蔡 玥,羅旭東,周對(duì)對(duì),劉家鵬,何 靜,汪慶國(guó),李登科,魏少妮

(1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院,陜西 西安 710054;2.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開(kāi)采地質(zhì)研究院,陜西 西安 710054;3.陜西省煤炭綠色開(kāi)發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054;4.陜西彬長(zhǎng)大佛寺煤礦有限責(zé)任公司,陜西 彬州 713500)

0 引 言

大佛寺井田位于鄂爾多斯盆地一級(jí)構(gòu)造單元渭北隆起北部。下白堊統(tǒng)洛河組厚度為180～240 m,平均220 m,是井田內(nèi)煤炭開(kāi)采的主要充水含水層。受物源、沉積環(huán)境及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等因素的影響,洛河組巖性、巖相、滲透性、富水性等特征在空間分布上存在差異,導(dǎo)致出水形式特殊,瞬時(shí)水量大,是煤炭開(kāi)采主要水害威脅,嚴(yán)重制約安全生產(chǎn)進(jìn)程。圍繞鄂爾多斯盆地洛河組-環(huán)河華池組開(kāi)展大量研究工作,侯光才、謝從瑞和李嘉璐等從水文地質(zhì)角度出發(fā),系統(tǒng)查明盆地白堊系洛河組-環(huán)河華池組地下水賦存特征、水文地質(zhì)參數(shù)、含水介質(zhì)孔隙特征和水化學(xué)特征等[1-3];李超峰等從防治水角度出發(fā),提出洛河組精細(xì)化勘探概念,對(duì)洛河組含水層進(jìn)行垂向差異性研究[4];郭小銘對(duì)洛河組垂向沉積控水模式及煤礦開(kāi)采擾動(dòng)含水層流場(chǎng)響應(yīng)特征進(jìn)行研究,優(yōu)化了洛河組含水層疏放措施[5];李文平等對(duì)盆地巨厚白堊系下煤層開(kāi)采突泥潰砂物源進(jìn)行研究,構(gòu)建了突泥潰砂成災(zāi)的地質(zhì)模型[6];魏斌等以鄂爾多斯盆地為研究單元,從盆地尺度開(kāi)展白堊系洛河組-環(huán)河華池組的沉積相類(lèi)型劃分,認(rèn)為洛河組主要為沖積扇相、辮狀河相、沙漠相和風(fēng)成沉積相[7];李玉宏等對(duì)盆地沉積相進(jìn)行了區(qū)域劃分,認(rèn)為大佛寺井田洛河組主要為河流相沉積[8];謝淵等系統(tǒng)分析了白堊系黏土礦物的分布特征及其形成時(shí)的沉積-成巖環(huán)境,認(rèn)為白堊紀(jì)盆地處于干旱-半干旱氣候環(huán)境[9];張忠義通過(guò)對(duì)白堊系沉積特征研究,認(rèn)為洛河組物源主要為盆地南部的秦嶺、西部的六盤(pán)山—賀蘭山[10]。目前對(duì)洛河組形成時(shí)期的古沉積條件以及物質(zhì)來(lái)源的研究多以盆地尺度展開(kāi),鄂爾多斯盆地南緣洛河組沉積特征有待深入研究,從地球化學(xué)角度開(kāi)展的沉積特征研究有待探索。

沉積巖的微量元素和稀土元素對(duì)沉積期水介質(zhì)變化較敏感,是古沉積環(huán)境恢復(fù)及沉積物源分析的有效手段。如U/Th、Co/Ni、Ce/La等可用于古氧化環(huán)境的判別[11-13],Co元素可用于古水深的定量計(jì)算[14-15],Sr/Ba、Th/U常用于古鹽度分析[16-17],Sr/Cu、Rb/Sr可用于古氣候的恢復(fù)[18-19]。微量元素的構(gòu)造判別圖解可提供物源區(qū)性質(zhì)的重要信息[20-22]。以大佛寺井田白堊系洛河組為研究對(duì)象,系統(tǒng)采集樣品開(kāi)展微量及稀土元素地球化學(xué)分析,重建洛河組沉積期的古環(huán)境與古氣候條件,查明其物質(zhì)來(lái)源及源巖屬性,揭示洛河組沉積環(huán)境演化過(guò)程,為白堊系地下水資源的勘查開(kāi)發(fā)利用和礦井水害防治提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地位于華北地臺(tái)西部,為一走向南北,東緩西陡的中生代不對(duì)稱(chēng)向斜盆地,盆地四周被山地環(huán)繞,北起陰山,南至秦嶺,西接賀蘭山—六盤(pán)山,東達(dá)呂梁山。內(nèi)有伊盟隆起、西緣逆沖帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、晉西撓褶帶、渭北隆起6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元。大佛寺井田位于渭北隆起北部,總體呈走向近北東向,傾向近北的波狀單斜構(gòu)造(圖1)。井田范圍內(nèi)白堊系地層自上而下劃分為華池組、洛河組、宜君組。洛河組在井田范圍廣泛分布,與下伏宜君組連續(xù)沉積。巖性為棕紅色巨厚層狀-厚層狀細(xì)、中、粗粒長(zhǎng)石砂巖夾礫質(zhì)砂巖及暗棕紅色薄層泥巖,發(fā)育平行層理、板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理等。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造區(qū)劃(據(jù)文獻(xiàn)[16]修改)Fig.1 Tectonic zoning map of Ordos Basin(modified by[16])

2 樣品采集與分析方法

本次地球化學(xué)測(cè)試樣品采自D40302和D40307兩口鉆井,從洛河組底板至頂板,總計(jì)30件樣品(圖2、圖3)。

圖2 大佛寺礦區(qū)D40302(左)和D40307(右)鉆孔柱狀圖及采樣位置Fig.2 Column diagram of drill holes D40302(left)and D40307(right)at Dafosi wellfield

圖3 洛河組巖芯照片F(xiàn)ig.3 Core of Luohe Formation

將采集到的新鮮砂巖樣品在顎式破碎機(jī)上進(jìn)行粗碎,無(wú)污染的條件下人工研磨至200目。粉末樣品溶解于HNO3、HF及HClO4混合物中,在230 ℃環(huán)境下消解5 h后用王水浸提,配成50 mL溶液。溶液樣品通過(guò)帶有Perkin Elmer SciexElan 6000的電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測(cè)定,微量元素的分析誤差<1%,符合硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法(GB/T 14506.30—2010標(biāo)準(zhǔn))。

3 測(cè)試結(jié)果

洛河組砂巖具有非常一致的微量元素含量特征(圖4)。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化的微量元素蛛網(wǎng)圖上,洛河組砂巖整體富集Cs、Rb、Ba、Th、U等不相容元素,相容元素含量較低。Nb、Ta呈現(xiàn)明顯的負(fù)異常,Pb正異常顯著(圖4(a))。稀土元素含量整體偏低,∑REE為68.09～232.72×10-6,平均127.78×10-6,略低于大陸上地殼(UCC)的稀土元素總量146.67×10-6。∑LREE為60.72～209.19×10-6,平均114.45×10-6,∑HREE為7.37～26.11×10-6,平均13.32×10-6?！芁REE/∑HREE為6.34～11.49,平均8.63。在球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化的稀土配分模式上,曲線(xiàn)呈右傾型,輕稀土富集,重稀土平坦分布(圖4(b))。(La/Yb)N為8.24～16.67,平均12.42,指示輕重稀土分異較強(qiáng)。(La/Sm)N為4.11～6.13,平均5.04,(Gd/Yb)N為1.25～2.70,平均2.13,指示洛河組砂巖輕稀土元素分餾程度總體強(qiáng)于重稀土元素,N值為球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值[23]。δEu為0.84～2.47,平均1.48,顯示Eu正異常。

圖4 大佛寺井田洛河組砂巖微量元素蛛網(wǎng)和稀土配分模式(標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)據(jù)[24-25];陰影數(shù)據(jù)據(jù)[26-27])Fig.4 Trace element spider diagram and REE distribution patterns for sandstone of Luohe Formation in the Dafosi Wellfield (standardized data from References[24-25];Shaded area from References[26-27])

4 討 論

4.1 古氧化還原環(huán)境

沉積物氧化還原敏感元素比值被廣泛應(yīng)用于古沉積環(huán)境判識(shí)[28]。U、Th在不同沉積環(huán)境下的賦存狀態(tài)不同,U在還原條件下溶解度低,氧化條件下易被氧化,發(fā)生遷移,Th元素?zé)o論在什么樣的沉積環(huán)境下溶解度都不高,容易富集在沉積物中。Ni元素在氧化環(huán)境中易發(fā)生遷移,還原狀態(tài)下易發(fā)生沉淀。Co在還原環(huán)境中比Ni敏感,造成沉積物中Ni/Co比值增大。張?zhí)旄５韧ㄟ^(guò)對(duì)鄂爾多斯盆地北部延安組-直羅組泥巖研究認(rèn)為,U/Th<0.75指示氧化環(huán)境,>1.25指示還原環(huán)境;Ni/Co<5指示氧化環(huán)境,>7指示還原環(huán)境[11];WIGNALL通過(guò)測(cè)量碎屑物質(zhì)中U和Th含量之間的關(guān)系,提出自生U的計(jì)算公式為：AU=U-Th/3,認(rèn)為AU<5×10-6代表氧化環(huán)境,>12×10-6代表缺氧環(huán)境[29]。鄂爾多斯盆地南部大佛寺洛河組砂巖U/Th為0.17～1.07,平均0.37;Ni/Co為1.14～2.17,平均1.67;AU為-1.33～7.29,平均0.28(表1),指示氧化環(huán)境(圖5)。

表1 氧化還原環(huán)境微量元素判別指標(biāo)Table 1 Trace element discriminators for paleo-redox environments

圖5 大佛寺井田洛河組砂巖氧化還原判別圖解Fig.5 Redox discrimination diagram for sandstone of Luohe Formation in Dafosi wellfield

稀土元素同樣可用于判別古氧化還原環(huán)境,Ce元素對(duì)外界環(huán)境變化反應(yīng)敏感,氧化環(huán)境中溶解度較低,表現(xiàn)為虧損,還原環(huán)境下表現(xiàn)為富集。ELDERFIELD等提出的Ce異常參數(shù)[30]。

Ceanom=Log10[3CeN/2LaN+NdN]

(1)

N為北美頁(yè)巖標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值,是目前常見(jiàn)的判斷古氧化還原條件的指標(biāo)。Ceanom>-0.1時(shí),指示還原環(huán)境;Ceanom<-0.1時(shí),指示氧化環(huán)境。Ce/La同樣可用于判別氧化還原環(huán)境,Ce/La<1.5指示為氧化環(huán)境,>2為還原環(huán)境[13]。大佛寺洛河組砂巖樣品的Ceanom為-0.21～-0.07,平均-0.17,Ce/La為1.25～1.69,平均1.39(表1),進(jìn)一步指示為氧化環(huán)境。由巖石學(xué)觀(guān)察可知,洛河組砂巖整體呈現(xiàn)棕紅色,指示氧化環(huán)境下沉積。綜合以上分析結(jié)果可知,大佛寺井田洛河組砂巖形成于氧化背景。

4.2 古水深與古鹽度

沉積時(shí)期的水體深度既與古氧化還原環(huán)境息息相關(guān)又是恢復(fù)古沉積環(huán)境的重要參數(shù)。沉積物中Co元素的豐度值可以反映出沉積物的沉積速率,可用于古水深的定量計(jì)算[14-16,31]。

VS=V0×NCo/(SCo-t×TCo)

(2)

t=SLa/NLa

(3)

(4)

式中h為古水深,m;VS為樣品沉積時(shí)的沉積速率,m/Ma;V0為沉積物的沉積速率,與具體的沉積相帶有關(guān),淺濱湖沉積速率200 m/Ma,三角洲前緣300 m/Ma,河流沉積速率400 m/Ma[15]。大佛寺井田洛河組砂巖形成于河流環(huán)境[8],沉積速率為400 m/Ma;SCo為樣品中Co的豐度,×10-6;t為物源Co對(duì)樣品的貢獻(xiàn)值;SLa為樣品中La的豐度,×10-6;NCo為正常湖泊沉積物中Co的豐度,20×10-6;TCo為陸源碎屑巖中Co的豐度,4.68×10-6;NLa為陸源碎屑巖中La的平均豐度,38.99×10-6[15-16,31]。計(jì)算結(jié)果顯示,大佛寺井田洛河組沉積期古水深為1.33～20.95 m,平均4.14 m。巖性和沉積構(gòu)造也可判斷古水深的相對(duì)深度。沉積物中的砂質(zhì)含量會(huì)隨著沉積水體深度的增加而減少,相應(yīng)的黏土質(zhì)含量則會(huì)增加。礫巖、砂巖對(duì)應(yīng)水深為1～10 m,泥質(zhì)粉砂巖對(duì)應(yīng)水深為5～20 m,暗色泥巖水深>20 m。深水和較深水區(qū)主要形成微細(xì)水平層理,連續(xù)韻律發(fā)育,淺水地區(qū)層理類(lèi)型多樣,大型交錯(cuò)層理、平行層理、沙紋層理等發(fā)育[32]。大佛寺井田洛河組主要沉積砂巖和礫巖,平行層理、板狀交錯(cuò)層理、槽狀交錯(cuò)層理等發(fā)育。巖性和沉積構(gòu)造均表明沉積時(shí)期水體深度較淺。

沉積時(shí)期的古水深還可以反應(yīng)出當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境,沉積環(huán)境水體深度的不同,含氧程度也不相同。小于15 m為淺水環(huán)境,水體充氧程度高,為氧化環(huán)境;15 m到20 m之間為半深水環(huán)境,表現(xiàn)為弱氧化-弱還原環(huán)境;大于20 m為深水環(huán)境,表現(xiàn)為強(qiáng)還原環(huán)境[31]。由古水深計(jì)算結(jié)果可知,洛河組砂巖僅有一個(gè)樣品指示水深大于20 m,其余均小于15 m,平均4.14 m,指示淺水環(huán)境,與上文得出的氧化背景相吻合。

古鹽度是指保存于沉積物之中的所有可溶鹽的質(zhì)量分?jǐn)?shù),是區(qū)分海相和陸相環(huán)境的重要標(biāo)志。Sr/Ba常用作古鹽度的恢復(fù),原理是Sr與Ba的化學(xué)性質(zhì)相近,但Sr的遷移能力高于Ba,更容易遷移到大洋深處,Ba在淡水沉積中容易形成沉淀。Sr/Ba>1是海洋沉淀;<0.6為陸相微咸水或淡水環(huán)境;0.6～1之間為海陸過(guò)度的半咸水環(huán)境[16]。大佛寺井田洛河組砂巖Sr/Ba為0.33～1.99,平均0.82,指示淡水-半咸水環(huán)境。

Th/U也可以用來(lái)判斷古鹽度。Th容易被黏土礦物吸附,U容易淋失。海相沉積物中Th/U小于2,陸相則高[17]。大佛寺井田洛河組砂巖樣品測(cè)試結(jié)果顯示Th/U為0.93～5.94,平均3.10,結(jié)合Sr/Ba(表2),認(rèn)為大佛寺井田洛河組砂巖沉積水體為陸相淡水環(huán)境。

表2 古鹽度微量元素判別指標(biāo)Table 2 Paleosalinity trace element discriminators

4.3 古氣候

沉積物中的微量元素在不同的氣候環(huán)境中存在差異,喜干型元素為：Sr、As、Ca、Pb、Au、Na、Ta、Mg、Mo、U、Zn、B;喜濕型元素為：Mn、Cu、Cr、Ni、Fe、Co、Cs、Ba、Br、Hf、Th、Rb、Sc。喜干型元素(Sr)與喜濕型元素(Cu)的比值可以反映古氣候,Sr/Cu<10指示溫暖、濕潤(rùn)氣候;Sr/Cu>10表示炎熱、干燥氣候[18]。大佛寺洛河組砂巖Sr/Cu為12.90～362.84,平均95.12,指示干熱氣候。

Rb/Sr比值對(duì)氣候變化敏感,Rb相對(duì)穩(wěn)定,Sr易發(fā)生淋失,氣候干旱時(shí),降水較少,母巖中含有較多的Sr,Rb/Sr比值降低;氣候濕潤(rùn)時(shí),降水較多,Sr部分淋失,Rb/Sr比值升高。即Rb/Sr低值指示干旱氣候,Rb/Sr數(shù)值越高,氣候越濕潤(rùn)[19]。大佛寺井田洛河組砂巖Rb/Sr為0.13～0.72,平均0.29。通過(guò)對(duì)比Sr/Cu和Rb/Sr垂向演化曲線(xiàn)(圖6)發(fā)現(xiàn)兩者在整體上呈現(xiàn)鏡像變化的趨勢(shì),與前文提到的規(guī)律相一致。綜合分析指示大佛寺井田洛河組砂巖為干旱炎熱的古氣候背景。

圖6 Sr/Cu和Rb/Sr比值隨深度變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation of Sr/Cu and Rb/Sr ratios with depth

4.4 沉積物源區(qū)

物源分析是盆地分析的重要內(nèi)容,是再現(xiàn)沉積盆地演化、古環(huán)境恢復(fù)的重要依據(jù)[33]。鄂爾多斯盆地物源主要來(lái)自盆地北部陰山和東北部大青山,西部“古陸梁”,西南部東祁連造山帶,西北部阿拉善古陸以及南部秦嶺造山帶[34]。

大佛寺井田洛河組砂巖形成于白堊世,燕山運(yùn)動(dòng)使得鄂爾多斯盆地發(fā)生了自三疊紀(jì)和侏羅紀(jì)后的第3次拗陷,形成四周升起、封閉統(tǒng)一的盆地,這一過(guò)程使得盆地南部的秦嶺有為大佛寺井田洛河組砂巖提供物源的可能。沉積巖稀土元素特征受控于相應(yīng)物源區(qū)的巖石組成,相同來(lái)源的沉積巖具有相似的稀土元素配分模式。除Eu元素外,大佛寺井田洛河組砂巖的稀土元素配分模式與北秦嶺片麻巖和變質(zhì)沉積巖的稀土元素配分模式一致(圖4(b))。Eu正異常的出現(xiàn)與熱液輸入增加或斜長(zhǎng)石風(fēng)化程度增大有關(guān)[35]。熱液沉積情況可通過(guò)U/Th判斷,比值小于1時(shí)指示非熱水沉積情況[36]。大佛寺井田U/Th為0.17～1.07,平均0.37,指示非熱水沉積環(huán)境,據(jù)此推斷大佛寺井田Eu正異常與斜長(zhǎng)石風(fēng)化程度增大有關(guān),沉積物質(zhì)來(lái)源于北秦嶺區(qū)域。

除稀土配分模式外,地球化學(xué)性質(zhì)相近的微量元素,在地質(zhì)作用過(guò)程中不易發(fā)生分異,受后期風(fēng)化、成巖等作用的影響相對(duì)較弱,可以很好地反應(yīng)源區(qū)的地球化學(xué)信息[11]。La/Th-Hf和Co/Th-La/Sc源巖屬性判別圖解常被用于物質(zhì)來(lái)源分析。如圖7所示,洛河組砂巖樣品在La/Th-Hf圖解中集中分布于長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合物源和安山巖島弧物源上。在Co/Th-La/Sc圖解中,洛河組砂巖具有低且相對(duì)穩(wěn)定的Co/Th值,平均為1.67,La/Sc值較高且變化較大,顯示出酸性和基性物源的混合特征。

圖7 大佛寺井田洛河組砂巖物源判別圖解Fig.7 Provenance discrimination diagram for sandstone of Luohe Formation in the Dafosi Wellfield

5 結(jié) 論

1)鄂爾多斯盆地南部大佛寺井田洛河組砂巖U/Th、Ni/Co、Ce/La、AU、Ceanom顯示洛河組沉積期為氧化環(huán)境。

2)Co元素含量特征指示洛河組沉積時(shí)屬于淺水環(huán)境,Sr/Ba、Th/U指示洛河組沉積水體為陸相淡水環(huán)境,Sr/Cu、Rb/Sr指示大佛寺井田洛河組沉積于干燥氣候背景。

3)相似的稀土配分模式顯示大佛寺井田洛河組砂巖物源來(lái)自于鄂爾多斯盆地南部的北秦嶺,洛河組的源巖主要為長(zhǎng)英質(zhì)、基性巖混合物源和安山巖島弧物源。