赖 玮,阮 壮,王黎栋,沈臻欢
(1. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083; 2. 中国地质大学(北京) 水资源与环境学院, 北京 100083)
利用元素地球化学特征识别原始沉积环境具有重要的地质意义。在沉积和成岩过程中,性质稳定的地球化学元素被广泛用来推断物源区的组成特征,判别大地构造背景并重建古沉积环境,取得了较好的效果(Taylor and Mclenman, 1985; 雷开宇, 2017)。主微量元素及其含量对沉积环境的变化有着较高的敏感度,可以为古环境(如古盐度、氧化还原条件等)、古气候的变迁提供可靠信息(Rimmeretal., 2004)。稀土元素在沉积和变质过程中稳定性较强、不易迁移,能很好地反映源岩的地球化学习性,是良好的物源指示剂(Prudenioetal., 1989)。
在中晚三叠世之交,四川盆地的龙门山前陆构造带活动剧烈,使四川盆地由早期的浅海环境迅速转变为内陆湖盆环境,在其后的晚三叠世发育一套内陆湖盆背景的三角州-湖泊沉积体系(郭正吾等, 1996)。同时,晚三叠世是扬子板块与华北板块碰撞的关键时期,扬子板块北侧的南北向挤压作用导致南秦岭与四川盆地间的米仓山-大巴山地区广泛发育东西向褶皱变形,并逐渐向南部供源(施炜等,2007)。活跃的构造活动必然伴随着古环境、古气候及物源的变迁,上三叠统须家河组作为晚三叠世古环境、古气候及物源变化研究的窗口,一直以来受到众多学者的关注。目前对于四川盆地须家河组的物质来源、沉积环境、岩相古地理、聚煤特征等方面均积累了大量的研究成果,如淡永等(2013)通过对野外和钻井剖面的研究认为米仓山-大巴山前缘上三叠统须家河组四段砾岩来源于北东部的南秦岭地区;谢继容等(2006)认为晚三叠世四川盆地沉积主要受古龙门山、古大巴山、江南古陆和康滇古陆四大物源体系控制;施振生等(2011)指出晚三叠世四川盆地以超稳定型重矿物为主且物源区相对稳定,母岩类型主要为沉积岩和低级变质岩;郑荣才等(2009)通过对四川盆地构造格局和盆-山耦合关系的分析确定了该盆地属于类前陆盆地;邵龙义等(2008)利用钻井岩心、测井等对宝鼎盆地含煤岩系研究认为聚煤作用在垂向上先增强再减弱;谭聪等(2017)通过观察及分析露头剖面、钻井岩心和测井地震等资料尝试性地建立了年代地层格架,推测了各旋回的相对年龄值以及不整合面的沉积间断时间。在川东北地区,前人对古气候和物源的研究工作多基于沉积学和古生物学的研究,如徐兆辉等(2010)通过孢粉分析法等认为须家河组沉积时期整体为湿热的热带-亚热带气候,张超(2017)通过轻矿物分析得出须家河组物源来自秦岭及大巴山古隆起,而很少从矿物学及地球化学特征出发进行探讨和研究。本文以川东北七里峡地区上三叠统须家河组发育的泥岩为研究对象,通过镜下观察、主微量及粘土分析,探讨其矿物学组成和地球化学特征,欲进一步揭示该区的古沉积环境和物源信息。
现今四川盆地的构造格局于印支运动后期开始出现,经燕山运动至喜马拉雅运动改造后才得以定形,主要受北东-南西向及北西向两条构造线控制,整体为一个大型菱形构造-沉积盆地,面积约18×104km2(郑荣才等, 2009; 徐兆辉等, 2010),西以龙门山断裂为界,东以七曜山断裂为界,北以城口断裂为界,南以峨眉-瓦山断裂为界。习惯上将目前的四川盆地划分为川西坳陷、川东北坳陷、川东南坳陷及川中隆起4个次级构造单元,具备非常特殊的“三坳围一隆”构造-沉积格局(图1a)。震旦纪晚期至中三叠世在现今四川盆地的范围内发育广阔的海相碳酸盐沉积。始于中三叠世拉丁期的印支早幕运动造成了上扬子地台的抬升,海水逐渐退出,大规模海域分布的历史终告结束,整体的抬升过程还导致了中、上三叠统海相碳酸盐岩地层的缺失与剥蚀,区内大部分地区缺失了拉丁阶至诺利阶的天井山组、马鞍塘组和小塘子组,安尼阶的雷口坡组顶部也发生了不同程度的剥蚀。龙门山隆升后,区内构造属性转变为前陆盆地,发育须家河组陆源碎屑沉积,并延续到早侏罗世—晚白垩世的红层碎屑岩建造(郭正吾等, 1996)(图1)。
图 1 四川盆地中晚三叠世古地理格局及其演化[据郑荣才等(2009)、孙春燕等(2018)、戴朝成等(2018)修编]
须家河组在四川盆地内广泛分布,最大沉积厚度达3 500 m,与下伏雷口坡组呈不整合接触,岩性主要为砾岩、含砾砂岩、砂岩、粉砂岩和泥岩夹煤层组合,按岩性特征自下而上可划分为6段(须一段至须六段)。其中须一、须三、须五段是以泥岩为主的烃源岩和区域性盖层(或隔层)发育层位,须二、须四、须六段是以砂岩为主的储层发育层位。七里峡剖面位于四川盆地东北部达州市宣汉县七里乡,剖面发育良好,出露完整且层序清晰,层内植物化石丰富,是较为理想的研究剖面(图2)。
本次采样点位于四川盆地东北部的七里峡剖面须家河组,在须一段至须五段共采集样品46件,样品岩性以泥岩、粉砂质泥岩为主,少量为泥质粉砂岩,除个别样品外,绝大多数样品集中在须一、须三和须五段,取样间隔多为0.3~0.5 m/件,具体采样位置及编号见图2。
野外采集的42件岩石样品送至中国地质大学磨片室制成探针片,在中国地质大学(北京)显微镜实验室完成了室内的岩石学镜下观察,所用显微镜型号为OLYMPUS BX51。在镜下观察的基础上优选12件泥岩样品进行粘土矿物X射线衍射和主微量元素测试。粘土矿物X射线衍射在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室测定,分析仪器为Bruker D2 PHASER,测试条件为Cu靶,陶瓷X光管,Kα辐射,管压30 kV,管流10 mA,测试温度为26℃,相对湿度为30%。粘土矿物的提取根据Stokes法则提取样品中粒径<2 μm的成分进行分析。主微量元素测试在核工业北京地质研究院分析测试研究中心完成,首先将泥岩样品在无污染条件下研磨至200目,主量元素采用AxiosmAX型波长色散X射线荧光光谱仪分析,测试温度23℃,相对湿度54%,分析误差小于3%,其中FeO含量采用滴定法测试。微量元素采用ELEMENT XR 等离子体质谱仪分析,测试温度22.5℃,相对湿度28%,分析误差小于5%。另外选取4件样品进行了扫描电镜观察,观察地点为中国地质大学(北京)科学研究院场发射扫描电镜实验室,使用仪器型号为SUPRATM55型场发射扫描电镜,能谱数据收集采用20 kV,SE、BSE照相采用15 kV。
图 2 七里峡剖面采样位置及岩性柱状图(柱状图据谭聪等, 2017)
通过野外露头及室内薄片鉴定分析,此次所采集岩石样品的岩性主要为泥岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩和粉砂岩(图3)。野外观察剖面在泥岩层和粉砂质泥岩层中可见明显的水平层理,岩石样品多为灰色、灰黑色,部分含铁质、有机质、黄铁矿等物质,岩石样品颜色变化较大。通过镜下观察和粘土矿物X衍射分析可知,研究区泥岩(图3a、3b)主要由粘土矿物和少量陆源碎屑矿物组成;粘土矿物含量大于50%,主要是伊蒙混层、伊利石、绿泥石和高岭石(表1);陆源碎屑矿物主要为石英、云母和极少量长石,其中石英分选磨圆较差,粒径多为20~50 μm,此外多可见植物碎屑。粉砂质泥岩(图3c、3d)的碎屑颗粒含量与泥岩相比较高,但颗粒多小于0.01 mm。粉砂岩(图3e)的主要矿物成分为石英,含少量云母、长石,填隙物多为泥质基质。泥质粉砂岩(图3f)则以粉砂为主,含量为50%~70%,粘土及胶结物较少。在扫描电镜下观察粘土矿物,可见书页状高岭石(图4a)和他形片状高岭石(图4b);伊蒙混层矿物主要呈片状或丝状(图4c);伊利石多呈片状集合体,也可见特征弯曲鳞片状(图4d、4e);绿泥石也多为片状(图4f)。
X射线衍射粘土矿物分析结果显示,所测样品主要由4种粘土矿物组成(表1),分别为伊蒙混层矿物(I/S)、绿泥石(C)、伊利石(I)和高岭石(K)。它们的相对含量中,伊蒙混层矿物含量最高,为62%~88%,平均81.08%,其次是绿泥石(3%~19%,平均8.75%),伊利石含量为3%~11%,平均5.75%,高岭石含量为1%~9%,平均4.42%。
图 3 七里峡剖面须家河组岩石样品镜下观察照片(单偏光)
表 1 七里峡剖面须家河组泥岩样品粘土矿物含量表
I/S: 伊蒙混层矿物; I—伊利石; K—高岭石; C—绿泥石。
须家河组泥岩样品主量元素测试结果列于表2,其主量元素上地壳标准化蛛网图见图5a。与上地壳相比,SiO2、CaO和Na2O含量较低,其均值为58.83%(51.99%~64.83%)、1.74%(0.34%~6.19%)和0.51%(0.13%~1.16%),其中CaO和Na2O含量变化较大。Al2O3(16.61%)、TiO2(0.79%)、MgO(2.61%)、K2O(4.09%)、MnO(0.84%)和P2O5(0.19%)的均值含量与上地壳相比轻微富集,其中MnO和P2O5含量变化较大。FeO/MnO值介于28.08~104.23之间。
须家河组泥岩样品微量元素测试结果见表3,其微量元素上地壳标准化蛛网图见图5b。从图表中可以看出,与上地壳相比,泥岩样品中Li、V、Cr、Ni、Cd、Cs等微量元素较为富集,Sc和Co稍微富集,而Sr、Mo、Ba、Zr、Hf等元素则具一定程度亏损,其中Sr元素异常亏损。须家河组泥岩样品稀土元素测试结果(表4)显示,样品的稀土元素总量(ΣREE)介于179.21×10-6~291.73×10-6之间,平均值为232.17×10-6,高于北美页岩的稀土元素总量(173.21×10-6) (刘清俊等, 2014),也远高于上地壳的稀土元素平均总量(143×10-6)。样品LREE 为137.97×10-6~214.77×10-6,平均值179.64×10-6,HREE为41.24×10-6~84.47×10-6,平均值为52.54×10-6,LREE/HREE 为2.45~4.26,平均3.49,表明样品中轻稀土元素相对重稀土元素富集。Eu呈负异常,δEu介于0.21~0.24之间;Ce呈正异常,δCe介于2.73~3.15之间。Sr/Ba值介于0.08~0.24之间,V/(V+Ni)值介于0.69~0.85之间,Ceanom值介于0.26~0.30之间。
图 4 七里峡剖面须家河组泥岩典型粘土矿物扫描电镜照片
表 3 七里峡剖面须家河组泥岩微量元素分析结果表 wB/10-6 Table 3 Analyses of trace elements in samples of Xujiahe Formation in the Qilixia section
图 5 须家河组泥岩主微量元素上地壳标准化蛛网图解[上地壳数据据Taylor和Mclenman (1985)]
表 4 七里峡剖面须家河组泥岩稀土元素分析结果表 wB/10-6 Table 4 Results of rare earth elements in samples of the Xujiahe Formation of the Qilixia section
4.1.1 古盐度
古盐度在恢复沉积环境和古气候中具有重要的应用,目前的研究中通常使用元素比值法、硼法、磷酸盐法等来推断古盐度(张茜等, 2017)。戴朝成等(2018)通过硼含量和粘土矿物组成计算恢复了须家河组古盐度,其总体介于4.8‰~19.7‰之间,平均12.8‰,远低于正常海水盐度。本文主要通过Li、Sr、Ni、Ga的元素含量及Sr/Ba值来分析水体古盐度特征。对研究区12件样品统计(表5),Li含量个别值大于90×10-6,Sr含量所有值都小于500×10-6,Ni含量个别值大于40×10-6,Ga含量所有值都大于17×10-6。通过对Li、Sr、Ni、Ga元素含量的分析,判断须家河组属于淡水-微咸水沉积环境。
表 5 七里峡剖面须家河组判别古环境主微量元素
含量表wB/10-6Table 5 Determination of major and trace element content inpaleo-sediments of Xujiahe Formation of the Qilixia section
Sr/Ba值是判断沉积时水体盐度的常用指标(田景春等, 2016)。在自然界的水体中,Sr的迁移能力及其硫酸盐化合物的溶度积远大于Ba。当水体盐度加大时,Ba以BaSO4的形式首先沉淀,而留在水体中的Sr则相对Ba富集,当水体盐度达到一定程度时,Sr以SrSO4的形式沉淀。因此,沉积物中的Sr/Ba值与古盐度呈明显的正相关(郑荣才等, 1999)。研究区须家河组一段至五段Sr/Ba值(图6a)介于0.08~0.24,须一段>须三段>须二段>须五段>须四段,总体呈下降趋势,但须一段Sr/Ba值明显高于其他沉积时期。这些变化表明在须一段沉积时期水体盐度最高,是因为须一段处于海陆过渡的环境,而其他层段沉积时已演化为陆相湖盆环境。
4.1.2 氧化还原环境
氧化还原敏感元素是确定古水体氧化还原环境的重要指标(王淑芳等, 2014)。目前,V/(V+Ni)、U/Th、V/Cr、Ni/Co、Cu/Zn、Ceanom等常用作水体的氧化还原指标。另外,也有学者利用古生物来恢复氧化还原环境,如刘丽静等(2014)通过对四川盆地东北部盘龙洞剖面晚二叠世—早三叠世古生物群落演替和古环境变化研究,推断出环境从贫氧、缺氧再到贫氧的演化过程。
在还原条件下,V比Ni以更有效的有机络合物形式沉淀下来,因此Ni的优先富集可指示硫化还原环境,V/(V+Ni)值(图6b)可指示水体氧化还原条件(表5)。研究区须家河组须一段至须五段样品V/(V+Ni)值介于0.69~0.85之间,平均值为0.76,均大于0.60,表明该区泥岩沉积时水体为还原环境。而须一至须五段V/(V+Ni)值总体有下降趋势,亦可以指示还原性逐渐减弱。
稀土元素特征也可以反映沉积时古水体的氧化还原环境。在一定的酸碱条件下,若水体为氧化环境,Ce3+会被氧化成Ce4+,Ce3+浓度降低;反之若水体缺氧,Ce3+的浓度就会增加。因此,Ceanom指数常被作为判断古水体氧化还原条件的标志(表5),计算公式为Ceanom=[3 CeN/(2 LaN+NdN)],N为北美页岩标准化值。研究区Ceanom介于0.26~0.30之间(图6c),均大于-0.1,代表当时的泥岩沉积水体处于缺氧的还原环境。
图 6 七里峡剖面须家河组元素比值及相关参数图
基于以上分析结果,认为研究区须家河组泥岩沉积期沉积水体整体为还原环境,且自须一段到须五段水体的还原性逐渐减弱,氧化性逐渐增强。
4.1.3 古气候
沉积岩中的主微量元素含量及比值已经被广泛地用于恢复古气候和判别沉积环境。FeO/MnO、Ca/Mg值等常被作为判别古气候变化的指标,也可采用Sr含量、Mn含量、Sr/Cu值等判别古气候变化(田景春等, 2016)。前人(王全伟等, 2008; 徐兆辉等, 2010)通过对孢粉植物群的研究,即喜温的蕨类植物占大多数,裸子植物中喜温类型如罗汉松、苏铁等较为繁盛,推断出四川盆地晚三叠世须家河组沉积时期气候条件温暖湿润,属于热带-亚热带气候。
Mn在干旱环境下含量比较高,在相对潮湿环境下则含量较低;Fe在潮湿环境中易以Fe(OH)3胶体快速沉淀。因此,沉积物中FeO/MnO值高时为温湿气候,低时则为干热气候(表5)。由图6可知,FeO/MnO值呈明显的旋回性,须一段、须二段呈变化不大的低值,须三、五段较须二段和须四段的比值高,因此反映出须三、五段的气候较为温湿,须一、二、四段的气候较为干热。
此外,粘土矿物的含量、组合也可以反映古气候条件。对于古气候重建而言,由岩屑形成的粘土矿物才能作为风化条件的指示,而这些粘土矿物一旦成岩就其指示的气候信息就会遭到破坏,因此,利用粘土矿物判断古气候的一个重要步骤是判断粘土矿物是否为碎屑来源(Chamley, 1989)。本次扫描电镜观察发现,研究区样品中的粘土矿物多呈不规则片状,矿物晶形一般,存在书页状高岭石、片状伊利石等(图4a、4d),粘土矿物未见次生加大,说明大部分粘土矿物并非自生成因(秦蕴珊等, 1987),指示了其碎屑来源,具有古气候分析的意义。须家河组粘土矿物有伊蒙混层、伊利石、绿泥石和高岭石,其中伊蒙混层矿物含量较高,伊蒙混层比较低(表1),一般被认为是蒙脱石在成岩作用过程中向伊利石转化的过渡产物。有学者认为伊蒙混层矿物的存在,代表气候逐渐转为潮湿的环境(曹珂等, 2010)。伊利石和绿泥石一般指示干冷的气候环境,高岭石反映温暖潮湿的气候条件,蒙脱石通常为碱性和暖湿风化气候条件下的产物(徐兆辉等, 2010)。假设泥岩中的伊蒙混层矿物均由蒙脱石转化而来,须五段泥岩中的原始蒙脱石含量应当较低,同时高岭石含量较高,反映了须五段沉积期具有最为温湿的气候背景(表1),这与须五段的FeO/MnO高值相对应。须一段至须四段泥岩中伊蒙混层矿物和高岭石含量变化不大,难以根据粘土矿物含量分析其气候演化过程,这也从侧面反映了沉积物源差异及后生成岩作用很大程度上会覆盖粘土矿物指示的气候信息。
因此,FeO/MnO值以及粘土矿物含量变化反映七里峡地区须家河组总体气候条件为温暖潮湿,其中须一、三、五段的气候较为温湿,须二、四段的气候略干热。
沉积物的地球化学特征研究对盆地物源区性质恢复具有重要的指示意义,其中稀土元素分布模式是指示盆地沉积源区性质最可靠的指标,能够真实地反映物源组成(周晓峰等, 2016)。研究区岩石样品经球粒陨石标准化后,显示与上地壳基本一致的配分模式(图7a)。从图7a中可以看出,配分曲线呈右倾型分布模式,轻稀土元素富集,重稀土元素平坦,具明显的Eu负异常,说明研究区样品的原始物质可能来自于上地壳。此外,Eu异常可作为物源类型判别指标,中性斜长岩多为Eu正异常,玄武岩大多不显示异常,而花岗岩则多为Eu负异常(刘清俊等,2014)。样品的δEu介于0.21~0.24之间,显示了源岩中花岗岩具Eu亏损。同时,通过与周缘岩体稀土元素配分曲线的对比(图7)可以得出,七里峡须家河组泥岩与南秦岭地区的花岗岩、闪长岩和玄武岩配分曲线最为吻合,其次与龙门山和米仓山-大巴山地区的花岗岩较为吻合。
微量元素比值对于碎屑物源也具有良好的指示作用,能指示沉积物源区岩石的成分特征。Th/U值是确定物源类型的重要标志(Bhatia and Taylor, 1981; Bhatia, 1983),沉积岩中的U4+和U6+在再循环过程中受到氧化,以可溶的状态从沉积岩中损失掉,从而引起Th/U值的增高。Th/U值为2.5~3.0时,物源主要为岛弧火山岩;Th/U值约为4.5时,主要为沉积岩,可能有岛弧火山岩混入;Th/U值约为6时,其物源主要是再旋回沉积岩(Bhatia and Taylor, 1981; Bhatia, 1983)。须家河组泥岩的Th/U值介于2.0~5.4之间,平均值为4.1,说明物源主要为沉积岩和岛弧火山岩。根据La/Yb-∑REE源岩判别图解进行研究区岩石样品投点(图8),可见样品基本上都落在沉积岩与花岗岩、钙质泥岩、碱性玄武岩与花岗岩交汇区域,说明四川盆地七里峡地区三叠系须家河组一、三、五段源岩主要为沉积岩、钙质泥岩、碱性玄武岩以及花岗岩,显示出样品物源的多样性。
施振生等(2011)根据对ZTR指数分析得到须家河组主要发育西南、西北、东北和东南4个物源,且川东北部的母岩主要以低级变质岩和沉积岩为主;戴朝成等(2014)通过对轻、重矿物和岩屑类型、稀土和微量元素分析得到川东北坳陷物源主要受米仓-大巴山逆冲推覆带控制,且须四期龙门山的逆冲推覆运动强于须二期;张超(2017)由轻矿物分析砾岩特征推断盆地东北部的物源来自秦岭及大巴山古隆起。故根据前人研究(淡永等, 2013; 谢继容等, 2006; 周晓峰等, 2016)可知,华南和华北两大板块在中三叠世末期碰撞形成秦岭褶皱造山带,该造山带在晚三叠世持续向四川盆地北-北东部供给物源;而三叠纪末龙门山也开始隆起并向盆地提供物源。因此,川东北地区须家河组早期(须一段)物质来源主要是南秦岭地区,部分为龙门山地区。须二期以后,米仓山-大巴山造山带周期性的强烈逆冲推覆活动和持续隆升,加大了北东方向物源的供给,因此须家河组晚期物质来源逐渐以米仓山-大巴山造山带为主,同时携带了来自南秦岭的再旋回物源。这种多源性也与七里峡泥岩和周缘岩体稀土元素配分曲线分析结果以及La/Yb-∑REE源岩判别图解投点情况相吻合。
综合地球化学特征及前人的研究工作可以认为,川东北七里峡地区须家河组原始物质在早期(如须一段、须二段)主要来自南秦岭地区的闪长岩、花岗岩和玄武岩,部分来自龙门山地区的花岗岩,晚期物质来源主要以米仓山-大巴山花岗岩为主。
(1) 七里峡地区三叠系须家河组样品中主量元素SiO2、CaO和Na2O亏损,其余氧化物较上地壳轻微富集,其中CaO、Na2O、MnO含量变化较大。Li、V、Cr、Ni、Cd、Cs等微量元素较上地壳富集,Sc、Co稍微富集, 而Sr、Mo、Ba、Zr、Hf等元素则表现为亏损,其中Sr元素异常亏损。稀土元素含量高,轻稀土元素富集,重稀土元素平坦,Eu呈负异常,Ce呈正异常。
图 7 七里峡剖面须家河组泥岩与周缘岩体稀土元素配分模式
图 8 七里峡剖面须家河组泥岩La /Yb-REE图解(据Allègre and Minster, 1978)
(2) 通过对Li、Sr、Ni、Ga元素含量的分析,推断七里峡地区须家河组总体属于淡水-微咸水沉积环境。此外,根据Sr/Ba值可知水体盐度大小变化为须一段>须三段>须二段>须五段>须四段,总体呈下降趋势,推测是因为须一段处于海陆过渡相,而其他层段为陆相环境所导致。古氧化还原参数指标V/(Ni+V)、Ceanom显示七里峡地区须家河组沉积期水体为缺氧的还原环境,且须一至须五段还原性逐渐减弱。对FeO/MnO值进行分析,再结合粘土矿物含量分布可以判断七里峡地区须家河组沉积时期的气候条件总体上为温暖潮湿,但须三、五段气候条件相比须一、二、四段更为温湿。
(3) 根据地球化学分析七里峡地区须家河组源岩在早期(如须一段、须二段)主要来自南秦岭地区闪长岩、花岗岩和玄武岩的混合,部分来自龙门山地区的花岗岩,晚期物质来源以米仓山-大巴山花岗岩为主。
致谢本次野外样品采集工作以及文章的完成得到谢奋权、刘帅、宋南南、杨志辉、高运志的大力支持和热情帮助,匿名审稿人进行了认真审阅并提出建设性意见,在此深表感谢!