武漢市金水閘地區(qū)碳酸鹽巖巖石學(xué)、元素地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境

翁茂芝， 郭 盼， 吳 波， 羅 華， 李琳靜， 龔志愚

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

元素在碳酸鹽巖成巖過(guò)程中的遷移富集取決于其自身化學(xué)性質(zhì)，各元素含量、比值、配分模式及其演化規(guī)律受古氣候、古環(huán)境等外界因素的重要影響[1-2]。根據(jù)元素地球化學(xué)特征可以反演地質(zhì)歷史時(shí)期的沉積環(huán)境[3-7]，如了解古海平面變化[8-9]，重建古氣候和古鹽度[10-11]，恢復(fù)氧化還原條件[12-14]，分析成巖環(huán)境和成巖演化[15-16]等。

在石炭紀(jì)—二疊紀(jì)冰期極地冰蓋逐漸消融、全球大規(guī)模海侵背景下，鄂中南揚(yáng)子區(qū)沉積了大套海相碳酸鹽巖地層，其成因研究對(duì)揭示該時(shí)期的古環(huán)境有著重要意義[17]。前人對(duì)該區(qū)碳酸鹽巖地層開(kāi)展過(guò)較多巖石學(xué)、巖相學(xué)等方面的分析工作，但多集中在鄂西地區(qū)[12,18-21]，相比之下，鄂東地區(qū)晚古生界碳酸鹽巖的研究較為薄弱[22]。因此本文以武漢市金水閘地區(qū)中晚古生界碳酸鹽巖為研究對(duì)象，開(kāi)展其巖石學(xué)和元素地球化學(xué)分析，探討其對(duì)沉積環(huán)境的指示意義。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

金水閘地區(qū)位于武漢市南部，大地構(gòu)造位置處于華南板塊下?lián)P子陸塊咸寧褶皺帶(圖1-A)，構(gòu)造變形以印支期NWW—近EW向褶皺和同走向斷裂構(gòu)造為主，疊加燕山期NNE向構(gòu)造。研究區(qū)內(nèi)自北向南依次發(fā)育有橫山—紙坊背斜、金口向斜以及后石湖倒轉(zhuǎn)背斜，受NNE向后石湖斷裂(F5)和五通口斷裂(F6)影響，褶皺軸跡發(fā)生了不同程度變形扭曲，局部發(fā)生位移錯(cuò)動(dòng)(圖1-B)。區(qū)內(nèi)巖漿巖發(fā)育較差。地層區(qū)劃上屬于華南地層大區(qū)、下?lián)P子地層分區(qū)的鄂冶小區(qū)，區(qū)內(nèi)主要出露志留紀(jì)—古近紀(jì)地層以及第四紀(jì)松散沉積層。其中二疊系和三疊系發(fā)育完整，缺失志留系文洛克統(tǒng)—普里道多統(tǒng)、中—下泥盆統(tǒng)、下石炭統(tǒng)、中—上侏羅統(tǒng)、始新統(tǒng)—上新統(tǒng)。

NNE向：F1.舵落口斷裂；F2.三元寺斷裂；F3.長(zhǎng)江斷裂；F4.后石湖斷裂；F5.五通口斷裂；F6.嚴(yán)西湖斷裂；F7.團(tuán)麻斷裂；NWW向：F8.襄廣斷裂帶；F9.吳家山斷裂；F10.馬場(chǎng)咀斷裂

自中泥盆世開(kāi)始，海侵先后到達(dá)上、下?lián)P子臺(tái)坪，其前鋒抵達(dá)鄂南—湘西北一帶，研究區(qū)以濱岸砂礫巖組合為主。石炭系零星出露，早期為潮坪、瀉湖相沉積，晚期海域由局限向開(kāi)闊海演進(jìn)，以穩(wěn)定型碳酸鹽巖沉積為特征。早二疊世海退過(guò)程中，研究區(qū)接受局限臺(tái)地相碳酸鹽巖沉積，中二疊世沉降接受海侵，發(fā)育開(kāi)闊海臺(tái)地相碳酸鹽巖沉積組合，連續(xù)沉積了棲霞組和茅口組以生物屑灰?guī)r、灰?guī)r為主的地層。茅口期海底地形的分異作用加強(qiáng)，由碳酸鹽巖組合轉(zhuǎn)變?yōu)楣栀|(zhì)巖組合。茅口期末地殼不均勻抬升，造成茅口組上部地層發(fā)育不同程度的巖溶作用，繼之導(dǎo)致晚二疊世早期海漫沼澤環(huán)境含煤陸屑建造的形成，吳家坪期海侵達(dá)到高潮，以硅質(zhì)巖為主。

2 樣品采集與分析測(cè)試方法

此次共采集金水閘地區(qū)石炭系—二疊系碳酸鹽巖樣品21件(圖2)，其中樣品HXC-1和SHY-1(未上圖)分別采自研究區(qū)西南端紅星村水文鉆孔和石灰窯采坑。基于野外觀察和手標(biāo)本鑒定，借助顯微鏡下的鑄體薄片(輔助茜素紅和鐵氰化鉀染色技術(shù))分析其巖石學(xué)特征。在此基礎(chǔ)上，挑選新鮮潔凈無(wú)污染的13件樣品(包括大埔組2件、黃龍組3件、船山組1件、棲霞組3件、茅口組3件以及下窯組1件)送至湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心化學(xué)分析研究室完成全巖主、微量元素分析。其中，主量元素SiO2、TiO2、Al2O3、Fe3O4、MnO、MgO、CaO、Na2O、K2O、P2O5采用X熒光光譜法(XRF)在X熒光光譜儀(XRF-1800)上測(cè)定，F(xiàn)eO通過(guò)濕化學(xué)分析方法獲得；微量元素和稀土元素分析采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)在電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(X2)上測(cè)定[23]。爾后采用Geokit軟件[24]對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

3 地層特征

研究區(qū)內(nèi)石炭系發(fā)育上統(tǒng)大埔組(C2d)和黃龍組(C2h)地層，巖性相對(duì)穩(wěn)定，僅地層厚度有所變化，主要出露于女臺(tái)山、烏龍泉等地(圖2)。其中，大埔組巖性以淺灰色巨厚層—塊狀白云巖為主，多見(jiàn)生物碎屑結(jié)構(gòu)、紋層狀構(gòu)造和角礫狀構(gòu)造(圖3-a)，以碎屑巖的消失、白云巖的出現(xiàn)為分界標(biāo)志，區(qū)域上與泥盆系呈平行不整合接觸;黃龍組巖性主要為淺灰、灰色厚層—塊狀灰泥巖、生物屑灰?guī)r、白云質(zhì)灰泥巖，以白云巖的消失或(生物屑)灰?guī)r的出現(xiàn)為分界標(biāo)志，與下伏大埔組地層呈整合接觸。

圖2 金水閘地區(qū)碳酸鹽巖采樣位置圖

a.白云巖，具“砂糖狀”和“刀砍紋”風(fēng)化特征，TDS-1，大埔組；b.球粒生物屑灰?guī)r，WLQ-2，船山組；c.烏龍泉礦區(qū)，連續(xù)出露黃龍組—棲霞組；d.生物碎屑灰?guī)r，TDS-2，黃龍組；e.瘤狀含炭質(zhì)生物屑灰?guī)r，TDS-5，棲霞組；f.含燧石結(jié)核或條帶生物屑灰?guī)r，HSH-2，下窯組；g.后石湖地區(qū)大隆組硅質(zhì)巖夾灰?guī)r透鏡體

經(jīng)顯微鏡下鑒定與化學(xué)成分計(jì)算[25]結(jié)果表明，研究區(qū)上石炭統(tǒng)大埔組以白云石為主(>85%)，上石炭統(tǒng)黃龍組與二疊系船山組、棲霞組、茅口組以及下窯組巖石的礦物成分則以方解石占主導(dǎo)(>90%)，在茅口組和下窯組部分層位含一定量白云石。按照礦物成分分類原則[26]，大埔組以含鈣質(zhì)白云巖為主，黃龍組與二疊系大多為灰?guī)r，局部見(jiàn)含白云質(zhì)灰?guī)r或鈣質(zhì)白云巖。大埔組中白云石普遍發(fā)生重結(jié)晶而具粉晶—細(xì)晶結(jié)構(gòu)，重結(jié)晶程度不同，粉晶、細(xì)晶含量變化較大(10%～90%)，通常呈他形粒狀彼此鑲嵌分布(圖4-a)。在棲霞組中—下部地層中可見(jiàn)白云石呈斑塊狀，多具霧心亮邊、半自形—自形晶，粒徑在0.06～0.25 mm，分布不均(圖4-b)。方解石以灰泥結(jié)構(gòu)(泥晶、微晶)為主，局部發(fā)生重結(jié)晶可達(dá)粉晶—細(xì)晶級(jí)別，并常以粒狀—塊狀嵌晶形式充填于顆粒內(nèi)部(變晶顆粒)、顆粒間孔隙或晚期裂縫(方解石脈)中(圖4-c)。

4 巖石類型

據(jù)顯微鏡下分析表明，研究區(qū)上石炭統(tǒng)大埔組主要發(fā)育泥晶—亮晶白云巖，在靈山和紅星村一帶見(jiàn)(含)藻跡白云巖和少量重結(jié)晶白云巖。二疊系中以泥晶顆粒灰?guī)r、泥晶內(nèi)碎屑灰?guī)r、泥晶生物屑灰?guī)r、含生物屑—生物屑泥晶灰?guī)r為主，在棲霞組和茅口組部分層位中發(fā)育少量白云石化灰?guī)r，另外在下窯組中可見(jiàn)少量重結(jié)晶灰?guī)r，各類巖石中微裂縫均較發(fā)育，且多被晚期粒狀—塊狀亮晶方解石充填。按照碳酸鹽巖的結(jié)構(gòu)成因分類原則，將各巖石類型特征描述如下：

4.1 泥晶—亮晶白云巖類

主要見(jiàn)于大埔組，幾乎由白云石組成，晶粒粒級(jí)多為粉晶—細(xì)晶，他形粒狀彼此鑲嵌分布，部分層位含生物碎屑(27%～66%)，且具明顯的藻跡結(jié)構(gòu)(藍(lán)藻)(圖4-d)，局部發(fā)生重結(jié)晶作用形成他形中晶晶粒并彼此鑲嵌(圖4-e)，紋層狀構(gòu)造(圖4-d)以及以干裂紋或收縮紋發(fā)育(圖4-a)，指示干燥炎熱氣候環(huán)境，藻紋層有類似藻席分布特征，可能為局限潮上帶環(huán)境產(chǎn)物。

4.2 泥晶顆粒灰?guī)r類

以船山組巖石較為典型，顆粒含量在90%以上，種類在兩種以上，主要包括生物碎屑和核形石兩類。其中生物碎屑占主要部分，常見(jiàn)種類包括綠藻、有孔蟲(chóng)、腕足類、棘皮類、介形蟲(chóng)等，各類生物碎屑形態(tài)清晰，個(gè)體相對(duì)完整，多呈自形—半自形(圖4-f)，表明物理改造作用相對(duì)較弱，反映出低能環(huán)境；核形石含量次之，其核心常為腕足類等生物碎屑碎片以及微晶方解石集合體，外部由彎曲同心狀藍(lán)藻絲體或斑點(diǎn)以及泥晶、微晶方解石相間纏結(jié)而成(圖4-g)，藻絲層的發(fā)育也反映出較低能環(huán)境。另外，巖石中富含泥晶，其作為填隙物沿顆粒之間分布并起膠結(jié)作用，同樣指示相對(duì)較小的水動(dòng)力環(huán)境，可能為潮坪環(huán)境。

表1 金水閘地區(qū)碳酸鹽巖結(jié)構(gòu)組分、礦物成分分類統(tǒng)計(jì)表

4.3 泥晶內(nèi)碎屑灰?guī)r類

分布在棲霞組中，顆粒含量高達(dá)93%，基本為種類單一的藻內(nèi)碎屑，絕大多數(shù)為粒度介于0.03～0.1 mm的藻粉屑，少數(shù)為>2 mm的藻礫屑(5%左右)，具典型的藻粉屑結(jié)構(gòu)(圖4-h)。方解石呈他形粒狀集合體充填于顆粒之間并起膠結(jié)作用，總體反映相對(duì)低能的潮坪環(huán)境。

4.4 泥晶生物屑—含生物屑泥晶灰?guī)r類

a.粉晶—細(xì)晶白云巖，他形粒狀嵌晶白云石，干裂紋(收縮紋)和次生脈發(fā)育，WLQ-1，大埔組，正交偏光；b.白云石化含炭質(zhì)生物屑泥晶灰?guī)r，菱面體白云石具霧心亮邊，多呈斑塊狀，TDS-5，棲霞組，正交偏光；c.重結(jié)晶生物屑泥晶灰?guī)r，灰泥基質(zhì)部分重結(jié)晶形成粉晶—細(xì)晶級(jí)他形粒狀嵌晶，部分生物碎屑?xì)な覂?nèi)部具晶粒結(jié)構(gòu)，晚期方解石細(xì)脈發(fā)育，LS-2，黃龍組，正交偏光；d.重結(jié)晶藻跡白云巖，藻跡為富藻的泥晶白云石，局部重結(jié)晶呈他形粒狀嵌晶，HXC-1，大埔組，正交偏光；e.藻跡粉晶—微晶白云巖，藻絲體疊合成暗色藻紋(類似藻席)，亮晶白云石分布其間形成明暗相間的紋層狀構(gòu)造，LS-1，大埔組，正交偏光；f、g.泥晶顆粒灰?guī)r，卵圓狀綠藻(海松藻科)顆粒,核形石核心為具晶粒結(jié)構(gòu)生物碎屑，包殼為藍(lán)藻絲體或斑點(diǎn)集結(jié)成的波狀圈層，WLQ-2，船山組，正交偏光；h.泥晶藻粉屑灰?guī)r，次圓狀—圓狀藻內(nèi)碎屑，成分為富藻類泥晶方解石，CJS-1，棲霞組，正交偏光；i、j.泥晶生物屑灰?guī)r，生物碎屑以有孔蟲(chóng)為主,見(jiàn)少量腕足類、腹足類，填隙物以泥晶方解石為主，部分為微亮晶膠結(jié)，可見(jiàn)溶蝕孔隙發(fā)育，TDS-3，黃龍組，正交偏光；k.泥晶生物屑灰?guī)r，常見(jiàn)介形蟲(chóng)、頭足類、腹足類生物碎屑，內(nèi)部充填嵌晶方解石，LS-3，黃龍組，單偏光；l.泥晶生物屑灰?guī)r，生物碎屑以有孔蟲(chóng)居多，殼室具晶粒結(jié)構(gòu)，縫合線構(gòu)造發(fā)育，WLQ-3，棲霞組，正交偏光；m.泥晶生物屑灰?guī)r，泥晶、微晶方解石集中呈團(tuán)塊狀分布，見(jiàn)腕足類生物屑，LS-3，棲霞組，正交偏光；n.生物屑泥晶灰?guī)r，生物碎屑以類為主，多呈紡錘狀，具多層旋壁，網(wǎng)狀次生方解石脈、石英脈發(fā)育，CJS-2，茅口組，正交偏光；o.重結(jié)晶灰?guī)r，粉晶—細(xì)晶方解石呈他形粒狀嵌晶，晶間殘留部分灰泥成分，HSH-2，下窯組，正交偏光

4.5 重結(jié)晶灰?guī)r類

在研究區(qū)二疊系中并不常見(jiàn)，本次在下窯組下部地層發(fā)現(xiàn)重結(jié)晶粉晶—細(xì)晶灰?guī)r，原有灰泥成分幾乎均已發(fā)生重結(jié)晶，粒度達(dá)0.05 mm左右，呈他形粒狀彼此鑲嵌，晶間有部分殘留的灰泥物質(zhì)，原始結(jié)構(gòu)已改造或保存較差(圖4-o)。

5 元素地球化學(xué)特征

5.1 主量元素特征

常量元素?cái)?shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表2可知，大埔組中CaO含量為32.32%～32.75%，黃龍組及二疊系中CaO含量普遍在53%以上;MgO含量一般<1%，其中二疊系少部分樣品MgO含量相對(duì)較高(1%～5%，個(gè)別達(dá)10%以上)，說(shuō)明黃龍組—下窯組以發(fā)育灰?guī)r為主，二疊系局部發(fā)生白云石化(圖4-b，圖5-a)，這與顯微鏡下特征相一致。SiO2含量高的樣品主要集中在棲霞組—茅口組(圖5-b)，為1%～3%，其中樣品TDS-4可能包含有較多燧石而高達(dá)17.30%，鏡下可見(jiàn)明顯硅質(zhì)交代特征(圖4-n)，硅質(zhì)主要賦存于燧石結(jié)核或條帶中，與野外特征一致。各層位TFeO含量為0.03%～0.68%，MnO含量為0.003%～0.02%。地層由老至新，各組碳酸鹽巖的Sr含量有逐漸增大的趨勢(shì)，其中大埔組Sr含量最低(74.1×10-6～85.2×10-6);黃龍組—船山組Sr含量較為相近(199.3×10-6～321.0×10-6);茅口組和下窯組具有比棲霞組更高的Sr含量(圖5-c);總體上高M(jìn)gO含量的碳酸鹽巖樣品其Sr含量相對(duì)較低(圖5-d)，可能與Sr在白云石中的晶體化學(xué)習(xí)性有關(guān)[28]，白云石化過(guò)程普遍會(huì)導(dǎo)致Sr含量的降低[29]。另外，茅口組中出現(xiàn)高Sr含量(1 097.0×10-6～1 270.0×10-6)樣品，結(jié)合鏡下生物種類及含量特征，可以推斷該組處于具有生物繁盛、陸源物質(zhì)供應(yīng)較少的開(kāi)闊臺(tái)地相淺水環(huán)境的沉積階段。

圖5 金水閘地區(qū)碳酸鹽巖主量元素散點(diǎn)圖

5.2 微量元素特征

以中國(guó)東部揚(yáng)子地臺(tái)(東)構(gòu)造單元碳酸鹽巖平均元素含量為標(biāo)準(zhǔn)(表2)，研究區(qū)晚古生界碳酸鹽巖整體虧損親銅元素。除Se含量(0.69×10-6)相對(duì)富集外，Cu、Zn、Ga、As、Sb、Pb、Bi等平均含量均相對(duì)較低；除Cr、Co含量(平均值分別為12.49×10-6、1.92×10-6)相近外，同時(shí)也表現(xiàn)出親鐵元素Ti、Fe、Mn、V、Ni的相對(duì)貧瘠；親石元素中，除U豐度(平均值為2.28×10-6)相對(duì)較高外，Li、Be、Sc、Rb、Cs、Ba、Th等元素平均含量均明顯偏低。

5.3 稀土元素特征

稀土元素測(cè)試結(jié)果及相關(guān)地球化學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。由大埔組至下窯組，碳酸鹽巖樣品的稀土總量有增大的趨勢(shì)，且∑REE整體偏低(圖6)，含量在1.635×10-6～13.36×10-6，平均含量(6.562×10-6)明顯低于揚(yáng)子地臺(tái)(東)構(gòu)造區(qū)的碳酸鹽巖平均值(47.270×10-6)，表明大埔組—下窯組碳酸鹽巖地層中泥質(zhì)含量較低、陸源物質(zhì)供應(yīng)較少[32]。

表2 金水閘地區(qū)碳酸鹽巖主量、微量、稀土元素含量及地球化學(xué)參數(shù)表

由圖6可以看出，稀土元素配分模式曲線趨勢(shì)大體一致，總體呈平緩狀，無(wú)明顯斜率。(La/Yb)N值為0.67～1.95(平均值1.09)。LREE/HREE比值介于0.98～5.54(平均值2.54)，除樣品WLQ-4(0.98)外，總體表現(xiàn)為輕稀土相對(duì)富集和重稀土相對(duì)虧損，指示了更有利于輕稀土元素沉積的水體環(huán)境。δCe為0.50～1.09(平均值0.76)，除樣品TDS-2(1.09)外，表現(xiàn)出不同程度的弱負(fù)異常，總體反映出碳酸鹽巖形成于較弱的氧化環(huán)境。δEu為0.92～2.11(平均值1.35)，除樣品LS-2、TDS-4外，均表現(xiàn)出不同程度的Eu正異常，其中大埔組和黃龍組較顯著。雖然各樣品曲線特征相似，但不同樣品的稀土元素總量及配分模式存在一定差異，表明不同沉積階段陸源物質(zhì)供應(yīng)及成巖作用具有一定的差異。

圖6 金水閘地區(qū)碳酸鹽巖稀土元素配分模式圖

6 討論

6.1 沉積相分析

泥盆紀(jì)以來(lái)，受地殼垂向運(yùn)動(dòng)的影響，在海侵作用下，研究區(qū)形成濱海碳酸鹽巖建造與碎屑巖建造組合。

區(qū)域上，石炭紀(jì)早期海侵?jǐn)U張，主要沉積了一套海相地層。研究區(qū)內(nèi)缺失海陸過(guò)渡相的下石炭統(tǒng)，上石炭統(tǒng)出露相對(duì)穩(wěn)定。其中大埔組以鈣質(zhì)白云巖、白云巖為主，野外可見(jiàn)總體層厚由下至上變薄，發(fā)育水平層理，具角礫狀構(gòu)造，鏡下可見(jiàn)收縮紋、藻紋層等構(gòu)造發(fā)育，顯示暴露帶沉積特征，反映出淺海臺(tái)地相沉積，同時(shí)體現(xiàn)出弱退積型特點(diǎn)，微相環(huán)境為間歇水動(dòng)蕩的中—低能環(huán)境，屬局限臺(tái)地相沉積。黃龍組以泥晶生物屑灰?guī)r和生物屑泥晶灰?guī)r為主，在金水閘地區(qū)厚度變化稍大，在烏龍泉一帶厚約65 m，往東至鄰區(qū)西畈李一帶厚100 m左右。巖石中塊狀層理、水平層理發(fā)育，生物碎屑及藻跡發(fā)育，單層由下至上變薄，反映緩慢的海侵沉積，結(jié)合鏡下觀察，巖石泥晶含量較高，且生物碎屑多為自形—半自形，具分選差、磨蝕弱、排列雜亂的特征，指示了開(kāi)闊海臺(tái)地相的低能水體環(huán)境。

研究區(qū)船山組較為典型，以含核形石藻球粒灰?guī)r為主，鏡下鑒定多為綠藻、藍(lán)藻，同時(shí)泥晶含量相對(duì)較少，指示了高能的臺(tái)地淺灘相環(huán)境，反映出早二疊世海退的發(fā)生。至中二疊世，研究區(qū)接受最大規(guī)模的海侵[17]。棲霞組下部以瘤狀生物屑灰?guī)r、含炭質(zhì)生物屑灰?guī)r為主，向上瘤狀、炭質(zhì)減少，上部過(guò)渡為含燧石結(jié)核或條帶生物屑灰?guī)r。早期沉積中有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高、生物種類繁多、泥晶成分高，反映了相對(duì)低能的靜水環(huán)境；晚期有機(jī)質(zhì)含量明顯減少，且出現(xiàn)較多結(jié)核狀燧石，局部發(fā)育白云石化，指示較開(kāi)闊的外臺(tái)地相環(huán)境，水體相對(duì)變淺。茅口組底部同樣為燧石條帶生物碎屑灰?guī)r與棲霞組整合，局部見(jiàn)白云石化現(xiàn)象；上部以含燧石團(tuán)塊生物屑灰?guī)r為主。該組中生物碎屑種類繁多，且自形程度較高，多為原地堆積，同時(shí)泥晶含量高，總體指示了低能靜水的臺(tái)地相沉積。自茅口組上部龍?zhí)督M濱岸沼澤相所代表的海侵開(kāi)始，下窯組主要沉積了含燧石結(jié)核生物碎屑灰?guī)r，表現(xiàn)出相對(duì)低能的局限臺(tái)地相沉積環(huán)境。

綜上所述，根據(jù)巖石類型、沉積結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及生物碎屑所指示的沉積相特征，研究區(qū)晚古生代總體處于陸表海沉積盆地環(huán)境，晚石炭世—早二疊世以臺(tái)地相碳酸鹽巖建造為主；至早二疊世晚期接受抬升遭受短暫剝蝕，隨著地殼下降接受海侵，形成海陸交互相的梁山組煤系；中二疊世海侵逐漸增強(qiáng)，形成較為寬廣且水體相對(duì)較深的開(kāi)闊臺(tái)地相沉積，對(duì)應(yīng)棲霞組和茅口組；晚二疊世早期，在經(jīng)歷海退作用形成一套炭質(zhì)頁(yè)巖、煤層夾粉砂巖建造的濱岸湖沼相沉積(龍?zhí)督M)之后，海平面再次抬升，使得研究區(qū)又一次形成碳酸鹽巖臺(tái)地，沉積開(kāi)闊臺(tái)地相碳酸鹽巖建造。研究區(qū)經(jīng)歷了振蕩式的海平面變化，形成濱淺海相區(qū)與開(kāi)闊—局限臺(tái)地相區(qū)反復(fù)交替的碳酸鹽巖沉積建造。

6.2 陸源物質(zhì)的影響

前人研究表明，Ti、Al可作為良好的陸源物質(zhì)供應(yīng)指示劑，海水中的Ti、Al含量較低，其主要來(lái)自陸源碎屑物[33-34]；而Zr、Th等微量元素在海相碳酸鹽巖中受到陸源混染時(shí)常表現(xiàn)出富集特征[10]。在金水閘地區(qū)的大埔組—下窯組中，Ti平均含量?jī)H為91.39×10-6，遠(yuǎn)低于碳酸鹽巖中Ti的平均含量400×10-6[33]；除棲霞組Al2O3含量變化較大外(0.23%～1.41%)，大埔組、黃龍組、茅口組以及下窯組Al2O3平均含量為0.24%，也低于碳酸鹽巖中Al2O3的平均含量(0.4%)[33](圖7)；Zr、Hf含量同樣較低(平均值分別為9.02×10-6、0.47×10-6)，均明顯低于揚(yáng)子地臺(tái)(東)構(gòu)造區(qū)的碳酸鹽巖平均值(表2)。以上元素特征表明，研究區(qū)碳酸鹽巖主要源于自身沉積物，能夠反映古海洋環(huán)境。

6.3 成巖作用的影響

Mn/Sr比值常用來(lái)判別海相碳酸鹽巖的成巖蝕變程度，成巖蝕變?cè)饺醯臉悠吠ǔ＞哂械蚆n高Sr的特征，對(duì)古海水代表性越好[35-38]。如姚春彥等[37]將Mn/Sr<3作為評(píng)價(jià)白云巖樣品成巖作用的閾值；Korte et al.[38]在二疊紀(jì)—三疊紀(jì)海水鍶同位素的研究中認(rèn)為Mn/Sr<0.63可以較好代表古海水的標(biāo)準(zhǔn)。本次研究樣品中大埔組白云巖的Mn/Sr比值為1.95～2.06，灰?guī)r則均<0.5(圖7)，指示研究區(qū)碳酸鹽巖經(jīng)歷的成巖蝕變程度較低。

圖7 金水閘地區(qū)碳酸鹽巖Ti、Al2O3含量及Mn/Sr、δCe值變化圖

另一方面，成巖作用會(huì)導(dǎo)致δCe與δEu、∑REE具有良好的相關(guān)性[39-40]。金水閘地區(qū)碳酸鹽巖樣品的δCe與δEu、∑REE基本無(wú)相關(guān)性(R2分別為0.013 2和0.004 3)；δCe平均值<1，δEu平均值>1，以及弱的La正異常(0.93～1.76，平均值為1.2)，表明本區(qū)碳酸鹽巖樣品具有類似現(xiàn)代海水中La、Eu正異常以及Ce負(fù)異常的重要特征[41]；另外，研究樣品(La/Sm)N>0.35，且(La/Sm)N與δCe相關(guān)性極小(R2=0.005 1)，表明樣品所受陸源物質(zhì)和后期成巖作用影響較為有限[42]。因此，本次樣品中的元素地球化學(xué)特征可以反映研究區(qū)古水介質(zhì)及沉積環(huán)境特征。

6.4 氧化還原條件分析

眾多研究表明，具有敏感性氧化還原微量元素溶解度及其比值以及某些稀土元素特征能夠有效地指示古沉積水體的氧化還原環(huán)境，如Co、Cu、Zn、Mo等元素以及自生鈾含量(AU)[43-44]，U/Th、V/Cr、Ni/Co、Ni/V、V/(V+Ni)以及(Cu+Mo)/Zn等元素比值[44-45]，Ce/La[46]與Ce異常等[47-48]。

由表2可見(jiàn)，各組樣品Co、Cu、Zn、Mo等元素含量均相對(duì)偏低，顯示出缺氧的水體環(huán)境。結(jié)合表3中所列指標(biāo)值，由圖8可知，研究區(qū)樣品U/Th為0.76～11.52(平均值為5.44)，表現(xiàn)為極貧氧特征；V/(V+Ni)為0.66～0.90，均>0.60，顯示出貧氧—極貧氧環(huán)境；Ce/La為0.91～1.93(平均值為1.43)，顯示出由貧氧向富氧轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)，但考慮到多數(shù)樣品表現(xiàn)出不同程度的弱負(fù)異常，總體可以推斷出該區(qū)各組碳酸鹽巖形成于較弱的氧化環(huán)境；V/Cr為0.21～1.82，均<2.00，其變化趨勢(shì)異常可能與巖石中富含藻類有機(jī)質(zhì)有關(guān)，海相藻類生物會(huì)導(dǎo)致Cr的富集[12,17]，這與鏡下所觀察到的富含藻跡、藻屑及藻球泡等特征相一致。

表3 古氧相地球化學(xué)指標(biāo)表

圖8 金水閘地區(qū)碳酸鹽巖Ce/La、V/Cr、U/Th、V/(V+Ni)、Sr/Ba、Sr/Ca比值變化圖

對(duì)比揚(yáng)子不同地區(qū)晚古生界碳酸鹽巖微量元素指標(biāo)(圖9)，研究區(qū)V/(V+Ni)與鄂西地區(qū)較為一致，整體較畢節(jié)地區(qū)高，在黃龍組和棲霞組中明顯高于下?lián)P子巢北地區(qū)，表現(xiàn)出相對(duì)貧氧的沉積環(huán)境；各組中V/Cr無(wú)明顯差異，僅棲霞組中局部層位出現(xiàn)高值，可能反映含藻類有機(jī)質(zhì)含量的不同；各組中Ce/La總體較為一致，其中鄂西地區(qū)棲霞組平均值較高，可能指示更為缺氧的沉積環(huán)境。

圖9 揚(yáng)子不同地區(qū)晚古生界碳酸鹽巖Sr/Ba、V/Cr、V/(V+Ni)、Ce/La比值對(duì)比圖

6.5 古鹽度分析

古鹽度是古沉積環(huán)境特征分析中的一個(gè)重要標(biāo)志。地質(zhì)歷史時(shí)期的海水含鹽度可以根據(jù)某些沉積物的微量元素含量及其比值來(lái)反映[52]。研究表明，沉積物中的Sr含量和Sr/Ba比值與古鹽度具有顯著的相關(guān)性，一般認(rèn)為海相沉積碳酸鹽巖具有Sr/Ba>1的特征，當(dāng)Sr/Ba<1時(shí)則為陸相沉積[53]；當(dāng)Sr/Ca>1時(shí)同樣為海相沉積，反之則為淡水沉積[54]。研究區(qū)碳酸鹽巖樣品Sr/Ba為8.75～132.55(平均值為52.81)，指示典型的海相沉積，其中茅口組樣品JXC-3反映了該層位存在高度咸化的變化特征(圖8)；Sr/Ca比值介于2.26～32.21(平均值為9.86)，同樣表現(xiàn)為海相沉積特征，在大埔組—棲霞組中總體較為穩(wěn)定，而茅口組水體鹽度有明顯增加(圖8)，與Sr/Ba特征相一致，可能與該時(shí)期水體深度變化有關(guān)。區(qū)域上，研究區(qū)與鄂西地區(qū)晚石炭統(tǒng)Sr/Ba比值相當(dāng)，而巢北和畢節(jié)地區(qū)黃龍組—棲霞組則明顯較高，反映出更高的沉積水體鹽度。

7 結(jié)論

(1) 大埔組中巖石類型以泥晶—亮晶白云巖為主，黃龍組—下窯組碳酸鹽巖地層中巖石類型則以泥晶顆粒灰?guī)r占主導(dǎo)，顆粒多為生物碎屑、藻屑、核形石等。研究區(qū)經(jīng)歷了振蕩式的海平面變化，總體處于濱淺海相區(qū)與開(kāi)闊—局限臺(tái)地相區(qū)反復(fù)交替的陸表海沉積盆地環(huán)境。

(2) 元素地球化學(xué)研究顯示，大埔組—下窯組碳酸鹽巖地層巖石具低Ti、Al、Mn、Zr、Hf，貧親銅、親鐵元素，以及高Sr的特征；總體具低∑REE、弱的Ce負(fù)異常和Eu正異常，較平緩的稀土配分模式，表明碳酸鹽巖主要源于自身沉積物，受陸源物質(zhì)和后期成巖作用影響程度較小。

(3) 結(jié)合Sr/Ba、Sr/Ca、Ce/La、V/Cr、U/Th、V/(V+Ni)等元素比值特征，研究區(qū)碳酸鹽巖沉積水體總體表現(xiàn)為氧化環(huán)境，自中二疊世茅口組開(kāi)始，呈現(xiàn)出水體變淺、鹽度增大的趨勢(shì)。