汤原断陷宝泉岭组微量元素地球化学特征及其对沉积环境的指示意义

2022-06-16冀华丽何中波卫三元林效宾

世界核地质科学 2022年1期

冀华丽，何中波，2，卫三元，林效宾

（1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.东华理工大学地球科学学院，江西南昌 330013）

沉积岩中的微量元素含量与其形成环境具有直接关系。沉积岩在成岩过程中，其所含元素的迁移、聚集与分布规律可用来判断和恢复沉积古环境［1-2］。沉积物与水介质之间有着复杂的地球化学平衡关系，不同沉积环境的水介质有着不同的物理和化学条件，元素分散与聚集的规律也相差甚大，这就为综合利用沉积物微量元素含量及其比值进行沉积古环境分析提供了理论依据和重要支撑［3-4］。

汤原断陷是我国东北典型的陆相断陷盆地［5-6］，断陷内中新生代地层发育，盖层厚度大，煤炭资源丰富［7-8］。以往的研究多侧重于构造演化特征及其对油气成藏及层序的控制作用［9-10］，而对古近纪晚期的沉积环境研究较少。近年来，随着砂岩型铀矿找矿工作在汤原断陷的开展，古近系宝泉岭组发现了较好的砂岩型铀矿找矿线索。本文从微量元素的地球化学特征入手，采集了大量样品，测定了样品中的微量元素含量，并选取了具有代表意义的30 件样品，选用对沉积介质环境反映比较敏感的锶（Sr）、铜（Cu）、钡（Ba）、钒（V）、镍（Ni）、铀（U）等微量元素指标，对比分析研究区古近系宝泉岭组中微量元素含量及其比值的变化规律并识别沉积环境，最终探讨汤原断陷古近系宝泉岭组沉积时期的沉积环境，对研究区砂岩型铀矿找矿工作具有现实指导意义。

1 区域地质概况

汤原断陷是依舒地堑最北端的一级地质构造单元，横跨黑龙江鹤岗市、汤原县、萝北县及桦川县等多个县市，面积约3 320 km2［11］，呈北东-南西向狭长条带状展布（图1）。被鹤岗盆地和佳木斯隆起所夹持，为布列亚-佳木斯地块依舒地堑斜切佳木斯隆起部分［12-15］。该盆地是受控于边界大断裂的东断西超的箕状断陷盆地，发育较完整的中新生代地层。自下而上，沉积盖层主要发育古近系古新统乌云组（E1w）、始新统新安组（E1x）和达连河组（E2d）、渐新统宝泉岭组（E2-3b），新近系中新统富锦组（N1f）、上新统道台组（N2d）和第四系（图2）。

图1 汤原断陷构造单元划分图Fig.1 Structural units of Tangyuan fault depression

图2 汤原断陷综合柱状图（据参考文献［14］修改）Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Tangyuan fault depression（modified after reference［14］）

2 样品采集与分析测试

针对宝泉岭组分布特征，采集了研究区宝泉岭组铀矿地质钻孔共63 件样品，并重点选取了具有代表性的30 件样品进行测试和分析，岩性主要为泥岩和粉砂岩，分布于汤原断陷的长青村、石场村、北兴村、文俊村、正阳村、太平川乡、苇山村、向阳村、梧桐河农场等地，范围较广，数据较为均衡。测试的元素主要有：Li、Be、Sc、V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Rb、Sr、Cs、Ba、La、Ce、Eu、Gd、Tb、Th、U。所有样品的微量元素地球化学测试均在核工业北京地质研究院分析测试中心实验室NexION300Dd 等离子体质谱仪（ICP-MS）完成，分析方法采用 GB/T14506.30-2010《硅酸盐岩石化学分析方法第30 部分44 个元素量测定》，仪器精密度优于5%，具有较高的精确度。测试结果见表1。

3 微量元素对沉积环境的响应

3.1 微量元素对古盐度的反应

Li、Sr、Ni、Ga 等微量元素的含量对水体盐度的变化有较好的指示作用。研究表明：咸水环境和淡水环境中，这些微量元素的含量有明显差异，具有不同指标［16］（表2）。

表2 微量元素在咸水环境与淡水环境的含量指标Table 2 Content indexes of trace elements in salt and fresh water environment

30件样品中Li元素含量介于8.36～146 μg/g，均值56.6 μg/g，远小于90.0 μg/g；Sr 元素含量为27.7～320 μg/g，均值177.2 μg/g，介于100～500 μg/g；Ni 元素含量为3.4～33.9 μg/g，均值16.2 μg/g，小于20 μg/g；Ga 元素含量为7.2～50.7 μg/g，均值为28.2 μg/g，大于17 μg/g。Li、Sr、Ni、Ga 元素含量值分析结果显示汤原断陷在古近系宝泉岭组沉积时期沉积环境为淡水。

Sr 与Ba 的化学性质十分相似，Sr 的迁移能力要远高于Ba，但Ba 的化合物溶解度要低于Sr。Sr/Ba 比值随着盐度提高有明显增大趋势，因此，Sr/Ba 比值也常用来作为区分淡水和咸水沉积的标志［17-20］。海水中蕴含丰富的SO42-，BaSO4极易沉淀，而SrSO4溶解度较大，因此可以得出，淡水沉积物中Sr/Ba 值小于1，而海相沉积物中Sr/Ba 值大于1［4，21-22］。本文利用微量元素测试数据（表1）分析了Sr/Ba 比值变化规律（图3），最终Sr/Ba 比值结果均小于0.6，说明当时沉积环境主要是陆相沉积，反映汤原断陷在古近系宝泉岭组沉积时期整体为微咸水的淡水环境，以淡水环境为主，局部微咸水环境，这与Li、Sr、Ni、Ga 元素含量判断的结果一致。

图3 汤原断陷宝泉岭组岩样Sr/Ba 比值变化Fig.3 Variation of the Sr/Ba ratio of samples from Baoquanling Formation in Tangyuan fault depression

3.2 微量元素对古气候的反应

利用沉积物元素含量的不稳定性来推断和反演当时的沉积环境是地球化学最常用的手段之一。不同环境下，元素的迁移和富集规律相差甚大［23-25］。

前人研究成果认为［26-29］，Cr、Cu、Ba、Ni、Th、Mn、Fe 等为喜湿型元素，而Sr、Ca、Pb、U、Na 等属喜干型元素。本文通过Sr 和Cu 二者的比值来判断古气候变化。温湿气候时，Sr/Cu 比值介于1～10 之间，干热气候则大于10［1-2，30］。本文将研究区各个样品中微量元素的Sr/Cu 比值反映到散点分布图上（图4）。由图4可知，研究区宝泉岭组Sr/Cu 比值大部分小于10，部分大于10，说明该地区宝泉岭时期基本为温湿-干热气候。

图4 汤原断陷宝泉岭组岩样Sr/Cu 比值变化图Fig.4 Variation of the Sr/Cu ratio of rock samples from Baoquanling Formation in Tangyuan fault depression

3.3 微量元素对环境氧化-还原性的反应

V、Ni 同属于铁族类元素，化学性质较活泼。不同的是，V 来自磁铁矿中，极易富集在氧化及酸度较大的环境中，Ni 则易在还原和碱度较大的条件下富集。故V/（V+Ni）比值可用来反映沉积水体的氧化还原环境［3，31-32］。若V/（V+Ni）比值大于0.84，反映水体分层的厌氧环境，并且底层水体出现H2S；若V/（V+Ni）比值在0.6～0.82 之间，反映水体分层中等的厌氧环境；若V/（V+Ni）比值小于0.6，则反映水体分层较弱的贫氧环境［33-34］。从研究区的样品V/（V+Ni）比值变化图（图5）中可以看到，研究区内18 件样品的V/（V+Ni）比值在0.6～0.82 之间上下起伏，另外12 件样品的V/（V+Ni）比值在0.82～0.86 之间波动，这说明研究区宝泉岭组湖盆水体分层性中等到强，可推断研究区在宝泉岭组沉积时期为中等到强烈的厌氧-还原环境。

图5 汤原断陷宝泉岭组岩样V/（V+Ni）比值变化Fig.5 Variation of the V/（V+Ni）ratio of samples from Baoquanling Formation in Tangyuan fault depression

同样，结合微量元素比值测试结果（表2），Ni/Co 值也可以作为恢复水体氧化条件的地球化学指标。Ni/Co 比值较高时，可反映当时沉积介质环境为还原状态。研究区Ni/Co 值在1.22～4.18 之间，为一还原环境。利用Cu/Zn 值也可以很好地反映环境的氧化还原程度，前人曾对此进行了研究，计算出各“氧化-还原过渡相”的临界值：Cu/Zn 值＜0.21，对应还原环境；Cu/Zn 值在0.21～0.35 之间，对应弱还原环境；Cu/Zn 值在0.35～0.50 之间，对应还原-氧化环境。从表3 中可以看出，研究区的Cu/Zn 值仅有4 个介于0.35～0.50 之间，大多数小于0.21，反映当时处于还原环境。

铀元素在自然界水体中不稳定，遇还原剂易发生化学反应，生成稳定的铀化合物（比如铀黑）；而钍的络合物在弱碱性溶液中易水解，变成氧化物或氢氧化物沉淀［35-37］。由于铀和钍的地球化学性质反差较大，可以利用&U 和U/Th 比值法判断沉积环境的氧化还原状态，&U 的计算公式如下：&U=U/［0.5×（Th/3+U）］，若&U＞1，表明为缺氧环境；若&U＜1，则说明为正常的水体环境［38-39］。U/Th 值大于1.25 时指示缺氧的还原环境，Th/U 值在0.75～1.25 之间指示过渡环境，小于0.75 时代表富氧的氧化环境［40］。表3 显示研究区样品U/Th 值介于0.07～0.69，比值普遍小于0.75，&U 值介于0.8～37.24，平均值7.67，根据判别指标，宝泉岭组沉积环境总体为弱氧化-还原环境，与之前的结论相吻合，因此方法可信度较高。

表3 汤原断陷宝泉岭组样品微量元素含量比值Table 3 Ratio of trace element content of samples from Baoquanling Formation in Tangyuan fault depression

3.4 微量元素对沉积介质环境垂向上的响应

通过对汤原断陷西南部的代表井ZKTN1-1 和北部的代表井ZKT1-1 宝泉岭沉积时期的微量元素垂向变化进行分析（图6，7），两口代表井的Sr/Ba 值普遍小于0.35，反映当时沉积环境主要是陆相微咸水沉积。两口井的Sr/Cu 值在宝泉岭早期显示为温暖潮湿气候特征，泥岩多为灰-深灰色，向上逐渐表现为浅黄-灰黄-褐黄色，验证了晚期有向干热气候演化的趋势。从V/（V+Ni）值的波动趋势来看，两口井的V/（V+Ni）值均大于0.6，并在0.6～0.82 之间波动，反映宝泉岭时期的水体为分层的厌氧环境。温暖湿润的气候促进了生物的勃发，缺氧的沉积环境有利于有机质的富集和保存。从岩心特征及沉积相特征来看，ZKTN1-1 发育广泛的扇三角洲前缘亚相，水体更易于有机质的保存，且深部泥岩较浅部更富炭化植物碎屑，更有利于沼泽和泥炭的沉积，从侧面反映了整个宝泉岭时期的古气候微波动趋势。