苏宏图白垩系黏土岩元素地球化学和黏土矿物特征及其古气候意义

饶耕玮, 刘晓东*, 刘平辉, 戴朝成, 黄光辉

(1.东华理工大学地球科学学院, 南昌330013; 2.核资源与环境国家重点实验室, 南昌330013)

沉积物中地球化学元素特征受气候环境等多种因素的影响[1]而不同地球化学元素在不同的气候环境中具有不同的表现，不但为古气候及环境的演化提供可靠信息[2]在记录古环境、古气候方面也具有很好的优越性[3]；黏土矿物存在于各种类型的沉积物(岩)中，其形成和转化与气候(尤其是温度和湿度)有十分密切的关系[4]。通常在温暖潮湿气候条件下，淋滤作用较强，碱金属(碱土金属)元素容易流失，利于形成蒙脱石等黏土矿物；寒冷干燥气候条件下，淋滤作用较弱，利形成伊利石等黏土矿物[5]，由于黏土矿物批量分析测试相对简单且其相对组成能较好地反映古气候条件[6-7]，元素地球化学特征又能准确地示踪古气候环境，因此越来越多的学者运用元素地球化学和黏土矿物特征来反演古气候和环境[8]，并取得了较大的成功(如方谦等[9]通过自生黏土矿物对古气候的指示作用；张哲[10]通过三水盆地下白垩统的黏土矿物，反演出区域构造及气候事件),可见黏土矿物对古气候的指示作用及其准确度，受到越来越多学者的青睐。

内蒙古阿拉善左旗北部苏宏图地区白垩系苏红图组地层主微量元素特征及其古环境未曾详细报道，研究深入不够[11]，本文主要依托“高放废物地质处置库西北地区黏土岩地段筛选与评价研究”项目，对内蒙古阿拉善左旗北部苏宏图地区白垩系苏红图组地层进行古气候恢复研究。分析研究SZK-1钻孔岩心样品的元素地球化学和黏土矿物特征，并对应沉积体系垂向上的分布差异[12]，首次运用元素地球化学和黏土矿物特征来结合的方法反演苏宏图地区白垩系晚期的古气候环境，较为全面的分析出苏红图组各时期地层的元素地球化学和黏土矿物特征，为今后这个地区的沉积环境和地球化学工作提供一定的数据基础。

1 地质概况

苏宏图位于巴音戈壁盆地苏宏图凹陷的次级凹陷-艾力特格凹陷，北至苏宏图深断裂，南界为宗乃山-沙拉扎山隆起带，呈东西向展布，倾向北(图1)。出露的主要地层为下白垩统苏红图组、巴音戈壁组，基底埋深小于500 m。断裂活动期主要为华力西期，次为加里东及燕山期。中新生代以燕山期断裂为主，印支期和喜山期分布较少，SZK-1钻孔样品的采集位置可见图1。

研究区主要发育陆相沉积，白垩系在研究区分布最为广泛，发育最为齐全。下白垩统从下到上分为巴音戈壁组、苏红图组和银根组，巴音戈壁组从下到上又分为下段和上段，苏红图组也分为上下两段，上白垩统为乌兰苏海组。主要沉积盖层可见表1。研究区目标主要为下白垩统苏红图组的地层。

下白垩统苏红图组以扇三角洲相沉积为主(图2)，盆地局部发育较大规模的河流相沉积系，盆缘主要分布冲积扇体系，湖泊相沉积体系主要分布在SZK-1钻孔周围[13]。

2 样品的采集与分析

采集巴音戈壁盆地艾力特格坳陷苏红图组的岩心样品，共采取31个岩心样品，采集层位如图2所示。实验选取了31件过200目筛的黏土岩粉末样品，预处理及地球化学(主量、微量元素)分析测试均在澳实分析检测(广州)有限公司完成。实验仪器分别为电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)，仪器型号Aglilent，产地美国。电感耦合等离子体发射质谱仪(ICP-MS)，仪器型号Perkin Elmer Elan 9000，产地美国，在系统设定上，检测方法的准确度和精密度(相对偏差和相对误差)均控制在小于(10±5)%。全岩矿物学分析和黏土矿物含量分析均在东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室，采用X射线粉晶衍射(XRD)分析方法，实验仪器为德国布鲁克D8 ADVANCE，测角仪精度为0.000 1°，准确度小于等于0.02°。扫描电子显微镜(SEM)可以观察矿物的微观形貌特征，能谱分析可以得出元素的种类及质量百分比，亦可进一步验证XRD的实验数据的可靠性，其实验均在东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室完成，实验仪器采用JSM-35CF型扫描电子显微镜，仪器型号Nova Nano SEM450；能谱仪型号Inca Energy X-Max20；加速电压10 kV，分析取小块岩石样品的自然断面，喷铂金，用导电胶黏到样品座上，放到电镜下观察。为避免氧化和可能的污染样品采集后进行密封封存，且选样分布较为均匀，尽可能消除外在因素导致的数据偏差。

图1 苏宏图地区构造及取样位置图Fig.1 Structure and sampling location map of Suhongtu Area

表1 巴音戈壁盆地沉积盖层特征

图2 SZK-1岩性岩相剖面图Fig.2 Lithologic lithofacies profile of SZK-1

3 测试结果

3.1 元素地球化学分析结果

主量元素和微量元素测试分析结果见表2、表3。分析结果表明样品的烧失量在3.89%～12.86%，平均可达7.78%，烧失量值相对较大，且波动明显，因为样品整体黏土矿物含量较高，推测可能由于中碳酸盐和黏土矿物中结构水的失去所引起。SiO2在48.90%～68.01%，均值可达58.29%，在所有样品中均含量较高，是主要的化学组成。含量最低的元素为MnO，均值只有0.09%。且各主量元素含量在样品中相对稳定。Cu、Sr、Mn等微量元素在样品中整体含量较高，推测由于在干燥气候下水分蒸发，导致水介质碱性增强，而Ni、Zn、Co等微量元素整体含量不是很高但波动明显，可能是由于干湿气候变化差异大导致，Na、K、Ca等元素则由于易受到化学风化作用，因此含量变化稍有差异。

表2 SZK-1钻孔样品主量元素测试结果

表3 SZK-1钻孔样品相关微量元素测试含量

3.2 X射线晶粉衍射分析结果

通过图3的XRD图谱可分析各矿物的特征峰值，可见伊利石特征峰峰数较齐全，强度较大，对称性较好，说明其含量高；石英、方解石和钠长石的衍射峰，表明含量相对较高；其他矿物衍射峰不太明显，说明含量相对较低。对SZK-1井31个苏红图组的岩心样品进行全岩XRD分析可知，主要矿物包括黏土矿物、石英、钠长石和白云母；次要矿物为方解石、石膏、白云石、方沸石(图4)。

图3 SZK-1井样品多晶X射线衍射曲线Fig.3 Polycrystalline X-ray diffraction curves of well SZK-1 samples

图4 SZK-1井样品矿物组成含量Fig.4 Mineral composition content of well SZK-1 samples

通过表4可知，全岩中黏土矿物含量最多，且变化幅度较大(16.8%～53.8%，平均含量31.39%)，考虑到研究样品为同一地层，推测其变化可能主要受气候环境和外动力搬运的影响。含量次之的钠长石平均含量占19.06%且含量变化相对稳定，石英含量在3.43%～45.68%，平均可达14.81%，波动同样较大，说明沉积环境受外动力影响较大。所有样品中均见有方沸石和白云石，但含量较低(方沸石平均含量4.48%白云石含量仅占0.87%)。单独对样品黏土矿物XRD含量进行分析可见表5，分析结果显示31个样品具有相似的黏土矿物组合，以伊利石为主(含量在66.1%～90.6%，均值可达75.8%)，其次为高岭石和绿泥石(平均含量分别为12.2%和11.2%)，而蒙脱石含量极少，不到总黏土矿物的1%。

3.3 扫描电镜与能谱分析结果

扫描电镜分析结果显示，样品中主要黏土矿物伊利石为叶片状伊利石[图5(a)]，晶体边缘不甚整齐，表面呈鳞片状排列，为叶片状伊利石集合体，少量叶片与颗粒表面斜交，推测是被次生石英或长石晶体生长时掀起导致，极少见叶片状伊利石晶体自立于颗粒表面[14]；镜下还可见钠长石矿物呈纹层状和条带状产出，部分呈斑块状或呈胶结物和碎屑状，可见化学沉淀形成的镶嵌状或堆晶结构，并常伴随溶蚀现象[图5(b)]。能谱分析显示黏土矿物主要成分为O、Si、Al，其次为K、Fe、Mg等元素，与伊利石[K0.5(Al-Fe-Mg)3(Si-Al)4O10(OH)2]的化学成分一致(图6)。

表4 SZK-1井样品全岩多晶X射线衍射分析结果

表5 SZK-1井样品黏土矿物含量

图5 SZK-1井样品扫描电镜微观形貌特征Fig.5 Microscopic morphology characteristics of Well SZK-1 samples by scanning electron microscope

4 讨论

4.1 元素地球化学对古气候的指示

某些化学元素在地层中含量的变化可在一定程度上反映沉积物形成时的构造地质条件和古气候特征[15]，其主微量元素含量及其相关比值(Na、Ca、Mg、Sr及Mg/Ca、Sr/Ca、Al2O3/MgO等)在判别沉积环境等方面得到了广泛的应用[16]。

P元素对古气候变化较为灵敏，在干燥的环境下，某些低等生物因水体蒸发，盐度剧增而死亡，从而使P元素相对富集；Mn含量一般用于指示气候的干湿程度，Mn含量越高，表示蒸发作用越强[17]。SZK-1钻孔苏红图组样品的P含量在310～930 μg/g，平均值为619 μg/g，Mn含量在307～1 390 μg/g平均值为693 μg/g，样品分析可知苏红图组总体呈现干旱炎热的气候环境，通过P和Mn含量变化曲线(图7)可知，整体的沉积环境极其干燥，有干湿变化的波动，且扇三角洲前缘沉积的古气候相对湿润。

图7 样品P、Mn含量变化趋势曲线Fig.7 Trend curves of P and Mn values of samples

图8 样品元素地球化学古气候指示Fig.8 Elemental geochemical paleoclimate indicator map of sample

Sr/Cu、Mg/Ca、SiO2/Al2O3等元素的比值均是判别古气候环境的常用指标[18]。Sr是典型的喜干型元素，含量高时代表干旱的气候，反之则指示湿润的气候；Sr/Cu对气候具有敏感的变化，当其处在1.3～5时指示温湿的气候，大于5时指示干旱的气候；相对于Ca元素，Mg在高温下更易沉积，因此Mg/Ca常会随着干旱程度的增加而增大(在极度干旱的情况下，Mg/Ca所指示的意义刚好相反[19])；在潮湿气候下SiO2由于化学风化而搬运迁移，Al2O3在潮湿气候下大量富集，因此常运用沉积岩中SiO2/Al2O3来反映古气候特点，通过图8可知，Sr/Cu远大于5，表现出极度干旱的沉积环境，SiO2/Al2O3曲线与Sr/Cu的相一致，Mg/Ca则由于极度干旱的原因，在样品S29前比值较小。

4.2 黏土矿物对古气候的指示

黏土矿物是大多数海陆相碎屑沉积物的重要组成部分，因其晶体结构和颗粒细小使得它对地质环境的变化特别敏感，而黏土矿物的类型和组合与沉积环境、古气候等有着密切的关系[20]。

黏土矿物分为自生黏土矿物和碎屑黏土矿物，只有碎屑黏土矿物才能反映源区的风化情况，所以利用黏土矿物分析古气候时，需要进行黏土矿物成因的判别。成岩作用过程中会导致黏土矿物性质发生转变，影响其可靠性。通过表5可知样品黏土矿物主要为伊利石，绿泥石和高岭石的含量大体上呈现此消彼长的趋势，扫描电镜下黏土矿物主要为伊利石，偶见绿泥石和高岭石，基本不可见蒙脱石和伊利石-蒙脱石混层，伊利石主要呈现片层状构造，且边缘呈不规则的参差状，表明其经历过搬运沉积过程并遭受侵蚀，主要为碎屑来源。可以指示古气候环境。

伊利石主要形成于气温低、淋滤作用差的弱碱性介质环境中，反映干冷气候环境；绿泥石形成环境同伊利石一样，同样指示干冷的气候环境，因此伊利石和绿泥石含量的逐渐增加表示了逐渐干旱的气候条件，而当黏土矿物中绿泥石含量占一定的比例时，则反映当时气温较高，相对干旱的环境[21]；高岭石作为潮湿的热带、亚热带地区的典型黏土矿物，多由长石风化淋滤而成[22]，或形成于酸性介质环境中，反映了温湿的古气候条件，与绿泥石反映的古气候条件截然相反，因此二者的含量也常出现此消彼长的规律。样品黏土矿物为伊利石、绿泥石的组合，反映当时主要为干燥寒冷的气候，高岭石含量的波动表示当时虽然总体为干燥环境，但也伴随着干湿沉积环境的变化。

5 结论

(1)通过分析样品的元素地球化学特征可知，SiO2为主要的化学组成，平均可达58.29%，含量最低的元素为MnO，均值只有0.09%，Cu、Sr、Mn、Ni、Zn、Co等微量元素特征差异可推出沉积环境总体干燥，且干湿气候变化差异较大。

(2)通过XRD分析可知全岩中黏土矿物含量最高，黏土矿物中伊利石含量最高，XRD图谱上表现为特征衍射峰峰形宽缓、不对称、鞍峰比较高，表明黏土矿物主要是陆源风化作用的产物，并经过搬运和沉积作用而保存，而不是化学沉积和自生作用的结果。扫描电镜下黏土矿物主要呈现片层状构造，且边缘呈不规则的参差状，表明黏土矿物经历过搬运沉积过程并遭受侵蚀，主要为碎屑来源。

(3)通过P、Mn元素的含量和Sr/Cu、Mg/Ca、SiO2/Al2O3等元素的比值分析可知，白垩系苏红图组总体呈现极度干燥的沉积环境，不同亚相之间沉积环境稍有干湿变化，且扇三角洲相对湿暖。

(4)通过黏土矿物含量可知伊利石为主要的黏土矿物，其次为绿泥石、高岭石，黏土矿物的组合类型为伊利石、绿泥石的组合，且绿泥石和高岭石呈现此消彼长的现象，反映了干燥寒冷的沉积环境，并伴随着干湿的气候变化。