大佛寺井田洛河組砂巖地球化學特征及其對沉積環境和物源的制約

蔡 玥,羅旭東,周對對,劉家鵬,何 靜,汪慶國,李登科,魏少妮

(1.西安科技大學 地質與環境學院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學 煤炭綠色開采地質研究院,陜西 西安 710054;3.陜西省煤炭綠色開發地質保障重點實驗室,陜西 西安 710054;4.陜西彬長大佛寺煤礦有限責任公司,陜西 彬州 713500)

0 引 言

大佛寺井田位于鄂爾多斯盆地一級構造單元渭北隆起北部。下白堊統洛河組厚度為180～240 m,平均220 m,是井田內煤炭開采的主要充水含水層。受物源、沉積環境及構造運動等因素的影響,洛河組巖性、巖相、滲透性、富水性等特征在空間分布上存在差異,導致出水形式特殊,瞬時水量大,是煤炭開采主要水害威脅,嚴重制約安全生產進程。圍繞鄂爾多斯盆地洛河組-環河華池組開展大量研究工作,侯光才、謝從瑞和李嘉璐等從水文地質角度出發,系統查明盆地白堊系洛河組-環河華池組地下水賦存特征、水文地質參數、含水介質孔隙特征和水化學特征等[1-3];李超峰等從防治水角度出發,提出洛河組精細化勘探概念,對洛河組含水層進行垂向差異性研究[4];郭小銘對洛河組垂向沉積控水模式及煤礦開采擾動含水層流場響應特征進行研究,優化了洛河組含水層疏放措施[5];李文平等對盆地巨厚白堊系下煤層開采突泥潰砂物源進行研究,構建了突泥潰砂成災的地質模型[6];魏斌等以鄂爾多斯盆地為研究單元,從盆地尺度開展白堊系洛河組-環河華池組的沉積相類型劃分,認為洛河組主要為沖積扇相、辮狀河相、沙漠相和風成沉積相[7];李玉宏等對盆地沉積相進行了區域劃分,認為大佛寺井田洛河組主要為河流相沉積[8];謝淵等系統分析了白堊系黏土礦物的分布特征及其形成時的沉積-成巖環境,認為白堊紀盆地處于干旱-半干旱氣候環境[9];張忠義通過對白堊系沉積特征研究,認為洛河組物源主要為盆地南部的秦嶺、西部的六盤山—賀蘭山[10]。目前對洛河組形成時期的古沉積條件以及物質來源的研究多以盆地尺度展開,鄂爾多斯盆地南緣洛河組沉積特征有待深入研究,從地球化學角度開展的沉積特征研究有待探索。

沉積巖的微量元素和稀土元素對沉積期水介質變化較敏感,是古沉積環境恢復及沉積物源分析的有效手段。如U/Th、Co/Ni、Ce/La等可用于古氧化環境的判別[11-13],Co元素可用于古水深的定量計算[14-15],Sr/Ba、Th/U常用于古鹽度分析[16-17],Sr/Cu、Rb/Sr可用于古氣候的恢復[18-19]。微量元素的構造判別圖解可提供物源區性質的重要信息[20-22]。以大佛寺井田白堊系洛河組為研究對象,系統采集樣品開展微量及稀土元素地球化學分析,重建洛河組沉積期的古環境與古氣候條件,查明其物質來源及源巖屬性,揭示洛河組沉積環境演化過程,為白堊系地下水資源的勘查開發利用和礦井水害防治提供依據。

1 區域地質背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部,為一走向南北,東緩西陡的中生代不對稱向斜盆地,盆地四周被山地環繞,北起陰山,南至秦嶺,西接賀蘭山—六盤山,東達呂梁山。內有伊盟隆起、西緣逆沖帶、天環坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、渭北隆起6個一級構造單元。大佛寺井田位于渭北隆起北部,總體呈走向近北東向,傾向近北的波狀單斜構造(圖1)。井田范圍內白堊系地層自上而下劃分為華池組、洛河組、宜君組。洛河組在井田范圍廣泛分布,與下伏宜君組連續沉積。巖性為棕紅色巨厚層狀-厚層狀細、中、粗粒長石砂巖夾礫質砂巖及暗棕紅色薄層泥巖,發育平行層理、板狀交錯層理、槽狀交錯層理等。

圖1 鄂爾多斯盆地構造區劃(據文獻[16]修改)Fig.1 Tectonic zoning map of Ordos Basin(modified by[16])

2 樣品采集與分析方法

本次地球化學測試樣品采自D40302和D40307兩口鉆井,從洛河組底板至頂板,總計30件樣品(圖2、圖3)。

圖2 大佛寺礦區D40302(左)和D40307(右)鉆孔柱狀圖及采樣位置Fig.2 Column diagram of drill holes D40302(left)and D40307(right)at Dafosi wellfield

圖3 洛河組巖芯照片Fig.3 Core of Luohe Formation

將采集到的新鮮砂巖樣品在顎式破碎機上進行粗碎,無污染的條件下人工研磨至200目。粉末樣品溶解于HNO3、HF及HClO4混合物中,在230 ℃環境下消解5 h后用王水浸提,配成50 mL溶液。溶液樣品通過帶有Perkin Elmer SciexElan 6000的電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)測定,微量元素的分析誤差<1%,符合硅酸鹽巖石化學分析方法(GB/T 14506.30—2010標準)。

3 測試結果

洛河組砂巖具有非常一致的微量元素含量特征(圖4)。在原始地幔標準化的微量元素蛛網圖上,洛河組砂巖整體富集Cs、Rb、Ba、Th、U等不相容元素,相容元素含量較低。Nb、Ta呈現明顯的負異常,Pb正異常顯著(圖4(a))。稀土元素含量整體偏低,∑REE為68.09～232.72×10-6,平均127.78×10-6,略低于大陸上地殼(UCC)的稀土元素總量146.67×10-6?！芁REE為60.72～209.19×10-6,平均114.45×10-6,∑HREE為7.37～26.11×10-6,平均13.32×10-6?！芁REE/∑HREE為6.34～11.49,平均8.63。在球粒隕石標準化的稀土配分模式上,曲線呈右傾型,輕稀土富集,重稀土平坦分布(圖4(b))。(La/Yb)N為8.24～16.67,平均12.42,指示輕重稀土分異較強。(La/Sm)N為4.11～6.13,平均5.04,(Gd/Yb)N為1.25～2.70,平均2.13,指示洛河組砂巖輕稀土元素分餾程度總體強于重稀土元素,N值為球粒隕石標準化數值[23]。δEu為0.84～2.47,平均1.48,顯示Eu正異常。

圖4 大佛寺井田洛河組砂巖微量元素蛛網和稀土配分模式(標準化數據據[24-25];陰影數據據[26-27])Fig.4 Trace element spider diagram and REE distribution patterns for sandstone of Luohe Formation in the Dafosi Wellfield (standardized data from References[24-25];Shaded area from References[26-27])

4 討 論

4.1 古氧化還原環境

沉積物氧化還原敏感元素比值被廣泛應用于古沉積環境判識[28]。U、Th在不同沉積環境下的賦存狀態不同,U在還原條件下溶解度低,氧化條件下易被氧化,發生遷移,Th元素無論在什么樣的沉積環境下溶解度都不高,容易富集在沉積物中。Ni元素在氧化環境中易發生遷移,還原狀態下易發生沉淀。Co在還原環境中比Ni敏感,造成沉積物中Ni/Co比值增大。張天福等通過對鄂爾多斯盆地北部延安組-直羅組泥巖研究認為,U/Th<0.75指示氧化環境,>1.25指示還原環境;Ni/Co<5指示氧化環境,>7指示還原環境[11];WIGNALL通過測量碎屑物質中U和Th含量之間的關系,提出自生U的計算公式為：AU=U-Th/3,認為AU<5×10-6代表氧化環境,>12×10-6代表缺氧環境[29]。鄂爾多斯盆地南部大佛寺洛河組砂巖U/Th為0.17～1.07,平均0.37;Ni/Co為1.14～2.17,平均1.67;AU為-1.33～7.29,平均0.28(表1),指示氧化環境(圖5)。

表1 氧化還原環境微量元素判別指標Table 1 Trace element discriminators for paleo-redox environments

圖5 大佛寺井田洛河組砂巖氧化還原判別圖解Fig.5 Redox discrimination diagram for sandstone of Luohe Formation in Dafosi wellfield

稀土元素同樣可用于判別古氧化還原環境,Ce元素對外界環境變化反應敏感,氧化環境中溶解度較低,表現為虧損,還原環境下表現為富集。ELDERFIELD等提出的Ce異常參數[30]。

Ceanom=Log10[3CeN/2LaN+NdN]

(1)

N為北美頁巖標準化數值,是目前常見的判斷古氧化還原條件的指標。Ceanom>-0.1時,指示還原環境;Ceanom<-0.1時,指示氧化環境。Ce/La同樣可用于判別氧化還原環境,Ce/La<1.5指示為氧化環境,>2為還原環境[13]。大佛寺洛河組砂巖樣品的Ceanom為-0.21～-0.07,平均-0.17,Ce/La為1.25～1.69,平均1.39(表1),進一步指示為氧化環境。由巖石學觀察可知,洛河組砂巖整體呈現棕紅色,指示氧化環境下沉積。綜合以上分析結果可知,大佛寺井田洛河組砂巖形成于氧化背景。

4.2 古水深與古鹽度

沉積時期的水體深度既與古氧化還原環境息息相關又是恢復古沉積環境的重要參數。沉積物中Co元素的豐度值可以反映出沉積物的沉積速率,可用于古水深的定量計算[14-16,31]。

VS=V0×NCo/(SCo-t×TCo)

(2)

t=SLa/NLa

(3)

(4)

式中h為古水深,m;VS為樣品沉積時的沉積速率,m/Ma;V0為沉積物的沉積速率,與具體的沉積相帶有關,淺濱湖沉積速率200 m/Ma,三角洲前緣300 m/Ma,河流沉積速率400 m/Ma[15]。大佛寺井田洛河組砂巖形成于河流環境[8],沉積速率為400 m/Ma;SCo為樣品中Co的豐度,×10-6;t為物源Co對樣品的貢獻值;SLa為樣品中La的豐度,×10-6;NCo為正常湖泊沉積物中Co的豐度,20×10-6;TCo為陸源碎屑巖中Co的豐度,4.68×10-6;NLa為陸源碎屑巖中La的平均豐度,38.99×10-6[15-16,31]。計算結果顯示,大佛寺井田洛河組沉積期古水深為1.33～20.95 m,平均4.14 m。巖性和沉積構造也可判斷古水深的相對深度。沉積物中的砂質含量會隨著沉積水體深度的增加而減少,相應的黏土質含量則會增加。礫巖、砂巖對應水深為1～10 m,泥質粉砂巖對應水深為5～20 m,暗色泥巖水深>20 m。深水和較深水區主要形成微細水平層理,連續韻律發育,淺水地區層理類型多樣,大型交錯層理、平行層理、沙紋層理等發育[32]。大佛寺井田洛河組主要沉積砂巖和礫巖,平行層理、板狀交錯層理、槽狀交錯層理等發育。巖性和沉積構造均表明沉積時期水體深度較淺。

沉積時期的古水深還可以反應出當時的沉積環境,沉積環境水體深度的不同,含氧程度也不相同。小于15 m為淺水環境,水體充氧程度高,為氧化環境;15 m到20 m之間為半深水環境,表現為弱氧化-弱還原環境;大于20 m為深水環境,表現為強還原環境[31]。由古水深計算結果可知,洛河組砂巖僅有一個樣品指示水深大于20 m,其余均小于15 m,平均4.14 m,指示淺水環境,與上文得出的氧化背景相吻合。

古鹽度是指保存于沉積物之中的所有可溶鹽的質量分數,是區分海相和陸相環境的重要標志。Sr/Ba常用作古鹽度的恢復,原理是Sr與Ba的化學性質相近,但Sr的遷移能力高于Ba,更容易遷移到大洋深處,Ba在淡水沉積中容易形成沉淀。Sr/Ba>1是海洋沉淀;<0.6為陸相微咸水或淡水環境;0.6～1之間為海陸過度的半咸水環境[16]。大佛寺井田洛河組砂巖Sr/Ba為0.33～1.99,平均0.82,指示淡水-半咸水環境。

Th/U也可以用來判斷古鹽度。Th容易被黏土礦物吸附,U容易淋失。海相沉積物中Th/U小于2,陸相則高[17]。大佛寺井田洛河組砂巖樣品測試結果顯示Th/U為0.93～5.94,平均3.10,結合Sr/Ba(表2),認為大佛寺井田洛河組砂巖沉積水體為陸相淡水環境。

表2 古鹽度微量元素判別指標Table 2 Paleosalinity trace element discriminators

4.3 古氣候

沉積物中的微量元素在不同的氣候環境中存在差異,喜干型元素為：Sr、As、Ca、Pb、Au、Na、Ta、Mg、Mo、U、Zn、B;喜濕型元素為：Mn、Cu、Cr、Ni、Fe、Co、Cs、Ba、Br、Hf、Th、Rb、Sc。喜干型元素(Sr)與喜濕型元素(Cu)的比值可以反映古氣候,Sr/Cu<10指示溫暖、濕潤氣候;Sr/Cu>10表示炎熱、干燥氣候[18]。大佛寺洛河組砂巖Sr/Cu為12.90～362.84,平均95.12,指示干熱氣候。

Rb/Sr比值對氣候變化敏感,Rb相對穩定,Sr易發生淋失,氣候干旱時,降水較少,母巖中含有較多的Sr,Rb/Sr比值降低;氣候濕潤時,降水較多,Sr部分淋失,Rb/Sr比值升高。即Rb/Sr低值指示干旱氣候,Rb/Sr數值越高,氣候越濕潤[19]。大佛寺井田洛河組砂巖Rb/Sr為0.13～0.72,平均0.29。通過對比Sr/Cu和Rb/Sr垂向演化曲線(圖6)發現兩者在整體上呈現鏡像變化的趨勢,與前文提到的規律相一致。綜合分析指示大佛寺井田洛河組砂巖為干旱炎熱的古氣候背景。

圖6 Sr/Cu和Rb/Sr比值隨深度變化曲線Fig.6 Variation of Sr/Cu and Rb/Sr ratios with depth

4.4 沉積物源區

物源分析是盆地分析的重要內容,是再現沉積盆地演化、古環境恢復的重要依據[33]。鄂爾多斯盆地物源主要來自盆地北部陰山和東北部大青山,西部“古陸梁”,西南部東祁連造山帶,西北部阿拉善古陸以及南部秦嶺造山帶[34]。

大佛寺井田洛河組砂巖形成于白堊世,燕山運動使得鄂爾多斯盆地發生了自三疊紀和侏羅紀后的第3次拗陷,形成四周升起、封閉統一的盆地,這一過程使得盆地南部的秦嶺有為大佛寺井田洛河組砂巖提供物源的可能。沉積巖稀土元素特征受控于相應物源區的巖石組成,相同來源的沉積巖具有相似的稀土元素配分模式。除Eu元素外,大佛寺井田洛河組砂巖的稀土元素配分模式與北秦嶺片麻巖和變質沉積巖的稀土元素配分模式一致(圖4(b))。Eu正異常的出現與熱液輸入增加或斜長石風化程度增大有關[35]。熱液沉積情況可通過U/Th判斷,比值小于1時指示非熱水沉積情況[36]。大佛寺井田U/Th為0.17～1.07,平均0.37,指示非熱水沉積環境,據此推斷大佛寺井田Eu正異常與斜長石風化程度增大有關,沉積物質來源于北秦嶺區域。

除稀土配分模式外,地球化學性質相近的微量元素,在地質作用過程中不易發生分異,受后期風化、成巖等作用的影響相對較弱,可以很好地反應源區的地球化學信息[11]。La/Th-Hf和Co/Th-La/Sc源巖屬性判別圖解常被用于物質來源分析。如圖7所示,洛河組砂巖樣品在La/Th-Hf圖解中集中分布于長英質、基性巖混合物源和安山巖島弧物源上。在Co/Th-La/Sc圖解中,洛河組砂巖具有低且相對穩定的Co/Th值,平均為1.67,La/Sc值較高且變化較大,顯示出酸性和基性物源的混合特征。

圖7 大佛寺井田洛河組砂巖物源判別圖解Fig.7 Provenance discrimination diagram for sandstone of Luohe Formation in the Dafosi Wellfield

5 結 論

1)鄂爾多斯盆地南部大佛寺井田洛河組砂巖U/Th、Ni/Co、Ce/La、AU、Ceanom顯示洛河組沉積期為氧化環境。

2)Co元素含量特征指示洛河組沉積時屬于淺水環境,Sr/Ba、Th/U指示洛河組沉積水體為陸相淡水環境,Sr/Cu、Rb/Sr指示大佛寺井田洛河組沉積于干燥氣候背景。

3)相似的稀土配分模式顯示大佛寺井田洛河組砂巖物源來自于鄂爾多斯盆地南部的北秦嶺,洛河組的源巖主要為長英質、基性巖混合物源和安山巖島弧物源。