GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS AND ENVIRONMENTAL SIGNIFICANCE OF THE CARBONATE ROCKS IN QIXIA-MAOKOU FORMATION IN WESTERN ZHENXIONG, NORTHEASTERN YUNNAN
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摘要: 镇雄县安家坝一带中二叠统栖霞组-茅口组地层出露较好，沉积连续。以此剖面为基础，连续采集碳酸盐岩样品42个，根据其显微特征、元素相关性、元素组份含量及相关元素的比值特征，探讨了研究区碳酸盐岩沉积地球化学特征与古环境意义。研究表明（1）样品中CaO与SiO2、MgO呈现出比较明显的负相关关系，且后两者在岩石中的含量很低，说明样品在沉积和成岩过程中受陆源物质影响或改造的程度较小。（2）通过对元素含量以及相关元素比值的垂向分布特征分析，如Sr/Ba、MgO/CaO和V/V+Ni等，对不同沉积阶段进行了古水深和古氧相等方面的研究，数据表明茅口组沉积环境相比栖霞组具有较明显的差异。Abstract: Qixia-Maokou Formation in Middle Permain, in Anjiaba of Zhenxiong County, is well outcropped and continuously deposited. Making this section as the research object, collecting 42 samples of carbonate rocks, based on the microscopic characteristics, the elements correlation, the elements content as well as the ratio characteristics of the related elements, the geochemical characteristics and the paleo environmental significance of the carbonate rocks in the study area were discussed. Some conclusions have been drawn. Firstly there are obvious negative correlations between CaO and SiO2, MgO in the rock samples, and the contents of the latter two in rocks are rather low, which both indicate that the samples are less affected and transformed by the terrigenous material in the process of deposition and diagenesis. Secondly, based on the analysis of the element contents and the vertical distribution characteristics of the relevant elements ratios, such as Sr/Ba, MgO/CaO and V/V+Ni etc, and the study of the paleo-water depth and the paleo-oxygenation facies in different sedimentary stages, the data show that compared with Qixia Formation, the sedimentary environment of Maokou Formation has obvious difference.
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Key words:
- Carbonate rocks /
- Geochemical characteristics /
- palaeoenvironment /
- Qixia Formation /
- Maokou Formation
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0. 引言
前人对特定时期古环境和古气候的研究和重建, 主要是基于沉积时期的岩石矿物特征[1~3]、古生物特征[4~5]、遗迹组构和地球化学特征[6~7]等信息。近年来, 很多学者应用主量、微量元素和稳定同位素[8~9]在研究古海洋环境、海平面变化、古气候和古海水盐度等方面取得了系列进展。中二叠世栖霞组和茅口组地层是在全球大规模海侵背景下形成的一套碳酸盐岩, 然两者的沉积环境各有不同, 前人通过对扬子和华南等地栖霞组的研究[10~11], 认为其形成于缺氧的沉积环境, 一些学者通过对重庆地区栖霞组元素地球化学的研究[12], 探讨了栖霞组沉积时期的古水深、古氧相和古气候等特征; 前人对茅口组地层的研究则多与油气储层相关, 且多集中在四川盆地及周边, 部分学者对茅口组的层序格架、沉积微相和储层特征进行了较为深入的研究[13~15]。而针对云贵交界处乌蒙山区栖霞组和茅口组的沉积环境研究还不深入, 本文将对该区中二叠世栖霞组和茅口组进行地球化学结论分析, 以丰富其古海洋环境认识。
1. 区域地质背景
研究区位于云南镇雄和贵州赫章一带(见图 1a), 碳酸盐岩分布面积广泛, 沉积有半局限台地相的白云岩、白云质团块灰岩、开阔台地相的巨厚层生屑泥晶灰岩和发育于碳酸盐岩台地内部的台盆相的硅质岩(见图 1b)。在二叠系栖霞阶早期, 研究区继承了晚石炭世的古地理格局, 特提斯海水由南及南西方向侵入贵州[16], 此时黔西北为潮坪-泻湖相带, 在下伏剥蚀不整合面上形成了碎屑滨岸沉积, 发育了一套梁山组(P2l)砂页岩夹煤的组合, 构筑了碳酸盐台地的基座。
图 1 研究区地理位置图(a)和研究区碳酸盐岩地层分布特征(b)Figure 1. Location map of study area (a) and distribution characteristics of the carbonate rocks in the study area (b)栖霞阶中期海侵进一步扩大, 是古生代以来的最大海侵时期, 由于陆源物质供给减少, 研究区由半局限台地形成了开阔台地环境, 发育栖霞组(P2q)碳酸盐岩沉积, 岩石主要为颜色较深的微泥晶生屑灰岩。
祥播阶中早期, 研究区的古地理沉积格局延续了栖霞阶的特点, 但在东吴运动的影响下, 祥播阶晚期至茅口阶早期的古地理格局发生了改变, 由开阔台地环境向半局限台地转变, 沉积了茅口组(P2m)微泥晶生屑灰岩、亮晶藻砂屑生屑灰岩、燧石团块、条带灰岩、含藻屑蜓灰岩和叶状藻灰岩等, 而且在半局限台地内还发育有大小不等的深水槽状台盆沉积, 台盆内发育一套深灰色、灰黑色薄层具微细纹层的硅质岩。
2. 地层及岩石学特征
2.1 栖霞组地层沉积特征
根据岩性差异及生物群特征, 可大致分为两段(见图 2栖霞组)。
第一段总体为颜色深灰-灰黑色含泥质生屑灰岩和泥晶灰岩, 局部可见底部中厚层含碳泥质灰岩夹黑色炭质页岩(见图 2a), 岩石中含绿藻、蜓、双壳类等化石。
第二段底部为深灰、浅灰色块状-厚层状亮晶藻砂屑生屑灰岩, 向上见中厚层微晶至厚层泥晶生物屑灰岩, 藻砂屑生屑灰岩(绿藻), 顶部为厚-巨厚层含有机质泥质微晶至泥晶灰岩, 含有丰富的介形虫、有孔虫和绿藻以及腕足和双壳类化石。
2.2 茅口组地层沉积特征
茅口组地层顶底齐全, 出露连续, 岩石以深灰至浅灰色厚层块状灰岩, 燧石灰岩及藻灰岩为主, 夹少量白云质灰岩。生物以蜓类、有孔虫和藻类最丰富, 常见腕足类及棘皮。厚约215 m, 与下伏栖霞组连续沉积。本组依岩性及古生物差异, 可分三段(见图 2茅口组):
第一段产出浅灰、深灰色巨厚层-厚层块状细-粉晶白云岩、微-泥晶生屑灰岩, 泥晶藻屑灰岩和泥晶介壳灰岩。底部常以厚层白云质团块灰岩(豹斑状含硅质细—粉晶白云岩)(见图 2b)与下伏栖霞组分界, 其是茅口组沉积早期半局限台地沉积环境下的产物。
第二段以碳酸盐岩台地相沉积为主。在研究区内分布较广。主要岩性为深灰、灰黑色中薄层厚层微晶至泥晶生屑绿藻屑灰岩、燧石团块灰岩。底部常以富含有孔虫、腕足类的泥晶灰岩或大套燧石团块灰岩, 作为与下伏第一段厚层块状灰岩的划分标志。研究区内局部地区在本段层位还发育有台盆或台沟相沉积, 可见一套暗色薄层硅质岩, 发育水平层理, 因其发育于台地内部, 而往往形成局部封闭的缺氧环境。
第三段底部以微—泥晶棘皮屑红藻屑白云质灰岩与下伏巨厚层状黑色生物碎屑泥晶灰岩为界。中下部主要为棘皮屑、蜓屑等生屑红藻屑灰岩, 越向顶部绿藻屑越丰富, 上部常见叶状藻灰岩, 厚度8~10 m, 由底部普遍发育的红藻, 然后到红-绿藻, 直至上部出现的叶状藻, 反映了水体逐渐变浅的沉积环境。顶部为微泥晶生物(蜓、有孔虫)灰岩(见图 2c), 与上覆峨眉山玄武岩地层假整合接触(见图 2d)。
2.3 典型样品岩石学特征
通过对采集的42个碳酸盐岩样品进行的薄片观察, 发现以下几种主要的岩石类型(岩石命名主要以岩石内部结构特征以及各种颗粒的类型和含量为依据; 样品薄片中因照片视野范围有限, 部分生物化石未能在照片中显示)。
微泥晶生屑灰岩(见图 3a), 微—泥晶生物屑结构, 层状构造。样品基本上由生物屑及微—泥晶方解石填隙物等组分组成。生物屑特征为:藻屑(绿藻屑, 含量约15%)、蜓屑(含量约10%)、介形虫屑(含量约10%)、有孔虫屑(含量约5%)、腹足屑(含量约5%)、棘皮屑(含量约5%)、腕足屑(含量约5%)及少量其它门类生物屑(含量约5%, 三叶虫屑等)。除蜓屑、有孔虫屑保存较为完整其它门类破碎程度强烈、保存不完整。微—泥晶方解石填隙物对生物屑起胶结作用(相当于基底式胶结)。
图 3 碳酸盐岩显微照片(c为正交偏光+锥光, 其余为单偏光)(a)—第14层, 微泥晶生屑灰岩; (b)—第15层, 燧石结核灰岩; (c)—第19层, 细-粉晶生物屑含硅质灰质白云岩; (d)—第22层, 藻砂屑生物屑灰岩; (e)—第24层, 亮-泥晶棘皮屑蜓屑红藻屑灰岩; (f)—第25层, 有孔虫屑红-绿藻屑灰岩Figure 3. Hand specimens and photomicrographs of the carbonates with plane polarized light燧石结核灰岩(见图 3b), 微—泥晶骨针屑结构, 其中燧石基本上由生物屑及微—泥晶填隙物等组分组成。生物屑特征:约占样品总量70%。分布较为均匀。粒度基本上以砾砂级生物屑最为主见。见骨针屑(含量约65%)及其它门类生物屑(有孔虫屑、棘皮屑、介形虫屑、腕足屑等, 含量约5%)等, 多为石英(含量约50%)和方解石(含量约20%)替代。
细—粉晶生物屑含硅质灰质白云岩(见图 3c), 生物屑细-粉晶结构, 层状构造样品基本上由白云石基底、方解石基底及生物屑等组分组成。白云石基底特征为:约占样品总量50%, 分布较为均匀, 结晶粒度 < 0.25~0.03 mm, 细-粉晶级, 半自形, 粒状。方解石基底特征为:约占样品总量23%, 结晶粒度 < 0.25 mm, 细-粉-微-泥晶级, 它形, 粒状。生物屑特征为:约占样品总量25%, 分布较为均匀, 粒度基本上 < 2.00~0.06 mm, 以砂级生物屑最为主见, 种类见及介形虫屑(含量约10%)、腕足屑(含量约10%)及少量其它门类生物屑(含量约5%, 棘皮屑等), 破碎程度强烈、保存不完整, 为异地生物屑, 为白云石(含量约15%)及石英(含量约10%)替代。
藻砂屑生物屑灰岩(见图 3d), 样品基本上由粒屑(生物屑及藻内碎屑)及微-泥晶方解石填隙物等组分组成。生物屑特征为:约占样品总量45%。分布较为均匀。粒度基本上 < 5.00~0.06 mm, 以砾砂级生物屑最为主见。种类见及有孔虫屑(含量约10%)、蜓屑(含量约5%)、珊瑚屑(含量约5%)、介形虫屑(含量约5%)、腕足屑(含量约5%)、棘皮屑(含量约5%)、苔藓虫屑(含量约5%)及少量其它门类生物屑(含量约5%, 绿藻屑等)。有孔虫屑、蜓屑保存较为完整。藻内碎屑占样品总量25%, 粒度 < 2.00~0.06 mm, 为砂级藻内碎屑。呈次圆状、次椭圆状等, 为蓝绿藻及其分泌物粘结方解石质灰泥在塑性-半塑性条件下盆内打碎、盆内沉积的产物, 具分选性, 见藻迹。
棘皮屑蜓屑红藻屑灰岩(见图 3e), 亮-泥晶生物屑结构, 样品基本上由粒屑(生物屑及少量藻内碎屑)及亮—泥晶方解石填隙物等组分组成。生物屑特征为:约占样品总量65%。分布较为均匀。粒度基本上 < 5.00~0.06 mm, 以砾砂级生物屑最为主见。种类见及红藻屑(含量约35%)、蜓屑(含量约15%)、棘皮屑(含量约10%)及少量其它门类生物屑(介屑等, 含量约5%)。
有孔虫屑红-绿藻屑灰岩(见图 3f), 微-泥晶生物屑结构, 样品基本上由生物屑及微—泥晶方解石填隙物等组分组成。生物屑特征为:约占样品总量60%。分布较为均匀。粒度基本上 < 5.00~0.06 mm, 以砾砂级生物屑最为主见。种类见及绿藻屑(含量约15%)、红藻屑(含量约15%)、有孔虫屑(含量约10%)、介屑(介形虫屑、腕足屑等, 含量约10%)及少量其它门类生物屑(棘皮屑等, 含量约10%), 为方解石替代, 具泥晶化现象。
3. 地球化学特征
3.1 样品分析方法
在碳酸盐岩中, 各元素含量主要受原始沉积环境、陆源区及成岩作用的影响。通过对不同沉积阶段碳酸盐岩地球化学数据元素的纵向分布特征及相关比值分析, 可以恢复当时的沉积环境。
本次研究共采集碳酸盐岩样品42个, 测试工作在国家地质实验测试中心完成, 主量元素的检测依据:GB/T14506.28-2010。方法要点:称取试样0.5000 g, 于1200 ℃左右熔融制成玻璃片, 使用X-射线荧光光谱仪(XRF)测定。其方法精密度RSD < 2~8%。微量元素的检测依据为DZ/T 0223-2001和《国家地质实验测试中心检定细则》。使用等离子体质谱仪ICP-MS测定, 其方法精密度RSD < 2~10%。测试结果详见表 1。
表 1 栖霞-茅口组碳酸盐岩主量(%)和微量(×10-6)分析结果Table 1. The analysis results of the major elements (%) and trace elements (×10-6) of the carbonate rocks in Qixia-Maokou formation样品号 岩性 SiO2 Al2O3 CaO MgO Sr Ba V Ni Ti Mg MgO/CaO Sr/Ba Ni/V V/V+Ni Y1 泥晶生物屑灰岩 1.29 0.22 54.55 0.53 196.00 5.35 18.30 0.05 40.20 0.32 0.010 36.64 0.00 1.00 Y2 泥晶生物屑灰岩 0.83 0.09 54.99 0.62 304.00 3.11 3.65 0.05 13.70 0.37 0.011 97.75 0.01 0.99 Y3 微—泥晶生物屑灰岩 0.87 0.22 54.54 0.71 284.00 9.45 5.98 0.05 36.20 0.43 0.013 30.05 0.01 0.99 Y4 生物屑微—泥晶灰岩 0.69 0.14 54.96 0.55 383.00 4.40 12.80 0.05 22.10 0.33 0.010 87.05 0.00 1.00 Y5 微—泥晶生物屑灰岩 0.39 0.15 54.72 0.54 776.00 10.80 22.40 8.25 27.00 0.32 0.010 71.85 0.37 0.73 Y6 微—泥晶生物屑灰岩 0.40 0.11 54.75 0.63 631.00 8.17 21.80 7.62 23.00 0.38 0.012 77.23 0.35 0.74 Y7 微—泥晶生物屑灰岩 0.87 0.10 54.54 0.63 1322.00 11.50 12.30 9.43 20.00 0.38 0.012 114.96 0.77 0.57 Y8 亮—泥晶含藻砂屑生物屑灰岩 1.00 0.04 51.47 0.46 528.00 1.38 2.33 9.06 13.50 0.28 0.009 382.61 3.89 0.20 Y9 微—泥晶生物屑灰岩 1.59 0.06 54.83 0.38 594.00 1.75 3.98 6.54 6.63 0.23 0.007 339.43 1.64 0.38 Y10 微—泥晶含藻砂屑生物屑灰岩 1.57 0.05 55.00 0.38 347.00 1.39 2.90 0.05 8.20 0.23 0.007 249.64 0.02 0.98 Y11 微—泥晶含藻砂屑生物屑灰岩 0.01 0.04 55.95 0.30 233.00 2.06 1.25 3.45 6.47 0.18 0.005 113.11 2.76 0.27 Y12 泥晶生物屑灰岩 0.28 0.13 52.77 2.48 384.00 2.28 11.80 19.10 32.70 1.49 0.047 168.42 1.62 0.38 Y13 瘤状生物屑微—泥晶灰岩 1.79 0.07 53.98 0.66 543.00 2.02 12.10 16.00 12.90 0.40 0.012 268.81 1.32 0.43 Y14 含硅质含灰质生物屑细—粉晶白云岩 12.66 0.25 49.42 7.97 410.00 7.32 21.10 4.21 63.90 4.78 0.161 56.01 0.20 0.83 Y15 介屑有孔虫屑微—泥晶灰岩 0.78 0.08 55.21 0.49 912.00 2.92 12.10 7.58 19.30 0.29 0.009 312.33 0.63 0.61 Y16 泥晶绿藻屑灰岩 1.27 0.08 54.11 0.74 479.00 1.97 5.40 0.53 12.90 0.44 0.014 243.15 0.10 0.91 Y17 微—泥晶生物屑灰岩 1.82 0.05 53.99 0.80 556.00 2.74 19.20 2.24 18.60 0.48 0.015 202.92 0.12 0.90 Y18 泥晶绿藻屑灰岩 1.26 0.07 54.28 0.88 540.00 3.06 13.60 9.48 16.80 0.53 0.016 176.47 0.70 0.59 Y19 介屑(绿)藻屑微—泥晶灰岩 0.60 0.06 54.73 0.74 682.00 3.22 10.80 5.11 11.10 0.44 0.014 211.80 0.47 0.68 Y20 微—隐晶硅质岩或燧石 88.97 0.29 40.38 0.07 174.00 6.70 8.89 4.89 28.20 0.04 0.002 25.97 0.55 0.65 Y21 绿藻屑泥晶灰岩 1.59 0.07 54.39 0.61 760.00 2.68 4.77 8.39 12.70 0.37 0.011 283.58 1.76 0.36 Y22 泥晶绿藻屑灰岩 1.21 0.04 54.41 0.77 710.00 2.47 14.00 8.66 10.60 0.46 0.014 287.45 0.62 0.62 Y23 微—泥晶含藻砂屑生物屑灰岩 1.41 0.04 54.81 0.47 495.00 1.68 5.58 1.42 7.14 0.28 0.009 294.64 0.25 0.80 Y24 微—泥晶藻砂屑生物屑灰岩 1.31 0.03 54.74 0.40 662.00 4.00 5.50 0.05 4.34 0.24 0.007 165.50 0.01 0.99 Y25 微—泥晶生物屑灰岩 0.22 0.05 55.53 0.38 376.00 2.88 20.50 7.59 7.10 0.23 0.007 130.56 0.37 0.73 Y26 微—泥晶生物屑灰岩 1.58 0.09 54.53 0.56 335.00 3.60 8.31 17.20 21.50 0.34 0.010 93.06 2.07 0.33 Y27 微—泥晶含藻砂屑生物屑灰岩 0.86 0.08 54.78 0.68 327.00 3.17 7.85 3.20 22.90 0.41 0.012 103.15 0.41 0.71 Y28 生物屑泥晶灰岩 6.24 0.11 51.13 0.57 324.00 3.58 9.05 13.30 21.40 0.34 0.011 90.50 1.47 0.40 Y29 生物屑泥晶灰岩 0.02 0.03 55.77 0.40 498.00 3.00 3.11 22.30 8.38 0.24 0.007 166.00 7.17 0.12 Y30 生物屑泥晶灰岩 5.50 0.03 52.47 0.42 468.00 2.25 5.72 15.30 5.19 0.25 0.008 208.00 2.67 0.27 Y31 微—泥晶棘皮屑红藻屑含白云质灰岩 0.03 0.03 50.19 2.01 376.00 3.42 5.26 20.50 4.24 1.21 0.040 109.94 3.90 0.20 Y32 亮—泥晶含藻砂屑棘皮屑红藻屑灰岩 0.01 0.02 55.67 0.38 465.00 3.90 2.35 12.40 3.39 0.23 0.007 119.23 5.28 0.16 Y33 亮—泥晶含藻砂屑棘皮屑红藻屑灰岩 0.01 0.03 55.68 0.32 379.00 4.16 0.91 8.68 3.35 0.19 0.006 91.11 9.54 0.09 Y34 亮—泥晶棘皮屑蜓屑红藻屑灰岩 0.01 0.03 55.26 0.31 427.00 4.53 0.83 22.00 8.03 0.19 0.006 94.26 13.51 0.04 Y35 亮—泥晶蜓屑棘皮屑红藻屑灰岩 0.01 0.02 55.83 0.31 395.00 3.94 2.30 12.00 8.53 0.19 0.006 100.25 5.22 0.16 Y36 生物屑泥晶灰岩 0.08 0.07 55.95 0.40 461.00 1.56 2.57 20.40 10.60 0.24 0.007 295.51 7.94 0.11 Y37 微—泥晶红藻屑棘皮屑灰岩 0.12 0.06 55.59 0.46 315.00 2.21 5.81 14.00 10.10 0.28 0.008 142.53 2.41 0.29 Y38 微—泥晶有孔虫屑红—绿藻屑灰岩 0.06 0.07 55.11 0.78 441.00 1.98 10.20 15.50 11.00 0.47 0.014 222.73 1.52 0.40 Y39 泥晶介屑红—绿藻屑灰岩 0.20 0.16 54.81 0.54 1398.00 8.34 29.10 26.20 55.00 0.32 0.010 167.63 0.90 0.53 Y40 亮—泥晶有孔虫屑红—绿藻屑灰岩 0.22 0.05 55.29 0.55 563.00 2.62 2.68 16.60 13.80 0.33 0.010 214.89 6.19 0.14 Y41 红—绿藻屑泥晶生物屑灰岩 0.15 0.13 55.08 0.54 652.00 4.58 31.90 13.50 34.90 0.32 0.010 142.36 0.42 0.70 Y42 亮—泥晶红藻砂屑生物屑灰岩 0.16 0.06 55.70 0.44 520.00 3.07 2.86 21.10 15.20 0.26 0.008 169.38 7.38 0.12 3.2 主量元素地球化学特征
样品最明显的特征是Fe2O3、Na2O、K2O、P2O5和MnO等元素的含量极低, 多数都小于0.01%, 上述元素一般易于富集在代表陆源组分的铁泥质以及粘土矿物中, 这说明岩石中陆源组分的含量很低。样品在沉积和成岩过程中受陆源物质影响或改造的程度较小, 岩石数据具有较高的可信度。
样品中除去Y20硅质岩、Y14白云岩和Y31号白云质灰岩外, 其余样品中CaO和CO2的含量很高而且保持稳定, CaO含量在51.13%~55.95%之间, 平均为54.66%, CO2含量平均值为42.32%, 十分接近纯灰岩中CaO和CO2的化学成分理论值(56%和44%), 反映了比较稳定的沉积环境。且大多数样品中CaO与SiO2、MgO呈现出比较明显的负相关关系(见图 4a、4b), 且后两者在岩石中的含量又很低, 这说明大部分样品在成岩过程中遭受硅化和白云岩化改造作用的程度较小。
大部分岩石样品中陆源元素Al2O3与Ti的含量很低, 且呈强烈的正相关(R=0.83)。但值得注意的是栖霞组第1段岩石中Al2O3的含量明显高于其后期沉积的岩石(见图 4c), 这主要是因为栖霞组底部梁山组海陆交互相的碎屑岩含煤地层为栖霞组早期沉积提供了物源, 随着海侵不断扩大, 海平面逐渐升高, 沉积区离物源越来越远, 因此栖霞组沉积后期至茅口组沉积时期能够获得的陆源物质就更少, 在垂向上则表现为Al2O3和Ti含量的不断降低直至保持在某一平均数值水平。
4. 古海洋环境分析
4.1 古水深和离岸距离
Sr/Ba值由浅滩分别向局限海湾和深水斜坡-盆地方向随沉积水体的加深(或变浅)而增大(或变小), 可作为判断古水深的标志[17~18]。
Sr/Ba值常用来研究沉积区海水深度、沉积环境蒸发作用的强弱及其离岸距离。Sr、Ba的化学性质相近, 但Sr的迁移能力大于Ba, 一般情况下Ba多在近岸沉积物中富集, 因此靠近物源区的海相沉积物中Ba含量较高, 而Sr含量较低, 较高的Sr/Ba值反映沉积时期处于海水更深、离岸更远的环境[19]。图 5反映出, 栖霞组沉积开始至一段与二段界线处, Sr/Ba值由36.64迅速升高至339.43, 是栖霞组一段持续海侵的沉积地球化学响应; 第二段Sr/Ba值在波动中逐渐降低, 但整体维持在较高水平, 至栖霞组与茅口组界线处达到最低值56.01, 海水深度变浅, 产出的细粉晶白云岩是最明显的标志。
图 5 常量元素和微量元素分布特征Figure 5. Variation curves of major elements(%)and trace elements(×10-6)of carbonate rocks茅口组三个沉积阶段Sr/Ba平均值分别为200、168、155, 总体趋势具向上减小的特点。茅口组一段亲陆元素含量的减少以及Sr/Ba值明显的攀升, 是茅口组沉积初期海侵的响应, 至二段Sr/Ba值明显降低, 且这种现象延续到第三段初期, 该时期为整个茅口组沉积环境变化的转折期, 即岩性从第二段开阔台地环境下沉积的微泥晶灰岩变为第三段浅滩相的亮晶生屑灰岩, 显示了水体动能由弱到强的过程, 也是海平面相对升高的反映。经过短暂的波动(24层), 海平面在第三段上部开始新一轮的下降, 代表亲陆性质的Al2O3和Ti元素含量开始升高。
4.2 古氧相
具有敏感性氧化还原元素可以作为重建沉积水体古氧相的有效指标, 这些元素的溶解度及其比值与水体的氧化还原环境具有很好的耦合性。微量元素V/(V+Ni)和Ni/V比值常作为恢复水体氧化还原条件的地球化学指标。一般的V/(V+Ni)>0.54代表厌氧环境, 比值介于0.46~0.54之间表示贫氧的沉积环境, V/(V+Ni) < 0.46指示富氧的沉积环境[20]。栖霞组一段和二段V/(V+Ni)平均值依次为0.86和0.44, 分别代表强的还原环境和富氧环境, 说明第1段因海侵, 导致水体变深, 形成了缺氧环境, 第2段时期海水又逐渐变浅, 为深度适中的富氧环境, 这与Sr/Ba值具所反映的海水深度变化现象具有一致性; 茅口组一段至三段V/(V+Ni)平均值依次为0.73、0.5和0.25, 反映了茅口组沉积阶段海水由强还原环境、贫氧环境到富氧环境的逐渐过渡趋势, 但此过程不是一簇而就的, 每一阶段随着海水深度的变化存在着贫、富氧环境的交替。
4.3 古气候
灰岩的MgO/CaO值对古气候的变化具有良好的指示作用。当钠盐、钾盐等易溶性盐类不参与沉淀时, 在潮湿气候条件下, MgO/CaO值较低, 在干热气候条件下, MgO/CaO值较高[21~22]。如图 5所示, 栖霞组-茅口组样品MgO/CaO值总体偏低, 且整体变化幅度小, 平均值在0.008~0.012之间, 反映其沉积时期总体为潮湿气候。但值得注意的是在栖霞组与茅口组沉积界线处以及茅口组第2段和第3段界线处, MgO/CaO值出现了两次峰值(0.083和0.04), 说明在栖霞组向茅口组沉积转换过程中以及茅口组内部均出现过短暂的干燥气候时期, 产出的细粉晶灰质白云岩和白云质灰岩就是很好的证明。
4.4 物源供给情况
碳酸盐岩中Al2O3和Ti的含量与碎屑矿物的含量密切相关[23], 其含量量越高, 说明沉积区离物源区更近。纵向观察代表亲陆性质的Al2O3和Ti元素含量, 它们在整个沉积过程有三次较为明显的高值阶段:栖霞组沉积早期, 底部梁山组碎屑岩含煤地层为其提供了物源; 茅口组沉积早期和晚期, 海平面下降明显, 产出的云化斑状灰岩和细晶白云证明了其形成于离物源区更近, 气候干燥的半局限台地沉积环境。
5. 结论
本文对栖霞-茅口组剖面连续采集的碳酸盐岩样品进行了地球化学特征和沉积环境分析, 得出以下几点认识
1、Sr/Ba值的垂向分布特征表明:栖霞组沉积阶段, 海水经历了由浅变深再变浅的演变; 茅口组第一段和第三段的海侵反映出两次海水变深的过程, 具体到整个茅口组沉积时期, 表现为两次规模较大的海水由浅变深再变浅的循环, 但两次事件时间的持续性具有较大差异。
2、氧化还原环境的演变与海平面升降变化具有密切关系。栖霞组一段和二段V/(V+Ni)的平均值分别代表强的还原环境和富氧环境; 茅口组一段至三段V/(V+Ni)的平均值反映了海水由强还原环境、贫氧环境到富氧环境的逐渐过渡趋势, 其中第三段初期极低的V/(V+Ni)值, 是海平面升高后, 滩相富氧沉积环境的良好响应。
3、MgO/CaO值特征反映出仅在栖霞组向茅口组沉积转换过程中以及茅口组内部出现过短暂的干燥气候, 然而其余时期的MgO/CaO值总体偏低, 且整体变化幅度小, 代表了比较稳定的湿润气候环境。
4、纵观栖霞组和茅口组碳酸盐岩样品中Al2O3和Ti元素的含量变化发现, 在栖霞组沉积早期, 茅口组沉积初期和晚期, 有三次较为明显的高值阶段, 反映了沉积区离物源区更近的沉积环境, 其余大部分时期则为受陆源影响较小的远岸沉积环境。
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图 1 研究区地理位置图(a)和研究区碳酸盐岩地层分布特征(b)
Figure 1. Location map of study area (a) and distribution characteristics of the carbonate rocks in the study area (b)
图 3 碳酸盐岩显微照片(c为正交偏光+锥光, 其余为单偏光)
(a)—第14层, 微泥晶生屑灰岩; (b)—第15层, 燧石结核灰岩; (c)—第19层, 细-粉晶生物屑含硅质灰质白云岩; (d)—第22层, 藻砂屑生物屑灰岩; (e)—第24层, 亮-泥晶棘皮屑蜓屑红藻屑灰岩; (f)—第25层, 有孔虫屑红-绿藻屑灰岩
Figure 3. Hand specimens and photomicrographs of the carbonates with plane polarized light
图 5 常量元素和微量元素分布特征
Figure 5. Variation curves of major elements(%)and trace elements(×10-6)of carbonate rocks
表 1 栖霞-茅口组碳酸盐岩主量(%)和微量(×10-6)分析结果
Table 1. The analysis results of the major elements (%) and trace elements (×10-6) of the carbonate rocks in Qixia-Maokou formation
样品号 岩性 SiO2 Al2O3 CaO MgO Sr Ba V Ni Ti Mg MgO/CaO Sr/Ba Ni/V V/V+Ni Y1 泥晶生物屑灰岩 1.29 0.22 54.55 0.53 196.00 5.35 18.30 0.05 40.20 0.32 0.010 36.64 0.00 1.00 Y2 泥晶生物屑灰岩 0.83 0.09 54.99 0.62 304.00 3.11 3.65 0.05 13.70 0.37 0.011 97.75 0.01 0.99 Y3 微—泥晶生物屑灰岩 0.87 0.22 54.54 0.71 284.00 9.45 5.98 0.05 36.20 0.43 0.013 30.05 0.01 0.99 Y4 生物屑微—泥晶灰岩 0.69 0.14 54.96 0.55 383.00 4.40 12.80 0.05 22.10 0.33 0.010 87.05 0.00 1.00 Y5 微—泥晶生物屑灰岩 0.39 0.15 54.72 0.54 776.00 10.80 22.40 8.25 27.00 0.32 0.010 71.85 0.37 0.73 Y6 微—泥晶生物屑灰岩 0.40 0.11 54.75 0.63 631.00 8.17 21.80 7.62 23.00 0.38 0.012 77.23 0.35 0.74 Y7 微—泥晶生物屑灰岩 0.87 0.10 54.54 0.63 1322.00 11.50 12.30 9.43 20.00 0.38 0.012 114.96 0.77 0.57 Y8 亮—泥晶含藻砂屑生物屑灰岩 1.00 0.04 51.47 0.46 528.00 1.38 2.33 9.06 13.50 0.28 0.009 382.61 3.89 0.20 Y9 微—泥晶生物屑灰岩 1.59 0.06 54.83 0.38 594.00 1.75 3.98 6.54 6.63 0.23 0.007 339.43 1.64 0.38 Y10 微—泥晶含藻砂屑生物屑灰岩 1.57 0.05 55.00 0.38 347.00 1.39 2.90 0.05 8.20 0.23 0.007 249.64 0.02 0.98 Y11 微—泥晶含藻砂屑生物屑灰岩 0.01 0.04 55.95 0.30 233.00 2.06 1.25 3.45 6.47 0.18 0.005 113.11 2.76 0.27 Y12 泥晶生物屑灰岩 0.28 0.13 52.77 2.48 384.00 2.28 11.80 19.10 32.70 1.49 0.047 168.42 1.62 0.38 Y13 瘤状生物屑微—泥晶灰岩 1.79 0.07 53.98 0.66 543.00 2.02 12.10 16.00 12.90 0.40 0.012 268.81 1.32 0.43 Y14 含硅质含灰质生物屑细—粉晶白云岩 12.66 0.25 49.42 7.97 410.00 7.32 21.10 4.21 63.90 4.78 0.161 56.01 0.20 0.83 Y15 介屑有孔虫屑微—泥晶灰岩 0.78 0.08 55.21 0.49 912.00 2.92 12.10 7.58 19.30 0.29 0.009 312.33 0.63 0.61 Y16 泥晶绿藻屑灰岩 1.27 0.08 54.11 0.74 479.00 1.97 5.40 0.53 12.90 0.44 0.014 243.15 0.10 0.91 Y17 微—泥晶生物屑灰岩 1.82 0.05 53.99 0.80 556.00 2.74 19.20 2.24 18.60 0.48 0.015 202.92 0.12 0.90 Y18 泥晶绿藻屑灰岩 1.26 0.07 54.28 0.88 540.00 3.06 13.60 9.48 16.80 0.53 0.016 176.47 0.70 0.59 Y19 介屑(绿)藻屑微—泥晶灰岩 0.60 0.06 54.73 0.74 682.00 3.22 10.80 5.11 11.10 0.44 0.014 211.80 0.47 0.68 Y20 微—隐晶硅质岩或燧石 88.97 0.29 40.38 0.07 174.00 6.70 8.89 4.89 28.20 0.04 0.002 25.97 0.55 0.65 Y21 绿藻屑泥晶灰岩 1.59 0.07 54.39 0.61 760.00 2.68 4.77 8.39 12.70 0.37 0.011 283.58 1.76 0.36 Y22 泥晶绿藻屑灰岩 1.21 0.04 54.41 0.77 710.00 2.47 14.00 8.66 10.60 0.46 0.014 287.45 0.62 0.62 Y23 微—泥晶含藻砂屑生物屑灰岩 1.41 0.04 54.81 0.47 495.00 1.68 5.58 1.42 7.14 0.28 0.009 294.64 0.25 0.80 Y24 微—泥晶藻砂屑生物屑灰岩 1.31 0.03 54.74 0.40 662.00 4.00 5.50 0.05 4.34 0.24 0.007 165.50 0.01 0.99 Y25 微—泥晶生物屑灰岩 0.22 0.05 55.53 0.38 376.00 2.88 20.50 7.59 7.10 0.23 0.007 130.56 0.37 0.73 Y26 微—泥晶生物屑灰岩 1.58 0.09 54.53 0.56 335.00 3.60 8.31 17.20 21.50 0.34 0.010 93.06 2.07 0.33 Y27 微—泥晶含藻砂屑生物屑灰岩 0.86 0.08 54.78 0.68 327.00 3.17 7.85 3.20 22.90 0.41 0.012 103.15 0.41 0.71 Y28 生物屑泥晶灰岩 6.24 0.11 51.13 0.57 324.00 3.58 9.05 13.30 21.40 0.34 0.011 90.50 1.47 0.40 Y29 生物屑泥晶灰岩 0.02 0.03 55.77 0.40 498.00 3.00 3.11 22.30 8.38 0.24 0.007 166.00 7.17 0.12 Y30 生物屑泥晶灰岩 5.50 0.03 52.47 0.42 468.00 2.25 5.72 15.30 5.19 0.25 0.008 208.00 2.67 0.27 Y31 微—泥晶棘皮屑红藻屑含白云质灰岩 0.03 0.03 50.19 2.01 376.00 3.42 5.26 20.50 4.24 1.21 0.040 109.94 3.90 0.20 Y32 亮—泥晶含藻砂屑棘皮屑红藻屑灰岩 0.01 0.02 55.67 0.38 465.00 3.90 2.35 12.40 3.39 0.23 0.007 119.23 5.28 0.16 Y33 亮—泥晶含藻砂屑棘皮屑红藻屑灰岩 0.01 0.03 55.68 0.32 379.00 4.16 0.91 8.68 3.35 0.19 0.006 91.11 9.54 0.09 Y34 亮—泥晶棘皮屑蜓屑红藻屑灰岩 0.01 0.03 55.26 0.31 427.00 4.53 0.83 22.00 8.03 0.19 0.006 94.26 13.51 0.04 Y35 亮—泥晶蜓屑棘皮屑红藻屑灰岩 0.01 0.02 55.83 0.31 395.00 3.94 2.30 12.00 8.53 0.19 0.006 100.25 5.22 0.16 Y36 生物屑泥晶灰岩 0.08 0.07 55.95 0.40 461.00 1.56 2.57 20.40 10.60 0.24 0.007 295.51 7.94 0.11 Y37 微—泥晶红藻屑棘皮屑灰岩 0.12 0.06 55.59 0.46 315.00 2.21 5.81 14.00 10.10 0.28 0.008 142.53 2.41 0.29 Y38 微—泥晶有孔虫屑红—绿藻屑灰岩 0.06 0.07 55.11 0.78 441.00 1.98 10.20 15.50 11.00 0.47 0.014 222.73 1.52 0.40 Y39 泥晶介屑红—绿藻屑灰岩 0.20 0.16 54.81 0.54 1398.00 8.34 29.10 26.20 55.00 0.32 0.010 167.63 0.90 0.53 Y40 亮—泥晶有孔虫屑红—绿藻屑灰岩 0.22 0.05 55.29 0.55 563.00 2.62 2.68 16.60 13.80 0.33 0.010 214.89 6.19 0.14 Y41 红—绿藻屑泥晶生物屑灰岩 0.15 0.13 55.08 0.54 652.00 4.58 31.90 13.50 34.90 0.32 0.010 142.36 0.42 0.70 Y42 亮—泥晶红藻砂屑生物屑灰岩 0.16 0.06 55.70 0.44 520.00 3.07 2.86 21.10 15.20 0.26 0.008 169.38 7.38 0.12 
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