白龙江引水工程和尚铺组地球化学特征及成因探讨

朱维娜 杨光

白龙江引水工程输水线路全长四百余千米，其中隧洞占比超过60%，沿线分布有新近纪、古近纪、白垩纪及三叠纪等时代的软岩及众多断层破碎带。地质环境复杂，工程地质条件差和地质灾害频发是工程建设中必须面对的问题。由于软岩的工程地质性质随地域分布差异性较大，理论研究尚不够系统完整，也没有统一的分类标准，因此，有必要结合该工程既有的勘察和研究成果，对隧洞穿越的软岩地层进行更为深入的研究和分析，确保工程的顺利实施。笔者根据输水总干线庄浪—庆阳段白垩系下统和尚铺组（K1hs）软岩的岩石物理化学特征，进行了岩矿鉴定、化学成分分析，对其成岩环境及物质来源进行了探讨。

1 岩石学特征

和尚铺组（K1hs）沿六盘山麓南段有较大面积出露，在固原县和尚铺地区最为发育，在三关口、秋千架、东山坡等地也有少量出露，出露面积约500 km2。

结合野外鉴定及实验结果，和尚铺组（K1hs）主要为砖红色-紫红色块状细砂-粉砂岩，矿物成分以陆源砂为主（65%~90%），杂基黏土质含量为10%~25%，钙质胶结物多已重结晶，另含少量铁质、方解石、磷灰石、锆石、电气石及不透明矿物。陆源砂由石英、长石、岩屑、云母等组成，棱角-次棱角状，分选性差，呈杂乱无章或略定向排列，岩石杂基含量高，结构成熟度较低，表明成岩过程中水动力条件弱，且与母岩源区距离较近。

2 地球化学特征

2.1 主量元素

和尚铺组（K1hs）粉砂岩中SiO2含量最高，为59.11%～68.46%。Al2O3含量仅次于SiO2，占总含量的10.31%～14.42%，与黏土矿物含量较高相关。另外，岩石中还含有少量的CaO（1.66%～9.73%）、TFe2O3（3.27%～6.69%）、K2O（2.27%～3.90%）、Na2O（1.48%～3.48%）、MgO（1.19%～2.76%）等，灼失量为2.91%～9.41%。

2.2 微量及稀土元素

本次工作选取27个典型微量元素及15个稀土元素进行了地球化学分析。实验结果显示样品中Pb含量明显偏高，Ba、Nb、Sr、Ti含量呈现负异常。

和尚铺组（K1hs）粉砂岩稀土元素（REE）总量范围为129.1～245.1μg/g，均值为196.7μg/g。从轻稀土元素（LREE，La-Eu）与重稀土元素（HREE，Gd-Lu）的相对富集程度上看，轻稀土元素含量（102.9～185.7μg/g，均值151.3μg/g）明显高于重稀 土 元 素（26.5～59.4μg/g，均 值45.3μg/g），LREE/HREE在2.8～3.4之间。可见ΣLREE含量的变化决定了ΣREE的变化。

岩石中轻、重稀土元素分馏明显，轻稀土元素（LREE）富集，配分曲线较陡；重稀土元素（HREE）则总体呈现出平坦的变化趋势。（La/Yb）N在7.2～11.1之间，Eu呈负异常，δEu为0.6～0.9，均值为0.7，Ce异常不明显，说明源岩为酸性岩。另外，将稀土元素以北美页岩进行标准化后，Eu和Ce均未呈现出明显的异常现象，配分曲线的变化趋势与北美页岩基本一致，说明稀土元素在沉积过程中并未受到外界因素的影响，分异不明显。

3 成因分析

岩石地球化学元素示踪的精确性及高分辨率性使之成为物源示踪、构造背景判别及重建古沉积环境的重要手段。

3.1 物源区判别

Roser等提出可利用砂岩或泥岩的主量元素判别函数来限定物源区特征。和尚铺组（K1hs）的6块样品集中落在了石英岩沉积物源区及长英质火成物源区，如图1所示，其判另函数：

图1 物源区判别函数图解

另外，样品的Al2O3/Ti O2值为14.77～31.43，均值为18.91，且各样品稀土元素配分曲线整体形态相似，说明沉积物具有同源性，主要来源为长英质岩石，可能有少量镁铁质混入。

沉积岩微量元素和稀土元素的结合可以对地壳演化和构造背景做出有价值的分析。根据Allegre等提出的∑REE-La/Yb源区判别图解进行粉砂岩样品投点，绝大多数样品落在了沉积岩、花岗岩及碱性玄武岩交汇区，个别落在了沉积岩区域（图2（a））。沉积物中的某些不活泼微量元素（如La、Th、Hf）不会因搬运与成岩作用而改变，但长英质与铁镁质岩石中La、Th、Hf等元素存在显著差异，因而可以利用其含量及比值推测源岩成分。根据Floyd和Leveridge提出的Hf-La/Th物源属性判别图解，样品分布在长英质物源附近（图2（b）），有古老沉积物及少量基性成分混入。

图2 Allegre及Hf-La/Th源区判别图解

为了更好研究物质来源，笔者进行了物源区与地壳成分亲缘关系判别。和尚铺组粉砂岩的微量元素特征值基本与大陆上地壳相近，而与下地壳和洋壳相差甚远。样品的δEu值为0.6～0.9，均值0.7，Tb/Yb值介于0.26～0.36之间，均值0.30，La/Sc值介于2.55～3.4之间，均值2.97，La/Th值介于2.43～4.08之间，均值2.93，Th/U值介于2.92～5.79之间，均值4.49，这几项数值结果显示物源区的组成主要为上地壳物质，幔源物质较少。

综上所述，研究区和尚铺组（K1hs）沉积地层源岩主要来源于上地壳，以长英质岩石为主，同时存在一定量的中-基性岩浆岩及古老沉积物加入。

3.2 物源区构造背景判别

主量元素作为矿物的主要构成元素能反映砂岩中主要碎屑颗粒的组成。可以用砂岩中主量元素的摩尔含量来近似表示其中碎屑颗粒的组成。计算公式如下：

其中，Qel-用主量元素（摩尔含量）表示的石英含量；Fel-用主量元素表示的长石含量；Lel-用主量元素表示的基性碎屑含量；Pel/Fel-用主量元素表示的斜长石与长石总量的比值。利用上述公式计算的研究区Pel/Fel比值在0.61～0.8之间，说明斜长石含量远高于钾长石。图3显示，样品主要集中在碰撞造山带和大陆岛弧交汇区域。

图3 主量元素摩尔值源岩构造环境判别图解

Bhatia总结了不同构造背景砂岩的常量元素特征参数，通过比较，本组样品的Si O2含量介于大洋岛弧和大陆岛弧之间，其余参数特征均与大陆岛弧最为契合。

Bhatia和Crook认为，砂岩La、Th、Y、Zr、Ti、Co和Ni等不活泼的微量元素，在研究砂岩物源区和判别构造环境上作用很大。和尚铺组粉砂岩在Th-Co-Zr/10（图4（a））及La/Sc-Ti/Zr（图4（b））判别图解中均集中落在了大陆岛弧区域。

图4 Th-Co-Zr/10及La/Sc-Ti/Zr判别图解

综上所述，研究区和尚铺组（K1hs）原岩形成于大陆岛弧环境，个别样品落入活动大陆边缘，表明成岩过程中可能受到了造山作用的影响，混入了少量来自地壳深部的物质。样品的ICV值较大（0.97～2.03，平均1.44），也可证明母岩与构造活动相关，岩石成分成熟度低，且沉积盆地与母岩距离较近。Ghosh认为细碎屑岩的低成熟度与沉积期的干旱气候及构造活跃背景相关联，并可作为典型的初次旋回沉积物。根据古地理、区域资料及构造演化分析其原始物源区可能为盆地西侧六盘山地区的早古生代侵入岩。

3.3 沉积环境判别

地球化学特征对于反演沉积环境特征具有重要意义，伴随岩石地球化学分析手段的发展，利用沉积岩在沉积-成岩过程中主量、微量及稀土元素的迁移、富集规律来分析古沉积环境已成为重要的研究手段。本次研究中通过多种地球化学指标的综合运用，对沉积环境氧化还原状态、沉积介质的古盐度、古气候进行了探讨。

3.3.1 还原状态

对于稀土元素，在一定pH值背景的氧化环境中，Ce3+会被氧化成易于迁移的Ce4+，使Ce3+浓度下降；反之，水体若为缺氧环境，Ce3+浓度会相对增大，所以水体的Eh值可通过Ce的异常特征来体现。Ce异常计算公式为Ceanom=lg[3CeN/（2LaN+NdN）]，其中Ceanom＜0，Ce亏损，反映水体呈氧化环境；Ceanom＞0，Ce富集，反映水体缺氧，为还原环境。研究区粉砂岩样品的Ceanom（球粒陨石标准化）均值为-0.035，显示氧化环境。

在判断古水介质Eh值时，微量元素比值法经常被应用，但分析时需要对各参数互相验证。本次工作采用比较敏感的几个微量元素比值参数，如Ni/Co、V/Cr、V/Sc及Th/U等。

Ni元素主要通过生物体死亡经原地堆积埋藏后转化到沉积物中而富集，Co对于氧化还原环境的变化很敏感，在氧化环境中易富集。Ni/Co比值小于5.0指示氧化环境；Ni/Co比值介于5.0～7.0之间为弱还原环境；Ni/Co比值大于7.0指示还原环境。样品的Ni/Co比值在2.01～2.84之间，均值2.29。

V多以自生为主，因黏土吸附作用多富集于还原环境中，且其含量随水深、泥质含量增大而增大，因此V/Cr＜2指示氧化环境；V/Cr＞2为还原环境；V/Cr≥4.25为强还原环境。样品的V/Cr比值在0.91～1.63之间，均值1.20。另外，由于还原态的V和Sc元素具有相似的不溶性，故沉积物中V含量相对于Sc成比例变化而与其他不溶元素不成比例，而V/Sc比值越高，越能说明环境缺氧，研究区样品V/Sc比值变化范围较小（7.28~11.12），平均为8.14，远小于前人研究的典型还原环境比值（多在60～140之间）。

在表生风化作用中，U易氧化为非常活泼的铀酰离子而被长距离搬运至湖泊、海洋中，而Th在氧化条件下极不活泼，逐渐富集于近物源河流相沉积物中，故Th/U比值在表生氧化带数值偏大。研究表明当Th/U＜2时指示还原环境，反之Th/U＞2则为氧化环境。样品的Th/U比值在2.92～5.79之间，均值为4.49。

结合上述稀土、微量元素地球化学参数及比值特征，认为和尚铺组（K1hs）棕红色粉砂岩（样品中Fe3+含量高于Fe2+）形成于氧化环境。

3.3.2 盐度

古盐度是恢复古沉积环境及其演化的重要内容。Sr、Ba是碱土金属中化学性质较相似的两个元素，二者均可形成可溶性重碳酸盐、氧化物和硫酸盐进入水溶液中，但Sr比Ba元素迁移能力强，而Ba更容易沉淀。尤其当淡水和海水混合时，淡水中的Ba2+易与海水中的SO42-结合生成BaSO4沉淀，因此Ba容易富集于岸边区沉积物中。伴随水体盐度和离岸距离（古水深）的逐渐加大，沉积物中的Sr/Ba比值也随之加大，因此Sr/Ba比值常作为区分淡水和咸水的沉积标志，该比值与古盐度呈正相关。一般认为，Sr/Ba＞1时，指示盐湖或海相沉积；Sr/Ba＜1时，指示淡水陆相沉积。样品的Sr/Ba比值在0.21～0.68之间，均值0.41，指示陆相沉积环境。

3.3.3 气候

一般认为，岩石中主量元素SiO2/Al2O3＞2时，反映偏碱性环境，样品中Si O2/Al2O3的比值在4.75～6.08之间波动，均值为5.31，其SiO2与Al2O3较为正同步的波动形式及较高的SiO2/Al2O3比值，反映了持续偏碱性的宏观表生沉积环境，推测早白垩世沉积盆地内的气候环境以干旱为主。

Suttner提出（Al2O3+K2O+Na2O）-SiO2双变量古气候判别图可以用来限定碎屑岩沉积时的气候条件，随着SiO2含量增大，砂岩化学成熟度增加。样品投点均位于干旱-半干旱区域，化学成熟度不高。另外，在封闭湖盆环境中，气候干旱时，物源区惰性组分难以搬运到湖泊，而活泼组分仍能以离子、胶体状态进行迁移，（K2O+Na2O+CaO）/Al2O3数值增大；反之，若降水增加，蒸发作用减弱，地表径流发育，大量的惰性组分以碎屑状态被冲刷迁移到湖泊，导致惰性组分含量增大，（K2O+Na2O+CaO）/Al2O3数值则减小。所以通常情况下，（K2O+Na2O+CaO）/Al2O3比值的变化可以表示沉积物中活性组分与惰性组分之间的关系，也可以用来反映气候的干湿变化。和尚铺组（K1hs）红色粉砂岩的（K2O+Na2O+CaO）/Al2O3比 值 在0.52～1.35之 间 波动，均值为0.83，反映其沉积时处于较干旱环境中，但气候干湿存在一定的波动。

源区的化学风化指数CIA不仅可以用来反映风化程度，对古气候的判别也有一定的指示意义。当CIA≤50～65时，表明寒冷、干燥及低风化作用；当CIA≤65～85时，表明温暖、湿润环境，风化作用中等；当CIA＞85时，表明炎热、潮湿及强烈风化作用。样品的CIA值在50.92～59.87之间波动，经钾校正后的CIA值仍小于70，指示较干旱的沉积环境。

4 结 语

（1）和尚铺组（K1hs）源岩以形成于干冷大陆岛弧环境的上地壳弱-中等风化长英质岩石为主，源岩在成岩过程中受到造山作用的影响，混入了少量来自地壳深部的中-基性岩浆岩及古老沉积物。根据古地理、区域资料及构造演化分析其原始物源区可能为盆地西侧六盘山地区的早古生代侵入岩。但还需要更多同位素地球化学成果的佐证。

（2）研究区早白垩世时期的古水介质条件为碱性氧化环境，为盐度较低的淡水陆相沉积盆地。古气候总体呈干旱-半干旱状态，但气候干湿存在一定的波动。

（3）地球化学特征显示，和尚铺组（K1hs）粉砂岩为典型的初次旋回沉积物，其成分成熟度较低，为近源快速堆积的产物，沉积水体深度较浅，成岩后期以物理风化作用为主，化学风化及淋滤作用均较弱。岩石中黏土矿物含量较高，胶结类型以泥质胶结为主，加之沉积时代较新，导致岩石整体胶结程度不高，工程性状较差，可能对工程安全性产生不利影响。