沉積礦物的地球化學(xué)特征研究

王憲峰

（西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500）

沉積物中的地球化學(xué)元素、礦石組合以及沉積巖性，沉積構(gòu)造很好的記錄了沉積環(huán)境的性質(zhì)及其演化關(guān)系[1]。因此可以根據(jù)不同地球化學(xué)元素、礦石組合以及沉積礦物特性、構(gòu)造與礦井水的響應(yīng)關(guān)系，來研究沉積區(qū)的水文地質(zhì)情況[2]。

1 沉積學(xué)標(biāo)志

1.1 礦物特性

研究區(qū)域的礦物特性以灰黑色、深灰色、灰褐色的泥頁巖為特征，也常見薄層泥灰?guī)r或白云巖夾層[3]。淺層區(qū)域的礦物特性則以淺灰色、灰綠色粘土巖和粉砂巖為主，可夾有少量薄層或透鏡體狀地質(zhì)礦物，陸源碎屑供給充分時(shí)可出現(xiàn)較多的細(xì)砂巖[4，5]。

濱湖亞相位于沉積期地質(zhì)邊緣帶，擁有較強(qiáng)的水動(dòng)力條件，暴露的、強(qiáng)烈氧化的環(huán)境使其沉積物類型出現(xiàn)多樣性[6]。

1.2 沉積構(gòu)造

深部地層濁積礦物具復(fù)理石構(gòu)造，槽模、溝模是其特征的沉積標(biāo)志[7]。淺部地區(qū)（1m～20m）層理類型多樣，間斷韻律發(fā)育，波痕、沖刷侵蝕構(gòu)造較發(fā)育[8]；干裂、雨痕等層面構(gòu)造都是反映沉積物出露水面的標(biāo)志（＜1m）[16]。

1.3 自生礦物組合

自生礦物如鋁、鐵、錳結(jié)核等，均按照各自的化學(xué)規(guī)律形成，其形成過程除與特定環(huán)境有關(guān)外，還與水深有間接關(guān)系。

常用的標(biāo)志礦物是含鐵自生礦物，其氧化環(huán)境到還原環(huán)境依次為赤鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦、黃鐵礦[9，10]，對(duì)應(yīng)水深依次0m～1m、1m～3m、3m～15m、大于15m[11]。含金屬元素礦物的差異主要顯現(xiàn)在礦石顏色上，尤以粘土巖的顏色判斷水深最為直接。

2 地球化學(xué)標(biāo)志

沉積礦物中的地球化學(xué)元素很好的記錄了沉積環(huán)境的性質(zhì)及其演化關(guān)系[12]。

因此可以根據(jù)不同水文地質(zhì)條件下各元素的地球化學(xué)行為，探討敏感元素的絕對(duì)含量或相互之間的比值[13]，來推測(cè)出恢復(fù)區(qū)域地質(zhì)環(huán)境方法。

2.1 Mn/Fe、Mn/Ti比值法

在沉積礦物的搬運(yùn)過程中不同元素的穩(wěn)定性不同，在主量元素中Fe和Ti的穩(wěn)定性相對(duì)較弱，不能長(zhǎng)距離運(yùn)移，Mn的穩(wěn)定性較好[14]，可以長(zhǎng)距離運(yùn)移。因此，Mn、Fe、Ti含量的相對(duì)變化可以從某種程度上反映沉積物搬運(yùn)距離。

通常情況下認(rèn)為Mn/Ti和Mn/Fe值越小，可判定為近源堆積[15]。

2.2 Zr/Al比值法

Zr是典型的親陸性元素[13，16]，以機(jī)械遷移為主，沉積于離岸較近的地區(qū)，故常被用作指示物源區(qū)遠(yuǎn)近的指標(biāo)，越遠(yuǎn)離陸源區(qū)，礦石中含量越低。

但沉積礦物中Zr元素的分布受Al元素支配，因此Zr/Al的比值更能代表近距離搬運(yùn)的陸源組分及水體深度的變化，其值越大，礦井水更深[17]。

2.3 Rb/K比值法

Rb和K在水中的遷移和富集均與粘土密切相關(guān)[18]，并且Rb比K更容易被粘土吸附而遠(yuǎn)移。

因此，比值變大，揭示礦井水較深；比值變小，則礦井水變淺。

2.4 Th/U比值法

根據(jù)元素富集特點(diǎn)即可定性地描述礦井水深淺情況。研究表明[19]，Th/U比值的大小與井水深具有密切關(guān)系[20，21]，即Th/U比值小趨向于還原環(huán)境，沉積時(shí)期水體相對(duì)較深；Th/U比值大則趨向于氧化環(huán)境，沉積時(shí)期礦井水相對(duì)較淺。根據(jù)Th/U比值與氧化還原條件的關(guān)系、氧化還原條件與礦井水深的關(guān)系，可間接獲得井水深度范圍。

表1 Th/U比值與礦井水深的關(guān)系（據(jù)文獻(xiàn)[22]）

2.5 Sr/Ca比值法

研究表明[23]從淺水碳酸鹽巖到深水碳酸鹽巖，Sr的絕對(duì)含量有增加的趨勢(shì)，碳酸鹽巖中1000×(Sr/Ca)比值也呈類似規(guī)律。

早期成礦過程中，原始礦物為高鎂方解石沉積物為主的淺水地帶Sr含量偏低，而以低鎂方解石沉積物為主的較深礦井水地帶Sr含量反而偏高，從而形成了Sr/Ca值由淺水相到深水相由低變高的趨勢(shì)[24]。

3 礦物學(xué)標(biāo)志

水體的溫度、壓力、透光度、含氧量等因素與水生生物的生存密切相關(guān)，而這些因素隨水體的深度變化而變化[25]。水體的深度不同，生物的種屬和數(shù)量也就顯示出明顯的差別。

3.1 介形類優(yōu)勢(shì)分異度

礦層中的化石群，有時(shí)種類繁多，有時(shí)個(gè)體雖多但屬種單調(diào)，這就是分異度的不同[26，27]。化石群的分異度是指該群中分類單元(屬、種等)多樣性的程度。分異度的概念首先見于現(xiàn)代生態(tài)的研究，后來在沉積相研究中得到了廣泛的應(yīng)用，用來推判地層的沉積環(huán)境，也用來探討生物的演化規(guī)律。

對(duì)于生物群和化石群來說，熵H(s)也就是種的分異度。研究發(fā)現(xiàn)[28]，現(xiàn)代介形類的分布在波基面附近生物最繁盛。

3.2 化石組合

化石組合是指在一定地區(qū)和一定層位的某類礦石中所保存的生物化石類型的總和。由于埋藏環(huán)境不同，化石組合類型亦不相同[27，28]。

在沉積相中，化石較少[31]，可見有低級(jí)藻類，如藍(lán)藻，植物碎片等等；淺湖沉積中動(dòng)物化石豐富，種類和數(shù)量較多，尤其以薄殼的腹足類、瓣鰓類、介形蟲、葉肢介、魚類為主，植物化石數(shù)量大為減少而且不完整。在半深湖至深湖沉積中，底棲生物化石貧乏乃至絕跡，常見有介形蟲、葉肢介、魚類等游泳生物的化石類別。

3.3 礦物遺跡

趙澄林等[29]認(rèn)為濱湖地區(qū)以湖水條件變化很大，故以濾食性生物活動(dòng)為特征，形成各種潛穴和擾動(dòng)，形成了石針跡象；淺湖區(qū)上部，水介質(zhì)條件穩(wěn)定，陽光和養(yǎng)分充足，是與生物大量繁殖，發(fā)育覓食跡[30]，形成卷跡象；淺湖下部至半深湖，陽光照射減弱，養(yǎng)分減少，逐漸轉(zhuǎn)為缺氧環(huán)境，生物量開始減少，當(dāng)有風(fēng)暴作用時(shí)，可使這個(gè)區(qū)域暫時(shí)得到氧氣和養(yǎng)分的補(bǔ)給，發(fā)育擾動(dòng)構(gòu)造與逃逸跡[29，30]，形成伸展跡象；半深湖區(qū)大部分時(shí)間存于缺氧還原環(huán)境，僅發(fā)育特殊低級(jí)生物，發(fā)育牧食跡，覓食跡[32]，形成始網(wǎng)跡象；深湖環(huán)境主要為低級(jí)生物的牧食跡組合[31]，形成古網(wǎng)跡象。

3.4 礦石群優(yōu)勢(shì)度

優(yōu)勢(shì)度是指礦物樣品中個(gè)數(shù)最多的一個(gè)種在全群個(gè)體總數(shù)中所占的百分比值，其計(jì)算公式為[32]：

優(yōu)勢(shì)度是分異度的反向指標(biāo)，它能以側(cè)面反映分異度的大小。當(dāng)優(yōu)勢(shì)度很大時(shí)，分異度一般較小，只有優(yōu)勢(shì)度適中時(shí)，分異度才能較大，研究事實(shí)證明，優(yōu)勢(shì)度dm小時(shí)，水體深度則大；當(dāng)dm大時(shí)，水體深度則淺。

4 結(jié)論

研究區(qū)域沉積相以濱湖亞相發(fā)育最為廣泛，該區(qū)域具有較強(qiáng)的水動(dòng)力條件，通常會(huì)在不同坡度的環(huán)境形成泥巖、粉砂巖、礫巖等沉積物，并且發(fā)育干裂、雨痕等出露水面的標(biāo)志構(gòu)造。

暴露的、強(qiáng)烈氧化的環(huán)境，往往發(fā)育赤鐵礦、褐鐵礦等自生礦物，還可以富集親氧化環(huán)境的元素，使得Th/U比值增大，MnO/TiO2比值減小。

而離地質(zhì)沉積區(qū)距離較近則使得遷移能力低的元素會(huì)相對(duì)富集，體現(xiàn)在Mn/Ti和Mn/Fe值、Zr/Al比值、Rb/K比值減小。

淺湖亞相在礦物特性、沉積構(gòu)造上與淺湖大致相似，然而由于水動(dòng)力條件的下降與氧氣含量的充足會(huì)使得淺湖沉積相中發(fā)育較多的礦石。使遷移能力低元素的富集成都下降，使得Mn/Ti和Mn/Fe值、Zr/Al比值、Rb/K比值增加。

半深湖與深湖亞相水動(dòng)力條件較弱主要形成水平層理、連續(xù)韻律層理，巖性以深灰色的泥頁巖為主，缺氧的還原環(huán)境形成菱鐵礦、黃鐵礦等自生礦物、底棲生物化石貧乏乃至絕跡，Th/U比值減小至10以下。

離岸距離較大，遷移能力強(qiáng)的元素會(huì)相對(duì)富集，Mn/Ti和Mn/Fe值、Zr/Al比值、Rb/K比值會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于濱淺湖亞相。

因?yàn)槌练e相不同深度具有不同的特征，可以利用不同的沉積相標(biāo)志反演沉積時(shí)期的礦井水深，多種不同的方法綜合使用往往可以得到非常可靠的結(jié)果。