賈雨?yáng)|，王德海，王新宇，巴燕·夏木提汗，郭憶茹

吉林大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061

0 引言

燕遼地區(qū)的天津薊州(原薊縣)剖面歷來(lái)被當(dāng)作中國(guó)中—新元古界標(biāo)準(zhǔn)剖面，具研究早、地層連續(xù)、研究?jī)r(jià)值高和研究程度深等特點(diǎn)。前人在燕山地區(qū)對(duì)中新元古界的地球化學(xué)特征以及沉積環(huán)境已有一定研究。羅順社等研究了燕山地區(qū)宣龍坳陷洪水莊組[1]和冀北坳陷霧迷山組[2]地球化學(xué)特征，認(rèn)為霧迷山組沉積時(shí)期氣候干旱，洪水莊組沉積時(shí)期氣候溫暖濕潤(rùn)。羅情勇等[3]就華北北部洪水莊組頁(yè)巖進(jìn)行了物源及風(fēng)化作用研究，得出相似結(jié)論。筆者在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，依托野外露頭巖性識(shí)別與18塊樣品化學(xué)測(cè)試分析，開(kāi)展天津薊州霧迷山組與洪水莊組的地球化學(xué)特征研究，以揭示其沉積環(huán)境，對(duì)于明確該區(qū)沉積特征和沉積環(huán)境等有促進(jìn)作用，可為該區(qū)及鄰區(qū)環(huán)境古地理研究提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

天津薊州中—新元古界剖面出露于天津市薊州區(qū)東北部約8 km處，處于燕山古海盆地內(nèi)凹陷，具有地層厚度大、地層發(fā)育齊全、層位連續(xù)、接觸關(guān)系清晰等優(yōu)點(diǎn)[4]，是中、新元古代地質(zhì)研究的理想場(chǎng)所。中—新元古代華北地臺(tái)進(jìn)入了坳拉谷發(fā)展階段，燕遼坳拉谷位于內(nèi)蒙古古陸南側(cè)，是華北地區(qū)強(qiáng)烈坳陷地帶。研究區(qū)位于燕遼坳拉裂谷盆地東北部，霧迷山組沉積時(shí)期，華北北部在楊莊組沉積末期大幅度下降，海域迅速擴(kuò)大，海平面升降運(yùn)動(dòng)頻繁，廣泛發(fā)育碳酸鹽巖。洪水莊組是霧迷山組海進(jìn)海退旋回的繼續(xù)，此時(shí)海水逐漸退去，海域面積大幅度減小，使洪水莊組地層退覆于霧迷山組地層之上(圖1)。古地磁資料顯示[5]，薊州沉積地層多處于30°S～30°N的低緯度古地理區(qū)，為薊州地區(qū)形成大量碳酸鹽巖提供了古地理依據(jù)。

Chc.長(zhǎng)城系常州溝組；Chch.長(zhǎng)城系串嶺溝組；Cht.長(zhǎng)城系團(tuán)山子組；Chd.長(zhǎng)城系大紅峪組；Chg.長(zhǎng)城系高于莊組；Jxy.薊州系楊莊組；Jxw.薊州系霧迷山組；Jxh.薊州系洪水莊組；Jxt.薊州系鐵嶺組；待建系下馬嶺組；Qnc.青白口系長(zhǎng)龍山組；Qnj.青白口系景兒峪組；∈f.寒武系府君山組；Q.第四系。圖1 研究區(qū)位置圖Fig.1 Location map of study area

2 地層及沉積環(huán)境分析

通過(guò)對(duì)天津薊州中—新元古界剖面的觀察及分析，認(rèn)為在研究區(qū)內(nèi)的霧迷山組與洪水莊組廣泛發(fā)育碳酸鹽巖臺(tái)地相，其特征為海底地形極其平緩，碳酸鹽巖十分發(fā)育，沉積亞相可分為潮坪亞相和潟湖亞相，其中霧迷山組主要發(fā)育潮坪亞相，洪水莊組主要發(fā)育潟湖亞相(圖2)。

圖2 天津薊州中—新元古界霧迷山組與洪水莊組地層柱狀圖Fig.2 Stratigraphic column of Wumishan Formation and Hongshuizhuang Formation in Meso--Neoproterozoic in Jizhou, Tianjin

霧迷山組地層厚度3 264.8 m，繼承了楊莊組末期的海侵，以富鎂的碳酸鹽巖為主，夾少量碎屑巖和黏土巖，碳酸鹽巖類(lèi)型韻律明顯，發(fā)育有大量疊層石，水體深淺變化頻繁，反映了海水的進(jìn)退過(guò)程。霧迷山組最基本的沉積韻律自下而上為：底層為潮上帶上部的含砂泥質(zhì)泥晶白云巖；下層為潮間帶的紋層狀硅質(zhì)條帶微晶白云巖；中層由潮下帶厚層至塊狀亮晶白云巖組成；上層為潮間帶的紋層狀硅質(zhì)條帶微晶白云巖；頂層為潮上帶淺色硅質(zhì)條帶微晶白云巖。根據(jù)水體能量的強(qiáng)弱將潮坪亞相細(xì)分為潮上帶、潮間帶和潮下帶3種微相。潮上帶離海岸較近，位于平均高潮面和最大高潮面之間，常在干旱條件下，陸源物質(zhì)供給相對(duì)較為充足，常有碎屑物質(zhì)的混入。潮間帶位于平均低潮面與平均高潮面之間，巖石類(lèi)型主要為粉晶白云巖、內(nèi)碎屑白云巖和硅質(zhì)團(tuán)塊，顏色以淺色為主，可見(jiàn)韻律特征(圖3a)。潮下帶位于平均低潮面之下，巖石類(lèi)型主要是砂礫屑白云巖。研究區(qū)霧迷山組以潮上帶-潮間帶-潮下帶沉積環(huán)境的韻律反復(fù)為主[6](圖3b)，反映了霧迷山組沉積時(shí)期潮汐作用更迭頻繁。末期水體開(kāi)始變淺，海水退卻。

洪水莊組是霧迷山組海侵—海退的沉積韻律的繼續(xù)，受沉降作用影響，海域面積大面積減少。洪水莊組下部巖性主要為灰白色微晶白云巖夾薄層灰綠色頁(yè)巖；上部巖性主要為灰白色、綠色、黑色、棕色泥頁(yè)巖夾粉砂巖或細(xì)砂巖(圖3c)，多為紋層狀水平層理(圖3d)。整體沉積環(huán)境以瀉湖沉積為主，洪水莊組疊層石不發(fā)育，藻類(lèi)植物發(fā)育。

a.霧迷山組潮間帶韻律變化；b.霧迷山組碳酸鹽巖沉積韻律；c.黑洪水莊組灰白色、綠色、黑色、棕色泥頁(yè)巖夾粉砂巖或細(xì)砂巖(地質(zhì)錘總長(zhǎng)33.5 cm)；d.洪水莊組水平層理(地質(zhì)錘總長(zhǎng)33.5 cm)。圖3 研究區(qū)霧迷山組與洪水莊組沉積特征Fig.3 Sedimentary characteristics of Wumishan Formation and Hongshuizhuang Formation in study area

3 地球化學(xué)特征

本文利用的碳酸鹽巖、硅酸鹽巖樣品均采自天津薊州中—新元古界剖面，共計(jì)18件，其中霧迷山組9件、洪水莊組9件，用于常量和微量元素分析。樣品未受到風(fēng)化作用影響。由自然資源部東北亞礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室采用的X射線熒光光譜測(cè)試，檢測(cè)的元素有Si、Al、Fe、Ca、Mg、K、Na、Ti、P。選取其中含量較高，變化范圍較大的元素作為研究對(duì)象(表1)。

表1 霧迷山組—洪水莊組巖石地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)Table 1 Geochemical analysis data of Wumishan Formation--Hungshuangzhuang Formation

3.1 相關(guān)性分析

沉積環(huán)境、物源區(qū)和成巖作用等會(huì)對(duì)元素的含量產(chǎn)生影響，對(duì)各元素兩兩之間的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行分析從而研究各元素之間的關(guān)系(表2)。

表2 各組分及元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlation coefficients of mass fraction of each component and element

(1)SiO2與CaO和MgO呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系(R值分別為-0.993和0.974)，表明沉積環(huán)境中陸源物質(zhì)會(huì)抑制碳酸鹽巖礦物的生成和沉淀。

(2)Al2O3與K2O、TFe、Na2O、TiO2具有明顯的正相關(guān)關(guān)系(R值分別為0.955、0.986、0.943、0.99)，而與CaO和MgO呈明顯負(fù)相關(guān)關(guān)系(R值分別為-0.912、-0.853)。因?yàn)镕e常吸附于黏土礦物中，Al為黏土礦物的格架組分，K是伊利石黏土的主要組分，主要賦存于黏土礦物中，代表了陸源泥質(zhì)。

(3)MnO與SiO2、TFe有明顯的正相關(guān)關(guān)系(R值分別為0.737和0.557)，表明研究區(qū)Mn元素與陸源物質(zhì)相關(guān)，李超等[7]與李雙應(yīng)等[8]的分析結(jié)果也表明，Mn和Fe主要受陸源黏土含量控制。

(4)Sr與Ca有弱的負(fù)相關(guān)性，是Sr的離子半徑與Ca的離子半徑相近，置換碳酸鹽巖中Ca2+的結(jié)果，因而Sr可在富含碳酸鹽礦物的巖石中富集[9]。

3.2 地球化學(xué)特征

(1)霧迷山組和洪水莊組主量元素組成差異較大，是由于研究區(qū)霧迷山組發(fā)育碳酸鹽巖，洪水莊組發(fā)育泥巖、頁(yè)巖?；瘜W(xué)組成方面，霧迷山組以CaO與MgO為主，兩者含量相近，SiO2含量較多，Al2O3、K2O、Na2O含量較少；洪水莊組以SiO2為主，含有較多的Al2O3、K2O，少量的CaO、MgO與Na2O。其中霧迷山組沉積時(shí)混入陸源碎屑，體現(xiàn)為SiO2增多。

(2)霧迷山組與洪水莊組微量元素的平均含量差異較大，表現(xiàn)為洪水莊組具有較高的B與Sr，而Cu較低。王敏芳等[10]認(rèn)為海相環(huán)境中B質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(80～120)×10-6，而淡水環(huán)境中B質(zhì)量分?jǐn)?shù)多<60×10-6。洪水莊組B含量平均值為98.12×10-6，反映了洪水莊組沉積時(shí)為潟湖環(huán)境；霧迷山組B含量平均值為8.9×10-6，反映了霧迷山組沉積時(shí)為淡水環(huán)境，對(duì)應(yīng)關(guān)系良好。

4 沉積環(huán)境分析

根據(jù)地球化學(xué)分析結(jié)果，通過(guò)元素之間的比值、元素含量等(圖4)，對(duì)霧迷山組與洪水莊組的陸源供應(yīng)、古水深、古鹽度以及古氣候展開(kāi)研究討論。

圖4 元素含量及元素比值變化圖Fig.4 Diagram showing variation of element content and element ratio

(1)Ti是一種較為穩(wěn)定的元素，一般不溶于海水，因而Ti元素在海水中含量很低，主要來(lái)自于陸源碎屑，所以可以通過(guò)Ti元素來(lái)確定陸源供應(yīng)。研究區(qū)內(nèi)洪水莊組的Ti元素平均相對(duì)含量為0.3%～0.6%，說(shuō)明洪水莊時(shí)期陸源碎屑物質(zhì)供應(yīng)良好，導(dǎo)致Ti元素含量較高。而霧迷山組平均相對(duì)含量<0.2%，主要原因是該時(shí)期是以碳酸鹽巖沉積為主，陸源碎屑供應(yīng)相對(duì)于洪水莊組較少，但1號(hào)、5號(hào)以及9號(hào)樣品含量明顯偏高，說(shuō)明霧迷山組也有短時(shí)期的陸源物質(zhì)供應(yīng)。Al元素作為陸源組分的代表[11]，具有和Ti元素相一致的趨勢(shì)，洪水莊組Al元素含量普遍>12%，而霧迷山組大部分介于0.1%～0.3%之間，高值與Ti元素對(duì)應(yīng)，反映了短時(shí)期陸源供應(yīng)的特征。

(2)Fe和Mn元素在沉積作用過(guò)程中由于化學(xué)性質(zhì)的差異其分異現(xiàn)象較為明顯，并且主要受水介質(zhì)的Eh值與pH值的控制。鐵的氧化物在pH值<3時(shí)溶解度最大，當(dāng)入?；蛉牒r(shí)，由于pH值提高，其溶解度降低，發(fā)生沉淀作用。而Mn的氧化物、硫化物的穩(wěn)定性大于Fe，可在水盆中發(fā)生長(zhǎng)距離遷移。因而Fe/Mn可以反映沉積物在水盆中搬運(yùn)的相對(duì)距離和水深[9]。研究區(qū)霧迷山組Fe/Mn比值明顯整體低于洪水莊組，說(shuō)明洪水莊組沉積時(shí)期水深大于霧迷山組沉積時(shí)期，與野外露頭識(shí)別出的巖性對(duì)應(yīng)關(guān)系良好。

(3)鎂鋁比值m=100×MgO/Al2O3，可作為沉積環(huán)境古鹽度的判別標(biāo)志[12]。經(jīng)雅麗等[13]認(rèn)為，淡水環(huán)境中的m<1，海陸過(guò)渡性環(huán)境中m介于1～10，海水環(huán)境中m介于10～500，陸表?；?yàn)a湖碳酸鹽巖沉積環(huán)境中m>500，另外m也會(huì)隨著湖水的逐漸咸化而增大。研究區(qū)霧迷山組m絕大部分介于695～21 670，只有9號(hào)樣品m=309，表明霧迷山組屬于陸表?；?yàn)a湖碳酸鹽巖沉積環(huán)境。除去3號(hào)樣品m=108 050的異常高值，m值上下浮動(dòng)劇烈，反映了霧迷山組沉積時(shí)期海水進(jìn)退頻繁，與所識(shí)別出潮上帶-潮間帶-潮下帶沉積微相的反復(fù)韻律相一致。而洪水莊組的m值介于8～12，古鹽度較低，可能是由于沉積環(huán)境由霧迷山組的潮坪沉積過(guò)渡為洪水莊組的潟湖沉積，來(lái)自河流或者大氣的淡水注入潟湖，而此時(shí)氣候相對(duì)潮濕，淡水注入量超過(guò)蒸發(fā)量，導(dǎo)致潟湖上部水體部分進(jìn)入海洋，淡水的不斷補(bǔ)給以及潟湖中鹽度較高的水體外流，此時(shí)的潟湖水體逐漸淡化，致使洪水莊時(shí)期的古鹽度較低[14]。

(4)Mn和Fe在不同的氣候條件下賦存情況不同，Mn在干旱環(huán)境下含量比較高，而Fe在潮濕環(huán)境中易以 Fe(OH)3膠體的形式快速沉淀，因而沉積物中 Fe/Mn高值對(duì)應(yīng)潮濕氣候,低值對(duì)應(yīng)干熱氣候。氣候潮濕導(dǎo)致淡水輸入增多，鹽度降低，此時(shí)Al元素含量較高；干旱氣候條件下，水體蒸發(fā)強(qiáng)烈導(dǎo)致鹽度增加，Na元素以鹽類(lèi)形式富集[15]，因此Na/Al比值也可反映氣候。研究區(qū)霧迷山組Fe/Mn比值明顯整體低于洪水莊組，洪水莊組Na/Al比值低于霧迷山組，均反映了霧迷山組為干熱氣候，洪水莊組為潮濕氣候。其中霧迷山組Fe/Mn比值的浮動(dòng)變化說(shuō)明了由水體深淺變化引起的偏干旱與偏短暫濕潤(rùn)氣候頻繁轉(zhuǎn)換的沉積特點(diǎn)。

Nesbitt et al.[16]提出應(yīng)用化學(xué)蝕變指數(shù)(CIA)評(píng)價(jià)物源區(qū)化學(xué)風(fēng)化程度,CIA可以很好地評(píng)價(jià)長(zhǎng)石向黏土礦物(如高嶺石)轉(zhuǎn)化的程度。CIA=50～60指示初級(jí)風(fēng)化作用強(qiáng)度,CIA=60～80指示中等風(fēng)化作用強(qiáng)度,CIA=80～100指示強(qiáng)烈風(fēng)化作用強(qiáng)度。洪水莊組頁(yè)巖CIA值分布范圍為62.767～68.561，平均值為65.260。因此該組頁(yè)巖CIA值表明其物源區(qū)發(fā)生了中等風(fēng)化作用?；瘜W(xué)風(fēng)化作用主要受水分和溫度的影響，在寒冷干燥氣候下，晝夜溫差大，機(jī)械風(fēng)化作用增強(qiáng)，使得巖石破碎，但降雨量小，導(dǎo)致化學(xué)風(fēng)化作用不強(qiáng)。但在溫暖潮濕的氣候條件下，由于氣溫高、降雨量大、微生物活躍，有利于化學(xué)風(fēng)化作用的發(fā)生[3]。故中等化學(xué)風(fēng)化作用表明洪水莊組沉積時(shí)期的氣候應(yīng)是溫暖潮濕的。

5 結(jié)論

(1)霧迷山組沉積相為潮坪亞相，洪水莊組為潟湖亞相。其中霧迷山組以潮坪亞相中潮上帶-潮間帶-潮下帶沉積環(huán)境的韻律反復(fù)為主，洪水莊組主要為潟湖沉積。

(2)霧迷山組樣品的化學(xué)成分以CaO和MgO為主，兩者含量相近，較多的SiO2含量顯示該時(shí)期碳酸鹽巖沉積時(shí)混入較多的陸源碎屑；洪水莊組樣品的化學(xué)成分以SiO2為主。

(3)鎂鋁比值顯示霧迷山組沉積環(huán)境為典型的碳酸鹽巖沉積環(huán)境，洪水莊組為潟湖沉積環(huán)境，這與野外露頭巖性判斷結(jié)論相一致。

(4)Mn含量、Na/Al以及Sr/Cu比值顯示霧迷山組沉積時(shí)期氣候干旱，并且具有偏干旱與偏短暫濕潤(rùn)氣候頻繁轉(zhuǎn)換的沉積特點(diǎn)，洪水莊組沉積時(shí)期氣候溫暖潮濕。