层序界面与层序内体系域的识别

层序界面与层序内体系域的识别

众所周知，分层地壳科学是对一系列侵蚀或不是沉积层的特征进行研究的，可以比较具有旋转性和成熟性的整合面，并将其分类为时代地层框架中的沉积层关系。层序地层学的基本单元是层序，每层序内部可分为几个系统区域。因此,对于层序地层学研究来说,最基本的、也是最关键的问题是层序的识别。而层序的识别包括两个方面的内容,一是层序界面的识别,二是层序内体系域的构成识别。而对于层序界面和层序内体系域的识别,除宏观的沉积记录分析外,,还可通过微观的室内的沉积地球化学分析资料来识别。本文就利用沉积地球化学资料进行层序分析(包括层序界面识别、体系域分析)进行归纳总结。1层序界面中沉积地球化学的识别标志1.1从风化层识别的角度进行识别层序界面的识别是层序地层学研究中特别重要的内容,对其识别是划分层序的基础和关键。对于层序界面来说,无论是I型界面还是Ⅱ型界面,均为全球海平面相对下降过程中形成的。因此,层序界面实际为沉积物的陆上暴露面,在暴露过程中必然遭受风化剥蚀,并于暴露处形成一套与风化作用有关的沉积层。因此,对于地层层序中层序界面的识别,实际上是对风化层的识别。而对于风化层的识别不仅可以通过地层间接触关系、岩性差异等分析而获得,而且也可以通过岩石地球化学标志的分析来获得。这是因为,在层序界面的形成过程中,伴随着物理风化作用、化学风化作用及生物风化作用的进行,势必引起原始沉积层的矿物成分、化学成分发生变化。所以,通过有关元素的地球化学性质分析,同样也可以识别出风化剥蚀面的存在,从而识别出层序界面。1.1.1fefe3+化学动力学的研究表明,当温度增高10℃时,矿物水解作用的速率加快2~2.5倍。在干热的气候条件下氧化作用强烈,Fe2+在原岩还未完全分解之前就被氧化为Fe3+。Fe在各类沉积岩中均有分布,粘土中含6.5%,砂岩中0.98%,页岩中4.72%,碳酸盐岩中0.38%,深海碳酸盐岩中0.96%(涂里干和魏德波尔,1961),。由以上可以看出,Fe在各种岩类中都有一定的丰度,虽然丰度值不一,在暴露过程必然发生氧化作用使低价铁(Fe2+)被氧化成高价的铁(Fe3+)。因此,在层序界面上的铁元素以高价铁的氧化物形式出现为特征。1.1.2改性砂岩和砂岩在沉积岩中,Al含量比较高的都是富含粘土矿物的泥岩和页岩,如页岩中的Al含量可达11%,而砂岩和石灰岩中其含量仅为2.5%和0.4%。在表生带的风化作用中,含Al的岩石或矿物分解和氧化形成含Al的红土或红土型的铝土矿,如贵州的铝土矿即产于寒武纪白云质灰岩侵蚀面之上,华北铝土矿则产于中奥陶世的侵蚀面之上。所以,层序界面上的Al含量高,主要为Al的氧化物。1.1.3土壤的k与na含Na和K元素的矿物在风化过程中易被析出,由于Na和K吸附性不同,于是造成风化壳中的含量不同。K的离子半径较大,极化率高,因此易于被粘土所吸收。在土壤中,K的富集能力大于Na。据维诺格拉多夫的资料,,风化土壤中K的含量为1.4%,K/Na近于2.2。所以,在层序界面形成过程中,层序界面之上所残余下来的沉积物中,K的含量必然大于Na的含量。1.1.4th/u比的测定由于U易氧化为较易溶解的铀酰离子,因此,在表生风化作用中非常活泼而易被搬运走;而Th在氧化条件下不太活泼,基本保存在原始矿物中,并在表生氧化带逐渐富集在风化岩石的残余物中。因此,在表生氧化带中Th/U比值很大,。所以,据Th和U元素的含量及其相对比值大小的分析,可为确定层序界面的存在提供佐证。总之,通过有关元素的分析可为层序界面的确定提供证据1.2界面标识特征通过对中国南方海相二叠系的研究,将二叠系划分为11个层序,其中I型层序界面的标识特征不仅表现在生物演化、岩相记录上,同时在地球化学上也有明显的表示(表1)。又如下扬子地区二叠系第6层序的底界面,界面上下的沉积地球化学特征明显不同(表2)。2该系统区域沉积物地球化学识别标志2.1体系域的识别一般来说,每一层序都是由三个体系域所组成,即I型层序中的低水位体系域(LST),海侵体系域(TST)和高水位体系域(HST);Ⅱ型层序的陆棚边缘体系域(SMST)、海侵体系域(TST)和高水位体系域。不同体系域为海平面升降过程中不同阶段的产物,而不同体系域内的物质组成不同。因而,在野外宏观上我们可以通过岩石类型及其组合来识别不同的体系域,在室内微观上可通过系统的地球化学资料(即:岩石中常量元素、微量元素、REE元素、稳定同位素)来进行体系域的识别。为什么这些地球化学资料可以进行体系域的识别呢?这主要是由于海平面变化是控制层序发育的一个主要因素,一个完整的海平面升降旋回中的不同阶段,海水的化学组成也随之而发生相应的变化。因而在不同的海平面升降阶段从海水中沉积出来的沉积层中的常量元素、微量元素、稀土元素及稳定同位素组成明显不同,所以,反过来可以根据这些地球化学资料进行层序内的体系域识别。2.2自然地理原因稀土元素是指包括镧系元素和钇在内的16个元素。由于它们的晶体结构和化学性质相近,所以在自然界紧密共生并共同迁移。由于层序地层学所研究的层序是在海平面升降过程中形成的,因此,应用稀土元素地球化学方法进行层序地层学研究,首先要认识海水中的REE分布规律及其与海平面升降的关系,进而为层序地层学研究提供基础资料。2.2.1深水中ree浓度的分布海水中的REE含量极低,其浓度为每升海水中仅有几个纳,但是在海水深度剖面上的分布有一定变化规律。Balashov和Khitrov(1961)、Goldlerg等(1963)研究发现,深水中的REE浓度大大高于浅水的REE浓度;Piepyras等(1979)通过研究也得出了相同的结论。近年来,Elderfield和Grevaes(1975),H.D.Baur,N.Bicor等(1985),通过对大西洋、太平洋不同深度每一种REE的垂向分布研究,也表明不同的REE随深度的增加其浓度增大;经过页岩标准化的REE模式也表现出相同的特点(图1)。海洋沉积物中的REE是直接从海水中吸收来的,且在吸收过程中没有发生分馏,在成岩过程中未发生变化,因此,古海洋沉积物(岩)中的REE反映了当时海水中REE的特点。2.2.2海底升降与海水中ree含量的关系实验证明(黄舜华等,1981),海水中的REE元素可与碳酸根离子形成稳定性的可溶络合物,而决定海水中的REE元素络合物所需的CO32-离子主要与压力(即水深)有关。当压力增大,海水中的CO32-溶解量增大;所以海水深处的CO32-浓度大于浅处的CO32-浓度,这就决定了深海水中的REE浓度高于浅水中的REE浓度。这无疑说明,对于同一沉积环境来说,海平面上升时,CCD面上升,从而使海水中的CO32-浓度增大,结果导致此环境的REE浓度相对升高;反之,其REE浓度相对下降。故海平面升降与海水中的REE含量呈正相关关系。综上所述,海平面升降与海洋沉积物中REE呈正相关关系。即LST(或SMST)期REE含量最低,TST期REE含量逐渐增高至最大海泛期达到最高,HST期又逐渐下降。因此,对于我们所要研究的剖面经过系统采样分析,建立起REE演化曲线,即可推测海平面的变化规律;再结合其它资料从而可进行层序内体系域的识别。2.3微量元素含量地层中微量元素的分布、分配与其形成的环境密切相关,其中许多元素的赋存也不受成岩后生变化的影响,因此,某些微量元素的含量高低,尤其是某些相关元素的比值大小已成为判别沉积环境的良好标志。目前,在沉积环境研究中,应用最广的微量元素主要为B,Sr,Ba,V,Ni及相关的比值,它们不仅可以用于区分淡水和海水沉积物,,而且可以用于测定古盐度和分析古气候,同时还可以判别沉积环境及其与海平面升降的关系。据贾振远对鄂尔多斯盆地南缘奥陶纪地层微量元素含量研究表明,微量元素平均含量的高低不仅与沉积环境密切相关(表3),而且与海平面升降的变化有关。海平面上升,上述微量元素含量增高;反之,含量降低。但是,单个微量元素指标大小与环境变迁之间并非有一一对应的变化关系。因此,一些微量元素之间的比值由于更具有良好的指示意义而被广泛应用,这主要包括Sr/Ba、V/Ni及Fe/Mn和Sr/Ca。对Sr/Ba比值来说,首先海相沉积物中Sr/Ba>1,而陆相Sr/Ba<l。对于海洋环境来说,从海岸附近到深海中,沉积物中的Ba含量从750×10-6增加到2240×10-6(韦德波尔,1960),而Sr由于主要是通过生物途径的再沉积作用减弱,其含量变化不大或略有减小;因而,从海岸到深海中Sr/Ba比逐渐减小。对于V/Ni比值来说,斯特拉霍夫(1958)研究认为,从海岸带到深海盆地,沉积物中富集元素由Fe族(Fe,Cr,V,Ge)-Mn族(Mn,Co,Ni,Mo),因此,从陆相到海相,沉积物中的V/Ni比值不断减小,特别是从海岸到深海,V/Ni由(130×10-6)/(55×10-6)(=2.31)~(330×10-6)/(293×10-6)(=1.13)(韦德波尔,1960),深海沉积物中V/Ni比值低,为(110×10-6)/(100×10-6)~(120×10-6)/(60×10-6)(瑞典地质局地球化学实验室,1982)。此外,对于Mn/Fe比值来说,主要与Mn和Fe的地球化学性质有关。铁极易受氧化而成Fe3+,Fe3+在pH>3时就形成Fe(OH)3的沉淀,所以,Fe的化合物易于滨海地区发生聚集。而Mn能在离子溶液中比较稳定地存在,在海水中呈Mn2+出现。Mn能在距离海岸较远的地方,甚至在洋底聚集。因此,Mn/Fe比值从海岸到深海不断增大。对Sr/Ca比值来说,湖水和河水中以低值为特征,而海水中的Sr/Ca比值较前者大。而在海水中,从滨海到深海Sr/Ca比逐渐变小,因为Sr含量变化不大或略有减小,Ca含量逐渐增大。综上可以看出,地层中微量元素的含量及有关比值的大小与海平面变化密切相关。总体上,LST期微量元素含量最低,TST期微量元素含量逐渐增高直至最高,HST期微量元素含量又逐渐下降。因此,通过对地层中微量元素系统分析可以确定当时的古水深的系统变化,从而确立古海平面的变化,进而为层序地层学的研究提供资料。2.3层序地层格架及其沉积特征元素的组合与含量在地史发展过程中的演化与交替具有一定的规律性、方向性和阶段性,且与地质时代的分界常常互相吻合(叶连俊等,1964)。因此,利用常量元素(主族元素SiO2,A12O3,Fe2O3,FeO,MgO,CaO,Na2O,K2O,TiO2,P2O5,MnO等)来探讨和识别层序应该说是可行的,因为无论是I型层序或是Ⅱ型层序都包括了不同的沉积体系域;而每一沉积体系域,又是在特定的地质历史和特定的海平面升降变化过程中,不同阶段所形成的特定产物。但由于不同沉积体系域内的物质组成——岩石类型及其相对比例不同,其常量元素的丰度变化至今尚未见规律性的总结资料;所以在层序地层研究中,对常量元素需进一步归纳和总结。2.4sq7层序演化过程中al/ti、sr/ba比的变化中国南方海相泥盆系—二叠系的系统研究也表明,同一海平面升降旋回中所形成的一套层序在不同体系域中的微量元素、稀土元素、同位素组成明显不同。如广西象州泥盆系剖面的系统分析,在SQ7层序演化过程中,从海侵体系域到高水位体系域演化过程中,Al和Fe元素含量有高→低→高;而Ti,Mg和Sr含量则由低→高→低;Al/Ti及Sr/Ba比值则由低→高→低(图2)。总之,在体系域的演化过程中,从低水位体系域(LST)或陆棚边缘体系域(SMST)→海侵体系域(TST)→高水位体系域(HST),稀土元素、微量元素和元素组合均有规律地变化(图3),这种变化正是识别体系域的重要标志和依据。3层序地层格架及其地质意义在层序地层学研究中,应用地球化学方法进行分析,不像沉积学方法那样对沉积层序进行直接的观察、识别和划分,上述的地球化学方法实际上间接为层序地层学研究提供了基础资料。因为通过上述分析,可以再造古海洋的海平面升降变化旋回,而每一旋回均形成了一套具年代意义的层