识别沉积环境的微量元素地球化学

微量元素地球化学在识别沉积环境中的应用

沉积环境(Sedimentary environment)通常在沉积学上是指沉积作用进行的地理环境，它是地貌、气候、动植物、水深、水温、水动力和水化学的因素的总体结果。由于地球表面所发生的自然作用是不同的，所以又可具体分为河流环境、湖泊环境、三角洲环境，滨海环境等地理单元。在沉积环境进行的过程中，以各种沉积物为载体的微量元素也相应地随沉积过程的物理化学变化，而发生相应的迁移、转化、组合和分散等现象。考虑到不同沉积环境如具有不同的水动力条件、介质性质、温度、压力和生物作用及古地貌特征等多种因素的影响, 因此在不同的沉积环境中, 元素的分散和聚集规律也就不同。从而利用微量元素的地球化学特征来识别和恢复古沉积环境成为有力的武器。

1.微量元素地球化学简介

微量元素（trace element），又称痕量元素，目前未有统一认可的严格定义。Gast（1966）认为，微量元素是指“不作为体系中任何相的主要化学组份存在的元素”。习惯上把研究体系（矿物、岩石等）中元素含量大于1％的称为主要元素或常量元素（major element），把含量在1％～0.1％称为次要元素（minor element），而把含量小于0.1％称之为微量元素，还有学者把含量小于1%的元素统称为微量元素，这主要取决于研究者对研究对象的兴趣和帮助。

微量元素可作为地质地球化学过程的示踪剂，在研究沉积岩，沉积环境和沉积相，矿床等基本地质问题中，提出的新的观点和方法。至今，微量元素地球化学的研究几乎涉及地学的

所有领域，包括对地幔的不均一性、古构造环境的恢复、成岩成矿物源的示踪、全球及局域环境的监测等问题的研究，成为解决许多重大地质问题的强大武器。

作为识别沉积环境的有力工具，元素地球化学也越来越起到重要的作用。B含量、Sr/Ba、B/Ga等来分析陆相、海相、海陆过渡相等环境；利用REE含量识别古水深；P，Sr分析古气候条件；以及利用对氧化还原敏感的元素(如Mo、U、V、Ni、Ce、Eu等）能较好的恢复沉积水体的氧化还原状态。此外，对古盐度、古温度等定性、定量的分析，都可以得到很好的解决。

2. 微量元素在沉积岩中的分布规律

在沉积岩中，微量元素多以类质同象，被黏土矿物所吸附等形式存在。不同岩性由于物源和成岩过程的不同，微量元素的富集程度也不相同。下面介绍几种主要的微量元素的具体情况。

钡:在粉砂岩和泥岩中含量较高, 砂岩中含量变化较大, 碳酸岩盐中含量较低。

锶:为沉积岩中含量较高的元素, 特别在泥岩和碳酸岩盐中含量更高, 因为锶的分布与钙关系密切,这是由于两者的离子半径相近, 常以类质同相形式存在，另外其易被粘土吸附。

锰: 其在泥岩和碳酸岩盐中有富集的趋势。由于其为变价元素, 因而其受环境的Ph—Eh控制。

铷:其主要分布于层状硅酸盐中, 由于粘土的吸附作用, 在泥岩中含量较高。碳酸岩盐中含量较低。

铬:在泥岩中含量高于砂岩和碳酸岩盐。在碎屑岩中其含量与粒度有关, 随粒度的减小而增加。在富含有机质的页岩中富含铬。在碳酸岩盐中其含量与其中的粘土含量有关。

镍:碳质页岩和黑色页岩中其含量高, 这与有机质的吸附有关。

镓:其在泥岩中含量明显高于砂岩和碳酸岩盐,在碳酸岩盐中含量很低。

总的来说，Fe、P、V、Cr、Co、Cu等元素在砂岩中含量最低，粉砂岩中较高，在泥岩中达到最大值，在泥灰岩中降低，在灰岩中达到最小值。稀有元素Zr、Y、Li、Cs、Be、Ta、In 也有同样的变化规律。

3. 微量元素地球化学特征识别沉积环境

对沉积环境的分析，主要涉及到了古温度，古气候，古温度以及海相、湖湘、河流相的古盐度等方面，在地质历史时期，微量元素都会保留下各种沉积作用的痕迹，从而给利用微量元素地球化学识别沉积环境提供了依据。

用微量元素分析沉积环境，主要涉及到元素含量法、元素比值法、元素组合法以及图解法。

3.1 元素含量法

硼法：多用于对古盐度的测定，国外学者据资料和自己的研究成果证明了黏土矿物中硼主要富集于伊利石中，并成功地把硼、伊利石含量和古盐度联系起来，为使用B含量测定盐度的定量计算奠定了基础，现代水中B的含量多有以下分布规律：小于100ppm为淡水；在200－300ppm之间多为半咸水；300－400ppm 为正常海水；大于400ppm则为超咸水。

一般而言，海相环境中硼含量在80ppm-125ppm之间，而淡水环境中，硼含量多小于60ppm。

除了利用硼含量进行古盐度定性恢复，国外学者还提出了利用硼含量对古盐度定量计算：

1)Adamas公式：

Sp=0.0977x-7.043；

2）Couch公式：

Sp=LgX’-0.11/1.28：

Sp为古盐度（‰）,X为“相当硼”含量；x’为校正硼含量。

磷法（P）：P是对古气候变化较为灵敏的元素，在炎热气候下，水体蒸发引起盐度急剧增高，某些低等生物因不适应这种高盐度而死亡并参与成岩，从而使其层位的Ｐ元素相对富集，显然，Ｐ元素含量相对高的层位表明干旱炎热条件下的高盐度环境。

锶法(Sr)：元素的高含量指示：干旱炎热气候条件下的湖水浓缩沉积或温湿气候条件下海侵所致。

3.2 元素比值法

硼/镓(B/Ga): B主要吸附于黏土矿物中，活动性较强,Ga 在黏土矿物中富集，在淡水的岩石中比海洋岩石中要高。故用B/Ga比值来反映盐度和区分海陆相地层,一般有以下认识：小于1.5为淡水相沉积环境；

5-6为近岸相沉积环境；

大于7为海相沉积环境。

而王益友（1979）总结了国内外的资料中提出陆相环境B/Ga 比值一般小于3.0—3.3，而正常海相B/Ga比值一般大于4.5—

5.0，介于它们之间为海陆过渡相。

锶/钡(Sr/Ba)：与Sr比较，Ba的化合物溶解度要低，当陆相淡水流入海洋中，淡水中携带的Sr和Ba就会分别与海水中的

SO

42- 离子反映生成SrSO

4

和BaSO

4

。由于BaSO

4

的溶解度相对于

SrSO

4要小，所以通常SrSO

4

要迁移的远，从而，在近岸沉积物

中富Ba，而在大洋深处则富集Sr。通过对比Sr/Ba的比值可以间接地对待陆相沉积和海相沉积。一般有以下规律：

Sr/Ba在淡水沉积

物中常小于1，而在海

水沉积物中大于1；比

值在1.0-0.6则为半

咸水。

需要指出的是，部

分地区由于海底喷流

作用的影响，从而导致Sr/Ba之比不能有效服从这个规律。

王益友等指出，随着淡水向海水过度，B，Ga，Rb等三元素的含量也随着沉积环境的不同，而发生变化，在淡水区，Ga 含量相对较高，而向海区过度，B,Rb含量逐渐增大。根据这种规律，国外学者作了B-Ga-Rb三元素关系图，用以来区分海相和陆相沉积环境。

矾/镍 (V/ Ni): 钒和镍的地球化学行为较相近, V 和Ni 趋向于富集在含硫化物的沉积岩中, 但他们的聚集系数却不相同。通常情况下, V / Ni 值大于1 为还原环境, 而小于l 为图1：B、Rb、Ga含量沉积环境指示图