2. 深地资源勘查理论与技术协同创新中心, 山东 青岛 266580
2. Deep Resources Exploration Theory and Technology Collaborative Innovation Center, Qingdao 266580, Shandong Province, China
灰岩是一种以方解石为主要矿物的沉积岩,化学成分以CaCO3为主,以其简单的化学组成和简单的矿物组成为主要特点.人们对灰岩的研究可以追溯到20世纪40年代,最初以寻找油气资源为出发点,着手研究现代灰岩沉积物,后来又在现代灰岩研究的基础上,以“将今论古”的原理为依托,推动了古代灰岩沉积物的研究[1].近年来,随着对灰岩研究的深入,地质学者将灰岩与事件沉积、成岩作用和构造作用关联起来,在解决其岩石学特征、沉积相演化,特别是岩相古地理问题方面具有重要意义,而地球化学特征作为研究灰岩成因的重要手段,在沉积环境恢复工作中扮演着重要的角色[2-3].前人也对山东东部多个地区的沉积环境有研究,但是更多的是对郯庐断裂带、灵山岛等地的地球化学研究,即墨地区周戈庄剖面当前研究较少.研究表明,灵山岛地区为海相沉积环境,胶莱盆地内部属于陆相沉积环境,而周戈庄剖面位于胶莱盆地边缘,对周戈庄地区灰岩的成因、形成环境等均无定论.本文主要通过对山东即墨地区下白垩统灰岩进行沉积学和元素地球化学分析,通过对灰岩主量元素、微量元素、稀土元素及沉积环境特征等方面的详细研究,分析研究区的沉积环境和形成机制,以期有助于恢复古环境重建古气候,完善山东东部整个区域的沉积环境研究.
1 区域地质背景山东东部位于华北地区东部,大地构造位置上属于苏鲁造山带中段,位于华北与扬子克拉通的结合部分,发育有胶莱盆地.周瑶琪等提出,山东东部近海晚中生代存在一个规模较大的NE向展布的裂陷盆地,呈凹隆相间的构造格局[4](如图 1).早白垩世莱阳期山东东部近海裂陷盆地与胶莱盆地相连通,沉积一套海相浊积岩,早白垩世青山期由沿五莲-青岛、牟即断裂带分布的火山弧将两个盆地分割,局部地区存在潟湖入口处的沙坝相为海水侵入胶莱盆地的通道[4].即墨位于山东东部近海地区,为山东省青岛市市辖区,地处东经120°07′~121°23′,北纬36°18′~36°37′,濒临黄海,素有“青岛后院”之称.周戈庄剖面位于即墨田横镇周戈庄村,地处即墨区东部,GPS:36°29′25.57″N,120°55′57.65″E.
周戈庄剖面地层出露良好,主要发育早白垩世莱阳群和青山群(图 2).岩性以砂岩、粉砂岩为主,中间发育有火山岩侵入体和灰泥岩互层的夹层,地层柱状图如图 3所示.莱阳群主要出露有灰绿色、灰黄色中细-粗粒长石砂岩夹粉砂岩、页岩、含砾砂岩及少量砾岩.砾石成分复杂,可见多个韵律层.该剖面莱阳群厚约10 m,主要发育有紫红色粉砂岩与灰绿色泥质粉砂岩互层,可见块状构造,平行层理,粉砂岩之上为含砾粗砂岩.青山群不整合接触于莱阳群之上,主要发育有砂岩、砾岩、灰岩、火山岩,整体以砂岩为主,底部为砂岩和含砾粗砂岩,3.5 m处发育一套泥岩,夹有4层灰岩(图 4a、c).灰岩层呈层状和结核状两种形态交替出现,泥质含量丰富,滴加稀盐酸起泡,表明其钙质含量丰富.结核表面较为光滑,很少出现溶蚀孔洞等,颜色为灰色-灰黑色.结核状灰岩包裹于泥岩之中断续分布,略显杂乱,周围泥岩在灰岩结核周围呈环绕状,呈现“泥包灰”的地层结构特征(如图 4d),可见透镜状层理、波状层理、水平层理.灰岩层之上为一大套由含砾砂岩向泥岩过渡的正旋回,可见波状层理、水平层理,厚约22.2 m.上覆一套约3.2 m厚的玻屑凝灰岩,中间发育辉绿岩侵入体.上覆地层仍为一套约12.5 m厚的砂岩,砂岩之上覆盖一层火山碎屑岩,之上为薄层灰岩,发育波痕.灰岩之上约15 m厚的灰绿色砂岩向泥岩过渡的正旋回,泥岩中夹有两套灰岩(如图 4b).靠下的一套灰岩呈层状,靠上部的一套灰岩呈结核状,结核长轴向同一方向延伸,且与薄层状灰岩产状一致,顺层发育,成层性良好.顶覆一层薄层砂岩,可见方解石脉.
从即墨地区周戈庄剖面按灰岩层位系统采样,共采集6块灰岩样品.样品新鲜,无变质,取样位置如图 2、3所示.灰岩样品颜色呈灰色、灰黑色,产出状态有两种,一种为层状灰岩与泥岩互层产出;一种为团块状,夹于泥岩之中.对灰岩样品进行主量元素、微量元素及稀土元素测试,预处理及测试工作在山东省第八地质矿产勘查院实验测试中心完成.测试过程中,选取新鲜的灰岩样品,将岩石样品除水干燥,再进行碎样、烘干,得到干燥粉末,以备后续实验测试之用.主量元素依据国家标准GBT14506.08-2010,采用无水四硼酸锂/偏硼酸锂熔融-X射线荧光光谱法(XRF)测定,选择与样品矿物岩性接近的国家一级标准物质,样品分析误差为2%~5%;微量元素、稀土元素分析均采用美国赛默飞世尔科技生产的电感耦合等离子体质谱仪(ICAP-QC),测试溶液的制备均采用酸溶法.在数据分析中,灰岩稀土元素采用澳大利亚后太古宙页岩均值(PAAS)标准化处理方法.研究样品的主量元素、微量元素和稀土元素分析数据列于表 1~3.
灰岩样品手标本颜色为灰黑色,产出状态主要有层状灰岩和夹于泥岩中的团块状灰岩两种,镜下特征如图 5所示.周戈庄剖面的灰岩结构为细晶-微晶结构,主要矿物为方解石,矿物颗粒粒较细,泥质含量丰富,呈小团块状,以填隙物的形式充填于方解石之间,可见钙质胶结物,部分被溶蚀.通过镜下鉴定可以看出,灰岩在矿物成分、泥质含量、粒度、结构等方面大体一致,表明该套灰岩层沉积时沉积环境大致相同.
周戈庄剖面灰岩样品主量元素的测试结果扣除烧失量做归一化处理,见表 1.主量元素以SiO2和CaO为主,且CaO > SiO2,CaO含量为31.68%~44.08%,平均39.10%,SiO210.77%~25.50%,平均17.18%,其含量仅次于CaO,但SiO2含量变化幅度更大. Al2O3含量相对较高,为3.92%~5.76%,平均4.74%. TiO2、Fe2O3、FeO、MnO、MgO、K2O、Na2O、P2O5等其他主量元素的含量相对较低,整体上反映区内灰岩主要由方解石矿物组成.
研究表明,Al元素具有亲陆性特征,是典型的陆源元素,Mg元素具有亲海性的特征,是典型的亲海元素[5-6].由表 1可知,周戈庄剖面样品表现出明显的Si、Ca富集,Al相对富集及Mg相对亏损的特征,表明周戈庄剖面的灰岩具有明显的亲陆性特征. MgO/Al2O3可以用来判别成岩时期水体的古盐度[7]:陆相环境中MgO/Al2O3小于1,海陆过渡环境中MgO/Al2O3为1~10,海相沉积环境中MgO/Al2O为10~500.周戈庄剖面灰岩样品中MgO/Al2O3为0.33~0.74,平均值为0.46,指示陆相沉积环境. MgO/CaO值的大小和变化也可以反映古气候环境,MgO/CaO值越小表明气候越干旱[8-9].周戈庄剖面灰岩样品中,MgO/CaO的值为0.03~0.14,平均值为0.06,指示干旱炎热的气候环境.
灰岩沉积过程中,陆源组分会抑制方解石矿物的沉淀,SiO2、Al2O3与CaO呈现不同程度的负相关[10-11].由图 6可知,灰岩中SiO2、Al2O3与CaO呈现负相关,表明沉积时期受陆源影响较大.
沉积物中元素的分布规律、配分特征及相关比值等容易受到古气候、古环境的影响,灰岩元素的地球化学特征可以反映沉积环境的演化历程,尤其是微量元素会随着沉积过程中氧化还原条件的变化而发生亏损和富集[12-13].灰岩地球化学特征的研究着力于从特征元素含量、分布及其相关比值、微量元素异常、稀土配分模式等几方面分析,研究元素变化规律,约束古海水信息、沉积环境及构造背景等[14-15].由于微量元素及其相关比值对于氧化-还原环境、古盐度、古气候等水体及气候环境具有较强的敏感性,因此微量元素特征对于研究古海水的氧化还原条件、盐度、古气候特征有重要意义[16-17].
Ti是比较稳定的元素,主要以不溶性化合物形式存在,主要来源于陆源碎屑物质,碳酸盐岩中Ti含量同样与碎屑矿物的含量密切相关[11].研究区Ti含量为0.0014~0.0023,平均值为0.0017,远大于碳酸盐岩中Ti的平均含量0.0004 [18],表明其沉积作用主要受陆源影响.
V元素在有机质中被结合,而Cr元素一般在沉积物碎屑中出现,高V值指示还原环境[19],因而可以用V/Cr值来指示沉积环境的含氧量.周戈庄剖面灰岩样品V/Cr值为1.64~1.92(V/Cr < 2指示氧化环境),平均值为1.84,表明该区灰岩形成于氧化环境. U/Th值也是判断沉积环境的古氧化还原条件的重要指标,其值越大,表明沉积环境的还原性越强. U/Th > 1.25指示缺氧环境,U/Th值介于0.75~1.25指示贫氧环境,U/Th < 0.75代表氧化环境.周戈庄剖面灰岩样品U/Th值为0.48~0.84,平均值为0.71,指示氧化-贫氧环境.此外,周戈庄剖面灰岩样品Ni/Co值为1.83~2.45,平均值为2.11(Ni/Co < 5,指示氧化环境),表明其沉积环境为氧化环境.
自然水中Sr形成的化合物(主要是可溶性碳酸盐)的溶解度比Ba形成的化合物高.水体矿化度逐渐加大时,Ba元素以BaSO4的形式首先沉淀,而SrSO4溶解度较大,则留在水体中.所以Sr具有更强的迁移能力,可以迁移到远海再沉淀,因而在沉积物中Sr的丰度和Sr与Ba的比值与古盐度正相关. Sr/Ba是一项灵敏的判别古盐度的标志,常被用来区分咸水和淡水[20].周戈庄剖面灰岩样品Sr/Ba值为0.10~0.94,平均值为0.39,显示陆相沉积特征,为微咸水-半咸水相沉积(Sr/Ba < 0.6为微咸水相沉积). Sr/Cu的值可以用来分析沉积区的古气候特征和干湿程度[19],通常Sr/Cu > 5指示干热气候.周戈庄剖面灰岩样品Sr/Cu值为16.46~20.45,平均值为18.99,因此周戈庄剖面沉积的气候环境为干旱.
微量元素原始地幔标准化蛛网(如图 7)显示,研究区灰岩样品均表现出较好的一致性,所有样品元素变化趋势基本一致,平行分布.通过对表 2及图 7的分析可知,所有灰岩样品中Zr含量较低,含量为45.90×10-6~64.30×10-6,平均为55.62×10-6,低于页岩组合样(210×10-6)[21];Rb、Ba、U元素富集,平均含量分别为64.15×10-6、1109.26×10-6、3.68×10-6;Ta、Nb、Sr等元素亏损.综合分析地球化学微量元素数据发现,几种喜干性元素如Sr、Pb、Ta、U、Zn、Ba含量较高,而喜湿性元素如Cr、Ni、Co、Cs、Hf、Rb、Th、V含量较低,因此指示干旱气候环境[22].
周戈庄剖面灰岩稀土元素含量(表 3)表明,灰岩的稀土总量(∑REE)较高,为109.10×10-6~148.50×10-6,略低于北美页岩组合样(173.2×10-6)[23],暗示区域灰岩沉积时受陆源物质的影响较大[24]. LaSN/YbSN(SN代表后太古宙页岩标准化)为1.49~2.52,平均值为2.05.常用轻重稀土含量比值(LREE/HREE)衡量,LREE/HREE越大,表明轻稀土元素越富集,元素的分异程度越大[25].该剖面LREE/HREE较大,为11.26×10-6~13.70×10-6,表明研究区的灰岩轻稀土元素富集,重稀土元素亏损,轻、重稀土元素分异大[26].
周戈庄灰岩样品稀土元素后太古宙页岩标准化配分图如图 8.灰岩中Gd/Gd*(Gd/Gd*=GdSN/(2TbSN-DySN))为1.02~1.18之间,平均值为1.08.由图 8可知,Gd和Eu显示轻微正异常,Ce显示轻微负异常.灰岩中稀土元素均高于澳大利亚后太古宙中的元素含量页岩的分布特征.同样,也可利用LaSN/YbSN的比值特征反映样品中轻、重稀土元素的富集程度,比值越大,则表明轻稀土元素越富集[27].周戈庄地区灰岩Y/Ho的比值在27.99~29.94之间,接近于陆源碎屑岩Y/Ho正常值(北美页岩和后太古宙页岩Y/Ho平均值为27)[20, 22].由图 9a、b可知,样品中元素Zr和Th缺少明显的相关性,而Zr与∑REE呈较好的负相关,也说明灰岩为陆源沉积.此外成岩作用在影响岩石稀土元素变化时,常在改变岩石Ce异常值的同时会导致Ce/Ce*和Eu/Eu*的正相关关系,以及Ce/Ce*与∑REE之间的正相关关系.由图 9c、d可知,研究区灰岩的Ce/Ce*-Eu/Eu*、Ce/Ce*-ΣREE呈明显的相关性,表明周戈庄剖面灰岩的稀土元素地球化学组成受到了后期成岩作用的影响[28].
周戈庄剖面灰岩的主量元素以SiO2和CaO为主,其平均含量分别为17.18%和39.10%,Al2O3平均含量为4.74%,相对较高,其他主量元素的含量相对较低,且SiO2、Al2O3与CaO呈现负相关,MgO/CaO的值为0.03~0.14,MgO/Al2O3为0.33~0.74.微量元素Sr/Ba值为0.10~0.94,V/Cr值为1.64~1.92,Ni/Co值为1.83~2.45,U/Th值为0.48~0.84,Sr/Cu值为16.46~20.45,表明沉积时期为氧化环境,且受陆源影响较大,指示干旱炎热的陆相沉积环境.周戈庄剖面灰岩的稀土元素总含量较高,为109.10×10-6~148.50×10-6,轻重稀土分异大(LREE/HREE为11.26~13.70),LaSN /YbSN介于14.51~24.49之间,Gd和Eu显示轻微正异常,Ce轻微负异常,且Ce/Ce*与Eu/Eu*、ΣREE呈明显的相关性,表明周戈庄剖面灰岩的稀土元素地球化学组成受到了后期成岩作用的影响;Zr与Th缺少明显的相关性,而与∑REE呈较好的负相关,也说明灰岩为陆源沉积.对本地区沉积环境的研究有利于重建古气候,恢复古环境,对矿产的找寻与开发也具有指示意义.
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