鄂西地區(qū)泥盆系-石炭系泥質(zhì)巖沉積地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境研究

李珉，牛志軍，趙小明，涂兵，王令占，曾波夫，謝國剛

(武漢地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，武漢，430205)

鄂西地區(qū)泥盆系-石炭系泥質(zhì)巖沉積地球化學(xué)特征及沉積環(huán)境研究

李珉，牛志軍，趙小明，涂兵，王令占，曾波夫，謝國剛

(武漢地質(zhì)礦產(chǎn)研究所，武漢，430205)

對湖北省長陽縣火石山泥盆系黃家磴組-石炭系高驪山組21塊泥巖樣品的地球化學(xué)特征分析表明，黃家磴組、梯子口組、高驪山組的SiO2和Al2O3及TFe2O3的含量較高，表明受陸源物質(zhì)影響較大；和州組下段CaO含量高，表明海水相對較深。Na2O及Mg/Ca值指示氣候經(jīng)歷了溫濕-干熱-溫濕變化的過程。微量元素，如Cu、Pb、Zn、Co、As因地球化學(xué)行為相似，總體變化曲線一致。稀土總量高，輕重稀土分餾程度高，具Ce、Eu負(fù)異常，稀土曲線指示樣品來源一致。Cu/Zn，V/Cr，Ni/Co，U/Th，自生Uau和Ce/La比值表明研究區(qū)整體處于氧化環(huán)境中。Sr/Ba及B/Ga比值指示出近岸沉積特征。數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析表明沉積環(huán)境相近的層位地球化學(xué)特征相近，沉積水動力條件與沉積介質(zhì)的物化性質(zhì)比較接近的層位，地球化學(xué)特征也較為相似，沉積環(huán)境明顯不同的層位地球化學(xué)特征相距較遠(yuǎn)，由于總體處于海陸交互帶，環(huán)境變化大，三角洲相可以與其相差較大的沉積環(huán)境表現(xiàn)出相近的地球化學(xué)特征。

泥盆系；石炭系；沉積地球化學(xué)；鄂西地區(qū)

1 前言

鄂西地區(qū)泥盆紀(jì)至石炭紀(jì)時期位于華南地塊中上揚子臺地中北部。研究表明，該地區(qū)自南華系以來，NW向構(gòu)造為其主體，晚古生代區(qū)內(nèi)仍呈NW-SE向繼承性坳陷的古地貌形態(tài)[1]。隨著華南泥盆紀(jì)海侵自南向北的推進(jìn)，鄂西地區(qū)在中泥盆世吉維特期開始接受沉積，總體來看，長江以南的建始-松滋地區(qū)古地形相對較低，自中泥盆世晚期至早石炭世大塘期均為連續(xù)沉積，盡管沉積厚度不大，但巖石類型多樣，并產(chǎn)有豐富的生物化石和礦產(chǎn)。前人對本區(qū)生物地層、沉積盆地演化和鐵礦等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研究程度較高[1～5]，徐安武等[1]對中揚子地區(qū)泥盆系沉積古地理格局進(jìn)行了分析總結(jié)，并建立了沉積相模式，系統(tǒng)闡明了寧鄉(xiāng)式鐵礦的形成條件和分布規(guī)律。

隨著近年來沉積地球化學(xué)和元素地球化學(xué)的發(fā)展，細(xì)粒沉積物中微量元素的地球化學(xué)研究已廣泛應(yīng)用于沉積源區(qū)的確定以及構(gòu)造環(huán)境和大陸生長分析。國內(nèi)外研究者在利用微量元素地球化學(xué)特征追溯物源、分析沉積環(huán)境、探討海平面變化以及進(jìn)行地層對比[6～12]等方面已做了很多工作。泥巖由于粒度細(xì)、成分均勻、吸附性強(qiáng)，在地球化學(xué)研究中有廣闊的應(yīng)用前景。研究區(qū)泥盆系-石炭系泥質(zhì)巖層較多，除晚石炭世地層外均有沉積，前人的研究多從巖性和生物組合來判斷其沉積背景，而關(guān)于泥質(zhì)巖的地球化學(xué)特征研究涉及較少，尚顯薄弱，本文即在泥質(zhì)巖的地球化學(xué)研究基礎(chǔ)上，探討其在沉積環(huán)境中的指示意義。

2 樣品來源及地層特征

2.1 采樣位置

實驗分析的樣品采自湖北省長陽縣火石山泥盆系云臺觀組-石炭系高驪山組剖面和火石山東石炭系高驪山組-黃龍組剖面。剖面位于清江邊公路旁，交通方便（圖1），巖石出露完整，層序清楚，樣品較為新鮮。

圖1 研究區(qū)泥盆系-石炭系分布及火石山剖面位置圖Fig.1Geological sketch map of Devonian and Carboniferous in Huoshisan area,Changyang,Hubei province

2.2 巖石地層特征

鄂西地區(qū)泥盆系自下而上為云臺觀組、黃家磴組、寫經(jīng)寺組和梯子口組。云臺觀組為灰白色塊狀-厚層狀細(xì)粒石英巖狀砂巖夾紫紅色中厚層狀石英粉砂巖，與下伏志留紀(jì)紗帽組呈平行不整合接觸。黃家磴組底部為粉砂質(zhì)泥巖偶夾薄層狀石英細(xì)砂巖，向上為石英砂巖、石英粉砂巖夾泥巖，頂部為鮞狀赤鐵礦層。寫經(jīng)寺組為灰色中厚層狀生物屑灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、鈣質(zhì)泥巖夾紫紅色鮞狀赤鐵礦層。梯子口組為灰色中厚層狀石英細(xì)砂巖夾薄層狀粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖，上部為深灰色、灰黑色薄層狀泥巖夾粉砂巖、灰?guī)r或白云巖，該組相當(dāng)于前人所劃分的梯子口組與長陽組[2]之和，因二者巖性以碎屑巖為主，與下伏及上覆的碳酸鹽巖層位易于區(qū)別，本文將其合并后統(tǒng)稱梯子口組，劃分為下段和上段，大體相當(dāng)于原狹義的梯子口組和長陽組。

石炭系下統(tǒng)自下而上為金陵組、高驪山組和和州組。金陵組為深灰色中厚層狀生屑灰?guī)r，高驪山組為灰白色中厚層狀石英砂巖、灰黑色薄層狀粉砂巖、泥巖。和州組下部為深灰色、灰色薄層狀含泥質(zhì)生物屑灰?guī)r夾薄層泥巖，上部為灰色中厚層狀石英砂巖夾泥巖等。上統(tǒng)為大埔組和黃龍組，前者為白云巖層，后者為灰?guī)r層，與下石炭統(tǒng)呈平行不整合接觸。

鄂西地區(qū)泥盆系-石炭系以泥巖或粉砂質(zhì)泥巖為主的層位主要有黃家磴組、梯子口組、高驪山組和和州組，這也是本次工作采樣層位。對火石山剖面所采集的21件泥盆系-石炭系樣品做常量、微量元素分析，全巖常量元素分析和微量元素分析均在國土資源部中南礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心進(jìn)行。常量元素分析采用XRF玻璃熔片法完成。微量元素采用ICP-MS法完成。鄂西地區(qū)泥盆系-石炭系巖性組合特征、采樣層位及海平面變化曲線見圖2。

3 地球化學(xué)特征

3.1 常量元素

沉積巖的巖石化學(xué)特征值研究是沉積巖成因及沉積相指示意義的研究手段，不同成因類型的沉積巖其特征的常量元素也不相同。長陽縣火石山地區(qū)剖面泥盆系-石炭系巖石類型主要有粉砂質(zhì)頁巖、石英細(xì)砂巖和鈣質(zhì)泥巖，其中本次工作所采集的泥質(zhì)巖的常量化學(xué)成分見表1。各主要元素的變化曲線見圖3，其中黃家磴組、梯子口組、高驪山組的SiO2的含量明顯較高（44.88%～76.02%），Al2O3次之（13.08%～27.83%），SiO2和Al2O3的含量自下而上有降低的趨勢，兩者之和通?？烧荚亟M成的60%以上。這表明研究區(qū)內(nèi)泥質(zhì)沉積物以硅酸鹽為主。而且在這些層位中穩(wěn)定元素（Fe2O3，MnO，TiO2）的含量較不穩(wěn)定元素（CaO，MgO和Na2O）含量高，表明碎屑物成熟度相對較高，經(jīng)過較長距離的搬運或強(qiáng)烈的風(fēng)化作用。

和州組下部鈣質(zhì)泥巖SiO2（26.95%）和Al2O3（9.95%）的含量不高，相反CaO的含量最高，占30.11%，但含量隨剖面向上逐漸減少，CaO的含量指示了沉積區(qū)距海岸線相對距離[13]，和州組下段屬臺地相，較高的CaO含量表明沉積區(qū)距離海岸線較遠(yuǎn)；上部以砂巖為主夾泥巖，表現(xiàn)出近陸源的特點；而黃家磴組、梯子口組、高驪山組的CaO含量在0.251%～5.94%之間，表明沉積區(qū)距離海岸線較近，反映物源區(qū)面積增大。

圖2 火石山地區(qū)泥盆系-石炭系泥巖采樣層位及海平面變化曲線圖Fig.2Sampling layers and sea-level changing curve of Devonian and Carboniferous in Huoshisan area, Changyang,Hubei province

圖3 火石山地區(qū)泥盆系-石炭系泥質(zhì)巖常量元素分析折線圖Fig.3Line graphs of Major element contents in Devonian and Carboniferous mudstones in Huoshishan area

Mn是典型的海洋沉積元素，低值反映近陸特征[14]。研究區(qū)泥質(zhì)巖類的MnO含量穩(wěn)定且整體偏低，只在黃家磴組頂部驟然變大，但這并不表明其水體較深的沉積背景，而可能與“寧鄉(xiāng)式”鐵礦的形成有關(guān)，因為Fe2O3、MnO同為鐵族元素，地球化學(xué)行為具有相似性，高Fe2O3含量的背景造就MnO在此時期含量變大。Na2O的高含量指示炎熱干燥的氣候[15]。研究區(qū)剖面Na2O含量自下而上整體穩(wěn)定，含量介于0.137%～0.352%之間，變化不大，具有從小→大→小的趨勢，整體處于較溫暖潮濕的環(huán)境中。MgO，K2O的高含量指示局限閉塞的高鹽度水體環(huán)境[15]，調(diào)查區(qū)剖面MgO，K2O的含量變化曲線一致，雖然各層位之間波動頻繁，但總體含量變化不大，整體水體鹽度較正常。

3.2 微量元素

沉積巖的微量元素研究可以識別其地球化學(xué)過程。調(diào)查區(qū)黃家磴組至和州組泥質(zhì)巖樣品的微量元素分析結(jié)果見表2，根據(jù)地球化學(xué)性質(zhì)的差異，微量元素大致分為親硫（Cu，Pb，Zn）、親鐵（Co，Ni，Cr，V，Sc）、親氧（Sr，Ba，Rb，Cs）及放射性（U、Th）元素。微量元素的變化沿剖面大體一致，如Cu，Pb，Zn，Co，As的變化曲線大致相似（圖4），幾乎是在黃家磴組頂部鐵礦層（pm006-20h1）出現(xiàn)峰值，可能此時期大量Fe2O3形成膠體的同時，吸附具有相似地球化學(xué)行為的元素離子共同沉淀，例如Cu，Pb，Co，因此會在同一層出現(xiàn)峰值；也有性質(zhì)相同的元素，但含量變化不一致，如Sr的含量整體較穩(wěn)定，只在黃家磴組頂部、高驪山組下部、和州組下部突然變大至（223～251）×10-6；Ba的含量自下而上有變小的趨勢。說明元素的富集程度還與元素本身的遷移能力、溶解度等相關(guān)因素有關(guān)；還有如U，Th含量隨總體趨勢是向上變小，但U曲線波動幅度明顯比Th曲線大，這與U在氧化還原環(huán)境以不同形式存在以及Th是相對惰性元素有關(guān)[14]。

3.3 稀土元素

圖4 火石山地區(qū)泥盆系-石炭系泥質(zhì)巖微量元素分析折線圖Fig.4Line graphs of trace element contents in Devonian and Carboniferous mudstones in Huoshishan area

稀土元素的化學(xué)性質(zhì)非常相近，溶解度普遍較低，在水體中停留的時間較短，因此能夠快速進(jìn)入到細(xì)粒沉積物中不發(fā)生分異[16]，使得細(xì)粒沉積物能較好地保存源區(qū)的地球化學(xué)信息[17～18]。研究稀土元素的地球化學(xué)特征對揭示泥質(zhì)巖的物源、古環(huán)境、古氣候等都具有重要的意義。

研究區(qū)黃家磴組至和州組碎屑巖樣品的稀土元素分析結(jié)果見表3?？傮w上，樣品稀土總量高，∑REE最大值1 058.11×10-6（和州組泥巖），最小值79.94×10-6（鈣質(zhì)泥巖）。LREE/HREE值反映了輕、重稀土的分餾程度，研究區(qū)LREE/HREE值為1.85～5.54，其（La/Yb）N=4.21～22.37，遠(yuǎn)＞1，顯示輕重稀土分餾程度較高。稀土元素北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化模式圖（圖5）和特征值表明，REE模式曲線平坦，輕重稀土曲線特征稍有差別，輕稀土曲線右傾較陡（La/Sm）N=1.61～6.09，說明輕稀土富集，分餾程度高；重稀土模式曲線相對平緩（Tb/Yb）N=0.71～2.23，重稀土元素之間的分餾程度較低。此外各巖石的稀土曲線近于平行，暗示沉積物來源可能為同一物源區(qū)。

所有樣品具有明顯的Eu負(fù)異常（δEu=0.49～0.79，均值0.635）、弱的Ce負(fù)異常（δCe=0.50～0.91，均值0.857）。Eu的正異常說明沉積過程有熱流體的參與，反之則可出現(xiàn)Eu負(fù)異常[19]。研究區(qū)具有明顯的Eu負(fù)異常，可能暗示沉積過程未曾有熱液參與，是正常的海水沉積。

圖5 火石山地區(qū)泥盆系-石炭系泥質(zhì)巖北美頁巖標(biāo)準(zhǔn)化分布型式圖Fig.5Northern American mudstone-normalized REE patterns of Devonian and Carboniferous mudstones

4 討論

4.1 氧化環(huán)境特征

相關(guān)微量元素比值受成巖、后生作用影響較小，是判別沉積環(huán)境變化的良好標(biāo)志。根據(jù)泥巖樣品分析數(shù)據(jù),可用Cu/Zn，V/Cr，Ni/Co，U/Th，自生Uau和Ce/La等參數(shù)進(jìn)行氧化還原環(huán)境的定性和定量研究（圖6）。

Cu、Zn等銅族元素在沉積作用過程中可因介質(zhì)氧逸度的不同而產(chǎn)生分離，Cu/Zn值隨介質(zhì)氧逸度的升降而變化[20]。有研究表明，Cu/Zn＜0.21，對應(yīng)還原環(huán)境；Cu/Zn值在0.21～0.38之間，對應(yīng)弱還原環(huán)境；Cu/Zn值在0.35～0.50之間，對應(yīng)還原-氧化環(huán)境[21]?；鹗綐悠返腃u/Zn值范圍為0.23～ 1.70，平均值為0.54，反映了火石山地區(qū)泥盆系-石炭系泥巖形成于氧化性沉積環(huán)境。

在缺氧（還原）環(huán)境下，V/Cr，Ni/Co，U/Th分別大于4.25，7和1.25，小于2，5和0.75分別對應(yīng)于氧化環(huán)境，在貧氧環(huán)境下分別在2.00～4.25，5～7，0.75～1.25之間[22～24]。自生沉積的Uau也可以用于識別氧化還原條件，Uau=Uto-Th/3（Uto表示總U）。Uau＜5.0×10-6代表富氧環(huán)境，5.0×10-6＜Uau＜12.0×10-6代表次富氧環(huán)境，Uau＞12.0×10-6代表貧氧和缺氧環(huán)境[22]?；鹗降貐^(qū)泥巖樣品V/Cr值為0.86～2.38，均值1.63；Ni/Co值為1.25～5.22，均值2.82，U/Th值為0.14～0.53，均值0.24，雖有個別值落入貧氧的范圍，但從三個比值的均值來看，沉積區(qū)泥巖總體上還是以氧化環(huán)境為主。結(jié)合Uau的結(jié)果來看，U/Th值為（-4.02～3.21）×10-6，更是處于一種富氧的沉積環(huán)境之中。

圖6 火石山地區(qū)泥盆系-石炭系泥質(zhì)巖元素比值折線圖Fig.6Element ratios lines of Devonian and Carboniferous mudstones in Huoshishan area

Ce和La受成巖及成巖后風(fēng)化作用影響較小，其比值主要受物源和沉積環(huán)境影響，Ce/La值可以反映海底氧化還原程度。當(dāng)Ce/La＜1.5時為富氧環(huán)境，Ce/La=1.5～1.8時為貧氧環(huán)境，Ce/La＞2.0時為厭氧環(huán)境[25]?；鹗降貐^(qū)泥巖樣品Ce/La值為0.37～0.83，均值為0.71，同樣顯示泥巖形成于氧化環(huán)境。

綜上所述，Cu/Zn，V/Cr，Ni/Co，U/Th，自生Uau和Ce/La比值結(jié)果表明研究區(qū)泥盆系-石炭系泥巖總體形成于氧化環(huán)境中。

4.2 近陸淡化特征

泥巖中的微量元素特征可以很好的反映介質(zhì)環(huán)境，其中對于海水和淡水環(huán)境的判別，常用的微量元素為Sr、Ba、B、Ga、Rb等[26]。通常認(rèn)為，Sr/Ba＞1或B/Ga＞1.5為海相沉積。

黃家磴組Sr/Ba比值為0.14～0.56（均值0.23），B/Ga比值為2.57～5.33（均值4.07）；梯子口組Sr/Ba比值為0.22～0.27（均值0.24），B/Ga比值為1.08～5.74（均值2.80）；高驪山組Sr/Ba比值為0.39～1.66（均值0.64），B/Ga比值2.84～10.98（均值5.93）。黃家磴組、梯子口組、高驪山組的Sr/Ba比值均＜1，表現(xiàn)為陸相沉積，而B/Ga比值均＞1.5，指示為海相沉積，兩者似有矛盾，但這恰好反映近岸淺水沉積特點[27]。這是由于Ba2+具有較小的溶度積，在近岸地帶，淡水中的鋇與海水中的硫酸根結(jié)合生成難溶硫酸鋇(BaSO4)而沉淀下來，而硫酸鍶(SrSO4)的溶解度較大，可繼續(xù)遷移至遠(yuǎn)海。因此鍶和鋇的比值隨著遠(yuǎn)離海洋而逐漸增大[28～29]。微量元素B、Ga是兩種化學(xué)性質(zhì)不同的元素，硼酸鹽溶解度大、能遷移，只有當(dāng)水蒸發(fā)后才析出；Ga的活動性低，易于沉淀[30]，研究區(qū)總體上B/Ga＞1.5，僅是在梯子口組部分層位略低，表明在三角洲環(huán)境中可能有淡水的帶入，而高驪山組層位出現(xiàn)B/Ga的高值，可能指示一種相對咸化環(huán)境。

和州組Sr/Ba比值0.54～2.09（平均1.41），B/Ga均值為6.59，均反映為海相沉積，表明為正常的淺海沉積。

Mg/Ca受氣候的控制，MgO/CaO高值指示干熱氣候，低值反映溫濕氣候[31]。在圖3中，火石山剖面黃家磴組一直保持相對穩(wěn)定的低值水平，反映當(dāng)時氣候變化不大，處于相對穩(wěn)定的溫濕氣候，雨量豐富利于淡水注入，鹽度正常；梯子口組沉積時期，MgO/CaO比值逐漸增大，表明氣候處于以溫?zé)釣橹?，局部出現(xiàn)少量干熱氣候，高驪山組底部MgO/CaO比值達(dá)到峰值，氣候最熱，鹽度隨之也變得較高，之后比值降低，氣候又由干熱向溫濕變化，期間也有小的旋回。

鄂西地區(qū)泥盆系為無障壁陸源碎屑與碳酸鹽混合沉積環(huán)境[32]，與泥質(zhì)巖共生的砂巖大型板狀斜層理、沙紋層理發(fā)育，巖石的礦物成熟度和結(jié)構(gòu)成熟度高，反映了離海岸較近暢通性好的高能環(huán)境。從晚泥盆世早期黃家磴組泥質(zhì)巖的地球化學(xué)識別指標(biāo)來看，結(jié)合部分層位水平層理、沙紋層理發(fā)育，植物碎片多，黃家磴組處于相對穩(wěn)定的溫濕氣候，海水逐漸加深，是一種充氧的近濱相沉積環(huán)境。

從泥盆紀(jì)晚期至早石炭世晚期，由于海平面頻繁的升降，導(dǎo)致梯子口組、高驪山組底部泥巖夾砂巖，以三角洲沉積為主，海平面略有下降，出現(xiàn)Sr/Ba＜1且B/Ga＞1.5共存的的近岸淺水沉積環(huán)境，其原因可能與大量淡水注入有關(guān)；在高驪山組上部是以質(zhì)純的泥質(zhì)巖為主的瀉湖相沉積，海水淡化明顯加強(qiáng)。至早石炭晚期和州組下段海水較深，上部表現(xiàn)出近陸源的三角洲相特點，總體反映相對穩(wěn)定的潮濕氣候。

4.3 不同沉積環(huán)境下的對比討論

海平面的升降會帶來水動力的改變，水深、水循環(huán)和氧化還原條件等沉積環(huán)境因素都會不同，進(jìn)而造成元素地球化學(xué)特征的差異，本文試圖通過對剖面各個層位的常量、微量以及稀土元素標(biāo)準(zhǔn)化后數(shù)值的聚類分析，通過合適的判別距離，歸類，找出化學(xué)元素方面的規(guī)律。

聚類分析采用statistica軟件。聚類結(jié)果見聚類樹形圖（圖7）。采用的聚類方法為類平均法，距離為歐式距離。距離為原始值。R型聚類分析結(jié)果表明，當(dāng)選定的判別距離為7時，所有巖層可劃分為8個組合。

從8個組合分布來看，有如下特征：

（1）沉積環(huán)境相近的層位地球化學(xué)特征相近。較為特征的是Ⅲ1區(qū)遠(yuǎn)濱相、Ⅲ2區(qū)瀉湖相、Ⅵ區(qū)開闊臺地相，三角洲相的樣品也多聚為一類，如Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)部分、Ⅳ區(qū)。同時沉積水動力條件與沉積介質(zhì)的物化性質(zhì)比較接近的層位，地球化學(xué)特征也較為接近。如Ⅲ區(qū)，遠(yuǎn)濱相（Ⅲ1）以泥巖為主，夾少量石英細(xì)砂巖，見植物化石碎片及軟骨魚類，水平層理發(fā)育，其中pm006-14h1層位砂巖層略多，沉積水體略淺，主要沉積于更靠近于近濱帶；而瀉湖相（Ⅲ2）以泥巖為主夾石英粉砂巖，與遠(yuǎn)濱相相比，泥質(zhì)含量更高，具水平層理及沙紋層理。因其都屬于靜水低能的沉積環(huán)境，在沉積地球化學(xué)特征上表現(xiàn)出相似性，且FeO，K2O含量相對較高，MgO/Al2O3值相對較高，Ni、Co、Cu、Zn相對較高。Ni、Co、Cu、Zn的離子半徑相近，遷移能力較強(qiáng)，隨著與物源區(qū)距離的增加，水體深度加深，Ni、Co、Cu、Zn的含量呈現(xiàn)增加的趨勢。同時Ni、Co、Cu、Zn的富集也與本區(qū)中有機(jī)質(zhì)含量有關(guān),這些元素能與有機(jī)質(zhì)形成絡(luò)合物，沉積物中有機(jī)質(zhì)越多其所含的上述元素就越豐富。與之層位相近的是Ⅷ區(qū)的pm006-20h1樣品，其沉積于遠(yuǎn)濱帶，由于位于鮞狀赤鐵礦層間，而在地球化學(xué)特征表現(xiàn)出獨特性，但是相同的是Ni、Co、Cu、Zn含量在此層位中最高。

圖7 泥盆系-石炭系泥質(zhì)巖R型聚類樹形圖Fig.7R-type tree diagramof Devonian and Carboniferous mudstones,Huoshishan area

（2）沉積環(huán)境明顯不同的層位地球化學(xué)特征在聚類圖上相距較遠(yuǎn)。如開闊臺地相（Ⅵ區(qū)）、局限臺地相（Ⅶ區(qū)）與三角洲相樣品差異較大。開闊臺地相為泥巖與灰?guī)r互層，SiO2最低，陸源物質(zhì)供應(yīng)相對較少，海水循環(huán)較好，鹽度基本正常，CaO和Sr/Ba值高，反映出距海岸線較遠(yuǎn)的沉積特點。這與近陸源的層位特別是三角洲相差異明顯。

（3）三角洲相的地球化學(xué)特征表現(xiàn)出多變性。這是由于三角洲相所處的沉積環(huán)境所決定的。三角洲相組包括三角洲前緣亞相和前三角洲亞相，粉砂巖、泥巖中常含菱鐵礦結(jié)核，發(fā)育小型板狀斜層理和沙紋層理、水平層理，三角洲前緣圍繞三角洲平原的邊緣伸向海洋，呈環(huán)帶分布，由于它位于海岸線地帶，河流帶入的沉積物經(jīng)過改造，再分配，形成分選好，成分純凈的砂質(zhì)沉積物集中帶，沉積物中平均含沙量高，泥質(zhì)和有機(jī)質(zhì)較少。從圖7可以看出，相同的沉積環(huán)境下（三角洲前緣和前三角洲）的地球化學(xué)特征基本一致，可聚為一類，如Ⅱ區(qū)部分、Ⅳ區(qū)，在三角洲環(huán)境中，由于大量泥沙及淡水的帶入，在地球化學(xué)特征上表現(xiàn)為SiO2、Fe2O3、B、Mo值高，而Al2O3、MgO值低，Sr/Ba比值低，約為0.5，因為三角洲相總體處于海陸交互帶，環(huán)境變化大，可以與其環(huán)境相差較大的如近濱相、瀉湖相聚為一類而表現(xiàn)為地球化學(xué)特征相近。

5 結(jié)論

（1）鄂西地區(qū)泥盆紀(jì)云臺觀組-石炭紀(jì)高驪山組常量元素表明黃家磴組、梯子口組、高驪山組泥巖SiO2和Al2O3含量較高，以硅酸鹽為主，碎屑物成熟度相對較高，表明與陸源物質(zhì)關(guān)系影響較大；和州組CaO含量高表現(xiàn)出海水相對較深的臺地相沉積。Na2O及Mg/Ca值指示氣候溫濕-干熱-溫濕變化的過程。

（2）微量元素的變化趨勢大體一致但也有差異。因地球化學(xué)行為相似的元素例Cu、Pb、Zn、Co變化曲線一致；Sr、Ba因元素本身的遷移能力、溶解度差異，變化曲線不相同；U、Th因活動性差異，曲線波動幅度不同。

（3）稀土元素總量高，輕稀土富集，重稀土平坦，剖面上具有明顯的Eu負(fù)異常以及弱的Ce負(fù)異常，表明沉積區(qū)為正常的海水沉積，巖石稀土曲線近于平行，指示樣品來源一致。

（4）Cu/Zn、V/Cr、Ni/Co、U/Th、自生Uau和Ce/La等元素比值表明，泥盆系-石炭系整體處于氧化環(huán)境中，Sr/Ba及B/Ga比值顯示為有淡水注入的近岸沉積環(huán)境。黃家磴組海水相對較深，沉積環(huán)境開闊。在泥盆紀(jì)晚期至早石炭世之后海平面頻繁升降，梯子口組、高驪山組下部以三角洲相沉積為主，高驪山組上部層位為瀉湖相沉積，和州組下段屬臺地相，上段以三角洲相沉積為主，而各階段地球化學(xué)特征都有所不同。

（5）數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析表明沉積環(huán)境相近的層位地球化學(xué)特征相近，如遠(yuǎn)濱相、瀉湖相、開闊臺地相。沉積環(huán)境明顯不同的層位地球化學(xué)特征差別較大。如開闊臺地相、局限臺地相與三角洲相樣品差異較大。三角洲相的地球化學(xué)特征表現(xiàn)出多變性，一方面表現(xiàn)為相似的沉積環(huán)境其地球化學(xué)特征基本一致，另一方面表現(xiàn)為與環(huán)境相差較大的如近濱相、瀉湖相部分層位地球化學(xué)特征相近性。

[1]徐安武，芮夫臣．中揚子區(qū)泥盆紀(jì)古地理[J]．湖北地質(zhì)，1991，5（1）：11-18．

[2]馮少南，許壽永，林甲興，等．長江三峽生物地層學(xué)（3）晚古生代分冊[M]．北京：地質(zhì)出版社，1984，63-109．

[3]陳家懷，黎漢明，林甲興．鄂西早石炭世地層的新認(rèn)識[J]．地層學(xué)雜志，1986，10（1）：49-53．

[4]胡寧，徐安武．鄂西寧鄉(xiāng)式鐵礦分布層位巖相特征與成因探討[J]．地質(zhì)找礦論叢，1998，13(1)，：40-47．

[5]汪嘯風(fēng)，張仁杰，陳孝紅，等．長江三峽地區(qū)珍貴地質(zhì)遺跡保護(hù)和太古代-中生代多重地層劃分和海平面升降變化[M]．北京：地質(zhì)出版社：2002，1-341．

[6]徐躍通．廣東茂名地區(qū)二疊紀(jì)層狀硅質(zhì)巖成因地球化學(xué)特征及其沉積環(huán)境意義[J]．西安地質(zhì)學(xué)院學(xué)報，1997，19（3）：27-33．

[7]王傳尚，汪嘯風(fēng)，陳孝紅，等．峽東地區(qū)奧陶系廟坡組地球化學(xué)異常與海平面變化研究[J]．地質(zhì)地球化學(xué)，2003，31（2）：57-63．

[8]經(jīng)雅麗，張克信，林啟祥，等．浙江長興煤山下三疊統(tǒng)和龍山組、南陵湖組沉積地球化學(xué)特征與古環(huán)境意義[J]．地質(zhì)科技情報，2005，24（1）：35－40．

[9]Shi Y K,Yang X N,Hao H.Differences between subfamilies in diversification process of the Early and Middle Permian fusulinid fauna in South China[J]. Palaeoworld,2009,18:34-40.

[10]Algeo T J,Maynard J B.Trace-element behavior and redox facies in core shales of Upper Pennsylvanian Kansan-type cyclothems[J].Chemical Geology,2004, 206:289-318.

[11]Algeo T J,Ellwoodthi B,Nguyen K T,et al.The Permian-TriassicboundaryatNhiTao,Vietnam: Evidence for recurrent influx of sulfidic watermasses to a shallow-marine carbonate platform[J].Palaeogeography, Palaeoclimatology,Palaeoecology,2007,252:304-327.

[12]Algeo T J,Heckel P H.The Late Pennsylvanian Midcontinent Sea of North America:A review[J]. Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2008, 268:205-221.

[13]丁海燕，張振克，何華春．套子灣現(xiàn)代沉積物元素地球化學(xué)特點及環(huán)境意義[J]．海洋地質(zhì)動態(tài)，2006，22（11）：1-6．

[14]林治家，陳多福，劉芊．海相沉積氧化還原環(huán)境的地球化學(xué)識別指標(biāo)[J]．礦物巖石地球化學(xué)通報，2008，27（1）：36-98.

[15]匡少平，徐仲，張書圣，等．運用地球化學(xué)方法研究中新生代環(huán)境氣候演替[J]．青島化工學(xué)院學(xué)報，2002，23（1）：4-9．

[16]趙振華．微量元素地球化學(xué)原理[M]．北京：科學(xué)出版社，1997，143-223．

[17]Cullers R L,Barrett T,Carlson R,et al.REE and mineralogicchangesinHolocenesoilandstreamsediment[J].Chemical Geology,1987,63:275-297.

[18]Cullers R L,Basu A,Suttner LJ.Geochemical signature of provenance in sand-size mineral in soil and streamnear the tabacco root batholith,Montana,USA[J].Chemical Geology,1988.70:335-348.

[19]王立社，侯俊富，張復(fù)新，等．北秦嶺廟灣組黑色巖系稀土元素地球化學(xué)特征及其成因意義[J]．地球?qū)W報，2010，31（1）：73-82．

[20]劉俊海，吳志軒，于水，等．麗水凹陷古新統(tǒng)微量元素地球化學(xué)特征及其地質(zhì)意義[J]．中國海上油氣，2005，17（1）：8－11．

[21]楊瑞東.貴州晚二疊世硅質(zhì)巖類型及其沉積地球化學(xué)環(huán)境[J].貴州地質(zhì)，1990，7（2）：171-176．

[22]Jones B,Manning D A C.Comparison of geochemical indicesusedfortheinterpretationofpalaeoredox conditions in ancient mudstones[J].Chemical Geology, 1994,111(1-4):111-129.

[23]胡修棉，王成善．古海洋溶解氧研究方法綜述[J]．地球科學(xué)進(jìn)展，2001，16（1）：65-71．

[24]Rimmer S M,Thompson J A,Goodnight S A,et al. Multiple controlson the preservation of organic matter in Devonian Mississippian marine black shales;geochemical and petrographical evidence[J].Palaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology,2004,215(1-2):125-154.

[25]Bai S L,Bai Z Q,Ma X P,et al.Devonian Events and Biostratigraphy of South China[M].Beijing:Peking University Press,1994,21-24.

[26]葉黎明，齊天俊，彭海燕.鄂爾多斯盆地東部山西組海相沉積環(huán)境分析[J]．沉積學(xué)報，2008，26（2），202-210．

[27]牛志軍，段其發(fā)，徐安武，等．論鄂西建始地區(qū)大隆組沉積環(huán)境[J]．華南地質(zhì)與礦產(chǎn)，1999，（1）：18-23．

[28]黃昔容，陶述平．貴州織金礦區(qū)晚二疊世地層的地球化學(xué)特征[J]．湘潭礦業(yè)學(xué)院學(xué)報，1999，14（3）：14-18.

[29]朱立軍，趙元龍．貴州臺江中、下寒武統(tǒng)界線剖面微量元素地球化學(xué)特征[J]．古生物學(xué)報，1996，35（5）：623-630．

[30]許中杰，程日輝，李飛，等．粵西高明地區(qū)晚三疊世小坪組元素地球化學(xué)特征[J]．吉林大學(xué)學(xué)報，2010，40（3）：305-313．

[31]張代生，付國斌，秦恩鵬，等．新疆吐哈盆地侏羅紀(jì)古植被與古氣候及古環(huán)境的探討[J]．現(xiàn)代地質(zhì)，2002，16（2）：147 -152．

[32]徐安武，胡寧，曾波夫．中揚子泥盆紀(jì)巖相古地理及有關(guān)礦產(chǎn)[A]．巖相古地理文集（7）[C]．北京：地質(zhì)出版社，1992，127-172．

Geochemical Characteristics and Sedimentary Environment of Devonian and Carboniferous Mudstones in western Hubei Province

LI Min,NIU Zhi-jun,ZHAO Xiao-ming,TU Bing,WANG Ling-Zhan，ZENG Bo-fu，XIE Guo-gang
（Wuhan InstituteofGeologyand Mineral Resources,Wuhan 430205,China）

The geochemical characteristics of twenty-one samples fromthe Devonian Huangjiadeng Formation to Carboniferous Gaolishan Formation at Huoshishan section,Western Hubei are studied.The high content of SiO2,Al2O3,TFe2O3of Huangjiadeng Formation,Tizikou Formation,Gaolishan Formation,indicated they had been greatly influenced by the terrigenous resource,while the high content of CaO of the lower part of Hezhou Formation indicated that the sea water is relatively deep;the content of Na2O and the ratio of Mg/Ca means that climate experienced the process fromwarmand wet,to dry and hot,and to warmand wet. The trace elements change curve is consistent with high amount of REE,obvious differentiation of∑LREE and∑HREE and negative Ce and Eu abnormities.The similar curve of REE means all the samples are fromthe same origin.Cu/Zn,V/Cr,Ni/Co,U/Th,Uau and the Ce/La ratios indicate that the research area as a whole had been under an oxidized environment,while Sr/Ba and B/Ga ratios tells that they have been deposited nearshore.The mathematics statistical analysis results indicate that samples fromsimilar sedimentary environment and hydrodynamic condition share the similar geochemical characteristics;correspondingly,those which are different fromobvious different deposition environments.The delta facies shows similar geochemical characteristics with those different sedimentary environments can be explained as that it as a whole was in an area of flood and field alternately existed where the environmental variation was great.

Devonian;Carboniferous;sedimentary geochemistry;western Hubei

P596+63

A

1007-3701(2011)03-0238-12

2011-02-16

中國地質(zhì)調(diào)查局國土資源大調(diào)查項目（編號：12120108 14057，1212010610709）.

李珉(1982—)，女，研究實習(xí)員，從事地質(zhì)調(diào)查及第四紀(jì)地質(zhì)研究工作,Email:liminsw@yeah.net.