主微量元素地球化学特征在沉积环境中的应用

彭治超， 李亚男， 张孙玄琦， 付星辉

(1.西北大学 地质学系，西安 710069；2.西安地质矿产勘查开发院，西安 710100；3.江苏井神盐化股份有限公司，江苏 淮安 223200)

对于任一研究区来讲，沉积和构造一直以来都是地质工作者所要研究的最基本和最核心的问题，只有首先搞清楚研究区的沉积环境,才能为进一步深入研究提供理论帮助.碎屑沉积岩的形成经历了源岩的风化剥蚀、碎屑颗粒的搬运、沉积物卸载和后期成岩等作用的综合改造，其间元素的转化、形成等信息记录了这一系列地质事件大量地质信息，因此赋存在矿物中的某些元素含量、比值等地球化学参数能够很好地反映沉积期的“源-汇”环境特征.前人主要是通过野外地质露头和划分沉积相类型来判断其形成期的环境，而利用主微量元素地球化学特征探讨沉积环境的不是很多.然而随着沉积地球化学的不断发展，普遍认为细粒碎屑沉积物在沉积的过程中，某些对外部环境较为敏感的元素在水体及沉积物中的分布和分配不仅与他们本身的化学性质有关，而且也受沉积介质物理化学条件以及古气候的影响[1-2].因此，沉积岩中的某些特征元素含量及其比值在一定程度上能够指示其沉积期的沉积环境及其物源特征[3-7].对于露头不是特别发育的地区，合理的运用地球化学数据，从极少的露头、钻井信息探讨盆地尺度古地理问题已经是低勘探区古地理分析的主要手段.

1 主微量与古沉积环境

碎屑沉积岩的主微量元素含量主要受其源岩矿物成分、风化与搬运过程、沉积环境以及后期成岩作用的综合影响[8]，前人研究表明，自生硅质岩、碳酸盐岩、泥岩以及粉砂质泥岩等细粒沉积物能够更好地反映沉积时的沉积环境[3-7,9].利用砂岩或砂岩结合泥岩一起判别其沉积期的沉积环境国内外也有少量成功的应用[10-11].然而，我们在应用砂岩的地球化学指标判断沉积环境时，一定要考虑到砂岩内胶结物多为后期成岩作用的产物，很容易受后期成岩过程中流体作用的影响，其胶结物的化学组成也就不能完全代表沉积岩形成时的沉积环境.故在选择样品时首先要选取泥岩、泥质粉砂岩等较细粒沉积岩进行分析，还可以适当选取一些砂岩样品辅助分析.

1.1 古盐度判别

古盐度是分析古沉积环境的一个重要研究内容，它通常作为地质历史时期海陆变迁的一个重要参数.通常用Sr、Ni、B含量、Sr/Ba、B/Ga以及Rb/K的比值来作为反映当时沉积介质古盐度的判别指标.Sr和Ba在自然界水体中都是以重碳酸盐的形式存在，当沉积介质中含盐度增大时，由于Sr和Ba的溶度积不同，Ba率先与SO42-离子结合形成不溶于水的BaSO4沉淀，而此时Sr还是以离子的形式保留在沉积水体中，随着盐度的持续增高，Ba2+逐渐减少，Sr开始和水体中的SO42-离子结合形成SrSO4沉淀，因此，记录在沉积物中的Sr/Ba值可以反映沉积介质中盐度的变化，并且其值和古盐度成很好的正相关关系[12].据前人研究发现，当沉积物中Sr/Ba值大于1时指示海相，Sr/Ba值小于1时指示陆相；若要再进一步细分，一般认为，Sr/Ba的值在0.6～1.0时为半咸水相，小于0.6时为微咸水相[13-15]，且Sr元素在淡水中的含量多为100×10-6～300×10-6，在咸水中的含量一般为800×10-6～1 000×10-6 [15].Ni元素在淡水中含量一般不超过30×10-6，在海水中的含量一般不低于40×10-6 [16].B元素含量也常用来指示古盐度，在海相环境中，B含量多在80×10-6～125×10-6之间，在陆相环境中，B含量通常不高于60×10-6.与B元素相比，Ga元素的迁移能力远小于B，Ga易在河流相中富集，B易在湖相泥岩中富集.故B/Ga比值可以作为盐度以及区分河、湖相泥岩的标志.一般河流相泥岩中，B/Ga比值较低，湖相泥岩中B/Ga值相对较高，并随盐度的增大而变大.前人总结出泥岩B/Ga比值的沉积相判别标准：0.50.006时指示正常的海相沉积，Rb/K<0.004时指示陆相沉积，0.004

1.2 古气候判别

元素地球化学作为古气候判别的方法之一，如Sr、Cu含量以及Sr/Cu、Mg/Ca、FeO/MnO、Al2O3/MgO、SiO2/Al2O3的比值均是判别古气候环境的常用指标[17-18].Sr含量和Sr/Cu比值对气候具有敏感的变化，Sr是典型的喜干型元素，低含量指示潮湿气候，高含量代表干旱气候[18].Sr/Cu比值处于1.3～5指示温湿气候，而大于5指示干热气候[3].在干旱气候条件下，由于水分蒸发导致水体碱性增强致使沉积介质中的Na、Mg、Ca、Sr、Mn等元素大量析出而在水底发生沉积，因而这些元素容易在干旱气候条件下形成的沉积岩中富集；并且在更高温度下，Mg相对于Ca更利于沉积，以致Mg/Ca比值随干旱程度增加而增大.高比值指示干旱气候，低比值指示温湿气候，但在利用Mg/Ca值作为判别古气候变化指标时，一定要注意，在极度干旱的情况下，Mg/Ca比值所指示意义正好相反[19].Mn也是喜干性元素，在干旱环境中含量较高，在潮湿的条件下含量相对较低，而Fe元素在潮湿环境中易以Fe(OH)3胶体的形式快速沉淀.因此，可以用沉积物中FeO/MnO的值来判别古气候条件，高值对应温湿气候，低值代表干热气候.沉积岩中SiO2/Al2O3的比值也可以反映沉积时的气候特点，当SiO2/Al2O3的值大于4时，指示气候干燥;反之，在潮湿气候下，化学风化较为强烈，SiO2遭受搬运迁移，而Al2O3大量富集，相应的SiO2/Al2O3的值就会变小，一般认为小于4时指示潮湿气候[20].

1.3 氧化—还原环境的判别

氧化还原环境的判别主要是根据沉积物中明显受氧化还原状态控制的元素及其比值来推断沉积物沉积期的氧化还原条件.其中，U、V、Cr、Co、Ni、Mo等微量元素在氧化环境中易溶，还原环境下不溶，并且一旦发生沉积，就很难再发生迁移，能够代表沉积时的原始记录，因此可以作为判别古沉积水体氧化-还原环境的指标[2].Jones et al.(1994)通过对西北欧大量晚侏罗世暗色泥岩的古氧相研究，总结出一系列判别指标，综合对比认为V/Cr、V/(V+Ni)、Ni/Co、&U以及U/Th比值是最为可靠的参数，并且总结出了一套用于判别沉积物沉积时底层水体氧化-还原环境的微量元素比值判别指标(表1).

表1 古水体氧化-还原环境微量元素判别指标[7]

V、Ni同属铁族元素，其离子在不同的氧化-还原条件下经常呈现不同的离子价态.前人研究表明，V在氧化环境下容易与沉积物结合形成沉淀，而Ni易在还原条件下被吸附富集，发生沉淀.因此，通常可以用V/(V+Ni)的值来反映古沉积水体的氧化-还原环境[21].当V/(V+Ni)>0.84时，反映水体分层及底层水体中出现H2S的还原环境；当0.60

Th和U元素的化学性质在还原环境下十分相似，但在氧化条件下差别却很大.在表生环境下，Th只有正三价一种价态且不易溶解，而U则不一样.U在强还原状态下为正四价，不溶于水，而在氧化状态下表现为正六价，易溶于水，所以U在还原条件下容易富集；而在氧化状态下，沉积物中U含量相对较低.基于这两种元素的地球化学性质差异，常利用&U法和U/Th比值法判断沉积环境的氧化还原状态.&U计算公式如下：&U=U/[0.5X(Th/3+U)]，若&U>1，表明为缺氧环境；若&U<1，则说明为正常的水体环境.U/Th值大于1.25时指示缺氧的还原环境，U/Th值在0.75～1.25之间时指示过渡环境，小于0.75时代表富氧的氧化环境.

Fe元素在自然界中有Fe2+和Fe3+两种离子价态，其在沉积物中的价态对氧化-还原条件较为敏感，氧化环境下多以Fe3+存在，在还原条件下多被还原成Fe2+保存在沉积物中.所以可以用Fe2+/Fe3+值反映沉积水体的环境，一般是以1为界限，Fe2+/Fe3+值远大于1代表还原环境，Fe2+/Fe3+值较大于1为弱还原环境，Fe2+/Fe3+值等于1为中性环境，Fe2+/Fe3+值较小于1代表弱氧化环境，Fe2+/Fe3+值远小于1代表氧化环境[22].

在自然界中，稀土元素一般都是呈正三价，但Eu和Ce元素相对比较特殊，除了有正常的正三价外，Eu还有正二价，Ce有正四价，当Eu和Ce元素不呈现正三价时就会表现出不同于其他稀土元素的性质，从而和其他三价稀土元素发生分离，出现异常行为[23].在不同的沉积环境下常可造成正或负的异常.所以也通常将δCe和δEu异常作为判断沉积环境氧化-还原状态的指标，其中δCe=CeN/(LaN×PrN)1/2，δEu=EuN/(SmN×GdN)1/2，δCe或δEu<1时表示亏损，代表氧化环境；δCe或δEu>1表示正常或过剩，表明还原环境[23].

2 结论与认识

综合对以上地球化学指标以及所代表的含义进行详细讨论，可见在利用不同元素地球化学指标判别古沉积环境时，应该选择那些来源少，沉积后不容易受后期成岩作用影响的主微量元素作为研究对象，因为只有以自生为主且保持初始沉积时的主微量元素才能更准确的指示其沉积期的环境特征.并且，在利用地球化学判别公式来研究沉积环境时尽量要选取一套主微量判别指标，而不能单独应用一个样品、一种元素指标就得出结论.除此之外，对于任意一个研究区来讲，地球化学方法只是提供了一种手段，我们在实际应用中一定要结合研究区区域地质背景，岩性特征，综合采样、合理分析，运用多种方法相互约束，只有这样才能得到更准确、更实际的结论.

[参 考 文 献]

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