龍門山甘溪泥盆系養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒地球化學特征與成因

王錦西, 李鳳杰, 孫豪飛, 陳政安, 倪子堯

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學)，成都 610059；2.中國石油西南油氣田公司 致密油氣勘探開發(fā)項目部，成都 610051；3.中國石油西南油氣田公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610051)

“寧鄉(xiāng)式”鐵礦是重要的鐵礦類型，用于描述泥盆紀由鐵質(zhì)鮞粒組成的沉積礦床，主要形成于中泥盆世和晚泥盆世[1-4]，在中國南方廣泛分布。雖然對“寧鄉(xiāng)式”鐵礦的研究由來已久，但是對鐵質(zhì)鮞粒的成因卻存在諸多不同認識。首先，在鐵質(zhì)鮞粒中鐵的來源上，有3種不同的認識：①大陸風化來源[4-5]；②通過上升流攜帶還原的大洋深處來源[6]；③盆地熱液來源[7]。其次，根據(jù)鐵的來源和形成環(huán)境的不同將鐵質(zhì)鮞粒劃分為4種不同的成因類型：①濱淺海相沉積成因，鮞粒往往作為動蕩海水的標志[4]；②強烈攪動水體中形成的鮞粒機械搬運至濱?；蜻h濱海相沉積[8]，綠泥石鮞粒和赤鐵礦鮞粒均形成于成巖期[9-10]；③微生物成因[6,11]；④熱液成因[7]。上述成因類型的劃分為鐵質(zhì)鮞粒成因研究提供了重要的理論依據(jù)；但是鐵質(zhì)鮞粒成因復(fù)雜，不同沉積環(huán)境中的鐵質(zhì)鮞粒在巖石學和地球化學等方面都存在著巨大的差異，只有在深入了解盆地沉積環(huán)境的基礎(chǔ)上，對鮞粒進行詳細的巖石學、地球化學分析才能準確判斷鐵質(zhì)鮞粒的成因機制。

龍門山地區(qū)甘溪剖面中泥盆統(tǒng)養(yǎng)馬壩組發(fā)育鐵質(zhì)鮞粒[12-13]，但是一直以來缺少對其沉積環(huán)境、成因和地球化學特征的系統(tǒng)研究。本文以野外露頭剖面實測為基礎(chǔ)，通過鏡下觀察、掃描電鏡、能譜分析和地球化學分析測試對鮞粒赤鐵礦的結(jié)構(gòu)及特征進行詳細研究，進而分析養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒的成因。

圖1 甘溪剖面養(yǎng)馬壩組位置圖Fig.1 Map showing the location of Yangmaba Formation profile at Ganxi, Longmenshan

龍門山區(qū)北川桂溪-沙窩子泥盆系國際標準剖面(簡稱甘溪剖面)是中國泥盆系重要的典型剖面之一[12]。該剖面地層發(fā)育完整、出露良好，下統(tǒng)由平驛鋪組、白柳坪組、甘溪組、謝家灣組和二臺子組組成，中統(tǒng)則由養(yǎng)馬壩組、金寶石組、觀霧山組組成[12-14]。北川甘溪剖面賦存鐵質(zhì)鮞粒的養(yǎng)馬壩組位于石溝里村(圖1)，是由碎屑巖和碳酸鹽巖組成的混合沉積[15]。其底部為薄層狀或透鏡狀淺灰色生物屑灰?guī)r和土黃色含粉砂質(zhì)泥巖，鐵質(zhì)鮞粒賦存于生物屑灰?guī)r中，沉積于有障壁海岸環(huán)境下的潟湖及其障壁島中[12-13]。本文對甘溪石溝里剖面養(yǎng)馬壩組含鐵質(zhì)鮞粒層段進行實測，將該層段進一步劃分為35個小層，實測結(jié)果見圖2。實測過程中進行了系統(tǒng)取樣，以用于薄片鑒定、掃描電鏡和地球化學分析。

1 樣品與實驗方法

樣品的巖石類型主要包括生屑鮞?；?guī)r、砂質(zhì)鮞?；?guī)r和鮞粒生屑灰?guī)r。在剖面分析的基礎(chǔ)上，進行了薄片觀察、掃描電鏡分析、地球化學等分析。

普通薄片以茜素紅與鐵氰化鉀混合溶液染色為基礎(chǔ)，以便于觀察薄片中的碳酸鹽礦物成分，并于成都理工大學沉積地質(zhì)研究院沉積地質(zhì)實驗室用偏光顯微鏡進行顯微拍照；掃描電鏡分析工作在成都理工大學油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室完成，使用的儀器為Quantan250 FEG掃描電子顯微鏡(配Oxford INCAx-max 20能譜儀)。

主元素、痕量元素和稀土元素測試由四川冶金地質(zhì)巖礦測試中心完成，檢測儀器為帕納科Axios-Poly波長色散型X射線熒光光譜儀，檢測溫度為20.0～22.0℃，相對濕度為40.0%～58.0%，實驗結(jié)果誤差<2.0%。

圖2 甘溪剖面養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒富集層綜合柱狀圖Fig.2 Synthetic histogram of iron ooid concentration of the Yangmaba Formation in Ganxi section

2 巖石學特征

2.1 鮞粒類型

據(jù)野外剖面、室內(nèi)薄片和掃描電鏡的綜合分析，甘溪剖面養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒主要賦存于鮞?；?guī)r或鮞粒生屑灰?guī)r中。根據(jù)鐵質(zhì)在鮞粒中的含量和分布情況，可以將鮞粒分為3種類型。

a.正常鮞粒：紋層清晰可辨，為鐵質(zhì)鮞粒紋層，鮞粒核心可為石英顆粒(圖3-A)和生物碎屑，也可不顯示核心(圖3-B)。填隙物通常以灰質(zhì)為主，包括灰泥雜基和亮晶膠結(jié)物(圖3-A)，也可富含粉砂質(zhì)陸源碎屑(圖3-B)。

b.綠泥石鮞粒：鮞粒以海百合莖碎片為核心，核心的半徑常大于紋層的寬度，形成薄皮鮞(圖3-C、D)。海百合碎片體腔中基本上被鐵質(zhì)充填。鮞粒的紋層相對較薄，紋層清晰可見，為綠泥石質(zhì)。粒間填隙物以亮晶方解石為主，少量鐵質(zhì)膠結(jié)(圖3-C)。

c.鐵化鮞粒：鐵化鮞粒中由于鐵質(zhì)的含量很高，使得鮞粒在顯微鏡下呈黑色橢球狀。鐵質(zhì)含量較低的紋層，紋層依稀可見；鐵質(zhì)含量高的部位，鮞粒漆黑，紋層不能分辨(圖3-E)。鮞?？赡芡耆昏F化，基本上全部呈黑色，紋層不可見(圖3-F)。鐵質(zhì)不但是鮞粒紋層的重要組成，而且也可充填于生物體腔孔中(圖3-F)。生物碎屑呈黑色分布于巖石中。

2.2 巖石學特征

根據(jù)野外露頭、鏡下薄片、掃描電鏡和能譜分析，甘溪剖面養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒的核心為生物碎屑和石英顆粒，紋層一般發(fā)生綠泥石化和鐵化，顆粒間充填赤鐵礦和亮晶方解石膠結(jié)物。赤鐵礦在顯微鏡下呈黑色不透明(圖3-E、F)，在掃描電鏡下呈片狀晶體，能譜分析主要元素為Fe和O(圖4-A)；綠泥石在顯微鏡下呈淡綠色(圖3-C、D)，掃描電鏡下紋層中的形狀不明顯，粒間呈細小集合體，能譜分析主要元素為O、Al、Si和Fe(圖4-B)。

3 地球化學特征

本次研究共對甘溪剖面養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒9件樣品進行了主元素、痕量元素和稀土元素分析，以此探討鐵質(zhì)鮞粒的鐵質(zhì)來源及其成因，分析結(jié)果見表1、表2、表3。

3.1 主元素

鐵質(zhì)鮞粒樣品氧化物的質(zhì)量分數(shù)(w)測試結(jié)果表明，F(xiàn)e2O3在45.46%～69.41%，平均為57.42%； SiO2在4.46%～10.35%，平均為7.22%；Al2O3在2.57%～6.23%，平均為4.39%，與SiO2在含量上存在正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.64(圖5-A)。TiO2為0.11%～0.26%，平均為0.18%，與SiO2之間存在良好的對應(yīng)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.92(圖5-B)；而與Al2O3之間的也呈良好的正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.67(圖5-C)。P2O5在0.76%～3.14%，平均為1.85%，含量偏高，略低于鄂西寧鄉(xiāng)式鐵礦(2.03%[3])。CaO為8.53%～20.75%，平均為14.31%，與P2O5之間具有較好的對應(yīng)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.92(圖5-D)。MnO為0.52%～1.02%，平均為0.73%；MgO、Na2O和K2O的含量都很低，平均質(zhì)量分數(shù)分別為0.71%、0.09%和0.37%。通常情況下，F(xiàn)e2O3與SiO2、Al2O3、P2O5、CaO、MnO、TiO2之間呈負相關(guān)關(guān)系。

圖3 甘溪剖面養(yǎng)馬壩組鮞粒鏡下特征Fig.3 Photomicrographs showing the oolitic iron ores from the Yangmaba Formation in Ganxi section(A)鮞粒生物屑灰?guī)r，真鮞，核心為石英顆粒，少量鐵質(zhì)，沿鮞粒紋層分布，N-2; (B)粉砂質(zhì)鮞?；?guī)r，真鮞，核心不明顯，基本未發(fā)生赤鐵礦化，N1; (C)生物屑鮞?；?guī)r，薄皮鮞，核心多為海百合碎片，圈層很薄，鐵質(zhì)含量中等，沿鮞粒紋層分布，B1-2; (D)生物屑鮞粒灰?guī)r，鮞粒多呈橢球狀，鐵質(zhì)鮞粒，可見綠泥石鐵質(zhì)鮞粒，B2-3; (E)生物屑鮞?；?guī)r，鮞粒多呈橢球狀，鐵質(zhì)鮞粒， 鮞?；静伙@紋層， B2-3; (F)生物屑鮞粒灰?guī)r，鐵質(zhì)鮞粒， 海百合莖內(nèi)充填鐵質(zhì)，B1-3

圖4 甘溪剖面養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒SEM顯微照片及能譜分析圖Fig.4 SEM image and energy spectrum analysis of iron ooid concentration of the Yangmaba Formation in Ganxi section

SiO2Al2O3Fe2O3FeOK2ONa2OCaOMgOMnOTi2OP2O5LOI合計N18.375.2845.464.430.320.0820.750.890.520.233.1410.599.97N27.323.2458.072.350.370.0914.680.720.970.201.7710.299.98N57.634.3549.543.250.420.1116.420.921.040.192.0113.999.78B1-110.356.2358.320.820.420.0811.530.450.820.261.359.399.93B1-26.425.3250.953.450.450.0718.350.670.560.152.2511.399.93B1-36.253.6469.410.750.250.108.530.720.590.140.768.699.74B1-56.684.2360.423.470.410.0812.470.810.660.181.858.799.96B2-17.514.6763.570.820.340.0912.360.620.620.211.687.599.99B2-34.462.5765.051.210.350.0813.750.560.780.111.829.299.94

3.2 痕量元素

鐵質(zhì)鮞粒樣品的痕量元素分析結(jié)果表明：Ba、Sr、Zn、Pb、V、Ni和Ga等元素的含量較高，平均質(zhì)量分數(shù)分別為209×10-6、308×10-6、197×10-6、193×10-6、501×10-6、68.8×10-6和53.9×10-6；Li、Cu、Rb、Sc、W、Mo、Sn、Nb、Ta、U和Zr等元素的含量中等，平均質(zhì)量分數(shù)為(5～37)×10-6；而Bi、Cr、As和Th等含量最低，平均質(zhì)量分數(shù)<5×10-6。

3.3 稀土元素

鐵質(zhì)鮞粒樣品的稀土元素分析結(jié)果表明：稀土元素(∑REE)的質(zhì)量分數(shù)為288.73×10-6～745.24×10-6，平均為503.75×10-6。經(jīng)北美頁巖平均值標準化后的稀土元素分配模式可以看出，鐵質(zhì)鮞粒樣品的稀土元素分配模式均具有弓形上傾的趨勢(圖6)。樣品的δEu 值為1.14～1.41，平均值為1.29，呈現(xiàn)輕微的正異常；δCe為1.07～1.54，平均值1.26，同樣呈現(xiàn)輕微正異常；LaN/YbN變化范圍比較大，但多數(shù)位于0.22～1.012內(nèi)，平均值為0.414。

4 討 論

4.1 鐵質(zhì)來源

鐵質(zhì)來源的確定是研究鐵質(zhì)鮞粒成因機制的前提。從甘溪剖面養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒的主元素間的相關(guān)性來看，SiO2、Al2O3和TiO2彼此之間均存在正相關(guān)關(guān)系，并且具有較高的相關(guān)系數(shù)(圖5)，這種氧化物之間的良好關(guān)系，反映它們均是陸源風化的產(chǎn)物[18]。

痕量元素分析中，在判斷是否為熱水沉積成因方面，As是非常重要的指標。與正常海水As(質(zhì)量分數(shù)為5×10-6)相比，熱泉水中As的質(zhì)量分數(shù)普遍偏高(180×10-6～230×10-6)[19]。養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒的As平均質(zhì)量分數(shù)為4.1×10-6，與正常海水的As值相近，而與熱泉水的值相差甚遠[20]。

痕量元素(As+Cu+Mo+Pb+V+Zn)-(Ni+Co)投點圖和(Co+Ni+Cu)-(Co/Zn)投點圖可以判斷熱液作用和水化作用，養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒均落在了水化作用范圍內(nèi)(圖7)，而非熱液作用區(qū)。痕量元素特征表明，養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒中的鐵質(zhì)來源于陸源風化。

稀土元素因其很少受沉積之后各種作用的影響，所以利用稀土元素能夠較好地恢復(fù)古海洋環(huán)境。用來判別鐵質(zhì)鮞粒成因和形成環(huán)境的參數(shù)主要有δCe、δEu和LaN/YbN等[23-25]。大陸邊緣沉積δCe的變化范圍為0.67～1.52，平均為1.11；δEu的變化范圍為0.64～1.72，平均為1.21；LaN/YbN值為0.43～1.22，平均為0.75[26-27]。甘溪剖面養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒的δCe、δEu和LaN/YbN平均值分別為1.26、1.29和0.414，均落在了大陸邊緣沉積的范圍之內(nèi)。

圖7 甘溪剖面養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒痕量元素投點圖Fig.7 Plots of trace elements of the iron ooid concentration from the Yangmaba Formation in Ganxi section(A)作圖方法據(jù)K.Nicholson[21]; (B)作圖方法據(jù)J.R.Toth[22]

上述3個方面的分析表明甘溪剖面養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒中的鐵質(zhì)主要來源于陸源風化。

4.2 鐵質(zhì)鮞粒的成因與古環(huán)境意義

層序地層的研究表明，龍門山區(qū)甘溪養(yǎng)馬壩組底界面為平行不整合界面[28]，表現(xiàn)為海灣或潟湖頁巖超覆于下伏的二臺子組礁灰?guī)r之上，發(fā)生相序結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換，接受混積濱岸相沉積[15]。這說明在沉積初期，水體深度不大，溫度較高，氧氣充足。大陸上母巖遭受風化后，大量的鐵質(zhì)從風化殼中被淋濾出來被地表水攜帶至海洋中，鐵元素以氧化鐵的形式存在。在淺海動蕩的水體環(huán)境中，鮞粒以石英顆粒核心或其他核心不斷生長形成紋層。在同心紋層形成過程中，氧化鐵參入紋層的生長，逐漸成為鮞粒紋層的主要成分，形成鐵質(zhì)鮞粒。因此，養(yǎng)馬壩組底部發(fā)育了大面積的鮞狀赤鐵礦。而隨著沉積作用的進行，氧氣減少，水體中部分Fe3+被還原成低價鐵，低價鐵與淤泥水中已溶解了的硅鋁酸結(jié)合或交代細粒硅鋁酸沉積物，形成了綠泥石鮞粒[30]。

此外，鮞粒的核心多以海百合莖碎片為主(圖3)，而且養(yǎng)馬壩組中夾有由珊瑚組成的生物礁層[12-13]，這些生物的生活環(huán)境均為溫暖的熱帶、亞熱帶環(huán)境。因此，甘溪剖面養(yǎng)馬壩組中的鮞粒沉積于大陸邊緣近海環(huán)境。

5 結(jié) 論

a.龍門山區(qū)甘溪剖面養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒的類型多樣，主要賦存于鮞粒灰?guī)r或鮞粒生屑灰?guī)r中。根據(jù)鐵質(zhì)在鮞粒中的含量和分布情況，可以將鮞粒分為3種類型，即正常鮞粒、綠泥石鮞粒和鐵化鮞粒，鐵質(zhì)鮞粒中主要的含鐵礦物為赤鐵礦和綠泥石。

b.養(yǎng)馬壩組鐵質(zhì)鮞粒的地球化學分析表明，鐵質(zhì)來源于中泥盆世之初的區(qū)域上的古暴露事件，該事件風化剝蝕作用為鐵質(zhì)鮞粒的形成提供了鐵質(zhì)來源。鐵質(zhì)鮞狀層的發(fā)育反映了炎熱、潮濕的熱帶、亞熱帶古地理環(huán)境，其沉積于大陸邊緣濱岸近海環(huán)境。