胶莱盆地止凤庄组、红土崖组微量元素地球化学特征及古环境分析

余继峰，曹慧涛，付文钊，张典栋，胡晓珂，王亚东

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院，山东 青岛 266590； 2.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000)

胶莱盆地是华北克拉通东缘的白垩纪复合改造型盆地，东南缘通过苏鲁造山带与华南板块相接，盆地东南方向紧临的灵山岛是胶莱盆地的一部分[1]。近年来，对胶莱盆地白垩纪沉积环境的研究不断深入，但观点不一。彭楠等[2]认为胶莱盆地莱阳群止凤庄组以冲积扇-河流沉积为主，早白垩世沉积环境相对温暖湿润。李守军等[3]在灵山岛下白垩统莱阳群法家茔组中首次发现鱼类化石LecopterasinensisWoodward和叶肢介化石YanjiestheriaChen，也认为早白垩世胶莱盆地属陆相沉积。任天龙等[4]认为红土崖组主要为河道-河漫滩沉积环境，气候相对温暖湿润。但张松梅等[5]曾在山东省胶南地区莱阳群发现绒枝藻海相化石，对灵山岛莱阳期的陆相沉积持异议。冯乔等[6]利用地球化学指标分析认为胶莱盆地莱阳群瓦屋夼组与水南组为海相沉积。吕洪波等[7]认为灵山岛下白垩统莱阳群是一套远源浊积岩，指出该套浊积岩是扬子板块和华北板块碰撞前的残余洋盆沉积。因此，胶莱盆地白垩系是陆相沉积还是海相沉积尚无定论，其中灵山岛莱阳群的沉积环境是争论的焦点。从研究手段来看，支撑海陆相沉积的证据主要为岩石特征、化石以及地层中的镜煤条带、叠瓦构造等[8]，而应用元素地球化学方法对该套地层沉积环境的研究较少。为此，对胶莱盆地莱阳群止凤庄组和红土崖组及灵山岛莱阳群法家茔组野外露头剖面进行观察描述和采样(图1)，并进行微量元素分析，进而从反映出的古盐度、古气候、氧化还原性等特征还原目标层的沉积环境。

图1 研究区地质简图及剖面位置

1 地质概况

山东位于华北克拉通中东部，沂水断裂带将其分隔为东西两部分。胶莱盆地发育于沂沭断裂带东侧，北部至胶北隆起，西部跨越平度凹陷直至沂沭断裂带，南部通过五莲-荣成断裂与苏鲁造山带胶南隆起相邻，东部相隔海阳和乳山入黄海延伸至千里岩断裂[9](图1(a))。胶莱盆地可分为基底和盖层两大岩系，太古界和元古界的变质岩系构成基底，白垩系、古近系和第四系构成盖层。白垩系由老到新分别为莱阳群、青山群、王氏群[10](图2)。灵山岛位于青岛黄海海域，构造上属苏鲁造山带，岛上出露地层以下白垩统莱阳群法家茔组沉积岩(图1(b))和青山群八亩地组火山碎屑岩为主。

图2 研究区地层柱状图与采样位置

莱阳群止凤庄组标准剖面位于莱阳市龙旺庄镇止凤庄村南附近，止凤庄组与水南组整合接触，以紫褐色、灰黄色砾岩、砂岩为主，夹少量紫灰色泥岩、泥质粉砂岩。发育水平层理和交错层理。王氏群红土崖组是胶莱盆地最主要的恐龙化石产出层位，标准剖面位于莱阳市古柳镇吴家庄附近的红土崖剖面。红土崖组整合于辛格庄组之上，以一套砖红色、紫红色砂岩、粉砂岩夹砂砾岩沉积为主，粗碎屑岩底部具冲刷构造(图2)；灵山岛莱阳群出露较好的剖面有4条：钓鱼台剖面、灯塔剖面、千里崖剖面、船厂剖面(图1(b))，其中船厂剖面主要由灰色粉砂岩与薄层泥岩互层构成，泥岩发育水平层理。

2 岩石学特征

本研究分别对止凤庄组、红土崖组及法家茔组野外露头进行了样品采集，具体采样位置见图1(b)、图2。采样时注意两个原则：一是保证样品新鲜，二是重点采集细粒沉积岩样品。共采集泥岩、泥质粉砂岩等样品16块，包括止凤庄组7块，红土崖组6块，法家茔组3块。由部分样品显微镜下观察(图3)可见，红土崖组H-5样品为泥质粉砂岩，含有少量细砂粒级石英颗粒，除有黏土矿物构成的泥质胶结外，还可见到红色的铁质胶结物；法家茔组F-1样品为粉砂岩，分选较好，见较多白云母片，少量泥质胶结物；止凤庄组样品Z-7为泥质粉砂岩，含少量磨圆较好的石英粗粉砂颗粒，自生黏土矿物含量较高，其余样品岩性特征见表1。

表1 样品岩性特征

3 微量元素特征

早期，人们主要通过研究沉积岩结构、构造及所含的古生物化石去分析沉积环境。随着沉积地球化学学科的发展，利用沉积岩或沉积物中微量元素富集程度来判定和恢复沉积环境越来越成为沉积学研究的重要手段，为沉积环境分析提供了帮助[11]。上述样品预处理后，采用等离子质谱仪ICP-MS(分析误差≤1%)对其进行了微量元素测试，结果见表2～3。

由微量元素NASC标准化蛛网图(NASC标准化数据引自文献[12])可看出，止凤庄组样品的微量元素变化趋势基本相似，仅变化幅度略有不同。止凤庄组样品中，Sr、Sc、Ba、Cs、Th、Ni的质量平均值分别为192.11、61.43、790.99、6.52、17.16、83.34 μg/g，均大于北美页岩中的质量，其余元素都小于北美页岩。微量元素经标准化后发现，Ba、Th、Sc、Zr较明显富集，Rb、U、Hf、Co亏损(图4(a))。

表2 止凤庄组、法家茔组样品微量元素含量

续表2

表3 红土崖组样品微量元素含量

红土崖组样品中，Sr、Ni、Sc、Ba、Cs的质量平均值分别为197.82、58.74、31.70、1012.31、4.58 μg/g，大于北美页岩中的质量，其余小于北美页岩。在微量元素蛛网图上，除个别样品的微量元素变化趋势与其他样品有较大差异外，大部分样品的微量元素变化趋势相对一致，仅有个别元素存在差异，表明沉积环境具有一定相似性。红土崖组微量元素特征为，Ba、Ta、Sr、Cr较为富集，Rb、U、Co亏损(图4(b))。

不同的微量元素具有不同的氧化还原敏感度，在不同的氧化-还原区间的表现是不同的。一般认为U、Co在还原环境下发生富集，在氧化环境下发生亏损；在干旱炎热环境下，Sr元素含量较高，在潮湿环境下，Ni、Ba等元素含量较高[13]。样品中U、Co元素亏损，指示止凤庄组与红土崖组形成于氧化环境。

图4 样品微量元素NASC标准化蛛网图

4 古环境分析

止凤庄组、红土崖组和法家茔组的微量元素比值见表4～5。采用特征微量元素比值法对止凤庄组、红土崖组和法家茔组的古盐度、古气候及古氧化还原特征进行分析。

表4 止凤庄组、法家茔组沉积环境指标

4.1 古盐度

1) Sr/Ba比值法

对沉积环境古盐度进行表征通常采用岩石样品的Sr/Ba比值法。当Sr/Ba>1时，表明形成于咸水(或海相)环境；当Sr/Ba<0.6时，形成于淡水(或陆相)环境； 当介于0.6～1时，形成于半咸水环境[14-15]。微量元素含量比值结果表明，止凤庄组样品的Sr/Ba多小于1，仅个别样品的Sr/Ba>1(表4)，反映止凤庄组形成于淡水沉积环境；法家茔组及红土崖组样品的Sr/Ba分别为0.19～0.69、0.07～0.57，也指示淡水沉积环境。

图5 止凤庄组、红土崖组与法家茔组古盐度分析判别图

2) Rb/K比值法

Rb/K比值也常用来指示水体古盐度。为便于表达一般用1 000×Rb/K来判别。当Rb/K<4时指示淡水沉积环境，4～6代表微咸水沉积环境，>6时为咸水沉积环境[16]。止凤庄组、法家茔组及红土崖组样品的Rb/K分别为1.89～2.91、3.23～3.99、0.72～1.57，均指示淡水沉积环境。由Sr/Ba与Rb/K交汇判别图也可以看出样品多落在淡水-微咸水区域(图5)。止凤庄组、红土崖组主要发育粗碎屑岩，常见板状交错层理、冲刷面、平行层理等沉积构造，为河流相沉积。

表5 红土崖组沉积环境指标

图6 止凤庄组、红土崖组与法家茔组Sr/Cu平均值柱状图

4.2 古气候

用微量元素开展古气候研究一般采用Sr/Cu。研究表明，Sr/Cu≤10指示温湿气候，>10指示干热气候[17]。止凤庄组的Sr/Cu范围为10.05～23.32(表4)，均大于10，表明止凤庄组形成于干热气候条件。法家茔组的Sr/Cu值为10.19～15.02(表4)，为干热气候条件。红土崖组的Sr/Cu为5.50～9.82(表5)，指示温湿气候条件(图6)。

4.3 古氧化还原性

1) V/Cr比值法

微量元素中V、Cr、Co、U、Th等对环境氧化还原条件较为敏感，其比值通常作为古氧化还原性判别的有效指标被广泛使用[18]。当V/Cr<2时指示氧化环境，比值介于2～4.25时指示贫氧环境，比值>4.25时指示缺氧环境[15]。止凤庄组样品的V/Cr值为0.32～2.23，平均值为1.05，除样品Z-3为贫氧环境，其他6组均为氧化环境；法家茔组的V/Cr值为0.93～1.42，指示氧化环境；红土崖组的V/Cr值为0.39～2.14，平均值为0.97，除样品H-5为贫氧环境，其他5组均为氧化环境(图7)。

图7 止凤庄组、红土崖组与法家茔组氧化还原条件分析判别图

2) Ni/Co比值法

Ni/Co值也是判别沉积环境氧化还原性质的可靠指标。当Ni/Co<5时指示氧化环境，比值介于5～7时指示贫氧环境，Ni/Co>7时指示缺氧环境[19]。止凤庄组、法家茔组、红土崖组样品的Ni/Co比值范围分别是2.97～4.91、2.57～3.52、2.22～6.71，除个别红土崖组样品Ni/Co比值为6.71指示贫氧环境外，其余样品Ni/Co比值均小于5，指示氧化环境(图7(a))。

3) U/Th比值法和δU法

铀元素性质活跃，容易被氧化和淋滤丢失，迁移能力往往较强；钍元素作为惰性元素，迁移能力较弱，通常吸附在细粒沉积物中。因此，可利用U/Th比值和δU法判断沉积环境的氧化-还原条件。一般认为U/Th>1.25代表缺氧环境，比值介于0.75～1.25代表贫氧环境，U/Th<0.75代表氧化环境[20]。止凤庄组的U/Th为0.11～0.14，均小于0.75，代表氧化环境；法家茔组的U/Th为0.13～0.14，指示氧化环境；红土崖组的U/Th分布在0.13～0.14，为氧化环境(图7(b))。δU法的关系公式为：δU=U/[0.5×(Th/3+U)]，δU>1指示缺氧环境，δU<1指示氧化环境[18]。止凤庄组、法家茔组及红土崖组样品的δU值分别为0.51～0.60、0.57～0.60、0.55～0.60，均为氧化环境。V/Cr与U/Th、V/Cr与δU交汇判别图中，样品点也全部落在氧化环境区域(图7(c))。

4) V/(V+Ni)比值法

前人研究[21]表明，当V/(V+Ni)>0.77时指示缺氧环境，介于0.60～0.77时指示贫氧环境，比值<0.60时指示氧化环境。止凤庄组样品的V/(V+Ni)值在0.42～0.69之间(表4)，平均值为0.56，除Z-3样品V/(V+Ni)值为0.69指示贫氧环境外，其他样品均指示氧化环境。法家茔组与红土崖组的V/(V+Ni)值分别为0.51～0.55、0.49～0.59，均指示氧化环境(图7(d))。

5 结论

1) 古盐度特征指标Sr/Ba、Rb/K分析表明，研究区止凤庄组、红土崖组和法家茔组均为陆相淡水沉积，并且前两者属于河流相沉积。

2) 环境判别指标V/Cr、Ni/Co、δU、V/(V+Ni)等均表明止凤庄组、红土崖组、法家茔组形成于氧化环境下，而非深水还原环境，与其呈现的紫红色及砖红色主色调具有很好的一致性。

3) 岩石样品的Sr/Cu值表明，止凤庄组、法家茔组沉积时，气候较为干旱炎热；而红土崖组沉积时，气候较温暖潮湿。

由上可知，胶莱盆地莱阳群止凤庄组、王氏群红土崖组和灵山岛莱阳群法家茔组均属陆相沉积，表明灵山岛白垩纪沉积与胶莱盆地具有相同或相近的成因。