0.75,指示當(dāng)時為氧化環(huán)境。Lewan[42]在海洋缺氧環(huán)境研究中指出Th/U值(即U/Th值的倒數(shù))在缺氧環(huán)境下分布在0～2之間,在強(qiáng)氧化環(huán)境下可達(dá)8左右。值得一提的是,陸源碎屑物質(zhì)的U/Th值為0.26±0.13[40]。

自生U含量。Wignall等[50-51]在黑色泥巖、頁巖微量元素地球化學(xué)特征研究中提出,用自生U含量作為沉積序列中氧化-還原環(huán)境的指標(biāo),認(rèn)為自生w(U)<5和>12 分別對應(yīng)氧化環(huán)境和缺氧(還原)環(huán)境。吳朝東等[52]利用自生鈾和鈾總量的關(guān)系建立了w(U)=2w(U)/[w(U)+w(Th)/3](1),并應(yīng)用于缺氧環(huán)境的識別。張國濤等[10]根據(jù)式(1),計算得出貴州獨山下二疊統(tǒng)梁山組黑色頁巖的w(U)為0.54～0.90,平均值為0.73,表明梁山組沉積于正常海水環(huán)境;范玉梅等[45]依據(jù)式(1),對鄂爾多斯盆地西部晚三疊世延長組長7—長9期計算得出,長7期w(U)>1,長8—長9期w(U)<1,說明從長7期到長9期由厭氧環(huán)境過渡到正常水體環(huán)境。

B/Ga值。前人[25,33,53-54]總結(jié)發(fā)現(xiàn),一般河流相泥巖與粉砂質(zhì)泥巖中B/Ga值較低,湖相泥巖與粉砂質(zhì)泥巖中B/Ga值相對較高;B/Ga值在0.5～1.0之間指示河流—三角洲相,在1.0～1.5之間指示濱淺湖—半深湖相,在1.5～2.5之間指示半深湖—深湖相,在2.5～4.0之間指示遠(yuǎn)岸開闊深湖相,在4.0～5.5之間指示較封閉湖相,在5.5～7.5之間指示非閉塞咸水湖相沉積。孫立廣等[54]在南極阿德雷島湖泊沉積物沉積環(huán)境研究判識中發(fā)現(xiàn),B/Ga值和Sr/Ba值的演化特征相似,B/Ga>3.3通常認(rèn)為是海相,B/Ga<3.3為陸相,與區(qū)域環(huán)境背景值密切相關(guān)。

Sr/Ba值。據(jù)前人[33,55-57]研究發(fā)現(xiàn),泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等細(xì)粒沉積物中Sr/Ba≥1時反映海相咸水介質(zhì),Sr/Ba<1時指示陸相半咸水、淡水介質(zhì),遠(yuǎn)離湖(海)岸Sr/Ba值逐漸增大。若將Sr/Ba<1再進(jìn)一步細(xì)分,一般認(rèn)為,0.61,指示其沉積環(huán)境為咸水環(huán)境。

V/Zr值。從淡水到咸水環(huán)境,沉積物中V/Zr值總體上增大,高加索陸相巖石的所有類型V/Zr值為0.12～0.40,海相為0.25～4.00[58-60]。范忠仁[58]計算得出河南焦作、登封等地黏土質(zhì)巖石V/Zr值均在0.16～1.08之間,相當(dāng)于淡水相和海相之間。

2.3 地球化學(xué)參數(shù)指標(biāo)古沉積環(huán)境判識圖版形成

基于前述總結(jié)歸納的Fe3+/Fe2+、Cu/Zn、V/Cr、V/(V+Ni)、V/Sc、Ni/Co、U/Th、自生U、B/Ga、Sr/Ba、V/Zr等11項細(xì)粒沉積物或沉積巖氧化-還原狀態(tài)(條件)以及陸相與海相沉積區(qū)分的地球化學(xué)參數(shù)指標(biāo),形成綜合圖版(圖1)。

圖1 沉積物沉積古環(huán)境的主、微量元素比值指標(biāo)示蹤判識圖版

3 應(yīng)用實例

目前,對三塘湖盆地馬朗凹陷石炭系火山巖噴發(fā)沉積期的古地理環(huán)境(陸上、水下)研究主要集中在火山巖巖石組合特征、結(jié)構(gòu)構(gòu)造特征、蝕變特征、風(fēng)化殼、產(chǎn)狀及儲集空間特征等方面[61-63],而通過對石炭系火山噴發(fā)間歇期薄層沉積巖層或過渡巖層元素地球化學(xué)特征來示蹤判別沉積古地理環(huán)境,間接獲取火山巖地質(zhì)環(huán)境演化有關(guān)的信息,尚少見報道。本文通過馬朗凹陷上石炭統(tǒng)哈爾加烏組火山噴發(fā)間歇期粉砂巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖等沉積巖層巖心微量元素測試分析,以總結(jié)形成的沉積物古沉積環(huán)境示蹤判別的微量元素參數(shù)指標(biāo)圖版,對哈爾加烏組火山噴發(fā)間歇期沉積巖層沉積氧化-還原環(huán)境進(jìn)行示蹤判別,從而間接推斷出哈爾加烏組火山巖噴發(fā)堆積保存期的古地理環(huán)境(陸上、水下)。

3.1 三塘湖盆地馬朗凹陷地質(zhì)概況

研究區(qū)馬朗凹陷位于三塘湖盆地中部(圖2a),是一個向北東隆升的前陸凹陷,上石炭統(tǒng)火山巖分布廣泛,已發(fā)現(xiàn)的牛東油田和牛圈湖含油氣構(gòu)造具上億噸儲量規(guī)模。前人結(jié)合區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)記錄、地層巖性組合以及火山巖巖石學(xué)、年代學(xué)和地球化學(xué)研究[64-66],認(rèn)為三塘湖盆地晚石炭世火山巖總體形成于大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境,其哈爾加烏組火山巖以板內(nèi)環(huán)境為主。馬朗凹陷地區(qū)由老至新依次出露上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組(C2b)、哈爾加烏組(C2h)、卡拉崗組(C2k),上二疊統(tǒng)蘆草溝組(P2l)和條湖組(P2t),中—上三疊統(tǒng)克拉瑪依組(T2-3k),下侏羅統(tǒng)八道灣子組(J1b)和三工河組(J1s),中侏羅統(tǒng)西山窯組(J2x)和頭屯河組(J2t),上侏羅統(tǒng)齊古組(J3q),下白堊統(tǒng)(K1)和第三系(N)等,各層組間少部分不整合接觸(圖2b)。上石炭統(tǒng)哈爾加烏組發(fā)育了一套海相、海陸交互相的熔巖及火山碎屑巖與沉火山碎屑巖沉積,在火山噴發(fā)間歇期沉積有薄層泥巖、炭質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)粉砂巖等沉積巖層或過渡巖層。

3.2 哈爾加烏組火山噴發(fā)特征及巖性組合特征

從井震解釋剖面上不難看出,哈爾加烏組火山噴發(fā)具有明顯多期次、多旋回性(圖3),可劃分為2個噴發(fā)亞旋回(C2h1、C2h2)4個噴發(fā)期次(C2h11、C2h12、C2h21、C2h22),每個火山噴發(fā)亞旋回均由下部火山巖段、上部湖泊沼澤過渡巖類-沉積巖類夾火山巖類構(gòu)成,表征火山由強(qiáng)連續(xù)噴溢至弱斷續(xù)噴溢的過程。下部亞旋回(C2h1)地層中大面積發(fā)育以火山噴發(fā)間歇期凝灰質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、凝灰?guī)r和熔巖間互沉積的地質(zhì)體為主;上部亞旋回(C2h2)地層為火山碎屑巖和熔巖互層產(chǎn)出的火山作用早期、后期爆發(fā)相的火山碎屑巖(角礫巖、集塊巖、凝灰?guī)r)和火山作用中期溢流相的熔巖(玄武巖、玄武安山巖、安山巖)間互沉積的地質(zhì)體;在上部亞旋回C2h22期次巖性以火山碎屑沉積巖、炭質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)泥巖發(fā)育為特征,夾火山熔巖,該期烴源巖較發(fā)育,暗色泥巖厚度一般在25～150 m之間,分布相對穩(wěn)定,是劃分上石炭統(tǒng)卡拉崗組和哈爾加烏組兩套火山巖層系的標(biāo)志層。

總體來看,哈爾加烏組火山噴發(fā)間歇期短,噴發(fā)間斷面上沉積的薄層沉積巖層或過渡巖層具有與火山噴發(fā)期熔巖和火山碎屑巖同樣的沉積地理環(huán)境(陸上或水下沉積環(huán)境介質(zhì));因此,可通過示蹤火山巖夾持的這些薄層沉積巖層古沉積環(huán)境來間接得出火山巖噴發(fā)沉積環(huán)境。

3.3 哈爾加烏組火山噴發(fā)間歇期薄層沉積巖層巖石學(xué)特征

哈爾加烏組火山噴發(fā)間歇期,間斷面上沉積的薄層沉積巖層或過渡巖層主要為泥巖夾炭質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)粉砂巖、凝灰質(zhì)細(xì)砂巖等,泥巖與炭質(zhì)泥巖不純,含有火山碎屑(凝灰質(zhì))成分,巖心見水平層理發(fā)育,紋層厚度為1～4 cm,具有一定的沉積特征(圖4a--e);粉砂巖(圖4f)、細(xì)砂巖較致密,成分以石英為主,長石次之,含少許凝灰質(zhì)成分,分選中等,次圓狀。

a. 灰色泥巖,3 040.05～3 040.15 m,M38井;b. 黑色泥巖,3 158.29～3 158.47 m,M361井;c. 灰黑色泥巖, 3 042.10～3 042.22 m,M38井;d. 灰黑色泥巖,2 732.75～2 732.87 m,M40井;e. 黑色炭質(zhì)泥巖,2 732.50～2 732.75 m,M40井;f. 凝灰質(zhì)粉砂巖,2 668.10～ 2 668.18 m,M40井。

3.4 樣品采集及分析測試方法

火山噴發(fā)間隙或一期火山活動結(jié)束后,若噴發(fā)間歇期時間較長,噴發(fā)間斷面通常沉積有薄層或具有一定厚度的沉積巖層。在沉積初期伴隨火山灰(或火山碎屑物質(zhì))的沉降沉積,沉積巖中含有一定的火山灰物質(zhì)(凝灰質(zhì)):首先,火山物質(zhì)中富含Ca2+、Mg2+等金屬離子直接或間接對沉積巖層的礦物成分產(chǎn)生影響,在巖石特征上火山物質(zhì)能夠與泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、砂巖等同時沉積,影響巖石類型[67-68];其次,火山活動及火山物質(zhì)等影響的生物群落演化對沉積巖層的沉積環(huán)境和沉積物的成分、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造以及成巖序列等特征產(chǎn)生影響[69-71];此外,下一期的火山活動伴隨著湖底(海底)熱液流動,局部溫度增加,水體的攜載能力增強(qiáng),加速了沉積巖中元素遷移和重新分配[72];最后,火山(次火山)熱液充填作用不僅可以對前一期噴發(fā)間歇期沉積的沉積巖層烘烤,使巖石化學(xué)成分發(fā)生變化,還可表現(xiàn)為火山(次火山)氣液、地下水等流體充填沉積巖中的孔、縫,使巖石原有礦物類型、成分及含量發(fā)生改變[73]。

考慮到火山噴發(fā)間歇期凝灰質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較高的沉積巖樣品所蘊(yùn)含的元素地球化學(xué)信息已摻雜了火山活動的信息,對沉積古環(huán)境的響應(yīng)已不太準(zhǔn)確,因此在取樣分析時對凝灰質(zhì)成分較高以及充填蝕變較強(qiáng)的樣品必須進(jìn)行篩選剔除。主要通過手標(biāo)本、巖礦薄片分析、正交偏光顯微鏡下鑒定以及交會圖法統(tǒng)計凝灰質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)砂巖以及凝灰質(zhì)體積分?jǐn)?shù)[74-75],剔除凝灰質(zhì)體積分?jǐn)?shù)較高的沉積巖層巖石樣品;而燒失量(LOI值)具有巖石學(xué)意義,一般認(rèn)為高燒失量是由于巖石受到強(qiáng)烈的蝕變充填交代作用所導(dǎo)致[76],因此燒失量過高的樣品對噴發(fā)環(huán)境的指示意義不大,在數(shù)據(jù)資料充分時應(yīng)剔除。新鮮巖石的巖石化學(xué)標(biāo)準(zhǔn)是w(H2O)<2%,w(CO2)<0.5%[77],因此,應(yīng)先通過手標(biāo)本和鏡下鑒定,將遭受嚴(yán)重風(fēng)化的樣品剔除,同時去掉表層風(fēng)化物質(zhì),以確保選取的分析化驗巖石樣品新鮮。綜合篩選M40井和M38井(井位位置見圖2a)10塊沉積巖夾層樣品進(jìn)行測試分析,其采樣深度、巖性及樣品編號等見圖5。微量元素測試采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定完成,選取GB/T 14506.3—2010[78]作為外部標(biāo)準(zhǔn),樣品的Sr、Ba、Ni、V、Cr、Sc、Zr、B、Ga等12種微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)(表2)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于±5%,即分析精度都優(yōu)于±5%。本次未測定Th、U等微量元素。Sr/Ba、V/(V+Ni)、V/Cr、V/Sc、V/Zr、Cu/Zn、B/Ga值計算結(jié)果見表2。

圖5 馬朗凹陷上石炭統(tǒng)哈爾加烏組火山巖夾持的薄層沉積巖層樣品采集縱向分布圖

3.5 哈爾加烏組沉積巖層主、微量元素地球化學(xué)特征及反映的古沉積環(huán)境

從圖6a可看出,哈爾加烏組火山噴發(fā)間歇期粉砂巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖等沉積巖層主、微量元素縱向上分布相對穩(wěn)定,受埋深影響較小。粉砂巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖等沉積巖層中V與Cr、B與Ga存在不太明顯的負(fù)相關(guān)性,V與Sc、V與Zr存在明顯的負(fù)相關(guān)性,Cu與Zn相關(guān)性不明顯,Ba與Sr的演化趨勢相似(圖6a)。從圖6b中可看出,V/(V+Ni)、V/Sc值在縱向上較為穩(wěn)定,Sr/Ba、V/Cr、V/Zr、Cu/Zn和B/Ga等5類比值演化趨勢相似。V/(V+Ni)值分布在0.79～0.92之間,V/Sc值主要分布在11.02～56.71之間,Sr/Ba值分布在0.52～2.08之間,V/Cr值主要分布在1.94～4.10之間,V/Zr值分布在0.13～0.91之間,Cu/Zn值主要分布在0.52～1.76之間,B/Ga值主要分布在2.23～8.07之間,依據(jù)圖1標(biāo)準(zhǔn)可判定粉砂巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖等沉積巖層沉積于還原環(huán)境和弱還原—弱氧化復(fù)雜環(huán)境;從而推斷哈爾加烏組火山巖主要堆積保存于水下環(huán)境(可能是水下噴發(fā)水下沉積,也可能是陸上噴發(fā)水下沉積)和濱淺湖頻繁水陸交替環(huán)境。

3.6 火山噴發(fā)沉積判識結(jié)果比對檢驗

基于火山噴發(fā)沉積巖層微量元素地球化學(xué)特征示蹤的古沉積環(huán)境,間接得出的火山噴發(fā)沉積環(huán)境結(jié)果是否準(zhǔn)確可信,需要與其他直接有效的判別指標(biāo)以及以往研究成果進(jìn)行對比檢驗。陸上沉積環(huán)境與水下沉積環(huán)境由于含氧量的不同,火山巖與沉積巖層中Fe元素的氧化物(Fe2O3、FeO)質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其比值存在差異,陸上地表氧化環(huán)境提供的條件使得Fe元素從低價態(tài)(Fe2+)易氧化為高價態(tài)(Fe3+),且?guī)r石具有Fe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的特征;水下還原環(huán)境提供的條件使得Fe元素于低價態(tài)(Fe2+)時難以被氧化,巖石具有FeO較富集的特征。因此,可以通過巖石中Fe2O3/FeO或Fe2O3/(Fe2O3+FeO)值來判識噴發(fā)沉積環(huán)境。

從M361井(井位位置見圖2a)哈爾加烏組凝灰?guī)r及炭質(zhì)泥巖中變價元素Fe的氧化物分布特征來看,表現(xiàn)為w(FeO)>w(Fe2O3)的特征,氧化系數(shù)Fe2O3/FeO值分布在0.26～0.41之間,Fe2O3/(Fe2O3+FeO)值分布在0.21～0.29之間(圖7),低于前人陸上與水下0.5[79-82]的判別標(biāo)準(zhǔn),是典型水下噴發(fā)沉積火山巖的特征。王嵐等[63]在三塘湖盆地石炭系陸上、水下噴發(fā)成因火山巖儲層發(fā)育特征和成藏控制因素研究中指出,水下沉積和保存的火山巖具有玻璃質(zhì)體積分?jǐn)?shù)高的特征,而研究區(qū)哈爾加烏組巖層中發(fā)育大量的凝灰?guī)r,其成分通過鏡下觀察主要表現(xiàn)為含晶屑、玻屑凝灰?guī)r,玻屑的體積分較高,且層理構(gòu)造發(fā)育。

對比檢驗表明,本次基于火山噴發(fā)間歇期沉積巖層古沉積環(huán)境示蹤結(jié)果,間接得出火山噴發(fā)沉積環(huán)境與本區(qū)火山巖氧化系數(shù)分布特征以及火山巖巖性發(fā)育特征等直接有效的判別依據(jù)得出的結(jié)果是相符合的。

4 結(jié)論

1)總結(jié)形成了U/Th、自生U、V/Cr、Ni/Co、V/Sc、V/(V+Ni)、Cu/Zn、Fe3+/Fe2+、Sr/Ba、V/Zr、B/Ga等11項細(xì)粒沉積物或沉積巖沉積期氧化-還原環(huán)境示蹤判別的主、微量元素地球化學(xué)參數(shù)圖版標(biāo)準(zhǔn)。

2)基于縱向上演化特征類似的V/(V+Ni)、V/Sc、Sr/Ba、V/Cr、V/Zr、Cu/Zn和B/Ga等7類微量元素參數(shù)指標(biāo),對三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)哈爾加烏組火山噴發(fā)間歇期粉砂巖、泥巖和炭質(zhì)泥巖等沉積巖層沉積期氧化-還原環(huán)境進(jìn)行示蹤,得出其主要沉積環(huán)境為水下還原環(huán)境,也存在水陸過渡的弱還原-弱氧化復(fù)雜環(huán)境,間接得出哈爾加烏組火山巖主要堆積保存于水下環(huán)境(可能是水下噴發(fā)水下沉積,也可能是陸上噴發(fā)水下沉積),以及頻繁水陸過渡相環(huán)境。

3)基于火山噴發(fā)間歇期薄層沉積巖層微量元素地球化學(xué)指標(biāo)示蹤判別的古沉積氧化-還原環(huán)境信息,間接推斷哈爾加烏組火山巖堆積保存期的古地理環(huán)境信息,與三塘湖盆地馬朗凹陷上石炭統(tǒng)火山巖氧化系數(shù)(Fe2O3/FeO)判別的結(jié)果相符合。

該地球化學(xué)方法具普適性,可應(yīng)用于不同盆地、不同地質(zhì)年代火山巖噴發(fā)堆積保存期古地理環(huán)境的間接判別研究中。