沉积岩地球化学研究—以川西南永善地区志留系龙马溪组碎屑岩为例

刘 灿，刘 逍

（成都理工大学，四川成都 610059）

沉积岩的地球化学分析在寻找物源，确定沉积背景、沉积条件以及构造环境中具有非常重要的作用，近年来，众多学者利用沉积地球化学方法在碎屑岩的研究中取得了大量的研究成果。毛光周等[1]从沉积岩的常量元素、稀土元素、微量元素及同位素的特征分析入手，展开了对沉积岩的物源及其沉积背景的研究。熊小辉等[2]通过对沉积物中各常量、微量元素、各种同位素特征的研究，并由此对沉积岩的古沉积环境进行示踪，了解了当时的沉积特征。牛亚斐等[3]通过分析沉积物中元素的分异和富集，研究了其元素含量的变化特征，并判别了其不同的沉积环境。梁万乐等[4]应用元素地球化学方法，对中生界三叠系和侏罗系泥岩的主、微量和稀土元素的特征进行了研究，并探讨了其沉积环境意义。柯友亮等[5]采用有机地球化学方法，对准页3 井油页岩进行了总有机碳的测试、抽提、族组分分析和气相色谱-质谱分析，并预测了优质油页岩发育层位，且指示了准南天山山前冲断带东南侧芦草沟组上段油页岩沉积时的古环境特征及其垂向演化规律。刘田等[6]综合地球化学指标系统对巫溪地区五峰组进行研究，发现主量元素指示其属陆源碎屑影响的大陆边缘—远洋沉积环境，微量元素反映五峰组沉积期水体属硫化—缺氧状态，稀土元素指示正常海水沉积、受热液作用影响不明显。李凤杰等[7]通过岩石学和地球化学方法对湘西南南华系大塘坡组照洞锰矿的沉积环境进行了分析。李文博等[8]采用X 射线荧光光谱法及电感耦合等离子质谱的方法对秀D1 井白垩系九佛堂组的18 件砂泥岩样品进行了常量及微量元素的分析，探讨了九佛堂组的古气候条件、古水体环境条件以及物源区的构造背景。陈波等[9]综合运用对沉积环境反映敏感的主量元素和微量元素，结合碳氧同位素数据及沉积学特征，对柴达木盆地北缘冷湖地区新近系上干柴沟组的古气候、古盐度、古水深、氧化还原环境等古环境参数进行研究。王峰等[10]通过电感耦合等离子质谱法对鄂尔多斯盆地纸坊组的泥岩及粉砂岩样品进行了微量元素分析，在以对沉积环境介质较为敏感的元素作为判别指标之后，通过结合沉积学标志及对孢粉的分析，研究了纸坊组碎屑岩的沉积环境及古气候特征。一般认为，碎屑岩组分的变化主要受气候、地形、搬运距离、成岩作用、物源区的母岩性质和构造背景的影响[11]。不同成因的碎屑岩具有元素和元素组合的差异性，而且其物源的多样性及不同物源区沉积物的差异供给都会影响碎屑岩的化学组成，因此利用碎屑沉积物的地球化学特征对碎屑岩进行物源分析及其成岩构造背景的判别，常常出现多解性和复杂性[12]。

目前对于龙马溪组沉积物研究多集中在储层特征、沉积相、盆地构造演化及页岩的成岩作用分析等方面，而用沉积地球化学方法系统的对川西南永善地区志留系龙马溪组的沉积环境、物源及其构造背景研究还很少见。为此，本文参考前人的研究成果，以川西南地区碎屑岩为例，对两条剖面沉积岩样品中主量元素及部分微量元素的地球化学数据进行了分析，并结合区域地质背景和前人的研究方法，探讨了该区域志留系龙马溪组的沉积物的物源、大地构造背景以及沉积环境。

1 研究区概况

永善地区位于四川西南部，云南省东北部的昭通市，该区处于川滇交界，地处滇东北中山山原西北边缘，属中亚热带湿润气候区，是世界第三大水电站—溪洛渡水电站所在地。永善地区海拔差异较大，其地势呈北低南高，峰高谷深，重峦叠嶂。该地区具有十分丰富的矿产资源，有铝、锌、铁、铅、铜、汞、银、磷、煤、石膏、石灰石、重晶石及冰洲石等。研究区部分区块页岩气资源丰富，很有开采潜力，目前对该区页岩的研究正处于热点阶段。

研究区内未出露上震旦统下部的地层，偶见上统灯影组白云岩、碎屑岩出露。下古生界地层分布广泛，上古生界泥盆、石炭系地层被剥蚀完全，二叠系地层由于超覆作用覆盖在志留系之上，其上部连续沉积三叠系地层。本次研究的地层主要为志留系龙马溪组，其上部为志留系下统罗惹坪组，呈整合接触，岩性主要为钙质泥岩、页岩夹灰岩；下部为奥陶系上统宝塔组，也呈整合接触，岩性主要为厚层状灰岩（见表1）。研究剖面为永善县渡口乡苏田村和吴家湾剖面，岩性主要为黑色碳质、钙质页岩，粉砂质泥岩、黑色碳质、钙质页岩，沉积环境为深水陆棚相[14，15]。

表1 永善地区区域地层岩性描述[13]Tab.1 Description of regional stratigraphy and lithology in Yongshan area

2 地球化学数据分析

本文参考前人的研究成果，以川西南永善地区两条剖面为例，结合孙小浩、杨亚民的地化数据，对该区碎屑岩进行初步地化分析。川西南永善地区龙马溪组碎屑岩部分地球化学数据（见表2）。

由Roser 等于1988 年发表的用于制作碎屑岩源区性质图解的判别函数变量及其系数（见表3），该数据可以有效地判别碎屑岩物源性质。根据表2 和表3中的数据，结合前人研究方法，利用Microsoft Office Excel 2003 及CorelDRAW X8 进行投点、制图，结果（见图1）。

表2 川西南永善地区碎屑岩分析测试数据表[14，15]Tab.2 Analysis and test data sheet of clastic rock in Yongshan area，southwest of Sichuan

表3 碎屑岩源区判别函数的变量及其系数[17]Tab.3 Variables and coefficients of discriminant function in clastic source region

图1 研究区地球化学数据散点图[11，17-19]Fig.1 Scatter diagram of geochemical data in the study area

图1 中A，所有样品都落入火成岩区，故可以初步认为，研究区龙马溪组碎屑岩的物源与火成岩有关。图1 中B 指示出YS01-03（碳质页岩）、YS01-06（钙质碳质页岩）、YS02-01（碳质粉砂岩）均为成熟大陆石英质物源，而YS01-15（粉砂质泥岩）、YS02-19（碳质粉砂岩）为中性火山岩。

在碎屑岩SiO2-K2O/Na2O 及K2O/Na2O-SiO2/Al2O3构造环境判别图解（图1C、图1D）中得到了两种不同的结果：图1 中C 指示沉积物沉积于大洋岛弧环境，而图1 中D 则指示沉积于被动大陆边缘。这表明主量元素的含量不足以判别永善地区龙马溪组碎屑岩形成的构造环境，还需其他地球化学数据进行分析。

3 地球化学数据的指示

3.1 CIA 指数（Chemical Index Alteration）

该指数通常被用来确定沉积岩物源区的化学风化程度[20]。一般来讲，沉积岩物源区的岩石没有遭受风化时，CIA 值为50 左右，而沉积岩物源区岩石遭受了一定强度的化学风化时，CIA 值为50～100[21]。研究区YS01剖面CIA 值为0.51～0.64，平均值为0.58，表明其物源区的岩石发生过较弱的化学风化作用；而YS01 剖面CIA 值较为稳定，均为0.27，表明其物源区的岩石并没有经历过化学风化。综合来看，川西南永善地区龙马溪组碎屑岩物源区岩石几乎未受到过化学风化作用，说明其成分比较稳定。

3.2 ICV 指数（Index Chemical Variation）

该指数用来确定沉积物的成分成熟度[22]，ICV 指数越高，其代表的成分成熟度越低。从表2 中可以看出，苏田村YS01 剖面与吴家湾YS02 剖面相比，具有更高的成分成熟度。梁斌等认为岩石受到强烈的化学风化作用或是位于构造稳定区时，其成分成熟度要比处于构造活动区的岩石的成分成熟度高[16]，而上文已论证永善地区龙马溪组碎屑岩几乎未经历化学风化作用，由此可推断YS01 剖面的构造背景要比YS02 剖面更稳定。

3.3 Sr/Cu

该比值可以指示干旱或温湿性气候，刘刚等认为：当沉积岩形成时的古气候为温湿性气候时，其Sr/Cu比值的范围是1～10，而Sr/Cu 比值大于10 则指示是干热性气候[23]；王随继等认为Sr/Cu 比值范围在1.3～5.0指示的是温湿性气候，而Sr/Cu 比值若大于5 则指示干热性气候[24]。研究区YS01 剖面中Sr/Cu 比值为1.60～3.49，而YS02 剖面中YS02-01 样品Sr/Cu 为7.21，YS02-19 样品Sr/Cu 为20.27，对比前人的数据范围，可以推测，研究区可能发生过由温湿气候到干热气候的变化，但龙马溪组沉积期仍以温湿性气候为主。

3.4 构造环境判别

碎屑岩沉积盆地的构造环境分为岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘环境。

（1）岛弧（Island Arc）：岛弧是位于大陆边缘且连绵不断呈弧状的岛屿。它与强烈的火山运动、地震作用和造山作用都有关联。根据岛弧的地壳结构，可分为两种不同的成因类型，一种是有花岗岩基底的大陆岛弧；另一种是其下伏大洋与大陆的过渡型地壳，其离大陆较远，但展布在大洋以内。当一个大洋板块俯冲到另一个大洋板块下面时，大洋岛弧可以向大陆岛弧转化；

（2）活动大陆边缘（Active Continental Margin）：又称主动大陆边缘、太平洋型大陆边缘（Pacific Type Continental Margin），是大洋与大陆汇聚，且大洋板块向与之相邻的大陆板块的下部俯冲消减形成的大陆边缘。其往往具有很强的地震和火山活动；

（3）被动大陆边缘（Passive Continental Margin）：又称大西洋型大陆边缘（Atlantic Type Continental Margin），也就是稳定大陆边缘，即在构造上长期处于相对稳定的大陆边缘。它的地壳是洋壳向陆壳的过渡，是陆地和海洋处于同一个刚性岩石圈斑块以内的过渡地带。特征是没有强烈的地震、火山和造山运动。

碎屑岩的微量元素主要是对于沉积环境的水介质变化较为敏感，是沉积物研究沉积时期的古气候、古环境的有效指示剂。碎屑岩中Th、Sc、Zn、Cr 等非活泼元素对于碎屑岩沉积的构造环境判别具有很强的指示作用[25]。不同构造环境碎屑岩的微量元素特征（见表4），是由Bhatia 等提出的判别沉积盆地构造环境最佳标志。

将表2 数据与表4 数据进行对比可得表5。从表5可以看出，不同的微量元素对比指示出不同的构造环境，但总体上仍以大洋岛弧和被动大陆边缘为主，这与由图1 中C 和D 得出的结论不谋而合。如此还是不足以判断川西南永善地区志留系龙马溪组碎屑岩沉积的构造背景。

表4 不同构造环境碎屑岩的微量元素特征Tab.4 Trace element characteristics of clastic rocks in different tectonic environments

表5 表2 与表4 数据对比结果Tab.5 Comparison of data between Tab.2 and Tab.4

据Murray[26]Al2O3与Fe2O3的百分含量也可以判断构造环境，即不同的大地构造背景，则Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）值就不同。当比值为0.5～0.9 时，为大陆边缘环境；当比值为0.4～0.7 时，为远洋盆地环境；当该比值小于0.4 时，则为洋中脊环境。而研究区龙马溪组碎屑岩的Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）值为0.73～0.77，平均为0.75，说明该区沉积岩的构造背景为大陆边缘环境。

综上，可以得出，云南省永善地区志留系龙马溪组碎屑岩沉积的构造背景可能为被动大陆边缘，构造较为稳定。

4 结论

在查阅大量文献，结合前人研究成果，并利用相关软件对川西南永善地区龙马溪组碎屑岩的地球化学数据进行投点、制图以及相关计算并与前人的数据进行对比后，得出了以下结论：

（1）砂、泥岩SiO2-TiO2图解指示所有样品均投在火成岩区；而在F1-F2图解中，样品落在了P2、P4 区域，说明其物源与成熟大陆石英质和中性火山岩有关。

（2）在碎屑岩SiO2-K2O/Na2O 及K2O/Na2O-SiO2/Al2O3构造环境判别图解中得到了两种不同的结果，前者指示沉积物沉积于大洋岛弧环境，而后者则指示沉积于被动大陆边缘。本文又利用Th、Sc、Zn、Cr、U 及Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）的含量，在与前人的数据进行对比后，发现：研究区碎屑岩的沉积构造背景可能为被动大陆边缘，构造较为稳定。

（3）CIA 指数可以指示物源区化学风化作用的强度，本文通过计算，得出：云南省东北部昭通市永善地区志留系龙马溪组碎屑岩的物源区几乎未受到过化学风化作用，且成分比较稳定。

（4）Sr/Cu 比值可以反映沉积期的古气候条件，本文通过计算Sr/Cu 比值并与前人数据进行对比后，发现：研究区龙马溪组沉积时期为温湿性气候。