黃光輝, 劉平輝*, 江文劍, 饒耕瑋

(1.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013；2.核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013)

從元素的地球化學(xué)特征來(lái)區(qū)分原始沉積環(huán)境具有重要的地質(zhì)意義。對(duì)于任一研究區(qū)而言，在沉積和成巖過(guò)程中，性質(zhì)穩(wěn)定的地球化學(xué)元素被廣泛用來(lái)推斷物源區(qū)的組成特征，判別大地構(gòu)造背景并重建古沉積環(huán)境[1-2]。元素的分布是沉積分異和地球化學(xué)演化的結(jié)果[3-4]。元素之間存在著復(fù)雜的地球化學(xué)平衡，沉積巖中元素的聚集和分布不僅取決于元素本身的物理化學(xué)性質(zhì)，而且還與地質(zhì)環(huán)境、沉積時(shí)期的古氣候、沉積物來(lái)源、沉積盆地形態(tài)和沉積環(huán)境介質(zhì)有關(guān)[5]，因此，主、微量元素及其含量對(duì)沉積環(huán)境的變化有著較高的敏感度，可以為古環(huán)境(如古鹽度、氧化還原條件等)、古氣候的變遷提供可靠信息[6]。稀土元素穩(wěn)定性強(qiáng)，在沉積變質(zhì)過(guò)程中不易遷移，可以很好地體現(xiàn)源巖的地球化學(xué)特征，是良好的物源指示劑[7]。因此越來(lái)越多的學(xué)者運(yùn)用元素地球化學(xué)來(lái)對(duì)古氣候和環(huán)境特征進(jìn)行反演[8]。

圖1 巴音戈壁盆地構(gòu)造分區(qū)及取樣位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of tectonic zoning and sampling location in Bayin Gebi Basin

內(nèi)蒙古巴音戈壁盆地作為中國(guó)高放廢物黏土巖地質(zhì)處置庫(kù)的重點(diǎn)預(yù)選區(qū)，白堊統(tǒng)巴音戈壁組是其目的層。當(dāng)前，國(guó)際上公認(rèn)對(duì)高放廢物進(jìn)行深部地質(zhì)處置，即通過(guò)地質(zhì)屏障(圍巖)和工程屏障(緩沖材料、包裝罐)相結(jié)合的多重屏障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)永久隔離放射性廢物的目的[9]。對(duì)于下白堊統(tǒng)巴音戈壁組，前人著重于砂巖型鈾礦及油氣勘探研究，為鈾礦、油氣的勘探提供指導(dǎo)性建議。然而，對(duì)該地區(qū)的古環(huán)境特征和古氣候演化研究相對(duì)較少[10]。因此，現(xiàn)依托項(xiàng)目研究，以巴音戈壁盆地巴隆烏拉山(四方山)剖面為研究對(duì)象，通過(guò)主、微量和稀土元素分析，探討巴音戈壁盆地巴隆烏拉山剖面的古環(huán)境特征和源巖特征。也為高放廢物黏土巖地質(zhì)處置庫(kù)的研究提供一定的依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

內(nèi)蒙古巴音戈壁沉積盆地位于巴丹吉林沙漠以東和狼山以西的廣大戈壁地區(qū)，整體呈東西向展布，以宗乃山-沙拉扎山隆起為界，可分為北部坳陷、南部坳陷，北部坳陷包括查干德勒蘇坳陷、蘇紅圖坳陷和拐子湖坳陷，南部坳陷包括銀根坳陷和因格井坳陷[11]。查干德勒蘇坳陷位于巴音戈壁盆地的東部，大致為北東向，坳陷南部與狼山隆起、寶音圖接壤，北部與巴格毛德隆起相鄰。該區(qū)在晚華力西造山運(yùn)動(dòng)形成褶皺基底以來(lái)，三疊紀(jì)、侏羅紀(jì)處于抬升風(fēng)化剝蝕狀態(tài)，早白堊世在伸展構(gòu)造體制下形成大量同生斷層或正斷層，在斷陷盆地內(nèi)形成巴音戈壁組和蘇紅圖組[12-13]。其中，還發(fā)育有本巴圖凹陷、測(cè)老廟凹陷等，其規(guī)模都較小。晚白堊世，構(gòu)造變動(dòng)趨于穩(wěn)定，眾多的小盆地或小隆起聯(lián)為一個(gè)更大的沉積區(qū)，即上白堊統(tǒng)烏蘭蘇海組區(qū)域性蓋層。

研究區(qū)位于查干德勒蘇坳陷的西南端巴隆烏拉山(圖1)，出露有下白堊統(tǒng)蘇宏圖組、巴音戈壁組上段(K1b2)和巴音戈壁組下段(K1b1)，巴音戈壁組下段巖性主要為黃褐色砂巖，偶夾粉砂巖和泥巖，為干旱氣候下主的快速沉積[14]。上段為紫灰、灰綠色頁(yè)巖夾碳質(zhì)頁(yè)巖和泥質(zhì)粉砂巖、泥粉晶白云巖粉砂質(zhì)泥巖，剖面露頭較好，出露比較完整，可作為研究的剖面，采樣點(diǎn)及剖面位置如圖1所示。

2 樣品采集與測(cè)試

2.1 樣品采集

采樣點(diǎn)均位于巴音戈壁盆地中部巴隆烏拉山(四方山)剖面，共28件樣品，采集的樣品都為弱風(fēng)化蝕變的新鮮樣品，樣品巖性以頁(yè)巖、泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、泥粉晶白云巖為主，少量為碳質(zhì)頁(yè)巖、鈣質(zhì)砂巖，具體采樣位置及樣品編號(hào)如圖2所示。樣品經(jīng)過(guò)酒精擦拭，烘干后初步研磨，然后再用瑪瑙缽對(duì)樣品進(jìn)行研磨，達(dá)到200目。在澳實(shí)分析測(cè)試有限公司完成地球化學(xué)分析測(cè)試。

圖2 巴隆烏拉山剖面采樣位置及巖性、巖相柱狀圖Fig.2 The sampling location, lithology and lithofacies of Balong Wulashan profile

2.2 測(cè)試儀器

電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)，儀器型號(hào)Aglilent。電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜儀(ICP-MS)，儀器型號(hào)Perkin Elmer Elan 9000，產(chǎn)地美國(guó)，主量元素采用P61-XRF26s方法。微量元素采用M61-MS81方法測(cè)量，在系統(tǒng)設(shè)定上，檢測(cè)方法的準(zhǔn)確度和精密度控制在<10(±5%)，其結(jié)果具有可靠性。

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 主量元素特征

巴隆烏拉山(四方山)剖面樣品主量元素分析結(jié)果如表1所示，氧化物主要為SiO2(3.11%～58.75%)、Al2O3(1.24%～23.89%)和CaO(0.31%～27.9%)，平均值分別為41.69%、15.43%、6.28%。應(yīng)注意的是，樣品SP-20氧化物含量較低，可能是由于燒矢量過(guò)高所引起。且樣品的燒矢量波動(dòng)較大，在3.52%～44.62%，均值為13.95%，推測(cè)這是由于中碳酸鹽和黏土礦物中的結(jié)構(gòu)水流失所致。樣品中還含有少量的K2O(均值為2.11%)、MgO(均值為3.43%)、Na2O(均值為1.84%)、P2O5(均值為1.19%)和極少量的MnO(均值為0.31%)、TiO2(均值為0.54%)。

3.2 微量元素地球化學(xué)特征

巴隆烏拉山(四方山)剖面樣品微量元素分析結(jié)果如表2和表3所示，其微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖如圖3所示。從表2、表3、圖3可知，樣品中Rb、Th、U、La等微量元素較為富集，其中U含量異常高，達(dá)到1 000×10-6，可能受周邊砂巖型鈾礦的影響。Nb、Ce、Hf、Zr等元素略有富集，而B(niǎo)a、Sr、K、P、Ti等元素有一定程度的虧損，其中K、Ti元素異常虧損。K元素在沉積巖中比較常見(jiàn)，但它在風(fēng)化過(guò)程中極不穩(wěn)定，易被遷移，推測(cè)可能受風(fēng)化影響強(qiáng)烈。

圖3 巴隆烏拉山剖面樣品微量元素原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖Fig.3 Normalized cobweb map of the primitive mantle of trace elements in the Balong Wula profile sample

3.3 稀土元素特征

稀土元素的豐度、相關(guān)參數(shù)及平均值計(jì)算結(jié)果列于表4和表5。由表4、表5及圖4可知，巴隆烏拉山剖面樣品稀土元素總量(∑REE)介于53.16×10-6～291.85×10-6，平均值為196.30×10-6?！芁REE/∑HREE反映樣品輕、重稀土的分異程度。輕稀土(LREE)為31.31×10-6～215.78×10-6，平均值為145.19×10-6，重稀土(HREE)為14.30×10-6～127.53×10-6，平均值為51.11×10-6。其中，∑LREE/∑HREE為0.8～5.22，平均值為3.18，反映了研究區(qū)輕稀土元素富集的特征。(La/Yb)N表示分布曲線的斜率，反映曲線的傾斜程度，(La/Yb)N=2.94～13.51，平均值為8.72。La-Eu段配分曲線斜率較大，明顯的“右傾”型，而重稀土(Eu-Lu段)配分曲線斜率較小。(La/Sm)N和(Gd/Yb)N分別反映輕、重稀土元素的分餾程度，(La/Sm)N=1.74～5.9，平均值為3.66，說(shuō)明輕稀土分餾程度中等，(Gd/Yb)N=0.75～2.26，平均值為1.56，說(shuō)明重稀土元素分餾較低，曲線較平緩。Eu=0.82～1.03，平均值為0.96，表現(xiàn)為中等偏強(qiáng)的負(fù)異常，Ce 呈正異常。

表1 主量元素含量表Table 1 Contents of major elements

表2 微量元素含量表(一)Table 2 Contents of trace elements(一)

續(xù)表2

表3 微量元素含量表(二)Table 3 Contents of trace elements(二)

表4 稀土元素地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)Table 4 Geochemical analysis data of rare earth elements

表5 稀土元素含量表Table 5 Contents of rare earth elements

圖4 巴隆烏拉山剖面樣品稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖解[1]Fig.4 Rare earth element chondritic meteorite standardized cobweb diagram of sample from Balong Wula profile[1]

4 討論

4.1 源巖分析

沉積物地球化學(xué)特征的研究對(duì)盆地物源區(qū)性質(zhì)的恢復(fù)具有重要的指導(dǎo)意義，其中稀土元素分布格局是指示盆地沉積源區(qū)性質(zhì)最可靠的指標(biāo)，由于稀土元素不溶于水，且在水中含量極低，在運(yùn)移過(guò)程中主要由碎屑顆粒運(yùn)移，受成巖作用的影響較小，稀土元素配分模式可客觀反映沉積物源區(qū)性質(zhì)，故可作為物源區(qū)的一個(gè)重要的示蹤[15-16]。研究區(qū)巖石樣品經(jīng)球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化處理后，表現(xiàn)為L(zhǎng)REE富集，HREE輕度虧損，Eu元素具有明顯的負(fù)異常、Ce 正異常。結(jié)果表明，研究區(qū)樣品的分布格局與上地殼基本一致，表明研究區(qū)樣品的原始物質(zhì)可能來(lái)自上地殼。

從La/Yb-∑REE 源巖判別圖解(圖5)可以看出，大部分樣品落在沉積巖(鈣質(zhì)泥巖)和花崗巖的交匯區(qū)，極少數(shù)樣品落在堿性玄武巖區(qū)，說(shuō)明研究區(qū)源巖具有樣品物源的多樣性。而已有研究表明微量元素比值對(duì)于碎屑物源也具有良好的指示作用，能指示沉積物源區(qū)巖石的成分特征。Th/U是確定物源類型的重要標(biāo)志[17-18]。Th/U=2.5～3.0時(shí)，主要為島弧火山巖；Th/U≈4.5時(shí)，主要為沉積巖，可能與島弧火山巖混合；Th/U≈6.0時(shí)，其物源主要是再旋回沉積巖[17-18]。巴隆烏拉山剖面樣品的Th/U=0.6～4.66，平均值為2.69，由此可知物源主要為沉積巖和島弧火山巖。

圖5 巴隆烏拉山剖面樣品La/Yb-∑REE 圖解[32]Fig.5 La/YB-∑REE diagram of Balong Wula Mountain profile sample[32]

綜上所述，研究區(qū)樣品母巖源區(qū)物質(zhì)較復(fù)雜，但主要為沉積巖和島弧火山巖，經(jīng)過(guò)剝蝕、搬運(yùn)、沉積的產(chǎn)物。

4.2 古環(huán)境特征

4.2.1 古氣候演化

主、微量元素的含量和比值可以用于恢復(fù)古氣候和沉積環(huán)境。殘積指數(shù)(KI)、Rb/Sr、Sr/Cu常被用作區(qū)分古氣候變化的指標(biāo)，也可用FeO/MnO、Ca/Mg進(jìn)行判別[19]。KI=(Al2O3+Fe2O3)/(CaO+Na2O+MgO)，可以作為重要?dú)夂蛑笜?biāo)，值越高，氣候越溫暖濕潤(rùn)[20]。從圖6可知：樣品KI平均值為6.83，為0.1～37.31。Sr/Cu和Rb/Sr對(duì)沉積環(huán)境的識(shí)別具有重要意義。Sr是一種典型的喜干型元素，Sr/Cu=1.3～5時(shí)，通常指示溫濕氣候，Sr/Cu>5時(shí)指示干熱氣候[21-23]；巴隆烏拉山剖面樣品Sr/Cu顯示：平均值高達(dá)21.38，表明總體上為干熱-溫濕的沉積氣候，而Sr/Cu從上段(SP-3～SP-12)到中段(SP-12～ SP-21)顯示出較顯著的變化(圖6)，說(shuō)明存在著古氣候的干濕轉(zhuǎn)換。而SP-12～SP-21段波動(dòng)幅度更大，比值更高，說(shuō)明該時(shí)期的干旱程度更高。同時(shí)，高Rb/Sr表示氣候濕潤(rùn)，而低Rb/Sr則指示氣候干旱，這與Sr/Cu對(duì)古氣候的指示相反[2,22,24]。從圖6可知，Rb/Sr 和 Sr/Cu在垂向上表現(xiàn)為具有相對(duì)逆向的演變趨勢(shì)，則當(dāng)Rb/Sr上升時(shí)，Sr/Cu下降的趨勢(shì)，具有高度的耦合性。共同指示著存在干熱環(huán)境的轉(zhuǎn)變，由溫濕到干熱再到溫濕的氣候，且中部出現(xiàn)相對(duì)明顯的干旱沉積過(guò)程。

圖6 巴隆烏拉山剖面樣品地球化學(xué)參數(shù)垂向演化圖Fig.6 The vertical evolution map of geochemical parameters of samples from the Balong Wula mountain

4.2.2 古鹽度演化

古鹽度作為地質(zhì)歷史上海陸變化的一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)古沉積環(huán)境的分析具有重要意義。鍶豐度和Sr/Ba比值常用來(lái)反映當(dāng)時(shí)沉積介質(zhì)古鹽度，在天然水體和不同的沉積環(huán)境中，鍶和鋇以重碳酸鹽的形式出現(xiàn)，隨著水體礦化度的加大，鍶、鋇因不同的地球化學(xué)行為產(chǎn)生分離，從而先后發(fā)生沉淀。因此，沉積物中的鍶豐度和Sr/Ba與古鹽度之間存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，可以作為古鹽度恢復(fù)的標(biāo)志[25-26]。根據(jù)前人的研究，一般來(lái)說(shuō)，Sr/Ba<1為淡水沉積，Sr/Ba>1為海相沉積，Sr/Ba=0.6～1.0，為半咸水相[27-28]。

研究區(qū)樣品Sr/Ba=0.14～7.4(存在2個(gè)偏高的值：5.26、7.4)，平均值為1.22，說(shuō)明水體整體上偏淡的特點(diǎn)，為淡水沉積，可能存在淡水向咸水再到淡水轉(zhuǎn)化的半咸水環(huán)境。垂向上Sr/Ba表明上段(SP-3～SP-12)到中段(SP-12～ SP-21)古鹽度存在顯著的變化，比值先增大，后減小的趨勢(shì)，與上面提到的指示Sr/Cu值變化趨勢(shì)具有相似性，與Rb/Sr變化趨勢(shì)具有相對(duì)性，但指示的都為干旱條件下鹽度相應(yīng)增加的特點(diǎn)，同時(shí)也反映了古鹽度變化的特征。

4.2.3 氧化還原演化

氧化還原敏感微量元素也是區(qū)分古沉積環(huán)境的重要指標(biāo)。目前主要用來(lái)水體氧化還原判別指標(biāo)的有V/(V+Ni)、U/Th、V/Cr、Ni/Co、Cu/Zn、Ceanom等。主要利用V/Ni、V/(V+Ni)、U/Th 和 Ceanom值進(jìn)行判別，判別沉積物沉積時(shí)底層水體氧化-還原環(huán)境的數(shù)據(jù)如表6所示[29-32]。

據(jù)表6可知：研究區(qū)V/Ni=1.39～97.14，平均值高達(dá)7.68，V/(Ni+V)=0.58～0.99，平均值為0.78，其值分別大于1和0.6，表明本區(qū)沉積時(shí)總體上為厭氧的還原環(huán)境。在垂向變化上，兩組比值表現(xiàn)出了高度的相似性，中段(SP-12～SP-21)厭氧的還原環(huán)境由較弱達(dá)到最強(qiáng)，可能是由于在當(dāng)時(shí)環(huán)境下氣候異常的干冷，這與前文所分析的氣候干濕指標(biāo)所照應(yīng)，也顯示出了異常干燥的特點(diǎn)，表明氣候干濕異常與氧化環(huán)境高度耦合。而U/Th=0.21～1.64，均值為0.51，其中只有一件樣品值大于1.25，其余均指示為氧化環(huán)境；Ceanom值范圍為-0.084 2～0.000 5，平均值為-0.030 7，表示厭氧的還原環(huán)境。另外，縱向上表現(xiàn)出了氧化-還原起伏的沉積環(huán)境，可能受還原環(huán)境的控制。因此，可以推斷，研究區(qū)SP-12段存在氧化-還原界面，SP-21以下段為還原-氧化界面。它與上文所指示的干濕交替氣候及古鹽度演化特征具有耦合性。

表6 氧化-還原環(huán)境判別表Table 6 Determination of oxidation-reduction environment

5 結(jié)論

(1)巴隆烏拉剖面樣品中的主量元素含量以SiO2、Al2O3、CaO為主，含少量的P2O5、Na2O、MgO、K2O，極少量的MnO、TiO2。Rb、Th、U、La等微量元素較為富集，Nb、Ce、Hf、Zr等元素稍富集，而B(niǎo)a、Sr、K、P、Ti等元素虧損，其中K、Ti元素異常虧損。稀土元素含量較低，輕稀土元素富集，重稀土元素虧損，Eu負(fù)異常。

(2)依據(jù)地球化學(xué)分析及La/Yb-∑REE 源巖判別圖解可知，研究區(qū)樣品母巖的源區(qū)物質(zhì)復(fù)雜，主要是沉積巖和島弧火山巖的混合源區(qū)。

(3)通過(guò)對(duì)地球化學(xué)參數(shù)體系的判別，在垂向上整體表現(xiàn)為溫濕的氧化環(huán)境，中段出現(xiàn)明顯的厭氧的還原的咸湖環(huán)境，而后又轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸h(huán)境。中段界面的古氣候、古鹽度和氧化還原條件變化顯著。SP-3～SP-30段在相對(duì)溫暖潮濕的沉積過(guò)程中具有干冷的還原環(huán)境，這與古氣候、古鹽度和氧化還原的演化中均體現(xiàn)出一致性，即在溫濕的氧化環(huán)境下存在較短時(shí)間的干冷的還原的咸湖環(huán)境。