微量元素在沉積巖研究中的應(yīng)用

1、微量元素在沉積巖研究中的應(yīng)用ApplicationOfTraceElementsInTheResearchOfSedimentaryRocks沉積地球化學(xué)課程讀書(shū)報(bào)告學(xué)生姓名：劉宇學(xué)院：沉積地質(zhì)研究院學(xué)號(hào)：2013030246專(zhuān)業(yè)：地質(zhì)工程2016年5月18日目錄一、沉積學(xué)中常用的微量元素及常用目的1.二、沉積環(huán)境分析2.1 .元素含量及比值法2.2 .微量元素散點(diǎn)圖3.三、古氣候分析3.1 .元素含量變化與古氣候變化關(guān)系32 .元素比值法4.四、構(gòu)造環(huán)境分析5.1 .根據(jù)微量元素的豐度及比值52 .根據(jù)微量元素散點(diǎn)圖5.五、成巖作用分析5.1 .成巖水性質(zhì)分析5.2 .成巖體系開(kāi)放程度分析6

2、.六、硅質(zhì)巖的物質(zhì)來(lái)源及成因分析6.1. 微量元素AI2O3關(guān)系分析.6.2. Al/(Al+Fe+Mn)6.七、微量元素識(shí)別物源6.八、微量元素研究古水深7.九、分析氧化還原環(huán)境7.1.元素比值法7.2,元素含量法7.十、計(jì)算古水溫7.十一、研究白云巖的成因8.1 .泥微晶白玄巖8.2 .晶粒白玄巖8.3 .溶蝕白云巖8.談及微量元素，首先需要說(shuō)明微量元素的含義：在常見(jiàn)的地球化學(xué)文獻(xiàn)中，人們常將O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K、Ti等9種元素（它們的地殼豐度共占99%左右）以外的其它元素統(tǒng)稱(chēng)為微量元素或痕量元素、雜質(zhì)元素、副元素、稀有元素、次要元素等（Trace,Minor,Mic

3、ro,Rare,Olioelements它們?cè)趲r石中的含量一般在1%以下，含量單位常以10-6表示。簡(jiǎn)言之，一般把化學(xué)元素按其豐度大小而分為主量元素（含量大于1%）、微量元素（0.01%1%）和痕量元素（小于0.01%）。通常包括Li、Be、B、K、F、Sc、Ni、Co、Cu、惰性氣體元素、以及所有原子序數(shù)比Cu大的元素?？紤]到目前多數(shù)地球化學(xué)論文的習(xí)慣用法，一般將痕量元素和微量元素統(tǒng)稱(chēng)為微量元素。在地球化學(xué)中對(duì)微量元素概念的嚴(yán)格定義應(yīng)是：只要元素在所研究的客體（地質(zhì)體、巖石、礦物等）中的含量低到可以近似地用稀溶液定律描述其行為，該元素可稱(chēng)為微量元素。由此可見(jiàn)：微量元素的概念是相對(duì)的。如：K元

4、素，在花崗巖中為常量元素，而在超基性巖中為微量元素；Ni元素在地殼巖石中為微量元素，而在隕石中為常量元素。因此，Cast（1968ab）認(rèn)為：微量元素是指不作為體系中任何相的主要組分（化學(xué)計(jì)算）存在的元素。一、沉積學(xué)中常用的微量元素及常用目的在沉積學(xué)中，主要利用微量元素分析沉積巖形成演化過(guò)程中的沉積環(huán)境、成巖環(huán)境相關(guān)條件時(shí)，常用的微量元素包括：Li、Be、B、Ti、V、Cr、Ni、Cu、Zn、Rb、Sr、Zr、Mo、Ba和稀土元素（57-71號(hào)元素，簡(jiǎn)稱(chēng)為REE元素）。沉積巖的微量元素組分含量和某些元素的比值已經(jīng)在判別沉積環(huán)境等方面得到廣泛的應(yīng)用。借助于巖相來(lái)判斷古沉積環(huán)境和古氣候勢(shì)必有很大的

5、局限性，但它仍不失為古氣候環(huán)境記錄的忠實(shí)載體，而其中微量元素分配及比值的變化、組合和古鹽度的分布，都在一定程度上指示著古氣候環(huán)境的演化歷程。這是因?yàn)?，巖層中元素的分配一方面取決于元素本身的物理化學(xué)性質(zhì)，另一方面又受到古氣候、古環(huán)境的極大影響。在沉積巖研究中，微量元素除了有上述的應(yīng)用外，還有其它方面的應(yīng)用，下面對(duì)其常用的用途逐一簡(jiǎn)述。二、沉積環(huán)境分析微量元素在沉積環(huán)境分析中的應(yīng)用主要用于區(qū)分淡水和海水沉積物，即利用沉積巖中相關(guān)微量元素的含量及相關(guān)微量元素的比值大小，區(qū)分海相與陸相、深海與淺海等沉積環(huán)境。目前，主要是根據(jù)元素的含量及比值或微量元素散點(diǎn)圖來(lái)進(jìn)行判別。1 .元素含量及比值法常用的有B元

6、素含量法；B、Ga比值法及元素含量法；Th/U和Rb/K比值法。(1) B元素含量法原理：海水及河水中碎屑物質(zhì)及自生粘土物質(zhì)是吸附硼的主要物質(zhì)。吸附作用的強(qiáng)弱與溶液硼的濃度、鹽度、溫度、時(shí)間、粘土物質(zhì)的表面積有關(guān)。因硼與伊利石有較強(qiáng)的親和力，而海洋中的泥質(zhì)物質(zhì)又是以伊利石、蒙脫石、綠泥石為主。所以，海相沉積的巖石中硼的含量要大于陸相的。河水中硼的含量較低，只有海水的1/4000海相一般大于100X10-6,陸相一般低于70X10-6。(2) B、Ga比值法及元素含量法與硼相反，錢(qián)的含量一般富集在淡水泥質(zhì)物中，因此它們含量的比值可以指示古鹽度。陸相環(huán)境B/Ga值一般小于3.03.3,而正常海相大

7、于4.55.0,介于它們之間的為海陸過(guò)渡相。王益友等人利用現(xiàn)代已知沉積環(huán)境樣品作判別分析處理，得到海相判別值R1=11.5172,陸相為R2=10.5019,兩組判別分界值R0=1.1861。判別函數(shù)式為：R=4407.55B16700Ga、將待判別樣品的兩個(gè)變量的相應(yīng)值代入判別函數(shù)求出R,如果樣品的差別值R位于Ro的Ri一邊，則指定樣品為海相；如果位于R2一邊，則指定樣品為陸相。(3) Th/U和Rb/K比值法原理：在風(fēng)化過(guò)程中，鈾和社在表生氧化條件下產(chǎn)生分離，鈾易氧化和淋失，社則易吸附到粘土礦物中，逐漸富集在土壤和風(fēng)化巖石的殘留物中。所以在陸相沉積環(huán)境中的泥巖或頁(yè)巖中Th/U比值可高達(dá)7以

8、上，而在海水中沉積的泥巖、頁(yè)巖或灰?guī)r中Th/U小于2。因此，可以利用Th/U比值判別水介質(zhì)的性質(zhì)。另外：據(jù)F.A肯姆貝爾和G.D威廉姆斯的研究表明，Rb/K比值隨鹽度而變化，一般正常的海相頁(yè)巖中Rb/K比值大于0.006,而微咸水的頁(yè)巖中Rb/K比值大于0.004,淡水沉積物中均為0.004以下。鋤（Rb）/鉀（K）比值以海水大于淡水相為特征，在鄂爾多斯石千峰組泥巖中Rb/K比值介于0.0020.0037之間，Rb/K比值小于0.004,因而也說(shuō)明在石千峰期沉積演化期環(huán)境介質(zhì)條件為淡水。2 .微量元素散點(diǎn)圖主要是根據(jù)不同微量元素含量及相互關(guān)系，在已建立的判別圖上進(jìn)行判別。如1958年狄更斯建立

9、了Ga-B-Rb微量元素散點(diǎn)圖（圖2-1）,可以根據(jù)樣品中Ga、B、Rb含量在散點(diǎn)圖上投影，從而確定研究對(duì)象的形成環(huán)境。1963年P(guān)otter根據(jù)現(xiàn)代及古代沉積巖中的B、V元素建立了B-V散點(diǎn)圖（圖2-2）。可以根據(jù)樣品中B、V含量在散點(diǎn)圖上投影，從而確定研究對(duì)象的形成環(huán)境。圖2-1海相和非海相沉積巖中Ga-B-Rb相對(duì)豐度（據(jù)狄更斯等，1958）ppmj圖2-2據(jù)現(xiàn)代及古代沉積巖中B、V含量所確定的海相、淡水相區(qū)圖（據(jù)Potter,1963）、古氣候分析微量元素的分配及比值的變化、組合和古鹽度的分布，都在一定程度上指示著古氣候環(huán)境的演化歷程。這是因?yàn)?，巖層中元素的分配一方面取決于元素本身的物

10、理化學(xué)性質(zhì)，另一方面又受到古氣候、古環(huán)境的極大影響。古氣候?qū)υ刎S度變化的影響更為顯著。當(dāng)氣候變動(dòng)引起湖（海）水位的升降時(shí)，自然導(dǎo)致了沉積環(huán)境的改變，即控制元素分配的主因是古氣候。1 .元素含量變化與古氣候變化關(guān)系在干旱、半干旱或干寒氣候環(huán)境中，生物地球化學(xué)作用減弱，降水稀少，徑流量和所攜帶的物質(zhì)成分減少，沉積作用減弱，因此一般元素的沉積物相對(duì)減少，而反映鹽度的易溶元素則逐漸聚集，進(jìn)入鹽湖成巖期。由此可推出，潮濕氣候條件下，沉積巖中Fe、Al、V、Ni、Ba、Zn、Co等元素含量較高，說(shuō)明湖水淡化，為高湖面期，反映了潮濕氣候環(huán)境；而在干燥氣候條件下由于水分的蒸發(fā)，水介質(zhì)的堿性增強(qiáng)，Na、Ca、

11、Mg、Cu、Sr、Mn被大量析出形成各種鹽類(lèi)沉積在水底，所以它們的含量相對(duì)增高，為低湖面期，反映的氣候則為暖干。Mn、Ca、Mg、Sr具有相似的變化趨勢(shì)，而Zn、Co、Ni、Ba、Fe亦具有相似的變化趨勢(shì)。Mn在湖水中常以Mn2+穩(wěn)定存在，只有當(dāng)湖水強(qiáng)烈蒸發(fā)而使Mn2+濃度飽和時(shí)，它才會(huì)大量沉淀，從而在巖石中顯示高值。高值應(yīng)是炎熱干旱氣候的標(biāo)志，而平穩(wěn)變化的低值區(qū)則表明較為持續(xù)的溫濕或半干旱氣候。前人認(rèn)為，Sr的高含量是干旱炎熱氣候條件下湖水濃縮沉淀的結(jié)果。因而可以認(rèn)為，Sr的高值應(yīng)是古湖泊炎熱干旱氣候的證據(jù)，其低值則指示較潮濕氣候。Chivas等對(duì)澳大利亞鹽湖的研究表明：鹽湖中Sr的含量隨鹽

12、度的增加而增加，故古鹽度與古氣候的干旱程度變化趨勢(shì)是一致的。2 .元素比值法Sr/Ba、Sr/Ca、Mg/Ca等比值常被作為探討湖泊古氣候變化的指標(biāo)。也可采用Fe/Mn、Sr/Cu、Mg/Sr作為判別古氣候變化的指標(biāo)。(1) Fe/Mn比值Mn在干旱環(huán)境下含量比較高，在相對(duì)潮濕的環(huán)境下含量較低，F(xiàn)e在潮濕環(huán)境中易以Fe(OH)3膠體快速沉淀，因而沉積物中Fe/Mn比的高值對(duì)應(yīng)溫濕氣候，低值是干熱氣候的響應(yīng)。(2) Mg/Ca比值法Mg/Ca比值對(duì)古氣候的變化也非常敏感。Mg/Ca比的高值指示潮濕氣候，低值反映干旱氣候。(3) Sr/Ba和Sr/Ca比值法Sr/Ba、Sr/Ca等比值對(duì)古鹽度的變

13、化也非常敏感，碳酸鹽巖中的Sr/Ba、Sr/Ca之所以能反映氣候變化，原因是入湖河流中的Ba2+、Ca2+的碳酸鹽(或硫酸鹽)溶解度相對(duì)較小，在早期階段即沉淀析出，而Sr的碳酸鹽溶解度相對(duì)較大，往往在Ba2+、Ca2+沉淀之后湖水繼續(xù)濃縮才會(huì)析出。故其比值上升即意味著湖泊鹽度增加，氣候干旱，下降則表示氣候濕潤(rùn)四、構(gòu)造環(huán)境分析1 .根據(jù)微量元素的豐度及比值M.R.Bahatia等通過(guò)對(duì)不同構(gòu)造環(huán)境所形成的砂巖的微量元素的豐度統(tǒng)計(jì)和相關(guān)微量元素比值的定量計(jì)算，可以看出：不同構(gòu)造背景條件下砂巖的微量元素含量及相關(guān)元素比值明顯不同，并具有一定的變化規(guī)律。主要表現(xiàn)為：從最活躍的大洋島弧到最穩(wěn)定的被動(dòng)大陸

14、邊緣微量元素的含量具有總體增高或總體降低的變化趨勢(shì)；相關(guān)微量元素的比值同樣具有總體增高或總體降低的變化趨勢(shì)。2 .根據(jù)微量元素散點(diǎn)圖根據(jù)相關(guān)微量元素含量三角分布圖進(jìn)行構(gòu)造背景判別。如劉艷青等（2006）在其學(xué)術(shù)論文遼西中生代沉積巖稀土、微量元素地球化學(xué)特征及其構(gòu)造背景中，通過(guò)對(duì)遼西中生代沉積巖微量元素地球化學(xué)特征分析，利用微量元素散點(diǎn)圖對(duì)其形成的構(gòu)造背景進(jìn)行了判別。止匕外，還可以根據(jù)相關(guān)微量元素比值關(guān)系，利用散點(diǎn)圖進(jìn)行構(gòu)造背景的判別。五、成巖作用分析其原理為：在成巖作用過(guò)程中與各種方解石轉(zhuǎn)化的同時(shí)，微量元素在孔隙水和方解石之間也不斷進(jìn)行再分配，微量元素再分配服從分配定律一一在一定溫度、壓力下，

15、微量元素在固相（方解石）和液相（水）中的濃度比同鈣在固相（方解石）和液相（水）中的濃度比的比為一常數(shù)。D=（Me固/Me液）/（Ca固心a液）；Me固/Me液分別代表微量元素在固相和液相中的濃度；Ca固/Ca液分別代表Ca元素在固相和液相中的濃度。3 為分配系數(shù)，大于1時(shí)，代表液相中的微量元素向固相中富集；小于1時(shí)，代表固相中的微量元素向液相中流失。實(shí)際測(cè)定分配系數(shù)是非常復(fù)雜的，目前在實(shí)際工作中不用該參數(shù)，只供建立理論模式。1 .成巖水性質(zhì)分析不同天然水體中微量元素的種類(lèi)及含量是不同的，因此相關(guān)微量元素的比值不同。所以，可以根據(jù)沉積巖中相關(guān)微量元素含量分析、相關(guān)微量元素比值的定量計(jì)算，判別沉積

16、巖形成過(guò)程中成巖水的類(lèi)型。2 .成巖體系開(kāi)放程度分析分析灰?guī)r中方解石的Sr、Mn、Ca含量，計(jì)算Sr/Ca比值。Sr/Ca比值高，Mn含量低，成巖體系趨于封閉，大氣降水參與程度低。Sr/Ca比值低，Mn含量高，成巖體系趨于開(kāi)放，大氣降水參與程度高。六、硅質(zhì)巖的物質(zhì)來(lái)源及成因分析硅質(zhì)巖的硅來(lái)源于：陸源、火山、熱液和生物，不同的硅質(zhì)來(lái)源其微量元素分布特征不同。1 .微量元素A12O3關(guān)系分析(1)根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)源于陸源區(qū)的硅質(zhì)巖，其微量元素與鋁呈線(xiàn)性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)大于0.8。(2)非陸源(生物、火山、熱液)的硅質(zhì)巖，其微量元素與鋁呈離散關(guān)系。(3)混合成因硅質(zhì)巖，其微量元素與鋁部分呈線(xiàn)性關(guān)系，部

17、分呈離散關(guān)系。2 .A1/(A1+Fe+Mn)研究表明，不同成因的硅質(zhì)巖Al/(Al+Fe+Mn)比值不同：(1)生物成因的硅質(zhì)巖：Al/(Al+Fe+Mn)=0.6;表7-1不同巖石的Zr值、Hf值及Zr/Hf值特征表(2)熱液成因的硅質(zhì)巖：巖石類(lèi)型樣品號(hào)'BAl/(Al+Fe+Mn)<0.5。究橄欖巖D5T-130.013Mo假使有PCC-17G,M117G彳戒jmjl系.入力必1玄武巖JR-13M3.6。H.0Zr/Hf值與物源Zr和Hf是玄武巖BCR-1ISO4.704。e輝綠巖MB2M39.0一對(duì)親密伴生的元素，兩者的安山巖ACV-1然忖h加.0關(guān)系比其他任何一個(gè)元素對(duì)

18、都花鹵閃長(zhǎng)巖G5P-1IE.9031.0花鹵閃長(zhǎng)巖JO1IM3.2<1B0密切。因此，利用Zr/Hf值可以-44-花岡石G-1210BSft40.0有效判斷巖石的成因和物源。花岡石G-2旭7J3E4L電從表可以看出(表7-1),從超在七Lid花岡石GMMb4.7031.0花岡石NlM-|：30012.002E.0基性巖一基性巖一中性巖一酸正長(zhǎng)巖cihfrs304EftRkO性巖，巖石的Zr/Hf值逐漸減古新鼐口口1的5£0燒A小。八、微量元素研究古水深周瑤琪（1995）提出了一種用沉積巖中鉆元素（Co）含量來(lái)定量推算古水深的方法，通過(guò)計(jì)算沉積時(shí)沉積物的沉積速率來(lái)計(jì)算古水深。Vs

19、=VoXNc。/（Sco-tXTco）h=3.05X105/（VsX1.5）式中：Vs代表某樣品沉積時(shí)的沉積速率；Vo代表當(dāng)時(shí)正常湖泊沉積速率（0.15mm-0.3mm/a）;Nco代表正常湖泊沉積物中鉆的豐度（20ppm）;Sco代表樣品中鉆的豐度（22.76ppm）;1=樣品中錮的含量/陸源碎屑巖中錮平均豐度（49.21/38.99）;Tco代表陸源碎屑巖中鉆的豐度（4.68ppm）。九、分析氧化還原環(huán)境1 .元素比值法一般常用F&O3/FeO值作為沉積環(huán)境氧逸度的地球化學(xué)標(biāo)志，但該信在經(jīng)受一定的地質(zhì)作用后變化較大，很難客觀地反映原始沉積環(huán)境的氧化還原情況，尤其是在古地層研究中。利

20、用Cu/Zn值可以很好的反映環(huán)境的氧化還原程度。前人曾對(duì)此進(jìn)行了研究,計(jì)算出各“氧化還原過(guò)渡相”的Cu/Zn值：（1） Cu/Zn值0.21,對(duì)應(yīng)還原環(huán)境；（2） Cu/Zn值在0.210.35之間，對(duì)應(yīng)弱還原環(huán)境；（3） Cu/Zn值在0.350.50之間，對(duì)應(yīng)還原一氧化環(huán)境。2 .元素含量法Ga在表生條件下的親氧性使它與Ni和Zn產(chǎn)生明顯分異。因此，（Zn+Ni）/Ga可以作為反映氧化還原條件的指標(biāo)。太平林場(chǎng)組的（Zn+Ni）/Ga比值變化范圍為4.237.45,反映了還原環(huán)境特點(diǎn)。十、計(jì)算古水溫地質(zhì)學(xué)家通過(guò)多年的實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出了一套利用Sr含量（Y,其單位為10-6）和溫度（t,其單

21、位為C）的關(guān)系來(lái)計(jì)算古水溫的經(jīng)驗(yàn)公式，即：Y=2578-80.8t并對(duì)計(jì)算結(jié)果與用其他測(cè)水溫方法以及沉積物和相標(biāo)志確定結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了這一經(jīng)驗(yàn)公式的可信性。十一、研究白云巖的成因微量元素在碳酸鹽巖沉積環(huán)境及成巖作用分析中具有獨(dú)特的作用。其中：(1)Sr、Na的含量往往反映成巖流體的鹽度，Sr、Na含量越高，其溶液鹽度越高；(2)Mn、Fe的含量往往反映成巖強(qiáng)度和埋藏深度，埋藏越深，成巖強(qiáng)度越高，Mn、Fe含量越高；反之，Mn、Fe含量越低。Sr是海水及其派生流體最重要的示蹤元素,而Mn、Fe則是大氣水成巖環(huán)境中強(qiáng)烈富集的元素。高Sr,低Fe、Mn特征反映了成巖環(huán)境的相對(duì)封閉性；而低Sr,高M(jìn)n、Fe特征則反映了成巖環(huán)境的相對(duì)開(kāi)放性。因此，碳酸鹽巖微量元素的研究