皖北宿州地区寒武系豹皮灰岩地球化学特征及其(4)
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【关键词】
【摘要】(2)岩石样品U、Pb、Sr元素较为富集, Ba、Nb、Ce、Pr、Zr元素亏损,且样品除Sr元素含量超过上地壳元素丰度,其他均低于上地壳平均物质组成,蛛网图型式与
(2)岩石样品U、Pb、Sr元素较为富集, Ba、Nb、Ce、Pr、Zr元素亏损,且样品除Sr元素含量超过上地壳元素丰度,其他均低于上地壳平均物质组成,蛛网图型式与上地壳元素蛛网图型式较为相似,元素受到陆源碎屑的混染。Gd/Gd*为0.89~1.26(平均为1.03),表现为轻微的Gd正异常,与现代浅海特征相似。
(3)豹皮灰岩样品V/Sc值介于2.24~3.88之间,平均为3.07,且V含量为1.86×10-6~5.21×10-6,非常低,V/Cr比值在1.02~1.73之间,反映了氧化的水体环境。Sr/Ba值为24.09~58.16(平均为37.20),指示了典型的海相沉积,且较高的Sr/Ba异常值反映了高度咸化条件下的海相沉积,这可能是后期白云石化作用引起的。Sr/Cu值为182.76~520.09(平均为267.13),暗示了干旱的气候条件。豹皮灰岩应形成于局限台地环境。
综合研究区寒武系豹皮灰岩的岩石学特征及地球化学特征,认为豹斑白云石是渗透回流选择白云化的结果。
豹皮灰岩是指一种形似云豹皮斑纹的石灰岩(翟淳,1961;陈云峰等,2007),在我国古生代碳酸盐岩沉积中有不同程度的发育(陈战杰等,1991;武永强等,1995;李定龙等,1999;郝毅等,2012;龙刚等,2013;兰叶芳等,2015;冯诗海等,2015;董小波等,2015;王起琮等,2016)。在华北地区,豹皮灰岩几乎在所有寒武-奥陶系地层都有分布,在碳酸盐岩剖面中占有较大比例(贾振远等,1984),这样的特点不是偶然的现象。虽然各地的豹皮灰岩薄厚可能不同,但其能够反映华北板块古生代初期沉积物形成时存在着共同或近似的地质条件,所以对豹皮灰岩的研究有助于分析研究区乃至整个华北区的沉积成岩环境及岩相古地理演化过程。沉积岩中的地球化学特征容易受到物源、沉积环境、成岩作用等因素的影响,因此常被用来判别沉积环境,成为沉积岩研究中一个重要的研究领域(Marshalletal.,1992;Refsnideretal.,2014)。针对沉积岩的地球化学研究,目前主要通过主微量元素特征、稀土及同位素分布特征、特征元素的含量及比值等方面进行(Rudnicketal.,1993;Brasieretal.,2013;Tangetal.,2013)。本文拟通过对皖北宿州地区寒武系豹皮灰岩进行采样及测试,从而分析其地球化学特征,约束其沉积环境,初步探讨豹皮灰岩成因机理。1 地质背景研究区在大地构造位置上属于华北地台南缘淮北陷褶断带,东临郯庐断裂带,南界为五-合深断裂,与蚌埠台拱相邻。在地层区划上,属华北地层区淮河地层分区淮北地层小区。研究区地层主要为震旦系、寒武系和奥陶系(图1),其中寒武系岩性主要为开阔台地、局限台地相氧化环境下沉积的砂岩、页岩、灰岩和白云岩等,沉积厚度908~1015m,生物门类繁多,除华北型三叶虫外,尚有头足类、笔石、软舌螺、腹足类,腕足类、牙形石和藻类等(安徽省地质矿产局,1987)。寒武系由下而上依次为:下寒武统猴家山组、馒头组,中寒武统毛庄组、徐庄组、张夏组,上寒武统崮山组、长山组、凤山组,均为整合接触关系,界限清晰。豹皮灰岩在猴家山组和馒头组较为发育(图2)。图1 研究区地理位置及地质简图Fig.1 Location andsimplified geological map of research area1-炒米店组;2-崮山组;3-张夏组;4-馒头组;5-猴家山组;6-张渠组;7-九顶山组;8-倪园组;9-早白垩世磨山单元花岗斑岩;10-花岗斑岩脉;11-辉绿玢岩脉;12-断裂带;13-逆断层;14-平移断层1-Chaomidian Formation;2-Gushan Formation;3-Zhangxia Formation;4-Mantou Formation;5-Houjiashan Formation;6-Zhangqu Formation;7-Jiudingshan Formation;8-Niyuan Formation;9-Moshan unit granite porphyry of Early Cretaceous Epoch;10-granite-por-phyry dyke;11-diabase prophyrite;12-fault zone;13-reverse fault;14-strike slip fault2 样品岩石学特征及地球化学实验研究区豹皮灰岩均呈中厚层-块状层,厚度稳定,整体上由豹斑和基质组成,分界清晰,常见方解石细脉。豹斑呈淡褐色或土黄色,多为白云石,结晶颗粒肉眼偶尔可识别,内部含基质碎块和球粒。基质呈灰黑色,由微晶灰岩组成。豹皮灰岩中豹斑和基质成分有差异,抗风化能力不同,所以风化面凹凸不平,豹斑相对突起,在岩石中呈云朵状、枝状、不规则长条状、网状等形状(图3)。样品均采自宿州市夹沟镇八山地区寒武系猴家山组和馒头组。初步研究选取代表性样品6块进行测试。主量元素和微量元素测试均在武汉上谱分析科技有限责任公司测试完成,主量元素采用X射线荧光光谱仪测定,微量元素由电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)测定,测试精度优于5%。3 测试结果3.1 主量元素特征图2 宿州地区寒武系地层柱状简图Fig.2 Stratigraphic column chart of the studied area and the distribution of samples1-页岩;2-石灰岩;3-鲕粒灰岩;4-叠层灰岩;5-豹皮灰岩;6-白云质灰岩;7-白云岩;8-长石石英砂岩;9-碎屑灰岩;10-砂质泥灰岩;11-藻灰岩;12-采样点位1-shale;2-limestone;3-oolitic limestone;4-laminated limestone;5-leopard limestone;6-dolomitic limestone;7-dolomite;8-feldspathic quartz sandstone;9-clastic limestone;10-sandy marlite;11-algal limestone;12-sampling location研究区豹皮灰岩样品主量元素测试结果见表1,其中CaO含量最高,在40.05%~53.45%之间,平均为48.63%;其次为MgO,含量为1.64%~12.9%,平均为5.23%。其他元素中,SiO2含量为0.23%~2.17%,平均为1.12%;Al2O3含量为0.041%~0.56%,平均为0.31%;Fe2O3含量为0.072%~0.48%,平均为0.22%;TiO2含量为0.019%~0.041%,平均为0.03%;MgO/Al2O3为4.36~61.43,平均为24.27;MgO/CaO为0.03~0.32,平均为0.12。整体上反映了该区豹皮灰岩主要由方解石、白云石矿物组成,另外还含有少量的陆源碎屑矿物。碳酸盐岩沉积过程中,陆源组分会抑制方解石矿物的沉淀(潘明等,2015),故岩石样品中SiO2、Al2O3与CaO呈现不同程度的负相关(图4)。海水中较高浓度的Sr常保存在方解石中,尤其是低镁方解石,矿物中的Sr往往表现与CaO正相关(Veizeretal.,1973;Veizeretal.,1974;汪凯明等,2009)(图4)。碳酸盐岩中CaO和MgO含量的变化能反映白云石交代方解石的程度,沉积成因的白云石往往表现为CaO和MgO正相关,而白云石交代或重结晶成因往往会引起CaO和MgO负相关(郑剑锋等,2012)。图4可见,该区豹皮灰岩中MgO和CaO成明显的负相关,显示岩石的白云石交代或重结晶成因。MgO/Al2O3是根据沉积岩层中MgO亲海性和Al2O3的亲陆性特征而建立的(杨振宇等,2009)。淡水环境中,MgO/Al2O3小于1,海陆过渡环境中为1~10;海水沉积环境中该比值为10~500。可见该区豹皮灰岩MgO/Al2O3呈现出典型的海水沉积特征。Ti是比较稳定的元素,主要以不溶性化合物形式存在。在海相沉积环境中,Ti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。该区豹皮灰岩中Ti含量介于114×10-6~246×10-6,平均值为182 ×10-6,远低于碳酸盐岩中Ti的平均含量400×10-6(牟保磊,1999),表明沉积作用过程中陆源碎屑的影响较?微量元素特征样品微量元素测试结果见表2。为了解该区碳酸盐岩微量元素特征,搜集上地壳元素平均含量绘制原始地幔蛛网图,见图5。图中可示,样品总体一致性较好, U、Pb、Sr元素较为富集,Ba、Nb、Ce、Pr、Zr元素亏损。通过对比上地壳元素蛛网图,发现样品中除了Sr元素含量超过上地壳元素丰度,其他均低于上地壳平均物质组成。样品蛛网图型式与上地壳元素蛛网图型式较为相似,暗示样品在一定程度上受到陆源物质的混染。表2显示,样品稀土总量为3.07×10-6~7.00×10-6(平均为5.33×10-6),低于典型海相灰岩值28×10-6(Bellancaetal.,1997),远低于北美页岩组合样173.2×10-6(Grometetal.,1984)。LREE/HREE 为1.33~2.98(平均为2.23),LaSN/YbSN(SN代表后太古宙页岩标准化)为0.72~0.99(平均为0.81)。现代浅海常具有轻微的Gd正异常,该区岩石中Gd/Gd*(=GdSN/(2×TbSN-DySN))为0.89~1.26之间(平均为1.03),表现为轻微的Gd正异常,与现代浅海特征相似,研究区豹皮灰岩Y/Ho值为30.00~53.07(平均为34.5),基本接近正常灰岩值44(Nagarajanetal.,2011)。样品中Zr平均含量为2.89×10-6,远低于页岩组合样210×10-6(Tayloretal.,1985)。在后太古宙页岩标准化稀土配分图中(图6),6件样品的配分型式也基本一致,整体呈平坦型,轻稀土略亏损,表现微弱的Ce负异常,La、Y正异常。图3 豹皮灰岩野外特征Fig.3 Field characteristics of leopard limestone: various leopard spotsa-树枝状豹斑;b-云朵状豹斑;c-网状豹斑;d-不规则长条状豹斑a- branch-like; b- cloud-like; c-network-like; d- irregular strip-like表1 宿州地区寒武系豹皮灰岩主量元素 (%)组成Table 1 Major element composition (%) of Cambrian leopard limestone in the Suzhou area续表1Contiuned Table 1///注:测试单位:武汉上谱分析科技有限责任公司;测试时间:2015-04-07。图4 宿州地区寒武系豹皮灰岩Sr-CaO,SiO2-CaO,MgO-CaO,Mg/Al-MgO/CaO图解Fig.4 Diagrams of Sr-CaO, SiO2-CaO, MgO-CaO, Mg/Al-MgO/CaO of Cambrian leopard lime-stone in the Suzhou area表2 宿州地区寒武系豹皮状灰岩微量元素组成(×10-6)Table 2 Trace elements composition (×10-6) of Cambrian leopard limestone in the Suzhou area元素平均值灰岩平均值*.续表2Contiuned Table 2元素平均值灰岩平均值*////Ce*/Eu*/Gd*////注:测试单位:武汉上谱分析科技有限责任公司;测试时间:2015-04-07。4 分析与讨论4.1 稀土元素来源陆源碎屑岩中Zr含量较高,在受到陆源物质影响时,海相灰岩常表现为Zr、Th元素的富集,以及元素Zr和稀土总量REE较好的相关性(Nothdurftetal.,2004)。由图7a,b可知,样品中元素Zr和Th、REE均呈较好的正相关关系,说明样品中稀土元素受到陆源混染。正常海水中的Er/Nd值约为0.27,在受到陆源物质的混染或后期成岩作用下,数值会降低,甚至小于0.1(Baaretal.,1988)。研究区豹皮灰岩样品Er/Nd值为0.08~0.16(平均为0.12),且 Er和Nd表现较好的相关性(图7c),表明受到该影响。成岩作用的影响会使Ce/Ce*与Eu/Eu*、REE具有正相关关系(刘士林等,2006),而研究区灰岩Ce/Ce*-∑REE、Ce/Ce*-Eu/Eu*(图7d,e)均没有明显的相关性。因此,可判断该区豹皮灰岩样品稀土元素主要继承于海水,并受到陆源碎屑的混染。在碎屑岩中,Y/Ho保持为常数(27),在海水中数值通常较高,西太平洋Coral Sea Y/Ho值可接近80(Tanakaetal.,2003),其常作为海陆相沉积物识别的标志。石灰岩中Y/Ho值常在44左右,远高于陆源碎屑岩。宿州地区寒武系豹皮灰岩Y/Ho值为30.00~53.07(平均为34.50),低于正常灰岩值,也反映了受到陆源物质混染的特征。从Ce/Ce*-Zr散点图(图7g)可以看出,Ce/Ce*值均小于1,且与Zr没有明显的相关性。海水沉积中常会呈现不同程度的Ce负异常(黄彬,2013;邓克勇等,2015;左青龙等,2017),这与该区豹皮灰岩中Ce/Ce*特征表现一致,但该区豹皮灰岩中Ce/Ce*负异常并不明显,平均值为0.91,可能还受到了其他作用的影响。图5 宿州地区寒武系豹皮灰岩稀土元素蛛网图Fig.5 Spider diagram of trace elements of Cambrian leopard limestone in the Suzhou area图6 宿州地区寒武系豹皮灰岩稀土分配图Fig.6 PAAS-normalized REE patterns of Cambrian leopard limestone in the Suzhou area4.2 微量元素富集海水氧化-还原条件的变化能使一些元素在沉积过程中发生亏损或富集,在利用这些微量元素判别水体环境时,要先排除非自生的部分元素含量(常华进等,2009)。该区微量元素及常规组分特征显示,豹皮灰岩形成过程中受到了一定程度的陆源碎屑的影响,因此对于岩石样品中微量元素富集状态进行分析显得尤为必要。由于微量元素易受到陆源碎屑物质迁入的影响,因此利用Al2O3作为陆源组分的指数,在标准化的基础上对各元素富集系数进行计算,可以有效揭示元素富集与沉积环境的关系。图7 宿州地区寒武系豹皮灰岩Zr-Th,Zr-REE,Nd-Er,REE- Ce/Ce*,Ce/Ce*- Eu/Eu*,Y/Ho-Y/Dy,Zr- Ce/Ce*,Zr- Eu/Eu*图解Fig.7 Diagrams of Zr-Th, Zr-REE, Nd-Er, REE- Ce/Ce*, Ce/Ce*- Eu/Eu*, Y/Ho-Y/Dy, Zr- Ce/Ce*, Zr- Eu/Eu*of Cambrian leopard limestone in the Suzhou area微量元素富集系数是沉积岩样品中微量元素与铝的含量的比值与平均页岩中微量元素与铝的含量的比值之间的比值,EF=(元素/Al2O3)测定值/(元素/ Al2O3)背景值,用以表征岩石中微量元素的富集程度,富集系数EF>1表示元素相对背景值富集,小于1,则反映相对背景值亏损。U、V元素在缺氧环境中容易以氧化物的形式沉淀或富集在沉积物中,Ni、Cu、Zn等元素或在缺氧环境中易形成硫化物沉淀,或由于自身受到元素变价引起迁移、沉淀等影响,且在成岩作用中受到微弱影响,因此,这些微量元素特征可以反应沉积环境条件,作为推断古缺氧环境的地球化学工具。通过计算,研究区岩石样品中氧化还原敏感元素V、Sc、U、Ni、Cu、Zn、Th均发生不同程度的富集,其富集系数平均值分别为1.04、0.84、0.31、3.77、0.29、5.23和0.07,而元素Ba相对发生亏损 沉积环境V的富集程度可以反映水体的氧化还原环境,常用V/Sc来表示,氧化环境中,V值通常较低(苑坤等,2017)。研究区豹皮灰岩样品V/Sc值介于2.24~3.88之间,平均为3.07,且V含量(1.86×10-6~5.21×10-6)非常低,反映了氧化的水体环境。V/Cr>2指示了缺氧的沉积环境(Dilletal.,1986),而豹皮灰岩中V/Cr值在1.02~1.73之间,也说明豹皮灰岩形成于氧化环境。岩石中微量元素的分配及比值的变化、组合,能够反应古气候环境的特征,最常用的两种判别标志是Sr/Ba、Sr/Cu。Sr/Ba值可以反映古盐度的变化趋势,Sr/Ba>1为海相沉积,Sr/Ba<1为陆相沉积。研究区豹皮灰岩样品Sr/Ba值为24.09~58.16(平均为37.20),指示了典型的海相沉积,且较高的Sr/Ba异常值反映了高度咸化条件下的海相沉积。通常Sr/Cu值介于1.3~5.0之间指示潮湿气候,而大于5.0则指示干旱气候,研究区样品中Sr/Cu介于182.76~520.09之间,可以认为其形成于干旱的气候条件。从而推断原石灰岩应形成于局限台地环?豹皮灰岩成因据研究区豹皮灰岩地球化学特征显示,岩石为咸化条件下的海相沉积,元素特征指示氧化沉积环境,干旱气候条件,其岩形成于局限碳酸盐岩台地环境。局限台地海水循环受到很大限制,经蒸发浓缩,盐度比正常海水高,Mg/Ca较高,形成的高镁粒间水在重力的作用下向下回流渗透,对流经下伏的研究区范围内的灰泥沉积物或石灰岩进行交代。研究区寒武系豹皮灰岩整体上由豹斑和基质组成,具豹斑构造,其豹斑主要成分白云石就是由这种渗透回流白云化模式形成的。对宿州地区豹皮灰岩中白云石的成因模式的研究表明其与邻近地区徐州寒武系豹皮灰岩成因相吻合(龙刚等,2013)。对于豹皮灰岩基质与豹斑分布形态的形成,很多研究认为是受到生物潜穴的影响,在该研究区,因资料有限,未能够确定其具体形成过程。5 结论(1)宿州地区寒武系豹皮灰岩MgO含量较高为1.64%~12.9%,SiO2含量为0.23%~2.17%(平均为1.12%),整体上反映该区豹皮灰岩含有白云石矿物,为豹斑组成部分,另外还含有少量的陆源碎屑矿物。(2)岩石样品U、Pb、Sr元素较为富集, Ba、Nb、Ce、Pr、Zr元素亏损,且样品除Sr元素含量超过上地壳元素丰度,其他均低于上地壳平均物质组成,蛛网图型式与上地壳元素蛛网图型式较为相似,元素受到陆源碎屑的混染。Gd/Gd*为0.89~1.26(平均为1.03),表现为轻微的Gd正异常,与现代浅海特征相似。(3)豹皮灰岩样品V/Sc值介于2.24~3.88之间,平均为3.07,且V含量为1.86×10-6~5.21×10-6,非常低,V/Cr比值在1.02~1.73之间,反映了氧化的水体环境。Sr/Ba值为24.09~58.16(平均为37.20),指示了典型的海相沉积,且较高的Sr/Ba异常值反映了高度咸化条件下的海相沉积,这可能是后期白云石化作用引起的。Sr/Cu值为182.76~520.09(平均为267.13),暗示了干旱的气候条件。豹皮灰岩应形成于局限台地环境。综合研究区寒武系豹皮灰岩的岩石学特征及地球化学特征,认为豹斑白云石是渗透回流选择白云化的结果。[References]Chen Yun-feng, Wu Gan-guo, Wang Gen-hong. 2007. 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文章来源:《宿州学院学报》 网址: http://www.szxyxb.cn/qikandaodu/2020/1014/431.html