地球化学在沉积环境判别中的应用——以城口高山地貌褶皱冲断带构造水井沱组为例

赵卫军，黄卫东，李平，张瑞刚，李金玉



地球化学在沉积环境判别中的应用——以城口高山地貌褶皱冲断带构造水井沱组为例

赵卫军1，黄卫东1，李平1，张瑞刚2，李金玉1

（1.国投重庆页岩气开发利用有限公司，重庆 400043； 2. 重庆地质矿产研究院，重庆 400042）

为了准确判定城口区块水井沱组的沉积环境，运用岩石中硅氧化物与铝氧化物的比值判定城口区块水井沱组为被动大陆边缘的构造沉积环境，铝氧化物与铁铝氧化物的比值判定区块物源属于生物或热水作用的补充；微量元素硼反映当时为低盐度沉积环境，钒与镍、钒和的比值则发映缺氧还原环境，铬与铜的比值则反映了温湿的气候环境。研究认为：水井沱组属于深水浅海陆棚相，处于低盐度、温暖潮湿、缺氧还原的沉积环境，物源属于生物或热水作用的补充，构造处于被动大陆边缘（与先辈研究结果一致）。

岩石；元素；比值；应用

沉积环境及沉积相的识别在油气勘探方面也有着非常重要的实际工作意义[1-12]，虽然通过沉积学方法和古生物方法（此区没有古生物）可以从宏观上确定沉积环境，但要准确判定它，地球化学方法显得犹为重要；前人研究渝东北确定下寒武统水井沱组为深水浅海陆棚沉积相，并认为气候为温暖潮湿、低盐度、强还原等环境；城口区隶属渝东北，文章运用城口区块主量及微量元素研究印证了前辈的研究成果。

1 基本地质概况

1.1 区域地理位置

勘查区位于重庆市东北边缘，城口县高楠乡-城口县城-修齐镇-高观镇一带，东北与陕西省镇坪县、平利县、岚皋县、紫阳县接壤；南与重庆市巫溪县、开县毗邻；西与四川省万源市相连，境内交通主要依靠公路，省级公路贯穿勘查区，与各县级公路相连，交通较为便利（图1）。

图1 微量元素调查剖面分布图（及地理位置图）

1.2 基本地质特征

勘查区及周缘地区主要发育南华系、震旦系、寒武系、奥陶系、志留系、二叠系、三叠系、第四系，缺失泥盆系、石炭系、侏罗系、白垩系、古近系。区内均为沉积岩地层，地层层序清楚，接触关系明显，层位比较稳定。发育三套海相页岩，但仅有水井沱组最具勘探潜力，本文以此层为主。

勘查区位于四川中生代前陆盆地和扬子陆块南部被动边缘褶皱带结合部位，经历多期构造运动，形成东西向密集、大体平行、不对称的背斜、向斜构造带。构造线呈北西向延展，伴随褶皱的一系列斜冲断层多发育在背斜轴部，由北东向南西斜冲，常切割褶皱使背斜轴部遭受破坏。受区域构造影响，岩层中常见小型断层和褶皱，大角度倾斜岩层和钻井地层（大于60°）常见。

勘查区下寒武统水井沱组深水浅海陆棚相沉积，处于静水强还原环境，有利于有机质的保存，能够形成富含有机质泥页岩，岩石颜色通常为深灰—黑色，有机质含量普遍较高。

目的层水井沱组下部为泥质粉砂岩、炭质页岩、含炭质泥质粉砂岩、长石石英杂砂岩、硅质岩夹炭质页岩等，化石罕见，含黄铁矿、钙质结核等，普遍含炭质，为含炭质硅质碎屑岩相。下部之上有一层微晶白云岩、细晶白云岩、炭质灰岩夹炭质页岩，厚度不大，有的地段缺失。

2 地球化学法判断沉积环境

在地球化学研究中，往往利用岩石的主量元素和微量元素的种类类型、含量、比值、等来解释物源、构造环境、盐度及氧化还原环境等（范徳廉等，2004），本文运用此方法间接验证了并补了前人的沉积相的研究成果，从地球化学方面指出了研究区水井沱组处于潮湿温暖、强还原环境，并从地球化学角度指出了城口区块属于被动大陆边缘的构造沉积环境。

图2 勘查区下寒武统水井沱组n（SiO2）/n（Al2O3）直方图

图3 勘查区下寒武统水井沱组n（Al2O3）/n（Al2O3+ Fe2O3）直方图

2.1 主量元素

主量元素的含量、比值等是区分岩石物源的重要标志，勘查区富有机质页岩主要元素组成为SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、K2O、MgO、CaO等，此外，还含有少量的MnO和TiO2。本次研究选取了n（SiO2）/n（Al2O3）、n（Al2O3）/n（Al2O3+ Fe2O3）和n（CaO）/n（Fe+ CaO）等比值作为判别富有机质页岩沉积环境的主量元素指标。

2.1.1 n（SiO2）/n（Al2O3）值

n（SiO2）/n（Al2O3）值是区分岩石物源的重要指标，Taylor等（1985）提出陆壳岩层中n（SiO2）/n（Al2O3）值为3.6，因此，比值接近3.6的岩石物源以陆源为主，超过3.6的则是由于生物或热水作用的补充。

勘查区下寒武统水井沱组（∈1）富有机质页岩n（SiO2）/n（Al2O3）值介于4.15~7.78（图2、表1），平均为4.9，物源属于生物或热水作用的补充。

表1 勘查区下古生界富有机质页岩沉积环境综合参数分析表

2.1.2 n（Al2O3）/n（Al2O3+ Fe2O3）

Murraya（1990，1994）用n（Al2O3）/n（Al2O3+ Fe2O3）值来确定岩石的沉积大地构造环境，其中n（Al2O3）/n（Al2O3+Fe2O3）值为0.6-0.9时为大陆边缘环境，为0.4~0.7时为远洋深海环境，为0.1~0.4时为洋脊海岭环境。勘查区下寒武统水井沱组（∈1）富有机质页岩n（Al2O3）/n（Al2O3+ Fe2O3）值介于0.71~0.90，平均值0.84，因此反映的均是被动大陆边缘的构造沉积环境（表1、图3）。

2.2微量元素

微量元素也可指示氧化还原条件，作为古海洋学的敏感指标。对氧化还原比较敏感的金属元素通常在缺氧沉积物中高度富集。根据这些敏感元素含量(或比值)可以判断氧化还原环境（Anderson，1989；Jones，1994；Morford，1999；陈兰，2006）。勘查区下古生界富有机质页岩微元素组成为V、Cr、Ni、Co、Cu、Sr、B、Ba、Mo、Be、Zn等。本次研究选取了n（B）、n（V）、n（V）/n（V+Ni）、n（V）/n（Cr）、n（Ni）/ n（Co）、n（Sr）/n（Cu）等值作为研究富有机质页岩沉积古氧化还原环境的微量元素指标。

2.2.1 n（B）

B是人们最早提出来用以确定古盐度及区分海、陆相的元素之一。Walker（1968）认为：n（B）含量大于400×10-6时反映超咸环境，300×10-6～400×10-6反映正常海相环境，200×10-6～300×10-6为半咸水环境，小于200×10-6则为低盐度环境。勘查区水井沱组有机质页岩n（B）值介于2×10-6～106.0×10-6之间，平均75.94×10-6，反映当时为低盐度沉积环境（表1）。

2.2. 2 n（V）/n（V+Ni）

n（V）/n（V+Ni）值能指示水体的氧化还原条件，n（V）/n（V+Ni）值>0.46为缺氧环境，<0.46为富氧环境（Yarincik等，2000）。勘查区水井沱组n（V）/n（V+Ni）值介于0.54～0.97之间，平均0.82，反映了缺氧还原环境（表1）。

2.2.3 n（V）/n（Cr）

如果沉积物中缺乏镁铁质碎屑，那么n（V）/n（Cr）值可作为识别沉积环境的地球化学参数，若n（V）/n（Cr）值>2为缺氧环境，反之，则为富氧环境（Yarincik等，2000）。勘查区水井沱组n（V）/n（Cr）值介于0.70～3.44之间，平均2.13，反映了缺氧还原环境（表1）。

2.2.4 n（Ni）/ n（Co）

n（Ni）/ n（Co）值可作为识别沉积环境的地球化学参数，若n（Ni）/ n（Co）值>4为缺氧环境，反之，则为富氧环境（Yarincik等，2000）。勘查区水井沱组有机质页岩n（Ni）/ n（Co）值介于0.70～12.28之间，平均4.28,因此反映了缺氧还原环境（表1）。

2.2.5 n（Sr）/ n（Cu）

n（Sr）/ n（Cu）值对古气候的变化也很敏感，通常n（Sr）/ n（Cu）值介于1到10之间指示温湿气候,而大于10指示干热气候，勘查区水井沱组有机质页岩n（Sr）/ n（Cu）介于2.63-19.45，平均6.59，为温湿气候。

3 沉积相特征

前辈根据岩性特征、结核发育、滑塌沉积体（地层偶发育粉砂质/硅质岩结核体，与围岩矿物成分区别较大，是在沉积程中搬运过来的弱固结的砂质颗粒，为滑塌沉积体，代表一种深水沉积环境）等判定城口区为深水陆棚沉积环境（深水陆棚为静水强还原环境，一般较有利于有机质的保存，因此，悬浮的沉积物经过沉积、埋藏、压实、成岩等作用能够形成富含有机质的暗色泥页岩，岩石颜色通常为深灰-黑色，有机质含量普遍相对较高）。也认为环境为温暖潮湿，缺氧还原，属于被动大陆边缘构造位置；此次研究印证了前人的研究成果。

4 结论与建议

利用岩性特征和古生物可以判断出大的沉积相，但是要准确的反映沉积时气候、盐度、氧化还原环境、物源、甚至隶属大地构造，地球化学法则十分必要。文章结合前辈研究深水陆棚相，运用地球化学方法认为沉积环境应为低盐度、温暖潮湿、录属被动大陆边缘等信息，验证并丰富了城口沉积特征。

[1] 张雷, 刘招君, 和钟铧,等. 孙吴-嘉荫盆地白垩系淘淇河组-太平林场组砂岩主量元素的地球化学特征[J]. 沉积与特提斯地质, 2008, 28(2):100-106.

[2] 徐恒, 崔银亮, 荣惠锋,等. 云南光茅山地区斑岩体地质特征及构造环境分析——来自主量元素地球化学方面的证据[J]. 矿产与地质, 2014(4):479-486.

[3] 靳建辉, 李志忠, 陈秀玲, 等. 新疆伊犁河谷晚全新世风沙沉积主量元素特征及其气候意义[J]. 古地理学报, 2010, 12(6):675-684.

[4] 陈亮, 黄伟, 等. 三水盆地下古近系主量元素、与有机质相关元素的组成及其古气候意义[J]. 桂林理工大学学报, 2013, 33(2):223-229.

[5] 鲍志诚. 湘江株洲—湘潭河段河床沉积物主量元素地球化学特征[D]. 湖南师范大学, 2013.

[6] 邱世藩. 中国东部现代成壤粘土的矿物、氢氧同位素和主量元素分布特征及其环境意义[D]. 中国科学院大学, 2012.

[6] 辛秀. 和什托洛盖盆地西山窑组砂岩岩石学特征及其铀富集规律研究[D]. 中国地质大学(北京), 2014.

[7] 吴军鹏, 黄基汉. 新疆地区碱性花岗岩类主量元素、稀土、微量元素地球化学特征[J]. 地球, 2014(7).

[8] 肖霞, 王少华, 刘正宏, 等. 大兴安岭中北段奥陶系裸河组碎屑岩地球化学特征及物源环境分析[J]. 西部探矿工程, 2016(3).

[9] 王建刚, 胡修棉, 黄志诚. 藏南桑单林地区晚白垩世—始新世砂岩物源区分析[J]. 地质学报, 2008, 82(1):92-103.

[10] 王建刚, 胡修棉, 黄志诚. 藏南桑单林地区晚白垩世—始新世砂岩物源区分析[J]. 地质学报, 2008, 82(1):92-103.

[11] 程素华, 汪洋. 北京阳坊岩体元素地球化学特征、成因及构造背景[J]. 地质论评, 2010, 56(2):205-214.

[12] 谢淑容, 彭渤, 唐晓燕, 等. 湘中桃江锰矿废矿堆环境地球化学分析[J]. 地质通报, 2007, 26(3):335-343.

The Application of Geochemistry to Sedimentary Environment Discriminant

ZHAO Wei-jun1HUANG Wei-dong1LI Ping1ZHANG Rui-gnag2LI Jin-yu1

(1-Chongqing Shale Gas Development and Utilization Co., Ltd, National Development Investment Company, Chongqing 400043; 2-Chongqing Research Institute of Geology and Mineral Resources, Chongqing 400042)

This study uses 5 ratios as discriminants of sedimentary environment of the Shuijingtuo Formation in the Chengkou block. The results indicate that the Shuijingtuo Formation was deposited in a passive continental margin or in a warm and damp deep shallow sea shelf characterized by low salinity and reduction environment.

rock; element; ratio; application

2016-05-26

赵卫军(1976— )，男，高级工程师，陕西礼泉人，主要从事页岩气勘探工作。

P632.2

A

1006-0995（2018）01-0150-03

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.01.033