陳曉青，湯靜如，藍天，任琴琴

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羅城二疊系茅口組透鏡狀灰?guī)r地球化學特征及成因

陳曉青，湯靜如，藍天，任琴琴

（桂林理工大學，廣西 桂林 541004）

廣西羅城二疊系茅口組灰?guī)r及頁巖夾薄煤層地層中，灰黑色泥晶灰?guī)r呈透鏡狀散布于灰白色硅質(zhì)巖中的現(xiàn)象普遍發(fā)育，地質(zhì)特征與石香腸構造非常相似。主量、微量及稀土元素分析表明，該透鏡狀灰?guī)r稀土總量從2.81ug/g到6.97ug/g，平均為4.89ug/g。稀土元素分配模式總體為輕稀土富集，重稀土虧損型，中等強度的Eu負異常和Ce負異常。據(jù)化學分析，透鏡狀灰?guī)r與硅質(zhì)巖具有相似的微量元素和稀土元素特征，兩者應是同生沉積作用形成，是軟沉積構造。碳酸鹽沉積與典型海相沉積模式并不完全一致，有可能受到陸源泥質(zhì)的影響。

茅口灰?guī)r；地球化學特征；成因；羅城

廣西地區(qū)由于獨特的地理氣候條件，形成了由喀斯特作用所造成的地貌，即碳酸鹽巖的出露區(qū)。廣西地區(qū)廣泛的分布著石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r等。二十世紀八十年代以來，廣西地區(qū)二疊紀的研究多集中于古生物學（周建平，1991；孫冬英等，2004；王成源等，2007），地層學（蒙有言等，2005；金玉軒等，2007），礦床學（余文超等，2014），沉積學（羅強等，1990；陸剛等，1992，周懷玲等，1996；），古氣候與古環(huán)境（范嘉松等，2002；彭陽等，2009；陳建業(yè)等，2011；萬俊雨等，2015）等方面。茅口組的沉積環(huán)境主要為熱帶-亞熱帶廣闊陸表海的清水碳酸鹽巖臺地環(huán)境，含鹽度正常，供氧良好，沉積時水深呈變淺趨勢，獨自形成一個二級層序。通過以羅城地區(qū)二疊系茅口階中透鏡狀灰?guī)r為對象的研究，運用系統(tǒng)的巖石學，以及主量微量以及稀土元素的地球化學分析，研究其成因及地球化學特征，可進一步了解華南板塊以及廣西桂北地區(qū)二疊系的沉積環(huán)境。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

羅城位于廣西北部，云貴高原的苗嶺山脈九萬大山南沿地帶；處于桂東北-桂中凹陷，桂北隆起以南，云臺隆起和欽防海槽，桂西海槽以東，跨越了羅城凹陷帶和宜山弧形斷褶帶兩個四級構造單元[1]。區(qū)內(nèi)褶皺和斷裂構造發(fā)育，主要發(fā)育NE向構造（圖1），以加里東運動形成的寒武系的基底褶皺為主；海西運動則造成區(qū)內(nèi)上、下二疊統(tǒng)間的平行不整合接觸關系，并影響晚二疊世、早三疊世的火山活動；印支運動，結束了區(qū)內(nèi)海相沉積環(huán)境。

圖1 桂中坳陷地理位置及構造單元劃分圖

區(qū)內(nèi)出露的地層有泥盆系、石炭系、二疊系、三疊系、白堊系以及第四系[2]。石炭系和二疊系在區(qū)域內(nèi)最為發(fā)育。二疊系巖石類型主要為沉積巖和巖漿巖。沉積巖包括具有各種不同沉積組構的碳酸鹽巖、硅質(zhì)巖、碎屑巖；巖漿巖包括火山巖、火山碎屑巖和少量的巖漿巖等等。

二疊系下統(tǒng)茅口組（P1m）主要出露于羅城縣東南方向7km處大浪屯處起至崇柏地區(qū)，厚度以崇柏一帶最大，大于705m；在西南溫平一帶，被上統(tǒng)超覆，出露厚度大于54m。與下統(tǒng)棲霞組中上部夾少量燧石團塊灰?guī)r呈整合接觸，與上統(tǒng)的砂質(zhì)鋁土巖呈不整合接觸。巖性以深灰、灰色致密灰?guī)r、細晶灰?guī)r為主，夾淺灰、灰白色細晶灰?guī)r，燧石灰?guī)r。底部為燧石條帶，團塊狀灰?guī)r夾薄煤層狀泥灰?guī)r與棲霞組分界。在東南部崇柏一帶，有按其巖性組合特征可分為上、下兩段。下段為灰黑、淺灰色灰?guī)r夾含燧石泥質(zhì)灰?guī)r，底部燧石灰?guī)r，厚472m；上段為深灰、淺灰色灰?guī)r、燧石灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r及一層白云質(zhì)灰?guī)r，底部以淺灰色蠕蟲狀灰?guī)r與下段分界。，未見頂，厚度大于233m[3]（表1）。茅口期為全球性海平面相對穩(wěn)定的時期，因沉積加積作用，反映在沉積物垂向?qū)有蛏?，呈向上變淺的海退序列，研究區(qū)茅口組代表臺地相沉積，以淺水碳酸鹽巖為主，生物礁、灘灰?guī)r發(fā)育于臺地邊緣，以各類顆?；?guī)r及生物礁灰?guī)r為代表；兼有臺緣斜坡相，發(fā)育深色含硅泥質(zhì)碳酸鹽巖[4]。

表1 羅城地區(qū)地層簡表

表2 羅城地區(qū)透鏡狀灰?guī)r與硅質(zhì)巖主量元素分析結果表

2 透鏡狀灰?guī)r的地質(zhì)特征

2.1 野外地質(zhì)特征

灰?guī)r露頭圖2呈灰黑色，單個的透鏡狀或連續(xù)呈豆莢狀，均為東西向排布，單個透鏡厚一般幾厘米至幾十厘米。

2.2 巖石礦物特征

礦物成分主要為方解石，次要為海綠石以及長石，含少量白云石、黏土礦物、有機質(zhì)等。

圖2 羅城地區(qū)透鏡狀灰?guī)r與硅質(zhì)巖野外照片

3 透鏡狀灰?guī)r的地球化學特征

澳大利亞后太古宇頁巖（PAAS）被認為代表了上地殼的平均化學成分，可以作為一個地球化學標準。透鏡狀灰?guī)r樣品來自羅城地區(qū)茅口組，樣品無蝕變、礦化和次生風化，依次編號為YZ-03-4-1～YZ-03-4-8。全巖樣品首先除去表面，使用無裂隙且相對堅硬的部分，隨后使用無污染鱷式玻碎機將其粉碎，并用超純水進行三次振蕩清洗，用瑪瑙碾缽破碎至200目以下送至實驗室進行制樣分析，采用XRF法進行主量元素、微量元素分析，稀土元素采用ICP-MS方法，樣品元素分析測試均在澳實礦物實驗室完成，樣品測定值和推薦值得相對誤差小與10%，絕大部分小與5%［5，6］。

圖3 透鏡狀灰?guī)r手標本（a）與硅質(zhì)巖手標本（b）

圖4 透鏡狀灰?guī)r鏡下照片（a）與硅質(zhì)巖鏡下照片（b）

表3 羅城地區(qū)透鏡狀灰?guī)r與硅質(zhì)巖微量元素分析結果表

3.1 主量元素地球化學

透鏡狀灰?guī)r的主要化學成分是CaO，其次有SiO2、MgO、K2O，含少量Al2O3、MnO、TiO2、TFe2O3、P2O5、Na2O等。硅質(zhì)巖主要成分為自生硅質(zhì)礦物，其主要化學成分為SiO2，次要化學成分為CaO、MgO、Al2O3，含少量K2O、MnO、TiO2、TFe2O3、P2O5、Na2O等（表2）。

硅質(zhì)巖中，MnO/TiO2的值大于0.5，可推斷其為遠洋沉積；Fe/Ti的值介于1.057~1.33，表明硅質(zhì)巖中的硅質(zhì)組分與熱液關系的可能性不大且Al2O3/TiO2<10，由此推斷硅質(zhì)巖在堿性環(huán)境中形成，有受海水物質(zhì)影響的可能性［7］。

3.2 微量元素地球化學

由表3可以看出，透鏡狀灰?guī)r與硅質(zhì)巖中的微量元素的含量有明顯差異.微量元素V、Rb、Sr、Nb、Hf、U、Th、W、Zr、Cs在透鏡狀灰?guī)r中的含量普遍高于硅質(zhì)巖，由于Sr與Ba的化學性質(zhì)十分相似，它們均可以形成可溶性重碳酸鹽、氯化物和硫酸鹽進入水溶液中。與Sr相比，Ba的化合物溶解度要低，如河水攜帶的Ba2+在與富含SO42-的物質(zhì)相遇時很容易形成難溶的BaSO4而發(fā)生沉淀作用，因而大多數(shù)Ba 在近岸沉積物中富集，僅有少量進入深海；而 Sr的遷移能力要強于Ba，可遷移至大洋深處，加之碳酸鹽礦物對Sr的捕獲作用，在碳酸鹽類巖石和富碳酸鈣的泥質(zhì)沉積物中Sr的含量較高。因此，Sr/Ba也常用來作為區(qū)分淡水和咸水沉積的標志。四組數(shù)據(jù)中Sr/Ba的值均大于1，一般認為Sr/Ba>1指示海相沉積。

二疊系茅口階的灰?guī)r樣品中的Zr與Th的平均含量計算出為2.49ug/g和0.13ug/g，遠遠低于頁巖的平均值，其說明了沉積物中所含有的微量元素來源于自身的沉積，能夠反映古海洋環(huán)境。在沉積過程中，海水氧化—還原條件的變化能使一些微量元素發(fā)生富集或虧損［8］，由此，這些元素可以用來恢復水體沉積時的氧化—還原狀態(tài)［9］作為指示元素，在碳酸鹽巖環(huán)境中使用最多的是Sr［10］，而Sr元素在透鏡狀灰?guī)r中的含量為294×10-6~684×10-6顯著高于硅質(zhì)巖中Sr元素的含量97.2×10-6~99.5×10-6。研究區(qū)內(nèi)硅質(zhì)巖中的Al/（Al+Fe+Mn）的平均值為0.691，而熱水沉積的最大值為0.35，遠大于熱水沉積的最大值。

3.3 稀土元素地球化學

沉積巖中稀土元素含量的變化與物源區(qū)的成分、沉積環(huán)境中的交換反應密切相關。因此，研究稀土元素的化學性質(zhì)對揭示沉積巖的物源特征、沉積環(huán)境變化、大地構造背景等具有重要意義[11]。透鏡狀灰?guī)r與硅質(zhì)巖樣稀土元素總量ΣREE為2.81×10-6～6.97×10-6，平均值為5.73×10-6；ΣLREE /ΣHREE為 4.25～5.64，平均4.94；經(jīng)Leedy球粒隕石標準化后，δCe為0.29～0.73，平均值為0.49；δEu為0.53～0.74，平均值為0.66；（La/Yb）N為7.17～10.04，平均值為8.70。透鏡狀灰?guī)r與硅質(zhì)巖樣經(jīng)球粒隕石標準化后的稀土元素配分模式圖為ΣLREE>ΣHREE的右傾型，輕稀土段曲線明顯“右傾”， 重稀土段則相對“平坦” 。稀土元素分配模式總體為輕稀土富集，重稀土虧損型，中等強度的Eu負異常和Ce負異常?；?guī)r及部分硅質(zhì)巖中Ce的負異常指示了二疊系本區(qū)陸表海的沉積環(huán)境特點， 古海水為氧化環(huán)境。灰?guī)r中稀土總量較低，且輕稀土均相對富集，由于碳酸鹽巖在海水中形成存在相對富集重稀土，自然虧損Ce，以及稀土總量低的特征，所以通過稀土元素得出的結論與典型海相沉積模式并不完全一致，有可能受到陸源泥質(zhì)的影響?！芌EE 遠低于北美頁巖的平均值（173.2×10-6）[12]，暗示羅城二疊系灰?guī)r沉積時受陸源物質(zhì)的影響比較弱[13]。

圖5 透鏡狀灰?guī)r與硅質(zhì)巖稀土元素配分曲線

4 透鏡狀灰?guī)r的成因探討

羅城地區(qū)體現(xiàn)為海陸交互含煤及硅質(zhì)沉積。根據(jù)主量、微量以及稀土元素分析結果來看，透鏡狀灰?guī)r稀土總量從2.81ug/g到6.97ug/g，平均為4.89ug/g，硅質(zhì)巖稀土總量從6.35ug/g到6.77ug/g，平均為6.56ug/g，得出透鏡狀灰?guī)r與硅質(zhì)巖具有相似的微量元素和稀土元素特征，兩者應該是同生沉積作用形成，其構造應為軟沉積構造。透鏡狀灰?guī)r由于物理作用即其沉積物在沉積后，固結成巖前尚處于軟沉積物階段時在上覆沉積物以及水體的重壓下排除水分，孔隙減少，密度增大，并由于水體的溫度與鹽度差異、生物、物源差異影響壓實作用而導致。由于碳酸鹽沉積與典型海相沉積模式并不完全一致，且Zr為陸源沉積指示元素，則透鏡狀灰?guī)r有可能受到陸源泥質(zhì)的影響。而硅質(zhì)巖是形成于弱酸環(huán)境有機質(zhì)降解過程中，由于硅質(zhì)優(yōu)先與生物殼體交代再與亮晶方解石交代依次形成過渡帶與硅質(zhì)巖，于碳酸鹽巖沉積之后形成的早成巖階段，早于壓實作用階段，由同沉積作用形成，是同生的，并非后期外力擠壓作用形成。

華南板塊以及桂西地區(qū)沉積環(huán)境表現(xiàn)為揚子海域內(nèi)茅口組碳酸鹽巖向上變淺的層序代表海平面上升速率減弱的高水位體系域，代表海侵達到最大范圍后相對靜止再轉化為開始海退的特殊階段，垂向沉積相組合呈現(xiàn)向上變淺的進積序列。局限臺地水體受到限制，轉為安靜低能環(huán)境，海侵作用發(fā)展的同時增強了蒸發(fā)作用進而影響到鹽度的變化，削弱了陸源的控制作用，結合熱帶、亞熱帶的氣壓以及信風帶、天體引潮力和海水溫度、密度對表層以及深層洋流的影響，也可在海洋中形成類型多樣的洋流，如下沉流，等水深流，以及底層流而廣西二疊世茅口期為全球性海平面相對穩(wěn)定的時期，因沉積加積作用，反映在沉積物垂向?qū)有蛏希氏蛏献儨\的海退序列。然而由于岡瓦納板塊北部邊緣的碎裂作用，導致廣西海域NW、NE、EW向裂陷構造的復合，海盆地差異性升降活動加劇，體現(xiàn)在臺地隆升，盆地下陷，其中半深水及深水盆地明顯擴展溝通，呈“X”形交會貫穿海域，全區(qū)構成地貌差異懸殊的“盆包臺”的古地理格局，包括開闊臺地、潛水孤立臺地、臺緣斜坡-淺水盆地、半深水盆地及深水盆地等沉積相單元。

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Geochemical Characteristics and Genesis of the Lenticular Limestone of the Permian Maokou Formation in Luocheng, Guangxi

CHEN Xiao-qing TANG Jing-ru LANTian REN Qin-qin

（Guilin University of Technology, Guangxi Guilin 541004）

This paper has a discussion on geochemical characteristics and genesis of the lenticular limestone of the Permian Maokou Formation in Luocheng, Guangxi. ΣREE of the lenticular limestone vary from 2.81 ppm to 6.97 ppm with an average of 4.89 ppm. The REE distribution pattern is characterized by enrichment in LREE with moderate negative Eu anomaly and negative Ce anomaly. Geochemistry of minor element and REE for the lenticular limestone is similar to that for silica rock in the Maokou Formation which indicates their formation by synsedimentary processes.

lenticular limestone; geochemical characteristic; genesis

2018-01-04

陳曉青（1993－），女，河北辛集人，碩士研究生，研究方向：地球化學

P534.46

A

1006-0995（2018）04-0552-05

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.04.005