淮北煤田宿州礦區山西組泥質巖地球化學特征及地質意義

　　摘要：為研究淮北煤田宿州礦區山西組泥質巖地球化學特征及地質意義，通過X射線熒光光譜儀和電感耦合等離子質譜儀等分析測試手段，對研究區山西組泥質巖主微量元素進行了測試并進行分析。結果表明，研究區泥質巖中SiO2、Al2O3含量較高，均值分別為62.67%、21.36%。山西組泥質巖中Sc、V、Cr、Ni、Zr、Th等元素相對后太古宙澳大利亞頁巖富集，Ba、Ta、Rb、Sr、Nb等元素虧損。泥質巖中稀土元素富集，含量為242.4×10-6~302.9×10-6，LREE/HREE值為8.87~10.01，輕重稀土分異程度大，δEu值為0.44~0.72，具有明顯的負異常，δCe值為0.96~1.14，顯示為無異常;稀土元素配分曲線整體模式呈右傾型，相似于后太古宙澳大利亞頁巖元素曲線，反映研究區泥質巖主要來源于上地殼。研究區泥質巖Al2O3/TiO2值為22.77~29.47，Cr/Zr值為0.22~0.40，結合樣品在Th/Sc-Zr/Sc、TiO2-Ni、La/Th-Hf、La/Yb-REE等圖解中的投影區域，表明研究區泥質巖物質組分主要來源于上地殼中的長英質巖石，具體為陰山古陸前寒武紀花崗巖。Th-Sc-Zr/10和La-Th-Sc構造環境判別圖暗示研究區泥質巖源區為大陸島弧構造環境。研究區泥質巖Sr/Ba值為0.41~0.54，反映微咸水沉積環境;Sr/Cu值為3.96~4.89，表明了溫暖潮濕的氣候條件，V/(V+Ni)值為0.71~0.82，Ni/Co值為1.94~3.55，Cu/Zn值為0.34~0.71，暗示了沉積水體為厭氧環境、強還原環境，這些地球化學特征表明淮北煤田宿州礦區山西組地層形成于河控三角洲環境，氣候條件為溫暖濕潤，水體為半咸水–咸水。

　　關鍵詞：淮北煤田;宿州礦區;泥質巖;源巖;沉積環境

　　0引言

　　沉積物中元素的地球化學行為不僅和自身元素性質有關，還受到搬運、沉積等外部條件的影響，因此沉積物中元素地球化學特征能夠反映古地理環境特征[1]。泥質巖等細粒碎屑巖化學成分接近源巖，相對于其他沉積巖，更容易受到物源、構造演化、沉積環境等因素的影響。因此，通過對泥質巖中元素地球化學特征的研究，對探討泥質巖物質來源及演化、沉積盆地古環境特征具有一定意義[2,3]�；幢泵禾锼拗莸V區煤炭資源豐富，二疊紀山西組是該地區主要含煤地層。前人對該地區山西組地質特征進行了大量研究。

　　地球化學論文：渤海遼西凹陷原油地球化學特征及地質意義

　　李運山等通過層序地層學對蘆嶺井田山西組沉積環境進行探討[4]，宋立軍等運用沉積學知識對研究區二疊紀沉積環境及聚煤規律進行了分析[5]，魏爾林等對朱仙莊井田二疊紀含煤巖系垂直層序特征進行了詳細研究[6]，取得一致認識：二疊紀山西組沉積環境為河控三角洲。然而，缺少元素地球化學方面的證據。而且這些研究主要側重于沉積環境方面，缺少對物源及源區構造背景方面的研究。淮北煤田和淮南煤田同位于徐淮地塊，屬徐淮二級賦煤帶�；幢泵禾锷轿鹘M地層巖石元素地球化學特征相關研究較少，但鄰區淮南煤田進行了一些研究。

　　范翔在對淮南二疊紀含煤地層泥質巖地球化學特征研究時，通過一些圖解將山西組樣品分別投落在石英質沉積巖源區及被動大陸邊緣并靠近活動大陸邊緣的區域[7];高德燚在對淮南地區煤系地層微量元素地球化學進行研究時，認為山西組物源為長英質巖石，構造背景為大陸島弧[8]。山西組物源及構造背景在認識上存在一些爭議。而淮北煤田與淮南煤田在二疊紀時期物源及構造背景較為相似。鑒于此，本文在淮北煤田宿州礦區二疊紀山西組地層相關研究基礎上，以泥質巖為研究對象，對其元素地球化學特征進行分析，從而探討區域沉積環境、物源及源區構造背景。

　　1地質背景

　　研究區位于華北板塊東南緣，華北地臺自奧陶紀晚期受加里東運動影響，抬升為陸地，遭受剝蝕，缺失上奧陶統、志留系、泥盆系及下石炭統地層。中石炭世晚期，地殼開始沉降，海水逐漸侵入。早二疊世早期，受到翹板式構造運動影響，導致整個華北地臺出現北高南低的地勢，源區上升，陸源碎屑供應逐漸加強，源區主要為陰山古陸[9]。同時區域內發生自北向南的全面海退，形成障壁-瀉湖沉積體系，此時山西組下部形成，此后繼而形成河控三角洲沉積、沖積平原。因氣候溫潤，植物繁盛，形成良好的煤層[10]。研究區二疊紀山西組為區域主要含煤層段，該組地層厚度約為110m，與下伏太原組、上伏石盒子組均為整合接觸關系[4]。山西組巖性以砂巖、粉砂巖、泥巖為主。

　　2樣品測試與分析

　　煤系泥質巖樣品采自安徽宿州市東12km朱仙莊煤礦，通過Z17鉆井進行取芯，取樣位置為山西組泥質巖段。樣品采集完后，拿到實驗預備室，先進行初步處理，將樣品清洗干凈，自然風干，然后切除表層，用超純水清洗，用烘箱烘干后，用機器粉碎并使用瑪瑙研缽研磨至200目，用紙袋包裝，送至武漢上譜實驗室進行分析。主量元素采用波長色散X射線熒光光譜儀測定，儀器型號為理學ZSXPrimusⅡ，燒失量(LOI)是一定質量樣品烘干后于950℃反復灼燒直至恒重，通過計算所得;微量元素采用電感耦合等離子質譜儀(ICPMS)測定，型號為Agilent7700e，具體流程：將200目樣品烘干，加入高純硝酸高純氫氟酸消解，之后用稀硝酸稀釋上機測試。主微量元素測試精度均優于5%。

　　3地球化學特征

　　3.1主微量元素特征

　　淮北煤田宿州礦區山西組泥質巖樣品主量元素測試結果見表1。樣品SiO2、Al2O3含量較高，均值分別為62.67%(60.99%~64.44%)、21.36%(20.35%~22.88%)。TFe2O3含量相對也較高，均值為2.26%(1.92%~2.69%)。K2O含量在1.51%~2.42%之間變化，平均為2.04%，TiO2含量在0.72%~0.89%之間變化，其余元素氧化物含量均小于1%。

　　微量元素分析結果顯示，元素Ba含量較高，平均為378.69×10-6;Zr含量平均為268.97×10-6;Sr含量平均為212.02×10-6;V含量平均為110.05×10-6。除此之外其他元素含量均小于100×10-6。在蛛網圖上可以看出元素分配差異較為明顯。Li、Sc、Cr、Cu、Ga、Zr、Cs、Th等元素富集，Ba、Ta、Rb、Sr、Nb等元素虧損。富集的元素可能是泥質巖中黏土礦物的吸附作用或離子交換作用及有機質的存在導致。

　　4討論

　　4.1物源分析

　　因為泥質巖均質性較好以及滲透性較低，在物源分析中是最常用的碎屑巖類型�；幢泵禾锼拗莸V區煤系泥質巖Th/Sc值分布范圍為0.73~0.92，平均值為0.85，比中國東部地殼界限值(0.6)高[13]，接近上地殼值(0.97)[14]，在Th/Sc-Zr/Sc圖解上投落于上地殼附近，反映來源于上地殼源區�；幢泵禾锼拗莸V區山西組泥質巖中Al2O3/TiO2值為22.77~29.47(平均為27.08)，而長英質巖石的Al2O3/TiO2值通常介于19~28之間[15]。Cr/Zr比值能夠反映沉積物主要來自鐵鎂質組分還是來自長英質組分[16]，研究區山西組泥質巖Cr/Zr值為0.22~0.40(平均為0.31)。

　　無論Al2O3/TiO2還是Cr/Zr比值均暗示研究區泥頁巖物源是以長英質組分為主。泥質巖Ni含量為21.44×10-6~37.3×10-6，平均為29.07×10-6，在TiO2-Ni圖解上，樣品均落在長英質區域附近。Hf含量為5.6×10-6~6.49×10-6，La/Th值在3.2~4.45之間。在La/Th-Hf圖解上，樣品全分布在長英質源區。在La/Yb-REE圖解中，研究區泥質巖樣品落在花崗巖和玄武巖交合部位，一般玄武巖大多Eu無異常，花崗巖Eu負異常3]，而研究區泥質巖具有明顯的負異常，認為淮北煤田宿州礦區煤系泥質巖其母巖以花崗巖為主。宿州礦區山西組為主要含煤地層，在對煤中礦物研究發現，煤中礦物有碎屑石英、高嶺石、銳鐵礦等[18]。

　　其中高嶺石常由長石蝕變而成，銳鐵礦主要以副礦物形式在火成巖中產出，而花崗巖主要礦物包含石英、長石、黑云母等。以上表明，山西組煤中礦物來源于花崗巖。以前研究認為淮北煤田宿州礦區煤系物源主要來源于華北地臺北源陰山古陸[9]。前人在研究陰山古陸前寒武紀花崗巖時，發現其具有輕稀土富集、重稀土虧損、Eu負異常等特征[19,20]，與研究區泥質巖稀土元素特征相似。付奇睿在對孫瞳礦山西組煤中稀有元素研究中同樣認為，元素Eu及Ce弱的負異常可能與沉積源區陰山古陸長英質鉀長花崗巖有關[18]。綜上所述，研究區泥質巖物源主要來自華北地臺北緣陰山古陸前寒武紀花崗巖。

　　5結論

　　1)淮北煤田宿州礦區煤系泥質巖Li、Sc、V、Cr、Ni、Ga、Zr、Th等微量元素相對后太古宙澳大利亞頁巖富集，Ba、Ta、Rb、Sr、Nb等元素虧損。LREE/HREE值為8.87~10.01，輕重稀土分異大，δEu值為0.44~0.72，有明顯的負異常。2)研究區泥質巖具有高的Al2O3/TiO2值，相似與上地殼的Cr/Zr比值，以及Th/Sc-Zr/Sc、TiO2-Ni、La/Th-Hf等圖解中數據點的分布，均表明研究區泥質巖源巖主要為上地殼中的長英質巖石，La/Yb-REE圖解進一步表明其源巖為花崗巖。

　　3)從Th-Sc-Zr/10和La-Th-Sc構造環境判別圖可知，研究區泥質巖源巖構造背景為大陸島弧。4)研究區泥質巖中稀土元素分異較大，輕稀土元素明顯富集，反映沉積時期沉積速率較小;泥質巖Sr/Ba值表明水體為微咸水環境;Sr/Cu值表明了溫暖潮濕的氣候條件;V/(V+Ni)和Ni/Co值以及Ni/Co和Cu/Zn值反映了沉積水體為厭氧、強還原環境。

　　參考文獻：

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　　[2]侯中帥,陳世悅,桑樹勛,等.渤海灣盆地上古生界泥巖地球化學特征[J].煤炭學報,2020,45(04):1457-1472.

　　作者：吳燦燦1,2，曹靜1,2，趙景宇1

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