上黑龙江盆地是中国东北典型的浅覆盖陆相断陷盆地(图 1), 盆内钻孔、露头资料少, 以往地质工作研究程度低, 对盆地层序地层研究较少.笔者等通过几年来在上黑龙江盆地沉积岩区工作, 发现该盆地沉积作用、地层结构变化有一定规律性, 且重要沉积—构造界面易于识别, 较适合层序地层划分, 根据陆相盆地层序地层理论(解习农等; 1996; 郭建华等, 1998; 罗立民, 1999; 李增学等, 2000; 池秋鄂和龚福华, 2001; 刘招君等, 2002), 对该盆地进行了低频(构造) 层序(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级)和高频(Ⅳ级) 层序划分和研究.在高频(Ⅳ级) 层序研究中发现, 层序内沉积岩岩石化学各氧化物含量变化与高频层序成因沉积体系变化之间存在明显的相关性, 暗示岩石化学成分与高频层序变化存在某种内在的成因联系.本文在上黑龙江盆地绣峰组高频层序划分基础上, 从岩石化学角度对高频层序作了进一步研究.

图  1  上黑龙江盆地绣峰组分布

Fig.  1.  Distribution of Xiufeng Formation in upper Heilongjiang basin

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1.   绣峰组高频层序

绣峰组分布在上黑龙江盆地靠近盆缘一带, 是上黑龙江盆地在中侏罗世快速沉降期沉积产物, 相当于盆地第1个Ⅲ级层序, 属盆地早期低水位—湖侵体系域沉积, 内部由5个Ⅳ级层序组成, 中、上部3个Ⅳ级层序顶底较齐全, 岩石化学样品分布均匀, 其间由较明显的冲刷界面分割, 层序结构总体为退积型, 下部由辫状河相砂岩、砾岩组成, 中部由曲流河及浅湖相砂岩、粉砂岩组成, 上部由曲流河相砂岩、粉砂岩组成, 多发育钙质、铁质砂岩层.3个层序均表现由底向上岩石粒度变细再变粗型; 显示水体由浅变深再变浅的沉积旋回特征, 与Cross (1994)高分辨率层序中期基准面对称旋回十分吻合.说明该3个Ⅳ级层序具有下部水体浅、气候较干旱, 中部水体深、气候较潮显, 上部水体又变浅、气候变干旱的气候变化旋回特征, 与Fisher、Mitchum (罗立民, 1999)、郭建华等(1998)、罗立民(1999)、池秋鄂和龚福华(2001)、刘招君等(2002)所述高频层序受米兰科维奇地球运动周期影响的气候变化控制的理论相符.

2.   岩石化学特征

沉积岩的粒度、碎屑组分对岩石化学成分有一定影响, 本次研究在绣峰组不同层位中共采取了37个岩石化学样品, 其氧化物含量在砂岩—泥岩中均有不同程度变化, 为了保证样品分析结果的统一性和准确性, 本文在绣峰组中上部3个Ⅳ级层序内均匀地选择了16个粒度、碎屑成分变化较小的细砂岩与粉砂岩样品, 其分析结果见表 1.

表  1  绣峰组主要化学成分分析

Table  Supplementary Table   Major chemical compositions of Xiufeng Formation

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2.1   Fe ₂O ₃、FeO

沉积岩中Fe主要赋存在副矿物中, 如磁铁矿、褐铁矿、黄铁矿及黑云母、石榴石.表生作用的陆相沉积, 尤其是河流沉积作用是在氧化环境下进行的, 沉积过程中原岩中黄铁矿、菱铁矿等低价铁多与氧结合, 形成Fe³⁺.当温度增高到10 ℃时, Fe²⁺在原岩未完全分解之前, 可以从铝硅酸盐矿物晶格中就地氧化为Fe³⁺.陆相盆地中以河湖沉积作用为主, 且断陷盆地中河流沉积作用更为发育, 一般沉积作用多在10 ℃以上进行, 所以在陆相断陷盆地沉积过程中Fe³⁺较稳定, 易形成褐铁矿(Fe₂O₃)等高氧铁质矿物沉淀, 使得岩石中Fe₂O₃大于FeO (刘英俊等, 1984).

在沉积过程中, 沉积物被不断埋藏, 与底层水隔绝, 处在还原状态, 并随着(沉降) 速度加大, 水体加深还原性增高, 沉积物先前沉积的Fe³⁺矿物多被还原成Fe²⁺, 形成还原条件下稳定的低价氧化铁矿物(绿泥石), 导致沉积岩中的Fe₂O₃小于FeO (刘英俊等, 1984).从表 1中可见, 绣峰组岩石中Fe₂O₃普遍小于FeO, 说明该组在沉积成岩过程中总体为还原环境, 总体反映了盆地沉降与埋藏(沉积) 速度较快特征.局部Fe₂O₃大于FeO, 说明沉积成岩过程中存在一段氧化过程, 从层序地层上看(图 2), 该种氧化标志主要发育在层序顶部, 并且从层序底部和中部Fe³⁺/Fe²⁺值逐渐减少, 由中部向上部Fe³⁺/Fe²⁺值逐渐增高, 说明在沉积成岩过程中, 层序下部因沉降速度快, 水体变深, 气候变潮湿, 还原性增强; 中部→上部沉降速率降低, 沉积速率加大, 水体变浅, 气候变干旱, 氧的含量增多, 还原性减弱, 氧化性增高, 此特征与绣峰组3个Ⅳ级层序内沉积体系变化非常吻合.层序顶部埋深最浅, 氧的含量也最多, Fe³⁺/Fe²⁺最高. (Fe³⁺ > Fe²⁺), 反映了暴陆氧化状态特点, 可以判断其上部没有很快被新的沉积物覆盖, 而处于一种短暂的沉积间断状态.宏观上层序顶部发育褐红色铁质砂岩层, 在盆地分布较稳定, 有一定对比性, 代表盆地内一种等时性的暴陆沉积间断, 对于盆地的层序地层划分具有重要标志意义.

图  2  绣峰组Ⅳ级层序与岩石化学曲线对比

Fig.  2.  Ⅳ level sequence and lithochemical chart contrasting of Xiufeng Formation

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成岩后期, 绣峰组沉积物主要经历了构造抬升、掀斜及风化作用.构造作用对铁的变化影响不大, 即使断裂、节理附近常形成一些矿化、蚀变, 在采样过程中也可以避开; 风化作用会使岩石中Fe³⁺增高, 而对Fe³⁺/Fe²⁺值在各单层间的异常差变化影响很小.所以利用Fe₂O₃、FeO含量变化确定氧化暴陆界面及研究层序内部水体、气候变化在浅覆盖区是一种有效的方法.

2.2   K ₂O、Na ₂O

K、Na主要赋存在含K、Na的硅酸盐矿物中(长石), 在表生作用中K、Na含量主要受气候条件、岩石组分及粒度等影响(刘英俊等, 1984; 南京大学地质系, 1984), 绣峰组岩石物质主要来自上黑龙江盆地南缘古生代酸性岩浆岩地区, 物源类型较简单, 细砂岩、粉砂岩主要由长石、石英组成, 长石含量较稳定, 多在40%~50%之间, 本文选择的细砂岩、粉砂岩样品粒度较小, 所以样品中岩石组分和粒度对岩石中K、Na含量影响很小.K、Na在沉积作用中均具有由干燥→潮湿气候含量逐渐减少的特点.因为潮湿气候条件下, 盆地内水的补给量大于蒸发量, 含K、Na的硅酸盐矿物易溶解并形成可溶性盐赋存在水体中, 以致被水体搬运走(刘英俊等, 1984; 南京大学地质系, 1984).在干燥气候条件下, 盆地内水的蒸发量大于补给量, 使水中K、Na含量增高形成K、Na盐矿物沉淀(刘英俊等, 1984; 南京大学地质系, 1984).从图 2中可见, 绣峰组岩石的K₂O、Na₂O含量自层序Ⅳ₂、Ⅳ₃底部向中部逐渐减少, 由中部向上部逐渐增高; 表明沉积成岩过程中, 层序由下部向中部是在气候逐渐变潮湿环境下沉积的, 盆地内水的补给量大于蒸发量, 处于水体逐渐加深、基准面上升的快速沉降阶段; 自层序中部向上部气候逐渐变干燥, 盆地内水的蒸发量大于补给量, 进入水体变浅、基准面下降的缓慢沉降、快速沉积阶段.该种气候干湿变化旋回与沉积体系水环境变化及高分辨率层序基准面旋回变化特征十分吻合.层序顶部K₂O、Na₂O相对较高, 说明沉积作用是在干燥气候条件下进行的, 不难推断此时盆地内水的补给量小于蒸发量, 盆地内水量贫乏, 沉降和沉积速度缓慢, 显示饥饿沉积的特征.

2.3   MnO、MgO

Mn在表生作用中与Fe的性质相似, 在氧化—还原条件下具有变价特点.氧化环境中Mn多以高价氧化物形式存在(软锰矿), 还原环境中则以低价Mn²⁺形式赋存在矿物中(刘英俊等, 1984).从绣峰组岩石MnO的含量曲线上看(图 2), MnO的含量自层序下部向中部逐渐增多, 由中部向上部逐渐减少, 说明自层序下部向中部还原性逐渐增强, 暗示水体逐渐变深、气候逐渐变潮湿, 处于基准面上升的快速沉降阶段; 由中部向上部氧化性增强, 显示水体变浅、气候变干、基准面开始下降的沉降缓慢的沉积特点.层序顶部MnO含量最低, 表明该时沉积物埋藏最浅, 处于富氧、贫水、气候较干旱的沉积间断状态.MgO和MnO的性质相似, 均能在碱性还原状态下稳定存在.但Mg的氧化程度和电价比较稳定, 碱性程度比Mn高, 还原电位(-2.375) 比Mn (1.49) 低, 而Mn与氧的亲合力大于Mg, 所以在表生作用中, MnO/MgO的比值具有随着氧化性加强而增高的特点(刘英俊等, 1984).从表 1中可见, MgO的含量在(1)、(5)、(13) 样品中最低, 这3个样品位于层序顶部, 反映了层序顶部氧化作用强的特点, 其余样品位于层序中下部, MgO含量相对较高, 说明其成岩过程中属于还原性环境.从MnO/MgO比值曲线上看(图 2), MnO/MgO比值在层序Ⅳ₂中具有由下部向中部逐渐变小, 再由中部向上部逐渐增大特点, 说明该层序由底部向中部氧化性变弱, 暗示水体逐渐变深、气候变潮湿、基准面上升的快速沉降的沉积特点; 层序中部向上部氧化性变强, 显示了水体变浅、氧气增多、气候变干、基准面下降的缓慢沉降的沉积特征.层序Ⅳ₁、Ⅳ₃部分MnO/MgO曲线与Ⅳ₂曲线相似, Ⅳ₃上部和Ⅳ₁下部MnO/MgO曲线形态与Ⅳ₂曲线相反, 可能与局部环境有关.

2.4   烧失量

岩石化学成分烧失量(LOS) 在沉积岩中基本上代表含水量和有机质含量大小, LOS高说明有机质和水含量高, 代表温湿的还原环境, 反之为氧化环境(南京大学地质系, 1984).从表 1中可见绣峰组16个样品仅有2个在0.96%~0.98%之间, 其余多在2%~4%之间, 表明绣峰组总体沉积环境为还原环境, 从层序对比曲线上看(图 2), 由层序Ⅳ₂、Ⅳ₃的底部向中部LOS逐渐增高, 自中部向上部LOS又逐渐变低, 基本呈对称旋回式变化, 说明沉积过程中含水和有机质逐渐增多, 自中部向上部则含水量与有机质逐渐减少, 反映层序形成早中期为一个水体逐渐变深、气候逐渐潮湿的基准面上升过程, 中晚期为水体变浅、气候变干旱的基准面下降过程, 与绣峰组Ⅳ级层序内沉积体系变化吻合.

3.   结论

通过以上几种氧化物含量及相关比值在层序纵向上分布特征分析, 证实绣峰组Ⅳ级层序顶部代表氧化环境成因的Fe₂O₃、Fe³⁺/Fe²⁺、MnO/MgO及干燥环境成因的K₂O、Na₂O值相对较高, 并且自层序下部向中部Fe₂O₃、Fe³⁺/Fe²⁺、MnO/MgO、K₂O、Na₂O值逐渐变小, 指示还原环境MnO、FeO、MgO、LOS含量逐渐增高; 由层序中部至上部Fe₂O₃、Fe³⁺/Fe²⁺、MnO/MgO、K₂O、Na₂O值逐渐增高, MnO、FeO、MgO、LOS含量逐渐减少.表明绣峰组Ⅳ级层序由下部向中部是一种沉降速率逐渐增大, 水体不断加深、气候逐渐趋向潮湿、还原性逐渐增强的基准面不断上升的沉积过程; 由中部向上部为沉降速率减缓、水体变浅、气候变干、氧化性增强的基准面下降过程, 顶部Fe₂O₃、Fe³⁺/Fe²⁺等值高, 代表了沉积间隔特征.这些特征与绣峰组Ⅳ级层序内沉积体系、沉积作用变化及典型高频层序沉积作用以及Cross (1994)高分辨率中期基准面旋回理论非常吻合, 表明绣峰组岩石化学与古气候、沉积体系变化之间存在自然的因果关系.因此, 利用岩石化学方法研究浅覆盖区陆相高频层序沉积作用特点及正确识别层序界面是一种十分有效的方法.