巴音戈壁盆地下白垩统巴音戈壁组上段地球化学特征及地质意义

黄光辉, 刘平辉*, 江文剑, 饶耕玮

(1.东华理工大学地球科学学院，南昌 330013；2.核资源与环境国家重点实验室，南昌 330013)

从元素的地球化学特征来区分原始沉积环境具有重要的地质意义。对于任一研究区而言，在沉积和成岩过程中，性质稳定的地球化学元素被广泛用来推断物源区的组成特征，判别大地构造背景并重建古沉积环境[1-2]。元素的分布是沉积分异和地球化学演化的结果[3-4]。元素之间存在着复杂的地球化学平衡，沉积岩中元素的聚集和分布不仅取决于元素本身的物理化学性质，而且还与地质环境、沉积时期的古气候、沉积物来源、沉积盆地形态和沉积环境介质有关[5]，因此，主、微量元素及其含量对沉积环境的变化有着较高的敏感度，可以为古环境(如古盐度、氧化还原条件等)、古气候的变迁提供可靠信息[6]。稀土元素稳定性强，在沉积变质过程中不易迁移，可以很好地体现源岩的地球化学特征，是良好的物源指示剂[7]。因此越来越多的学者运用元素地球化学来对古气候和环境特征进行反演[8]。

图1 巴音戈壁盆地构造分区及取样位置示意图Fig.1 Schematic diagram of tectonic zoning and sampling location in Bayin Gebi Basin

内蒙古巴音戈壁盆地作为中国高放废物黏土岩地质处置库的重点预选区，白垩统巴音戈壁组是其目的层。当前，国际上公认对高放废物进行深部地质处置，即通过地质屏障(围岩)和工程屏障(缓冲材料、包装罐)相结合的多重屏障系统实现永久隔离放射性废物的目的[9]。对于下白垩统巴音戈壁组，前人着重于砂岩型铀矿及油气勘探研究，为铀矿、油气的勘探提供指导性建议。然而，对该地区的古环境特征和古气候演化研究相对较少[10]。因此，现依托项目研究，以巴音戈壁盆地巴隆乌拉山(四方山)剖面为研究对象，通过主、微量和稀土元素分析，探讨巴音戈壁盆地巴隆乌拉山剖面的古环境特征和源岩特征。也为高放废物黏土岩地质处置库的研究提供一定的依据。

1 地质概况

内蒙古巴音戈壁沉积盆地位于巴丹吉林沙漠以东和狼山以西的广大戈壁地区，整体呈东西向展布，以宗乃山-沙拉扎山隆起为界，可分为北部坳陷、南部坳陷，北部坳陷包括查干德勒苏坳陷、苏红图坳陷和拐子湖坳陷，南部坳陷包括银根坳陷和因格井坳陷[11]。查干德勒苏坳陷位于巴音戈壁盆地的东部，大致为北东向，坳陷南部与狼山隆起、宝音图接壤，北部与巴格毛德隆起相邻。该区在晚华力西造山运动形成褶皱基底以来，三叠纪、侏罗纪处于抬升风化剥蚀状态，早白垩世在伸展构造体制下形成大量同生断层或正断层，在断陷盆地内形成巴音戈壁组和苏红图组[12-13]。其中，还发育有本巴图凹陷、测老庙凹陷等，其规模都较小。晚白垩世，构造变动趋于稳定，众多的小盆地或小隆起联为一个更大的沉积区，即上白垩统乌兰苏海组区域性盖层。

研究区位于查干德勒苏坳陷的西南端巴隆乌拉山(图1)，出露有下白垩统苏宏图组、巴音戈壁组上段(K1b2)和巴音戈壁组下段(K1b1)，巴音戈壁组下段岩性主要为黄褐色砂岩，偶夹粉砂岩和泥岩，为干旱气候下主的快速沉积[14]。上段为紫灰、灰绿色页岩夹碳质页岩和泥质粉砂岩、泥粉晶白云岩粉砂质泥岩，剖面露头较好，出露比较完整，可作为研究的剖面，采样点及剖面位置如图1所示。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

采样点均位于巴音戈壁盆地中部巴隆乌拉山(四方山)剖面，共28件样品，采集的样品都为弱风化蚀变的新鲜样品，样品岩性以页岩、泥岩、泥质粉砂岩、泥粉晶白云岩为主，少量为碳质页岩、钙质砂岩，具体采样位置及样品编号如图2所示。样品经过酒精擦拭，烘干后初步研磨，然后再用玛瑙钵对样品进行研磨，达到200目。在澳实分析测试有限公司完成地球化学分析测试。

图2 巴隆乌拉山剖面采样位置及岩性、岩相柱状图Fig.2 The sampling location, lithology and lithofacies of Balong Wulashan profile

2.2 测试仪器

电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)，仪器型号Aglilent。电感耦合等离子体发射质谱仪(ICP-MS)，仪器型号Perkin Elmer Elan 9000，产地美国，主量元素采用P61-XRF26s方法。微量元素采用M61-MS81方法测量，在系统设定上，检测方法的准确度和精密度控制在<10(±5%)，其结果具有可靠性。

3 测试结果

3.1 主量元素特征

巴隆乌拉山(四方山)剖面样品主量元素分析结果如表1所示，氧化物主要为SiO2(3.11%～58.75%)、Al2O3(1.24%～23.89%)和CaO(0.31%～27.9%)，平均值分别为41.69%、15.43%、6.28%。应注意的是，样品SP-20氧化物含量较低，可能是由于烧矢量过高所引起。且样品的烧矢量波动较大，在3.52%～44.62%，均值为13.95%，推测这是由于中碳酸盐和黏土矿物中的结构水流失所致。样品中还含有少量的K2O(均值为2.11%)、MgO(均值为3.43%)、Na2O(均值为1.84%)、P2O5(均值为1.19%)和极少量的MnO(均值为0.31%)、TiO2(均值为0.54%)。

3.2 微量元素地球化学特征

巴隆乌拉山(四方山)剖面样品微量元素分析结果如表2和表3所示，其微量元素原始地幔标准化蛛网图如图3所示。从表2、表3、图3可知，样品中Rb、Th、U、La等微量元素较为富集，其中U含量异常高，达到1 000×10-6，可能受周边砂岩型铀矿的影响。Nb、Ce、Hf、Zr等元素略有富集，而Ba、Sr、K、P、Ti等元素有一定程度的亏损，其中K、Ti元素异常亏损。K元素在沉积岩中比较常见，但它在风化过程中极不稳定，易被迁移，推测可能受风化影响强烈。

图3 巴隆乌拉山剖面样品微量元素原始地幔标准化蛛网图Fig.3 Normalized cobweb map of the primitive mantle of trace elements in the Balong Wula profile sample

3.3 稀土元素特征

稀土元素的丰度、相关参数及平均值计算结果列于表4和表5。由表4、表5及图4可知，巴隆乌拉山剖面样品稀土元素总量(∑REE)介于53.16×10-6～291.85×10-6，平均值为196.30×10-6。∑LREE/∑HREE反映样品轻、重稀土的分异程度。轻稀土(LREE)为31.31×10-6～215.78×10-6，平均值为145.19×10-6，重稀土(HREE)为14.30×10-6～127.53×10-6，平均值为51.11×10-6。其中，∑LREE/∑HREE为0.8～5.22，平均值为3.18，反映了研究区轻稀土元素富集的特征。(La/Yb)N表示分布曲线的斜率，反映曲线的倾斜程度，(La/Yb)N=2.94～13.51，平均值为8.72。La-Eu段配分曲线斜率较大，明显的“右倾”型，而重稀土(Eu-Lu段)配分曲线斜率较小。(La/Sm)N和(Gd/Yb)N分别反映轻、重稀土元素的分馏程度，(La/Sm)N=1.74～5.9，平均值为3.66，说明轻稀土分馏程度中等，(Gd/Yb)N=0.75～2.26，平均值为1.56，说明重稀土元素分馏较低，曲线较平缓。Eu=0.82～1.03，平均值为0.96，表现为中等偏强的负异常，Ce 呈正异常。

表1 主量元素含量表Table 1 Contents of major elements

表2 微量元素含量表(一)Table 2 Contents of trace elements(一)

续表2

表3 微量元素含量表(二)Table 3 Contents of trace elements(二)

表4 稀土元素地球化学分析数据Table 4 Geochemical analysis data of rare earth elements

表5 稀土元素含量表Table 5 Contents of rare earth elements

图4 巴隆乌拉山剖面样品稀土元素球粒陨石标准化蛛网图解[1]Fig.4 Rare earth element chondritic meteorite standardized cobweb diagram of sample from Balong Wula profile[1]

4 讨论

4.1 源岩分析

沉积物地球化学特征的研究对盆地物源区性质的恢复具有重要的指导意义，其中稀土元素分布格局是指示盆地沉积源区性质最可靠的指标，由于稀土元素不溶于水，且在水中含量极低，在运移过程中主要由碎屑颗粒运移，受成岩作用的影响较小，稀土元素配分模式可客观反映沉积物源区性质，故可作为物源区的一个重要的示踪[15-16]。研究区岩石样品经球粒陨石标准化处理后，表现为LREE富集，HREE轻度亏损，Eu元素具有明显的负异常、Ce 正异常。结果表明，研究区样品的分布格局与上地壳基本一致，表明研究区样品的原始物质可能来自上地壳。

从La/Yb-∑REE 源岩判别图解(图5)可以看出，大部分样品落在沉积岩(钙质泥岩)和花岗岩的交汇区，极少数样品落在碱性玄武岩区，说明研究区源岩具有样品物源的多样性。而已有研究表明微量元素比值对于碎屑物源也具有良好的指示作用，能指示沉积物源区岩石的成分特征。Th/U是确定物源类型的重要标志[17-18]。Th/U=2.5～3.0时，主要为岛弧火山岩；Th/U≈4.5时，主要为沉积岩，可能与岛弧火山岩混合；Th/U≈6.0时，其物源主要是再旋回沉积岩[17-18]。巴隆乌拉山剖面样品的Th/U=0.6～4.66，平均值为2.69，由此可知物源主要为沉积岩和岛弧火山岩。

图5 巴隆乌拉山剖面样品La/Yb-∑REE 图解[32]Fig.5 La/YB-∑REE diagram of Balong Wula Mountain profile sample[32]

综上所述，研究区样品母岩源区物质较复杂，但主要为沉积岩和岛弧火山岩，经过剥蚀、搬运、沉积的产物。

4.2 古环境特征

4.2.1 古气候演化

主、微量元素的含量和比值可以用于恢复古气候和沉积环境。残积指数(KI)、Rb/Sr、Sr/Cu常被用作区分古气候变化的指标，也可用FeO/MnO、Ca/Mg进行判别[19]。KI=(Al2O3+Fe2O3)/(CaO+Na2O+MgO)，可以作为重要气候指标，值越高，气候越温暖湿润[20]。从图6可知：样品KI平均值为6.83，为0.1～37.31。Sr/Cu和Rb/Sr对沉积环境的识别具有重要意义。Sr是一种典型的喜干型元素，Sr/Cu=1.3～5时，通常指示温湿气候，Sr/Cu>5时指示干热气候[21-23]；巴隆乌拉山剖面样品Sr/Cu显示：平均值高达21.38，表明总体上为干热-温湿的沉积气候，而Sr/Cu从上段(SP-3～SP-12)到中段(SP-12～ SP-21)显示出较显著的变化(图6)，说明存在着古气候的干湿转换。而SP-12～SP-21段波动幅度更大，比值更高，说明该时期的干旱程度更高。同时，高Rb/Sr表示气候湿润，而低Rb/Sr则指示气候干旱，这与Sr/Cu对古气候的指示相反[2,22,24]。从图6可知，Rb/Sr 和 Sr/Cu在垂向上表现为具有相对逆向的演变趋势，则当Rb/Sr上升时，Sr/Cu下降的趋势，具有高度的耦合性。共同指示着存在干热环境的转变，由温湿到干热再到温湿的气候，且中部出现相对明显的干旱沉积过程。

图6 巴隆乌拉山剖面样品地球化学参数垂向演化图Fig.6 The vertical evolution map of geochemical parameters of samples from the Balong Wula mountain

4.2.2 古盐度演化

古盐度作为地质历史上海陆变化的一个重要参数，对古沉积环境的分析具有重要意义。锶丰度和Sr/Ba比值常用来反映当时沉积介质古盐度，在天然水体和不同的沉积环境中，锶和钡以重碳酸盐的形式出现，随着水体矿化度的加大，锶、钡因不同的地球化学行为产生分离，从而先后发生沉淀。因此，沉积物中的锶丰度和Sr/Ba与古盐度之间存在明显的正相关关系，可以作为古盐度恢复的标志[25-26]。根据前人的研究，一般来说，Sr/Ba<1为淡水沉积，Sr/Ba>1为海相沉积，Sr/Ba=0.6～1.0，为半咸水相[27-28]。

研究区样品Sr/Ba=0.14～7.4(存在2个偏高的值：5.26、7.4)，平均值为1.22，说明水体整体上偏淡的特点，为淡水沉积，可能存在淡水向咸水再到淡水转化的半咸水环境。垂向上Sr/Ba表明上段(SP-3～SP-12)到中段(SP-12～ SP-21)古盐度存在显著的变化，比值先增大，后减小的趋势，与上面提到的指示Sr/Cu值变化趋势具有相似性，与Rb/Sr变化趋势具有相对性，但指示的都为干旱条件下盐度相应增加的特点，同时也反映了古盐度变化的特征。

4.2.3 氧化还原演化

氧化还原敏感微量元素也是区分古沉积环境的重要指标。目前主要用来水体氧化还原判别指标的有V/(V+Ni)、U/Th、V/Cr、Ni/Co、Cu/Zn、Ceanom等。主要利用V/Ni、V/(V+Ni)、U/Th 和 Ceanom值进行判别，判别沉积物沉积时底层水体氧化-还原环境的数据如表6所示[29-32]。

据表6可知：研究区V/Ni=1.39～97.14，平均值高达7.68，V/(Ni+V)=0.58～0.99，平均值为0.78，其值分别大于1和0.6，表明本区沉积时总体上为厌氧的还原环境。在垂向变化上，两组比值表现出了高度的相似性，中段(SP-12～SP-21)厌氧的还原环境由较弱达到最强，可能是由于在当时环境下气候异常的干冷，这与前文所分析的气候干湿指标所照应，也显示出了异常干燥的特点，表明气候干湿异常与氧化环境高度耦合。而U/Th=0.21～1.64，均值为0.51，其中只有一件样品值大于1.25，其余均指示为氧化环境；Ceanom值范围为-0.084 2～0.000 5，平均值为-0.030 7，表示厌氧的还原环境。另外，纵向上表现出了氧化-还原起伏的沉积环境，可能受还原环境的控制。因此，可以推断，研究区SP-12段存在氧化-还原界面，SP-21以下段为还原-氧化界面。它与上文所指示的干湿交替气候及古盐度演化特征具有耦合性。

表6 氧化-还原环境判别表Table 6 Determination of oxidation-reduction environment

5 结论

(1)巴隆乌拉剖面样品中的主量元素含量以SiO2、Al2O3、CaO为主，含少量的P2O5、Na2O、MgO、K2O，极少量的MnO、TiO2。Rb、Th、U、La等微量元素较为富集，Nb、Ce、Hf、Zr等元素稍富集，而Ba、Sr、K、P、Ti等元素亏损，其中K、Ti元素异常亏损。稀土元素含量较低，轻稀土元素富集，重稀土元素亏损，Eu负异常。

(2)依据地球化学分析及La/Yb-∑REE 源岩判别图解可知，研究区样品母岩的源区物质复杂，主要是沉积岩和岛弧火山岩的混合源区。

(3)通过对地球化学参数体系的判别，在垂向上整体表现为温湿的氧化环境，中段出现明显的厌氧的还原的咸湖环境，而后又转变为氧化环境。中段界面的古气候、古盐度和氧化还原条件变化显著。SP-3～SP-30段在相对温暖潮湿的沉积过程中具有干冷的还原环境，这与古气候、古盐度和氧化还原的演化中均体现出一致性，即在温湿的氧化环境下存在较短时间的干冷的还原的咸湖环境。