大佛寺井田洛河组砂岩地球化学特征及其对沉积环境和物源的制约.pdf

第 卷第 期 年 月西安科技大学学报 蔡癑，罗旭东，周对对，等 大佛寺井田洛河组砂岩地球化学特征及其对沉积环境和物源的制约 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：陕西省教育厅一般专项科研计划项目（）；自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室开放课题项目（）；西安科技大学博士启动项目（）；陕煤化工集团科技项目（）第一作者：蔡癑，女，陕西岐山人，讲师，：通信作者：魏少妮，女，陕西周至人，副教授，：大佛寺井田洛河组砂岩地球化学特征及其对沉积环境和物源的制约蔡癑，罗旭东，周对对，刘家鹏，何静，汪庆国，李登科，魏少妮（西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 ；西安科技大学 煤炭绿色开采地质研究院，陕西 西安 ；陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西 西安 ；陕西彬长大佛寺煤矿有限责任公司，陕西 彬州 ）摘要：下白垩统洛河组含水层是鄂尔多斯盆地南部大佛寺井田煤炭开采的主要充水含水层，为查明洛河组沉积期古环境、古气候及物质来源，系统采集样品开展微量元素及稀土元素地球化学分析。结果表明：洛河组砂岩氧化还原判别指标数值较低，为 ，平均 ；为 ，平均 ；为 ，平均 ；为 ，平均 ，指示洛河组沉积期为氧化环境；含量为 ，平均 ，定量计算出沉积期的平均古水深为 ，属于浅水环境；比值中等，为 ，平均 ；比值较高，为 ，平均 ，指示洛河组沉积期为陆相淡水环境；比值较高，为 ，平均 ；比值较低，为 ，平均 ，指示干燥气候背景下沉积，大佛寺井田洛河组为干燥气候背景下氧化环境中的陆相浅水沉积。洛河组砂岩具有与北秦岭较一致的稀土配分模式，指示物源来自北秦岭，主要为长英质、基性岩混合物源和安山岩岛弧物源。关键词：地球化学；洛河组；古沉积环境；物质来源中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，第 期蔡癑，等：大佛寺井田洛河组砂岩地球化学特征及其对沉积环境和物源的制约（，；，；，；，）：，；，；，；，；，；，：；引言大佛寺井田位于鄂尔多斯盆地一级构造单元渭北隆起北部。下白垩统洛河组厚度为 ，平均 ，是井田内煤炭开采的主要充水含水层。受物源、沉积环境及构造运动等因素的影响，洛河组岩性、岩相、渗透性、富水性等特征在空间分布上存在差异，导致出水形式特殊，瞬时水量大，是煤炭开采主要水害威胁，严重制约安全生产进程。围绕鄂尔多斯盆地洛河组 环河华池组开展大量研究工作，侯光才、谢从瑞和李嘉璐等从水文地质角度出发，系统查明盆地白垩系洛河组 环河华池组地下水赋存特征、水文地质参数、含水介质孔隙特征和水化学特征等 ；李超峰等从防治水角度出发，提出洛河组精细化勘探概念，对洛河组含水层进行垂向差异性研究 ；郭小铭对洛河组垂向沉积控水模式及煤矿开采扰动含水层流场响应特征进行研究，优化了洛河组含水层疏放措施 ；李文平等对盆地巨厚白垩系下煤层开采突泥溃砂物源进行研究，构建了突泥溃砂成灾的地质模型 ；魏斌等以鄂尔多斯盆地为研究单元，从盆地尺度开展白垩系洛河组 环河华池组的沉积相类型划分，认为洛河组主要为冲积扇相、辫状河相、沙漠相和风成沉积相 ；李玉宏等对盆地沉积相进行了区域划分，认为大佛寺井田洛河组主要为河流相沉积 ；谢渊等系统分析了白垩系黏土矿物的分布特征及其形成时的沉积 成岩环境，认为白垩纪盆地处于干旱 半干旱气候环境 ；张忠义通过对白垩系沉积特征研究，认为洛河组物源主要为盆地南部的秦岭、西部的六盘山贺兰山 。目前对洛河组形成时期的古沉积条件以及物质来源的研究多以盆地尺度展开，鄂尔多斯盆地南缘洛河组沉积特征有待深入研究，从地球化学角度开展的沉积特征研究有待探索。沉积岩的微量元素和稀土元素对沉积期水介质变化较敏感，是古沉积环境恢复及沉积物源分析的有效手段。如 、等可用于古氧化环境的判别 ，元素可用于古水深的定量计算 ，、常用于古盐 度 分析 ，、可用于古气候的恢复 。微量元素的构造判别图解可提供物源区性质的重要信息 。以大佛寺井田白垩系洛河组为研究对象，系统采集样品开展微量及稀土元素地球化学分析，重建洛河组沉积期的古环境与古气候条件，查明其物质来源及源岩属性，揭示洛河组沉积环境演化过程，为白垩系地下水资源的勘查开发利用和矿井水害防治提供依据。区域地质背景鄂尔多斯盆地位于华北地台西部，为一走向南北，东缓西陡的中生代不对称向斜盆地，盆地四周被山地环绕，北起阴山，南至秦岭，西接贺兰山六盘山，东达吕梁山。内有伊盟隆起、西缘逆冲带、天环坳陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带、渭北隆起个一级构造单元。大佛寺井田位于渭北隆起北部，总体呈走向近北东向，倾向近北的波状单斜构造（图 ）。井田范围内白垩系地层自上而下划分为华池组、洛河组、宜君组。洛河组在井田范围广泛分布，与下伏宜君组连续沉积。岩性为棕红色巨厚层状 厚层状细、中、粗粒长石砂岩夹砾质砂岩及暗棕红色薄层泥岩，发育平行层理、板状交错层理、槽状交错层理等。样品采集与分析方法本次 地 球 化 学 测 试 样 品 采 自 和 两口钻井，从洛河组底板至顶板，总计 件样品（图 、图 ）。将采集到的新鲜砂岩样品在颚式破碎机上进行粗碎，无污染的条件下人工研磨至 目。粉末样品溶解于 、及 混合物中，在 环境下消解 后用王水浸提，配成 溶液。溶液样品通过带有 的电感耦合等离子体质谱仪（）测定，微量元素的分析误差 ，符合硅酸盐岩石化学分析方法（标准）。?西 安科技大学学报 年第 卷图 鄂尔多斯盆地构造区划（据文献 修改）（）测试结果洛河组砂岩具有非常一致的微量元素含量特征（图 ）。在原始地幔标准化的微量元素蛛网图上，洛河组砂岩整体富集 、等不相容元素，相容元素含量较低。、呈现明显的负异常，正异常显著（图 （）。稀土元素含量整体偏低，为 ，平均 ，略低于大陆上地壳（）的稀土元素总量 。为 ，平均 ，为 ，平 均 。为 ，平均 。在球粒陨石标准化的稀土配分模式上，曲线呈右倾型，轻稀土富集，重稀土平坦分布（图 （）。（）为 ，平均 ，指示轻重稀土分异较强。（）为 ，平均 ，（）为 ，平均 ，指示洛河组砂岩轻稀土元素分馏程度总体强于重稀土元素，值为球粒陨石标准化数值 。为 ，平均 ，显示 正异常。第 期蔡癑，等：大佛寺井田洛河组砂岩地球化学特征及其对沉积环境和物源的制约?图 大佛寺矿区 （左）和 （右）钻孔柱状图及采样位置 （）（）讨论 古氧化还原环境沉积物氧化还原敏感元素比值被广泛应用于古沉积环境判识 。、在不同沉积环境下的赋存状态不同，在还原条件下溶解度低，氧化条件下易被氧化，发生迁移，元素无论在什么样的沉积环境下溶解度都不高，容易富集在沉积物中。元素在氧化环境中易发生迁移，还原状态下易发生沉淀。在还原环境中比 敏感，造成沉积物中 比值增大。张天福等通过对鄂尔多斯盆地北部延安组 直罗组泥岩研究认为，指示氧化环境，指示还原环境；指示氧化环境，指示还原环境 ；通过测量碎屑物质中 和 含量之间的关系，提出自生 的计算公式为：，认为 代表氧化环境，代表缺氧环境 。鄂尔多斯盆地南部大佛寺洛河组砂岩 为 ，平均 ；为 ，平均 ；为 ，平均 （表 ），指示氧化环境（图 ）。表 氧化还原环境微量元素判别指标 微量元素数据还原环境弱氧化 弱还原环境氧化环境洛河组砂岩最小值 最大值平均值 稀土元素同样可用于判别古氧化还原环境，元素对外界环境变化反应敏感，氧化环境中溶?图 洛河组岩芯照片?图 大佛寺井田洛河组砂岩微量元素蛛网和稀土配分模式（标准化数据据 ；阴影数据据 ）（；）解度较低，表现为亏损，还原环境下表现为富集。等提出的 异常参数 。（）为北美页岩标准化数值，是目前常见的判断古氧化还原条件的指标。时，指示还原环境；时，指示氧化环境。同样可用于判别氧化还原环境，指示为氧化环境，为还原环境 。大佛寺洛河组砂岩样品的 为 ，平均 ，为 ，平均 （表 ），进一步指示为氧化环境。由岩石学观察可知，洛河组砂岩整体呈现棕红色，指示氧化环境下沉积。综合以上分析结果可知，大佛寺井田洛河组砂岩形成于氧化背景。古水深与古盐度沉积时期的水体深度既与古氧化还原环境息?息相关又是恢复古沉积环境的重要参数。沉积物中 元素的丰度值可以反映出沉积物的沉积速率，可用于古水深的定量计算 ，。（）（）（）（）式中为古水深，；为样品沉积时的沉积速率，；为沉积物的沉积速率，与具体的沉积相带有关，浅滨湖沉积速率 ，三角洲前缘 ，河流沉积速率 。大佛寺井田洛河组砂岩形成于河流环境 ，沉积速率为 ；为样品中 的丰度，；为物源 对样品的贡献值；为样品中 的丰度，；为正常湖泊沉积物中 的丰度，；为陆源碎屑岩中 的丰度，；为陆源碎屑岩中 的平均丰度，。计算结果显示，大佛寺井田洛河组沉积期古水深为 ，平均 。岩性和沉积构造也可判断古水深的相对深度。沉积物中的砂质含量会随着沉积水体深度的增加而减少，相应的黏土质含量则会增加。砾岩、砂岩对应水深为 ，泥质粉砂岩对应水深为 ，西 安科技大学学报 年第 卷?图 大佛寺井田洛河组砂岩氧化还原判别图解 第 期蔡癑，等：大佛寺井田洛河组砂岩地球化学特征及其对沉积环境和物源的制约暗色泥岩水深 。深水和较深水区主要形成微细水平层理，连续韵律发育，浅水地区层理类型多样，大型交错层理、平行层理、沙纹层理等发育 。大佛寺井田洛河组主要沉积砂岩和砾岩，平行层理、板状交错层理、槽状交错层理等发育。岩性和沉积构造均表明沉积时期水体深度较浅。沉积时期的古水深还可以反应出当时的沉积环境，沉积环境水体深度的不同，含氧程度也不相同。小于 为浅水环境，水体充氧程度高，为氧化环境；到 之间为半深水环境，表现为弱氧化 弱还原环境；大于 为深水环境，表现为强还原环境 。由古水深计算结果可知，洛河组砂岩仅有一个样品指示水深大于 ，其余均小于 ，平均 ，指示浅水环境，与上文得出的氧化背景相吻合。古盐度是指保存于沉积物之中的所有可溶盐的质量分数，是区分海相和陆相环境的重要标志。常用作古盐度的恢复，原理是 与 的化学性质相近，但 的迁移能力高于 ，更容易迁移到大洋深处，在淡水沉积中容易形成沉淀。是海洋沉淀；为陆相微咸水或淡水环境；之间为海陆过度的半咸水环境 。大佛寺井田洛河组砂岩 为 ，平均 ，指示淡水 半咸水环境。也可以用来判断古盐度。容易被黏土矿物吸附，容易淋失。海相沉积物中 小于 ，陆相则高 。大佛寺井田洛河组砂岩样品测试结果显示 为 ，平均 ，结合 （表 ），认为大佛寺井田洛河组砂岩沉积水体为陆相淡水环境。表 古盐度微量元素判别指标 微量元素咸水（海相）半咸水（海陆过度相）淡水（陆相）洛河组砂岩最小值 最大值 平均值 古气候沉积物中的微量元素在不同的气候环境中存在差异，喜干型元素为：、；喜湿型元素为：、。喜干型元素（）与喜湿型元素（）的比值可以反映古气候，指示温暖、湿润气候；表示炎热、干燥气候 。大佛寺洛河组砂岩 为 ，平均 ，指示干热气候。比值对气候变化敏感，相对稳定，易发生淋失，气候干旱时，降水较少，母岩中含有较多的 ，比值降低；气候湿润时，降水较多，部分淋失，比值升高。即 低值指示干旱气候，数值越高，气候越湿润 。大佛寺井田洛河组砂岩 为 ，平均 。通过对比 和 垂向演化曲线（图 ）发现两者在整体上呈现镜像变化的趋势，与前文提到的规律相一致。综合分析指示大佛寺井田洛河组砂岩为干旱炎热的古气候背景。沉积物源区物源分析是盆地分析的重要内容，是再现沉积盆地演化、古环境恢复的重要依据 。鄂尔多斯盆地物源主要来自盆地北部阴山和东北部大青山，西部“古陆梁”，西南部东祁连造山带，西北部阿拉善古陆以及南部秦岭造山带 。大佛寺井田洛河组砂岩形成于白垩世，燕山运动使得鄂尔多斯盆地发生了自三叠纪和侏罗纪后的第次拗陷，形成四周升起、封闭统一的盆地，这一过程使得盆地南部的秦岭有为大佛寺井田洛河组砂岩提供物源的可能。沉积岩稀土元素特征受控于相应物源区的岩石组成，相同来源的沉积岩具有相似的稀土元素配分模式。除 元素外，大佛寺井田洛河组砂岩的稀土元素配分模式与北秦岭片麻岩和变质沉积岩的稀土元素配分模式一致（图 （）。正异常的出现与热液输入增加?图 和 比值随深度变化曲线 或斜长石风化程度增大有关 。热液沉积情况可通过 判断，比值小于 时指示非热水沉积情况 。大佛寺井田 为 ，平均 ，指示非热水沉积环境，据此推断大佛寺井田 正异常与斜长石风化程度增大有关，沉积物质来源于北秦岭区域。除稀土配分模式外，地球化学性质相近的微量元素，在地质作用过程中不易发生分异，受后期风化、成岩等作用的影响相对较弱，可以很好地反应源区的地球化学信息 。和 源岩属性判别图解常被用于物质来源分析。如图 所示，洛河组砂岩样品在 图解中集中分布于长英质、基性岩混合物源和安山岩岛弧物源上。在 图解中，洛河组砂岩具有低且相对稳定的 值，平均为 ，值较高且变化较大，显示出酸性和基性物源的混合特征。?结论）鄂尔多斯盆地南部大佛寺井田洛河组砂岩 、显示洛河组沉积期为氧化环境。）元素含量特征指示洛河组沉积时属于浅水环境，、指示洛河组沉积水体为陆相淡水环境，、指示大佛寺井田洛河组沉积于干燥气候背景。）相似的稀土配分模式显示大佛寺井田洛河组砂岩物源来自于鄂尔多斯盆地南部的北秦岭，洛河组的源岩主要为长英质、基性岩混合物源和安山岩岛弧物源。参考文献（）：侯光才，张茂省，刘方，等 鄂尔多斯盆地地下水勘查研究 北京：地质出版社，谢从瑞，杨忠智，王永和，等 鄂尔多斯盆地白垩系沉积建造对地下水的控制 沉积与特提斯地质，（）：，（）：李嘉璐 鄂尔多斯盆地西南部地下水化学演化机制及水质评价 北京：中国地质大学（北京），：（），李超峰，虎维岳，刘英锋 洛河组含水层垂向差异性研究及保水采煤意义 煤炭学报，（）：，（）：郭小铭 彬长矿区洛河组沉积控水及开采扰动流场响应特征研究 北京：煤炭科学研究总院，：，李文平，朱厅恩，王启庆，等 鄂尔多斯盆地巨厚白垩系下煤层开采突泥溃砂物源及成灾模式 煤炭学报，（）：西 安科技大学学报 年第 卷?图 大佛寺井田洛河组砂岩物源判别图解 第 期蔡癑，等：大佛寺井田洛河组砂岩地球化学特征及其对沉积环境和物源的制约 ，（）：魏斌，张忠义，杨友运 鄂尔多斯盆地白垩系洛河组至环河华池组沉积相特征研究 地层学杂志，（）：，（）：李玉宏，李文厚，张倩，等 鄂尔多斯盆地及周缘沉积相图册 北京：地质出版社，谢渊，王剑，李令喜，等 鄂尔多斯盆地白垩系粘土矿物的分布特征及其沉积 成岩环境意义 地质通报，（）：，（）：张忠义 鄂尔多斯盆地白垩系洛河组 环河华池组沉积特征研究 西安：长安大学，：，张天福，孙立新，张云，等 鄂尔多斯盆地北缘侏罗纪延安组、直罗组泥岩微量、稀土元素地球化学特征及其古沉积环境意义 地质学报，（）：，（）：李守军，魏宁，耿耿，等 莱阳盆地上白垩统红土崖组、金刚口组微量元素地球化学特征与古环境分析 中国科技论文，（）：，（）：，：吴智平，周瑶琪 一种计算沉积速率的新方法 宇宙尘埃特征元素法 沉积学报，（）：，（）：王峰，刘玄春，邓秀芹，等 鄂尔多斯盆地纸坊组微量元素地球化学特征及沉积环境指示意义 沉积学报，（）：，（）：李得路 鄂尔多斯盆地南部三叠系延长组长 油页岩地球化学特征及古沉积环境分析 西安：长安大学，：，谭聪，袁选俊，于炳松，等 鄂尔多斯盆地南缘上二叠统 中下三叠统地球化学特征及其古气候、古环境指示意义 现代地质，（）：，（）：范玉海，屈红军，王辉，等 微量元素分析在判别沉积介质环境中的应用 以鄂尔多斯盆地西部中区晚三叠世为例 中国地质，（）：，：，（）：雷开宇，刘池洋，张龙，等 鄂尔多斯盆地北部侏罗系泥岩地球化学特征：物源与古沉积环境恢复 沉积学报，（）：，：，（）：，（）：，（）：，：，：杨梅 淮南煤田（以朱集矿为例）侵入岩和煤中稀土元素地球化学特征 合肥：中国科学技术大学，：，：，（）：，：杨力，陈福坤，杨一增，等 丹凤地区秦岭岩群片麻岩锆石 年龄：北秦岭地体中 新元古代岩浆作用和早古生代变质作用的记录 岩石学报，（）：，：，（）：，：，：，（）：，：，（）：，：，：梁子若 大青山地区石拐盆地侏罗纪沉积环境研究 成都：成都理工大学，：，张才利，高阿龙，刘哲，等 鄂尔多斯盆地长 油层组沉积水体及古气候特征研究 天然气地球科学，（）：，（）：徐亚军，杜远生，杨江海 沉积物物源分析研究进展 地质科技情报，（）：，（）：阎媛子 鄂尔多斯盆地湖盆中心长 致密油源 储识别与评价 西安：西北大学，：，赵思凡 黔东地区南沱组白云岩的稀土元素地球化学特征研究 贵阳：贵州大学，：，刘志臣，张远国，陈登，等 贵州遵义锰矿区“白泥塘层”硅质岩地球化学特征及其地质意义 矿物学报，（）：，“”，（）：（责任编辑：李克永）西 安科技大学学报 年第 卷