準(zhǔn)噶爾東南緣大黃山油頁巖地球化學(xué)特征及環(huán)境意義

準(zhǔn)噶爾東南緣大黃山油頁巖地球化學(xué)特征及環(huán)境意義

油頁巖也稱為油母巖，是指以高等水生植物和其他養(yǎng)分的性質(zhì)，通過腐泥化和荒漠化形成的高養(yǎng)分低變質(zhì)有機巖。博格達山北麓大黃山地區(qū)有巨厚的油頁巖,資源量巨大,具有很高的開發(fā)利用價值。但目前對于該地區(qū)油頁巖地層的沉積環(huán)境仍存在爭議,一種觀點認(rèn)為其形成于湖相成因環(huán)境,另一種認(rèn)為其形成于海相成因環(huán)境,影響了其工業(yè)開發(fā)。本文在大量分析化驗資料的基礎(chǔ)上,利用常量元素、微量元素及稀土元素等地球化學(xué)特征參數(shù)與沉積環(huán)境間的關(guān)系,對其沉積環(huán)境進行了研究。1西長2.5mm大黃山油頁巖研究區(qū)位于天山中段博格達山北麓,阜康市東南直線距離56km處,行政區(qū)劃隸屬阜康市管轄。工區(qū)東西長2.5km,南北寬2.0km,面積5.00km2。地理坐標(biāo):東經(jīng)88°37′37″～88°39′31″,北緯44°00′～44°01′07″。大黃山油頁巖研究區(qū)處于準(zhǔn)噶爾古臺坳—博格達晚古生代裂陷槽的構(gòu)造過渡位置,臨近裂陷槽北界的天山北麓—博格達山北麓斷裂,總體呈EW走向,烏魯木齊以南微向南凸呈弧狀(圖1)。2地質(zhì)特征研究針對博格達山北麓油頁巖的沉積分布特點,重點選擇了大黃山剖面進行了樣品采集和地質(zhì)剖面研究。所有樣品灰成分分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心用硅酸鹽巖石化學(xué)分析方法X射線熒光光譜法測定主、次元素量,所有樣品元素地球化學(xué)分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心用ICP-MS方法完成。2.1巖相沉積環(huán)境目前已廣泛使用Fe,Mn及Sr/Ba,Fe/Mn等含量和比值來判別海相與陸相、氧化與還原、鹽度等沉積特征。鐵在海盆中沉積具有明顯的規(guī)律性,隨著pH值的增大,Eh的降低,鐵礦物呈不同的相態(tài)分布,鐵的化合價態(tài)相應(yīng)變化(表1),因而可用來反映環(huán)境的地球化學(xué)條件。Fe2+/Fe3+常用來劃分氧化還原相。一般認(rèn)為,Fe2+/Fe3+》1為還原環(huán)境,Fe2+/Fe3+>1為弱還原環(huán)境,Fe2+/Fe3+=1為中性環(huán)境,Fe2+/Fe3+<1為弱氧化環(huán)境Fe2+/Fe3+《1為氧化環(huán)境。但在實際應(yīng)用中這一指標(biāo)并不理想,因影響Fe2+與Fe3+可逆反應(yīng)因素比較多,如介質(zhì)的pH升高時,Fe2+更易被氧化成Fe3+。由大黃山三個剖面10個樣品的分析結(jié)果看(表2),由于Fe2+被氧化成Fe3+的影響,比較準(zhǔn)確的判定油頁巖的沉積相有一定的難度,但還是得出油頁巖的沉積相以弱氧化-弱還原相為主,沉積環(huán)境以淡水為主。Mn/Fe:在搬運過程中,鐵極易受氧化而成Fe3+,形成Fe(OH)3沉淀,所以鐵的化合物易于在濱海地區(qū)聚集。而錳卻能在離子溶液中比較穩(wěn)定地存在,聚集在離海岸較遠的地方,甚至分布在洋底,因而海相頁巖中Mn/Fe值比淡水頁巖要高得多。大黃山油頁巖Mn/Fe比值范圍0.02～0.10,遠遠小于海相沉積頁巖。Sr/Ca:湖水和河水以Sr/Ca值低為特征,而海水中Sr/Ca值比湖水和河水的大。Sr與Ca相比,Sr在海水中和大洋水中都表明有絕對的和相對的富集。雖然Sr/Ca值對古鹽度的指示不如Sr/Ba好,但是從本次測試的樣品結(jié)果分析,其比值相對于海水中Sr/Ca值(表3),油頁巖的沉積環(huán)境以淡水為主。由其他常量元素分析結(jié)果,同樣也可以得出類似結(jié)論,比如:磷P是對古氣候變化反應(yīng)較為靈敏的元素。若炎熱氣候下水體蒸發(fā)引起鹽度急劇增高,某些低等生物因此不適應(yīng)這種高鹽度而死亡并參與成巖,從而使其層位的P元素相對富集,顯然,P元素含量相對高的層段表示干旱炎熱條件下的高鹽度環(huán)境,在研究區(qū)油頁巖磷含量相對比較高(圖2),這與前人關(guān)于蘆草溝組水體古鹽度高,及泥頁巖中含有白云巖薄層等觀點一致4、5。2.2小型木材2.2.1粘土礦物的相對硼含量利用硼含量計算古鹽度是最常用的方法,其原理是溶液中硼的濃度是鹽度的線函數(shù)。當(dāng)粘土礦物處于含硼溶液中時,以硼溶液或其離解產(chǎn)物形式存在的硼會吸附在粘土礦物顆粒邊緣,并固定下來,并且可能是因為新物質(zhì)圍繞硼生長和硼本身的擴散而進入粘土礦物晶格。如果礦物晶格不破壞便不能重新逸出,也不因溶液中硼的濃度的降低而解吸。測定某種粘土礦物的相對硼含量,是目前古鹽度測定中最有效的方法之一。相當(dāng)硼含量是指相當(dāng)于K2O含量為5%時的硼含量。Walker認(rèn)為,相當(dāng)硼含量與古鹽度密切相關(guān),正常海水環(huán)境,相當(dāng)硼含量為300～400×10-6,半咸水環(huán)境為200～300×10-6,小于200×10-6則為淡水沉積。從大黃山蘆草溝組油頁巖樣品抽出的10個樣品硼含量測定結(jié)果看,大部分小于200ppm,僅1個樣品在200～300ppm(圖3)。根據(jù)該研究區(qū)域發(fā)現(xiàn)的完整魚、魚鱗化石、瓣鰓類化石、頁巖的精美微紋層和砂巖中的浪成構(gòu)造等,判斷大黃山蘆草溝組油頁巖應(yīng)該為湖相產(chǎn)出,又根據(jù)80%樣品所代表的巖石是在淡水環(huán)境沉積的,20%的樣品沉積于淡水-咸水環(huán)境,這種定性判識結(jié)果說明在蘆草溝組油頁巖沉積環(huán)境受到海水的影響,但是影響很小。2.2.2沉積相與沉積環(huán)境Sr和Ba是地球化學(xué)性質(zhì)很相似的元素對,同屬親石元素。但在沉積盆地水體中,Sr、Ba的地球化學(xué)行為卻有顯著區(qū)別,Sr主要從海水中直接沉淀,Ba則極易被粘土及細碎屑沉積物以吸附的形式富集。根據(jù)前人的大量研究,以海水為介質(zhì)的沉積物中,Ca、Sr的含量高,Ba的含量低,而以淡水為介質(zhì)的沉積物則情況相反。一般認(rèn)為,泥巖中若Sr/Ba比值大于1,則為海水沉積,Sr/Ba比值小于1則屬陸相淡水沉積。研究區(qū)油頁巖的Sr/Ba比值大都小于1,表明本區(qū)沉積環(huán)境主要為半深湖、深湖等陸相。只有10%的樣品鍶鋇比大于1,與硼所指示的沉積相非常一致。油頁巖沉積環(huán)境可采用B含量、Sr/Ba比值等項指標(biāo)加以表征(表4、表5),再結(jié)合其它相關(guān)參數(shù)進行綜合評定。2.3近源陸相沉積與自然反應(yīng)的關(guān)系稀土元素分為輕稀土元素和重稀土元素。輕稀土元素總量用LREE表示,指從La—Eu各稀土元素的含量總和。重稀土元素總量用HREE表示,指從Gd—Lu各稀土元素的含量總和。稀土元素配分模式可用于沉積環(huán)境分析。輕稀土與重稀土的比值(LREE/HREE)大小反映稀土元素的分異程度。在同一類型地質(zhì)體中,比值越大,表明輕稀土元素的富集程度越高,重稀土元素虧損越嚴(yán)重。陸源物質(zhì)搬運過程中,輕稀土元素易被細粒沉積物吸附,俞靠近物源區(qū)輕稀土元素越相對富集。大黃山油頁巖具有輕稀土元素富集的配分模式(圖4),反映這種關(guān)系的LREE/HREE比值為1.98～3.73,同樣意義的LaN/YbN比值為4.16～9.41(表6),表現(xiàn)為近源陸相沉積。δCe(或Ce/Ce*)反映稀土元素Ce異常價態(tài)變化?？偟膩碚f,稀土元素大都呈正三價狀態(tài),三價稀土元素在自然界發(fā)生變價的情況很有限,但在堿性介質(zhì)和高氧化電位的表生作用帶,Ce+3氧化成Ce+4而與其他三價稀土元素(RE+3)發(fā)生分離,致使在表生帶出現(xiàn)虧損Ce的巖石和礦物。因此,如δCe向低值遷移,則可作為堿性氧化流體環(huán)境的標(biāo)志。在海水pH、Eh條件下,Ce+3易于轉(zhuǎn)化成Ce+4,造成Ce虧損。一般δCe>1.05為正異常,δCe<0.95為負(fù)異常。實測10件大黃山油頁巖樣品,除一件為正常,其他呈現(xiàn)弱的負(fù)異常(表5),顯示有海水影響,也可能與近地表風(fēng)氧化作用有關(guān)。δEu(或Eu/Eu*)指稀土元素Eu異常價態(tài)變化情況。在酸性介質(zhì)中或強還原條件下,Eu+3還原成Eu+2而與其他三價稀土元素發(fā)生分離。因此,如δEu出現(xiàn)負(fù)異常,則可作為酸性還原環(huán)境的標(biāo)志。陸源物質(zhì)一般繼承Ce的虧損。δEu>1.05為正異常,δEu<0.95為負(fù)異常。大黃山油頁巖均呈現(xiàn)明顯負(fù)異常(表5),主要反映了沉積時,生物物質(zhì)耗氧腐化,造成環(huán)境酸化還原。4成分及沉積環(huán)境(1)常量元素測試分析結(jié)果顯示,三個剖面油頁巖樣品檢測全部為弱還原的非海相沉積環(huán)境。(2)采用不同指標(biāo)進行的微量元素分析結(jié)果分別揭示,由S和Sr/Ba比值,絕大部分油頁巖樣品也是陸相產(chǎn)出;根據(jù)硼元素含量可以確定油頁巖以淡水沉積環(huán)境為主,只是間或有海水介入。(3)稀土元素地球化學(xué)特征顯示,LREE/HREE比值反映出大黃山油頁巖近源陸