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《稀土元素在沉积学中的应用》

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地质 储层 沉积 地化 层序地层
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稀土元素在沉积学中的应用摘要:稀土元素之间化学性质极其相似、溶解度普遍较低及在风化、剥蚀、搬运、再沉积和成岩作用过程中元素分馏作用极为复杂等性质对沉积方向诸多问题的研究具有重要意义。本文则主要通过概括和实例来介绍稀土元素在地质方面的应用,特别是在沉积学领域判断岩石成因、构造背景、物源、环境的酸碱性、白云岩成因、古气候分析及古水深分析等方面的具体应用。关键字:稀土元素 沉积学 应用 物源 古气候 古水深 构造背景 于近年来国家对稀土元素的重视,导致了大家对稀土元素的研究更加深入,研究表明稀土元素在工业、军事、农业、地质等领域都能得到广泛应用。而对沉积环境中 土元素)的最早研究工作是 935)对古生代欧洲和日本“页岩”的分析。直到六十年代,才进行了一些其他方面的研究( 962;,1964; 965;966),在这之前,这些方面几乎是空白。而随着稀土元素在国内地位的提升,学者们对它的研究也在不断进步,目前国内学者把沉积岩的稀土元素地球化学特征主要应用于研究不同地区和时代的地层的稀稀土元素地球化学的差异及其与地质事件、界线剖而、地壳演化的关系[1]。本文主要介绍稀土元素在沉积学中的应用,不仅利用稀土元素对沉积环境的判断,还对在判断岩石成因、构造背景、物源、白云岩成因、古气候分析及古水深分析等方法进行了详细的介绍。石与矿物中的 成特征可用于探讨其成因。不仅对火成岩,而且对沉积岩与变质岩也适用。就火成岩而言,通过 量模式的计算可以确定其由部分熔融或者分离结晶作用所形成;根据 粒陨石标准化分布型式的异同可为岩石的成因与分类提供证据。比如,根据湖南香花岭 43l 岩墙与癞子岭花岗岩 布型式及 数的相似性,论证了黄玉霏细斑岩为地壳重熔型花岗岩浆的晚期分异产物[2]。又如对花岗伟晶岩的成因长期来争论不休,主要有费尔斯曼的残余岩浆说与查瓦里茨基的交代说。而按照分离结晶作用的原理,如果某伟晶岩体由残余岩浆形成,则其 球化学特征应与母花岗岩间为继承发展关系,布型式应该类同,且负铕异常应愈加明显。反之,若某伟晶岩体由深部上来的溶液对原岩进行重结晶与交代作用而形成,则不应具有上述特征。因此,球化学特征可以用来鉴别伟晶岩的成因。在沉积岩方面,球化学可对碎屑沉积岩源区的时代和成分提供信息;对化学沉积岩,式可反映海水的 学、沉积相的性质和沉积作用所处的位置。在变质岩方面,球化学可用于追溯原岩,以了解变质前的成岩环境、物质组成及成因等特征[3] 。而现在主要实用稀土元素判断岩石成因的方法有如下两种。据某些稀土元素的特征值岩石的稀土元素特征是区分热水沉积和非热水沉积硅质岩的重要标志之一,统地研究了世界上属于热水成因的金属沉积物与属于非热水沉积的水成金属沉积物中的 现前者的 量低,负异常,富集的趋势;而后者 量高,正异常,富集,但上述特点在这两类沉积之间有连续性变化[4]。热水成因硅质岩的 δ负异常,而非热水成因的硅质岩的 δ为正异常[5,6]。对比上述热水沉积硅质岩的稀土元素地球化学特征,表明新昌硅质岩(如图 1)具有热水成因沉积的特点。但是从图中还可以看出此地的硅质岩也无重稀土元素(集的趋势,说明本地区硅质岩成分以热水成因沉积为主,但有部分非热水成因的物质混入。图 2 新昌硅质岩的稀土元素配分型式(2 of 根据稀土元素的含量及比值过对各种构造背景下形成的砂岩、泥岩的稀土元素特征的研究,把构造背景主要分为大洋岛弧、大陆岛弧、活动大陆边缘、被动大陆边缘四种类型,并总结出了在不同构造环境中形成的砂岩、泥岩的稀土元素特征判别标志[7] ,主要判别参数见表 1。表 1 白水江群碎屑岩与不同构造环境下砂岩的化学组成对比(王涛,王宗起等,西秦岭南缘康县留坝一带白水江群碎屑岩的地球化学特征及构造背景,地质通报,2006,6(25) )据 常大的 常通常见于海水,沉积岩中存在 常的确切原因还不完全清楚,它在许多沉积岩中可能是沉积作用后获得的,而不是继承下来的特征。 977 )认为,显著的 常是太平洋广海环境的放射虫的特征,而在陆架和边缘盆地的放射虫中则不存在。在太平洋东南部的现代洋底沉积物中,也发现在向海岸线的方向,由于来自大陆的碎屑物质逐渐增加,负 常的量值逐渐减少。对加利福尼亚海岸圣弗兰西斯科湾侏罗纪—白垩纪的燧石和页岩的研究表明:常与其沉积的构造环境有关,距洋脊顶部 400内的扩张脊近源区,显为负异常,δ 洋盆地为中等 异常,δ大陆边缘区(距大陆 1000 内)异常消失或为正异常 δ 3 据 分配曲线图可以判断 尽管 量有变化,但其分配曲线的型式一致,表现为一组相互平行的曲线。其主要特征是:轻稀土富集,贫重稀土,轻微的负异常,几乎没有常,说明其物源区具有亲陆源性质(1985) 。图 4 英吉苏凹陷侏罗纪砂岩的 分型式及与晋宁期花岗闪长岩的对比左上:英南 2 井侏罗系; 井侏罗系(样品 左下:华英参 1 井侏罗系(样品 右下:塔参 1 u 异常人们先后对北美页岩中的稀土元素(及澳大利亚后太古代平均页岩成分中的稀土元素(行了深入的研究[8,9],并认为它们代表了上地壳中稀土元素的分布特征。源自上地壳的稀土元素表现出富含轻稀土,重稀土含量稳定及负的 素异常等性质。轻稀土富集说明上地壳中大离子亲石元素的含量相对于原始幔源要明显偏高;重稀土含量均匀则是上地壳内缺少使重稀土分馏的因素;负的 素异常是由于元素分异作用使地壳内上地壳中 素缺失,而下地壳中 素富集[10]。吐鲁番1]富含轻稀上和重稀上含量均一,素明显负异常的特征(图 2(图中来自石炭纪及早二叠世的样品主要为酸性火山岩及火山凝灰岩) ) ,与 分布趋势基本类似,表明其原始物质应来自上地壳。图 5 吐鲁番_哈密盆地稀土元素配分模式其中的石炭系和下二叠统的样品为火山岩,其他样品均为砂岩。图形显小所有砂岩的 布均与 行,仅在绝对值上略低(邵磊,998,9(43)986图 3 可见,来自下伏石炭系及下二叠统的酸性火山岩及火山凝灰岩和其上覆的沉积岩具有相同的惰性痕量元素习性,表明它们之间有密切的亲缘关系,应来自同一物源。并且,这些沉积岩样品 比基本介于 间,u*比值很低,说明其母岩应源自后太古代上地壳,即大陆壳内。图 6 吐鲁番_哈密盆地碎屑岩及火山岩 Hf(a), U(b), Nb(c)和 La(d)点图1——哈密拗陷沉积岩样品,2——吐鲁番拗陷沉积岩样品, 3——下伏石炭系、下二叠统火山岩样品((邵磊,998,9(43)986用稀土元素参数与 / 、 0/ O 比值𝑆𝑖𝑂2𝐴𝑙𝑂2 𝐾2 𝑁𝑎2由于物源岩从安山岩、英安岩、花岗片麻岩直到老的沉积岩引起的化学性质不稳定的颗粒(斜长岩和火山岩岩屑)的含量减少、石英含量增加(1983 )会造成杂砂岩的 含量递增,𝑆𝑖𝑂2、 、 O 递减,∑∑𝑇𝑖𝑂2 𝐴𝑙2𝑂3 𝑁𝑎2增,而 u*值递减。图 7 澳大利亚东部古生代沉积岩 / — 0/ O——系图𝑆𝑖𝑂2𝐴𝑙𝑂2 𝐾2 𝑁𝑎据 志在稀土元素中,铈具有最不稳定的 4f 亚层结构, 给出一个 4f 电子二𝐶𝑒3+成为 ,并转为惰性气体氙的结构。因此,在适当的条件下, 常被氧𝐶𝑒4+ 𝐶𝑒3+化成 ,与其他三价稀土元素分离。与铈赋存相关的是易被粘土矿物吸附及𝐶𝑒𝑂2来自陆源碎屑与火山碎屑的一些元素,如 b,b,。陆源碎屑提供的铈,在其总量中所占比例(30%~45% )远高于其他稀土元素。而在化学相中,铈主要赋存与氧化相,所以沉积物中铈主要赋存与陆源碎屑、氧化相及吸附相中。即环境的氧化程度越强,铈为正异常;而铈亏损程度越大,沉积还原程度越强。常程度通常用异常系数 δ表示:δ(2 + )𝑁𝐶𝑒 𝑁𝐿𝑎𝑁𝑝𝑟式中 及 和 为实测值与北美页岩标准化后的数值。δ 时,为正𝑁𝐶𝑒𝑁𝐿𝑎𝑁𝑝𝑟铈异常,即铈的富集代表氧化环境;δ的样品通常总有机碳(量较高、粒度较细,表明降水量较大,湖区植被繁盛,径流和风华作用较强,便使粘土碎屑及大量陆源有机质结合在一起搬运到湖底,使得湖底沉积物中量较高,暖湿的气候环境;相反在∑值段(∑0)的样品则反映多为冷干的气候环境图 10 青海湖沉积物中的 ∑粒度的纵向分布(史基安,郭雪莲,青海湖 晚全新世沉积物稀土元素地球化学与气候环境关系探讨,湖泊科学,2003,3,1(15) )土元素[15] 主要存在于:a) 固体陆源的悬浮物中;b)吸附于悬浮物表面;C)在 溶液中呈离子或络离子的形式。其中,深海粘土中具有异常高的丰度;而从页岩到杂砂岩到其它类砂岩、灰岩,其稀土总量依次减少。通过对新疆焉耆盆地岩芯观察[16],选取了 深为 灰岩进行了稀土元素分析(表 4)。从表中可见:∑别为 上述差别可能是由于后者具有较细的碎屑含量所致;而10‒6别为 差不大,均呈轻稀土富集、重稀土亏损特征,总体上说明该时期轻稀土轻度富集;从两样品的特征分配模式和负铀异常来看,它们主要形成于分异一般的湖相沉积环境。表 4 碳酸岩中稀土元素分析(×10*赵 追 孙铁峰,元素地球化学在古水环境判别中的应用,九江学院报告,2005,2)于炳松,】石矿物及测试,3(1984) ,。用稀土元素地球化学,立荣,方中,]995, 69 (2): 在兴.稀土元素地球化学分析在岩相古地理研究中的应用[J].石油大学学报 (自然科学版),1999,1:6— W, R, L, et as in J]1990, 18 (3): , . in as an of of J]1977, 266 (24): 王涛,王宗起等,西秦岭南缘康县留坝一带白水江群碎屑岩的地球化学特征及构造背景,地质通报,2006,6(25)8. R, M. of 1985. 1~ M. in of R, A, 1989. 169~ M, , J, et to J, , 84, 1993. 21~4011. 邵磊,998,9(43)986 P, F, A, et ]1984, 48 ( 12 ):814. 史基安,郭雪莲,青海湖 晚全新世沉积物稀土元素地球化学与气候环境关系探讨,湖泊科学,2003,3,1(15)在兴.稀土元素地球化学分析在岩相古地理研究中的应用[J].石油大学学报 (自然科学版),1999,1:6— 孙铁峰,元素地球化学在古水环境判别中的应用,九江学院报告,2005,大利亚古生代杂砂岩和泥岩的稀土元素地球化学:源区和构造控制,红彩,安国英等,内蒙古白云鄂博矿区白云岩岩石学及其成因研究,现代地质,2003,3(17)19. , , . EE of J]. 980, 13 (2): 171—大利亚古生代杂砂岩和泥岩的稀土元素地球化学——源区和大地构造的控制作用,地质科学译丛,1987,3
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