白龙江工程新近系甘肃群成岩环境及物质来源研究

朱维娜，毛深秋，袁彦超，赵芳萍

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

白龙江工程位于甘肃省境内， 主体属秦祁昆造山系，地质条件复杂。新近系主要分布在北以华家岭为界，南抵西秦岭，东临六盘山的广大陇中盆地。 工程区内出露的新近纪软岩地层归属于甘肃群（N1G），分布广泛，是输水总干线陇中段穿过的主要地层，与下伏不同时代地层均呈角度不整合接触关系， 地层倾角平缓， 一般为3°～10°或近水平状， 厚度大于100m。 下部主要为紫红色砂岩、 砖红色泥岩夹石膏层；中部为砾岩与砂砾岩、砂岩互层夹褐灰色泥岩、粉砂质泥岩；上部为灰绿色、砖红色泥岩、钙质泥岩互层，局部夹石膏。

1 实验结果

本阶段对输水总干线陇中段甘肃群（N1G）不同深度的14块岩芯样品进行了岩矿鉴定、X射线衍射、主微量元素分析， 实验在河北省区域地质矿产调查研究所实验室完成。

1.1 岩矿鉴定

岩矿鉴定结果显示，组成样品的矿物颗粒较细，黏土矿物含量较高， 仅借助显微镜很难对样品进行准确的定名。另外，各类沉积岩中广泛存在的黏土矿物多为表生风化作用的产物， 沉积作用和埋藏作用过程中经常发生转变， 其结晶形态和化学成分等特征受源区母岩岩性和形成时的风化环境所控制，具有重要的指示意义。因此，本次工作在磨片鉴定的基础上进行了X射线衍射实验。

1.2 X射线衍射

实验结果表明， 岩石矿物组合相似且不受取样深度影响，岩石主要由石英（24.5%～45.8%）、斜长石（7.4%～17.8%）、钾长石（2.3%～6.8%）、方解石（2.1%～26.7%）及黏土矿物（9.3%～40.7%）组成，个别样品含有不等量的铁白云石（3.0%～14.7%）、白云石（4.1%～5.3%）。其中黏土矿物整体含量较高（平均30.5%），与北美页岩（NASC）和中国南方海相页岩（25%～60%）相当。 另外，岩石样品中碳酸盐含量较高，可能与钙质胶结有关。

样品中的黏土矿物主要为伊蒙混层矿物（52%～84%）、 伊利石（12%～33%） 及少量绿泥石（2.0%～9.0%）、高岭石（2.0%～6.0%），其中伊蒙混层比（蒙脱石在伊蒙混层中所占的比例）为40%。 岩石样品中黏土矿物含量不高， 经计算得出伊利石是最主要的黏土矿物，全岩平均含量约19.4%，其次是蒙脱石，含量约8.5%， 这些矿物成分的存在使得岩体可能具有一定的流变性、膨胀性及崩解性。

张超等［1］采用碳酸盐矿物、黏土矿物及长英质陆源碎屑矿物三个端元， 对细粒沉积物进行了详细的岩类划分，以此作为底图，绘制了甘肃群（N1G）全岩矿物三角图解， 样品主要集中在泥质粉砂岩区及陆源碎屑型混合细粒沉积岩区， 个别落入灰质粉砂岩区，与磨片鉴定结果有较大出入，可能是由于矿物颗粒较细，对显微镜下鉴定造成了一定影响，下文定名均以X射线衍射实验结果为准。

1.3 主微量元素分析

1.3.1 主量元素地球化学特征

甘肃群 （N1G） 细碎屑岩中SiO2含量最高，为42.56%～62.38%，均值53.49，这与X射线衍射结果中石英、长石等造岩矿物的含量相对应。Al2O3含量仅次于SiO2，占总含量的9.40%～15.83%，与黏土矿物含量较高相关。 其次为CaO，含量不均，为1.56%～16.09%，均值8.33，另外，岩石中还含有少量的TFe2O3（3.68%～6.82%，均值5.42%）、MgO（2.36%～5.98%，均值3.15）、K2O （1.90%～3.33%， 均值2.68%）、Na2O （0.95%～1.56%，均值1.21%）等，灼失量为5.62%～19.40%，其中Fe2O3（均值4.64）含量明显高于FeO（均值0.70），这是岩石样品呈现棕红色的根本原因， 表明沉积盆地当时处于氧化条件下。

与PAAS 标 样 相 比， 样 品 中SiO2、Al2O3、K2O、TFe2O3含量明显偏低，CaO、MgO含量偏高，Na2O、P2O5含量基本一致。与岩石中长英质矿物、碳酸盐矿物含量高相对应，表明沉积物源岩中有酸性岩存在。

1.3.2 微量及稀土元素地球化学特征

微量元素蛛网图显示各样品配分模式基本一致，说明其具有同源性，Pb含量明显偏高，Ba、Nb、Sr、Ti含量呈现负异常。 与上地壳黏土岩相比，典型的陆源元素如Zr、Sc等含量偏高［2］，说明该套地层沉积了大量的陆源物质。

甘肃群（N1G）细碎屑岩稀土元素（REE）总量范围165.6～294.2μg/g，均值249.0μg/g。 从轻稀土元素与重稀土元素的相对富集程度上看， 轻稀土元素含量（127.2～234.9μg/g，均值195.5μg/g）明显高于重稀土元素（38.4～64.8μg/g，均值53.4μg/g），LREE/HREE在3.3～4.1之间。 可见ΣLREE含量的变化决定了ΣREE的变化。 以球粒陨石数值标准化后，各样品曲线整体形态相似，说明沉积物具有同源性，岩石中轻、重稀土元素分馏明显，轻稀土元素富集，配分曲线较陡，重稀土元素则总体呈现出平坦的变化趋势，（La/Yb）N在7.5～11.0之间，Eu呈负异常，δEu均值0.7，Ce异常不明显，说明源岩为酸性岩。将稀土元素以北美页岩进行标准化后，Eu和Ce均未呈现出明显的异常现象，配分曲线的变化趋势与北美页岩基本一致，说明稀土元素在沉积过程中并未受到外界因素的影响， 分异不明显。（La/Yb）N的值在1.1～1.6之间，均值为1.4，表明其沉积速率较快，距离物源区较近，沉积水体深度较浅。

2 讨论

甘肃群（N1G）样品的CIA值在61.71～69.57之间，均值65.78，A-CN-K三角图解中， 样品均落在IWT线右侧靠近K端元方向， 表明样品存在一定程度的钾交代作用。 经矫正后的CIA值在64～74之间，显示弱～中等化学风化作用，其风化线趋势逐渐接近PAAS，主量元素在源区的判别及古气候恢复方面具有一定的指示意义。

成分变异指数（ICV）多用以判别源岩是否为再循环沉积作用的产物。 甘肃群（N1G）样品的ICV值在1.01～3.03之间，均值1.69，表明岩石主要由造岩矿物石英、 长石等组成， 黏土矿物并非最主要的矿物成分，且成分成熟度较低，未经历再循环沉积作用。

2.1 物源区判别

综合CIA及ICV指数计算结果， 样品的主量元素地球化学特征在进行物源区及古气候恢复时具有一定的参考价值。甘肃群（N1G）的Al2O3/TiO2值在18.05～20.38之间，均值为19.19，说明源岩以长英质或中性岩石为主。 在Roser等提出的物源区判别函数图解中， 样品集中落在了石英岩沉积物源区和中性岩火成物源区。

碎屑岩的地球化学特征可以很好地指示物源区原始沉积、构造环境等。 根据Allegre 等提出的∑REE-La/Yb源区判别图解进行样品投点，绝大多数落在了沉积岩、花岗岩及碱性玄武岩交汇区。表明长英质岩石在源岩中占据了重要比例。

沉积物中的某些不活泼微量元素（如La、Th、Hf）不因搬运与成岩作用而改变，而长英质与铁镁质岩石中La、Th、Hf等元素存在显著差异，因而可利用其含量及比值推测源岩成分［6］。 Floyed和Leveridge［7］提出的Hf-La/Th物源属性判别图解中，样品分布在长英质物源附近，近半样品靠近上地壳，但仍有古老沉积物混入。 相对不活泼的元素比值，如Th/Sc、La/Sc、Co/Th、Cr/Th等也是很好的物源指示器。 将甘肃群碎屑岩与不同构造背景砂岩微量元素特征值进行对比，可见样品的La/Sc、Sc/Th、Cr/Th、Co/Th及Eu/Eu*比值均与大陆上地壳（UCC）相近，而与下地壳和洋壳相差甚远。Rb-K2O图解中，样品的K/Rb比值约230，分布范围接近上地壳；Th-Th/U图解显示岩石经历了弱-中等风化作用，样品与地壳具有较高的亲缘性，但沉积过程中可能接受了少量地幔物质的加入。地壳与地幔的物质组成具有明显差异，当存在幔源物质加入时，一些元素及其比值会存在明显的变化， 如δEu＞1、Tb/Yb＞1、La/Sc＜2.8、La/Th＜2.8、Th/U＜3.8，根据前文的化学元素分析结果，显示物源区的组成主要为上地壳物质，幔源物质较少。 微量元素中，Cr、Zr主要反映铬铁矿和锆石的含量，其比值可反映镁铁质和长英质对沉积物的相对贡献，样品的Cr/Zr比值在0.2～0.44之前，表明源区以长英质为主。

综上所述，工程区甘肃群（N1G）沉积地层源岩主要来源于上地壳，以长英质为主，其次为中性岩石，受造山运动的影响，可能混入了一定量的地幔物质。利用地球化学元素特征虽然能对剥蚀源区进行简单判别， 但结果可能存在着相对实际构造发展某种程度的滞后性。

2.2 物源区构造背景判别

主量元素作为矿物的主要构成元素能反映砂岩中主要碎屑颗粒的组成。 杨江海等［8］利用主量元素的摩尔含量计算岩石中石英、长石和基性碎屑含量，并绘制出Qel-Fel-Lel判别图解， 碎屑岩源岩所处的构造环境划分为五个类型：克拉通内部、陆缘弧、碰撞造山带、大陆岛弧及大洋岛弧。 甘肃群（N1G）的14件岩石样品主要落在了陆缘弧、 碰撞造山带和大陆岛弧的交汇区域。

Bhatia［3］总结了不同构造背景砂岩的常量元素特征参数，通过对比，除SiO2含量偏低外，各参数均介于大陆岛弧和大洋岛弧之间。 另外，样品K2O/Na2O比值为2.23，明显高于大陆岛弧参考值（0.61），可能与岩石成岩后期经历的钾化作用有关。 主量元素构造环境判别图解及源区构造环境判别函数图解中，样品均落入大洋岛弧和大陆岛弧区域。

Bhatia 和Crook［4］认为，砂岩 的微量元素，尤其La、Th、Y、Zr、Ti、Co和Ni等不活泼的微量元素， 在研究砂岩物源区和判别构造环境上作用很大， 并提出了可以区分形成于大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘和被动大陆边缘砂岩的图解。甘肃群（N1G）碎屑岩在Th-Co-Zr/10及La/Sc-Ti/Zr判别图解中均集中落在了大陆岛弧区域，个别落入活动大陆边缘，说明源岩在成岩过程中可能受到了构造活动的影响。

综上所述，工程区甘肃群（N1G）沉积地层源岩更可能形成于大陆岛弧环境中， 成岩过程中受到了造山运动影响，混入了少量来自地壳深部的物质。样品的ICV值较大，也可证明母岩与构造活动相关，且沉积盆地与源区距离较近。Ghosh等认为细碎屑岩的低成熟度与沉积期的干旱气候及构造活跃背景相关联，并可作为典型的初次旋回沉积物。 根据古地理、区域资料及构造演化分析其原始物源区可能为下古生界李子园群片岩、火山岩及同期侵入的花岗岩。

2.3 古沉积环境判别

根据迁移富集形成的沉积物中化学元素的分布、赋存、演化等特征，可以揭示沉积物质来源及演化规律，认识沉积物形成环境。

2.3.1 氧化还原状态

Elderfield等［5］提出利用Ceanom判别古水介质氧化还原条件，研究区样品的Ceanom均值为-0.039，显示氧化环境。

在判断古水介质Eh值时， 各种微量元素比值法经常被应用， 本次工作采用比较敏感的几个微量元素比值参数， 如Ni/Co、V/Cr、V/Sc及Th/U等。 样品的Ni/Co比值在2.0～2.68之间， 均值2.43；V/Cr比值在1.35～2.15之间， 均值1.61；V/Sc比值在7.23～11.07之间，均值8.60；Th/U比值在3.32～5.16之间，均值3.96，均显示氧化环境。

2.3.2 古盐度

古盐度是恢复古沉积环境及其演化的重要内容。 Sr、Ba是碱土金属中化学性质较相似的两个元素，Sr/Ba比值常作为区分淡水和咸水的沉积标志，该比值与古盐度呈正相关。 样品的Sr/Ba比值在0.39～1.20之间，均值0.60，指示陆相沉积环境。

2.3.3 古气候

构成气候的两个基本要素是温度和湿度， 从黏土矿物的成因来看， 它们也是控制黏土矿物形成的两个重要因素。甘肃群（N1G）的14块样品均表现为伊蒙混层含量高、 较高的伊利石及少量的绿泥石和高岭石组合，反映黏土矿物源区总体处于干旱-半干旱气候， 沉积时期及埋藏成岩过程中水介质具有盐度较高，偏碱性，富K、Fe的特点，淋滤作用和化学风化作用不强，但物理风化作用较强。 高岭石的出现，说明在总体干旱的气候条件下仍有气候波动， 出现过短暂的湿热气候。但是，黏土矿物的成分和分布除了受气候的控制外， 还受非气候因素影响， 如搬运介质、侵蚀作用、颗粒分异等，后期成岩和风化作用也会起到一定影响。

（Al2O3+K2O+Na2O）-SiO2双变量古气候判别图可用来限定碎屑岩沉积时的气候条件，随着SiO2含量增大，砂岩化学成熟度增加。 样品投点均位于干旱-半干旱区域， 化学成熟度不高。 通常情况下，（K2O+Na2O+CaO）/Al2O3比值的变化可表示沉积物中活性组分与惰性组分之间的关系， 也可用来反映气候的干湿变化。 和尚铺组（K1hs）红色粉砂岩的（K2O+Na2O+CaO）/Al2O3比值在0.36～1.94之间波动， 均值为0.98，反映其沉积时处于较干旱环境中。

Sr/Cu比值对于古气候变化具有较明显的相应，一般认为Sr/Cu比值＞5指示干热气候，Sr/Cu＜5则指示温湿气候，甘肃群（N1G）样品的Sr/Cu比值变化范围较大，为5.43～26.45，均值12.23，表明沉积盆地整体处于较为干旱的环境，但存在一定波动。

3 结语

（1）输水总干线陇中段甘肃群（N1G）岩性以棕红色泥质粉砂岩、钙质粉砂岩及混合岩为主。 沉积地层源岩更可能形成于大陆岛弧环境中，主要来源于上地壳，以弱-中等风化长英质、中性岩石为主，受造山运动的影响，可能混入了一定量的地幔物质。 源区总体处于干旱-半干旱气候， 沉积时期及埋藏成岩过程中水介质具有盐度较高，偏碱性，富K、Fe的特点。根据古地理、区域资料及构造演化分析其原始物源区可能为下古生界李子园群片岩、 火山岩及同期侵入的花岗岩。 但还需要更多同位素地球化学成果的佐证。

（2） 工程区新近纪时期的古水介质条件为碱性氧化环境，为盐度较低的淡水陆相沉积盆地。古气候总体呈干旱-半干旱，但气候干湿存在一定波动。

（3）地球化学特征显示，甘肃群地层为典型的初次旋回沉积物，其成分成熟度较低，为近源快速堆积的产物，沉积水体深度较浅，成岩后期淋滤作用和化学风化作用不强，但物理风化作用较强。岩石中黏土矿物含量较高，胶结类型以泥质胶结为主，加之沉积时代较新，导致岩石整体胶结程度不高，工程性状较差，可能对工程安全性产生不利影响。