肖富強(qiáng)， 章雙龍， 祁 星

(江西省煤田地質(zhì)勘察研究院，江西 南昌 330001)

沉積物地球化學(xué)元素研究主要是分析特征元素含量及其元素對(duì)的比值、微量元素異常等方面(譚紅兵等，1999；宋明水，2005；李春榮等，2004)。沉積過(guò)程中，水介質(zhì)和沉積物之間有復(fù)雜的地球化學(xué)關(guān)聯(lián)，包括元素交換和沉積物對(duì)特定微量元素的吸附等(范玉梅等，2012)。同時(shí)受沉積介質(zhì)的物理化學(xué)條件影響，在不同的沉積環(huán)境下，沉積水介質(zhì)有著不同的物理化學(xué)條件，這為利用沉積物中的微量元素進(jìn)行古沉積環(huán)境分析提供理論基礎(chǔ)(劉剛等，2007；韓建恩，2010)。元素含量變化是古氣候演變、古環(huán)境變遷、盆地發(fā)展、水介質(zhì)條件等因素綜合影響的結(jié)果，從沉積過(guò)程中的低位體系域到高位體系域，元素組成對(duì)沉積環(huán)境的變化較為敏感，因此通過(guò)分析元素含量變化可有效揭示沉積環(huán)境的變化。

研究區(qū)吳家坪期總體為海陸交互相沉積。早期以河流相沉積為主，代表地層為樂平組官山段；中期發(fā)生大規(guī)模海侵，沉積了樂平組老山段；晚期受地殼不均勻抬升影響，在萍樂坳陷內(nèi)發(fā)生沉積分異現(xiàn)象，北部沉積七寶山組的灰?guī)r、硅質(zhì)巖相地層，南部為樂平組獅子山段、王潘里段的濱海—淺海相地層。前人對(duì)沉積過(guò)程及環(huán)境的解釋多從巖性、古生物化石等方面定性分析(祁星等，2019；章雙龍等；2019)，但從元素地球化學(xué)角度進(jìn)行定量分析的研究較少。本次研究利用便攜式XRF元素分析儀器，對(duì)萍樂坳陷帶YXZ02井、ZK2601井中吳家坪期樂平組和七寶山組巖心的元素進(jìn)行測(cè)試分析，研究吳家坪期沉積過(guò)程中各項(xiàng)沉積環(huán)境指標(biāo)的變化規(guī)律及對(duì)沉積環(huán)境的特殊指示意義。

1 地質(zhì)背景

萍樂坳陷帶位于江西省中北部，大致介于萍鄉(xiāng)—分宜—豐城—進(jìn)賢—婺源賦春一線與宜豐—南昌—景德鎮(zhèn)一線之間，呈NEE至NE向延伸的狹長(zhǎng)坳陷地帶，西延入湖南，北東端延入浙江(江西省地調(diào)院，2017；龔紹禮，2002；李文恒等，1998)。構(gòu)造位置處于華夏板塊和揚(yáng)子板塊的交界處北緣，欽杭結(jié)合帶江西段北部(圖1)，是江西省主要的煤炭富集區(qū)，其主要聚煤期包括晚二疊世吳家坪期及晚三疊世安源期。本次研究對(duì)象為吳家坪期北型樂平組和七寶山組，地層主要分布于萍樂坳陷帶西段北部地區(qū)。

圖1 江西省北部構(gòu)造分區(qū)略圖Fig.1 Sketch map of the northern part of Jiangxi province

2 測(cè)試儀器及工作方法

本次研究所使用的測(cè)試儀器為美國(guó)賽默飛世爾科技(Thermo Fisher Scientific)旗下尼通公司(NITON)生產(chǎn)的便攜式X射線熒光分析儀(XRF)，型號(hào)為XL3t 500，具有不破壞樣品完整性、準(zhǔn)確度高、分析速度快、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，能測(cè)定固體、粉末和液體樣品，且用于常量和微量元素測(cè)定(祁昌煒等，2013)。

X射線熒光光譜分析(XRF)是利用原級(jí)X射線光子激發(fā)待測(cè)物質(zhì)中的原子，使之產(chǎn)生次級(jí)的特征X射線(X光熒光)，從而進(jìn)行物質(zhì)成分分析和化學(xué)態(tài)研究的方法。通常情況下，不同元素具有不同波長(zhǎng)的特征X射線譜，而各譜線的熒光強(qiáng)度又與元素的濃度呈一定關(guān)系，測(cè)定樣品中待測(cè)元素的特征X射線譜線波長(zhǎng)和強(qiáng)度，就可以對(duì)元素進(jìn)行定性和定量分析(錢建平等，2010；祁昌煒等，2013)。

XRF元素分析儀對(duì)測(cè)試環(huán)境條件要求較少，具備兩種測(cè)試模式，即礦石模式和土壤模式。礦石模式可測(cè)試30種元素，土壤模式可測(cè)試32種元素。本次研究采用土壤模式進(jìn)行分析，測(cè)試精度在10-6～100%含量范圍(景亮兵等，2011)。為保證元素含量的準(zhǔn)確測(cè)定，所有測(cè)試點(diǎn)均選擇在巖心的新鮮巖面，每個(gè)樣品測(cè)試時(shí)間均為60 s，測(cè)點(diǎn)分布依據(jù)巖性變化規(guī)律進(jìn)行調(diào)整，一般間隔1～5 m，巖性復(fù)雜層段的間隔則縮短。

3 元素分布特征

根據(jù)本次工作中對(duì)萍樂坳陷帶內(nèi)新田、洪塘礦區(qū)鉆孔(以YXZ02井、ZK2601井為例)巖心進(jìn)行的元素測(cè)試分析結(jié)果，繪制YXZ02井、ZK2601井主要元素含量的縱向分布圖(圖2，3)。

圖2和圖3中各元素的縱向分布情況顯示，Sr、Ca分布曲線形態(tài)較為相近，兩者含量在七寶山組和樂平組老山段中上部明顯高于樂平組老山段下部和官山段；從地層成因看，海相成因地層中的Sr、Ca含量高于陸相成因地層。七寶山組的Sr、Ca含量呈鋸齒狀波動(dòng)，對(duì)比地層巖性發(fā)現(xiàn)，在陸源碎屑含量高的層段，這兩種元素的含量偏低，故Sr和Ca存在一定的相關(guān)性。

圖2 YXZ02井元素含量分布圖Fig.2 Distribution map of element content in YXZ02 well

圖3 ZK2601井元素含量分布圖Fig.3 Distribution map of element content in ZK2601 well

S、Rb、Fe、Zn、V、Ti、Zr等元素含量縱向分布相似，主要表現(xiàn)在七寶山組中含量低，而在樂平組中含量高，V、Ti、Zr等元素在樂平組老山段底部生物碎屑灰?guī)r中顯示出極高值，可能與生物作用有關(guān)。

4 元素對(duì)沉積環(huán)境的指示意義

古氣候、古水體性質(zhì)及古生產(chǎn)力等環(huán)境指標(biāo)對(duì)不同元素的分異作用使得元素分布產(chǎn)生差異性，這為通過(guò)元素分析的方法來(lái)恢復(fù)古沉積環(huán)境提供較為可靠的依據(jù)(鄭一丁等，2015)。本次研究過(guò)程中，通過(guò)選取環(huán)境變化敏感性元素和地化指標(biāo)，分析不同元素、指標(biāo)的變化規(guī)律，反映當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境的演變規(guī)律。

4.1 古鹽度

Sr對(duì)氣候干濕條件反應(yīng)明顯，一般情況下，Sr豐度較低則表明氣候潮濕，豐度較高則表明氣候干燥。由于Ba的化合物溶解度較Sr的低，當(dāng)Sr2+、Ba2+隨陸相流體匯入海水中時(shí)，與海水中豐富的SO42-發(fā)生反應(yīng)，生成SrSO4和BaSO4，且因BaSO4的溶解度比SrSO4的要小，SrSO4較BaSO4遷移得遠(yuǎn)，至遠(yuǎn)海通過(guò)微生物作用而沉淀(熊小輝等，2011)。

通過(guò)以上兩種元素之間的對(duì)比可知，海相沉積中一般Sr含量更高，而陸相沉積中Ba含量更高。利用Sr/Ba法，可以對(duì)陸相與海相沉積環(huán)境進(jìn)行區(qū)分，Sr/Ba值隨著遠(yuǎn)離海岸線而逐漸增大，因而Sr/Ba值在一定程度上能反映沉積水體的古鹽度。一般來(lái)講，陸相沉積物中Sr/Ba值小于1，而海相沉積物中Sr/Ba值大于1(劉剛等，2007；許鳳鳴，2008)。

YXZ02、ZK2601巖心中Sr、Ba的含量結(jié)果顯示(表1)，兩口井各地層的Sr、Ba含量變化具有一定的相似性，Sr含量由高到低分別為樂平組老山段、七寶山組、樂平組官山段。這從側(cè)面反映出當(dāng)時(shí)的氣候背景，即官山段沉積時(shí)期(吳家坪早期)氣候最為濕潤(rùn)，樂平組老山段處于海侵期，水體深度不斷加深，氣候則偏干燥。Ba在樂平組官山段含量最高，老山段次之，在七寶山組中含量最低，即從樂平組官山段至七寶山組，經(jīng)歷低位體系域、海進(jìn)體系域、高位體系域，水體不斷加深，則越不利于Ba的聚集。

表1 YXZ02、ZK2601鉆孔巖心中Sr、Ba的平均含量及其比值Table 1 Average content and the ratio of Sr and Ba in the core of YXZ02 and ZK2601

Sr/Ba值最大的為樂平組老山段，其次為七寶山組，最小為樂平組官山段。在樂平組官山段中，Sr/Ba<1，指示當(dāng)時(shí)的沉積水體應(yīng)為淡水，對(duì)應(yīng)為陸相沉積環(huán)境；樂平組老山段中，Sr/Ba>1，表明此時(shí)水體為咸水，為海相沉積環(huán)境；七寶山組中，Sr/Ba值分別為0.92、0.89，均小于1，這與七寶山組沉積時(shí)高位體系域較深的海水環(huán)境相矛盾。筆者認(rèn)為，七寶山組沉積時(shí)為深水沉積環(huán)境，可能由于海底熱液噴流作用，導(dǎo)致其沉積物中Ba含量增加，使得Sr/Ba法判定的海、陸相變得不準(zhǔn)確(熊小輝等，2011)。

4.2 古生產(chǎn)力

前人研究發(fā)現(xiàn)，Ba積累率與有機(jī)碳含量、生物生產(chǎn)力呈正相關(guān)，意味著Ba富集指示高生產(chǎn)力(鄭一丁等，2015)。Ti的含量變化反映的則是陸源碎屑沉積物加入的程度，含量值越高表明陸源碎屑物含量愈豐富，生產(chǎn)力越強(qiáng)；反之，值越低，陸源碎屑物含量越少，反映當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)力越弱(劉剛等，2007；韓建恩，2010)。另外，F(xiàn)e、Zn等營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)古生產(chǎn)力亦具有較好的指示作用，其值越高，反映當(dāng)時(shí)的古生產(chǎn)力越大(鄭一丁等，2015)。

從地層中各元素平均含量數(shù)據(jù)(表2)可以看出，各元素含量有一個(gè)共同規(guī)律，即從樂平組官山段、老山段至七寶山組呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。各元素在樂平組官山段含量為最大，表明此時(shí)陸源碎屑物供應(yīng)豐富，徑流量最大，應(yīng)為陸相沉積；樂平組老山段元素含量較之減少，但數(shù)值較高，反映此時(shí)陸源碎屑物注入較為充分，伴隨著有一定的海相沉積物，此時(shí)應(yīng)為淺海環(huán)境；七寶山組各元素含量值最少，尤其Ti、Fe含量呈突變式降低，表明此時(shí)陸源碎屑物供應(yīng)已很少，主要以海相沉積物為主，應(yīng)是較深的水體環(huán)境下沉積形成。

表2 YXZ02、ZK2601鉆孔巖心Ba、Ti、Fe、Zn元素平均含量Table 2 Average content of Ba, Ti, Fe and Zn in the core of YXZ02 and ZK2601

4.3 氧化還原條件

氧化還原敏感元素是確定沉積古海洋水體氧化還原強(qiáng)度的重要指標(biāo)，V含量高一般出現(xiàn)在缺氧的還原條件下。由于V在有機(jī)質(zhì)中優(yōu)先被結(jié)合，而Cr通常出現(xiàn)在沉積物碎屑中，因此V/Cr值可作為含氧量指標(biāo)。一般V/Cr值<2.00為含氧環(huán)境，V/Cr值在2.00～4.25為貧氧條件，而V/Cr值>4.25為次氧至缺氧條件，即V/Cr值越高代表水體還原性越強(qiáng)(王淑芳等，2014)。

YXZ02井在七寶山組檢測(cè)V、Cr數(shù)據(jù)較少，僅少數(shù)測(cè)點(diǎn)有數(shù)據(jù)，并且V/Cr比值較低(0.31～1.74)，平均值為0.70。由此說(shuō)明，七寶山組在沉積過(guò)程中，水體雖然較深，但含氧較為充足，可能是當(dāng)時(shí)水動(dòng)力條件較好，給水體帶來(lái)豐富的氧氣。樂平組V、Cr含量分布如圖4所示，其含量大小在垂向上無(wú)明顯規(guī)律，但對(duì)比這兩個(gè)元素含量發(fā)現(xiàn)，二者高值分布有一定同步性。分析V/Cr值發(fā)現(xiàn)，在樂平組老山段，主要集中在1～2的范圍，少數(shù)測(cè)點(diǎn)比值小于1，有2個(gè)測(cè)點(diǎn)比值達(dá)到2以上。由此表明老山段沉積過(guò)程中，其含氧量不及七寶山組，但總體仍為氧化環(huán)境，僅在局部巖性段(泥巖)元素比值達(dá)到2以上，為貧氧環(huán)境。樂平組官山段V/Cr值多數(shù)小于2，在官山段上部粉砂質(zhì)泥巖、中部炭質(zhì)泥巖、下部泥巖段有部分測(cè)點(diǎn)的V/Cr值大于2，最大值在炭質(zhì)泥巖層段，表明官山段水體在多數(shù)時(shí)候?yàn)楹醐h(huán)境，在部分時(shí)期水體變?yōu)樨氀醐h(huán)境。

圖4 YXZ02井V、Cr元素含量及V/Cr值分布圖Fig.4 Distribution of V and Cr contents and V/Cr values in YXZ02 well

ZK2601井中，七寶山組的V/Cr值為0.52，其沉積時(shí)候水體為含氧環(huán)境。圖5為ZK2601井樂平組V、Cr及其比值分布圖。在樂平組老山段中，V、Cr含量在碎屑巖地層明顯高于灰?guī)r地層，說(shuō)明二者含量的大小與碎屑沉積物有密切聯(lián)系。V/Cr值多數(shù)小于2，在泥巖、粉砂巖地層中大于2，表明老山段沉積過(guò)程中，水體含氧量存在波動(dòng)變化，在碎屑巖沉積時(shí)水體還原性較強(qiáng)。樂平組官山段，V/Cr值呈現(xiàn)從上到下變大的趨勢(shì)，上部以粗碎屑巖為主，下部以細(xì)碎屑巖為主，總體表現(xiàn)為細(xì)碎屑巖沉積時(shí)水體還原性更強(qiáng)。

圖5 ZK2601井V、Cr元素含量及V/Cr值分布圖Fig.5 Distribution of V and Cr contents and V/Cr values in ZK2601 well

4.4 古水深

Zr是典型的親陸性元素，離陸源區(qū)越遠(yuǎn)，巖石中Zr含量則越低。因此，Zr含量能一定程度上可反映近距離搬運(yùn)的陸源組分及水體深度變化情況，其值越小，表明沉積地點(diǎn)離岸越遠(yuǎn)，水體越深(鄭一丁等，2015；熊小輝等，2011)。

樂平組官山段至七寶山組Zr平均含量呈逐漸降低的規(guī)律(表3)。樂平組官山段Zr含量最高，表明此時(shí)水體深度最淺，陸源碎屑供應(yīng)量最為充足；樂平組官山段含量降低，說(shuō)明在海侵作用下，水體變深，陸源碎屑供應(yīng)降低；在七寶山組中，Zr含量進(jìn)一步降低，且大多數(shù)測(cè)點(diǎn)未能檢測(cè)出Zr，僅有少數(shù)測(cè)點(diǎn)有數(shù)據(jù)，說(shuō)明在七寶山組中陸源碎屑供應(yīng)很少，此時(shí)離岸距離較遠(yuǎn)，反映此時(shí)為沉積水體深度最深時(shí)期?？傮w來(lái)看，從樂平組到七寶山組，是一個(gè)海侵不斷擴(kuò)大，水深不斷加深的過(guò)程。

表3 YXZ02、ZK2601鉆孔巖心Zr元素平均含量Table 3 Average content of Zr in the core of YXZ02 and ZK2601

5 結(jié)論

對(duì)萍樂坳陷地區(qū)YXZ02井、ZK2601井的元素地球化學(xué)特征分析，根據(jù)不同的元素含量及參數(shù)指標(biāo)，可以定性了解樂平組的沉積古環(huán)境。

(1)樂平組官山段Sr/Ba值小于老山段，說(shuō)明官山段到老山段經(jīng)歷了水體由淡轉(zhuǎn)咸過(guò)程，推斷這一時(shí)期發(fā)生了一次海侵作用。

(2)從樂平組官山段、老山段、七寶山組Ba、Ti、Fe、Zn含量逐漸降低，說(shuō)明吳家坪期是一個(gè)物源供應(yīng)減少、沉積速率變慢的過(guò)程。

(3)樂平組官山段下部泥巖段、粉砂巖段V/Cr值高于上部砂巖段，老山段中泥巖段V/Cr值高于灰?guī)r段，均表明前者沉積環(huán)境還原性強(qiáng)于后者。

(4)吳家坪早期至晚期Zr含量減少，反映該時(shí)期沉積水體逐漸加深。