淮北煤田宿州礦區(qū)山西組泥質(zhì)巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

吳燦燦，曹 靜，趙景宇

(1.宿州學(xué)院 資源與土木工程學(xué)院，安徽 宿州 234000；2.中國礦業(yè)大學(xué) 資源與地球科學(xué)學(xué)院，江蘇 徐州 221000)

0 引 言

沉積物中元素的地球化學(xué)行為不僅和自身元素性質(zhì)有關(guān)，還受到搬運(yùn)、沉積等外部條件的影響，因此沉積物中元素地球化學(xué)特征能夠反映古地理環(huán)境特征[1]。泥質(zhì)巖等細(xì)粒碎屑巖化學(xué)成分接近源巖，相對于其他沉積巖，更容易受到物源、構(gòu)造演化、沉積環(huán)境等因素的影響。因此，通過對泥質(zhì)巖中元素地球化學(xué)特征的研究，對探討泥質(zhì)巖物質(zhì)來源及演化、沉積盆地古環(huán)境特征具有一定意義[2-3]?；幢泵禾锼拗莸V區(qū)煤炭資源豐富，二疊紀(jì)山西組是該地區(qū)主要含煤地層。前人對該地區(qū)山西組地質(zhì)特征進(jìn)行了大量研究。李運(yùn)山等[4]通過層序地層學(xué)對蘆嶺井田山西組沉積環(huán)境進(jìn)行探討，宋立軍等[5]運(yùn)用沉積學(xué)知識對研究區(qū)二疊紀(jì)沉積環(huán)境及聚煤規(guī)律進(jìn)行了分析，魏爾林等[6]對朱仙莊井田二疊紀(jì)含煤巖系垂直層序特征進(jìn)行了詳細(xì)研究，取得一致認(rèn)識：二疊紀(jì)山西組沉積環(huán)境為河控三角洲。然而，缺少元素地球化學(xué)方面的證據(jù)。而且這些研究主要側(cè)重于沉積環(huán)境方面，缺少對物源及源區(qū)構(gòu)造背景方面的研究?；幢泵禾锖突茨厦禾锿挥谛旎吹貕K，屬徐淮二級賦煤帶?；幢泵禾锷轿鹘M地層巖石元素地球化學(xué)特征相關(guān)研究較少，但鄰區(qū)淮南煤田進(jìn)行了一些研究。范翔[7]在對淮南二疊紀(jì)含煤地層泥質(zhì)巖地球化學(xué)特征研究時(shí)，通過一些圖解將山西組樣品分別投落在石英質(zhì)沉積巖源區(qū)及被動大陸邊緣并靠近活動大陸邊緣的區(qū)域；高德燚[8]在對淮南地區(qū)煤系地層微量元素地球化學(xué)進(jìn)行研究時(shí)，認(rèn)為山西組物源為長英質(zhì)巖石，構(gòu)造背景為大陸島弧。山西組物源及構(gòu)造背景在認(rèn)識上存在一些爭議。而淮北煤田與淮南煤田在二疊紀(jì)時(shí)期物源及構(gòu)造背景較為相似[9]。

基于此，在淮北煤田宿州礦區(qū)二疊紀(jì)山西組地層相關(guān)研究基礎(chǔ)上，以泥質(zhì)巖為研究對象，對其元素地球化學(xué)特征進(jìn)行分析，從而探討區(qū)域沉積環(huán)境、物源及源區(qū)構(gòu)造背景。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華北板塊東南緣，華北地臺自奧陶紀(jì)晚期受加里東運(yùn)動影響，抬升為陸地，遭受剝蝕，缺失上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系及下石炭統(tǒng)地層。中石炭世晚期，地殼開始沉降，海水逐漸侵入。早二疊世早期，受到翹板式構(gòu)造運(yùn)動影響，導(dǎo)致整個(gè)華北地區(qū)出現(xiàn)北高南低的地勢，源區(qū)上升，陸源碎屑供應(yīng)逐漸加強(qiáng)，源區(qū)主要為陰山古陸[9]。同時(shí)區(qū)域內(nèi)發(fā)生自北向南的全面海退，形成障壁-潟湖沉積體系，此時(shí)山西組下部形成，此后繼而形成河控三角洲沉積、沖積平原。因氣候溫潤，植物繁盛，形成良好的煤層[10]。研究區(qū)二疊紀(jì)山西組為區(qū)域主要含煤層段，該組地層厚度約為110 m，與下伏太原組、上伏石盒子組均為整合接觸關(guān)系[4]。山西組巖性以砂巖、粉砂巖、泥巖為主。研究區(qū)構(gòu)造及地層如圖1所示。

圖1 研究區(qū)構(gòu)造及地層圖Fig.1 Structural and stratigraphic map of study area

2 樣品測試與分析

煤系泥質(zhì)巖樣品采自安徽宿州市東12 km朱仙莊煤礦，通過Z17鉆井進(jìn)行取芯，取樣位置為山西組泥質(zhì)巖段，具體如圖1所示。樣品采集完后，拿到實(shí)驗(yàn)預(yù)備室，先進(jìn)行初步處理，將樣品清洗干凈，自然風(fēng)干，然后切除表層，用超純水清洗，用烘箱烘干后，用機(jī)器粉碎并使用瑪瑙研缽研磨至過篩200目(0.074 mm)，用紙袋包裝，送至武漢上譜實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。主量元素采用波長色散X射線熒光光譜儀測定，儀器型號為理學(xué)ZSX PrimusⅡ，燒失量(LOI)是一定質(zhì)量樣品烘干后于950 ℃反復(fù)灼燒直至恒重，通過計(jì)算所得；微量元素采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定，型號為Agilent 7700e，具體流程：將200目樣品烘干，加入高純硝酸高純氫氟酸消解，之后用稀硝酸稀釋上機(jī)測試。主微量元素測試精度均優(yōu)于5%，測試分析結(jié)果見表1和表2。

表1 研究區(qū)泥質(zhì)巖主量元素組成Table 1 Major elements composition of argillaceous rock in study area

表2 研究區(qū)泥質(zhì)巖微量元素組成Table 2 Trace elements composition of argillaceous rock in study area

3 地球化學(xué)特征

3.1 主微量元素特征

淮北煤田宿州礦區(qū)山西組泥質(zhì)巖樣品主量元素測試結(jié)果見表1。樣品SiO2、Al2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，均值分別為62.67%(60.99%～64.44%)、21.36%(20.35%～22.88%)。TFe2O3質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對也較高，均值為2.26%(1.92%～2.69%)。K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.51%～2.42%變化，平均為2.04%，TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.72%～0.89%變化，其余元素氧化物質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于1%。

微量元素分析結(jié)果(表2)顯示，元素Ba質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，平均為378.69×10-6；Zr質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為268.97×10-6；Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為212.02×10-6；V質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為110.05×10-6。除此之外其他元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均小于100×10-6。在蛛網(wǎng)圖(圖2，樣品中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與PAAS中元素分?jǐn)?shù)之比)上可以看出元素分配差異較為明顯。Li、Sc、Cr、Cu、Ga、Zr、Cs、Th等元素富集，Ba、Ta、Rb、Sr、Nb等元素虧損。富集的元素可能是泥質(zhì)巖中黏土礦物的吸附作用或離子交換作用及有機(jī)質(zhì)的存在導(dǎo)致。

圖2 研究區(qū)泥質(zhì)巖微量元素蛛網(wǎng)圖Fig.2 PAAS-normalized trace element patterns of argillaceous rock in study area

3.2 稀土元素特征

碎屑巖中稀土元素較為穩(wěn)定，受風(fēng)化、搬運(yùn)及沉積等地質(zhì)作用影響較小，能夠反映物源區(qū)巖石成分信息[3]。因此，常通過沉積物中稀土元素特征來恢復(fù)物源成分及判別沉積環(huán)境[11]。從樣品稀土元素測試結(jié)果(表2)可以看出，研究區(qū)泥質(zhì)巖稀土元素為含量242.4×10-6～302.9×10-6，平均為268.5×10-6，相對于球粒隕石(65.9×10-6) 、上地殼(146.4×10-6) 和北美頁巖(173.2×10-6) ，稀土元素十分富集，質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。樣品δEu值為0.44～0.72，平均值為0.64，明顯的負(fù)異常，δCe值為0.96～1.14，平均值為1.02，顯示為無異常。樣品 LaN/YbN值為10.42～11.59，平均為11.08；LREE/HREE值為8.87～10.01，平均為9.48，這2個(gè)指標(biāo)說明稀土元素更為富集，而且分異明顯，重稀土分異程度低。在稀土元素配分曲線上(圖3，樣品中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與球粒隕石中元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比)，稀土元素段斜率大，重稀土斜率小，也能反映輕重稀土的分異特征。稀土元素配分曲線整體模式呈右傾型，相似于后太古宙澳大利亞頁巖元素曲線。這些特征均反映研究區(qū)泥質(zhì)巖源巖主要來源于上地殼，從La/Sc-Sc/Th圖解(圖4a)，也能看出泥質(zhì)巖成分與上地殼成分更為相似。

圖3 研究區(qū)泥質(zhì)巖稀土元素配分圖Fig.3 Chondrite-normalized REE patterns of argillaceous rock in study area

圖4 研究區(qū)泥質(zhì)巖La/Sc-Sc/Th和Th/Sc-Zr/Sc圖解[12]Fig.4 Diagram showing La/Sc-Sc/Th and Th/Sc-Zr/Sc of argillaceous rock in study area[12]

4 討 論

4.1 物源分析

因?yàn)槟噘|(zhì)巖均質(zhì)性較好以及滲透性較低，在物源分析中是最常用的碎屑巖類型?；幢泵禾锼拗莸V區(qū)煤系泥質(zhì)巖m(Th)/m(Sc)值分布范圍為0.73～0.92，平均值為0.85，比中國東部地殼界限值(0.6)高[13]，接近上地殼值(0.97)[14]，在Th/Sc-Zr/Sc圖解(圖4b)上投落于上地殼附近，反映來源于上地殼源區(qū)。

淮北煤田宿州礦區(qū)山西組泥質(zhì)巖中m(Al2O3)/m(TiO2)值為22.77～29.47(平均為27.08)，而長英質(zhì)巖石的m(Al2O3)/m(TiO2)值通常介于19～28[15]。m(Cr)/m(Zr)比值能夠反映沉積物主要來自鐵鎂質(zhì)組分還是來自長英質(zhì)組分[16]，研究區(qū)山西組泥質(zhì)巖m(Cr)/m(Zr)值為0.22～0.40(平均為0.31)。無論m(Al2O3)/m(TiO2)還是m(Cr)/m(Zr)比值均暗示研究區(qū)泥頁巖物源是以長英質(zhì)組分為主。泥質(zhì)巖Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.44×10-6～37.3×10-6，平均為29.07×10-6，在TiO2-Ni圖解(圖5a)上，樣品均落在長英質(zhì)區(qū)域附近。Hf質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.6×10-6～6.49×10-6，m(La)/m(Th)值在3.2～4.45。在La/Th-Hf圖解上(圖5b)，樣品全分布在長英質(zhì)源區(qū)。

圖5 研究區(qū)泥質(zhì)巖TiO2-Ni圖解和La/Th-Hf圖解[17] Fig.5 The diagram showing TiO2-Ni and La/Th-Hf of argillaceous rock in study area[17]

在La/Yb-REE圖解(圖6)中，研究區(qū)泥質(zhì)巖樣品落在花崗巖和玄武巖交合部位，一般玄武巖大多Eu無異常，花崗巖Eu負(fù)異常[3]，而研究區(qū)泥質(zhì)巖具有明顯的負(fù)異常，認(rèn)為淮北煤田宿州礦區(qū)煤系泥質(zhì)巖其母巖以花崗巖為主。宿州礦區(qū)山西組為主要含煤地層，在對煤中礦物研究發(fā)現(xiàn)，煤中礦物有碎屑石英、高嶺石、銳鐵礦等[18]。其中高嶺石常由長石蝕變而成，銳鐵礦主要以副礦物形式在火成巖中產(chǎn)出，而花崗巖主要礦物包含石英、長石、黑云母等。以上表明，山西組煤中礦物來源于花崗巖。以前研究認(rèn)為淮北煤田宿州礦區(qū)煤系物源主要來源于華北地臺北源陰山古陸[9]。前人在研究陰山古陸前寒武紀(jì)花崗巖時(shí)，發(fā)現(xiàn)其具有輕稀土富集、重稀土虧損、Eu負(fù)異常等特征[19-20]，與研究區(qū)泥質(zhì)巖稀土元素特征相似。付奇睿在對孫瞳礦山西組煤中稀有元素研究中同樣認(rèn)為，元素Eu及Ce弱的負(fù)異?？赡芘c沉積源區(qū)陰山古陸長英質(zhì)鉀長花崗巖有關(guān)[18]。綜上所述，研究區(qū)泥質(zhì)巖物源主要來自華北地臺北緣陰山古陸前寒武紀(jì)花崗巖。

圖6 研究區(qū)泥質(zhì)巖La/Yb-REE圖解[21]Fig.6 The diagram showing La/Yb-REE of argillaceous rock in the study area[21]

4.2 源區(qū)構(gòu)造背景

圖7 研究區(qū)泥質(zhì)巖Th-Sc-Zr/10和La-Th-Sc圖解[12]Fig.7 Diagram showing Th-Sc-Zr/10 and La-Th-Sc of argillaceous rock in study area[12]

沉積巖形成過程中各個(gè)階段都會影響巖石化學(xué)成分組成，而源巖類型及風(fēng)化作用、搬運(yùn)作用、沉積作用等因素都受控于沉積盆地構(gòu)造環(huán)境。主要因?yàn)閹r石中Th、Co、Zr、Sc等元素較為穩(wěn)定，基本不會受到搬運(yùn)和沉積過程的影響。因此，可以通過這些特定元素判別沉積盆地的構(gòu)造環(huán)境進(jìn)行判別。

BHATIA[12]將大洋盆地和大陸邊緣劃分為大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣4種構(gòu)造類型。在Th-Sc-Zr/10和La-Th-Sc構(gòu)造環(huán)境判別圖中，淮北煤田宿州礦區(qū)山西組泥頁巖樣品基本全部落在大陸島弧區(qū)域。研究區(qū)泥質(zhì)巖物源主要來自華北地臺北緣陰山古陸前寒武紀(jì)花崗巖。陰山古陸出露的花崗巖主要形成于與大陸島弧相關(guān)的構(gòu)造環(huán)境[19-20]，與構(gòu)造環(huán)境判別圖所得的構(gòu)造背景相符合。范翔等[7]在研究華北東南緣二疊紀(jì)泥質(zhì)巖時(shí)認(rèn)為其源區(qū)在早二疊世早期可能經(jīng)歷了短暫的大陸島弧的板塊環(huán)境，也證實(shí)了這一觀點(diǎn)。因此，淮北煤田宿州礦區(qū)煤系泥質(zhì)巖物源主要為陰山古陸前寒武紀(jì)花崗巖，源區(qū)構(gòu)造背景為大陸島弧。

4.3 沉積環(huán)境分析

沉積巖的化學(xué)元素組分、質(zhì)量分?jǐn)?shù)和某些元素的比值在判別沉積速率、水體鹽度、古氣候、氧化還原條件等方面具有較好的反映[22-24]。

稀土元素主要賦存在水體中停留的懸浮物或碎屑顆粒中。這些物質(zhì)在水體中停留時(shí)間的長短會導(dǎo)致稀土元素分異程度的差異?？焖俪练e時(shí)，物質(zhì)中稀土元素與水作用較少，分異較小，沉積物中稀土元素配分圖較為平緩；沉積速度緩慢時(shí)，物質(zhì)中稀土元素能夠長時(shí)間與水作用發(fā)生分解，分異較大，沉積物中稀土元素配分圖較為陡傾。研究區(qū)泥質(zhì)巖中稀土元素分異較大，輕稀土元素明顯富集，配分模式變化明顯，說明沉積時(shí)期沉積速率較小。Ba、Sr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及m(Sr)/m(Ba)比值常被用來判斷沉積水體的古鹽度參數(shù)。Ba元素在海相中質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少，主要因?yàn)槿菀妆火ね恋V物吸附或與某些離子結(jié)合發(fā)生沉淀。Sr元素在海相中質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，因?yàn)槠渚哂休^強(qiáng)的遷移性。因此，沉積物的m(Sr)/m(Ba)比值能夠反映古鹽度的情況。m(Sr)/m(Ba)值大于1，說明為鹽湖或海相沉積，m(Sr)/m(Ba)值小于0.6為微咸水相沉積，m(Sr)/m(Ba)值在0.6～1.0為半咸水相沉積[25]。淮北煤田宿州礦區(qū)煤系泥質(zhì)巖m(Sr)/m(Ba)值為0.41～0.54，可得知該地層為微咸水相沉積環(huán)境。m(Sr)/m(Cu)對氣候變化敏感可以良好的記錄氣候變化的信息，通常，m(Sr)/m(Cu)值大于5，表明為干旱氣候，m(Sr)/m(Cu)值在1.3～5.0，指示溫濕氣候[26]。研究區(qū)泥質(zhì)巖m(Sr)/m(Cu)值為3.96～4.89，平均為4.61，證明當(dāng)時(shí)溫暖潮濕氣候條件。在古氧化還原條件的判斷中，常用m(V)/m(V+Ni) 和m(Ni)/m(Co)值以及m(Ni)/m(Co)和m(Cu)/m(Zn)值等指標(biāo)來評價(jià)。如m(V)/m(V+Ni)>0.54 代表厭氧環(huán)境，m(Ni)/m(Co)值大于1.8、m(Cu)/m(Zn)值大于0.3反映還原條件[27-28]。研究區(qū)泥質(zhì)巖m(V)/m(V+Ni)值為0.71～0.82，平均為0.78，大于0.54，表明為厭氧環(huán)境，m(Ni)/m(Co)值為1.94～3.55，平均為2.51，m(Cu)/m(Zn)值為0.34～0.71，平均為0.54，也反映了其屬于強(qiáng)還原環(huán)境。

前人對區(qū)域沉積相、化石的研究結(jié)果[4-6,10]表明，淮北煤田宿州礦區(qū)山西組地層形成于河控三角洲環(huán)境，氣候條件為溫暖濕潤，水體為半咸水-咸水。本研究從泥質(zhì)巖地球化學(xué)角度亦驗(yàn)證了上述結(jié)論。

5 結(jié) 論

1)淮北煤田宿州礦區(qū)煤系泥質(zhì)巖Li、Sc、V、Cr、Ni、Ga、Zr、Th等微量元素相對后太古宙澳大利亞頁巖富集，Ba、Ta、Rb、Sr、Nb等元素虧損。LREE/HREE為8.87～10.01，輕重稀土分異大，δEu值為0.44～0.72，有明顯的負(fù)異常。

2)研究區(qū)泥質(zhì)巖具有高的m(Al2O3)/m(TiO2)，相似與上地殼的m(Cr)/m(Zr)，S以及Th/Sc-Zr/Sc、TiO2-Ni、La/Th-Hf等圖解中數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布，均表明研究區(qū)泥質(zhì)巖源巖主要為上地殼中的長英質(zhì)巖石，La/Yb-REE圖解進(jìn)一步表明其源巖為花崗巖。

3)從Th-Sc-Zr/10和La-Th-Sc構(gòu)造環(huán)境判別圖可知，研究區(qū)泥質(zhì)巖源巖構(gòu)造背景為大陸島弧。

4)研究區(qū)泥質(zhì)巖中稀土元素分異較大，輕稀土元素明顯富集，反映沉積時(shí)期沉積速率較??；泥質(zhì)巖Sr/Ba表明水體為微咸水環(huán)境；m(Sr)/m(Cu)表明了溫暖潮濕的氣候條件；m(V)/m(V+Ni)和m(Ni)/m(Co)以及m(Ni)/m(Co)和m(Cu)/m(Zn)值反映了沉積水體為厭氧、強(qiáng)還原環(huán)境。