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史冀忠, 牛亚卓, 许伟, 等. 银额盆地石板泉西石炭系白山组碳酸盐岩地球化学特征及其环境意义[J]. 吉林大学学报(地球科学版), 2021, 51(3): 680-693
Shi Jizhong, Niu Yazhuo, Xu Wei, et al. Geochemical Characteristics and Sedimentary Environment of Carboniferous Baishan Formation Carbonate in Shibanquanxi of Yingen-Ejin Banner Basin[J]. Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2021, 51(3): 680-693.
银额盆地石板泉西石炭系白山组碳酸盐岩地球化学特征及其环境意义
史冀忠, 牛亚卓, 许伟, 宋博, 王宝文     
中国地质调查局西安地质调查中心, 西安 710054
收稿日期: 2020-04-16
作者简介: 史冀忠(1983—), 男, 高级工程师, 主要从事油气基础地质调查研究, E-mail: shijizhong0241@sina.com
基金项目: 中国地质调查局项目（DD20190092）
摘要: 对银额盆地石板泉西石炭系白山组碳酸盐岩进行详细的地球化学分析，探讨各特征元素对古环境、古气候的指示意义。地球化学测试结果显示：除样品CH3外，其余样品主量元素中的Al及微量元素中的Ti、Zr、Th等典型陆源特征元素的含量较低，Y/Ho平均值为45.58，反映研究区白山组碳酸盐岩较少受陆源物质输入的影响；δCe与δEu、w（ΣREE）、（La/Sm）N未见良好的相关性，也不具备Eu正异常，说明研究区白山组碳酸盐岩受成岩作用和热液作用的影响也较为有限。碳酸盐岩中所含微量元素主要为海水自生成因，能够反映原始沉积环境。根据特征元素对古水深、古盐度、古气候、古氧相和古水温进行研究，显示研究区白山组碳酸盐岩段虽然岩性较为单一，但其地球化学特征可以反映早晚的沉积古环境差异。研究区白山组碳酸盐岩总体经历了1个大的海侵海退旋回，沉积于正常海水，气候潮湿，弱氧化—弱还原环境，古水温为8.51~27.10℃，早期水温低，晚期水温升高。
关键词: 银额盆地    白山组    碳酸盐岩    地球化学    古环境    
Geochemical Characteristics and Sedimentary Environment of Carboniferous Baishan Formation Carbonate in Shibanquanxi of Yingen-Ejin Banner Basin
Shi Jizhong, Niu Yazhuo, Xu Wei, Song Bo, Wang Baowen     
Xi'an Center, China Geological Survey, Xi'an 710054, China
Foundation item: Supported by the Project of China Geological Survey (DD20190092)
Abstract: In this study, the major elements, trace elements, and rare earth elements of carbonate rocks from the Carboniferous Baishan Formation were analyzed, and the paleo-environment and paleo-climate of the Shibanquanxi of Yingen-Ejin Banner basin were discussed. The results of geochemical tests showed that the rock has low contents of typical continental elements, such as Al、Ti、Zr and Th, except for sample CH3; Combine with the ratio of Y/Ho(45.58), terrestrial input in the study area is limited. Additionally, there is no strong correlation between δCe and δEu, w(ΣREE), and (La/Sm)N, and there is no positive Eu anomaly, indicating that the diagenesis and hydrothermal process had little impact on the sediments. The trace elements contained in the carbonate rocks are mainly self-generated by seawater, which can reflect the original sedimentary environment. The study of paleo-water depth, paleo-saltitude, paleo-climate, paleo-oxygen phase, and paleo-water temperature show that although the lithology of the carbonate section of the Baishan Formation is relatively simple, its geochemical characteristics can reflect the difference of sedimentary environment. The carbonate rocks of the Baishan Formation went through a huge transgression and regression cycle, and deposited in normal seawaterwith humid climate and weak oxidation-weak reduction environment. The paleo-water temperature was 8.51-27.10 ℃. The water temperature was low in the early stage, and increased in the late stage.
Key words: Yingen-Ejin Banner basin    Baishan Formation    carbonate rocks    geochemistry    paleo-environment    

0 引言

元素在沉积岩中迁移富集除了受自身的化学性质控制外，也受到古气候和古环境的影响，因此沉积岩中各元素的含量比值、配分模式及演化历程，可以记录沉积环境的变迁，是反映古环境良好的示踪剂[1-2]。目前，在碳酸盐岩的研究中，利用地球化学测试结果来恢复古水体的地球化学特征以及沉积环境，已成为一种较为普遍、可靠的方法，并且取得了良好的应用效果[3-6]。

银额盆地由于自然条件恶劣，目前勘探程度还较低。近年来，众多学者对该盆地做了大量基础地质研究，包括地层时代的厘定、烃源岩评价、层序地层与沉积演化、岩相古地理等[7-12]，但是关于古环境分析则显得略为薄弱。本文拟在实测剖面的基础上，对石板泉西石炭系白山组碳酸盐岩进行详细的岩石学及地球化学分析，对其沉积环境进行探讨，以期为研究银额盆地的沉积演化提供资料。

1 研究区地质概况

银额盆地位于华北板块、塔里木板块、哈萨克斯坦板块和西伯利亚板块的交汇带[13]，为古生代与中生代的叠合盆地，晚古生代石炭纪—二叠纪为裂谷盆地[14-15]，可划分为4个二级构造单元，即黑鹰山—额济纳旗坳陷带、马鬃山—拐子湖中间隆起带、柳园—巴丹吉林坳陷带和巴彦诺日公陆相断陷带[16-17](图 1a)。

Cz. 新生界；Mz. 中生界；P2. 中二叠统；P1. 下二叠统；C2. 上石炭统；C1. 下石炭统；Pz1. 下古生界；Pr. 前寒武系；γ. 岩体。 图 1 研究区石炭纪—二叠纪构造单元划分(a)和地质简图(b) Fig. 1 Tectonic units of Carboniferous-Permian(a)and geological sketch map(b)of the study area
图选项

石板泉西剖面位于甘肃省金塔县，处于柳园—巴丹吉林坳陷带的中部(图 1b)。1969年甘肃省地质局第一区域地质测量队在进行1∶20万旧寺墩幅、天仓幅区域地质调查时，在石板泉西碳酸盐岩中发现了丰富的海相动物化石，根据贵州珊瑚Kueichouphyllum和甘肃巨大长身贝Gigantoproductus等下石炭统常见的标准分子，将该套地层定为早石炭世①。段先锋等[18]根据珊瑚化石的分布由下至上划分为：Siphonodendron-Thysanophyllum组合和Yuanophyllum-Gangamophyllum组合，通过与我国其他地区生物地层的对比，确定其时代为早石炭世大塘期。

① 甘肃省地质局第一区域地质测量队.1∶20万旧寺墩幅(K-47-XXXIII)、天仓幅(K-47-XXXIV)区域地质测量报告. 北京：全国地质资料馆，1969.

石板泉西白山组厚度大于2 249 m，根据岩性特征可分为3段：下段火山岩段，主要为灰白色英安斑岩、英安岩、玄武岩和流纹岩；中段碳酸盐岩段，主要岩性为浅灰色、灰色生物碎屑灰岩、生物碎屑泥晶灰岩、生物碎屑微晶灰岩、鲕粒灰岩、生物礁灰岩和细晶灰岩(图 2)，含丰富化石，有珊瑚、腕足、双壳、苔藓虫、海百合茎、菊石、海绵骨针、藻类和棘皮等；上段火山岩段，主要为灰绿色英安岩、紫红色流纹岩和流纹斑岩。

图 2 研究区碳酸盐岩段综合柱状图及采样位置 Fig. 2 Comprehensive column and sampling position for carbonate rocks of the study area
图选项

根据岩性组合特征、古生物化石等对白山组碳酸盐岩段进行了沉积相的划分，划分为台地边缘浅滩相、台地边缘生物礁相和台地前缘斜坡相(图 2)。

2 样品及实验方法

采样层位为石炭系白山组碳酸盐岩段，为剖面的12-32层，总厚580.97 m。采样时沿剖面均匀采集，并选取新鲜和未经蚀变、矿化及风化的样品。共采集9件薄片、14件地球化学样品，采样位置见图 2。在中国地质调查局西安地质调查中心实验测试中心进行常量元素、微量元素及稀土元素分析。主量元素采用X射线荧光光谱法(XRF)测定，微量元素及稀土元素采用电感耦合等离子质谱仪法(ICP-MS)测定，分析精度优于5%。

3 岩石学特征

对采集的薄片在偏光显微镜下进行岩相学鉴定，岩性主要有生物碎屑泥晶灰岩、砂质生物碎屑粉晶泥晶灰岩、含有机质砂质泥灰岩、含砂质生物碎屑微晶灰岩和生物碎屑灰岩(图 3)。

a. 生物碎屑泥晶灰岩(B6)；b. 砂质生物碎屑粉晶泥晶灰岩(B7)；c. 含有机质砂质泥灰岩(B8)；d. 含砂质生物碎屑微晶灰岩(B9)；e、f、g、h. 生物碎屑灰岩，分别为B10、B11、B12、B14。 图 3 研究区碳酸盐岩显微照片 Fig. 3 Microscopic characteristics for carbonate rocks of the study area
图选项

生物碎屑泥晶灰岩(B6)：主要由细小的方解石泥晶组成，含有较多的生物碎屑。生物碎屑为有孔虫、壳类和藻类等，另外还有较多细小藻屑，颜色较深(图 3a)。

砂质生物碎屑粉晶泥晶灰岩(B7)：主要由生物碎屑(25%)、砂质(35%)和粉晶泥晶(40%)组成。生物碎屑为海百合茎；砂质为长石与石英，呈次圆状或次棱角状，粒径大小在0.10~0.25 mm之间。胶结物为细小方解石粉晶泥晶(图 3b)。

含有机质砂质泥灰岩(B8)：主要由泥灰质(70%)、砂质(25%)和有机质(5%)组成。泥灰质呈不规则显微层纹状构造，层纹由泥灰质与有机质构成，常呈透镜状；砂质为石英和长石，呈次圆状、次棱角状，粒径大小在0.03~0.20 mm之间；有机质除呈条纹状组成层纹外，还有些呈粒状或不规则粒状，零散分布(图 3c)。

含砂质生物碎屑微晶灰岩(B9)：主要由方解石微晶(58%)、生物碎屑(25%)、砂质(15%)和云母碎屑(2%)组成。生物碎屑为有孔虫；砂质为石英与长石，呈次棱角状或次圆状，粒径大小在0.03~0.20 mm之间；云母碎屑为白云母，粒径在0.10~0.20 mm之间。胶结物为方解石微晶(图 3d)。

生物碎屑灰岩(B10-B12, B14)：主要由生物碎屑(>50%)与方解石泥晶粉晶组成。生物碎屑有海百合茎、珊瑚、菊石、有孔虫和海绵骨针等。海百合骨板呈长方形，大小在1.00~6.00 mm之间，海百合基板中间有基孔，直径大小为1.20~2.00 mm；珊瑚横切面达1.00~2.00 mm；菊石达1.20 mm；有孔虫体长达0.80~2.00 mm；海绵骨针达1.20~2.00 mm。另外还有藻类和棘皮等生物碎屑。胶结物为细小方解石粉屑(图 3e、f、g、h)。

4 地球化学测试结果

研究区白山组碳酸盐岩的常量元素分析结果见表 1，微量元素分析结果见表 2，稀土元素分析结果及北美页岩标准化计算结果见表 3。

表 1 研究区碳酸盐岩常量元素分析结果 Table 1 Major elements analysis for carbonate rocks of the study area
样号 岩性 SiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO CaO MgO K2O Na2O TiO2 P2O5 MnO 烧失量
CH1 生物碎屑泥晶灰岩 5.77 1.71 0.61 0.12 50.59 1.10 0.13 0.46 0.08 0.02 0.03 39.32
CH2 生物碎屑微晶灰岩 2.51 0.80 0.27 0.12 53.12 1.17 0.08 0.07 0.04 0.02 0.02 41.74
CH3 含砂质生物碎屑微晶灰岩 23.90 2.44 0.93 0.28 39.40 0.87 0.15 0.86 0.19 0.03 0.04 30.86
CH4 生物碎屑灰岩 2.63 0.92 0.25 0.22 52.69 1.41 0.04 0.06 0.05 0.02 0.01 41.63
CH5 生物碎屑灰岩 2.84 0.48 0.05 0.15 53.49 0.91 0.03 0.05 0.04 0.01 0.01 41.91
CH6 生物碎屑灰岩 1.43 0.38 0.05 0.12 54.19 1.19 0.02 0.05 0.02 0.03 0.01 42.49
CH7 生物碎屑灰岩 1.61 0.37 0.01 0.15 50.12 4.66 0.02 0.05 0.03 0.02 0.01 42.91
CH8 生物碎屑灰岩 2.75 0.24 0.02 0.05 51.92 2.70 0.02 0.03 0.01 0.02 0.01 42.21
CH9 生物碎屑灰岩 2.99 0.38 0.02 0.10 53.66 0.84 0.03 0.04 0.01 0.02 0.01 41.86
CH10 生物碎屑灰岩 2.11 0.28 0.01 0.10 54.30 0.94 0.03 0.04 0.02 0.02 0.01 42.11
CH11 生物碎屑灰岩 1.34 0.22 <0.01 0.09 54.68 0.81 0.01 0.04 0.01 0.01 0.01 42.72
CH12 生物碎屑灰岩 0.79 0.31 0.02 0.06 55.85 0.40 0.03 0.04 0.01 0.02 < 0.01 42.42
CH13 生物碎屑灰岩 1.91 0.39 0.04 0.10 48.45 5.90 0.06 0.03 0.02 0.02 0.01 43.02
CH14 生物碎屑灰岩 2.58 0.47 0.06 0.12 54.08 0.68 0.08 0.04 0.02 0.03 0.01 41.79
注：常量元素质量分数单位为10-2。
表选项
表 2 研究区碳酸盐岩微量元素分析结果 Table 2 Trace elements analysis for carbonate rocks of the study area
样号 岩性 Ni Co Mo As Sr Ba V Sc Zr B Ga U Th
CH1 生物碎屑泥晶灰岩 19.40 3.92 0.94 3.08 848 71.10 14.50 2.79 17.90 2.92 2.64 1.83 1.91
CH2 生物碎屑微晶灰岩 19.90 3.19 1.12 3.23 1 360 54.40 15.20 1.53 11.90 3.47 1.33 1.92 0.96
CH3 含砂质生物碎屑微晶灰岩 14.20 3.01 2.32 16.90 952 45.20 22.80 2.61 125.00 15.80 2.49 2.55 4.42
CH4 生物碎屑灰岩 24.10 3.61 2.42 2.59 1 650 35.20 15.20 1.55 16.60 3.07 1.36 2.24 1.12
CH5 生物碎屑灰岩 19.00 3.24 0.73 1.80 1 890 38.40 11.00 1.04 16.40 3.36 0.60 1.81 0.74
CH6 生物碎屑灰岩 18.80 3.01 0.79 1.46 688 49.90 11.20 1.06 9.31 2.43 0.54 2.10 0.35
CH7 生物碎屑灰岩 15.30 2.77 0.72 1.24 868 40.40 15.90 1.07 16.80 2.29 0.73 1.90 0.41
CH8 生物碎屑灰岩 15.60 2.49 0.86 1.43 672 34.10 12.30 0.84 11.20 2.63 0.55 1.52 0.56
CH9 生物碎屑灰岩 16.00 2.56 0.94 3.19 698 35.30 11.40 0.97 10.30 2.53 0.70 1.00 0.40
CH10 生物碎屑灰岩 14.20 2.55 0.87 2.15 759 30.80 12.70 0.83 8.98 2.85 0.56 1.59 0.53
CH11 生物碎屑灰岩 16.60 2.67 0.75 3.71 831 30.00 12.90 0.82 9.90 2.72 0.44 1.71 0.48
CH12 生物碎屑灰岩 16.60 2.72 0.43 1.13 388 36.90 12.20 0.81 9.42 2.60 0.62 0.87 0.34
CH13 生物碎屑灰岩 13.70 2.55 0.92 3.06 577 44.10 17.60 0.91 7.91 2.72 0.64 3.59 0.48
CH14 生物碎屑灰岩 17.20 2.75 0.66 2.75 928 49.20 16.00 1.26 7.74 2.76 0.79 1.66 0.45
注：微量元素质量分数单位为10-6。
表选项
表 3 研究区碳酸盐岩稀土元素及北美页岩标准化计算结果 Table 3 Rare earth elements analysis and NASC-normalized result for carbonate rocks of the study area
样号 岩性 La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb
CH1 生物碎屑泥晶灰岩 7.21 13.80 1.59 5.86 1.08 0.22 1.01 0.15 0.92 0.18 0.50 0.07 0.50
CH2 生物碎屑微晶灰岩 5.17 9.53 1.06 3.96 0.82 0.19 0.68 0.10 0.66 0.14 0.38 0.06 0.36
CH3 含砂质生物碎屑微晶灰岩 11.80 23.60 2.64 9.66 1.99 0.35 1.74 0.28 1.68 0.36 1.02 0.16 1.07
CH4 生物碎屑灰岩 3.27 6.06 0.65 2.39 0.53 0.12 0.46 0.07 0.44 0.09 0.24 0.04 0.24
CH5 生物碎屑灰岩 3.10 5.16 0.54 2.07 0.58 0.13 0.48 0.08 0.46 0.09 0.26 0.04 0.24
CH6 生物碎屑灰岩 2.26 3.87 0.41 1.43 0.30 0.06 0.28 0.05 0.29 0.06 0.15 0.02 0.14
CH7 生物碎屑灰岩 2.42 4.99 0.53 1.95 0.39 0.10 0.40 0.07 0.42 0.09 0.24 0.04 0.23
CH8 生物碎屑灰岩 2.12 4.13 0.46 1.66 0.36 0.08 0.40 0.07 0.46 0.10 0.29 0.05 0.29
CH9 生物碎屑灰岩 3.21 5.52 0.60 2.21 0.42 0.11 0.53 0.09 0.56 0.12 0.36 0.06 0.38
CH10 生物碎屑灰岩 2.84 4.79 0.53 2.01 0.43 0.11 0.46 0.08 0.48 0.11 0.32 0.05 0.31
CH11 生物碎屑灰岩 2.04 4.21 0.45 1.48 0.33 0.06 0.30 0.05 0.33 0.07 0.21 0.03 0.22
CH12 生物碎屑灰岩 2.41 4.88 0.59 2.21 0.42 0.10 0.55 0.09 0.55 0.12 0.32 0.05 0.33
CH13 生物碎屑灰岩 2.76 4.77 0.52 1.90 0.40 0.10 0.49 0.08 0.53 0.12 0.33 0.05 0.34
CH14 生物碎屑灰岩 4.14 8.21 0.95 3.56 0.75 0.18 0.72 0.11 0.69 0.15 0.42 0.06 0.38
样号 Lu Y LREE HREE ΣREE LREE/HREE (La/Yb)N δEuN δCeN (La/Ce)N (La/Sm)N Y/Ho
CH1 0.07 6.46 29.76 9.86 39.62 3.02 1.40 0.92 0.89 1.19 1.19 35.89
CH2 0.05 5.26 20.73 7.69 28.42 2.70 1.39 1.12 0.89 1.24 1.12 37.57
CH3 0.15 12.50 50.04 18.96 69.00 2.64 1.07 0.83 0.92 1.14 1.06 34.72
CH4 0.03 4.39 13.02 6.00 19.02 2.17 1.32 1.07 0.91 1.23 1.10 49.89
CH5 0.03 4.22 11.58 5.90 17.48 1.96 1.25 1.08 0.87 1.37 0.95 46.89
CH6 0.02 3.85 8.33 4.85 13.19 1.72 1.56 0.92 0.88 1.33 1.34 66.38
CH7 0.03 2.83 10.38 4.34 14.72 2.39 1.02 1.11 0.96 1.11 1.11 32.16
CH8 0.04 4.38 8.81 6.08 14.89 1.45 0.71 0.96 0.91 1.17 1.05 43.80
CH9 0.05 6.91 12.07 9.06 21.13 1.33 0.82 1.02 0.87 1.33 1.36 57.58
CH10 0.05 6.04 10.71 7.89 18.60 1.36 0.89 1.09 0.85 1.35 1.18 54.91
CH11 0.03 2.84 8.57 4.09 12.65 2.10 0.90 0.81 0.96 1.11 1.10 39.44
CH12 0.05 5.91 10.61 7.96 18.57 1.33 0.71 0.91 0.89 1.13 1.02 49.25
CH13 0.05 5.26 10.45 7.25 17.70 1.44 0.79 0.98 0.87 1.32 1.23 43.83
CH14 0.06 6.87 17.79 9.46 27.25 1.88 1.06 1.08 0.90 1.15 0.98 45.80
注：稀土元素质量分数单位为10-6。
表选项
4.1 样品受陆源物质混染程度分析

利用微量元素对碳酸盐岩进行古环境分析时，需要考虑样品受陆源物质混入的影响。如果样品受到陆源物质的影响，需在分析古环境时去除陆源碎屑的贡献，仅用碳酸盐岩自生沉积的元素含量。主量元素中的Al及微量元素中的Ti、Zr、Th等元素一般来自陆源碎屑，碳酸盐岩在受到陆源物质混染时表现为这些元素的富集[4]。稀土元素(REE)在风化、搬运、沉积和成岩过程中具有很强的稳定性[19]，并在海水中的溶解度很低，如果碳酸盐岩中有较高的稀土元素(REE)含量，很可能受到陆源物质的混染[20]。研究区碳酸盐岩地球化学分析结果见表 1-3。从图 4可以看出：样品CH3的w(CaO)为39.40%，低于其余样品；而w(Al2O3)为2.44%，w(Ti)为1 140 ×10-6，w(Zr)为125.00 ×10-6，w(Th)为4.42 ×10-6，w(ΣREE)为69.00×10-6，均高于其余样品，该样品可能受到陆源物质的混染，在分析碳酸盐岩沉积环境时应剔除该样品。其余样品w(Al2O3)、w(Ti)、w(Zr)、w(Th)和w(ΣREE)均较低，说明研究区碳酸盐岩的微量元素主要来自自生沉积，可以反映研究区的古海洋环境及其变化特征。

图 4 研究区碳酸盐岩地球化学特征 Fig. 4 Geochemical characteristics for carbonate rocks of the study area
图选项

Y/Ho值也是衡量沉积物受陆源物质影响大小的一个指标[21]。现代海水的Y/Ho值范围为44~74[22]，正常灰岩的Y/Ho值为44左右[23]，研究区碳酸盐岩的Y/Ho平均值为45.58，基本接近正常灰岩，高于北美页岩的Y/Ho值(25.96)[24]，反映研究区碳酸盐岩较少受陆源物质混染。

通过δCe与δEu、w(ΣREE)之间相关性的研究，可以反映成岩作用对沉积物的影响[25]。如果沉积物受成岩作用影响，δCe与δEu、w(ΣREE)之间将具有良好的相关性。研究区碳酸盐岩δCe与δEu、w(ΣREE)之间未见明显相关性(图 5a、b)，表明成岩作用对研究区碳酸盐岩的影响有限。研究区碳酸盐岩(La/Sm)N>0.35(0.95~1.36，平均值为1.13)(表 3)，且(La/Sm)N与δCe无明显相关性(图 5c)，同样说明研究区碳酸盐岩受成岩作用影响较为有限[22, 26]。

a. δEu-δCe；b. w(ΣREE)-δCe；c. (La/Sm)N-δCe。 图 5 研究区碳酸盐岩相关性图解 Fig. 5 Correlation diagrams for carbonate rocks of the study area
图选项

热液活动也会影响沉积物中微量元素的含量，通常热液作用会使沉积物具明显的Eu正异常[20]。研究区碳酸盐岩δEu值为0.81~1.12，平均值为0.99(表 3)，Eu正异常不明显，受热液作用影响较为有限。

总之，除样品CH3外，其余样品各种指标均反映研究区白山组碳酸盐岩主要为自生成因，受陆源物质、成岩作用及热液作用的影响较弱，所测地球化学数据能够客观反映研究区的古地理环境。

4.2 地球化学特征

除样品CH3外，其余样品主量元素以CaO为主，质量分数为48.45%~55.85%，平均值为52.86%，接近纯灰岩化学成分理论值56%；MgO质量分数为0.40%~5.90%，平均值为1.75%；烧失量为39.32%~43.02%，平均值为42.01%; Σ(w(CaO)+w(MgO)+烧失量)为91.01%~98.67%，平均值为96.61%；反映了稳定的沉积环境，其余元素质量分数较少。稀土元素总量(ΣREE)为(12.65~39.62)×10-6，平均值为20.25×10-6，符合碳酸盐岩稀土元素总量小于100×10-6的特征[27-28]。LREE/HREE值为1.33~3.02，平均值为1.91，显示轻稀土略富集，但分异度不大。δCeN值为0.85~0.96，平均值为0.89，Ce具有轻微的负异常；δEuN值为0.81~1.12，平均值为1.01，Eu正异常不明显(表 3、图 6)。

图 6 研究区碳酸盐岩稀土元素北美页岩标准化配分模式 Fig. 6 NASC-normalized REE patterns for carbonate rocks of the study area
图选项
5 沉积环境分析

前人建立了碳酸盐岩地球化学分析古环境的诸多指标[4-6, 29-37]，运用特征元素含量及其比值恢复研究区碳酸盐岩的沉积古环境。

5.1 古水深

Sr、Ba的地球化学特征使得陆相沉积物相对富Ba贫Sr，海相沉积物相对富Sr贫Ba，由陆向海Sr/Ba值逐渐增大。另外浅水地带原始矿物主要为文石和高镁方解石，Sr质量分数偏低，深水地带则以低镁方解石为主，Sr质量分数偏高，1000×(Sr/Ca)值从浅水相到深水相具有由低变高的趋势[5, 29-30]。因此，可以利用Sr质量分数、Sr/Ba值和1000×(Sr/Ca)值判断古水深。从表 4中可以看出：研究区碳酸盐岩Sr质量分数为(388~1 890)×10-6，平均值为935×10-6；Sr/Ba值为10.51~49.22，平均值为23.28；1000×(Sr/Ca)值为0.97~4.95，平均值为2.48。从图 7可以看出，Sr质量分数、Sr/Ba值与1000×(Sr/Ca)值具有相同的变化趋势，反映白山组碳酸盐岩总体经历了1个大的海侵海退旋回。

表 4 研究区碳酸盐岩地球化学古环境指标 Table 4 Geochemical paleo-environmental index for carbonate rocks of the study area
样号 w(Sr)/10-6 Sr/Ba 1000×(Sr/Ca) 100×(MgO/Al2O3) Mg/Ca V/(V+Ni) Ni/Co Ce/La 古水温/℃
CH14 928 18.86 2.40 144.68 0.011 0.48 6.25 1.98 20.42
CH13 577 13.08 1.67 1 512.82 0.102 0.56 5.37 1.73 24.76
CH12 388 10.51 0.97 129.03 0.006 0.42 6.10 2.02 27.10
CH11 831 27.70 2.13 368.18 0.012 0.44 6.22 2.06 21.62
CH10 759 24.64 1.96 335.71 0.015 0.47 5.57 1.69 22.51
CH9 698 19.77 1.82 221.05 0.013 0.42 6.25 1.72 23.27
CH8 672 19.71 1.81 1 125.00 0.044 0.44 6.27 1.95 23.59
CH7 868 21.49 2.43 1 259.46 0.078 0.51 5.52 2.06 21.16
CH6 688 13.79 1.78 313.16 0.018 0.37 6.25 1.71 23.39
CH5 1 890 49.22 4.95 189.58 0.014 0.37 5.86 1.66 8.51
CH4 1 650 46.88 4.39 153.26 0.022 0.39 6.68 1.85 11.49
CH2 1 360 25.00 3.59 146.25 0.019 0.43 6.24 1.84 15.07
CH1 848 11.93 2.35 64.33 0.018 0.43 4.95 1.91 21.41
平均值 935 23.28 2.48 458.66 0.029 0.44 5.96 1.86 20.33
表选项
图 7 研究区碳酸盐岩地球化学古环境判别图 Fig. 7 Geochemical paleo-environmental recognition for carbonate rocks of the study area
图选项
5.2 古盐度

根据镁的亲海性、铝的亲陆性特征，建立镁铝比值m=100×(w(MgO)/w(Al2O3))来反映海相或陆相沉积环境：淡水沉积环境m<1；海陆过渡沉积环境m值为1~10；海相沉积环境m值为10~500；陆表海或泻湖碳酸盐沉积环境m>500[4-6, 31]。从表 4、图 7中可以看出，研究区碳酸盐岩m值为64.33~1 512.82，平均值为458.66，为正常海相沉积环境。另外在CH7-CH8、CH13出现两段m>500的陆表海环境。

5.3 古气候

Mg/Ca值对气候变化非常敏感：高值指示干热气候，低值指示潮湿气候[5, 32]。从表 4、图 7可知，研究区碳酸盐岩Mg/Ca值为0.006~0.102，平均值为0.029，总体为潮湿的气候，偶尔出现干热的气候，在CH7-CH8、CH13出现两段高值，这与古盐度正好吻合，在气候干热时由于海水的蒸发导致盐度升高。

5.4 古氧相

通过对某些特征元素的含量及其比值的研究，可得出当时水介质的氧化-还原环境[33-36]。针对研究区白山组碳酸盐岩的特征，选择V/(V+Ni)、Ni/Co、Ce/La值作为碳酸盐岩古氧相判别的指标。

Hatch等[34]和Jones等[35]指出，可根据V/(V+Ni)值判别沉积环境：V/(V+Ni)≥0.46指示还原环境，而V/(V+Ni)<0.46代表氧化环境。从表 4、图 7中可知，研究区碳酸盐岩V/(V+Ni)值为0.37~0.56，平均值为0.44，指示研究区碳酸盐岩沉积时下部为氧化环境，上部为弱氧化-弱还原环境。

Jones等[35]指出：Ni/Co<5指示氧化环境，5≤Ni/Co<7代表次富氧环境，Ni/Co≥7指示还原环境。从表 4、图 7中可知，研究区碳酸盐岩Ni/Co值为4.95~6.68，平均值为5.96，指示研究区碳酸盐岩沉积时为弱氧化—弱还原环境。

稀土元素方面，Ce/La值也可以用来反映碳酸盐岩的氧化还原条件，Ce/La<1.5时为氧化环境，1.5≤Ce/La<1.8时为贫氧环境，1.8≤Ce/La<2.0时为弱还原环境，Ce/La≥2.0时为还原环境[36]。从表 4、图 7中可知，研究区碳酸盐岩的Ce/La值为1.66~2.06，平均值为1.86，说明研究区碳酸盐岩沉积时为弱氧化-弱还原环境。

综合分析认为，研究区白山组碳酸盐岩沉积时为弱氧化-弱还原环境。

5.5 古水温

古水温的测定是根据碳酸盐岩中的Sr质量分数与温度(T/℃)的经验公式来估算：w(Sr)=2578-80.8T[37]。按照此经验公式计算出白山组碳酸盐岩沉积时的古水温为8.51~27.10 ℃，平均值为20.33 ℃，早期水温低，晚期水温升高(表 4、图 7)。

5.6 讨论

研究区白山组碳酸盐岩段虽然岩性较为单一，但其地球化学特征可以明显反映出古环境的差异，早晚的古环境略有不同，地球化学特征所反映的沉积环境变化可以从岩石学方面得到验证。

根据碳酸盐岩地球化学测试结果，样品CH3陆源元素含量较高，可能受到陆源物质的混染，这从对应的薄片B9鉴定结果(含砂质生物碎屑微晶灰岩)得到验证。

地球化学特征显示研究区的古水深从CH1到CH5逐渐增加，可以从B7、B8、B9陆源碎屑的体积分数变化(35%~25%~15%)得到验证，随着海侵的不断扩大，碳酸盐岩受陆源物质的影响在逐渐减少，到CH5时海水达到最深，随后下降。古气候为潮湿的气候，偶尔为干热气候，这从白山组的碳酸盐岩全部为灰岩，没有反映干燥气候的白云岩类矿物可以得到验证。古盐度与古气候的变化特征一致，气候潮湿时为正常的海水沉积，气候干热时为陆表海沉积。古水温显示早期水温低，晚期水温升高，结合古生物种类及含量特征，碳酸盐岩段上部灰岩中化石多于下部，这是由于早期水温低，并且有陆源物质的混入，晚期水温升高，水体相对平静，更适宜生物的生长。

根据碳酸盐岩地球化学特征得出的古环境与划分的沉积相基本一致，剖面下部为台地边缘相，水体较浅，含有较多的陆源物质，为弱氧化环境；剖面上部为台地前缘斜坡相，为弱氧化-弱还原环境。至于弱氧化-弱还原环境中为什么发育大量的化石，前人[18]研究认为，研究区的珊瑚化石保存方向是杂乱无章的，部分外壁由于搬运中的磨蚀而变薄，还夹有一些个体较大的腕足碎片，认为该珊瑚动物群生活在碳酸盐岩台地边缘的高能浅水环境中，死后经过短距离搬运，迅速沉积在台地前缘斜坡环境中。

综上，根据碳酸盐岩的地球化学特征可以很好地指示其沉积古环境，但应综合利用多项地球化学指标，相互验证，才能客观地反映其沉积古环境。

6 结论

1) 研究区白山组碳酸盐岩样品除CH3外，其余样品陆源元素质量分数均较低，说明受到陆源物质的混染较弱，测试结果能够反映原始的沉积特征。通过对稀土元素特征值的相关性研究，δCe与δEu、w(ΣREE)、(La/Sm)N之间未见明显相关性，碳酸盐岩受成岩作用及热液作用的影响也较为有限，所含微量元素主要为海水自生成因，可以客观地反映研究区的古环境特征。

2) 根据特征元素对古水深、古盐度、古气候、古氧相以及古水温的研究，研究区白山组碳酸盐岩总体经历了1个大的海侵海退旋回，沉积于正常海水，偶尔为陆表海环境；气候潮湿，偶尔为干热的气候，与古盐度正好吻合；古氧相为弱氧化—弱还原环境；古水温为8.51~27.10 ℃，早期水温低，晚期水温升高。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20200091
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文章信息

史冀忠, 牛亚卓, 许伟, 宋博, 王宝文
Shi Jizhong, Niu Yazhuo, Xu Wei, Song Bo, Wang Baowen
银额盆地石板泉西石炭系白山组碳酸盐岩地球化学特征及其环境意义
Geochemical Characteristics and Sedimentary Environment of Carboniferous Baishan Formation Carbonate in Shibanquanxi of Yingen-Ejin Banner Basin
吉林大学学报(地球科学版), 2021, 51(3): 680-693
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2021, 51(3): 680-693.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20200091

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收稿日期: 2020-04-16

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