龙门山甘溪泥盆系养马坝组铁质鲕粒地球化学特征与成因

2019-05-31王锦西李凤杰孙豪飞陈政安倪子尧

成都理工大学学报（自然科学版） 2019年3期

王锦西, 李凤杰, 孙豪飞, 陈政安, 倪子尧

(1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室(成都理工大学)，成都 610059；2.中国石油西南油气田公司致密油气勘探开发项目部，成都 610051；3.中国石油西南油气田公司勘探开发研究院，成都 610051)

“宁乡式”铁矿是重要的铁矿类型，用于描述泥盆纪由铁质鲕粒组成的沉积矿床，主要形成于中泥盆世和晚泥盆世[1-4]，在中国南方广泛分布。虽然对“宁乡式”铁矿的研究由来已久，但是对铁质鲕粒的成因却存在诸多不同认识。首先，在铁质鲕粒中铁的来源上，有3种不同的认识：①大陆风化来源[4-5]；②通过上升流携带还原的大洋深处来源[6]；③盆地热液来源[7]。其次，根据铁的来源和形成环境的不同将铁质鲕粒划分为4种不同的成因类型：①滨浅海相沉积成因，鲕粒往往作为动荡海水的标志[4]；②强烈搅动水体中形成的鲕粒机械搬运至滨海或远滨海相沉积[8]，绿泥石鲕粒和赤铁矿鲕粒均形成于成岩期[9-10]；③微生物成因[6,11]；④热液成因[7]。上述成因类型的划分为铁质鲕粒成因研究提供了重要的理论依据；但是铁质鲕粒成因复杂，不同沉积环境中的铁质鲕粒在岩石学和地球化学等方面都存在着巨大的差异，只有在深入了解盆地沉积环境的基础上，对鲕粒进行详细的岩石学、地球化学分析才能准确判断铁质鲕粒的成因机制。

龙门山地区甘溪剖面中泥盆统养马坝组发育铁质鲕粒[12-13]，但是一直以来缺少对其沉积环境、成因和地球化学特征的系统研究。本文以野外露头剖面实测为基础，通过镜下观察、扫描电镜、能谱分析和地球化学分析测试对鲕粒赤铁矿的结构及特征进行详细研究，进而分析养马坝组铁质鲕粒的成因。

图1 甘溪剖面养马坝组位置图Fig.1 Map showing the location of Yangmaba Formation profile at Ganxi, Longmenshan

龙门山区北川桂溪-沙窝子泥盆系国际标准剖面(简称甘溪剖面)是中国泥盆系重要的典型剖面之一[12]。该剖面地层发育完整、出露良好，下统由平驿铺组、白柳坪组、甘溪组、谢家湾组和二台子组组成，中统则由养马坝组、金宝石组、观雾山组组成[12-14]。北川甘溪剖面赋存铁质鲕粒的养马坝组位于石沟里村(图1)，是由碎屑岩和碳酸盐岩组成的混合沉积[15]。其底部为薄层状或透镜状浅灰色生物屑灰岩和土黄色含粉砂质泥岩，铁质鲕粒赋存于生物屑灰岩中，沉积于有障壁海岸环境下的潟湖及其障壁岛中[12-13]。本文对甘溪石沟里剖面养马坝组含铁质鲕粒层段进行实测，将该层段进一步划分为35个小层，实测结果见图2。实测过程中进行了系统取样，以用于薄片鉴定、扫描电镜和地球化学分析。

1 样品与实验方法

样品的岩石类型主要包括生屑鲕粒灰岩、砂质鲕粒灰岩和鲕粒生屑灰岩。在剖面分析的基础上，进行了薄片观察、扫描电镜分析、地球化学等分析。

普通薄片以茜素红与铁氰化钾混合溶液染色为基础，以便于观察薄片中的碳酸盐矿物成分，并于成都理工大学沉积地质研究院沉积地质实验室用偏光显微镜进行显微拍照；扫描电镜分析工作在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成，使用的仪器为Quantan250 FEG扫描电子显微镜(配Oxford INCAx-max 20能谱仪)。

主元素、痕量元素和稀土元素测试由四川冶金地质岩矿测试中心完成，检测仪器为帕纳科Axios-Poly波长色散型X射线荧光光谱仪，检测温度为20.0～22.0℃，相对湿度为40.0%～58.0%，实验结果误差<2.0%。

图2 甘溪剖面养马坝组铁质鲕粒富集层综合柱状图Fig.2 Synthetic histogram of iron ooid concentration of the Yangmaba Formation in Ganxi section

2 岩石学特征

2.1 鲕粒类型

据野外剖面、室内薄片和扫描电镜的综合分析，甘溪剖面养马坝组铁质鲕粒主要赋存于鲕粒灰岩或鲕粒生屑灰岩中。根据铁质在鲕粒中的含量和分布情况，可以将鲕粒分为3种类型。

a.正常鲕粒：纹层清晰可辨，为铁质鲕粒纹层，鲕粒核心可为石英颗粒(图3-A)和生物碎屑，也可不显示核心(图3-B)。填隙物通常以灰质为主，包括灰泥杂基和亮晶胶结物(图3-A)，也可富含粉砂质陆源碎屑(图3-B)。

b.绿泥石鲕粒：鲕粒以海百合茎碎片为核心，核心的半径常大于纹层的宽度，形成薄皮鲕(图3-C、D)。海百合碎片体腔中基本上被铁质充填。鲕粒的纹层相对较薄，纹层清晰可见，为绿泥石质。粒间填隙物以亮晶方解石为主，少量铁质胶结(图3-C)。

c.铁化鲕粒：铁化鲕粒中由于铁质的含量很高，使得鲕粒在显微镜下呈黑色椭球状。铁质含量较低的纹层，纹层依稀可见；铁质含量高的部位，鲕粒漆黑，纹层不能分辨(图3-E)。鲕粒可能完全被铁化，基本上全部呈黑色，纹层不可见(图3-F)。铁质不但是鲕粒纹层的重要组成，而且也可充填于生物体腔孔中(图3-F)。生物碎屑呈黑色分布于岩石中。

2.2 岩石学特征

根据野外露头、镜下薄片、扫描电镜和能谱分析，甘溪剖面养马坝组铁质鲕粒的核心为生物碎屑和石英颗粒，纹层一般发生绿泥石化和铁化，颗粒间充填赤铁矿和亮晶方解石胶结物。赤铁矿在显微镜下呈黑色不透明(图3-E、F)，在扫描电镜下呈片状晶体，能谱分析主要元素为Fe和O(图4-A)；绿泥石在显微镜下呈淡绿色(图3-C、D)，扫描电镜下纹层中的形状不明显，粒间呈细小集合体，能谱分析主要元素为O、Al、Si和Fe(图4-B)。

3 地球化学特征

本次研究共对甘溪剖面养马坝组铁质鲕粒9件样品进行了主元素、痕量元素和稀土元素分析，以此探讨铁质鲕粒的铁质来源及其成因，分析结果见表1、表2、表3。

3.1 主元素

铁质鲕粒样品氧化物的质量分数(w)测试结果表明，Fe2O3在45.46%～69.41%，平均为57.42%； SiO2在4.46%～10.35%，平均为7.22%；Al2O3在2.57%～6.23%，平均为4.39%，与SiO2在含量上存在正相关性，相关系数为0.64(图5-A)。TiO2为0.11%～0.26%，平均为0.18%，与SiO2之间存在良好的对应关系，相关系数为0.92(图5-B)；而与Al2O3之间的也呈良好的正相关性，相关系数为0.67(图5-C)。P2O5在0.76%～3.14%，平均为1.85%，含量偏高，略低于鄂西宁乡式铁矿(2.03%[3])。CaO为8.53%～20.75%，平均为14.31%，与P2O5之间具有较好的对应关系，相关系数为0.92(图5-D)。MnO为0.52%～1.02%，平均为0.73%；MgO、Na2O和K2O的含量都很低，平均质量分数分别为0.71%、0.09%和0.37%。通常情况下，Fe2O3与SiO2、Al2O3、P2O5、CaO、MnO、TiO2之间呈负相关关系。

图3 甘溪剖面养马坝组鲕粒镜下特征Fig.3 Photomicrographs showing the oolitic iron ores from the Yangmaba Formation in Ganxi section(A)鲕粒生物屑灰岩，真鲕，核心为石英颗粒，少量铁质，沿鲕粒纹层分布，N-2; (B)粉砂质鲕粒灰岩，真鲕，核心不明显，基本未发生赤铁矿化，N1; (C)生物屑鲕粒灰岩，薄皮鲕，核心多为海百合碎片，圈层很薄，铁质含量中等，沿鲕粒纹层分布，B1-2; (D)生物屑鲕粒灰岩，鲕粒多呈椭球状，铁质鲕粒，可见绿泥石铁质鲕粒，B2-3; (E)生物屑鲕粒灰岩，鲕粒多呈椭球状，铁质鲕粒，鲕粒基本不显纹层， B2-3; (F)生物屑鲕粒灰岩，铁质鲕粒，海百合茎内充填铁质，B1-3

图4 甘溪剖面养马坝组铁质鲕粒SEM显微照片及能谱分析图Fig.4 SEM image and energy spectrum analysis of iron ooid concentration of the Yangmaba Formation in Ganxi section

SiO2Al2O3Fe2O3FeOK2ONa2OCaOMgOMnOTi2OP2O5LOI合计N18.375.2845.464.430.320.0820.750.890.520.233.1410.599.97N27.323.2458.072.350.370.0914.680.720.970.201.7710.299.98N57.634.3549.543.250.420.1116.420.921.040.192.0113.999.78B1-110.356.2358.320.820.420.0811.530.450.820.261.359.399.93B1-26.425.3250.953.450.450.0718.350.670.560.152.2511.399.93B1-36.253.6469.410.750.250.108.530.720.590.140.768.699.74B1-56.684.2360.423.470.410.0812.470.810.660.181.858.799.96B2-17.514.6763.570.820.340.0912.360.620.620.211.687.599.99B2-34.462.5765.051.210.350.0813.750.560.780.111.829.299.94

3.2 痕量元素

铁质鲕粒样品的痕量元素分析结果表明：Ba、Sr、Zn、Pb、V、Ni和Ga等元素的含量较高，平均质量分数分别为209×10-6、308×10-6、197×10-6、193×10-6、501×10-6、68.8×10-6和53.9×10-6；Li、Cu、Rb、Sc、W、Mo、Sn、Nb、Ta、U和Zr等元素的含量中等，平均质量分数为(5～37)×10-6；而Bi、Cr、As和Th等含量最低，平均质量分数<5×10-6。

3.3 稀土元素

铁质鲕粒样品的稀土元素分析结果表明：稀土元素(∑REE)的质量分数为288.73×10-6～745.24×10-6，平均为503.75×10-6。经北美页岩平均值标准化后的稀土元素分配模式可以看出，铁质鲕粒样品的稀土元素分配模式均具有弓形上倾的趋势(图6)。样品的δEu 值为1.14～1.41，平均值为1.29，呈现轻微的正异常；δCe为1.07～1.54，平均值1.26，同样呈现轻微正异常；LaN/YbN变化范围比较大，但多数位于0.22～1.012内，平均值为0.414。

4 讨论

4.1 铁质来源

铁质来源的确定是研究铁质鲕粒成因机制的前提。从甘溪剖面养马坝组铁质鲕粒的主元素间的相关性来看，SiO2、Al2O3和TiO2彼此之间均存在正相关关系，并且具有较高的相关系数(图5)，这种氧化物之间的良好关系，反映它们均是陆源风化的产物[18]。

痕量元素分析中，在判断是否为热水沉积成因方面，As是非常重要的指标。与正常海水As(质量分数为5×10-6)相比，热泉水中As的质量分数普遍偏高(180×10-6～230×10-6)[19]。养马坝组铁质鲕粒的As平均质量分数为4.1×10-6，与正常海水的As值相近，而与热泉水的值相差甚远[20]。

痕量元素(As+Cu+Mo+Pb+V+Zn)-(Ni+Co)投点图和(Co+Ni+Cu)-(Co/Zn)投点图可以判断热液作用和水化作用，养马坝组铁质鲕粒均落在了水化作用范围内(图7)，而非热液作用区。痕量元素特征表明，养马坝组铁质鲕粒中的铁质来源于陆源风化。

稀土元素因其很少受沉积之后各种作用的影响，所以利用稀土元素能够较好地恢复古海洋环境。用来判别铁质鲕粒成因和形成环境的参数主要有δCe、δEu和LaN/YbN等[23-25]。大陆边缘沉积δCe的变化范围为0.67～1.52，平均为1.11；δEu的变化范围为0.64～1.72，平均为1.21；LaN/YbN值为0.43～1.22，平均为0.75[26-27]。甘溪剖面养马坝组铁质鲕粒的δCe、δEu和LaN/YbN平均值分别为1.26、1.29和0.414，均落在了大陆边缘沉积的范围之内。

图7 甘溪剖面养马坝组铁质鲕粒痕量元素投点图Fig.7 Plots of trace elements of the iron ooid concentration from the Yangmaba Formation in Ganxi section(A)作图方法据K.Nicholson[21]; (B)作图方法据J.R.Toth[22]

上述3个方面的分析表明甘溪剖面养马坝组铁质鲕粒中的铁质主要来源于陆源风化。

4.2 铁质鲕粒的成因与古环境意义

层序地层的研究表明，龙门山区甘溪养马坝组底界面为平行不整合界面[28]，表现为海湾或潟湖页岩超覆于下伏的二台子组礁灰岩之上，发生相序结构转换，接受混积滨岸相沉积[15]。这说明在沉积初期，水体深度不大，温度较高，氧气充足。大陆上母岩遭受风化后，大量的铁质从风化壳中被淋滤出来被地表水携带至海洋中，铁元素以氧化铁的形式存在。在浅海动荡的水体环境中，鲕粒以石英颗粒核心或其他核心不断生长形成纹层。在同心纹层形成过程中，氧化铁参入纹层的生长，逐渐成为鲕粒纹层的主要成分，形成铁质鲕粒。因此，养马坝组底部发育了大面积的鲕状赤铁矿。而随着沉积作用的进行，氧气减少，水体中部分Fe3+被还原成低价铁，低价铁与淤泥水中已溶解了的硅铝酸结合或交代细粒硅铝酸沉积物，形成了绿泥石鲕粒[30]。

此外，鲕粒的核心多以海百合茎碎片为主(图3)，而且养马坝组中夹有由珊瑚组成的生物礁层[12-13]，这些生物的生活环境均为温暖的热带、亚热带环境。因此，甘溪剖面养马坝组中的鲕粒沉积于大陆边缘近海环境。