梁吉坡

(山东省地质科学研究院，国土资源部金矿成矿过程与资源利用重点实验室，山东省金属矿产成矿地质过程与资源利用重点实验室，山东 济南 250013)

0 引言

单县地区位于华北板块东南缘的鲁西地区，是我国重要的能源资源生产基地。其中，煤炭资源主要赋存于晚石炭世—早二叠世地层，因此，以往鲁西地区的石炭—二叠系基础研究主要集中在本溪组、太原组和山西组地层。关于中上二叠统地层，尤其是石盒子群地层研究较少，有关对该层系沉积环境的研究，一般将其定义为陆相河流环境[1-4]。近年来，随着基础地质理论研究的深入，石盒子群尤其是奎山组厚层砂岩段，不能仅用陆相沉积来解释，原因有以下2个方面：①奎山组砂岩分布广泛[5]，在整个鲁西地区乃至渤海湾地区都能进行对比，无论是河流沉积还是湖泊沉积均不能形成如此广泛的砂体；②奎山组砂岩基本上是以中粒砂岩为主，致密纯净，在整个沉积序列上表现的旋回性较陆相河流沉积的砂岩不明显。前人在研究华北地区，尤其是华北东北部地区，已经发现了石盒子群存在着某些海侵的沉积证据，如王仁农等[6-10]研究微山湖西侧(北至鱼台、单县一带，南至徐州，西南同皖北、豫东为邻)，发现石盒子群内存在着大量的舌形贝，其认为鲁西地区该时期接受过海侵；李增学等[11]在鄂尔多斯西缘(如贺兰山沙巴台、桌子山南端的公勿素等)石盒子群内的“硅质岩或硅质泥岩”中发现了生物碎屑岩，“硅质岩”或海绵骨针岩常与其他海相动物化石及海绿石共生，也认为晚二叠世华北地区石盒子群接受过海侵。大量证据表明，华北晚二叠世石盒子群沉积期并不完全是陆相沉积。那么能否用石盒子群曾经接受过海侵的观点，来解释该区及鲁西地区奎山组砂岩是否大面积存在的成因机制，为此，笔者专门进行野外露头和现场岩心观察与采样，采用室内显微镜观察与电子探针测试相结合的方法，研究石盒子群奎山组厚层砂岩的沉积环境，探讨其成因机制。这对于渤海湾—鲁西地区乃至整个华北地区的石盒子群，开展沉积环境及相关基础理论研究具有重要意义。

1 区域地质背景

研究区二叠纪石盒子群自下而上可以划分为黑山组、万山组、奎山组和孝妇河组[4]。该文研究的地层主要为奎山组上部白色—灰白色厚层粗粒—中粒长石石英砂岩及杂砂岩，局部含有石英砂。奎山组在鲁西地区大多被剥蚀，但是在淄博、章丘一带以及菏泽部分地区保留较完整，厚度较稳定，一般为23～65m。

此次研究在菏泽单县地区的张集矿区现场，对ZKM1钻孔的岩心样进行采样、观察描述(图1)，该钻孔揭露石盒子群完全，其中奎山组岩心保留较完整[12，27]。因此，针对奎山组采用了密集采样的方式进行岩心样品采集。采样主要原则：对于岩性和沉积构造等微小的变化，原则上间隔1m进行采样；如果发现岩性或沉积构造有所变化，即使采样间隔小于1m或者连续采样；如果地层岩性或沉积构造没有变化，则每隔2～3m采样(表1)。

1—中粒砂岩；2—细粒砂岩；3—粉砂岩；4—泥岩；5—铝质泥岩；6—板状交错层理；7—平行层理；8—植物根系；9—波状层理；10—槽状交错层理；11—前寒武纪变质基底；12—寒武-奥陶系；13—石炭-二叠系；14—第四系；15—城市；16—断裂；17—采样钻孔；18—省界图1 鲁西地区及ZKM1钻孔位置示意图

将采集的样品进行磨片，然后进行电子显微镜观察，查找可能存在海相证据的矿物，如海绿石[13-15]，如果没有海绿石，则重点对填隙物进行观察。通过将海绿石和填隙物进行标记，采用电子探针分析技术(EPMA)测试其微量元素。

该次研究采用产自日本的JXA-8230型号电子探针。在进行测试前，利用高真空镀膜仪在显微镜薄片表面蒸镀一层均匀的碳膜，目的是将入射到样品上的电子束流及时传导入地，防止电荷堆积。将样品放入样品台后，对样品室进行真空处理，通过调节图像与电流，选取目标区，进行定性与定量分析。该次数据分析过程中主要参数为：电压15kV，PCD成分电流1×10-8A，图像电流5×10-10A[26]。

表1 菏泽地区ZKM1号钻孔奎山组砂岩采样对照

2 地球化学特征

2.1 填隙物测试结果

在碎屑岩中杂基和胶结物都可作为碎屑颗粒间的填隙物。填隙物的成分主要为粘土矿物，而粘土矿物中的吸附离子在成岩作用、后生作用和风化作用中，次生变化相对稳定，其吸附的离子与水介质的成分和矿化度有关。如淡水河流中的粘土通常吸附Ca，Mg，到海水中则失去大量的Ca而吸收Na与K。因而H.C.斯皮罗和N.C.格兰姆别格认为，粘土矿物的吸附组分能够较全面地反映沉积作用的物理化学条件，可作为指示沉积环境的标志[16-19]。该次对菏泽单县ZKM1钻孔石盒子群的岩心样品，采用电子探针分析技术，对填隙物进行了B,Ga,Ba,Mn,Fe,Ni等多个沉积环境敏感元素测试，挑选其中有价值的指示元素，分析其比值变化规律，寻求对沉积环境的指示意义。测试样品为石盒子群奎山组的中粒—粗粒砂岩，共20件，测试结果见图2。

通过制作成薄片在显微镜下观察选定填隙物，并对其进行电子探针元素分析(图3)，在20块样品中有3块样品的填隙物具海相指示特征(表2)。

注：所测数据为质量百分数，部分样品未测出硼含量，出自山东科技大学材料学院电子探针实验室图2 菏泽地区ZKM1钻孔奎山组微量元素电子探针测试结果

表2 菏泽地区ZKM1号钻孔砂岩填隙物电子探针定量分析

A—偏光显微镜，10×4;B—电子探针二次电子像，×850图3 S8填隙物图像

不同的微量元素对各种沉积条件有着不同的反应。海相层中B含量一般为100×10-6或更高，该次发现中6块样品填隙物含有B(图2和表2)，这6块B的含量为(1000～4000)×10-6，远远超过100×10-6，说明奎山组砂岩部分层位受到海水影响。王益友等[20]研究发现，B/Ga小于4为淡水沉积，大于7或20为海水沉积，该次研究的奎山组砂岩5块样品中有3块样品的B/Ga比值明显大于7，证明了某些层位受到了海水影响。Ni/Co的比值常用来指示沉积环境的反演富氧情况，颜佳新等[21]认为Ni/Co比值小于5.0是富氧环境，比值在5.0～7.0之间是贫氧环境。该次样品大部分Ni/Co比值变化范围为0～2，说明奎山组砂岩形成于富氧环境。Fe/Mn的相对大小可以判断水体深度的变化[22]，其比值与水深呈负相关，分析发现研究区Fe/Mn比值变化较大，表明奎山组砂岩形成期水深变化较快。综上分析，奎山组砂岩其形成环境较复杂，不能简单用传统观点一个环境就能解释，应该是受到海水多次侵退影响。另外，在奎山组砂岩底部发现了海绿石，而海绿石是一种典型的指相矿物，形成于pH为8左右、水深在30～2000m和水温在15～20℃范围内海域区，即仅存在于海相和海泛可影响到的三角洲地区[23,24]。

2.2 海绿石的发现与证据

在奎山组砂岩样品磨片中发现的海绿石(图4)，在偏光显微镜下呈圆粒状、卵状、条状和不规则粒状，粒径0.05～0.2mm，颜色呈翠绿、淡绿和黄绿色。挑选具代表性的样品进行镜下初步鉴定，进行扫描电镜观察和能谱成分分析(表3)，根据分析结果可以看出，砂岩中K2O含量为3%～9%，Al2O3含量为14.62%～19.23%，FeO含量为7.61%～13.71%，与威维尔[19]的平均值(Al2O3为9.15%，Fe2O3为21.38%)相比，具高铝低铁及低钙钠相的特点。前人研究成果显示[15,24]，海绿石中K2O成分古代高、现代低，FeO+Fe2O3的成分古代低、现代高，并出现铁含量降低则铝含量增高的规律，因此该区研究结果与前人结论较好吻合，这也证实海绿石存在的合理性。

A—偏光显微镜，10×10;B—电子探针二次电子像，×350图4 S18海绿石图像

表3 菏泽地区ZKM1号钻孔海绿石电子探针成分

3 沉积模式

结合前文地球化学研究，恢复海水进退及其对沉积控制(图5)，并将奎山组砂岩划分出4个沉积旋回Bs1,Bs2,Bs3,Bs4(相当于层序地层学中的六级基准面旋回)。每个旋回基本上是由气候造成的海平面相对变化，该类旋回由岁差周期伴生的气候短周期冷、暖变化过程中形成的沉积充填序列组成，底、顶界面对应相对寒冷期，即海水萎缩期或海退期。垂向上，表现为单一岩性，形成了级次较短期旋回更低的海进—海退韵律层，可将其视为最小成因地层单元[25]。

奎山组砂岩基本上为中粒砂岩和粗粒砂岩组成，第4个旋回海平面变化较大，除了Bs1外，其他3个旋回的结构类型、叠加样式和分布规律基本一致，为对称性旋回，总体上反映出先退积后进积特点。在此基础上，总结出奎山组段厚层砂岩形成机制：奎山组中粒砂岩主要形成于滨海环境与陆相河流环境的结合部，即后滨或前滨沉积，Bs1全为砂岩沉积，其形成于三角洲分流河道，受到海水一定影响；Bs2总体上为一海退层序，早期相对海平面上升，局部地区分流河道充填海进砂体，晚期相对海平面下降，曲流河和三角洲等沉积相发育，大量发育着曲流河河道与三角洲分流河道的中粒砂岩或粗粒砂岩；Bs3总体上为一个海侵的旋回，原有的分流河道或者曲流河河道等大量被滨海环境所取代，形成了后滨或前滨沉积直接覆盖在三角洲或者曲流河沉积之上，从而造成了后滨的中粒—粗粒砂岩覆盖于曲流河河道中粗粒砂岩之上。Bs4旋回期沉积环境变化较剧烈，其总体上为海退旋回，但其存在着一次较强的海泛时间。即在早期，海平面迅速上升，几乎覆盖整个鲁西地区，前滨或者后滨环境造成了大套的中粒砂岩分布于该区，横向上分布比较稳定；到了晚期，海水迅速撤出该区大部分范围，其沉积环境演化为少量滨海环境和曲流河与三角洲环境，局部发育了湖相沉积，从而形成了横向上不稳定的河道砂体或者三角洲分流河道砂体。

图5 奎山组沉积成因模式图

4 结论

(1)通过采样、电子探针实验与磨片观察相结合方法研究了奎山组砂岩中的B/Ga,Ni/Co,Fe/Mn等微量元素，分析发现奎山组砂岩沉积环境不能用单一的陆相成因来解释，其形成过程较复杂，受到多次的海侵海退影响，同时镜下观察发现，奎山组砂岩部分层位存在着海绿石，因此综合分析发现研究区奎山组砂岩沉积环境并不是纯陆相沉积，应该形成于滨海近岸带或三角洲环境。

(2)在此基础上，根据前人研究成果，总结出奎山组砂岩成因模式，即滨海—陆地砂体形成模式，指出奎山组砂岩不仅具有海进分流河道砂岩和滨海海进砂体充填特点，同时也具备了海退砂体形成的特点。

(3)通过沉积学、地球化学等方法，将奎山组砂岩划分出4个沉积旋回，其中，Bs1形成于三角洲分流河道；Bs2总体上为一海退层序，早期发育了分流河道充填海进砂体，晚期发育着曲流河河道与三角洲分流河道的中粒砂岩或粗粒砂岩；Bs3总体上为一个海侵的旋回，发育了后滨或前滨砂质沉积。Bs4旋回期沉积环境变化较剧烈，早期存在着一次较强的海泛时间，在前滨或者后滨环境发育了大套的中粒砂岩，晚期海水迅速撤出该区大部分范围，形成了横向上不稳定的河道砂体或者三角洲分流河道砂体。