天津蓟州雾迷山组与洪水庄组沉积环境与地球化学特征

贾雨东，王德海，王新宇，巴燕·夏木提汗，郭忆茹

吉林大学 地球科学学院，长春 130061

0 引言

燕辽地区的天津蓟州(原蓟县)剖面历来被当作中国中—新元古界标准剖面，具研究早、地层连续、研究价值高和研究程度深等特点。前人在燕山地区对中新元古界的地球化学特征以及沉积环境已有一定研究。罗顺社等研究了燕山地区宣龙坳陷洪水庄组[1]和冀北坳陷雾迷山组[2]地球化学特征，认为雾迷山组沉积时期气候干旱，洪水庄组沉积时期气候温暖湿润。罗情勇等[3]就华北北部洪水庄组页岩进行了物源及风化作用研究，得出相似结论。笔者在总结前人研究成果的基础上，依托野外露头岩性识别与18块样品化学测试分析，开展天津蓟州雾迷山组与洪水庄组的地球化学特征研究，以揭示其沉积环境，对于明确该区沉积特征和沉积环境等有促进作用，可为该区及邻区环境古地理研究提供依据。

1 区域地质背景

天津蓟州中—新元古界剖面出露于天津市蓟州区东北部约8 km处，处于燕山古海盆地内凹陷，具有地层厚度大、地层发育齐全、层位连续、接触关系清晰等优点[4]，是中、新元古代地质研究的理想场所。中—新元古代华北地台进入了坳拉谷发展阶段，燕辽坳拉谷位于内蒙古古陆南侧，是华北地区强烈坳陷地带。研究区位于燕辽坳拉裂谷盆地东北部，雾迷山组沉积时期，华北北部在杨庄组沉积末期大幅度下降，海域迅速扩大，海平面升降运动频繁，广泛发育碳酸盐岩。洪水庄组是雾迷山组海进海退旋回的继续，此时海水逐渐退去，海域面积大幅度减小，使洪水庄组地层退覆于雾迷山组地层之上(图1)。古地磁资料显示[5]，蓟州沉积地层多处于30°S～30°N的低纬度古地理区，为蓟州地区形成大量碳酸盐岩提供了古地理依据。

Chc.长城系常州沟组；Chch.长城系串岭沟组；Cht.长城系团山子组；Chd.长城系大红峪组；Chg.长城系高于庄组；Jxy.蓟州系杨庄组；Jxw.蓟州系雾迷山组；Jxh.蓟州系洪水庄组；Jxt.蓟州系铁岭组；待建系下马岭组；Qnc.青白口系长龙山组；Qnj.青白口系景儿峪组；∈f.寒武系府君山组；Q.第四系。图1 研究区位置图Fig.1 Location map of study area

2 地层及沉积环境分析

通过对天津蓟州中—新元古界剖面的观察及分析，认为在研究区内的雾迷山组与洪水庄组广泛发育碳酸盐岩台地相，其特征为海底地形极其平缓，碳酸盐岩十分发育，沉积亚相可分为潮坪亚相和潟湖亚相，其中雾迷山组主要发育潮坪亚相，洪水庄组主要发育潟湖亚相(图2)。

图2 天津蓟州中—新元古界雾迷山组与洪水庄组地层柱状图Fig.2 Stratigraphic column of Wumishan Formation and Hongshuizhuang Formation in Meso--Neoproterozoic in Jizhou, Tianjin

雾迷山组地层厚度3 264.8 m，继承了杨庄组末期的海侵，以富镁的碳酸盐岩为主，夹少量碎屑岩和黏土岩，碳酸盐岩类型韵律明显，发育有大量叠层石，水体深浅变化频繁，反映了海水的进退过程。雾迷山组最基本的沉积韵律自下而上为：底层为潮上带上部的含砂泥质泥晶白云岩；下层为潮间带的纹层状硅质条带微晶白云岩；中层由潮下带厚层至块状亮晶白云岩组成；上层为潮间带的纹层状硅质条带微晶白云岩；顶层为潮上带浅色硅质条带微晶白云岩。根据水体能量的强弱将潮坪亚相细分为潮上带、潮间带和潮下带3种微相。潮上带离海岸较近，位于平均高潮面和最大高潮面之间，常在干旱条件下，陆源物质供给相对较为充足，常有碎屑物质的混入。潮间带位于平均低潮面与平均高潮面之间，岩石类型主要为粉晶白云岩、内碎屑白云岩和硅质团块，颜色以浅色为主，可见韵律特征(图3a)。潮下带位于平均低潮面之下，岩石类型主要是砂砾屑白云岩。研究区雾迷山组以潮上带-潮间带-潮下带沉积环境的韵律反复为主[6](图3b)，反映了雾迷山组沉积时期潮汐作用更迭频繁。末期水体开始变浅，海水退却。

洪水庄组是雾迷山组海侵—海退的沉积韵律的继续，受沉降作用影响，海域面积大面积减少。洪水庄组下部岩性主要为灰白色微晶白云岩夹薄层灰绿色页岩；上部岩性主要为灰白色、绿色、黑色、棕色泥页岩夹粉砂岩或细砂岩(图3c)，多为纹层状水平层理(图3d)。整体沉积环境以泻湖沉积为主，洪水庄组叠层石不发育，藻类植物发育。

a.雾迷山组潮间带韵律变化；b.雾迷山组碳酸盐岩沉积韵律；c.黑洪水庄组灰白色、绿色、黑色、棕色泥页岩夹粉砂岩或细砂岩(地质锤总长33.5 cm)；d.洪水庄组水平层理(地质锤总长33.5 cm)。图3 研究区雾迷山组与洪水庄组沉积特征Fig.3 Sedimentary characteristics of Wumishan Formation and Hongshuizhuang Formation in study area

3 地球化学特征

本文利用的碳酸盐岩、硅酸盐岩样品均采自天津蓟州中—新元古界剖面，共计18件，其中雾迷山组9件、洪水庄组9件，用于常量和微量元素分析。样品未受到风化作用影响。由自然资源部东北亚矿产资源评价重点实验室采用的X射线荧光光谱测试，检测的元素有Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti、P。选取其中含量较高，变化范围较大的元素作为研究对象(表1)。

表1 雾迷山组—洪水庄组岩石地球化学分析数据Table 1 Geochemical analysis data of Wumishan Formation--Hungshuangzhuang Formation

3.1 相关性分析

沉积环境、物源区和成岩作用等会对元素的含量产生影响，对各元素两两之间的相关系数进行分析从而研究各元素之间的关系(表2)。

表2 各组分及元素质量分数相关系数Table 2 Correlation coefficients of mass fraction of each component and element

(1)SiO2与CaO和MgO呈明显负相关关系(R值分别为-0.993和0.974)，表明沉积环境中陆源物质会抑制碳酸盐岩矿物的生成和沉淀。

(2)Al2O3与K2O、TFe、Na2O、TiO2具有明显的正相关关系(R值分别为0.955、0.986、0.943、0.99)，而与CaO和MgO呈明显负相关关系(R值分别为-0.912、-0.853)。因为Fe常吸附于黏土矿物中，Al为黏土矿物的格架组分，K是伊利石黏土的主要组分，主要赋存于黏土矿物中，代表了陆源泥质。

(3)MnO与SiO2、TFe有明显的正相关关系(R值分别为0.737和0.557)，表明研究区Mn元素与陆源物质相关，李超等[7]与李双应等[8]的分析结果也表明，Mn和Fe主要受陆源黏土含量控制。

(4)Sr与Ca有弱的负相关性，是Sr的离子半径与Ca的离子半径相近，置换碳酸盐岩中Ca2+的结果，因而Sr可在富含碳酸盐矿物的岩石中富集[9]。

3.2 地球化学特征

(1)雾迷山组和洪水庄组主量元素组成差异较大，是由于研究区雾迷山组发育碳酸盐岩，洪水庄组发育泥岩、页岩。化学组成方面，雾迷山组以CaO与MgO为主，两者含量相近，SiO2含量较多，Al2O3、K2O、Na2O含量较少；洪水庄组以SiO2为主，含有较多的Al2O3、K2O，少量的CaO、MgO与Na2O。其中雾迷山组沉积时混入陆源碎屑，体现为SiO2增多。

(2)雾迷山组与洪水庄组微量元素的平均含量差异较大，表现为洪水庄组具有较高的B与Sr，而Cu较低。王敏芳等[10]认为海相环境中B质量分数为(80～120)×10-6，而淡水环境中B质量分数多<60×10-6。洪水庄组B含量平均值为98.12×10-6，反映了洪水庄组沉积时为潟湖环境；雾迷山组B含量平均值为8.9×10-6，反映了雾迷山组沉积时为淡水环境，对应关系良好。

4 沉积环境分析

根据地球化学分析结果，通过元素之间的比值、元素含量等(图4)，对雾迷山组与洪水庄组的陆源供应、古水深、古盐度以及古气候展开研究讨论。

图4 元素含量及元素比值变化图Fig.4 Diagram showing variation of element content and element ratio

(1)Ti是一种较为稳定的元素，一般不溶于海水，因而Ti元素在海水中含量很低，主要来自于陆源碎屑，所以可以通过Ti元素来确定陆源供应。研究区内洪水庄组的Ti元素平均相对含量为0.3%～0.6%，说明洪水庄时期陆源碎屑物质供应良好，导致Ti元素含量较高。而雾迷山组平均相对含量<0.2%，主要原因是该时期是以碳酸盐岩沉积为主，陆源碎屑供应相对于洪水庄组较少，但1号、5号以及9号样品含量明显偏高，说明雾迷山组也有短时期的陆源物质供应。Al元素作为陆源组分的代表[11]，具有和Ti元素相一致的趋势，洪水庄组Al元素含量普遍>12%，而雾迷山组大部分介于0.1%～0.3%之间，高值与Ti元素对应，反映了短时期陆源供应的特征。

(2)Fe和Mn元素在沉积作用过程中由于化学性质的差异其分异现象较为明显，并且主要受水介质的Eh值与pH值的控制。铁的氧化物在pH值<3时溶解度最大，当入海或入湖时，由于pH值提高，其溶解度降低，发生沉淀作用。而Mn的氧化物、硫化物的稳定性大于Fe，可在水盆中发生长距离迁移。因而Fe/Mn可以反映沉积物在水盆中搬运的相对距离和水深[9]。研究区雾迷山组Fe/Mn比值明显整体低于洪水庄组，说明洪水庄组沉积时期水深大于雾迷山组沉积时期，与野外露头识别出的岩性对应关系良好。

(3)镁铝比值m=100×MgO/Al2O3，可作为沉积环境古盐度的判别标志[12]。经雅丽等[13]认为，淡水环境中的m<1，海陆过渡性环境中m介于1～10，海水环境中m介于10～500，陆表海或泻湖碳酸盐岩沉积环境中m>500，另外m也会随着湖水的逐渐咸化而增大。研究区雾迷山组m绝大部分介于695～21 670，只有9号样品m=309，表明雾迷山组属于陆表海或泻湖碳酸盐岩沉积环境。除去3号样品m=108 050的异常高值，m值上下浮动剧烈，反映了雾迷山组沉积时期海水进退频繁，与所识别出潮上带-潮间带-潮下带沉积微相的反复韵律相一致。而洪水庄组的m值介于8～12，古盐度较低，可能是由于沉积环境由雾迷山组的潮坪沉积过渡为洪水庄组的潟湖沉积，来自河流或者大气的淡水注入潟湖，而此时气候相对潮湿，淡水注入量超过蒸发量，导致潟湖上部水体部分进入海洋，淡水的不断补给以及潟湖中盐度较高的水体外流，此时的潟湖水体逐渐淡化，致使洪水庄时期的古盐度较低[14]。

(4)Mn和Fe在不同的气候条件下赋存情况不同，Mn在干旱环境下含量比较高，而Fe在潮湿环境中易以 Fe(OH)3胶体的形式快速沉淀，因而沉积物中 Fe/Mn高值对应潮湿气候,低值对应干热气候。气候潮湿导致淡水输入增多，盐度降低，此时Al元素含量较高；干旱气候条件下，水体蒸发强烈导致盐度增加，Na元素以盐类形式富集[15]，因此Na/Al比值也可反映气候。研究区雾迷山组Fe/Mn比值明显整体低于洪水庄组，洪水庄组Na/Al比值低于雾迷山组，均反映了雾迷山组为干热气候，洪水庄组为潮湿气候。其中雾迷山组Fe/Mn比值的浮动变化说明了由水体深浅变化引起的偏干旱与偏短暂湿润气候频繁转换的沉积特点。

Nesbitt et al.[16]提出应用化学蚀变指数(CIA)评价物源区化学风化程度,CIA可以很好地评价长石向黏土矿物(如高岭石)转化的程度。CIA=50～60指示初级风化作用强度,CIA=60～80指示中等风化作用强度,CIA=80～100指示强烈风化作用强度。洪水庄组页岩CIA值分布范围为62.767～68.561，平均值为65.260。因此该组页岩CIA值表明其物源区发生了中等风化作用。化学风化作用主要受水分和温度的影响，在寒冷干燥气候下，昼夜温差大，机械风化作用增强，使得岩石破碎，但降雨量小，导致化学风化作用不强。但在温暖潮湿的气候条件下，由于气温高、降雨量大、微生物活跃，有利于化学风化作用的发生[3]。故中等化学风化作用表明洪水庄组沉积时期的气候应是温暖潮湿的。

5 结论

(1)雾迷山组沉积相为潮坪亚相，洪水庄组为潟湖亚相。其中雾迷山组以潮坪亚相中潮上带-潮间带-潮下带沉积环境的韵律反复为主，洪水庄组主要为潟湖沉积。

(2)雾迷山组样品的化学成分以CaO和MgO为主，两者含量相近，较多的SiO2含量显示该时期碳酸盐岩沉积时混入较多的陆源碎屑；洪水庄组样品的化学成分以SiO2为主。

(3)镁铝比值显示雾迷山组沉积环境为典型的碳酸盐岩沉积环境，洪水庄组为潟湖沉积环境，这与野外露头岩性判断结论相一致。

(4)Mn含量、Na/Al以及Sr/Cu比值显示雾迷山组沉积时期气候干旱，并且具有偏干旱与偏短暂湿润气候频繁转换的沉积特点，洪水庄组沉积时期气候温暖潮湿。