沉积物微量元素对湖平面变化的响应微量元素分析在判别沉积环境中的应用以江汉盆地潜江组为例

沉积物微量元素对湖平面变化的响应微量元素分析在判别沉积环境中的应用以江汉盆地潜江组为例

1不同层序、体系域和微量元素地球化学特征在沉积物过程中，沉积物与水介质之间存在着复杂的地球化学平衡，例如沉积物与水介质之间的元素交换，以及沉积物中一些元素的吸附。这种交换和吸附作用除与元素本身性质有关外,还受到沉积介质物理化学条件的影响,而不同沉积环境的水介质有不同的物理化学条件,这就为利用沉积物微量元素及其含量进行古环境分析提供了理论依据。在封闭盐湖中原生碳酸盐岩和粘土矿物的形成与湖泊水体的化学性质密切相关,从湖泊的低位体系域到高位体系域,湖泊泥岩中的粘土矿物、泥岩和泥膏盐中的微量元素组成对沉积环境的水文变化很敏感,因此可以有效地揭示湖平面的变化。笔者对潜江凹陷潜江组进行密集取样,利用微量元素分析技术来确定盐岩的成因和旋回性,分析微量元素在不同层序、不同体系域中的变化特征,讨论其环境意义。研究选用对沉积环境变化最敏感的地化指标和环境参数,如B,Sr,Ba,Ti,Fe,P,Mn含量及Mg/Ca,Sr/Cu比值在纵向和横向上的分布特征和变化规律,来揭示它们与湖平面变化之间的关系。2层序地层及沉积环境氯(Cl)等微量元素组成可以指示水介质的古盐度。咸水(海水)中Cl、B的含量明显高于淡水。Couch认为,水体中B的含量与水体中的盐度存在线性关系,即水体盐度越高,B含量就越大,沉积物吸附的B离子就越多。沉积岩中硼含量一般比岩浆岩高,在页岩中其含量可达135×10-6(平均值),砂岩中较低,一般为(1～40)×10-6,在灰岩中B含量平均为20×10-6。陆相湖泊、盐湖卤水及其沉积物中B丰度[ω(B)]及B同位素(δ11B)组成变化极大。察尔汗盐湖卤水B丰度值为(0.513～1.148)×10-6,δ11B值为2.52‰～10.81‰,泥质沉积物δ11B值为-1.06‰～-9.23‰;南澳洲与西澳洲的一些大陆盐湖水δ11B值为25‰～48‰,湖底沉积物及围岩δ11B值为-8.7‰～12.3‰。对于陆相盐湖的不同层位或不同区域位置的泥页岩地层,若B含量偏高(平均大于135×10-6),说明其沉积环境为干旱—半干旱的盐湖沉积环境;若B含量偏低或正常(平均小于等于135×10-6),表明泥页岩沉积时处于较潮湿的盐湖沉积环境,但当沉积区远离盐湖中心时,也可代表干旱—半干旱盐湖沉积环境,这主要是由于其低含盐度导致了B含量偏低。因此,可用B含量对沉积环境进行分析。由于水体中B的含量与水体中的盐度存在线性关系(表1),因此可用盐湖中B含量的变化曲线来描述湖平面的变化趋势,从而来研究盐湖盆地地层层序的发育。图1为江汉盆地潜江凹陷潜江组B含量在各层序及其体系域中的变化曲线,从中可以看出,高位体系域(HST)比湖侵期(TST)B含量相对要高。这说明高位体系域时期盐湖的水介质相对较咸,而湖侵期由于湖盆的扩张,致使水体浓度变小,B含量相应降低。3层序水环境特征一般情况下,Sr含量低指示潮湿的气候背景,反之指示干旱的气候背景。Sr/Ba比值大于1为咸(海相)水介质,Sr/Ba比值小于1为淡水介质。淡水与咸化湖水(海水)相混时,淡水中的Ba2+与咸化湖水(海水)中的SO2-4结合生成BaSO4沉淀,而SrSO4溶解度较大,它可以继续迁移到盐湖中央(远海),通过生物作用沉淀下来。因为Sr/Ba值是随着远离湖(海)岸而逐渐增大的,所以Sr/Ba值能定性的反映介质古盐度。一般来说,淡水沉积物中Sr/Ba值小于1,而盐湖(海相)沉积物中Sr/Ba值大于1。Sr元素在咸水中含量一般为0.8‰～1‰,在淡水中的含量一般为0.1‰～0.3‰。潜江凹陷潜江组中Sr/Ba值皆大于1(表2),这说明其沉积环境为咸水环境。总体上,每个层序从低位期到高位期,水体经历了从相对浓缩的咸化阶段—相对淡化阶段—逐渐变浓缩阶段,形成了一个完整旋回。上述元素含量及比值也呈现出有规律的变化。一般低位域沉积时期,Sr及其Sr/Ba比值从大到小然后再变大,这说明湖泊沉积体系的水介质总体由相对较咸化水向淡水环境逐渐变化,然后在层序发育的高位域时期水介质又逐渐变浓缩咸化,尤其在第6层序变化规律尤为明显(图2)。但3、4层序湖浸期的值比高位域时期还要高,即湖浸期的沉积物的水介质相对比高位域时期还要咸化,这说明潜江盐湖在这一时期的盐岩并不是由于气候的干旱而蒸发形成的,它可能是深水成因的盐岩,即在这一时期,湖平面的变化即水体体积的变化并不能影响盐岩的形成,只要湖底的卤水浓度达到盐岩晶体析出的浓度,盐岩就可形成。然而,第7层序在整个层序发育过程中值都很高,这说明这一时期湖水都相对较咸,气候可能比较干旱。说明潜江凹陷潜江组湖盆的水体经历了高盐度浓缩期和相对淡化期的周期性变化,地层发育具有明显的旋回性。4层序地层格架中气候背景的变化泥质岩中微量元素的分配、组合及其比值的变化都在一定程度上指示着古气候环境的变化特征。这是因为,沉积物中元素的分配一方面取决于元素本身的物理化学性质,另一方面又受到古气候、古环境的极大影响。因此,选取一些泥质岩中对古气候环境反映比较敏感的微量元素及有关比值,分析其含量、分布规律,可探讨泥质岩形成时的古气候环境。图3显示了潜江凹陷潜江组不同层序不同体系域中的TiO,MnO,P2O5,Fe2O3含量及Mg/Ca,Sr/Cu比值变化情况。从元素含量变化上看,TiO,P2O5,MnO,Fe2O3含量在不同层序、不同体系域中有很强的规律性,表现为湖浸体系域高于低位体系域和高位体系域。从Mg/Ca比值变化看,也有很强的规律性,表现为湖浸体系域低于低位体系域和高位体系域(个别的高值可能是由于测试误差造成的)。前人研究认为,Ti等元素含量的变化反映的是陆源物加入的程度,该值愈高则表明陆源物含量愈丰富,表明了一种温暖潮湿的气候背景。与Sr类似,沉积岩中P的高含量指示干旱炎热高盐度环境的气候背景,低含量则指示潮湿的气候背景。研究区Ti为相对富集元素,P,Sr为亏损元素,因此,总体上层序3,4沉积时为较潮湿的气候背景;而从层序5的高位体系域沉积时期气候开始变得较为干旱;在层序6的湖浸期气候又开始变潮湿;从层序7开始沉积时气候逐渐变得干旱,在高位体系域时期具有很高的P,Sr含量,说明此时期气候已变干旱了。层序3,4的泥质岩中P具有较高含量可能是湖水咸度增大的反映。Mn在湖水中常以Mn2+稳定存在,只有当湖水强烈蒸发而使Mn2+饱和时,它才会大量沉淀,从而在沉积岩中显示高值。而研究区的MnO的高值可能是湖水咸度增大的反映,单一靠它一个指标是无法判断气候的潮湿或干旱。Sr/Cu,Mg/Ca比值对古气候的变化也很敏感。通常,Sr/Cu比值介于1～10之间指示温湿气候,而大于10指示干热气候;同样Mg/Ca比的高值指示干热气候,低值指示温湿气候,因层序3～6的Mg/Ca比值介于0～1之间,所以在这期间基本上为相对潮湿的气候;而层序3,4的Sr/Cu比值介于1～50之间,说明此时期气候相对较潮湿;从层序5开始,Sr/Cu比值逐渐变高,尤其在高位体系域沉积时期有较高值,即气候开始变得较为干旱;在层序6的湖浸期气候又开始变潮湿;从层序7开始沉积时气候逐渐变得干旱,在高位体系域时期具有很高的P,Sr含量,说明此时期气候已变得非常干旱了。根据Ti,P,Sr,Mn含量及Sr/Cu,Mg/Ca比值在不同层序、不同体系域中的变化规律可知,总体上层序3,4沉积时为温暖潮湿的气候背景;层序5开始沉积时古气候背景由温暖潮湿变为半干热气候;在层序6沉积时出现短暂暖湿气候,到层序7沉积时又向半干热气候演变,即水体逐渐变咸。5层序不同层序岩储藏期岩相特征1)潜江凹陷潜江组湖盆淡化—咸化的小旋回变化周期,说明气候并不是一成不变的,而每一次气候的微小变化都能在沉积物及其所含的微量元素及粘土矿物含量上有反映;潜江凹陷潜江组沉积时为典型的第三纪盐湖盆地,发育了巨厚的湖相盐韵律沉积,平面分布范围很广。2)层序3,4沉积时湖水浓缩程度不大,为较温暖潮湿的气候背景;从层序5的高位体系域沉积时期开始,气候从温暖潮湿逐渐转向半干热气候,湖水浓缩程度逐渐变大;在层序6的湖浸体