缺氧沉积环境的地球化学标志

甘肃地质学报

2003 2003

第12卷　第2期 ACTA　GEOLO GICA　G ANSU Vol.12　No12 文章编号:100424116(2003)022*********　①

缺氧沉积环境的地球化学标志

王争鸣

(甘肃省地矿局培训中心,甘肃兰州　730000)

摘　要:缺氧沉积环境是一种能够提供多种类型矿化定位的特殊沉积环境。缺氧环境判识指

标包括岩石、古生物和地球化学三方面。在缺氧环境的研究中,地球化学指标如矿物、微量元素、同位素和有机地球化学指标最为重要。因受地质历史中诸多因素的影响,地球化学指标具有一定

的多解性和局限性,故只有多项参数综合应用才可更为准确地进行环境分析。

关键词:缺氧沉积环境;地球化学标志

中图分类号:P595 文献标识码:B

缺氧环境指水体中溶氧量小于1ml/L的环境,一般形成于水体分层、循环有限的区域(如海湾、泻湖、海洋和湖泊深层水)或大陆边缘的上升流区。它是油气源岩发育的主要控制因素之一,是一种能提供多种类型矿化定位的沉积环境。现在大多数学者都把原先认为是同生沉积的矿床用有机质成矿理论或氧化还原沉积模式解释。尤其金、铀矿床的发现以及矿化与有机质关系研究的新成果使人们对缺氧环境中的矿床成因倍加关注。许多金属、非金属矿床的形成是与缺氧环境有关的成矿作用及区域和全球背景综合的结果,两者相互作用并长期偕同和持续发展控制了矿床的规模。

1　缺氧环境的基本特征

缺氧沉积环境,其特征主要表现在沉积岩石、古生物学及地球化学上,笔者综合国内外研究成果,对缺氧环境和富氧环境的基本特征及其相关判识指标进行了对比分析,建立了对应关系总表(表1)。

2　地球化学判识指标

近年来,在缺氧环境研究中标型矿物、元素、稳定同位素和有机地球化学发挥着越来越重要的作用。应用微体化石的微量元素和同位素组成、生物标志物及其同位素组成来探讨缺氧环境特征,取得了显著成果。

①收稿日期:2003207202

211　矿物学标志

硫化物是缺氧沉积的主要矿物标志,如黄铁矿的发育指示强还原环境。在我国及世界范围内,Pb-Zn矿床大多数为大型、超大型矿床,其含矿有机质和莓球状黄铁矿,表明矿床是在沉积早期成岩阶段缺氧条件下形成的。黄铁矿化度(DOP=Fe pyrite/Fe totel)可独立应用于缺氧沉积物判别。

212　元素地球化学

自然氧化—还原反应对元素的迁移、共生、沉淀有重要控制作用,可改变变价元素的迁移状态,使同一元素的不同价态或共生元素间发生分离,导致不同环境中元素的重新分配,例如: U、Mo、V、S等在氧化条件下呈高价(如V5+、U6+、S6+)易迁移,还原条件下呈低价(如V3+、U4+、S2-)易沉淀;而Fe、Mn、Cu、Ce、Eu等在氧化条件下呈高价(如Fe3+、Ce4+、Eu3+)易沉淀,还原条件下呈低价(如Fe2+、Ce3+、Eu2+)易迁移,但Fe、Cu等亲硫元素更易沉淀于含H2S 的缺氧环境。

生物活动常导致环境的p H、Eh变化,尤其因微生物呼吸和有机质分解耗氧而造成的缺氧环境,使某些元素的分配发生重要变化,利于许多金属(如V、U、Au等)沉淀、富集成矿,这是生物成矿的最强大的动力和基本原因,又为利用元素地球化学特征来恢复其古环境提供了重要依据。

(1)元素不同价态的浓度比值

在一定温度下,反应速度和氧化还原电位随氧化态和还原态浓度之比的改变而改变。Fe 的氧化态/还原态浓度比是最为常用的判别环境性质的指标(表1)。类似的指标还有V3+/

表1　缺氧环境和富氧环境的基本特征及相关判识指标总表

Table1　Basic features of and related indicators for anoxic environment and ox ygeneous environment

沉积环境判识指标

缺 氧 环 境

厌 氧贫 氧

富氧环境

水体溶氧量<0.1ml/L0.1～1ml/L>1ml/L

古　地　理低能:滞流、局限、上升流区高能:循环畅通

古生物底栖生物缺乏软体生物发育繁盛生物扰动无缺乏—常见强烈遗迹构造Z oophycos.chondrites Planolites

岩　石颜 色灰黑—黑色深灰—黑灰色浅灰—深灰色岩 性细碎屑岩(黑色页岩—硅岩—石灰岩—磷灰岩)变化大

层 理纹层—薄层薄层—中层中层—厚层、块状

矿物

标型矿物原生金属硫化物褐铁矿—Mn氧化物黄铁矿化度DOP无H2S时DOP014～017;含H2S时DOP>017DOP<014

元素地球化学

氧化态/还原态Fe2+/Fe3+>1Fe2+/Fe3+<1

微量元素含量过渡金属、有机硫、H2S含量高过渡金属、有机硫、H2S含量较低过渡金属含量甚低V/(V+Ni)>01540146～0160<0146 V/Cr>41252100～4125<2100

Ni/Co>71005100～7100<5100

U/Th>11250175～1125<0175 Au(×10-6)>12105100～1210<5100δU>1<1

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V 5+、Eu 2+/Eu 3+,等。

(2)微量金属含量及其相关比值

微量金属元素,尤其是第一过渡系列的元素常作为推断近、古代厌氧沉积的地球化学工具。

全岩微量金属元素　J.R.Hatch (1992)、B.Jones 等(1994)通过研究北美、北欧黑色页岩地球化学特征,提出过渡金属含量及V/(V +Ni )、U/Th 、V/Cr 和Ni/Co 比值为古缺氧环境判

识标志,并确定出相应标准(表1)。其它如V/Ni 、

(Cu +Mo )/Zn 比值也可作为底部水体氧化还原作用的指示剂,二者均随着还原程度的增强而增大,但Jones 等认为它们易受成岩作用等

影响,可靠性差。

上述指标是在研究泥质岩基础上提出的,众多实例证实了其可靠性。笔者通过对鄂尔多斯盆地奥陶系碳酸盐沉积环境的分析发现,微量金属对氧化向厌氧条件的转化敏感,其含量和相关比值(如V/(V +Ni )、Ni/Co 等)反映出克里摩里组沉积于相对缺氧与含氧交替的沉积环境,与该地层中的岩石和古生物特征相吻合,说明了微量金属元素分析同样适用于评价碳酸盐岩缺氧条件的变化。

由于岩石中微量元素赋存状态复杂,且环境条件的变化或变质程度的提高可导致元素含量及赋存状态的变化。因此,微量元素指标的应用具有一定局限性。

(3)放射性元素含量及其相关比值

U/Th 比值作为指示剂被广泛用于缺氧环境的研究。B.Jones 等(1994)通过全岩样分析,提出U/Th 对缺氧沉积的判识标准(见表1)。无铰纲等底栖类微体化石的U/Th 比值可直接反映当时海水的氧化还原条件。

自生铀含量(δu =U total -Th/3)被视为古代沉积物的缺氧环境指标。吴朝东等(1999)利

用自生铀和铀总量的关系建立了δU 。

δU =2U/(U +Th/3),应用于缺氧环境的识别(见表1)。

研究缺氧沉积中岩矿、古生物和元素地球化学标志,对认识缺氧环境及其相关资源的研究具有重要的理论和实际意义。由于这些标志是在各种复杂、重叠的生物作用、现代及过去地质作用过程中形成的,故具有多解性和局限性。通过地质与地球化学、宏观与微观、无机与有机指标的综合印证,建立典型模式,可进行准确的环境分析和沉积矿产资源预测。参考文献:

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