沉积矿物的地球化学特征研究

王宪峰

（西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500）

沉积物中的地球化学元素、矿石组合以及沉积岩性，沉积构造很好的记录了沉积环境的性质及其演化关系[1]。因此可以根据不同地球化学元素、矿石组合以及沉积矿物特性、构造与矿井水的响应关系，来研究沉积区的水文地质情况[2]。

1 沉积学标志

1.1 矿物特性

研究区域的矿物特性以灰黑色、深灰色、灰褐色的泥页岩为特征，也常见薄层泥灰岩或白云岩夹层[3]。浅层区域的矿物特性则以浅灰色、灰绿色粘土岩和粉砂岩为主，可夹有少量薄层或透镜体状地质矿物，陆源碎屑供给充分时可出现较多的细砂岩[4，5]。

滨湖亚相位于沉积期地质边缘带，拥有较强的水动力条件，暴露的、强烈氧化的环境使其沉积物类型出现多样性[6]。

1.2 沉积构造

深部地层浊积矿物具复理石构造，槽模、沟模是其特征的沉积标志[7]。浅部地区（1m～20m）层理类型多样，间断韵律发育，波痕、冲刷侵蚀构造较发育[8]；干裂、雨痕等层面构造都是反映沉积物出露水面的标志（＜1m）[16]。

1.3 自生矿物组合

自生矿物如铝、铁、锰结核等，均按照各自的化学规律形成，其形成过程除与特定环境有关外，还与水深有间接关系。

常用的标志矿物是含铁自生矿物，其氧化环境到还原环境依次为赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿、黄铁矿[9，10]，对应水深依次0m～1m、1m～3m、3m～15m、大于15m[11]。含金属元素矿物的差异主要显现在矿石颜色上，尤以粘土岩的颜色判断水深最为直接。

2 地球化学标志

沉积矿物中的地球化学元素很好的记录了沉积环境的性质及其演化关系[12]。

因此可以根据不同水文地质条件下各元素的地球化学行为，探讨敏感元素的绝对含量或相互之间的比值[13]，来推测出恢复区域地质环境方法。

2.1 Mn/Fe、Mn/Ti比值法

在沉积矿物的搬运过程中不同元素的稳定性不同，在主量元素中Fe和Ti的稳定性相对较弱，不能长距离运移，Mn的稳定性较好[14]，可以长距离运移。因此，Mn、Fe、Ti含量的相对变化可以从某种程度上反映沉积物搬运距离。

通常情况下认为Mn/Ti和Mn/Fe值越小，可判定为近源堆积[15]。

2.2 Zr/Al比值法

Zr是典型的亲陆性元素[13，16]，以机械迁移为主，沉积于离岸较近的地区，故常被用作指示物源区远近的指标，越远离陆源区，矿石中含量越低。

但沉积矿物中Zr元素的分布受Al元素支配，因此Zr/Al的比值更能代表近距离搬运的陆源组分及水体深度的变化，其值越大，矿井水更深[17]。

2.3 Rb/K比值法

Rb和K在水中的迁移和富集均与粘土密切相关[18]，并且Rb比K更容易被粘土吸附而远移。

因此，比值变大，揭示矿井水较深；比值变小，则矿井水变浅。

2.4 Th/U比值法

根据元素富集特点即可定性地描述矿井水深浅情况。研究表明[19]，Th/U比值的大小与井水深具有密切关系[20，21]，即Th/U比值小趋向于还原环境，沉积时期水体相对较深；Th/U比值大则趋向于氧化环境，沉积时期矿井水相对较浅。根据Th/U比值与氧化还原条件的关系、氧化还原条件与矿井水深的关系，可间接获得井水深度范围。

表1 Th/U比值与矿井水深的关系（据文献[22]）

2.5 Sr/Ca比值法

研究表明[23]从浅水碳酸盐岩到深水碳酸盐岩，Sr的绝对含量有增加的趋势，碳酸盐岩中1000×(Sr/Ca)比值也呈类似规律。

早期成矿过程中，原始矿物为高镁方解石沉积物为主的浅水地带Sr含量偏低，而以低镁方解石沉积物为主的较深矿井水地带Sr含量反而偏高，从而形成了Sr/Ca值由浅水相到深水相由低变高的趋势[24]。

3 矿物学标志

水体的温度、压力、透光度、含氧量等因素与水生生物的生存密切相关，而这些因素随水体的深度变化而变化[25]。水体的深度不同，生物的种属和数量也就显示出明显的差别。

3.1 介形类优势分异度

矿层中的化石群，有时种类繁多，有时个体虽多但属种单调，这就是分异度的不同[26，27]。化石群的分异度是指该群中分类单元(属、种等)多样性的程度。分异度的概念首先见于现代生态的研究，后来在沉积相研究中得到了广泛的应用，用来推判地层的沉积环境，也用来探讨生物的演化规律。

对于生物群和化石群来说，熵H(s)也就是种的分异度。研究发现[28]，现代介形类的分布在波基面附近生物最繁盛。

3.2 化石组合

化石组合是指在一定地区和一定层位的某类矿石中所保存的生物化石类型的总和。由于埋藏环境不同，化石组合类型亦不相同[27，28]。

在沉积相中，化石较少[31]，可见有低级藻类，如蓝藻，植物碎片等等；浅湖沉积中动物化石丰富，种类和数量较多，尤其以薄壳的腹足类、瓣鳃类、介形虫、叶肢介、鱼类为主，植物化石数量大为减少而且不完整。在半深湖至深湖沉积中，底栖生物化石贫乏乃至绝迹，常见有介形虫、叶肢介、鱼类等游泳生物的化石类别。

3.3 矿物遗迹

赵澄林等[29]认为滨湖地区以湖水条件变化很大，故以滤食性生物活动为特征，形成各种潜穴和扰动，形成了石针迹象；浅湖区上部，水介质条件稳定，阳光和养分充足，是与生物大量繁殖，发育觅食迹[30]，形成卷迹象；浅湖下部至半深湖，阳光照射减弱，养分减少，逐渐转为缺氧环境，生物量开始减少，当有风暴作用时，可使这个区域暂时得到氧气和养分的补给，发育扰动构造与逃逸迹[29，30]，形成伸展迹象；半深湖区大部分时间存于缺氧还原环境，仅发育特殊低级生物，发育牧食迹，觅食迹[32]，形成始网迹象；深湖环境主要为低级生物的牧食迹组合[31]，形成古网迹象。

3.4 矿石群优势度

优势度是指矿物样品中个数最多的一个种在全群个体总数中所占的百分比值，其计算公式为[32]：

优势度是分异度的反向指标，它能以侧面反映分异度的大小。当优势度很大时，分异度一般较小，只有优势度适中时，分异度才能较大，研究事实证明，优势度dm小时，水体深度则大；当dm大时，水体深度则浅。

4 结论

研究区域沉积相以滨湖亚相发育最为广泛，该区域具有较强的水动力条件，通常会在不同坡度的环境形成泥岩、粉砂岩、砾岩等沉积物，并且发育干裂、雨痕等出露水面的标志构造。

暴露的、强烈氧化的环境，往往发育赤铁矿、褐铁矿等自生矿物，还可以富集亲氧化环境的元素，使得Th/U比值增大，MnO/TiO2比值减小。

而离地质沉积区距离较近则使得迁移能力低的元素会相对富集，体现在Mn/Ti和Mn/Fe值、Zr/Al比值、Rb/K比值减小。

浅湖亚相在矿物特性、沉积构造上与浅湖大致相似，然而由于水动力条件的下降与氧气含量的充足会使得浅湖沉积相中发育较多的矿石。使迁移能力低元素的富集成都下降，使得Mn/Ti和Mn/Fe值、Zr/Al比值、Rb/K比值增加。

半深湖与深湖亚相水动力条件较弱主要形成水平层理、连续韵律层理，岩性以深灰色的泥页岩为主，缺氧的还原环境形成菱铁矿、黄铁矿等自生矿物、底栖生物化石贫乏乃至绝迹，Th/U比值减小至10以下。

离岸距离较大，迁移能力强的元素会相对富集，Mn/Ti和Mn/Fe值、Zr/Al比值、Rb/K比值会远远大于滨浅湖亚相。

因为沉积相不同深度具有不同的特征，可以利用不同的沉积相标志反演沉积时期的矿井水深，多种不同的方法综合使用往往可以得到非常可靠的结果。