淮北煤田宿州矿区山西组泥质岩地球化学特征及地质意义

　　摘要：为研究淮北煤田宿州矿区山西组泥质岩地球化学特征及地质意义，通过X射线荧光光谱仪和电感耦合等离子质谱仪等分析测试手段，对研究区山西组泥质岩主微量元素进行了测试并进行分析。结果表明，研究区泥质岩中SiO2、Al2O3含量较高，均值分别为62.67%、21.36%。山西组泥质岩中Sc、V、Cr、Ni、Zr、Th等元素相对后太古宙澳大利亚页岩富集，Ba、Ta、Rb、Sr、Nb等元素亏损。泥质岩中稀土元素富集，含量为242.4×10-6~302.9×10-6，LREE/HREE值为8.87~10.01，轻重稀土分异程度大，δEu值为0.44~0.72，具有明显的负异常，δCe值为0.96~1.14，显示为无异常;稀土元素配分曲线整体模式呈右倾型，相似于后太古宙澳大利亚页岩元素曲线，反映研究区泥质岩主要来源于上地壳。研究区泥质岩Al2O3/TiO2值为22.77~29.47，Cr/Zr值为0.22~0.40，结合样品在Th/Sc-Zr/Sc、TiO2-Ni、La/Th-Hf、La/Yb-REE等图解中的投影区域，表明研究区泥质岩物质组分主要来源于上地壳中的长英质岩石，具体为阴山古陆前寒武纪花岗岩。Th-Sc-Zr/10和La-Th-Sc构造环境判别图暗示研究区泥质岩源区为大陆岛弧构造环境。研究区泥质岩Sr/Ba值为0.41~0.54，反映微咸水沉积环境;Sr/Cu值为3.96~4.89，表明了温暖潮湿的气候条件，V/(V+Ni)值为0.71~0.82，Ni/Co值为1.94~3.55，Cu/Zn值为0.34~0.71，暗示了沉积水体为厌氧环境、强还原环境，这些地球化学特征表明淮北煤田宿州矿区山西组地层形成于河控三角洲环境，气候条件为温暖湿润，水体为半咸水–咸水。

　　关键词：淮北煤田;宿州矿区;泥质岩;源岩;沉积环境

　　0引言

　　沉积物中元素的地球化学行为不仅和自身元素性质有关，还受到搬运、沉积等外部条件的影响，因此沉积物中元素地球化学特征能够反映古地理环境特征[1]。泥质岩等细粒碎屑岩化学成分接近源岩，相对于其他沉积岩，更容易受到物源、构造演化、沉积环境等因素的影响。因此，通过对泥质岩中元素地球化学特征的研究，对探讨泥质岩物质来源及演化、沉积盆地古环境特征具有一定意义[2,3]。淮北煤田宿州矿区煤炭资源丰富，二叠纪山西组是该地区主要含煤地层。前人对该地区山西组地质特征进行了大量研究。

　　地球化学论文：渤海辽西凹陷原油地球化学特征及地质意义

　　李运山等通过层序地层学对芦岭井田山西组沉积环境进行探讨[4]，宋立军等运用沉积学知识对研究区二叠纪沉积环境及聚煤规律进行了分析[5]，魏尔林等对朱仙庄井田二叠纪含煤岩系垂直层序特征进行了详细研究[6]，取得一致认识：二叠纪山西组沉积环境为河控三角洲。然而，缺少元素地球化学方面的证据。而且这些研究主要侧重于沉积环境方面，缺少对物源及源区构造背景方面的研究。淮北煤田和淮南煤田同位于徐淮地块，属徐淮二级赋煤带。淮北煤田山西组地层岩石元素地球化学特征相关研究较少，但邻区淮南煤田进行了一些研究。

　　范翔在对淮南二叠纪含煤地层泥质岩地球化学特征研究时，通过一些图解将山西组样品分别投落在石英质沉积岩源区及被动大陆边缘并靠近活动大陆边缘的区域[7];高德燚在对淮南地区煤系地层微量元素地球化学进行研究时，认为山西组物源为长英质岩石，构造背景为大陆岛弧[8]。山西组物源及构造背景在认识上存在一些争议。而淮北煤田与淮南煤田在二叠纪时期物源及构造背景较为相似。鉴于此，本文在淮北煤田宿州矿区二叠纪山西组地层相关研究基础上，以泥质岩为研究对象，对其元素地球化学特征进行分析，从而探讨区域沉积环境、物源及源区构造背景。

　　1地质背景

　　研究区位于华北板块东南缘，华北地台自奥陶纪晚期受加里东运动影响，抬升为陆地，遭受剥蚀，缺失上奥陶统、志留系、泥盆系及下石炭统地层。中石炭世晚期，地壳开始沉降，海水逐渐侵入。早二叠世早期，受到翘板式构造运动影响，导致整个华北地台出现北高南低的地势，源区上升，陆源碎屑供应逐渐加强，源区主要为阴山古陆[9]。同时区域内发生自北向南的全面海退，形成障壁-泻湖沉积体系，此时山西组下部形成，此后继而形成河控三角洲沉积、冲积平原。因气候温润，植物繁盛，形成良好的煤层[10]。研究区二叠纪山西组为区域主要含煤层段，该组地层厚度约为110m，与下伏太原组、上伏石盒子组均为整合接触关系[4]。山西组岩性以砂岩、粉砂岩、泥岩为主。

　　2样品测试与分析

　　煤系泥质岩样品采自安徽宿州市东12km朱仙庄煤矿，通过Z17钻井进行取芯，取样位置为山西组泥质岩段。样品采集完后，拿到实验预备室，先进行初步处理，将样品清洗干净，自然风干，然后切除表层，用超纯水清洗，用烘箱烘干后，用机器粉碎并使用玛瑙研钵研磨至200目，用纸袋包装，送至武汉上谱实验室进行分析。主量元素采用波长色散X射线荧光光谱仪测定，仪器型号为理学ZSXPrimusⅡ，烧失量(LOI)是一定质量样品烘干后于950℃反复灼烧直至恒重，通过计算所得;微量元素采用电感耦合等离子质谱仪(ICPMS)测定，型号为Agilent7700e，具体流程：将200目样品烘干，加入高纯硝酸高纯氢氟酸消解，之后用稀硝酸稀释上机测试。主微量元素测试精度均优于5%。

　　3地球化学特征

　　3.1主微量元素特征

　　淮北煤田宿州矿区山西组泥质岩样品主量元素测试结果见表1。样品SiO2、Al2O3含量较高，均值分别为62.67%(60.99%~64.44%)、21.36%(20.35%~22.88%)。TFe2O3含量相对也较高，均值为2.26%(1.92%~2.69%)。K2O含量在1.51%~2.42%之间变化，平均为2.04%，TiO2含量在0.72%~0.89%之间变化，其余元素氧化物含量均小于1%。

　　微量元素分析结果显示，元素Ba含量较高，平均为378.69×10-6;Zr含量平均为268.97×10-6;Sr含量平均为212.02×10-6;V含量平均为110.05×10-6。除此之外其他元素含量均小于100×10-6。在蛛网图上可以看出元素分配差异较为明显。Li、Sc、Cr、Cu、Ga、Zr、Cs、Th等元素富集，Ba、Ta、Rb、Sr、Nb等元素亏损。富集的元素可能是泥质岩中黏土矿物的吸附作用或离子交换作用及有机质的存在导致。

　　4讨论

　　4.1物源分析

　　因为泥质岩均质性较好以及渗透性较低，在物源分析中是最常用的碎屑岩类型。淮北煤田宿州矿区煤系泥质岩Th/Sc值分布范围为0.73~0.92，平均值为0.85，比中国东部地壳界限值(0.6)高[13]，接近上地壳值(0.97)[14]，在Th/Sc-Zr/Sc图解上投落于上地壳附近，反映来源于上地壳源区。淮北煤田宿州矿区山西组泥质岩中Al2O3/TiO2值为22.77~29.47(平均为27.08)，而长英质岩石的Al2O3/TiO2值通常介于19~28之间[15]。Cr/Zr比值能够反映沉积物主要来自铁镁质组分还是来自长英质组分[16]，研究区山西组泥质岩Cr/Zr值为0.22~0.40(平均为0.31)。

　　无论Al2O3/TiO2还是Cr/Zr比值均暗示研究区泥页岩物源是以长英质组分为主。泥质岩Ni含量为21.44×10-6~37.3×10-6，平均为29.07×10-6，在TiO2-Ni图解上，样品均落在长英质区域附近。Hf含量为5.6×10-6~6.49×10-6，La/Th值在3.2~4.45之间。在La/Th-Hf图解上，样品全分布在长英质源区。在La/Yb-REE图解中，研究区泥质岩样品落在花岗岩和玄武岩交合部位，一般玄武岩大多Eu无异常，花岗岩Eu负异常3]，而研究区泥质岩具有明显的负异常，认为淮北煤田宿州矿区煤系泥质岩其母岩以花岗岩为主。宿州矿区山西组为主要含煤地层，在对煤中矿物研究发现，煤中矿物有碎屑石英、高岭石、锐铁矿等[18]。

　　其中高岭石常由长石蚀变而成，锐铁矿主要以副矿物形式在火成岩中产出，而花岗岩主要矿物包含石英、长石、黑云母等。以上表明，山西组煤中矿物来源于花岗岩。以前研究认为淮北煤田宿州矿区煤系物源主要来源于华北地台北源阴山古陆[9]。前人在研究阴山古陆前寒武纪花岗岩时，发现其具有轻稀土富集、重稀土亏损、Eu负异常等特征[19,20]，与研究区泥质岩稀土元素特征相似。付奇睿在对孙瞳矿山西组煤中稀有元素研究中同样认为，元素Eu及Ce弱的负异常可能与沉积源区阴山古陆长英质钾长花岗岩有关[18]。综上所述，研究区泥质岩物源主要来自华北地台北缘阴山古陆前寒武纪花岗岩。

　　5结论

　　1)淮北煤田宿州矿区煤系泥质岩Li、Sc、V、Cr、Ni、Ga、Zr、Th等微量元素相对后太古宙澳大利亚页岩富集，Ba、Ta、Rb、Sr、Nb等元素亏损。LREE/HREE值为8.87~10.01，轻重稀土分异大，δEu值为0.44~0.72，有明显的负异常。2)研究区泥质岩具有高的Al2O3/TiO2值，相似与上地壳的Cr/Zr比值，以及Th/Sc-Zr/Sc、TiO2-Ni、La/Th-Hf等图解中数据点的分布，均表明研究区泥质岩源岩主要为上地壳中的长英质岩石，La/Yb-REE图解进一步表明其源岩为花岗岩。

　　3)从Th-Sc-Zr/10和La-Th-Sc构造环境判别图可知，研究区泥质岩源岩构造背景为大陆岛弧。4)研究区泥质岩中稀土元素分异较大，轻稀土元素明显富集，反映沉积时期沉积速率较小;泥质岩Sr/Ba值表明水体为微咸水环境;Sr/Cu值表明了温暖潮湿的气候条件;V/(V+Ni)和Ni/Co值以及Ni/Co和Cu/Zn值反映了沉积水体为厌氧、强还原环境。

　　参考文献：

　　[1]金军,高为,孙键,韩忠勤,等.黔西松河矿区煤中元素地球化学特征及成煤环境意义[J].煤炭科学技术,2017,45(12):166-173,204.JINJun,GAOWei,SUNJian,etal.GeochemistrycharacteristicsandcoalformationenvironmentalsignificancesofelementsincoalfromSongheMiningAreainwesternGuizhou[J].CoalScienceandTechnology,45(12):166-173,204.

　　[2]侯中帅,陈世悦,桑树勋,等.渤海湾盆地上古生界泥岩地球化学特征[J].煤炭学报,2020,45(04):1457-1472.

　　作者：吴灿灿1,2，曹静1,2，赵景宇1