安徽含山小茨山早石炭世高骊山组稀土元素特征及其地质学意义

赵 欢, 洪天求, 罗 雷, 张立夫

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

安徽含山小茨山早石炭世高骊山组稀土元素特征及其地质学意义

赵 欢, 洪天求, 罗 雷, 张立夫

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

文章对安徽含山县小茨山下石炭统高骊山组10件泥岩样品的稀土元素进行了地球化学分析,结果表明:该区高骊山组泥岩的稀土元素总量较高,该区轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损;Ceanom值反映出当时水介质处于还原状态;(La/Yb)n值表明该区高骊山组上部的沉积速率普遍比下部低。根据四射珊瑚化石组合及其分布规律,将高骊山组自下而上划分出2个组合带(Arachnolasmaintermedium-Yuanophyllum组合带与Lonsdaleia组合带)。通过分析高骊山组稀土元素地球化学特征和沉积环境特征与古生物群的分布关系,认为风暴作用以及沉积环境是影响化石保存和古生物群发展的主控因素。

稀土元素;沉积环境;古生物群;高骊山组;早石炭世;小茨山

稀土元素(rare earth element, REE)具有良好的化学稳定性,可被定量地保存下来,同时其配分几乎不受次生过程影响,因此可作为母岩物质的重要标志。近年来,REE被广泛运用于沉积源区的确定、古气候与环境演化、沉积介质研究等诸多方面[1-8]。 本研究以安徽含山县小茨山高骊山组剖面为对象,以该组泥岩中稀土元素地球化学特征的测试与分析为重点,结合前人的研究成果,分析该地区早石炭世高骊山组沉积环境的变化及其对生物发展的影响,为该区早石炭世的研究提供新的信息。

1 地质概况与古生物组合特征

研究区位于安徽省马鞍山市含山县小茨山地区。该区在大地构造位置上属于下扬子拗陷东段,在地层区划上属于扬子地层区的下扬子地层分区巢县地层小区[9]。小茨山地区下石炭统分布广泛,层序完整,出露清楚,富含海相动物化石,如珊瑚、腕足、有孔虫、钙质海绵、苔藓虫等,含少量腹足和介形虫等,是研究下扬子地区下石炭统的重要地区之一。

小茨山下石炭统高骊山组剖面位于小茨山采石场。该组剖面总厚度约为12 m,由灰岩和泥岩组成。其中,绝大部分为泥岩,含有大量珊瑚以及腕足动物化石。高骊山组剖面野外照片如图1所示,实测地层柱状图如图2所示。

根据地层发育特征,小茨山剖面的高骊山组自下而上可以分成3段。

(1) 下段(层号0～4)。该段主要由土黄色和紫红色黏土岩组成,局部出现夹燧石结核的泥质灰岩。上部泥质灰岩中含砾屑约20%,砾屑直径达2～3 cm;下部多为黏土岩和薄层灰岩,未见底,古生物化石稀少。

(2) 中段(层号5～12)。该段由杂色泥岩和暗灰色中薄层灰岩组成,含大量单体和群体珊瑚、腕足和双壳化石。下部为杂色黏土岩,含有大量泥质灰岩砾屑(团块),砾屑内见保存较好的珊瑚和腕足化石;上部为黑色炭质泥岩,含有大量珊瑚、腕足和双壳动物化石。该段为化石的主要产出层位。

(3) 上段(层号13～21)。该段为泥岩与灰岩的互层,含少量珊瑚及腕足动物化石。

(1)Arachnolasmaintermedium-Yuanophyllum组合带。该组合带主要组成分子有中间型拟棚珊瑚ArachnolasmaintermediumYan et Qi、中国拟棚珊瑚A.sinense(yabeetHayasake)、甘肃袁氏珊瑚YuanophyllumkansuenseYu、银屏袁氏珊瑚Y.yinpingenseYan et Chen、雅致袁氏珊瑚Y.elegantulumYan et Chen、湖南蛛网珊瑚ClisiophyllumhunanenseYu、极厚棚珊瑚DibunophyllumpercrassumGorsky和不列斯顿干沟珊瑚亚种D.bristolensekankouenseYu等。此外，可见腕足(湖南狮鼻长身贝Pugilishunanensis(Ozaki)、舒克贝Schunchertallasp.、无窗贝Athyrissp.)、少量双壳(变带蛤Wilkingiasp.)和植物化石碎片。

图1 含山县小茨山下石炭统高骊山组剖面野外照片

图2 安徽含山县小茨山下石炭统高骊山组实测地层柱状图

2 稀土元素地球化学特征

2.1 稀土元素特征

为探讨高骊山组的沉积环境特征及其变化,在高骊山组剖面共采集泥岩样品10件,采样层位和样品编号参见图2。

稀土元素测试工作委托澳实分析检测(广州) 有限公司澳实矿物实验室在ME-MS82等离子质谱仪中进行,测试误差小于5%。测试结果见表1、表2所列。

表1 安徽含山县小茨山下石炭统高骊山组泥岩样品稀土元素质量比 μg/g

注:∑LREE为轻稀土元素(light rare earth element, LREE)质量比之和;∑HREE为重稀土元素(heavy rare earth element, HREE)质量比之和;∑REE为总稀土元素质量比。

表2 安徽含山县小茨山下石炭统高骊山组泥岩样品稀土元素地球化学分析结果

注:δCe=CeN/(LaN×PrN)1/2, CeN、LaN、PrN为元素球粒陨石标准化值;δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2, EuN、SmN、GdN为元素球

粒陨石标准化值;Ceanom=lg[3Cen/(2Lan+Ndn)];下标N表示元素相对球粒陨石标准化值,下标n表示元素相对北美页岩

标准化值。

采用Leedy球粒陨石样的测定值对所测稀土元素的结果进行标准化。由表1可知,小茨山剖面样品总稀土元素质量比介于104.5～292.0 μg/g,平均值为175.72 μg/g。总体上看,研究区下石炭统高骊山组泥岩的稀土元素总量接近于北美页岩的平均值(173.2 μg/g),大部分样品的稀土元素总量高于大陆上地壳的平均值(146.4 μg/g)。

2.2 稀土元素配分模式

对研究区泥岩样品中稀土元素球粒陨石标准化,得到稀土元素配分模式图,如图3所示。

图3 高骊山组泥岩样品稀土元素配分模式

(1) ∑LREE/∑HREE比值反映了分析样品的轻、重稀土元素的分馏程度。研究区∑LREE/∑HREE比值为5.11～11.04,平均值为8.17,略高于北美页岩值(7.5)[15],总体表现为轻稀土元素富集,重稀土元素较为亏损。

(2) (La/Yb)N与(Ce/Yb)N是稀土元素球粒陨石标准化图解中分布曲线的斜率,反映曲线的倾斜程度;(La/Sm)N与(Gd/Yb)N分别反映了轻、重稀土元素之间的分馏程度,(La/Sm)N值越大,表明轻稀土越富集[8],而(Gd/Yb)N值越小,表明重稀土分异程度越低。研究区(La/Yb)N值为4.06～8.96,平均值为6.68;(Ce/Yb)N值为2.50～7.38,平均值为5.21,表明研究区样品中轻、重稀土元素有一定程度的分异,轻稀土元素相对富集。(La/Sm)N值为1.70～6.62,平均值为3.92,表明轻稀土元素之间分异不明显;(Gd/Yb)N值为0.59～1.76,平均值为1.17,表明重稀土元素之间分异不明显。

(3) 配分模式曲线在稀土元素Eu处出现一个低谷,存在明显的Eu负异常,Ce处为轻微负异常。研究区样品的δEu值为0.47～0.81,平均值为0.65,与北美页岩标准值(0.65)相当。这表明物源比较一致,物源区也相对比较稳定。

3 稀土元素的地质学意义

3.1 氧化-还原性分析

稀土元素对沉积环境的变化十分敏感,故经常被用于古环境研究。在一定的pH值条件下,若水体为氧化环境,Ce3+会被氧化成Ce4+,Ce3+浓度就降低;反之,若水体缺氧,Ce3+的浓度就会增大[7]。因此,δCe与Ceanom被广泛用来判断水介质的氧化还原条件[2,8,16-19],δCe>1.05为正异常(富集),表示还原环境;δCe<0.95为负异常(亏损),表示氧化环境。文献[20]提出用Ceanom来表示Ce异常,并用来判别古缺氧环境,当Ceanom<-0.10为Ce亏损,表示介质为氧化条件;Ceanom>-0.10为Ce富集,表示介质为缺氧条件。

文献[21]研究表明,在外海、开阔海域,δCe亏损严重;在边缘海和被陆地封闭的海湾中,δCe基本正常,亏损不严重。研究区δCe值为0.91～1.06,均值为0.99,介于0.95～1.05之间, Ce异常不明显,基本正常,不能用来判断其水介质的氧化还原条件,但可以得出高骊山组泥岩的沉积环境在浅海区; Ceanom值为-0.088～-0.001,均值为-0.038,均大于-0.1,反映其沉积时水体呈缺氧的还原环境。

REE的分异程度[(La/Yb)n]可作为反映沉积速率变化的一种标志。例如,悬浮物在海水中停留较短,REE随其快速沉积,与海水发生交换的时间较短,分异较弱[17],这种沉积物的页岩标准化的REE配分模式曲线就会比较平缓,δCe呈正常或弱负异常,曲线斜率 (La/Yb)n值约为1。研究区 (La/Yb)n值为0.68～1.50,平均值为1.12,该剖面自下而上(La/Yb)n值大体上呈逐步上升的趋势(表2),表明高骊山组上部的沉积速率普遍比下部低,这更有利于有机质聚集和古生物化石保存,该剖面上部发育的炭质泥岩及其保存的化石也证实了这一点。

3.2 物源分析

在指示盆地沉积物源区性质的指标中,REE分布模式是可靠的指标之一[7]。源自上地壳的稀土元素具有轻稀土元素富集、重稀土元素含量相对稳定以及明显的Eu负异常等特征[22]。由图3可知,研究区稀土元素总体具有轻稀土元素富集、重稀土元素含量稳定、Ce基本正常或轻微负异常及较明显的Eu负异常等特征。文献[23]认为,若母岩为花岗岩,则沉积岩多为Eu负异常;若母岩为玄武岩,则沉积岩无Eu异常。研究区的δEu值为0.47～0.81,平均值为0.65,存在明显负异常,证明物源区母岩可能为花岗岩。小茨山地区高骊山组样品显示出与上地壳基本一致的REE分布模式,说明高骊山组沉积时期的原始物质应来源于花岗质上地壳。

高骊山组泥岩La/Yb-∑REE图解如图4所示(据文献[24]修改)。

由图4可以看出,研究区样品的投影部分主要落在沉积岩与花岗岩的交汇区,部分落在大陆拉斑玄武岩及碱性玄武岩区域内,这也说明了研究区母岩可能为多源型。

∑REE/10-6图4 高骊山组泥岩La/Yb-∑REE图解

3.3 环境变化与古生物群发展

本研究关注的小茨山采场高骊山组由泥岩与灰岩互层组成,大部分地层中泥质含量高,泥质灰岩中保存大量以四射珊瑚为主的不同种类化石,古生物演化可分为4个阶段:层号1～4,海生动物化石稀少,记为阶段Ⅰ;层号5～7,化石开始出现,记为阶段Ⅱ;层号8～12,化石含量高,类群最为丰富,在整个高骊山组剖面中占主导地位,记为阶段Ⅲ;层号13～20,化石含量减少,记为阶段Ⅳ。从表2可以看出,阶段Ⅰ～阶段Ⅳ中的∑LREE/∑HREE值、(La/Yb)N、(Ce/Yb)N、(La/Sm)N、(Gd/Yb)N值均表明其轻、重稀土元素分异程度较大,轻稀土元素含量相对丰富。

δCe与Ceanom值表明,研究区的水体处于浅海还原环境,说明其沉积环境恶劣,不适宜古生物的生存与发展,但在研究区高骊山组地层中,化石记录从下到上开始骤然增多,与样品的REE地球化学分析结果矛盾。经详细观察发现,研究区化石一般保存在泥质灰岩砾屑之中,有明显的搬运痕迹。结合前人认为该地区高骊山组发育风暴沉积的认识[25],本研究认为小茨山采场高骊山组所含的珊瑚等化石大多是风暴作用导致异地搬运的产物。

研究区所在的下扬子地区在高骊山组沉积时,伴随着地壳运动的影响,曾出现频繁的海平面升降,总的趋势是海水逐渐变浅,加之风暴作用频繁,此时环境不利于古生物群生存与发展。

4 结 论

(1) 高骊山组泥质灰岩中化石丰富,种类繁多,并以四射珊瑚为主。本研究在高骊山组中建立了2个四射珊瑚组合带(Arachnolasmaintermedium-Yuanophyllum组合带和Lonsdaleia组合带)。

(2) 高骊山组泥岩稀土元素地球化学分析表明,研究区高骊山组泥岩的稀土元素总量较高,轻稀土元素相对富集,重稀土元素相对亏损。Ceanom值反映沉积时水介质为还原条件;(La/Yb)n值分析表明小茨山下石炭统高骊山组自下而上(La/Yb)n值相比于±1有逐渐变大的趋势,表明沉积速率自下而上有降低的趋势;根据稀土元素组合及其质量比的比值特征以及La/Yb-∑REE图解,母岩物源主要来自上地壳,源岩为花岗岩和古老的沉积岩的混合。

(3) 通过分析高骊山组各层泥岩样品的稀土元素地球化学特征与化石的产出关系,认为风暴作用以及还原性的水介质环境是影响古生物群生存和发展的主要因素。

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REEcharacteristicsofEarlyCarboniferousGaolishanFormationfromXiaociMountaininHanshanCounty,AnhuiProvinceanditsgeologicalsignificances

ZHAO Huan, HONG Tianqiu, LUO Lei, ZHANG Lifu

(School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

Through the geochemical analysis of rare earth elements(REE) of ten mudstone samples of Lower Carboniferous Gaolishan Formation in Xiaoci Mountain in Hanshan County, Anhui Province, it is shown that the total content of REE in mudstone of Gaolishan Formation is high. There are relative enrichment of LREE and relative loss of HREE in the studied area. Ceanomvalues reflect that the water medium belongs to reducing condition at that time. (La/Yb)nvalues show that the deposition rate in the upper part of the studied area is generally lower than that in the lower part. According to the fossil assemblage and distribution pattern of coral, the studied area can be divided into two groups, namelyArachnolasmaintermedium-Yuanophyllumcombination belt andLonsdaleiacombination belt. Through the geochemical research of REE in the Gaolishan Formation and combined with the analysis of the characteristics of the sedimentary environment and the influence of the Palaeobiota in the Gaolishan Formation in Xiaoci Mountain area, it is concluded that the storm action and sedimentary environment are the main control factors for the survival and development of the Palaeobiota.

rare earth elements(REE); sedimentary environment; Palaeobiota; Gaolishan Formation; Early Carboniferous; Xiaoci Mountain

2016-04-05；

2016-04-28

安徽省国土资源科技资助项目(2011-k-16)

赵 欢(1990-),男,吉林九台人,合肥工业大学硕士生;

洪天求(1953-),男,安徽怀宁人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师,通讯作者,hongtianqiu@sina.com.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.09.023

P618.7

A

1003-5060(2017)09-1269-07

(责任编辑 张淑艳)