福泉牛场向斜吴家坪组泥岩地球化学特征及古沉积环境特征

任文林，任海鹰

(1.贵州省煤田地质局一五九队，贵阳 550001； 2.贵州省煤田地质局一七四队，贵阳 550000)

福泉牛场向斜吴家坪组泥岩地球化学特征及古沉积环境特征

任文林1，任海鹰2

(1.贵州省煤田地质局一五九队，贵阳 550001； 2.贵州省煤田地质局一七四队，贵阳 550000)

根据牛场向斜的地质背景、前人研究成果及钻井泥岩采样测试资料的分析，运用地球化学指标指示沉积环境，对区内龙潭组泥岩元素地球化学及古沉积环境特征进行了研究，结果表明：牛场向斜内采集的样品测试结果大部分偏低，亲铜元素中Cu、Zn、Ga相对富集，亲铁元素中Co相对富集，V、Cr、Ni则相较亏损；稀土总量高、轻稀土富集、轻重稀土分馏明显且亏损Eu，属于晚期沉积物。吴家坪早期沉积主体时期以温湿气候，海陆过渡相沉积环境和还原性环境为主，中晚期则出现过干热气候且沉积环境转换为以海相为主。

地球化学；微量元素；稀土元素；沉积环境；牛场向斜

根据贵州省委、省政府提出的“工业强省，城镇化带动”战略，切实有效推动贫困地区的提速发展，切实有效地使循环经济型“煤-焦-化-气-电”一体化综合开发规划项目在煤炭资源赋存区顺利实施，贵州省土地矿产资源储备局在贵州省福泉市设立了牛场向斜煤炭整装勘查区。鉴于牛场向斜吴家坪时期沉积环境研究成果较少，尤其古气候、古水体等方面不清晰；笔者依托整装勘查工作期间的部分成果，结合前人研究成果[1-4]，分析研究牛场向斜吴家坪组泥岩地球化学特征，进而对物源、古气候、古水体盐度等古沉积环境特征进行研究，旨在揭示研究区吴家坪组成煤环境，为煤矿勘探与开发建设提供重要的理论依据。

1 地质背景

研究区位于贵州省福泉市北部，在区域上属于扬子陆块(一级构造单元)黔南坳陷(二级构造单元)[5-6]。区内断层错综复杂，属于纳雍-福泉断裂带，区域构造上主要由南北向褶曲和近东西向、南北向断裂的交汇而成。研究区位于都匀复向斜北段(研究区称之为牛场向斜)，总体为一向斜构造，向斜轴位于勘查区中部，总体呈北北西向(图1)。据前人资料[6]分析，目标层段上二叠统吴家坪组由一套浅海台地相碳酸盐岩夹滨海相碎屑岩，岩性为灰、深灰色中厚至厚层状石灰岩、燧石灰岩，夹灰绿、黄绿色薄层状粉砂质泥岩、泥质粉砂岩及泥岩，灰白色至灰绿色、红紫色火山灰蚀变黏土岩、凝灰质泥岩、凝灰岩、火山角砾岩、玄武岩等(图2)。

1—贵定复向斜；2—黄丝复背斜； 3—都匀复向斜； 4—王司复背斜； 5—方村向斜；6—周覃背斜；7—荔波向斜； 8—捞村背斜； 9—茂兰向斜； 10—贯洞向斜； 11—同古向斜； 12—邦洞向斜图1 研究区构造纲要图[6]Figure 1 Structural outline map of study area[6]

图2 研究区采样柱状图Figure 2 Study area sampling column

2 元素地球化学特征

2.1 样品采集及测试

针对研究区内钻探资料，笔者采集了101、302号钻孔中吴家坪组9件泥岩样品。所采集样品稀土元素及微量元素测试均在贵州省煤田地质局实验室测定完成，采用仪器为美国热电公司的电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)(误差小于10%)。

2.2 实验测试结果

微量元素丰度含量低，但在地壳的各种地质作用分异过程中，它们对环境的变化往往比常量元素更加的敏感[7]。通过与上地壳(UC)微量元素含量比对[8]，牛场向斜内采集的样品测试结果大部分偏低(图3)，亲铜元素中Cu、Zn、Ga相对富集，亲铁元素中Co相对富集，V、Cr、Ni则相较亏损。前人研究认为，沉积岩中元素分布规律的主要影响因素是沉积物与介质在沉积过程中的复杂物理化学条件，因此对研究区微量元素含量及特征的分析能指示当时的沉积环境，确定氧化还原性质、盐度等[9]。

研究区内稀土元素测试结果(图3)显示：稀土总量(∑REE)平均为374.0μg/g，远高于球粒陨石(65.9μg/g)[10]、上地壳(146.4μg/g)和北美页岩[11](173.21μg/g)，表明∑REE较为富集。 L/H值代表的是，反映其分异程度，在同一类岩石中其值越大，分异越明显，并且能指示部分熔融残留体和早期岩浆结晶矿物的特征。L/H值(样品轻、重稀土元素比值)平均值为11.26，略高于北美页岩的比值(7.5)，表明分异程度较大，主要富集轻稀土元素。前人研究认为，早期沉积岩以贫稀土总量、相对富集重稀土及Eu为特征，晚期沉积物则以稀土总量高、轻稀土富集、轻重稀土分馏明显和亏损Eu为特征[9]。

图3 研究区元素含量(μg/g)及特征Figure 3 Study area element contents(μg/g)and characteristics

表1 研究区上二叠统泥岩稀土元素含量Table 1 Study area upper Permian mudstone REE contents and characteristics/μg·g-1

说明：LaN/LuN、GdN/LuN均为球粒陨石标准化值；δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2，EuN、SmN、GdN均为球粒陨石标准化值；δCe=CeN/(LaN×PrN)1/2，CeN、LaN、PrN均为球粒陨石标准化值；采用Boynton W V(1984)推荐的球粒陨石[12]。

研究区泥岩样品δEu平均值为0.88，据图3分析认为区内δEu明显负异常，笔者认为牛场向斜沉积物属于晚期沉积物。

3 古沉积环境特征

3.1 古气候

古气候研究指标较多，且准确度不一，笔者通过查阅文献[13]，选择Sr/Cu值作为分析研究区古气候唯一指标。区内实验结果显示Sr/Cu值统计结果显示1-3及7号样品值大于10，其余样品测试结果则小于10(图4)。结合采样柱状图及前人认为的Sr/Cu值为1～10时表示温湿气候，值大于10时表示干热气候。笔者认为研究区吴家坪期早期古气候以温湿气候为主，有利于植物繁殖及成煤作用的发生；随着时间的推移气候则慢慢变为干热气候为主。

3.2 古水体盐度

古水体盐度通常指示着沉积环境受海水影响的大小[14-16]。研究的地化指标也较多， Sr/Ba值为有效指标之一， 通常认为淡水沉积物中Sr/Ba<1， 海相沉积物中Sr/Ba>1[14]；Sr/Ca高值反映盐度较高[15-16]；由于V、 Ni元素在水体盐度升高条件下溶解度有差异， V/Ni值越高， 也可以反映水体的含盐度越高[16-17]。通过查阅文献及对实验结果的分析，笔者认为Sr/Ba、Sr/Ca值在研究区应用效果最佳。

图4 部分元素地球化学特征图Figure 4 Part of element geochemical characteristics说明：Ceanom=lg[3CeN/(2LaN+NdN)]，CeN、LaN、NdN均为球粒陨石标准化值。

研究区内吴家坪组泥岩样品测试结果显示：研究区泥岩样品Sr、Ba含量平均值分别为308.7μg/g、319.8μg/g，均低于上地壳的Sr(350μg/g)、Ba(550μg/g)平均含量； Sr/Ba在1附近波动，且大部分样品比值大于1，平均值为1.3(图4)；反映了研究区吴家坪早期受一定海水影响，以海陆过渡相沉积环境为主，在吴家坪中晚期则由于海侵作用的进行，导致沉积环境转换为以海相为主。Sr/Ca比值均值为8.9，最小为2号样品(5.0)，且大部分样品比值在5～11，仅1号样品比值较大(62.2)，显示此时已进入海相沉积时期，与前述分析结果及钻孔数据吻合。

3.3 氧化还原环境

沉积物时期的水体氧化还原状态的变化一般可利用微量元素及稀土元素在不同氧化还原状态下赋存和富集含量的差异进行推测[18]。一般以V/(V+Ni)值、Ce元素异常、Th/U值作为氧化还原指标[7,19]：V/(V+Ni)值大于0.84时指示水体分层及底层水体中出现H2S的厌氧环境，V/(V+Ni)值为0.6～0.84指示水体分层不强的厌氧环境，V/(V+Ni)值为0.4～0.6指示水体为分层弱的贫氧环境[7]；Ceanom>0时，表现为Ce的富集，说明水体为氧化环境；当Ceanom<0时，表现为Ce的亏损，水体为还原环境[7]；Th/U值在0～2指示缺氧环境，在强氧化环境下这个比值可达8[7,19]；笔者根据样品测试结果分析认为V/(V+Ni)值、Ce元素异常能较好的反应研究区沉积物时期的水体氧化还原环境。

研究区泥岩样品实验测试结果显示V/(V+Ni)平均值为0.9(图4)，表明吴家坪组下段沉积水体为水体分层不强的厌氧环境；Ceanom值为-0.63～0.05，平均为-0.31，仅1号样品值大于0，显示吴家坪组下段沉积水体为还原性环境为主。综合两种古水体指标的分析结果，笔者认为研究区吴家坪早期古水体以还原环境为主，在海陆交互沉积的背景下吴家坪中期水体存在氧化环境。

4 结论

(1)牛场向斜内采集的样品测试结果大部分偏低，亲铜元素中Cu、Zn、Ga相对富集，亲铁元素中Co相对富集，V、Cr、Ni则相较亏损。

(2)稀土总量(∑REE)平均为374.0μg/g，较为富集；L/H值(样品轻、重稀土元素比值)平均值为11.26，分异程度较大，主要富集轻稀土元素；泥岩样品δEu平均值为0.88，显示负异常，牛场向斜沉积物属于晚期沉积物。

(3)研究区内吴家坪早期沉积主体时期以温湿气候，海陆过渡相沉积环境和还原性环境为主，有利于植物的大量繁殖和成煤作用，中晚期则出现过干热气候且沉积环境转换为以海相为主。

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Wujiaping Formation Mudstone Geochemical and Paleosedimentary Environment Features in Niuchang Syncline, Fuquan City

Ren Wenlin1, Ren Haiying2

(1.No.159 Exploration Team, Guizhou Bureau of Coal Geological Exploration, Guiyang, Guizhou 550001;2.No.174 Exploration Team, Guizhou Bureau of Coal Geological Exploration, Guiyang, Guizhou 550000)

Based on geological setting of the Niuchang syncline, previous studies, mudstone drilled sample tested data analysis, and using geochemical indices indicated sedimentary environment have carried out researches on the Longtan Formation mudstone element geochemistry and paleosedimentary environment features in the area. The result has shown that the tested results of samples from Niuchang syncline mostly on the low side; Cu, Zn and Ga in chalcophile elements are relatively enriched; Co in siderophile elements relatively enriched, but V, Cr and Ni relatively deficit. The total REE content is high, LREE enriched, LREE and HREE are obviously fractionated and Eu deficit, belong to later period sediments. The early Wujiaping stage main sedimentary period had been mainly warm humid climate, paralic facies sedimentary and reducing environment; while middle to later period there had been dry hot climate and sedimentary environment converted to mainly marine facies.

geochemistry; trace element; REE; sedimentary environment; Niuchang syncline

10.3969/j.issn.1674-1803.2017.07.03

1674-1803(2017)07-0010-04

任文林(1963—)，男，重庆，职称：中级工程师；学历：大专；研究方向：煤田地质。

2017-02-28

责任编辑：宋博辇

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