二连盆地川井坳陷白垩系地层元素地球化学特征及地质意义

饶耕玮, 刘晓东*, 刘平辉, 戴朝成, 黄光辉

(1.东华理工大学地球科学学院, 南昌 330013； 2.核资源与环境国家重点实验室, 南昌 330013)

当今元素地球化学特征分析，已成为地质学者研究的重要工具，其在年代测定、找矿前景等地质意义方面都有广泛的应用[1-5]，但对于高放废物地质处置预选地段的古气候环境恢复的应用，尚少有人研究。二连盆地川井坳陷白垩系地层作为高放废物地质处置库黏土岩备选预选地段，其主微量元素及沉积环境未曾详细报道，研究深入不够，借助“高放废物地质处置库西北地区黏土岩地段筛选与评价研究”“高放废物地质处置库西北预选区黏土岩/泥岩围岩特性研究”项目，和核工业208大队找矿钻孔C3井，现对二连盆地川井坳陷二连组至腾格尔组的白垩系地层进行古沉积环境的恢复研究。

沉积过程中，不同的元素富集于特定的环境中[6]，存在着复杂的地球化学平衡，而不同的地球化学元素在不同的气候环境中具有不同的表现，不但为古气候及环境的演化提供可靠信息[7]，而且在记录古环境、古气候方面也很优越[8]。而因泥岩中主微量元素均一性更强[9]，其高精确性、高灵敏度和高分辨性使其成为重建古环境[10]的重要手段。为此，现较为全面地对川井坳陷地区白垩系地层的主微量元素特性进行分析，并结合部分特征元素，对应地层垂向上的分布差异[11]探究其古沉积环境。以期为今后高放废物地质处置地段筛选的古环境恢复研究提供参考依据，为地球化学工作提供数据基础。

1 地质概况

川井坳陷位于华北地台与内蒙左中部地槽褶皱带2个性质完全不同的大地构造单元的过渡部位，地属二连盆地西部，东临乌兰察布坳陷，西至狼山-宝音图隆起带，南北分别为阴山隆起带和索伦山隆起带，整体呈近东西向展布。该坳陷为大陆内的裂谷盆地，盆地基底的分割性强，坳陷内部进一步可划分为3个凹陷和2个凸起五个次级构造单元(图1)。

图1 川井坳陷构造分区图Fig.1 Structural division of Chuanjing depression

研究区基底和周边蚀源区因所处地层构造单元不同而存在较大差异。坳陷北部基底及蚀源区为地槽褶皱带，地层主要为新元古界艾力格庙群、中下志留统哈达呼舒群、中石炭统本巴图组和上石炭统阿木山组、下二叠统包特格组等变质岩系，为海相碎屑岩-碳酸盐岩；坳陷西部基底及蚀源区为地槽中间的隆起带，地层主要为中元古界渣尔泰山群变质岩系；坳陷南部基底及蚀源区为地台，西段地层主要为古元古界色尔腾山群、中元古界渣尔泰山群，东段地层主要为中元古界白云鄂博群(源自208大队区调报告)。

川井坳陷处于槽台边界之上，横跨两种不同的地层分区单元，以槽台边界为界，坳陷中、北部属于二连地层分区，下白垩统沉积盖层为巴彦花群；而南缘属于阴山地层分区，下白垩统沉积盖层分为李三沟组、固阳组。根据内蒙古区域地质志，这2个不同地层单元的下白垩统地层区域上存在一定的可对比性(表1)。

表1 区域白垩系划分对比表

2 样品采集与测试

研究对象从二连盆地川井坳陷西部地区C3井白垩系二连组至腾格尔组共选取20个岩芯样品，采集层位如图2所示。其中，二连组2个样品，赛汉组9个样品，腾格尔组9个样品。分析测试在广州澳实有限公司完成，实验仪器选用型号为Aglilent的电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)和型号为Perkin Elmer Elan 9000的电感耦合等离子体发射质谱仪(ICP-MS)，产地美国。相对偏差和相对误差均控制在<10(±5)%，且为避免氧化和可能的污染，样品采集后进行密封保存，尽可能消除外在因素导致的数据偏差。

图2 C3井采集位置、岩性综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of C3 well acquisition location and lithology

3 样品结果分析

3.1 主元素氧化物含量

对C3井20个岩芯样品的主元素含量测量结果如表2所示，表中从上到下依次代表二连组地层至腾格尔组地层。样品的烧失量波动较大，在2.03%～17.21%，平均可达7.64%，相对较高，推测上部二连组样品可能由于中碳酸盐和黏土矿物中结构水的失去所引起；而下部腾格尔组样品则主要由于含有有机质所导致。SiO2的含量在49.49%～80.63%，平均值为61.22%，在所有样品中都是主要的化学组成；MnO的含量最低，均值仅有0.06%。大部分元素在整个岩芯样品中含量都相对稳定(如Al2O3、Fe2O3、K2O等)，部分元素则随地层不同有着显著的差异(如CaO、Na2O、P2O5)。

将C3井样品的主元素与北美页岩和大陆上地壳丰度进行对比[图3(a)]，发现Al2O3、Fe2O3、SiO2元素相对北美页岩富集，K2O元素丰度与北美页岩相当，其他元素显著亏损。与地壳元素丰度相比较发现除Al2O3、K2O、SiO2元素相对富集(其中K2O明显富集)，其余均表现相对亏损。

3.2 微量元素

微量元素通常在沉积岩成岩过程中比较稳定，能较准确地反映原始的沉积和构造环境[14]。C3井岩芯样品中含量最高的微量元素是Ba，含量在309～602 μg/g，均值为487.55 μg/g；含量最低的微量元素是Cd，最低不足0.02 μg/g，均值为0.6 μg/g，大部分微量元素在随不同地层有一定的波动，如Ba元素在赛汉组含量相对较高，而Sr在赛汉组含量相对较低，具体如表3所示。

表2 C3井样品主量元素测试含量

表3 C3井样品微量元素测试含量

图3 C3井样品地壳元素丰度与北美页岩比较图Fig.3 Comparison of crustal element abundance of C3 well sample with North American shale

研究区样品微量元素与北美页岩和大陆地壳含量相比[图3(b)]，大部分元素相对北美页岩亏损，而Pb元素较为富集，Th、Zn元素与北美页岩相近；与大陆地壳元素含量相比可见Th、U、Pb元素显著富集(Pb元素超过地壳的3倍)，而Cd元素极度亏损(不到大陆地壳的0.2%)。

3.3 稀土元素

C3钻孔岩芯样品中稀土元素含量及其化学分析数据见表4和表5，稀土元素总量(∑REE)为89.76～285.43 μg/g，均值为185.15 μg/g，相比北美页岩稀土总含量(173.21 μg/g)的平均值较大，且其含量随着钻孔深度和地层的不同有着不规律的波动。δEu为0.48～0.69，均值为0.57,呈现负异常，δCe为0.81～1.16，均值为0.95，无负异常。

轻、重稀土比，能够反映样品轻稀土和重稀土元素的分异程度[16]。在相同的岩石中，轻、重稀土比越大，表明轻、重稀土分异明显。研究区C3钻孔岩芯样品的LREE(轻稀土)/HREE(重稀土)为9.29～12.67，平均值可达10.91，可见轻稀土元素明显富集。

(La/Yb)N为稀土元素配分曲线的斜率，研究区黏土岩(La/Yb)N为6.88～11.36，平均值为10.91；(La/Sm)N反映轻稀土之间分异程度，为3.06～4.54，平均值为3.62；(Gd/Yb)N反映重稀土之间分异程度，研究区样为0.99～1.93，平均值1.93。结合上述3个比值反映出研究区轻、重稀土分异明显，分馏程度轻稀土元素相比重稀土元素高。

表4 C3井样品稀土元素测试含量

表5 C3井样品稀土元素地球化学分析数据

对C3井钻孔岩芯样品稀土元素含量进行球粒陨石标准化处理后(图4[17])，可见REE分布模型总体呈“右倾”，和明显的“V”形，La-Eu段元素配分曲线相比较Gd-Lu段平坦，轻稀土元素分馏程度相对较高。

图4 样品REE分布模型Fig.4 REE distribution model of sample

4 地质意义讨论

4.1 古气候

图5 样品元素地球化学垂向演化图Fig.5 Vertical geochemical evolution of sample elements

元素地球化学分析是古气候判别的常用手段，Sr/Cu、Mg/Ca、FeO/MnO、SiO2/Al2O3等均在判别古气候及沉积环境等方面得到了广泛的应用[18]。Sr/Cu受气候干湿影响变化显著，当为1.3～5之间时指示温湿的气候，大于5时指示干旱的气候；而由于高温下Mg更易沉积的特点，Mg/Ca常会随着干旱程度的增加而增大(在极度干旱的情况下，Mg/Ca所指示的意义刚好相反[19])；在潮湿气候下SiO2由于化学风化而搬运迁移，Al2O3在潮湿气候下大量富集，因此常运用沉积岩中SiO2/Al2O3来反映古气候特点，当SiO2/Al2O3大于4时，指示气候干燥，反之指示潮湿的气候；(Al2O3+Fe2O3)/(CaO+Na2O+MgO)残积系数(KI)也可以用于判别古气候[20]，其值越大表示气候越暖湿。

通过对C3井钻孔的白垩系二连组到腾格尔组的地层样品分析可以看出，白垩系地层整体处在一个干热的环境下，Sr/Cu随地层的不同有所波动，在二连组和赛汉组时期气候较为干旱，赛汉组到腾格尔组时期有个气候转折界面，而到腾格尔组时气候则相对温湿，Mg/Ca、SiO2/Al2O3和KI也表现出同样的线性关系，呈现高度耦合性，具体如图5所示。

4.2 古盐度

古盐度是沉积环境的重要标志，对于沉积水体古盐度的还原有助于恢复古环境，是分析古沉积环境的一个重要研究内容[21]，通常以Sr/Ba和B/Ga来指示古沉积环境介质中的古盐度指标。在天然水体中Sr、Ba均以重碳酸盐的形式存在，而因Sr和Ba的溶度积不同，当沉积介质中含盐度变化时Sr/Ba可以反映沉积介质中盐度的变化，且其值和古盐度成正相关[22]。目前公认的研究成果表明，当沉积物中Sr/Ba>1时指示海相，Sr/Ba<1时指示陆相；陆相可进一步划分为半咸水相(Sr/Ba为0.6～1)和微咸水相(Sr/Ba<0.6)[23-24]。研究区样品的Sr/Ba为0.15～0.68，均值为0.36小于1，据前文的古气候分析认为沉积环境为微咸水相。

Ga和B分别易在河流相和湖相泥岩中富集，且Ga的迁移能力远小于B。故常用B/Ga作为盐度以及区分河、湖相泥岩的标志。当泥岩中B/Ga在0.5～1时指示河流-三角洲相，为1.5～2.5时指示远岸开阔湖相，为4～5.5指示较封闭湖相，为5～7.5指示非闭塞咸水湖相沉积[25]。研究区样品的B/Ga为4.25～7.53，均值为5.4，指示为较封闭的微咸水湖相，与Sr/Ba指示相一致，整体垂向上C3井表现出古盐度表现出逐渐减小的趋势，在腾格尔组Sr/Ba有明显的波动。结合前文古气候指示值也表现出干热增加条件下盐度增大的一般性特征(图5)。

4.3 氧化还原环境

利用元素的氧化还原敏感度差异性，可将沉积环境的氧化还原程度区分开来，如Cr、U和V的高价态离子可以在缺氧脱硝酸的环境下被还原并发生富集，而Ni、Cu、Co、Zn、Cd则主要富集在发生硫酸盐还原的环境中[26]。通过表3数据分析可知，20个样品U、V、Ni、Cu、Co的均值分别为5.09、101.8、35.71、37.79、13.7 μg/g，U和V含量相对较高发生富集而Ni、Cu、Co不太富集且U、V与Ni、Cu具有较好的正相关，可以认为沉积时的总体环境很可能为缺氧的[27-28]。

根据沉积物中明显受氧化还原状态控制的元素及其比值来可推断沉积时期的氧化还原条件。如V、Ni等微量元素在氧化环境中易溶，还原环境下则不溶，并且一旦发生沉积，就很难再发生迁移，在还原条件下V比Ni以更有效的以有机络合物形式沉淀下来，因此可用V/(V+Ni)来指示水体氧化还原条件[29]，V/(V+Ni)在0.83～1呈现为静海环境，在0.57～0.83时为缺氧环境、在0.57～0.46为氧化环境，小于0.46为更氧化环境[30]。研究区样品的V/(V+Ni)在0.36～0.88之间，均值为0.75，总体反映出缺氧的沉积环境。从稀土元素来看铈异常指数(Ceanom)可作为判断古环境下水介质氧化还原条件的标志[25]。若Ceanom>-0.1表示Ce的富集，反映水体呈现缺氧的还原环境；而Ceanom<-0.1则表示Ce亏损，反映水体呈氧化环境[26]。研究区样品的Ceanom均值为-0.04，说明其沉积时水体呈缺氧的还原环境。垂向白垩系地层二连组到腾格尔组整体呈现缺氧的还原环境，而二连组到赛汉组的曲线波动(图5)推测为气候干燥所致，图5中氧化还原变化与前文古气候干湿变化及古盐度变化规律高度耦合，也表明氧化还原规律与古气候及古盐度的相关性。

4.4 源岩属性

稀土元素具有很强的继承性，在沉积作用过程中仅有微小的变化，相对稳定，能够真实地反映物源的组成[12-13,31]，因此常用稀土元素配分模式来判别与物源的关系，若总体形态较为相似，表明其具有同源性。由于未获取周围可能源区的稀土元素，因此未进行稀土元素配分模式的比较，但通过C3井样品稀土元素特征及配分模式推测母岩来源于上地壳，且不同样品之间的配分模式相似度较高，但轻稀土含量相对分散，重稀土平行同步性较差(图4)，表明该地区物源可能存在混源。

La/Yb-∑REE源岩构造判别图解[12]，可用于判别源岩属性，对C3井钻孔样品进行二连组，赛汉组和腾格尔组地层样品进行投图(图6)可以看出其物源主要来源于沉积岩钙质泥岩和花岗岩的混合，同时也证实了上文的推断。

图6 ∑REE-La/Yb源岩特征判别图解Fig.6 Discrimination diagram of ∑REE LA/ Yb source rock characteristics

4.5 源区构造背景

Bhatia等建立的La-Th-Sc、Th-Sc-Zr/10和Th-Co-Zr/10判别图可以对源区的构造环境背景(大洋岛、大陆岛弧、安第斯大陆边缘和被动大陆边缘这四种构造环境)，将C3井钻孔样品数据分别投入3个源区构造环境判别图(图7)，可见样品的投点相对集中，主要落在大陆岛弧和活动大陆边缘，且δEu异常值与主动大陆边缘中的安第斯型大陆边缘(∑REE=186×10-6，δEu=0.6)值相似。综上所述，二连组、赛汉组和腾格尔组地层的源区构造背景主要大陆岛弧相关的活动大陆边缘。

OIA为大洋岛弧；ACM活动大陆边缘；PM为被动大陆边缘；CIA为大陆岛弧图7 研究区样品源区构造环境判别Fig.7 Discrimination of structural environment of sample source area in the study area

5 结论

(1)通过分析样品的主量元素地球化学特征可知,SiO2为主要的化学组成，MnO含量最低，Al2O3、Fe2O3、K2O等主量元素氧化物在地层中含量相对稳定，CaO、Na2O、P2O5则随地层不同有着显著的差异;与北美页岩相对比，Al2O3、Fe2O3、SiO2元素氧化物相对富集，K2O元素氧化物丰度与北美页岩相当，其他元素显著亏损。与地壳元素丰度相比较发现除Al2O3、K2O、SiO2元素氧化物相对富集(其中K2O明显富集)，其余均表现相对亏损。

(2)通过分析样品的微量稀土元素地球化学特征可知，大部分元素相对北美页岩亏损，而Pb元素较为富集，Th、Zn元素与北美页岩相近；与大陆地壳元素含量相比可见Th、U、Pb元素显著富集(Pb元素超过地壳的3倍)，而Cd元素极度亏损(不到大陆地壳的0.2%)。

(3)通过分析样品探究其古沉积环境可知，白垩系地层整体处在一个干热的环境下，在二连组和赛汉组时期气候较为干旱，赛汉组到腾格尔组时期有个气候转折界面，而到腾格尔组时气候则相对温湿；通过Sr/Ba、B/Ga分析探究其古盐度指示为较封闭的微咸水湖相；Ni、Cu、Co、Zn、Cd等元素特征，V/(V+Ni)和Ceanom反映沉积时水体呈缺氧的还原环境，且各古环境曲线高度耦合。

(4)通过构造判别图解和Eu异常特征共同表明，川井坳陷白垩系地层二连组到腾格尔组地层源区构造环境主要为大陆岛弧相关的活动大陆边缘；稀土配分曲线特征及源岩属性判别图解显示样品母岩以上地壳沉积钙质岩和长英质岩为主。