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

　　摘要：為研究淮北煤田宿州礦區(qū)山西組泥質(zhì)巖地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義，通過X射線熒光光譜儀和電感耦合等離子質(zhì)譜儀等分析測試手段，對(duì)研究區(qū)山西組泥質(zhì)巖主微量元素進(jìn)行了測試并進(jìn)行分析。結(jié)果表明，研究區(qū)泥質(zhì)巖中SiO2、Al2O3含量較高，均值分別為62.67%、21.36%。山西組泥質(zhì)巖中Sc、V、Cr、Ni、Zr、Th等元素相對(duì)后太古宙澳大利亞頁巖富集，Ba、Ta、Rb、Sr、Nb等元素虧損。泥質(zhì)巖中稀土元素富集，含量為242.4×10-6~302.9×10-6，LREE/HREE值為8.87~10.01，輕重稀土分異程度大，δEu值為0.44~0.72，具有明顯的負(fù)異常，δCe值為0.96~1.14，顯示為無異常;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，反映研究區(qū)泥質(zhì)巖主要來源于上地殼。研究區(qū)泥質(zhì)巖Al2O3/TiO2值為22.77~29.47，Cr/Zr值為0.22~0.40，結(jié)合樣品在Th/Sc-Zr/Sc、TiO2-Ni、La/Th-Hf、La/Yb-REE等圖解中的投影區(qū)域，表明研究區(qū)泥質(zhì)巖物質(zhì)組分主要來源于上地殼中的長英質(zhì)巖石，具體為陰山古陸前寒武紀(jì)花崗巖。Th-Sc-Zr/10和La-Th-Sc構(gòu)造環(huán)境判別圖暗示研究區(qū)泥質(zhì)巖源區(qū)為大陸島弧構(gòu)造環(huán)境。研究區(qū)泥質(zhì)巖Sr/Ba值為0.41~0.54，反映微咸水沉積環(huán)境;Sr/Cu值為3.96~4.89，表明了溫暖潮濕的氣候條件，V/(V+Ni)值為0.71~0.82，Ni/Co值為1.94~3.55，Cu/Zn值為0.34~0.71，暗示了沉積水體為厭氧環(huán)境、強(qiáng)還原環(huán)境，這些地球化學(xué)特征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。

　　關(guān)鍵詞：淮北煤田;宿州礦區(qū);泥質(zhì)巖;源巖;沉積環(huán)境

　　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(duì)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(duì)泥質(zhì)巖中元素地球化學(xué)特征的研究，對(duì)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(duì)該地區(qū)山西組地質(zhì)特征進(jìn)行了大量研究。

　　地球化學(xué)論文：渤海遼西凹陷原油地球化學(xué)特征及地質(zhì)意義

　　李運(yùn)山等通過層序地層學(xué)對(duì)蘆嶺井田山西組沉積環(huán)境進(jìn)行探討[4]，宋立軍等運(yùn)用沉積學(xué)知識(shí)對(duì)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[5]，魏爾林等對(duì)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[6]，取得一致認(rèn)識(shí)：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(duì)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�位于徐淮地塊，屬徐淮二級(jí)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。

　　范翔在對(duì)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(dòng)大陸邊緣并靠近活動(dòng)大陸邊緣的區(qū)域[7];高德燚在對(duì)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[8]。山西組物源及構(gòu)造背景在認(rèn)識(shí)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。鑒于此，本文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(duì)象，對(duì)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(tái)自奧陶紀(jì)晚期受加里東運(yùn)動(dòng)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(dòng)影響，導(dǎo)致整個(gè)華北地臺(tái)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-瀉湖沉積體系，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110m，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。

　　2樣品測試與分析

　　煤系泥質(zhì)巖樣品采自安徽宿州市東12km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。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200目，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(hào)為理學(xué)ZSXPrimusⅡ，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(ICPMS)測定，型號(hào)為Agilent7700e，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%。

　　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含量較高，均值分別為62.67%(60.99%~64.44%)、21.36%(20.35%~22.88%)。TFe2O3含量相對(duì)也較高，均值為2.26%(1.92%~2.69%)。K2O含量在1.51%~2.42%之間變化，平均為2.04%，TiO2含量在0.72%~0.89%之間變化，其余元素氧化物含量均小于1%。

　　微量元素分析結(jié)果顯示，元素Ba含量較高，平均為378.69×10-6;Zr含量平均為268.97×10-6;Sr含量平均為212.02×10-6;V含量平均為110.05×10-6。除此之外其他元素含量均小于100×10-6。在蛛網(wǎng)圖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。

　　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。淮北煤田宿州礦區(qū)煤系泥質(zhì)巖Th/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Al2O3/TiO2值為22.77~29.47(平均為27.08)，而長英質(zhì)巖石的Al2O3/TiO2值通常介于19~28之間[15]。Cr/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Cr/Zr值為0.22~0.40(平均為0.31)。

　　無論Al2O3/TiO2還是Cr/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含量為21.44×10-6~37.3×10-6，平均為29.07×10-6，在TiO2-Ni圖解上，樣品均落在長英質(zhì)區(qū)域附近。Hf含量為5.6×10-6~6.49×10-6，La/Th值在3.2~4.45之間。在La/Th-Hf圖解上，樣品全分布在長英質(zhì)源區(qū)。在La/Yb-REE圖解中，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(duì)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(tái)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(duì)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)異常可能與沉積源區(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(tái)北緣陰山古陸前寒武紀(jì)花崗巖。

　　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(duì)后太古宙澳大利亞頁巖富集，Ba、Ta、Rb、Sr、Nb等元素虧損。LREE/HREE值為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Al2O3/TiO2值，相似與上地殼的Cr/Zr比值，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)期沉積速率較小;泥質(zhì)巖Sr/Ba值表明水體為微咸水環(huán)境;Sr/Cu值表明了溫暖潮濕的氣候條件;V/(V+Ni)和Ni/Co值以及Ni/Co和Cu/Zn值反映了沉積水體為厭氧、強(qiáng)還原環(huán)境。

　　參考文獻(xiàn)：

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　　作者：吳燦燦1,2，曹靜1,2，趙景宇1

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