膠萊盆地止鳳莊組、紅土崖組微量元素地球化學特征及古環(huán)境分析

余繼峰，曹慧濤，付文釗，張典棟，胡曉珂，王亞東

(1.山東科技大學 地球科學與工程學院，山東 青島 266590； 2.遼寧工程技術(shù)大學 礦業(yè)學院，遼寧 阜新 123000)

膠萊盆地是華北克拉通東緣的白堊紀復合改造型盆地，東南緣通過蘇魯造山帶與華南板塊相接，盆地東南方向緊臨的靈山島是膠萊盆地的一部分[1]。近年來，對膠萊盆地白堊紀沉積環(huán)境的研究不斷深入，但觀點不一。彭楠等[2]認為膠萊盆地萊陽群止鳳莊組以沖積扇-河流沉積為主，早白堊世沉積環(huán)境相對溫暖濕潤。李守軍等[3]在靈山島下白堊統(tǒng)萊陽群法家塋組中首次發(fā)現(xiàn)魚類化石LecopterasinensisWoodward和葉肢介化石YanjiestheriaChen，也認為早白堊世膠萊盆地屬陸相沉積。任天龍等[4]認為紅土崖組主要為河道-河漫灘沉積環(huán)境，氣候相對溫暖濕潤。但張松梅等[5]曾在山東省膠南地區(qū)萊陽群發(fā)現(xiàn)絨枝藻海相化石，對靈山島萊陽期的陸相沉積持異議。馮喬等[6]利用地球化學指標分析認為膠萊盆地萊陽群瓦屋夼組與水南組為海相沉積。呂洪波等[7]認為靈山島下白堊統(tǒng)萊陽群是一套遠源濁積巖，指出該套濁積巖是揚子板塊和華北板塊碰撞前的殘余洋盆沉積。因此，膠萊盆地白堊系是陸相沉積還是海相沉積尚無定論，其中靈山島萊陽群的沉積環(huán)境是爭論的焦點。從研究手段來看，支撐海陸相沉積的證據(jù)主要為巖石特征、化石以及地層中的鏡煤條帶、疊瓦構(gòu)造等[8]，而應用元素地球化學方法對該套地層沉積環(huán)境的研究較少。為此，對膠萊盆地萊陽群止鳳莊組和紅土崖組及靈山島萊陽群法家塋組野外露頭剖面進行觀察描述和采樣(圖1)，并進行微量元素分析，進而從反映出的古鹽度、古氣候、氧化還原性等特征還原目標層的沉積環(huán)境。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)簡圖及剖面位置

1 地質(zhì)概況

山東位于華北克拉通中東部，沂水斷裂帶將其分隔為東西兩部分。膠萊盆地發(fā)育于沂沭斷裂帶東側(cè)，北部至膠北隆起，西部跨越平度凹陷直至沂沭斷裂帶，南部通過五蓮-榮成斷裂與蘇魯造山帶膠南隆起相鄰，東部相隔海陽和乳山入黃海延伸至千里巖斷裂[9](圖1(a))。膠萊盆地可分為基底和蓋層兩大巖系，太古界和元古界的變質(zhì)巖系構(gòu)成基底，白堊系、古近系和第四系構(gòu)成蓋層。白堊系由老到新分別為萊陽群、青山群、王氏群[10](圖2)。靈山島位于青島黃海海域，構(gòu)造上屬蘇魯造山帶，島上出露地層以下白堊統(tǒng)萊陽群法家塋組沉積巖(圖1(b))和青山群八畝地組火山碎屑巖為主。

圖2 研究區(qū)地層柱狀圖與采樣位置

萊陽群止鳳莊組標準剖面位于萊陽市龍旺莊鎮(zhèn)止鳳莊村南附近，止鳳莊組與水南組整合接觸，以紫褐色、灰黃色礫巖、砂巖為主，夾少量紫灰色泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。發(fā)育水平層理和交錯層理。王氏群紅土崖組是膠萊盆地最主要的恐龍化石產(chǎn)出層位，標準剖面位于萊陽市古柳鎮(zhèn)吳家莊附近的紅土崖剖面。紅土崖組整合于辛格莊組之上，以一套磚紅色、紫紅色砂巖、粉砂巖夾砂礫巖沉積為主，粗碎屑巖底部具沖刷構(gòu)造(圖2)；靈山島萊陽群出露較好的剖面有4條：釣魚臺剖面、燈塔剖面、千里崖剖面、船廠剖面(圖1(b))，其中船廠剖面主要由灰色粉砂巖與薄層泥巖互層構(gòu)成，泥巖發(fā)育水平層理。

2 巖石學特征

本研究分別對止鳳莊組、紅土崖組及法家塋組野外露頭進行了樣品采集，具體采樣位置見圖1(b)、圖2。采樣時注意兩個原則：一是保證樣品新鮮，二是重點采集細粒沉積巖樣品。共采集泥巖、泥質(zhì)粉砂巖等樣品16塊，包括止鳳莊組7塊，紅土崖組6塊，法家塋組3塊。由部分樣品顯微鏡下觀察(圖3)可見，紅土崖組H-5樣品為泥質(zhì)粉砂巖，含有少量細砂粒級石英顆粒，除有黏土礦物構(gòu)成的泥質(zhì)膠結(jié)外，還可見到紅色的鐵質(zhì)膠結(jié)物；法家塋組F-1樣品為粉砂巖，分選較好，見較多白云母片，少量泥質(zhì)膠結(jié)物；止鳳莊組樣品Z-7為泥質(zhì)粉砂巖，含少量磨圓較好的石英粗粉砂顆粒，自生黏土礦物含量較高，其余樣品巖性特征見表1。

表1 樣品巖性特征

3 微量元素特征

早期，人們主要通過研究沉積巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及所含的古生物化石去分析沉積環(huán)境。隨著沉積地球化學學科的發(fā)展，利用沉積巖或沉積物中微量元素富集程度來判定和恢復沉積環(huán)境越來越成為沉積學研究的重要手段，為沉積環(huán)境分析提供了幫助[11]。上述樣品預處理后，采用等離子質(zhì)譜儀ICP-MS(分析誤差≤1%)對其進行了微量元素測試，結(jié)果見表2～3。

由微量元素NASC標準化蛛網(wǎng)圖(NASC標準化數(shù)據(jù)引自文獻[12])可看出，止鳳莊組樣品的微量元素變化趨勢基本相似，僅變化幅度略有不同。止鳳莊組樣品中，Sr、Sc、Ba、Cs、Th、Ni的質(zhì)量平均值分別為192.11、61.43、790.99、6.52、17.16、83.34 μg/g，均大于北美頁巖中的質(zhì)量，其余元素都小于北美頁巖。微量元素經(jīng)標準化后發(fā)現(xiàn)，Ba、Th、Sc、Zr較明顯富集，Rb、U、Hf、Co虧損(圖4(a))。

表2 止鳳莊組、法家塋組樣品微量元素含量

續(xù)表2

表3 紅土崖組樣品微量元素含量

紅土崖組樣品中，Sr、Ni、Sc、Ba、Cs的質(zhì)量平均值分別為197.82、58.74、31.70、1012.31、4.58 μg/g，大于北美頁巖中的質(zhì)量，其余小于北美頁巖。在微量元素蛛網(wǎng)圖上，除個別樣品的微量元素變化趨勢與其他樣品有較大差異外，大部分樣品的微量元素變化趨勢相對一致，僅有個別元素存在差異，表明沉積環(huán)境具有一定相似性。紅土崖組微量元素特征為，Ba、Ta、Sr、Cr較為富集，Rb、U、Co虧損(圖4(b))。

不同的微量元素具有不同的氧化還原敏感度，在不同的氧化-還原區(qū)間的表現(xiàn)是不同的。一般認為U、Co在還原環(huán)境下發(fā)生富集，在氧化環(huán)境下發(fā)生虧損；在干旱炎熱環(huán)境下，Sr元素含量較高，在潮濕環(huán)境下，Ni、Ba等元素含量較高[13]。樣品中U、Co元素虧損，指示止鳳莊組與紅土崖組形成于氧化環(huán)境。

圖4 樣品微量元素NASC標準化蛛網(wǎng)圖

4 古環(huán)境分析

止鳳莊組、紅土崖組和法家塋組的微量元素比值見表4～5。采用特征微量元素比值法對止鳳莊組、紅土崖組和法家塋組的古鹽度、古氣候及古氧化還原特征進行分析。

表4 止鳳莊組、法家塋組沉積環(huán)境指標

4.1 古鹽度

1) Sr/Ba比值法

對沉積環(huán)境古鹽度進行表征通常采用巖石樣品的Sr/Ba比值法。當Sr/Ba>1時，表明形成于咸水(或海相)環(huán)境；當Sr/Ba<0.6時，形成于淡水(或陸相)環(huán)境； 當介于0.6～1時，形成于半咸水環(huán)境[14-15]。微量元素含量比值結(jié)果表明，止鳳莊組樣品的Sr/Ba多小于1，僅個別樣品的Sr/Ba>1(表4)，反映止鳳莊組形成于淡水沉積環(huán)境；法家塋組及紅土崖組樣品的Sr/Ba分別為0.19～0.69、0.07～0.57，也指示淡水沉積環(huán)境。

圖5 止鳳莊組、紅土崖組與法家塋組古鹽度分析判別圖

2) Rb/K比值法

Rb/K比值也常用來指示水體古鹽度。為便于表達一般用1 000×Rb/K來判別。當Rb/K<4時指示淡水沉積環(huán)境，4～6代表微咸水沉積環(huán)境，>6時為咸水沉積環(huán)境[16]。止鳳莊組、法家塋組及紅土崖組樣品的Rb/K分別為1.89～2.91、3.23～3.99、0.72～1.57，均指示淡水沉積環(huán)境。由Sr/Ba與Rb/K交匯判別圖也可以看出樣品多落在淡水-微咸水區(qū)域(圖5)。止鳳莊組、紅土崖組主要發(fā)育粗碎屑巖，常見板狀交錯層理、沖刷面、平行層理等沉積構(gòu)造，為河流相沉積。

表5 紅土崖組沉積環(huán)境指標

圖6 止鳳莊組、紅土崖組與法家塋組Sr/Cu平均值柱狀圖

4.2 古氣候

用微量元素開展古氣候研究一般采用Sr/Cu。研究表明，Sr/Cu≤10指示溫濕氣候，>10指示干熱氣候[17]。止鳳莊組的Sr/Cu范圍為10.05～23.32(表4)，均大于10，表明止鳳莊組形成于干熱氣候條件。法家塋組的Sr/Cu值為10.19～15.02(表4)，為干熱氣候條件。紅土崖組的Sr/Cu為5.50～9.82(表5)，指示溫濕氣候條件(圖6)。

4.3 古氧化還原性

1) V/Cr比值法

微量元素中V、Cr、Co、U、Th等對環(huán)境氧化還原條件較為敏感，其比值通常作為古氧化還原性判別的有效指標被廣泛使用[18]。當V/Cr<2時指示氧化環(huán)境，比值介于2～4.25時指示貧氧環(huán)境，比值>4.25時指示缺氧環(huán)境[15]。止鳳莊組樣品的V/Cr值為0.32～2.23，平均值為1.05，除樣品Z-3為貧氧環(huán)境，其他6組均為氧化環(huán)境；法家塋組的V/Cr值為0.93～1.42，指示氧化環(huán)境；紅土崖組的V/Cr值為0.39～2.14，平均值為0.97，除樣品H-5為貧氧環(huán)境，其他5組均為氧化環(huán)境(圖7)。

圖7 止鳳莊組、紅土崖組與法家塋組氧化還原條件分析判別圖

2) Ni/Co比值法

Ni/Co值也是判別沉積環(huán)境氧化還原性質(zhì)的可靠指標。當Ni/Co<5時指示氧化環(huán)境，比值介于5～7時指示貧氧環(huán)境，Ni/Co>7時指示缺氧環(huán)境[19]。止鳳莊組、法家塋組、紅土崖組樣品的Ni/Co比值范圍分別是2.97～4.91、2.57～3.52、2.22～6.71，除個別紅土崖組樣品Ni/Co比值為6.71指示貧氧環(huán)境外，其余樣品Ni/Co比值均小于5，指示氧化環(huán)境(圖7(a))。

3) U/Th比值法和δU法

鈾元素性質(zhì)活躍，容易被氧化和淋濾丟失，遷移能力往往較強；釷元素作為惰性元素，遷移能力較弱，通常吸附在細粒沉積物中。因此，可利用U/Th比值和δU法判斷沉積環(huán)境的氧化-還原條件。一般認為U/Th>1.25代表缺氧環(huán)境，比值介于0.75～1.25代表貧氧環(huán)境，U/Th<0.75代表氧化環(huán)境[20]。止鳳莊組的U/Th為0.11～0.14，均小于0.75，代表氧化環(huán)境；法家塋組的U/Th為0.13～0.14，指示氧化環(huán)境；紅土崖組的U/Th分布在0.13～0.14，為氧化環(huán)境(圖7(b))。δU法的關(guān)系公式為：δU=U/[0.5×(Th/3+U)]，δU>1指示缺氧環(huán)境，δU<1指示氧化環(huán)境[18]。止鳳莊組、法家塋組及紅土崖組樣品的δU值分別為0.51～0.60、0.57～0.60、0.55～0.60，均為氧化環(huán)境。V/Cr與U/Th、V/Cr與δU交匯判別圖中，樣品點也全部落在氧化環(huán)境區(qū)域(圖7(c))。

4) V/(V+Ni)比值法

前人研究[21]表明，當V/(V+Ni)>0.77時指示缺氧環(huán)境，介于0.60～0.77時指示貧氧環(huán)境，比值<0.60時指示氧化環(huán)境。止鳳莊組樣品的V/(V+Ni)值在0.42～0.69之間(表4)，平均值為0.56，除Z-3樣品V/(V+Ni)值為0.69指示貧氧環(huán)境外，其他樣品均指示氧化環(huán)境。法家塋組與紅土崖組的V/(V+Ni)值分別為0.51～0.55、0.49～0.59，均指示氧化環(huán)境(圖7(d))。

5 結(jié)論

1) 古鹽度特征指標Sr/Ba、Rb/K分析表明，研究區(qū)止鳳莊組、紅土崖組和法家塋組均為陸相淡水沉積，并且前兩者屬于河流相沉積。

2) 環(huán)境判別指標V/Cr、Ni/Co、δU、V/(V+Ni)等均表明止鳳莊組、紅土崖組、法家塋組形成于氧化環(huán)境下，而非深水還原環(huán)境，與其呈現(xiàn)的紫紅色及磚紅色主色調(diào)具有很好的一致性。

3) 巖石樣品的Sr/Cu值表明，止鳳莊組、法家塋組沉積時，氣候較為干旱炎熱；而紅土崖組沉積時，氣候較溫暖潮濕。

由上可知，膠萊盆地萊陽群止鳳莊組、王氏群紅土崖組和靈山島萊陽群法家塋組均屬陸相沉積，表明靈山島白堊紀沉積與膠萊盆地具有相同或相近的成因。