XRF法在四川盆地须家河组沉积相研究中的应用

高拉凡，王长城*，杨海欧，施泽进, 2，张文强

1. 成都理工大学能源学院，四川 成都 610059 2. 成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059

XRF法在四川盆地须家河组沉积相研究中的应用

高拉凡1，王长城1*，杨海欧1，施泽进1, 2，张文强1

1. 成都理工大学能源学院，四川 成都 610059 2. 成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川 成都 610059

X射线荧光光谱仪在地质样品测定上的应用还不是很广泛，而将X射线荧光光谱法应用到沉积相的研究中则更少。将X射线荧光光谱法(XRF)应用到川中地区上三叠统须家河组二段沉积环境及古气候的识别中，针对四川盆地上三叠统须家河组二段沉积相及沉积环境有争议的问题，特别是须二段地层属于陆相沉积还是海相沉积的问题，采集了四川盆地内四个有代表性地区的须家河组样品，采用X 射线荧光光谱法分析须家河组各段沉积物的元素含量及变化特征，并根据不同相带及沉积环境的元素含量标志，定量分析须家河组沉积相带与沉积环境。研究结果表明： 须家河组二段的Sr/Ba值、Mn/Fe 值和Sr/Ca值均落在陆相沉积的范围内，且与须家河组三-四段的元素含量特征无明显差异，Sr/Cu元素比分析结果表明须家河组沉积时期为温暖—湿润的古气候环境，结果证明四川盆地上三叠统须家河组二段属于温湿气候下的陆相沉积，且与须家河组三-四段沉积环境相类似。X射线荧光光谱法与常规化学分析法实验结果相对误差小于3%，该方法简单易行，为沉积相及沉积环境的识别提供了一种简单、可行且能够定量分析的研究方法。为解决有争议地层沉积相的问题提供了一种较可行的新方法，推动了X射线荧光光谱分析法在地质上的应用。

XRF法； 须家河组； 沉积相； 古气候

引 言

沉积相研究是沉积学的一项重要研究内容，包括沉积环境及沉积特征研究，是指导油气勘探必不可少的基础研究工作。露头或岩芯观察、测井相分析、地球物理、地球化学或者古生物学等地质或地球物理方法常被用来研究沉积相[1-3]，而将X射线荧光光谱法(XRF)应用到沉积相研究的实例很少，但XRF在研究沉积相方面至少具有两大优势： 首先，XRF是一种快速、准确、成本低并自动化程度高的地质样品多元素同时测定的方法[4-5]，而前人的研究方法大多耗时且工作量较大； 其次，XRF在沉积相的定量研究上有显著效果，这也是沉积学发展的一个重要方向。XRF与传统研究方法结合起来，可以相互验证，互为补充，推动沉积学研究的不断完善和发展。

以四川盆地上三叠统须家河组为例，采用XRF定量分析压片法开展其沉积相研究，不仅拓宽了XRF的应用范围，而且实现了沉积相研究的定量判别，可以作为目前沉积相研究方法的重要改进及补充。四川盆地上三叠统须家河组是油气勘探的重要层位，须家河组3～5段属于陆相沉积是公认的，而学者对须家河组2段属于海相还是陆相沉积存在一些争议[6]，例如李伟、赵霞飞和施振生等学者的观点是须家河组1～2段属于海相沉积[7-9]。本研究首先对前人无争议的须家河组3～5段用XRF法进行研究，验证此方法的可靠性，再开展对须家河组2段的研究，确定其沉积相类型及古气候环境。据文献[10]采用粉末压片法制样，并开展针对须家河组的XRF法分析，最终明确了须家河组2段的沉积相类型及古气候环境，为这一有争议地层的沉积相研究提供了一种定量的方法。

1 实验部分

1.1 样品

分别在四川盆地的西北、西南、中部、东部实测或观察了四条代表性的野外剖面，采集了48个样品，46个样品属于四川盆地上三叠统须家河组的砂岩或者泥岩。其中，成都市大邑县花水湾剖面9个样； 绵阳市江油县马角坝镇剖面23个样，其中21个样来自须家河组，剩下的两个样品分别取自三叠系中统的雷口坡组顶部和早侏罗世的白田坝组； 自贡市威远县曹家坝剖面7个样； 广安市华蓥市溪口镇剖面9个样。采样前先准确划分地层层序，再根据岩石的岩性，颜色变化来采集新鲜的、无蚀变的岩石样品，一般每个样品重约500～1 000 g，便于从中缩取样品，使其更具代表性。

1.2 仪器

碎样过程采用型号为GJ-1的密封式化验制样粉碎机，鹤壁市华泰仪器仪表有限公司制造，每个样品加工时间为3～5 min。压片过程采用型号为YY-600的粉末压片机，南京和澳自动化科技有限公司制造，每个样品压片时间为7～10 min。XRF测试分析采用型号为XRF-1800的顺序扫描式X射线荧光光谱仪，靶材为Rh，功率4 kW，日本岛津公司制造，每个样品测试时间为8～10 min。

1.3 方法

实验在成都理工大学金刚石薄膜实验室进行。波长色散XRF法具体分析步骤为： (1)用GJ-1密封式化验制样粉碎机将缩取的样品粉碎至粒度小于74 μm(200目)； (2)在105 ℃将样品烘干2 h； (3)将烘干的样品取出，然后放入干燥皿中冷却10 min，再取适量倒入模具(外径40 mm，内径35 mm，高5 mm)中，用硼酸作固体粘结剂，将YY-600粉末压片机压力、保压时间分别设置为30 t和30 s； (4)采用表1所示的各元素的主要测量参数测定SiO2，CaO，Al2O3，Fe2O3，K2O，MgO，MnO，BaO，SrO等。

表1 各元素的测量条件

2 结果与讨论

2.1 海陆相的识别

一般常用古生物、沉积岩的构造及岩矿特征等来识别海陆相地层，其中古生物就是一种很好的标志，可是不少地层中并不含化石，而沉积岩的构造及岩矿特征的鉴定需要对一个地质人员进行长期的专业训练，积累了大量的经验才可以很好的识别各类沉积构造及岩矿特征。前人研究表明，不同沉积环境下其各类元素含量及相互的比值有很大差异，具有指相的意义，如Sr/Ba值在淡水沉积物中常小于0.6，在半咸水沉积物中介于0.6～1之间，而在海相沉积物中常大于1； 海相沉积物的Mn/Fe值比淡水沉积物(小于0.2)要高得多； Sr/Ca值一般低于0.2就被认为是淡水沉积物的特征，而海水中Sr/Ca比值较前者更大[11]。根据X射线荧光光谱仪测得的数据来作须家河组二段元素比值分析，再进一步分析其沉积相与古气候条件。

各个野外剖面样品的测试结果如图1所示，横坐标为样品编号，如X2-1表示须二段的第一个样品，X3和X4分别表示须三段、须四段的样品。测试分析结果显示： 不同剖面须二～须四段样品的Sr/Ba值、Mn/Fe值和Sr/Ca值在都落在陆相沉积的范围内，并且有争议的须二段元素比值与没有争议的须三～须四段(陆相沉积)的元素比值非常接近。表2是各剖面不同层位的元素比值分析，须二段、须三～须四段的Sr/Ba值全部小于0.6，最大为0.369 9，是典型的淡水沉积物特征； Mn/Fe值介于0.02与0.08之间，小于海陆相沉积物的界限0.2，符合陆相沉积物的特征； Sr/Ca的最大值0.123 7在曹家坝剖面的须三～须四段，也小于0.2，是淡水沉积物特征。

图1 不同采样点元素比值分析

表2 不同地层的元素比值分析

综上所述，可以得出，四川盆地上三叠统须家河组二段属于陆相沉积，且与须三～须四段沉积环境相类似。

2.2 古气候分析

碎屑岩中微量元素不仅能灵敏地反应出沉积环境的水文变化，而且它的分布特点及其比值的变化规律都包含了丰富的地质信息，是研究沉积物沉积时的古气候、古环境的有效手段。影响碎屑岩中微量元素的分配主要有两种因素，一是元素本身的物理化学性质，二是古气候、古环境的影响，这种影响作用更为巨大。因此，分析碎屑岩中反应灵敏的或者某种古气候特有的一种或几种微量元素含量，并讨论相关元素比值的变化、分布规律等，对判断古气候环境有重要意义。

选取对古气候敏感的Sr/Cu元素比来分析四川盆地须家河组的古气候，Sr/Cu值介于 1.3～5之间为温湿气候，大于5为干热气候[12]。测试分析结果如图2所示，各个野外剖面样品的Sr/Cu元素比如下： 在曹家坝7个样品中，有一个样品Sr/Cu值大于5，Sr/Cu平均值为3.640 8； 在花水湾9个样品中，Sr/Cu值全部小于5，Sr/Cu平均值为3.124 2； 在溪口9个样品中，Sr/Cu值全部小于5，Sr/Cu平均值为3.260 6； 在马角坝21个样品中，有4个样品Sr/Cu值大于5，Sr/Cu平均值为4.215 7。这四条剖面共有46个样品，Sr/Cu平均值为3.727 8，有5个样品Sr/Cu值大于5，占10.87%。据此，可推断四川盆地上三叠统须家河组沉积时期古气候主要为温湿型。

王全伟等在研究四川天全地区的恐龙足迹化石中，根据植物化石中真蕨类、苏铁类反映的古气候与上三叠统须家河组孢粉组合特征反映的古气候是一致的，故认为当时气候条件属于温暖—湿润类型[13]。徐兆辉等研究古气候时，利用微量元素、孢粉特征以及黏土矿物，综合分析后认为，四川盆地须家河组沉积时期应属温暖潮湿的热带和亚热带气候[14]。蒋裕强等根据中坝地区中73井须三段发现的原始壕环孢、小桫椤孢等多种孢粉化石，以及旺苍白水剖面发现的苏铁杉等植物化石，在综合前人的研究成果后认为，四川盆地晚三叠世须家河组沉积时处于总体温暖、潮湿的热带、亚热带气候[6]。

前人的研究成果与本研究XRF法分析的Sr/Cu元素比研究结果一致，四川盆地上三叠统须家河组沉积时期为温暖—湿润的古气候环境，也证明了本研究方法在研究古气候环境方面的可行性。

2.3 元素含量相关性分析

碎屑岩中各元素质量分数受陆源区、风化作用及成岩作用等多重因素的影响，石英颗粒、长石碎屑及岩屑之间保持着微妙且复杂的联系，各元素间也会存在一定的关系，反映了一定的沉积环境特征。为弄清楚元素之间的变化关系及反映出的地质意义，对须家河组46个样品的各主要元素作了相关系数分析，分析结果见表3。

表3 碎屑岩主要元素的相关系数分析

由表3的分析结果可以得到以下四点。

(1)SiO2与CaO和SrO呈显著的负相关，Si作为造岩元素且SiO2的质量分数相对较高，CaO和SrO的质量分数相对较低，因此碎屑岩中SiO2及成岩过程中形成的各种硅酸盐矿物，基本上控制了碎屑岩的物理化学性质。

(2)CaO与SrO呈高度正相关。Ca和Sr在样品中含量较少，而富钙矿物中常可容纳锶，开始Sr2+大部分保留于文石矿物中，由于文石不稳定，其矿物晶体结构中的Sr2+易被Ca2+取代变为方解石。文石向低镁方解石转变过程中，Sr大部分被保留下来，另外，高镁方解石也很不稳定，故现今的Sr2+大部分保留在低镁方解石中。Ca和Sr一起参与构成的方解石常作为碎屑岩的胶结物。

(3)TiO2与Rb2O，Al2O3与K2O和TiO2等氧化物呈正相关。Al3+和K2+主要赋存在粘土矿物中，而粘土质沉积岩中钛的含量较高，这代表了陆源物质，也能反映出长石岩屑对碎屑岩的化学贡献。而铷的地球化学性质与钾极为相似，在陨石、月球及地球上各种岩石中铷的含量都与钾的含量成正比，所以K2O与Rb2O呈显著正相关，Al2O3也与Rb2O呈显著正相关。

(4)MnO与P2O5呈显著正相关，而与含Al、K的氧化物呈显著负相关。由于须家河组属于陆相沉积，所以P不会来自富含磷的海洋物质，而主要来自含磷的陆源碎屑，故Mn和P可能来自相同或类似的陆源碎屑，这与含Al和K的粘土矿物呈负相关。

2.4 XRF压片法的准确度

为了验证XRF压片法实验结果的准确度，将该法与常规化学分析法做了对比实验，对从48个样品中选取的5个样品进行了常规化学测试分析，结果见表4。

表4 XRF法与化学分析法结果比较

注： BTB代表白田坝组样品，LKP代表雷口坡组样品

从表4可以看出： 两种分析方法的实验结果比较吻合，相对误差小于3%。根据我国1994年开始实施的地质矿产实验室测试质量管理规范，各主要化学成分的质量分数均在误差范围内，这说明本实验所采用的XRF压片法的准确度较高，结果是可信的，能够满足研究须家河组沉积相的要求。

3 结 论

(1)对来自四川盆地不同地区须家河组46个样品的分析结果显示： 不同剖面须二须四段样品的Sr/Ba值、Mn/Fe值和Sr/Ca值在都落在陆相沉积的范围内，并且须二段元素比特征与须三须四段非常接近，说明四川盆地上三叠统须家河组二段属于陆相沉积，且与须三须四段沉积环境相类似。

(2)Sr/Cu元素比分析结果表明，四川盆地上三叠统须家河组沉积时期为温暖—湿润的古气候环境，与前人采用孢粉化石、植物化石及黏土矿物等研究得出的结论相一致，证明本研究方法在研究古气候环境方面具有可行性。

(3)XRF法与常规化学分析法实验结果对比显示其相对误差小于3%，XRF法的应用结果表明，该方法简单易行，且不要求研究人员具有全面的地质知识，为沉积相及沉积环境的识别提供了一种简单、可行且能够定量分析的研究方法。

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(Received Apr. 20, 2015; accepted Aug. 18, 2015)

*Corresponding author

Application of X-Ray Fluorescence Spectrometry in Xujiahe Formation of Sichuan Basin for the Study of Sedimentary Facies

GAO La-fan1, WANG Chang-cheng1*, YANG Hai-ou1, SHI Ze-jin1, 2, ZHANG Wen-qiang1

1. College of Energy Resources, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China 2. State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoir Geology and Development Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059, China

Currently, X-ray fluorescence spectrometer (XRF) is not widely used in the determination of geological samples, and it’s much less used in the study of sedimentary facies. XRF was firstly used to identify sedimentary environment of the T3x2formation in central Sichuan region. In order to investigate the controversy of sedimentary facies and sedimentary environment of T3x2formation of the Upper Triassic in the Central Part of Sichuan Basin, particularly whether the T3x2formation is continental deposit or marine deposit, samples were collected in four representative zones from Xujiahe formation in Sichuan Basin. The method of X-ray fluorescence spectrometry were used to analyze the element contents and its’ changing characteristics of the deposition from target formation. The sedimentary facies and sedimentary environment of target formation could be quantificationally analyzed by the symbol of corresponding element content. The results of the study show that the ratio of Sr/Ba, Mn/Fe and Sr/Ca of T3x2formation belong to continental deposits, and it has no significant difference with characteristics of element contents from T3x3or T3x4. The analysis results about the ratio of Sr/Cu show that the climatic environment of target formation was warm and humid, and T3x2formation was belong to continental deposits in warm and humid environment, which is similar to the sedimentary environment of T3x3or T3x4formation. The relative errors between this method and conventional chemical analysis are less than 3%. The method of X ray fluorescence spectrometry is simple and feasible, which provides a quantitative analysis method for identification of sedimentary facies and sedimentary environment. The paper provides a new feasible method to solve the controversial sedimentary facies, which will promote the using of X-ray fluorescence spectrometric analysis method in geology.

Method of XRF； Xujiahe Formation； Sedimentary facies； Paleoclimate

2015-04-20，

2015-08-18

国家自然科学基金项目(41204091)资助

高拉凡，1988年生，成都理工大学能源学院硕士研究生 e-mail： 474444307@qq.com *通讯联系人 e-mail： wcc-126@163.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1904-06