罗城二叠系茅口组透镜状灰岩地球化学特征及成因

陈晓青，汤静如，蓝天，任琴琴



罗城二叠系茅口组透镜状灰岩地球化学特征及成因

陈晓青，汤静如，蓝天，任琴琴

（桂林理工大学，广西 桂林 541004）

广西罗城二叠系茅口组灰岩及页岩夹薄煤层地层中，灰黑色泥晶灰岩呈透镜状散布于灰白色硅质岩中的现象普遍发育，地质特征与石香肠构造非常相似。主量、微量及稀土元素分析表明，该透镜状灰岩稀土总量从2.81ug/g到6.97ug/g，平均为4.89ug/g。稀土元素分配模式总体为轻稀土富集，重稀土亏损型，中等强度的Eu负异常和Ce负异常。据化学分析，透镜状灰岩与硅质岩具有相似的微量元素和稀土元素特征，两者应是同生沉积作用形成，是软沉积构造。碳酸盐沉积与典型海相沉积模式并不完全一致，有可能受到陆源泥质的影响。

茅口灰岩；地球化学特征；成因；罗城

广西地区由于独特的地理气候条件，形成了由喀斯特作用所造成的地貌，即碳酸盐岩的出露区。广西地区广泛的分布着石灰岩、白云岩、泥灰岩等。二十世纪八十年代以来，广西地区二叠纪的研究多集中于古生物学（周建平，1991；孙冬英等，2004；王成源等，2007），地层学（蒙有言等，2005；金玉轩等，2007），矿床学（余文超等，2014），沉积学（罗强等，1990；陆刚等，1992，周怀玲等，1996；），古气候与古环境（范嘉松等，2002；彭阳等，2009；陈建业等，2011；万俊雨等，2015）等方面。茅口组的沉积环境主要为热带-亚热带广阔陆表海的清水碳酸盐岩台地环境，含盐度正常，供氧良好，沉积时水深呈变浅趋势，独自形成一个二级层序。通过以罗城地区二叠系茅口阶中透镜状灰岩为对象的研究，运用系统的岩石学，以及主量微量以及稀土元素的地球化学分析，研究其成因及地球化学特征，可进一步了解华南板块以及广西桂北地区二叠系的沉积环境。

1 区域地质概况

罗城位于广西北部，云贵高原的苗岭山脉九万大山南沿地带；处于桂东北-桂中凹陷，桂北隆起以南，云台隆起和钦防海槽，桂西海槽以东，跨越了罗城凹陷带和宜山弧形断褶带两个四级构造单元[1]。区内褶皱和断裂构造发育，主要发育NE向构造（图1），以加里东运动形成的寒武系的基底褶皱为主；海西运动则造成区内上、下二叠统间的平行不整合接触关系，并影响晚二叠世、早三叠世的火山活动；印支运动，结束了区内海相沉积环境。

图1 桂中坳陷地理位置及构造单元划分图

区内出露的地层有泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、白垩系以及第四系[2]。石炭系和二叠系在区域内最为发育。二叠系岩石类型主要为沉积岩和岩浆岩。沉积岩包括具有各种不同沉积组构的碳酸盐岩、硅质岩、碎屑岩；岩浆岩包括火山岩、火山碎屑岩和少量的岩浆岩等等。

二叠系下统茅口组（P1m）主要出露于罗城县东南方向7km处大浪屯处起至崇柏地区，厚度以崇柏一带最大，大于705m；在西南温平一带，被上统超覆，出露厚度大于54m。与下统栖霞组中上部夹少量燧石团块灰岩呈整合接触，与上统的砂质铝土岩呈不整合接触。岩性以深灰、灰色致密灰岩、细晶灰岩为主，夹浅灰、灰白色细晶灰岩，燧石灰岩。底部为燧石条带，团块状灰岩夹薄煤层状泥灰岩与栖霞组分界。在东南部崇柏一带，有按其岩性组合特征可分为上、下两段。下段为灰黑、浅灰色灰岩夹含燧石泥质灰岩，底部燧石灰岩，厚472m；上段为深灰、浅灰色灰岩、燧石灰岩夹泥质灰岩及一层白云质灰岩，底部以浅灰色蠕虫状灰岩与下段分界。，未见顶，厚度大于233m[3]（表1）。茅口期为全球性海平面相对稳定的时期，因沉积加积作用，反映在沉积物垂向层序上，呈向上变浅的海退序列，研究区茅口组代表台地相沉积，以浅水碳酸盐岩为主，生物礁、滩灰岩发育于台地边缘，以各类颗粒灰岩及生物礁灰岩为代表；兼有台缘斜坡相，发育深色含硅泥质碳酸盐岩[4]。

表1 罗城地区地层简表

表2 罗城地区透镜状灰岩与硅质岩主量元素分析结果表

2 透镜状灰岩的地质特征

2.1 野外地质特征

灰岩露头图2呈灰黑色，单个的透镜状或连续呈豆荚状，均为东西向排布，单个透镜厚一般几厘米至几十厘米。

2.2 岩石矿物特征

矿物成分主要为方解石，次要为海绿石以及长石，含少量白云石、黏土矿物、有机质等。

图2 罗城地区透镜状灰岩与硅质岩野外照片

3 透镜状灰岩的地球化学特征

澳大利亚后太古宇页岩（PAAS）被认为代表了上地壳的平均化学成分，可以作为一个地球化学标准。透镜状灰岩样品来自罗城地区茅口组，样品无蚀变、矿化和次生风化，依次编号为YZ-03-4-1～YZ-03-4-8。全岩样品首先除去表面，使用无裂隙且相对坚硬的部分，随后使用无污染鳄式玻碎机将其粉碎，并用超纯水进行三次振荡清洗，用玛瑙碾钵破碎至200目以下送至实验室进行制样分析，采用XRF法进行主量元素、微量元素分析，稀土元素采用ICP-MS方法，样品元素分析测试均在澳实矿物实验室完成，样品测定值和推荐值得相对误差小与10%，绝大部分小与5%［5，6］。

图3 透镜状灰岩手标本（a）与硅质岩手标本（b）

图4 透镜状灰岩镜下照片（a）与硅质岩镜下照片（b）

表3 罗城地区透镜状灰岩与硅质岩微量元素分析结果表

3.1 主量元素地球化学

透镜状灰岩的主要化学成分是CaO，其次有SiO2、MgO、K2O，含少量Al2O3、MnO、TiO2、TFe2O3、P2O5、Na2O等。硅质岩主要成分为自生硅质矿物，其主要化学成分为SiO2，次要化学成分为CaO、MgO、Al2O3，含少量K2O、MnO、TiO2、TFe2O3、P2O5、Na2O等（表2）。

硅质岩中，MnO/TiO2的值大于0.5，可推断其为远洋沉积；Fe/Ti的值介于1.057~1.33，表明硅质岩中的硅质组分与热液关系的可能性不大且Al2O3/TiO2<10，由此推断硅质岩在碱性环境中形成，有受海水物质影响的可能性［7］。

3.2 微量元素地球化学

由表3可以看出，透镜状灰岩与硅质岩中的微量元素的含量有明显差异.微量元素V、Rb、Sr、Nb、Hf、U、Th、W、Zr、Cs在透镜状灰岩中的含量普遍高于硅质岩，由于Sr与Ba的化学性质十分相似，它们均可以形成可溶性重碳酸盐、氯化物和硫酸盐进入水溶液中。与Sr相比，Ba的化合物溶解度要低，如河水携带的Ba2+在与富含SO42-的物质相遇时很容易形成难溶的BaSO4而发生沉淀作用，因而大多数Ba 在近岸沉积物中富集，仅有少量进入深海；而 Sr的迁移能力要强于Ba，可迁移至大洋深处，加之碳酸盐矿物对Sr的捕获作用，在碳酸盐类岩石和富碳酸钙的泥质沉积物中Sr的含量较高。因此，Sr/Ba也常用来作为区分淡水和咸水沉积的标志。四组数据中Sr/Ba的值均大于1，一般认为Sr/Ba>1指示海相沉积。

二叠系茅口阶的灰岩样品中的Zr与Th的平均含量计算出为2.49ug/g和0.13ug/g，远远低于页岩的平均值，其说明了沉积物中所含有的微量元素来源于自身的沉积，能够反映古海洋环境。在沉积过程中，海水氧化—还原条件的变化能使一些微量元素发生富集或亏损［8］，由此，这些元素可以用来恢复水体沉积时的氧化—还原状态［9］作为指示元素，在碳酸盐岩环境中使用最多的是Sr［10］，而Sr元素在透镜状灰岩中的含量为294×10-6~684×10-6显著高于硅质岩中Sr元素的含量97.2×10-6~99.5×10-6。研究区内硅质岩中的Al/（Al+Fe+Mn）的平均值为0.691，而热水沉积的最大值为0.35，远大于热水沉积的最大值。

3.3 稀土元素地球化学

沉积岩中稀土元素含量的变化与物源区的成分、沉积环境中的交换反应密切相关。因此，研究稀土元素的化学性质对揭示沉积岩的物源特征、沉积环境变化、大地构造背景等具有重要意义[11]。透镜状灰岩与硅质岩样稀土元素总量ΣREE为2.81×10-6～6.97×10-6，平均值为5.73×10-6；ΣLREE /ΣHREE为 4.25～5.64，平均4.94；经Leedy球粒陨石标准化后，δCe为0.29～0.73，平均值为0.49；δEu为0.53～0.74，平均值为0.66；（La/Yb）N为7.17～10.04，平均值为8.70。透镜状灰岩与硅质岩样经球粒陨石标准化后的稀土元素配分模式图为ΣLREE>ΣHREE的右倾型，轻稀土段曲线明显“右倾”， 重稀土段则相对“平坦” 。稀土元素分配模式总体为轻稀土富集，重稀土亏损型，中等强度的Eu负异常和Ce负异常。灰岩及部分硅质岩中Ce的负异常指示了二叠系本区陆表海的沉积环境特点， 古海水为氧化环境。灰岩中稀土总量较低，且轻稀土均相对富集，由于碳酸盐岩在海水中形成存在相对富集重稀土，自然亏损Ce，以及稀土总量低的特征，所以通过稀土元素得出的结论与典型海相沉积模式并不完全一致，有可能受到陆源泥质的影响。∑REE 远低于北美页岩的平均值（173.2×10-6）[12]，暗示罗城二叠系灰岩沉积时受陆源物质的影响比较弱[13]。

图5 透镜状灰岩与硅质岩稀土元素配分曲线

4 透镜状灰岩的成因探讨

罗城地区体现为海陆交互含煤及硅质沉积。根据主量、微量以及稀土元素分析结果来看，透镜状灰岩稀土总量从2.81ug/g到6.97ug/g，平均为4.89ug/g，硅质岩稀土总量从6.35ug/g到6.77ug/g，平均为6.56ug/g，得出透镜状灰岩与硅质岩具有相似的微量元素和稀土元素特征，两者应该是同生沉积作用形成，其构造应为软沉积构造。透镜状灰岩由于物理作用即其沉积物在沉积后，固结成岩前尚处于软沉积物阶段时在上覆沉积物以及水体的重压下排除水分，孔隙减少，密度增大，并由于水体的温度与盐度差异、生物、物源差异影响压实作用而导致。由于碳酸盐沉积与典型海相沉积模式并不完全一致，且Zr为陆源沉积指示元素，则透镜状灰岩有可能受到陆源泥质的影响。而硅质岩是形成于弱酸环境有机质降解过程中，由于硅质优先与生物壳体交代再与亮晶方解石交代依次形成过渡带与硅质岩，于碳酸盐岩沉积之后形成的早成岩阶段，早于压实作用阶段，由同沉积作用形成，是同生的，并非后期外力挤压作用形成。

华南板块以及桂西地区沉积环境表现为扬子海域内茅口组碳酸盐岩向上变浅的层序代表海平面上升速率减弱的高水位体系域，代表海侵达到最大范围后相对静止再转化为开始海退的特殊阶段，垂向沉积相组合呈现向上变浅的进积序列。局限台地水体受到限制，转为安静低能环境，海侵作用发展的同时增强了蒸发作用进而影响到盐度的变化，削弱了陆源的控制作用，结合热带、亚热带的气压以及信风带、天体引潮力和海水温度、密度对表层以及深层洋流的影响，也可在海洋中形成类型多样的洋流，如下沉流，等水深流，以及底层流而广西二叠世茅口期为全球性海平面相对稳定的时期，因沉积加积作用，反映在沉积物垂向层序上，呈向上变浅的海退序列。然而由于冈瓦纳板块北部边缘的碎裂作用，导致广西海域NW、NE、EW向裂陷构造的复合，海盆地差异性升降活动加剧，体现在台地隆升，盆地下陷，其中半深水及深水盆地明显扩展沟通，呈“X”形交会贯穿海域，全区构成地貌差异悬殊的“盆包台”的古地理格局，包括开阔台地、潜水孤立台地、台缘斜坡-浅水盆地、半深水盆地及深水盆地等沉积相单元。

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Geochemical Characteristics and Genesis of the Lenticular Limestone of the Permian Maokou Formation in Luocheng, Guangxi

CHEN Xiao-qing TANG Jing-ru LANTian REN Qin-qin

（Guilin University of Technology, Guangxi Guilin 541004）

This paper has a discussion on geochemical characteristics and genesis of the lenticular limestone of the Permian Maokou Formation in Luocheng, Guangxi. ΣREE of the lenticular limestone vary from 2.81 ppm to 6.97 ppm with an average of 4.89 ppm. The REE distribution pattern is characterized by enrichment in LREE with moderate negative Eu anomaly and negative Ce anomaly. Geochemistry of minor element and REE for the lenticular limestone is similar to that for silica rock in the Maokou Formation which indicates their formation by synsedimentary processes.

lenticular limestone; geochemical characteristic; genesis

2018-01-04

陈晓青（1993－），女，河北辛集人，硕士研究生，研究方向：地球化学

P534.46

A

1006-0995（2018）04-0552-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.005