微量元素在沉积岩研究的作用

(成都理工大学 四川 成都 610059)

一、沉积地球化学的概念

沉积地球化学是一门沉积学与地球化学相互渗透、相互结合而产生的新兴边缘学科。是以沉积物和沉积岩为对象,研究其在沉积——成岩过程中所含元素及稳定同位素的迁移、聚集与分布规律来判断、恢复沉积古环境。现在研究结果表明:利用沉积地球化学特点不仅有助于恢复确定古环境(古气候、古盐度、古水温、氧化——还原条件和古水深等),还可以判断当时海平面变化旋回,为层序地层学研究提供证据。

二、沉积地球化学的研究内容

沉积地球化学研究的对象内容涉及面甚广,归纳起来主要涉及到两个大的领域:研究沉积中的化学成分、化学元素及同位素的分布与分配、分散与集中、共生组合与迁移也就说是“研究物质的化学运动和变化过程”,研究控制和影响元素和同位素运动和变化的各种因素,亦即沉积物质中化学运动和变化过程中的控制因素。研究内容涉及到沉积岩形成的全过程:风化产物在搬运过程中的元素的迁移形式和沉积分异规律及影响因素;沉积物中元素的沉积方式、机制、元素集中、分散规律及控制因素;成岩作用过程中元素及同位素的转移、分配及化学机制;元素和同位素分配和组合,元素在沉积岩中的丰度、赋存状态、分配规律;地史时期沉积岩中化学成分的地球演化历史、规律;有机地球化学的演化及其在沉积成矿的作用。

三、微量元素地球化学研究现状

主要研究沉积岩中元素的静态和动态变化,及控制因素。沉积岩的形成过程同时也是地壳中的元素再分配和重新分布的过程。沉积物在风化、搬运、沉积过程中不同的元素可以发生一些有规律的迁移、聚集,沉积区的大地构造背景、古气候、源区母岩性质、沉积盆地地形、沉积环境和沉积介质的物理化学性质对元素的分异和聚集均有影响。可以利用这行元素的分异和富集规律来研究和推断控制元素运动和变化的各种环境因素。目前已广泛使用Fe,Mn,Sr,Ba,B,Ga,Rb,Co,Ni,V及Sr/Ba,Fe/Mn,V/Ni,Fe3+/Fe2+等含量和比值来判别海相与陆相、氧化与还原、水体深度、盐度等沉积特征。用地球化学的方法推断古盐度是最常用的,也是效果较为理想的一种方法,包括硼法、元素比值法、沉积磷酸盐法等;判断沉积环境的氧化、还原条件主要是根据同生矿物组合;由于元素在沉积作用中所发生的机械分异作用、化学分异作用和生物化学分异作用,使元素的聚集和分散与水盆深度也有一定关系。

四、微量元素特征与沉积环境的关系

在沉积过程中,沉积物与水介质之间有着复杂的地球化学平衡,如沉积物与水介质之间的元素交换以及沉积物对某些元素的吸附等。这种交换和吸附作用除与元素本身性质有关外,还受到沉积介质物理化学条件的影响,而不同沉积环境的水介质有不同的物理化学条件,这就为利用沉积物微量元素及其含量进行古环境分析提供了理论依据。

在封闭盐湖中原生碳酸盐岩和粘土矿物的形成与湖泊水体的化学性质密切相关,从湖泊的低位体系域到高位体系域,湖泊泥岩中的粘土矿物、泥岩和泥膏盐中的微量元素组成对沉积环境的水文变化很敏感,因此可以有效地揭示湖平面的变化。笔者对潜江凹陷潜江组进行密集取样,利用微量元素分析技术来确定盐岩的成因和旋回性,分析微量元素在不同层序、不同体系域中的变化特征,讨论其环境意义。

(一)锶、钡含量及其比值

Sr/Ba 是反映古盐度的重要指标。Sr 和 Ba元素在表生过程中的化学性质有较大的差异。Sr 比Ba 迁移能力强,在淡水中,水介质的酸性比较强,矿化度很低,Sr、Ba 均以重碳酸盐的形式保留在水中。当淡水与海水相混时,淡水中的 Ba2+与海水中的硫酸根离子结合生成 BaSO4沉淀,而 SrSO4溶解度较大,它可以继续迁移到远海,通过生物作用沉淀下来。所以,Sr/Ba 随着盐度的提高有明显增大的趋势。表 2为不同水介质条件下沉积物的 Sr/Ba,由表中可以看出,海相沉积物 Sr/Ba 较高。

(二)Ce 异常

Ce 异常已成功用来判别古海洋氧化还原条件的变化,通常认为,Ce/Ce*>1 为正异常,指示氧化环境; Ce/Ce*<1 为负异常,指示还原环境。从大陆来的陆源物质和水不存在明显的轻、重稀土分异,大多数存在明显的 Ce 正异常。Ce 的负异常主要出现在洋盆环境中,因为洋盆中的 Ce3+很快被氧化成 Ce4+并被 Fe-Mn 氧化物所吸附,从而很快从海水中被清除,造成海水中 Ce 亏损。Murray 等的研究结果显示:大洋中脊 Ce/Ce*最低(平均 0.29),大洋盆地拥有中等的 Ce/Ce*(平均 0.60),大陆边缘的Ce/Ce*最高(平均 1.03),从大洋中脊到大陆边缘的沉积物中 Ce 负异常逐渐不明显。青岛八仙墩的碎屑岩样品都有弱的 Ce负异常,Ce/Ce*在 0.94～0.98,表明其水体为还原环境,也表明八仙墩碎屑岩是在靠近大陆边缘环境下形成的。

五、结论

通过对八仙墩碎屑岩的微量元素地球化学特征的研究,结合其沉积地质特征,可以判断八仙墩碎屑岩是在还原环境下形成的中生代海相地层。八仙墩碎屑岩应属于南黄海中生代地层在盆地边缘地区的露头,根据本套地层的属性,在南黄海盆地深部应该有与此相对应的中生代的海相地层,推测其岩性与这套地层类似,为一套浊积成因的块状砂岩、页岩等,可能是良好的浊积砂岩油气储层,对南黄海海相地层油气勘探具有重要的指示意义,应该在南黄海盆地及周边地区对本套地层进行追索研究。