沉積巖地球化學研究—以川西南永善地區志留系龍馬溪組碎屑巖為例

劉 燦，劉 逍

（成都理工大學，四川成都 610059）

沉積巖的地球化學分析在尋找物源，確定沉積背景、沉積條件以及構造環境中具有非常重要的作用，近年來，眾多學者利用沉積地球化學方法在碎屑巖的研究中取得了大量的研究成果。毛光周等[1]從沉積巖的常量元素、稀土元素、微量元素及同位素的特征分析入手，展開了對沉積巖的物源及其沉積背景的研究。熊小輝等[2]通過對沉積物中各常量、微量元素、各種同位素特征的研究，并由此對沉積巖的古沉積環境進行示蹤，了解了當時的沉積特征。牛亞斐等[3]通過分析沉積物中元素的分異和富集，研究了其元素含量的變化特征，并判別了其不同的沉積環境。梁萬樂等[4]應用元素地球化學方法，對中生界三疊系和侏羅系泥巖的主、微量和稀土元素的特征進行了研究，并探討了其沉積環境意義。柯友亮等[5]采用有機地球化學方法，對準頁3 井油頁巖進行了總有機碳的測試、抽提、族組分分析和氣相色譜-質譜分析，并預測了優質油頁巖發育層位，且指示了準南天山山前沖斷帶東南側蘆草溝組上段油頁巖沉積時的古環境特征及其垂向演化規律。劉田等[6]綜合地球化學指標系統對巫溪地區五峰組進行研究，發現主量元素指示其屬陸源碎屑影響的大陸邊緣—遠洋沉積環境，微量元素反映五峰組沉積期水體屬硫化—缺氧狀態，稀土元素指示正常海水沉積、受熱液作用影響不明顯。李鳳杰等[7]通過巖石學和地球化學方法對湘西南南華系大塘坡組照洞錳礦的沉積環境進行了分析。李文博等[8]采用X 射線熒光光譜法及電感耦合等離子質譜的方法對秀D1 井白堊系九佛堂組的18 件砂泥巖樣品進行了常量及微量元素的分析，探討了九佛堂組的古氣候條件、古水體環境條件以及物源區的構造背景。陳波等[9]綜合運用對沉積環境反映敏感的主量元素和微量元素，結合碳氧同位素數據及沉積學特征，對柴達木盆地北緣冷湖地區新近系上干柴溝組的古氣候、古鹽度、古水深、氧化還原環境等古環境參數進行研究。王峰等[10]通過電感耦合等離子質譜法對鄂爾多斯盆地紙坊組的泥巖及粉砂巖樣品進行了微量元素分析，在以對沉積環境介質較為敏感的元素作為判別指標之后，通過結合沉積學標志及對孢粉的分析，研究了紙坊組碎屑巖的沉積環境及古氣候特征。一般認為，碎屑巖組分的變化主要受氣候、地形、搬運距離、成巖作用、物源區的母巖性質和構造背景的影響[11]。不同成因的碎屑巖具有元素和元素組合的差異性，而且其物源的多樣性及不同物源區沉積物的差異供給都會影響碎屑巖的化學組成，因此利用碎屑沉積物的地球化學特征對碎屑巖進行物源分析及其成巖構造背景的判別，常常出現多解性和復雜性[12]。

目前對于龍馬溪組沉積物研究多集中在儲層特征、沉積相、盆地構造演化及頁巖的成巖作用分析等方面，而用沉積地球化學方法系統的對川西南永善地區志留系龍馬溪組的沉積環境、物源及其構造背景研究還很少見。為此，本文參考前人的研究成果，以川西南地區碎屑巖為例，對兩條剖面沉積巖樣品中主量元素及部分微量元素的地球化學數據進行了分析，并結合區域地質背景和前人的研究方法，探討了該區域志留系龍馬溪組的沉積物的物源、大地構造背景以及沉積環境。

1 研究區概況

永善地區位于四川西南部，云南省東北部的昭通市，該區處于川滇交界，地處滇東北中山山原西北邊緣，屬中亞熱帶濕潤氣候區，是世界第三大水電站—溪洛渡水電站所在地。永善地區海拔差異較大，其地勢呈北低南高，峰高谷深，重巒疊嶂。該地區具有十分豐富的礦產資源，有鋁、鋅、鐵、鉛、銅、汞、銀、磷、煤、石膏、石灰石、重晶石及冰洲石等。研究區部分區塊頁巖氣資源豐富，很有開采潛力，目前對該區頁巖的研究正處于熱點階段。

研究區內未出露上震旦統下部的地層，偶見上統燈影組白云巖、碎屑巖出露。下古生界地層分布廣泛，上古生界泥盆、石炭系地層被剝蝕完全，二疊系地層由于超覆作用覆蓋在志留系之上，其上部連續沉積三疊系地層。本次研究的地層主要為志留系龍馬溪組，其上部為志留系下統羅惹坪組，呈整合接觸，巖性主要為鈣質泥巖、頁巖夾灰巖；下部為奧陶系上統寶塔組，也呈整合接觸，巖性主要為厚層狀灰巖（見表1）。研究剖面為永善縣渡口鄉蘇田村和吳家灣剖面，巖性主要為黑色碳質、鈣質頁巖，粉砂質泥巖、黑色碳質、鈣質頁巖，沉積環境為深水陸棚相[14，15]。

表1 永善地區區域地層巖性描述[13]Tab.1 Description of regional stratigraphy and lithology in Yongshan area

2 地球化學數據分析

本文參考前人的研究成果，以川西南永善地區兩條剖面為例，結合孫小浩、楊亞民的地化數據，對該區碎屑巖進行初步地化分析。川西南永善地區龍馬溪組碎屑巖部分地球化學數據（見表2）。

由Roser 等于1988 年發表的用于制作碎屑巖源區性質圖解的判別函數變量及其系數（見表3），該數據可以有效地判別碎屑巖物源性質。根據表2 和表3中的數據，結合前人研究方法，利用Microsoft Office Excel 2003 及CorelDRAW X8 進行投點、制圖，結果（見圖1）。

表2 川西南永善地區碎屑巖分析測試數據表[14，15]Tab.2 Analysis and test data sheet of clastic rock in Yongshan area，southwest of Sichuan

表3 碎屑巖源區判別函數的變量及其系數[17]Tab.3 Variables and coefficients of discriminant function in clastic source region

圖1 研究區地球化學數據散點圖[11，17-19]Fig.1 Scatter diagram of geochemical data in the study area

圖1 中A，所有樣品都落入火成巖區，故可以初步認為，研究區龍馬溪組碎屑巖的物源與火成巖有關。圖1 中B 指示出YS01-03（碳質頁巖）、YS01-06（鈣質碳質頁巖）、YS02-01（碳質粉砂巖）均為成熟大陸石英質物源，而YS01-15（粉砂質泥巖）、YS02-19（碳質粉砂巖）為中性火山巖。

在碎屑巖SiO2-K2O/Na2O 及K2O/Na2O-SiO2/Al2O3構造環境判別圖解（圖1C、圖1D）中得到了兩種不同的結果：圖1 中C 指示沉積物沉積于大洋島弧環境，而圖1 中D 則指示沉積于被動大陸邊緣。這表明主量元素的含量不足以判別永善地區龍馬溪組碎屑巖形成的構造環境，還需其他地球化學數據進行分析。

3 地球化學數據的指示

3.1 CIA 指數（Chemical Index Alteration）

該指數通常被用來確定沉積巖物源區的化學風化程度[20]。一般來講，沉積巖物源區的巖石沒有遭受風化時，CIA 值為50 左右，而沉積巖物源區巖石遭受了一定強度的化學風化時，CIA 值為50～100[21]。研究區YS01剖面CIA 值為0.51～0.64，平均值為0.58，表明其物源區的巖石發生過較弱的化學風化作用；而YS01 剖面CIA 值較為穩定，均為0.27，表明其物源區的巖石并沒有經歷過化學風化。綜合來看，川西南永善地區龍馬溪組碎屑巖物源區巖石幾乎未受到過化學風化作用，說明其成分比較穩定。

3.2 ICV 指數（Index Chemical Variation）

該指數用來確定沉積物的成分成熟度[22]，ICV 指數越高，其代表的成分成熟度越低。從表2 中可以看出，蘇田村YS01 剖面與吳家灣YS02 剖面相比，具有更高的成分成熟度。梁斌等認為巖石受到強烈的化學風化作用或是位于構造穩定區時，其成分成熟度要比處于構造活動區的巖石的成分成熟度高[16]，而上文已論證永善地區龍馬溪組碎屑巖幾乎未經歷化學風化作用，由此可推斷YS01 剖面的構造背景要比YS02 剖面更穩定。

3.3 Sr/Cu

該比值可以指示干旱或溫濕性氣候，劉剛等認為：當沉積巖形成時的古氣候為溫濕性氣候時，其Sr/Cu比值的范圍是1～10，而Sr/Cu 比值大于10 則指示是干熱性氣候[23]；王隨繼等認為Sr/Cu 比值范圍在1.3～5.0指示的是溫濕性氣候，而Sr/Cu 比值若大于5 則指示干熱性氣候[24]。研究區YS01 剖面中Sr/Cu 比值為1.60～3.49，而YS02 剖面中YS02-01 樣品Sr/Cu 為7.21，YS02-19 樣品Sr/Cu 為20.27，對比前人的數據范圍，可以推測，研究區可能發生過由溫濕氣候到干熱氣候的變化，但龍馬溪組沉積期仍以溫濕性氣候為主。

3.4 構造環境判別

碎屑巖沉積盆地的構造環境分為島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣環境。

（1）島弧（Island Arc）：島弧是位于大陸邊緣且連綿不斷呈弧狀的島嶼。它與強烈的火山運動、地震作用和造山作用都有關聯。根據島弧的地殼結構，可分為兩種不同的成因類型，一種是有花崗巖基底的大陸島弧；另一種是其下伏大洋與大陸的過渡型地殼，其離大陸較遠，但展布在大洋以內。當一個大洋板塊俯沖到另一個大洋板塊下面時，大洋島弧可以向大陸島弧轉化；

（2）活動大陸邊緣（Active Continental Margin）：又稱主動大陸邊緣、太平洋型大陸邊緣（Pacific Type Continental Margin），是大洋與大陸匯聚，且大洋板塊向與之相鄰的大陸板塊的下部俯沖消減形成的大陸邊緣。其往往具有很強的地震和火山活動；

（3）被動大陸邊緣（Passive Continental Margin）：又稱大西洋型大陸邊緣（Atlantic Type Continental Margin），也就是穩定大陸邊緣，即在構造上長期處于相對穩定的大陸邊緣。它的地殼是洋殼向陸殼的過渡，是陸地和海洋處于同一個剛性巖石圈斑塊以內的過渡地帶。特征是沒有強烈的地震、火山和造山運動。

碎屑巖的微量元素主要是對于沉積環境的水介質變化較為敏感，是沉積物研究沉積時期的古氣候、古環境的有效指示劑。碎屑巖中Th、Sc、Zn、Cr 等非活潑元素對于碎屑巖沉積的構造環境判別具有很強的指示作用[25]。不同構造環境碎屑巖的微量元素特征（見表4），是由Bhatia 等提出的判別沉積盆地構造環境最佳標志。

將表2 數據與表4 數據進行對比可得表5。從表5可以看出，不同的微量元素對比指示出不同的構造環境，但總體上仍以大洋島弧和被動大陸邊緣為主，這與由圖1 中C 和D 得出的結論不謀而合。如此還是不足以判斷川西南永善地區志留系龍馬溪組碎屑巖沉積的構造背景。

表4 不同構造環境碎屑巖的微量元素特征Tab.4 Trace element characteristics of clastic rocks in different tectonic environments

表5 表2 與表4 數據對比結果Tab.5 Comparison of data between Tab.2 and Tab.4

據Murray[26]Al2O3與Fe2O3的百分含量也可以判斷構造環境，即不同的大地構造背景，則Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）值就不同。當比值為0.5～0.9 時，為大陸邊緣環境；當比值為0.4～0.7 時，為遠洋盆地環境；當該比值小于0.4 時，則為洋中脊環境。而研究區龍馬溪組碎屑巖的Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）值為0.73～0.77，平均為0.75，說明該區沉積巖的構造背景為大陸邊緣環境。

綜上，可以得出，云南省永善地區志留系龍馬溪組碎屑巖沉積的構造背景可能為被動大陸邊緣，構造較為穩定。

4 結論

在查閱大量文獻，結合前人研究成果，并利用相關軟件對川西南永善地區龍馬溪組碎屑巖的地球化學數據進行投點、制圖以及相關計算并與前人的數據進行對比后，得出了以下結論：

（1）砂、泥巖SiO2-TiO2圖解指示所有樣品均投在火成巖區；而在F1-F2圖解中，樣品落在了P2、P4 區域，說明其物源與成熟大陸石英質和中性火山巖有關。

（2）在碎屑巖SiO2-K2O/Na2O 及K2O/Na2O-SiO2/Al2O3構造環境判別圖解中得到了兩種不同的結果，前者指示沉積物沉積于大洋島弧環境，而后者則指示沉積于被動大陸邊緣。本文又利用Th、Sc、Zn、Cr、U 及Al2O3/（Al2O3+Fe2O3）的含量，在與前人的數據進行對比后，發現：研究區碎屑巖的沉積構造背景可能為被動大陸邊緣，構造較為穩定。

（3）CIA 指數可以指示物源區化學風化作用的強度，本文通過計算，得出：云南省東北部昭通市永善地區志留系龍馬溪組碎屑巖的物源區幾乎未受到過化學風化作用，且成分比較穩定。

（4）Sr/Cu 比值可以反映沉積期的古氣候條件，本文通過計算Sr/Cu 比值并與前人數據進行對比后，發現：研究區龍馬溪組沉積時期為溫濕性氣候。