萍乐坳陷地区吴家坪期沉积环境的元素地球化学指示

2020-09-14肖富强章双龙

东华理工大学学报(自然科学版) 2020年3期

肖富强，章双龙，祁星

(江西省煤田地质勘察研究院，江西南昌 330001)

沉积物地球化学元素研究主要是分析特征元素含量及其元素对的比值、微量元素异常等方面(谭红兵等，1999；宋明水，2005；李春荣等，2004)。沉积过程中，水介质和沉积物之间有复杂的地球化学关联，包括元素交换和沉积物对特定微量元素的吸附等(范玉梅等，2012)。同时受沉积介质的物理化学条件影响，在不同的沉积环境下，沉积水介质有着不同的物理化学条件，这为利用沉积物中的微量元素进行古沉积环境分析提供理论基础(刘刚等，2007；韩建恩，2010)。元素含量变化是古气候演变、古环境变迁、盆地发展、水介质条件等因素综合影响的结果，从沉积过程中的低位体系域到高位体系域，元素组成对沉积环境的变化较为敏感，因此通过分析元素含量变化可有效揭示沉积环境的变化。

研究区吴家坪期总体为海陆交互相沉积。早期以河流相沉积为主，代表地层为乐平组官山段；中期发生大规模海侵，沉积了乐平组老山段；晚期受地壳不均匀抬升影响，在萍乐坳陷内发生沉积分异现象，北部沉积七宝山组的灰岩、硅质岩相地层，南部为乐平组狮子山段、王潘里段的滨海—浅海相地层。前人对沉积过程及环境的解释多从岩性、古生物化石等方面定性分析(祁星等，2019；章双龙等；2019)，但从元素地球化学角度进行定量分析的研究较少。本次研究利用便携式XRF元素分析仪器，对萍乐坳陷带YXZ02井、ZK2601井中吴家坪期乐平组和七宝山组岩心的元素进行测试分析，研究吴家坪期沉积过程中各项沉积环境指标的变化规律及对沉积环境的特殊指示意义。

1 地质背景

萍乐坳陷带位于江西省中北部，大致介于萍乡—分宜—丰城—进贤—婺源赋春一线与宜丰—南昌—景德镇一线之间，呈NEE至NE向延伸的狭长坳陷地带，西延入湖南，北东端延入浙江(江西省地调院，2017；龚绍礼，2002；李文恒等，1998)。构造位置处于华夏板块和扬子板块的交界处北缘，钦杭结合带江西段北部(图1)，是江西省主要的煤炭富集区，其主要聚煤期包括晚二叠世吴家坪期及晚三叠世安源期。本次研究对象为吴家坪期北型乐平组和七宝山组，地层主要分布于萍乐坳陷带西段北部地区。

图1 江西省北部构造分区略图Fig.1 Sketch map of the northern part of Jiangxi province

2 测试仪器及工作方法

本次研究所使用的测试仪器为美国赛默飞世尔科技(Thermo Fisher Scientific)旗下尼通公司(NITON)生产的便携式X射线荧光分析仪(XRF)，型号为XL3t 500，具有不破坏样品完整性、准确度高、分析速度快、操作简便等特点，能测定固体、粉末和液体样品，且用于常量和微量元素测定(祁昌炜等，2013)。

X射线荧光光谱分析(XRF)是利用原级X射线光子激发待测物质中的原子，使之产生次级的特征X射线(X光荧光)，从而进行物质成分分析和化学态研究的方法。通常情况下，不同元素具有不同波长的特征X射线谱，而各谱线的荧光强度又与元素的浓度呈一定关系，测定样品中待测元素的特征X射线谱线波长和强度，就可以对元素进行定性和定量分析(钱建平等，2010；祁昌炜等，2013)。

XRF元素分析仪对测试环境条件要求较少，具备两种测试模式，即矿石模式和土壤模式。矿石模式可测试30种元素，土壤模式可测试32种元素。本次研究采用土壤模式进行分析，测试精度在10-6～100%含量范围(景亮兵等，2011)。为保证元素含量的准确测定，所有测试点均选择在岩心的新鲜岩面，每个样品测试时间均为60 s，测点分布依据岩性变化规律进行调整，一般间隔1～5 m，岩性复杂层段的间隔则缩短。

3 元素分布特征

根据本次工作中对萍乐坳陷带内新田、洪塘矿区钻孔(以YXZ02井、ZK2601井为例)岩心进行的元素测试分析结果，绘制YXZ02井、ZK2601井主要元素含量的纵向分布图(图2，3)。

图2和图3中各元素的纵向分布情况显示，Sr、Ca分布曲线形态较为相近，两者含量在七宝山组和乐平组老山段中上部明显高于乐平组老山段下部和官山段；从地层成因看，海相成因地层中的Sr、Ca含量高于陆相成因地层。七宝山组的Sr、Ca含量呈锯齿状波动，对比地层岩性发现，在陆源碎屑含量高的层段，这两种元素的含量偏低，故Sr和Ca存在一定的相关性。

图2 YXZ02井元素含量分布图Fig.2 Distribution map of element content in YXZ02 well

图3 ZK2601井元素含量分布图Fig.3 Distribution map of element content in ZK2601 well

S、Rb、Fe、Zn、V、Ti、Zr等元素含量纵向分布相似，主要表现在七宝山组中含量低，而在乐平组中含量高，V、Ti、Zr等元素在乐平组老山段底部生物碎屑灰岩中显示出极高值，可能与生物作用有关。

4 元素对沉积环境的指示意义

古气候、古水体性质及古生产力等环境指标对不同元素的分异作用使得元素分布产生差异性，这为通过元素分析的方法来恢复古沉积环境提供较为可靠的依据(郑一丁等，2015)。本次研究过程中，通过选取环境变化敏感性元素和地化指标，分析不同元素、指标的变化规律，反映当时沉积环境的演变规律。

4.1 古盐度

Sr对气候干湿条件反应明显，一般情况下，Sr丰度较低则表明气候潮湿，丰度较高则表明气候干燥。由于Ba的化合物溶解度较Sr的低，当Sr2+、Ba2+随陆相流体汇入海水中时，与海水中丰富的SO42-发生反应，生成SrSO4和BaSO4，且因BaSO4的溶解度比SrSO4的要小，SrSO4较BaSO4迁移得远，至远海通过微生物作用而沉淀(熊小辉等，2011)。

通过以上两种元素之间的对比可知，海相沉积中一般Sr含量更高，而陆相沉积中Ba含量更高。利用Sr/Ba法，可以对陆相与海相沉积环境进行区分，Sr/Ba值随着远离海岸线而逐渐增大，因而Sr/Ba值在一定程度上能反映沉积水体的古盐度。一般来讲，陆相沉积物中Sr/Ba值小于1，而海相沉积物中Sr/Ba值大于1(刘刚等，2007；许凤鸣，2008)。

YXZ02、ZK2601岩心中Sr、Ba的含量结果显示(表1)，两口井各地层的Sr、Ba含量变化具有一定的相似性，Sr含量由高到低分别为乐平组老山段、七宝山组、乐平组官山段。这从侧面反映出当时的气候背景，即官山段沉积时期(吴家坪早期)气候最为湿润，乐平组老山段处于海侵期，水体深度不断加深，气候则偏干燥。Ba在乐平组官山段含量最高，老山段次之，在七宝山组中含量最低，即从乐平组官山段至七宝山组，经历低位体系域、海进体系域、高位体系域，水体不断加深，则越不利于Ba的聚集。

表1 YXZ02、ZK2601钻孔岩心中Sr、Ba的平均含量及其比值Table 1 Average content and the ratio of Sr and Ba in the core of YXZ02 and ZK2601

Sr/Ba值最大的为乐平组老山段，其次为七宝山组，最小为乐平组官山段。在乐平组官山段中，Sr/Ba<1，指示当时的沉积水体应为淡水，对应为陆相沉积环境；乐平组老山段中，Sr/Ba>1，表明此时水体为咸水，为海相沉积环境；七宝山组中，Sr/Ba值分别为0.92、0.89，均小于1，这与七宝山组沉积时高位体系域较深的海水环境相矛盾。笔者认为，七宝山组沉积时为深水沉积环境，可能由于海底热液喷流作用，导致其沉积物中Ba含量增加，使得Sr/Ba法判定的海、陆相变得不准确(熊小辉等，2011)。

4.2 古生产力

前人研究发现，Ba积累率与有机碳含量、生物生产力呈正相关，意味着Ba富集指示高生产力(郑一丁等，2015)。Ti的含量变化反映的则是陆源碎屑沉积物加入的程度，含量值越高表明陆源碎屑物含量愈丰富，生产力越强；反之，值越低，陆源碎屑物含量越少，反映当时的生产力越弱(刘刚等，2007；韩建恩，2010)。另外，Fe、Zn等营养元素对古生产力亦具有较好的指示作用，其值越高，反映当时的古生产力越大(郑一丁等，2015)。

从地层中各元素平均含量数据(表2)可以看出，各元素含量有一个共同规律，即从乐平组官山段、老山段至七宝山组呈现逐渐降低的趋势。各元素在乐平组官山段含量为最大，表明此时陆源碎屑物供应丰富，径流量最大，应为陆相沉积；乐平组老山段元素含量较之减少，但数值较高，反映此时陆源碎屑物注入较为充分，伴随着有一定的海相沉积物，此时应为浅海环境；七宝山组各元素含量值最少，尤其Ti、Fe含量呈突变式降低，表明此时陆源碎屑物供应已很少，主要以海相沉积物为主，应是较深的水体环境下沉积形成。

表2 YXZ02、ZK2601钻孔岩心Ba、Ti、Fe、Zn元素平均含量Table 2 Average content of Ba, Ti, Fe and Zn in the core of YXZ02 and ZK2601

4.3 氧化还原条件

氧化还原敏感元素是确定沉积古海洋水体氧化还原强度的重要指标，V含量高一般出现在缺氧的还原条件下。由于V在有机质中优先被结合，而Cr通常出现在沉积物碎屑中，因此V/Cr值可作为含氧量指标。一般V/Cr值<2.00为含氧环境，V/Cr值在2.00～4.25为贫氧条件，而V/Cr值>4.25为次氧至缺氧条件，即V/Cr值越高代表水体还原性越强(王淑芳等，2014)。

YXZ02井在七宝山组检测V、Cr数据较少，仅少数测点有数据，并且V/Cr比值较低(0.31～1.74)，平均值为0.70。由此说明，七宝山组在沉积过程中，水体虽然较深，但含氧较为充足，可能是当时水动力条件较好，给水体带来丰富的氧气。乐平组V、Cr含量分布如图4所示，其含量大小在垂向上无明显规律，但对比这两个元素含量发现，二者高值分布有一定同步性。分析V/Cr值发现，在乐平组老山段，主要集中在1～2的范围，少数测点比值小于1，有2个测点比值达到2以上。由此表明老山段沉积过程中，其含氧量不及七宝山组，但总体仍为氧化环境，仅在局部岩性段(泥岩)元素比值达到2以上，为贫氧环境。乐平组官山段V/Cr值多数小于2，在官山段上部粉砂质泥岩、中部炭质泥岩、下部泥岩段有部分测点的V/Cr值大于2，最大值在炭质泥岩层段，表明官山段水体在多数时候为含氧环境，在部分时期水体变为贫氧环境。

图4 YXZ02井V、Cr元素含量及V/Cr值分布图Fig.4 Distribution of V and Cr contents and V/Cr values in YXZ02 well

ZK2601井中，七宝山组的V/Cr值为0.52，其沉积时候水体为含氧环境。图5为ZK2601井乐平组V、Cr及其比值分布图。在乐平组老山段中，V、Cr含量在碎屑岩地层明显高于灰岩地层，说明二者含量的大小与碎屑沉积物有密切联系。V/Cr值多数小于2，在泥岩、粉砂岩地层中大于2，表明老山段沉积过程中，水体含氧量存在波动变化，在碎屑岩沉积时水体还原性较强。乐平组官山段，V/Cr值呈现从上到下变大的趋势，上部以粗碎屑岩为主，下部以细碎屑岩为主，总体表现为细碎屑岩沉积时水体还原性更强。

图5 ZK2601井V、Cr元素含量及V/Cr值分布图Fig.5 Distribution of V and Cr contents and V/Cr values in ZK2601 well

4.4 古水深

Zr是典型的亲陆性元素，离陆源区越远，岩石中Zr含量则越低。因此，Zr含量能一定程度上可反映近距离搬运的陆源组分及水体深度变化情况，其值越小，表明沉积地点离岸越远，水体越深(郑一丁等，2015；熊小辉等，2011)。

乐平组官山段至七宝山组Zr平均含量呈逐渐降低的规律(表3)。乐平组官山段Zr含量最高，表明此时水体深度最浅，陆源碎屑供应量最为充足；乐平组官山段含量降低，说明在海侵作用下，水体变深，陆源碎屑供应降低；在七宝山组中，Zr含量进一步降低，且大多数测点未能检测出Zr，仅有少数测点有数据，说明在七宝山组中陆源碎屑供应很少，此时离岸距离较远，反映此时为沉积水体深度最深时期。总体来看，从乐平组到七宝山组，是一个海侵不断扩大，水深不断加深的过程。