白龍江工程新近系甘肅群成巖環境及物質來源研究

朱維娜，毛深秋，袁彥超，趙芳萍

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222）

白龍江工程位于甘肅省境內， 主體屬秦祁昆造山系，地質條件復雜。新近系主要分布在北以華家嶺為界，南抵西秦嶺，東臨六盤山的廣大隴中盆地。 工程區內出露的新近紀軟巖地層歸屬于甘肅群（N1G），分布廣泛，是輸水總干線隴中段穿過的主要地層，與下伏不同時代地層均呈角度不整合接觸關系， 地層傾角平緩， 一般為3°～10°或近水平狀， 厚度大于100m。 下部主要為紫紅色砂巖、 磚紅色泥巖夾石膏層；中部為礫巖與砂礫巖、砂巖互層夾褐灰色泥巖、粉砂質泥巖；上部為灰綠色、磚紅色泥巖、鈣質泥巖互層，局部夾石膏。

1 實驗結果

本階段對輸水總干線隴中段甘肅群（N1G）不同深度的14塊巖芯樣品進行了巖礦鑒定、X射線衍射、主微量元素分析， 實驗在河北省區域地質礦產調查研究所實驗室完成。

1.1 巖礦鑒定

巖礦鑒定結果顯示，組成樣品的礦物顆粒較細，黏土礦物含量較高， 僅借助顯微鏡很難對樣品進行準確的定名。另外，各類沉積巖中廣泛存在的黏土礦物多為表生風化作用的產物， 沉積作用和埋藏作用過程中經常發生轉變， 其結晶形態和化學成分等特征受源區母巖巖性和形成時的風化環境所控制，具有重要的指示意義。因此，本次工作在磨片鑒定的基礎上進行了X射線衍射實驗。

1.2 X射線衍射

實驗結果表明， 巖石礦物組合相似且不受取樣深度影響，巖石主要由石英（24.5%～45.8%）、斜長石（7.4%～17.8%）、鉀長石（2.3%～6.8%）、方解石（2.1%～26.7%）及黏土礦物（9.3%～40.7%）組成，個別樣品含有不等量的鐵白云石（3.0%～14.7%）、白云石（4.1%～5.3%）。其中黏土礦物整體含量較高（平均30.5%），與北美頁巖（NASC）和中國南方海相頁巖（25%～60%）相當。 另外，巖石樣品中碳酸鹽含量較高，可能與鈣質膠結有關。

樣品中的黏土礦物主要為伊蒙混層礦物（52%～84%）、 伊利石（12%～33%） 及少量綠泥石（2.0%～9.0%）、高嶺石（2.0%～6.0%），其中伊蒙混層比（蒙脫石在伊蒙混層中所占的比例）為40%。 巖石樣品中黏土礦物含量不高， 經計算得出伊利石是最主要的黏土礦物，全巖平均含量約19.4%，其次是蒙脫石，含量約8.5%， 這些礦物成分的存在使得巖體可能具有一定的流變性、膨脹性及崩解性。

張超等［1］采用碳酸鹽礦物、黏土礦物及長英質陸源碎屑礦物三個端元， 對細粒沉積物進行了詳細的巖類劃分，以此作為底圖，繪制了甘肅群（N1G）全巖礦物三角圖解， 樣品主要集中在泥質粉砂巖區及陸源碎屑型混合細粒沉積巖區， 個別落入灰質粉砂巖區，與磨片鑒定結果有較大出入，可能是由于礦物顆粒較細，對顯微鏡下鑒定造成了一定影響，下文定名均以X射線衍射實驗結果為準。

1.3 主微量元素分析

1.3.1 主量元素地球化學特征

甘肅群 （N1G） 細碎屑巖中SiO2含量最高，為42.56%～62.38%，均值53.49，這與X射線衍射結果中石英、長石等造巖礦物的含量相對應。Al2O3含量僅次于SiO2，占總含量的9.40%～15.83%，與黏土礦物含量較高相關。 其次為CaO，含量不均，為1.56%～16.09%，均值8.33，另外，巖石中還含有少量的TFe2O3（3.68%～6.82%，均值5.42%）、MgO（2.36%～5.98%，均值3.15）、K2O （1.90%～3.33%， 均值2.68%）、Na2O （0.95%～1.56%，均值1.21%）等，灼失量為5.62%～19.40%，其中Fe2O3（均值4.64）含量明顯高于FeO（均值0.70），這是巖石樣品呈現棕紅色的根本原因， 表明沉積盆地當時處于氧化條件下。

與PAAS 標 樣 相 比， 樣 品 中SiO2、Al2O3、K2O、TFe2O3含量明顯偏低，CaO、MgO含量偏高，Na2O、P2O5含量基本一致。與巖石中長英質礦物、碳酸鹽礦物含量高相對應，表明沉積物源巖中有酸性巖存在。

1.3.2 微量及稀土元素地球化學特征

微量元素蛛網圖顯示各樣品配分模式基本一致，說明其具有同源性，Pb含量明顯偏高，Ba、Nb、Sr、Ti含量呈現負異常。 與上地殼黏土巖相比，典型的陸源元素如Zr、Sc等含量偏高［2］，說明該套地層沉積了大量的陸源物質。

甘肅群（N1G）細碎屑巖稀土元素（REE）總量范圍165.6～294.2μg/g，均值249.0μg/g。 從輕稀土元素與重稀土元素的相對富集程度上看， 輕稀土元素含量（127.2～234.9μg/g，均值195.5μg/g）明顯高于重稀土元素（38.4～64.8μg/g，均值53.4μg/g），LREE/HREE在3.3～4.1之間。 可見ΣLREE含量的變化決定了ΣREE的變化。 以球粒隕石數值標準化后，各樣品曲線整體形態相似，說明沉積物具有同源性，巖石中輕、重稀土元素分餾明顯，輕稀土元素富集，配分曲線較陡，重稀土元素則總體呈現出平坦的變化趨勢，（La/Yb）N在7.5～11.0之間，Eu呈負異常，δEu均值0.7，Ce異常不明顯，說明源巖為酸性巖。將稀土元素以北美頁巖進行標準化后，Eu和Ce均未呈現出明顯的異?，F象，配分曲線的變化趨勢與北美頁巖基本一致，說明稀土元素在沉積過程中并未受到外界因素的影響， 分異不明顯。（La/Yb）N的值在1.1～1.6之間，均值為1.4，表明其沉積速率較快，距離物源區較近，沉積水體深度較淺。

2 討論

甘肅群（N1G）樣品的CIA值在61.71～69.57之間，均值65.78，A-CN-K三角圖解中， 樣品均落在IWT線右側靠近K端元方向， 表明樣品存在一定程度的鉀交代作用。 經矯正后的CIA值在64～74之間，顯示弱～中等化學風化作用，其風化線趨勢逐漸接近PAAS，主量元素在源區的判別及古氣候恢復方面具有一定的指示意義。

成分變異指數（ICV）多用以判別源巖是否為再循環沉積作用的產物。 甘肅群（N1G）樣品的ICV值在1.01～3.03之間，均值1.69，表明巖石主要由造巖礦物石英、 長石等組成， 黏土礦物并非最主要的礦物成分，且成分成熟度較低，未經歷再循環沉積作用。

2.1 物源區判別

綜合CIA及ICV指數計算結果， 樣品的主量元素地球化學特征在進行物源區及古氣候恢復時具有一定的參考價值。甘肅群（N1G）的Al2O3/TiO2值在18.05～20.38之間，均值為19.19，說明源巖以長英質或中性巖石為主。 在Roser等提出的物源區判別函數圖解中， 樣品集中落在了石英巖沉積物源區和中性巖火成物源區。

碎屑巖的地球化學特征可以很好地指示物源區原始沉積、構造環境等。 根據Allegre 等提出的∑REE-La/Yb源區判別圖解進行樣品投點，絕大多數落在了沉積巖、花崗巖及堿性玄武巖交匯區。表明長英質巖石在源巖中占據了重要比例。

沉積物中的某些不活潑微量元素（如La、Th、Hf）不因搬運與成巖作用而改變，而長英質與鐵鎂質巖石中La、Th、Hf等元素存在顯著差異，因而可利用其含量及比值推測源巖成分［6］。 Floyed和Leveridge［7］提出的Hf-La/Th物源屬性判別圖解中，樣品分布在長英質物源附近，近半樣品靠近上地殼，但仍有古老沉積物混入。 相對不活潑的元素比值，如Th/Sc、La/Sc、Co/Th、Cr/Th等也是很好的物源指示器。 將甘肅群碎屑巖與不同構造背景砂巖微量元素特征值進行對比，可見樣品的La/Sc、Sc/Th、Cr/Th、Co/Th及Eu/Eu*比值均與大陸上地殼（UCC）相近，而與下地殼和洋殼相差甚遠。Rb-K2O圖解中，樣品的K/Rb比值約230，分布范圍接近上地殼；Th-Th/U圖解顯示巖石經歷了弱-中等風化作用，樣品與地殼具有較高的親緣性，但沉積過程中可能接受了少量地幔物質的加入。地殼與地幔的物質組成具有明顯差異，當存在幔源物質加入時，一些元素及其比值會存在明顯的變化， 如δEu＞1、Tb/Yb＞1、La/Sc＜2.8、La/Th＜2.8、Th/U＜3.8，根據前文的化學元素分析結果，顯示物源區的組成主要為上地殼物質，幔源物質較少。 微量元素中，Cr、Zr主要反映鉻鐵礦和鋯石的含量，其比值可反映鎂鐵質和長英質對沉積物的相對貢獻，樣品的Cr/Zr比值在0.2～0.44之前，表明源區以長英質為主。

綜上所述，工程區甘肅群（N1G）沉積地層源巖主要來源于上地殼，以長英質為主，其次為中性巖石，受造山運動的影響，可能混入了一定量的地幔物質。利用地球化學元素特征雖然能對剝蝕源區進行簡單判別， 但結果可能存在著相對實際構造發展某種程度的滯后性。

2.2 物源區構造背景判別

主量元素作為礦物的主要構成元素能反映砂巖中主要碎屑顆粒的組成。 楊江海等［8］利用主量元素的摩爾含量計算巖石中石英、長石和基性碎屑含量，并繪制出Qel-Fel-Lel判別圖解， 碎屑巖源巖所處的構造環境劃分為五個類型：克拉通內部、陸緣弧、碰撞造山帶、大陸島弧及大洋島弧。 甘肅群（N1G）的14件巖石樣品主要落在了陸緣弧、 碰撞造山帶和大陸島弧的交匯區域。

Bhatia［3］總結了不同構造背景砂巖的常量元素特征參數，通過對比，除SiO2含量偏低外，各參數均介于大陸島弧和大洋島弧之間。 另外，樣品K2O/Na2O比值為2.23，明顯高于大陸島弧參考值（0.61），可能與巖石成巖后期經歷的鉀化作用有關。 主量元素構造環境判別圖解及源區構造環境判別函數圖解中，樣品均落入大洋島弧和大陸島弧區域。

Bhatia 和Crook［4］認為，砂巖 的微量元素，尤其La、Th、Y、Zr、Ti、Co和Ni等不活潑的微量元素， 在研究砂巖物源區和判別構造環境上作用很大， 并提出了可以區分形成于大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣和被動大陸邊緣砂巖的圖解。甘肅群（N1G）碎屑巖在Th-Co-Zr/10及La/Sc-Ti/Zr判別圖解中均集中落在了大陸島弧區域，個別落入活動大陸邊緣，說明源巖在成巖過程中可能受到了構造活動的影響。

綜上所述，工程區甘肅群（N1G）沉積地層源巖更可能形成于大陸島弧環境中， 成巖過程中受到了造山運動影響，混入了少量來自地殼深部的物質。樣品的ICV值較大，也可證明母巖與構造活動相關，且沉積盆地與源區距離較近。Ghosh等認為細碎屑巖的低成熟度與沉積期的干旱氣候及構造活躍背景相關聯，并可作為典型的初次旋回沉積物。 根據古地理、區域資料及構造演化分析其原始物源區可能為下古生界李子園群片巖、火山巖及同期侵入的花崗巖。

2.3 古沉積環境判別

根據遷移富集形成的沉積物中化學元素的分布、賦存、演化等特征，可以揭示沉積物質來源及演化規律，認識沉積物形成環境。

2.3.1 氧化還原狀態

Elderfield等［5］提出利用Ceanom判別古水介質氧化還原條件，研究區樣品的Ceanom均值為-0.039，顯示氧化環境。

在判斷古水介質Eh值時， 各種微量元素比值法經常被應用， 本次工作采用比較敏感的幾個微量元素比值參數， 如Ni/Co、V/Cr、V/Sc及Th/U等。 樣品的Ni/Co比值在2.0～2.68之間， 均值2.43；V/Cr比值在1.35～2.15之間， 均值1.61；V/Sc比值在7.23～11.07之間，均值8.60；Th/U比值在3.32～5.16之間，均值3.96，均顯示氧化環境。

2.3.2 古鹽度

古鹽度是恢復古沉積環境及其演化的重要內容。 Sr、Ba是堿土金屬中化學性質較相似的兩個元素，Sr/Ba比值常作為區分淡水和咸水的沉積標志，該比值與古鹽度呈正相關。 樣品的Sr/Ba比值在0.39～1.20之間，均值0.60，指示陸相沉積環境。

2.3.3 古氣候

構成氣候的兩個基本要素是溫度和濕度， 從黏土礦物的成因來看， 它們也是控制黏土礦物形成的兩個重要因素。甘肅群（N1G）的14塊樣品均表現為伊蒙混層含量高、 較高的伊利石及少量的綠泥石和高嶺石組合，反映黏土礦物源區總體處于干旱-半干旱氣候， 沉積時期及埋藏成巖過程中水介質具有鹽度較高，偏堿性，富K、Fe的特點，淋濾作用和化學風化作用不強，但物理風化作用較強。 高嶺石的出現，說明在總體干旱的氣候條件下仍有氣候波動， 出現過短暫的濕熱氣候。但是，黏土礦物的成分和分布除了受氣候的控制外， 還受非氣候因素影響， 如搬運介質、侵蝕作用、顆粒分異等，后期成巖和風化作用也會起到一定影響。

（Al2O3+K2O+Na2O）-SiO2雙變量古氣候判別圖可用來限定碎屑巖沉積時的氣候條件，隨著SiO2含量增大，砂巖化學成熟度增加。 樣品投點均位于干旱-半干旱區域， 化學成熟度不高。 通常情況下，（K2O+Na2O+CaO）/Al2O3比值的變化可表示沉積物中活性組分與惰性組分之間的關系， 也可用來反映氣候的干濕變化。 和尚鋪組（K1hs）紅色粉砂巖的（K2O+Na2O+CaO）/Al2O3比值在0.36～1.94之間波動， 均值為0.98，反映其沉積時處于較干旱環境中。

Sr/Cu比值對于古氣候變化具有較明顯的相應，一般認為Sr/Cu比值＞5指示干熱氣候，Sr/Cu＜5則指示溫濕氣候，甘肅群（N1G）樣品的Sr/Cu比值變化范圍較大，為5.43～26.45，均值12.23，表明沉積盆地整體處于較為干旱的環境，但存在一定波動。

3 結語

（1）輸水總干線隴中段甘肅群（N1G）巖性以棕紅色泥質粉砂巖、鈣質粉砂巖及混合巖為主。 沉積地層源巖更可能形成于大陸島弧環境中，主要來源于上地殼，以弱-中等風化長英質、中性巖石為主，受造山運動的影響，可能混入了一定量的地幔物質。 源區總體處于干旱-半干旱氣候， 沉積時期及埋藏成巖過程中水介質具有鹽度較高，偏堿性，富K、Fe的特點。根據古地理、區域資料及構造演化分析其原始物源區可能為下古生界李子園群片巖、 火山巖及同期侵入的花崗巖。 但還需要更多同位素地球化學成果的佐證。

（2） 工程區新近紀時期的古水介質條件為堿性氧化環境，為鹽度較低的淡水陸相沉積盆地。古氣候總體呈干旱-半干旱，但氣候干濕存在一定波動。

（3）地球化學特征顯示，甘肅群地層為典型的初次旋回沉積物，其成分成熟度較低，為近源快速堆積的產物，沉積水體深度較淺，成巖后期淋濾作用和化學風化作用不強，但物理風化作用較強。巖石中黏土礦物含量較高，膠結類型以泥質膠結為主，加之沉積時代較新，導致巖石整體膠結程度不高，工程性狀較差，可能對工程安全性產生不利影響。