饒耕瑋, 劉曉東*, 劉平輝, 戴朝成, 黃光輝

(1.東華理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 南昌330013; 2.核資源與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南昌330013)

沉積物中地球化學(xué)元素特征受氣候環(huán)境等多種因素的影響[1]而不同地球化學(xué)元素在不同的氣候環(huán)境中具有不同的表現(xiàn)，不但為古氣候及環(huán)境的演化提供可靠信息[2]在記錄古環(huán)境、古氣候方面也具有很好的優(yōu)越性[3]；黏土礦物存在于各種類型的沉積物(巖)中，其形成和轉(zhuǎn)化與氣候(尤其是溫度和濕度)有十分密切的關(guān)系[4]。通常在溫暖潮濕氣候條件下，淋濾作用較強(qiáng)，堿金屬(堿土金屬)元素容易流失，利于形成蒙脫石等黏土礦物；寒冷干燥氣候條件下，淋濾作用較弱，利形成伊利石等黏土礦物[5]，由于黏土礦物批量分析測(cè)試相對(duì)簡(jiǎn)單且其相對(duì)組成能較好地反映古氣候條件[6-7]，元素地球化學(xué)特征又能準(zhǔn)確地示蹤古氣候環(huán)境，因此越來越多的學(xué)者運(yùn)用元素地球化學(xué)和黏土礦物特征來反演古氣候和環(huán)境[8]，并取得了較大的成功(如方謙等[9]通過自生黏土礦物對(duì)古氣候的指示作用；張哲[10]通過三水盆地下白堊統(tǒng)的黏土礦物，反演出區(qū)域構(gòu)造及氣候事件),可見黏土礦物對(duì)古氣候的指示作用及其準(zhǔn)確度，受到越來越多學(xué)者的青睞。

內(nèi)蒙古阿拉善左旗北部蘇宏圖地區(qū)白堊系蘇紅圖組地層主微量元素特征及其古環(huán)境未曾詳細(xì)報(bào)道，研究深入不夠[11]，本文主要依托“高放廢物地質(zhì)處置庫(kù)西北地區(qū)黏土巖地段篩選與評(píng)價(jià)研究”項(xiàng)目，對(duì)內(nèi)蒙古阿拉善左旗北部蘇宏圖地區(qū)白堊系蘇紅圖組地層進(jìn)行古氣候恢復(fù)研究。分析研究SZK-1鉆孔巖心樣品的元素地球化學(xué)和黏土礦物特征，并對(duì)應(yīng)沉積體系垂向上的分布差異[12]，首次運(yùn)用元素地球化學(xué)和黏土礦物特征來結(jié)合的方法反演蘇宏圖地區(qū)白堊系晚期的古氣候環(huán)境，較為全面的分析出蘇紅圖組各時(shí)期地層的元素地球化學(xué)和黏土礦物特征，為今后這個(gè)地區(qū)的沉積環(huán)境和地球化學(xué)工作提供一定的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 地質(zhì)概況

蘇宏圖位于巴音戈壁盆地蘇宏圖凹陷的次級(jí)凹陷-艾力特格凹陷，北至蘇宏圖深斷裂，南界為宗乃山-沙拉扎山隆起帶，呈東西向展布，傾向北(圖1)。出露的主要地層為下白堊統(tǒng)蘇紅圖組、巴音戈壁組，基底埋深小于500 m。斷裂活動(dòng)期主要為華力西期，次為加里東及燕山期。中新生代以燕山期斷裂為主，印支期和喜山期分布較少，SZK-1鉆孔樣品的采集位置可見圖1。

研究區(qū)主要發(fā)育陸相沉積，白堊系在研究區(qū)分布最為廣泛，發(fā)育最為齊全。下白堊統(tǒng)從下到上分為巴音戈壁組、蘇紅圖組和銀根組，巴音戈壁組從下到上又分為下段和上段，蘇紅圖組也分為上下兩段，上白堊統(tǒng)為烏蘭蘇海組。主要沉積蓋層可見表1。研究區(qū)目標(biāo)主要為下白堊統(tǒng)蘇紅圖組的地層。

下白堊統(tǒng)蘇紅圖組以扇三角洲相沉積為主(圖2)，盆地局部發(fā)育較大規(guī)模的河流相沉積系，盆緣主要分布沖積扇體系，湖泊相沉積體系主要分布在SZK-1鉆孔周圍[13]。

2 樣品的采集與分析

采集巴音戈壁盆地艾力特格坳陷蘇紅圖組的巖心樣品，共采取31個(gè)巖心樣品，采集層位如圖2所示。實(shí)驗(yàn)選取了31件過200目篩的黏土巖粉末樣品，預(yù)處理及地球化學(xué)(主量、微量元素)分析測(cè)試均在澳實(shí)分析檢測(cè)(廣州)有限公司完成。實(shí)驗(yàn)儀器分別為電感耦合等離子體發(fā)射光譜(ICP-AES)，儀器型號(hào)Aglilent，產(chǎn)地美國(guó)。電感耦合等離子體發(fā)射質(zhì)譜儀(ICP-MS)，儀器型號(hào)Perkin Elmer Elan 9000，產(chǎn)地美國(guó)，在系統(tǒng)設(shè)定上，檢測(cè)方法的準(zhǔn)確度和精密度(相對(duì)偏差和相對(duì)誤差)均控制在小于(10±5)%。全巖礦物學(xué)分析和黏土礦物含量分析均在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，采用X射線粉晶衍射(XRD)分析方法，實(shí)驗(yàn)儀器為德國(guó)布魯克D8 ADVANCE，測(cè)角儀精度為0.000 1°，準(zhǔn)確度小于等于0.02°。掃描電子顯微鏡(SEM)可以觀察礦物的微觀形貌特征，能譜分析可以得出元素的種類及質(zhì)量百分比，亦可進(jìn)一步驗(yàn)證XRD的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，其實(shí)驗(yàn)均在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，實(shí)驗(yàn)儀器采用JSM-35CF型掃描電子顯微鏡，儀器型號(hào)Nova Nano SEM450；能譜儀型號(hào)Inca Energy X-Max20；加速電壓10 kV，分析取小塊巖石樣品的自然斷面，噴鉑金，用導(dǎo)電膠黏到樣品座上，放到電鏡下觀察。為避免氧化和可能的污染樣品采集后進(jìn)行密封封存，且選樣分布較為均勻，盡可能消除外在因素導(dǎo)致的數(shù)據(jù)偏差。

圖1 蘇宏圖地區(qū)構(gòu)造及取樣位置圖Fig.1 Structure and sampling location map of Suhongtu Area

表1 巴音戈壁盆地沉積蓋層特征

圖2 SZK-1巖性巖相剖面圖Fig.2 Lithologic lithofacies profile of SZK-1

3 測(cè)試結(jié)果

3.1 元素地球化學(xué)分析結(jié)果

主量元素和微量元素測(cè)試分析結(jié)果見表2、表3。分析結(jié)果表明樣品的燒失量在3.89%～12.86%，平均可達(dá)7.78%，燒失量值相對(duì)較大，且波動(dòng)明顯，因?yàn)闃悠氛w黏土礦物含量較高，推測(cè)可能由于中碳酸鹽和黏土礦物中結(jié)構(gòu)水的失去所引起。SiO2在48.90%～68.01%，均值可達(dá)58.29%，在所有樣品中均含量較高，是主要的化學(xué)組成。含量最低的元素為MnO，均值只有0.09%。且各主量元素含量在樣品中相對(duì)穩(wěn)定。Cu、Sr、Mn等微量元素在樣品中整體含量較高，推測(cè)由于在干燥氣候下水分蒸發(fā)，導(dǎo)致水介質(zhì)堿性增強(qiáng)，而Ni、Zn、Co等微量元素整體含量不是很高但波動(dòng)明顯，可能是由于干濕氣候變化差異大導(dǎo)致，Na、K、Ca等元素則由于易受到化學(xué)風(fēng)化作用，因此含量變化稍有差異。

表2 SZK-1鉆孔樣品主量元素測(cè)試結(jié)果

表3 SZK-1鉆孔樣品相關(guān)微量元素測(cè)試含量

3.2 X射線晶粉衍射分析結(jié)果

通過圖3的XRD圖譜可分析各礦物的特征峰值，可見伊利石特征峰峰數(shù)較齊全，強(qiáng)度較大，對(duì)稱性較好，說明其含量高；石英、方解石和鈉長(zhǎng)石的衍射峰，表明含量相對(duì)較高；其他礦物衍射峰不太明顯，說明含量相對(duì)較低。對(duì)SZK-1井31個(gè)蘇紅圖組的巖心樣品進(jìn)行全巖XRD分析可知，主要礦物包括黏土礦物、石英、鈉長(zhǎng)石和白云母；次要礦物為方解石、石膏、白云石、方沸石(圖4)。

圖3 SZK-1井樣品多晶X射線衍射曲線Fig.3 Polycrystalline X-ray diffraction curves of well SZK-1 samples

圖4 SZK-1井樣品礦物組成含量Fig.4 Mineral composition content of well SZK-1 samples

通過表4可知，全巖中黏土礦物含量最多，且變化幅度較大(16.8%～53.8%，平均含量31.39%)，考慮到研究樣品為同一地層，推測(cè)其變化可能主要受氣候環(huán)境和外動(dòng)力搬運(yùn)的影響。含量次之的鈉長(zhǎng)石平均含量占19.06%且含量變化相對(duì)穩(wěn)定，石英含量在3.43%～45.68%，平均可達(dá)14.81%，波動(dòng)同樣較大，說明沉積環(huán)境受外動(dòng)力影響較大。所有樣品中均見有方沸石和白云石，但含量較低(方沸石平均含量4.48%白云石含量?jī)H占0.87%)。單獨(dú)對(duì)樣品黏土礦物XRD含量進(jìn)行分析可見表5，分析結(jié)果顯示31個(gè)樣品具有相似的黏土礦物組合，以伊利石為主(含量在66.1%～90.6%，均值可達(dá)75.8%)，其次為高嶺石和綠泥石(平均含量分別為12.2%和11.2%)，而蒙脫石含量極少，不到總黏土礦物的1%。

3.3 掃描電鏡與能譜分析結(jié)果

掃描電鏡分析結(jié)果顯示，樣品中主要黏土礦物伊利石為葉片狀伊利石[圖5(a)]，晶體邊緣不甚整齊，表面呈鱗片狀排列，為葉片狀伊利石集合體，少量葉片與顆粒表面斜交，推測(cè)是被次生石英或長(zhǎng)石晶體生長(zhǎng)時(shí)掀起導(dǎo)致，極少見葉片狀伊利石晶體自立于顆粒表面[14]；鏡下還可見鈉長(zhǎng)石礦物呈紋層狀和條帶狀產(chǎn)出，部分呈斑塊狀或呈膠結(jié)物和碎屑狀，可見化學(xué)沉淀形成的鑲嵌狀或堆晶結(jié)構(gòu)，并常伴隨溶蝕現(xiàn)象[圖5(b)]。能譜分析顯示黏土礦物主要成分為O、Si、Al，其次為K、Fe、Mg等元素，與伊利石[K0.5(Al-Fe-Mg)3(Si-Al)4O10(OH)2]的化學(xué)成分一致(圖6)。

表4 SZK-1井樣品全巖多晶X射線衍射分析結(jié)果

表5 SZK-1井樣品黏土礦物含量

圖5 SZK-1井樣品掃描電鏡微觀形貌特征Fig.5 Microscopic morphology characteristics of Well SZK-1 samples by scanning electron microscope

4 討論

4.1 元素地球化學(xué)對(duì)古氣候的指示

某些化學(xué)元素在地層中含量的變化可在一定程度上反映沉積物形成時(shí)的構(gòu)造地質(zhì)條件和古氣候特征[15]，其主微量元素含量及其相關(guān)比值(Na、Ca、Mg、Sr及Mg/Ca、Sr/Ca、Al2O3/MgO等)在判別沉積環(huán)境等方面得到了廣泛的應(yīng)用[16]。

P元素對(duì)古氣候變化較為靈敏，在干燥的環(huán)境下，某些低等生物因水體蒸發(fā)，鹽度劇增而死亡，從而使P元素相對(duì)富集；Mn含量一般用于指示氣候的干濕程度，Mn含量越高，表示蒸發(fā)作用越強(qiáng)[17]。SZK-1鉆孔蘇紅圖組樣品的P含量在310～930 μg/g，平均值為619 μg/g，Mn含量在307～1 390 μg/g平均值為693 μg/g，樣品分析可知蘇紅圖組總體呈現(xiàn)干旱炎熱的氣候環(huán)境，通過P和Mn含量變化曲線(圖7)可知，整體的沉積環(huán)境極其干燥，有干濕變化的波動(dòng)，且扇三角洲前緣沉積的古氣候相對(duì)濕潤(rùn)。

圖7 樣品P、Mn含量變化趨勢(shì)曲線Fig.7 Trend curves of P and Mn values of samples

圖8 樣品元素地球化學(xué)古氣候指示Fig.8 Elemental geochemical paleoclimate indicator map of sample

Sr/Cu、Mg/Ca、SiO2/Al2O3等元素的比值均是判別古氣候環(huán)境的常用指標(biāo)[18]。Sr是典型的喜干型元素，含量高時(shí)代表干旱的氣候，反之則指示濕潤(rùn)的氣候；Sr/Cu對(duì)氣候具有敏感的變化，當(dāng)其處在1.3～5時(shí)指示溫濕的氣候，大于5時(shí)指示干旱的氣候；相對(duì)于Ca元素，Mg在高溫下更易沉積，因此Mg/Ca常會(huì)隨著干旱程度的增加而增大(在極度干旱的情況下，Mg/Ca所指示的意義剛好相反[19])；在潮濕氣候下SiO2由于化學(xué)風(fēng)化而搬運(yùn)遷移，Al2O3在潮濕氣候下大量富集，因此常運(yùn)用沉積巖中SiO2/Al2O3來反映古氣候特點(diǎn)，通過圖8可知，Sr/Cu遠(yuǎn)大于5，表現(xiàn)出極度干旱的沉積環(huán)境，SiO2/Al2O3曲線與Sr/Cu的相一致，Mg/Ca則由于極度干旱的原因，在樣品S29前比值較小。

4.2 黏土礦物對(duì)古氣候的指示

黏土礦物是大多數(shù)海陸相碎屑沉積物的重要組成部分，因其晶體結(jié)構(gòu)和顆粒細(xì)小使得它對(duì)地質(zhì)環(huán)境的變化特別敏感，而黏土礦物的類型和組合與沉積環(huán)境、古氣候等有著密切的關(guān)系[20]。

黏土礦物分為自生黏土礦物和碎屑黏土礦物，只有碎屑黏土礦物才能反映源區(qū)的風(fēng)化情況，所以利用黏土礦物分析古氣候時(shí)，需要進(jìn)行黏土礦物成因的判別。成巖作用過程中會(huì)導(dǎo)致黏土礦物性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變，影響其可靠性。通過表5可知樣品黏土礦物主要為伊利石，綠泥石和高嶺石的含量大體上呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的趨勢(shì)，掃描電鏡下黏土礦物主要為伊利石，偶見綠泥石和高嶺石，基本不可見蒙脫石和伊利石-蒙脫石混層，伊利石主要呈現(xiàn)片層狀構(gòu)造，且邊緣呈不規(guī)則的參差狀，表明其經(jīng)歷過搬運(yùn)沉積過程并遭受侵蝕，主要為碎屑來源?？梢灾甘竟艢夂颦h(huán)境。

伊利石主要形成于氣溫低、淋濾作用差的弱堿性介質(zhì)環(huán)境中，反映干冷氣候環(huán)境；綠泥石形成環(huán)境同伊利石一樣，同樣指示干冷的氣候環(huán)境，因此伊利石和綠泥石含量的逐漸增加表示了逐漸干旱的氣候條件，而當(dāng)黏土礦物中綠泥石含量占一定的比例時(shí)，則反映當(dāng)時(shí)氣溫較高，相對(duì)干旱的環(huán)境[21]；高嶺石作為潮濕的熱帶、亞熱帶地區(qū)的典型黏土礦物，多由長(zhǎng)石風(fēng)化淋濾而成[22]，或形成于酸性介質(zhì)環(huán)境中，反映了溫濕的古氣候條件，與綠泥石反映的古氣候條件截然相反，因此二者的含量也常出現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的規(guī)律。樣品黏土礦物為伊利石、綠泥石的組合，反映當(dāng)時(shí)主要為干燥寒冷的氣候，高嶺石含量的波動(dòng)表示當(dāng)時(shí)雖然總體為干燥環(huán)境，但也伴隨著干濕沉積環(huán)境的變化。

5 結(jié)論

(1)通過分析樣品的元素地球化學(xué)特征可知，SiO2為主要的化學(xué)組成，平均可達(dá)58.29%，含量最低的元素為MnO，均值只有0.09%，Cu、Sr、Mn、Ni、Zn、Co等微量元素特征差異可推出沉積環(huán)境總體干燥，且干濕氣候變化差異較大。

(2)通過XRD分析可知全巖中黏土礦物含量最高，黏土礦物中伊利石含量最高，XRD圖譜上表現(xiàn)為特征衍射峰峰形寬緩、不對(duì)稱、鞍峰比較高，表明黏土礦物主要是陸源風(fēng)化作用的產(chǎn)物，并經(jīng)過搬運(yùn)和沉積作用而保存，而不是化學(xué)沉積和自生作用的結(jié)果。掃描電鏡下黏土礦物主要呈現(xiàn)片層狀構(gòu)造，且邊緣呈不規(guī)則的參差狀，表明黏土礦物經(jīng)歷過搬運(yùn)沉積過程并遭受侵蝕，主要為碎屑來源。

(3)通過P、Mn元素的含量和Sr/Cu、Mg/Ca、SiO2/Al2O3等元素的比值分析可知，白堊系蘇紅圖組總體呈現(xiàn)極度干燥的沉積環(huán)境，不同亞相之間沉積環(huán)境稍有干濕變化，且扇三角洲相對(duì)濕暖。

(4)通過黏土礦物含量可知伊利石為主要的黏土礦物，其次為綠泥石、高嶺石，黏土礦物的組合類型為伊利石、綠泥石的組合，且綠泥石和高嶺石呈現(xiàn)此消彼長(zhǎng)的現(xiàn)象，反映了干燥寒冷的沉積環(huán)境，并伴隨著干濕的氣候變化。