沉积地球化学

上篇沉积地球化学与环境分析原理第一章绪论一、沉积地球化学概念与研究内容沉积地球化学是沉积学与地球化学相互渗透相互结合而产生的声门新兴边缘学科。为了有一个简单明确的概念，笔者定义：沉积地球化学是以沉积物和沉积岩为对象、研究其在沉积-成岩过程中所含元素及同位素迁移、聚集与分布规律的一门科学。实际上，沉积地球化学涉及面甚广，包括风化产物在搬运过程中元素的迁移、形成和沉积分异规律；沉积作用过程中元素的沉积方式、沉积机制和控制因素；成岩作用中元素及同位素的转移；重新分配及其化学机制；沉积岩中化学元素及其同位素的分布与分配；岩石成分在地史时期的地球化学演化，以及有机地球化学和有机地球化学在沉积成矿中的作用等许多方面，可以概括两大领域，即：其一是研究沉积岩中化学成分、化学元素及其同位素的分布与分配、分散与集中、共生组合、迁移规律和演化历史，也就是说研究“物质的化学运动和变化过程”（南京大学地质系，1984）；其二则是研究控制和影响元素及其同位素运动和变化的各种因素。沉积地球化学在古环境分析中的应用主要涉及沉积地球化学第二方面的研究内容。沉积相和沉积环境分析是沉积学领域中一门综合性很强的分支学科，它涉及多门学科的理论与应用。例如，根据生物群体与其生长环境密不可分的关系，利用古生态资料研究各地质时期的古气候、古地理而发展起来的古生态学已成为沉积环境分析不可缺少的手段。流体力学运用到沉积学中，研究床砂表面形态与水动力状况的关系，将根据水槽实验确定的水流动态予以公式化并用来解释沉积构造序列而发展起来的沉积动力学已成为沉积物沉积物理条件研究和沉积环境恢复的重要基础，现代地球物理学与沉积学相结合而产生的地震地层学，“根据地震、钻井和露头资料，结合伴生的沉积环境和岩相特征，对地层分布模式作出综合解释”的新层序地层学，无疑都是沉积环境分析的重要理论依据和技术手段。同样，地球化学与沉积学相结合产生的沉积地球化学运用到古环境分析中，则能够为沉积环境分析提供物理标志和生物标志所不能反映或不能完全反映的环境地球化学信息，并利用这些信息对沉积矿产资源作出综合评价。二、沉积地球化学在古环境分析中的应用沉积地球化学在古环境分析中的应用，主要包括：元素地球化学、稳定同位素地球化学及有机地球化学原理的应用。1.元素地球化学的应用元素地球化学包括常量元素、微量元素、稀有元素和分散元素的地球化学。对沉积岩无机地球化学的研究主要集中在元素和微量元素地球化学方面，利用岩石微量元素特征研究沉积岩形成的古地理环境和成岩作用环境，已成为沉积地球化学的一个重要方面，鉴于沉积区的大地构造背景、古气候、源区母岩性质、沉积盆地地形、沉积环境和沉积介质物化性质对元素分异作用的影响，长期以来，沉积学家一直在探讨并研究古地理环境对元素分散与聚集的控制，以期了解不同构造单元、不同地区、不同沉积类型及不同沉积环境的元素分布规律。目前，元素地球化学在划分海陆相地层、分析物源区岩石成分、恢复沉积的古气候条件，利用微量元素对不含生物化石的“哑地层’进行地层对比，特别是确定沉积水介质地球化学环境、划分地球化学相上取得了较满意的效果。目前已广泛使用某些元素、元素含量及比值如Fe、Mn、Sr、Ba、B、Ga、Rb、Co、Ni、V及Sr／Ba、Fe／Mn、V／Ni、Fe3+／Fe2+等判别海相与陆相、氧化与还原、水盆深度、盐度及离岸距离等沉积条件(成都地质学院沉积地质科学研究所，1987)。2.同位素地球化学的应用20世纪50年代以来，同位素地球化学已成为地球化学中一门独立的分支。在沉积学领域中，同位素地质学已成为追索物源、探讨沉积一成岩环境的重要方法。同位素地球化学在古坏境分析中的应用尚处于初始阶段。目前应用较多的是利用氧、硫、锶、碳的稳定同位素的分馏特点研究沉积物来源、古水温与古盐度、氧化还原条件、沉积旋回性质、确定海岸线位置和海平面升降、利用硫同位素分馏特点分析与沉积环境关系密切的开放与封闭系统等。3.有机地球化学的应用石油勘探发展的需要使以沉积岩，特别是碳酸盐岩和泥岩中有机质为主要研究对象的有机地球化学取得了巨大进展。特别是从20世纪60年代起发展至今，有机地球化学已成为地球化学中又一门重要的分支学科。有机地球化学研究主要着眼于生油岩的生烃能力分析，以进行油气资源的远景评价。在这一研究过程中，基于沉积岩有机质的丰度与演化不仅与埋藏史、地热演化史有关，而且受沉各环境制约的认识，一些地球化学家和沉积学家根据气候、环境、水介质条件与原始生油母质的关系，探讨了不同沉积环境的有机质特征并提供了与原始沉积环境有关的某些有机地化指标，特别是气相色谱-质谱联用仪的发明，使人们识别、鉴定出许多新的生物标记化合物，这些有机化合物不仅可以作为油源对比的“化石’，而且由于某些化合物的埋藏演化中的相对稳定性，还可以根据它们与现代生物有机组成的关于推断有机质原始堆积条件。近些年来，有机地球化学工作者提出并运用“有机相”的概念研究有机质类型、有机质来源与沉积环境的关系，有关某些有机地球化学参数的环境意义的论证基础及使用价值也正在进一步探讨中。4.现代沉积地球化学环境的研究与沉积相和沉积环境研究一样，沉积学家和地球化学家在运用地球化学资料进行古地理分析时，也同样使用了“将今论古”这一沉积学研究的基本方法和基本准则。近几十年来，沉积学家对现代沉积环境，包括三角洲相、浅海相、深海相以及湖相细粒沉积物的沉积学、矿物学和地球化学进行了研究，其中包括对世界最大的滞留盆地—黑海底部沉积物以及红海、波斯湾的沉积特征、湖水介质、有机地球化学、无机地球化学及同位素地球化学的研究。黑海地质为底部缺氧还原型湖泊的研究提供了大量可比性现代沉积资料。现代大洋和深海沉积的研究，长期以来一直受到沉积学家的关注。根据对现代沉积所建立的有关黑页岩的成因模式、无机相和有机相分析极大地促进了对古代黑页岩形成条件的研究和其经济意义的评价。我国沉积学工作者对现代咸水湖泊—青海湖以及云南现代断陷湖泊等湖泊地质、湖水物理化学性质、水动力学、水生生物、地球化学和有机质的研究不仅为沉积地球化学在沉积环境分析中的应用提供了实例，而且为我国中新生代陆相湖盆地沉积学和沉积地球化学的研究提供了类比依据。三、研究方法应用地球化学资料解释沉积环境仍需要将野外地质工作与室内实验分析结合起来，只有在对研究剖面详细观察的基础上，才能合理地采集样品，科学地选择分析项目，并把获取的分析数据经过整理分析来解释沉积环境。一般研究步骤是：①野外观察与描述；②样品的采集；⑧地球化学分析；④数据处理与地质解释；⑤综合上升与评价预测。1.野外观察与描述与多数地质学科所常用的地质法一样，野外观察与描述也是地球化学研究沉积环境的基础，是对实验室分析所得各项数据作出符合客观实际解释的根本。它包括确切了解研究区域研究层段的区域沉积和构造背景、在盆地中的位置，源区的大致补给方向和母岩岩性特征、研究剖面的岩相类型、相与相的共性组合关系以及生物化石组合、矿物标志及附加成分，如钙质碎屑、硅质碎屑等，以便运用地球化学分析资料的时候进行综合分析，得出符合客观实际的正确结论。2.样品的采集与选择样品的采集是地球化学研究的重要一环。地球化学研究常需要对岩石中一些微量组分进行测定，样品采集的代表性、样品处理的方法都直接影响实验室各项分析成果的准确性，也关系到合乎客观实际的地球化学规律的获得。加上某些测试项目花费时间长，价钱昂贵，不能作大量分析。因此，合理地采集样品、有的放矢恰当选择分析项目，控制样品分析的数量是十分重要的。这就要求样品的采集要掌握数量和质量的统一，选择样品必须有代表性以保证其能真正反映剖面中各类岩性的沉积地球化学特征，同时又要通过适量样品的分析达到既能满足研究项目的要求，确保地球化学资料的统计学可靠性，又能节约资金的效果。这就需要：①在对研究剖面进行观察与描述基础上划分沉积作用单元，确定采样的基本单位；②明确研究对象和地球化学分析的目的；⑧在常规分析方法的基础上进一步精选样品作特殊分析。3.实验室分析方法为了确定沉积岩中的化合物、元素及其同位素和有机质的组成、必须尽量采用迅速又经济的分析测试方法以获取大量而精确的数据。为了判别环境大体需要分析下列各项。1）矿物组成（1）薄片鉴定：矿物成分、胶结物成分等的鉴定。（2）X衍射分析：粘土矿物、全岩矿物组成的鉴定与相对含量计算。（3）扫描电子显微镜。（4）能谱仪。2）元素地球化学成分（1）全岩化学分析。（2）原子吸收光谱。3）稳定同位素分析常用方法：质谱仪测定4）有机地球化学分析；（1）光学显微镜与萤光显微镜鉴定：鉴定生油岩石薄片及岩石光面中的有机质、干酪根组成与干酪根类型。（2）有机碳分析仪：（3）气相色谱—质谱仪：生物标记化合物的分离与鉴定。4.分析数据的处理室内分析所获得的大量测试数据，蕴含着研究对象之间在各个地质事件中的复杂联系，因而数据处理十分重要，需要各种处理方法和表示方法才能使它们之间的联系更为清晰地显示出来。一般可分为二种方法，一为图示法，包括直方图、三角图、相关图解法等；其二是目前普遍采用的数理统计学方法，后者能比较科学地揭示样品之间的规律性以及参数之间的相关性；对于大量测试数据，则应借助电子计算机．在对数理统计结果进行解释时要以地质法研究为基础，要排除由于取样或室内样品处理分析中偶然因素的影响，通过现象看本质，作出合理的地质解释。5.综合上升与评价预测科学的价值不仅在于认识事物、解释现象，更重要的是根据观察、实验得到的数据结果进行解释、分析、归纳，进一步上升成为规律，然后在人类的经济、社会活动中用这些规律对事物或所要达到的目标进行评价判别、选择预测，为创造精神和物质财富作出贡献。这一项通过下篇实例，会有较清楚的认识，此处从略。第二章元素地球化学沉积岩元素地球化学主要是研究沉积岩中元素的分布与分配规律，包括元素的丰度与赋存状态、元素的迁移形式与搬运机制，元素的分散与聚集以及控制元素上述地球化学行为的各种因素。一、沉积岩中元素的分布沉积岩是源区母岩在各种地质营力作用下经风化、搬运和沉积重新堆积在沉积盆地中并经成岩作用形成的，因而沉积岩的形成过程同时也是地壳中元素再分配和重新分布的过程，其元素组成明显有别于源岩的元素成分。1.元素的平均含量地壳中各元素的平均含量称之为克拉克值。组成地壳的各类岩石的元素克拉克值在有关地球化学论著中均可查到。从一些有代表性的研究者分析的数据来看，不同岩石类型元素的平均含量相差是很大的。由于沉积作用的复杂性和成因机理的多样性，沉积岩的元素组成与火成岩相比变化更大。这里仅将有代表性的作者所分析的沉积岩中主要岩石类型的元素平均含量列于表1-1。在对一个具体地区和某一层位的元素地球化学特征进行研究时，通常要将研究区岩石的元素组成与相应的岩石类型的元素的平均含量加以比较，通过比较可以确定研究区富集的元素(高于元素平均含量)和分散的元素(低于元素平均含量)，这些元素往往与研究区特定的地质背景，包括区域构造背景，源区母岩成分、古地理和古气候有关，因而研究元素的富集与分散将有助于对岩石形成条件的分析。2.元素的分布迄今为止对沉积岩中元素分布规律的研究仍不够系统，这里仅根据国内外文献对沉积岩中元素的分布特征进行一般介绍。沉积岩主要由硅酸盐矿物、铝硅酸盐矿物、碳酸盐矿物组成。组成沉积岩的元素不是以游离态存在的，通常都组成化合物—矿物或者依附于某些矿物组份，因而主元素的含量往往与组成岩石的主要矿物的成分相应。以上述硅酸盐、铝硅酸盐、碳酸盐矿物为主要存有形式的Si、A1、Fe、Ca、Na、K、Mg是沉积岩中丰度最高的元素(表1-1)，这些元素又称为造岩元素。元素Si在石英砂岩中含量最高，长石砂岩除硅外，常含较多的A1、K、Na。元素Ca、Mg主要赋存于无机或有机成因的碳酸盐岩，中。元素A1则在泥岩中最为富集。泥岩中元素K主要赋存于粘土矿物、碎屑长石、自生长石、白云母，海绿石中，也可由于粘土矿物的吸附作用而富集．Na除为蒸发岩的主要元素外，常赋存于碎屑矿物长石中，如钠长石；图1-1以氧化物形式表示了元素Si、A1、Ca，Na、K在砂岩、碳酸盐、泥岩中的含量差