稀土元素在沉積學中的應用

1、稀土元素在沉積學中的應用樊鈺超河南理工大學資環(huán)學院，焦作，454000摘要：稀土元素之間化學性質極其相似、溶解度普遍較低及在風化、剝蝕、搬運、再沉積 和成巖作用過程中元素分餾作用極為復雜等性質對沉積方向諸多問題的研究具有重要意義。 本文則主要通過概括和實例來介紹稀土元素在地質方面的應用，特別是在沉積學領域判斷巖 石成因、構造背景、物源、環(huán)境的酸堿性、白云巖成因、古氣候分析及古水深分析等方面的 具體應用。關鍵字:稀土元素沉積學應用物源古氣候古水深構造背景巖石成因引言由于近年來國家對稀土元素的重視，導致了大家對稀土元素的研究更加深入，研究表明 稀土元素在工業(yè)、軍事、農業(yè)、地質等領域都能得到廣泛應用

2、。而對沉積環(huán)境中REE （稀 土元素）的最早研究工作是Minami（1935）對古生代歐洲和日本“頁巖”的分析。直到六十 年代，才進行了一些其他方面的研究（Haskin和Gehl，1962;Balashov等，1964； Wildeman 和Haskin,1965； Haskin等，1966），在這之前，這些方面幾乎是空白。而隨著稀土元素在國 內地位的提升，學者們對它的研究也在不斷進步，目前國內學者把沉積巖的稀土元素地球化 學特征主要應用于研究不同地區(qū)和時代的地層的稀稀土元素地球化學的差異及其與地質事 件、界線剖而、地殼演化的關系1。本文主要介紹稀土元素在沉積學中的應用，不僅利用稀 土元素對沉

3、積環(huán)境的判斷，還對在判斷巖石成因、構造背景、物源、白云巖成因、古氣候分 析及古水深分析等方法進行了詳細的介紹。判別巖石成因巖石、礦石與礦物中的REE組成特征可用于探討其成因。不僅對火成巖，而且對沉積 巖與變質巖也適用。就火成巖而言，通過REE定量模式的計算可以確定其由部分熔融或者 分離結晶作用所形成；根據REE球粒隕石標準化分布型式的異同可為巖石的成因與分類提 供證據。比如，根據湖南香花嶺431巖墻與癩子嶺花崗巖REE分布型式及REE參數的相似 性，論證了黃玉霏細斑巖為地殼重熔型花崗巖漿的晚期分異產物2。又如對花崗偉晶巖的成 因長期來爭論不休，主要有費爾斯曼的殘余巖漿說與查瓦里茨基的交代說。而

4、按照分離結晶 作用的原理，如果某偉晶巖體由殘余巖漿形成，則其REE地球化學特征應與母花崗巖間為繼承發(fā)展關系，REE分布型式應該類同，且負銪異常應愈加明顯。反之，若某偉晶巖體由 深部上來的溶液對原巖進行重結晶與交代作用而形成，則不應具有上述特征。因此，REE 地球化學特征可以用來鑒別偉晶巖的成因。在沉積巖方面，REE地球化學可對碎屑沉積巖 源區(qū)的時代和成分提供信息；對化學沉積巖，REE型式可反映海水的REE化學、沉積相的 性質和沉積作用所處的位置。在變質巖方面，REE地球化學可用于追溯原巖，以了解變質 前的成巖環(huán)境、物質組成及成因等特征囪。而現在主要實用稀土元素判斷巖石成因的方法有如下兩種。2.

5、1根據稀土元素比值201001000 10000REE (PPm)201001000 10000REE (PPm)一圖1稀土元素分布的直角坐株模式圖及其應用左.不河巖石類型的偵/YaRee圖，右.不同成因方解石的L*/cayb/uagFig.1 REE angle pattern map and adhibition2.2根據某些稀土元素的特征值巖石的稀土元素特征是區(qū)分熱水沉積和非熱水沉積硅質巖的重要標志之一，A.Fleet系 統(tǒng)地研究了世界上屬于熱水成因的金屬沉積物與屬于非熱水沉積的水成金屬沉積物中的 REE，發(fā)現前者的REE總量低，Ce為負異常,HREE有富集的趨勢；而后者REE含量高，

6、Ce為正異常，HREE不富集，但上述特點在這兩類沉積之間有連續(xù)性變化囹。熱水成因硅質 巖的5Ce為負異常，而非熱水成因的硅質巖的aCe常為正異常。對比上述熱水沉積硅質巖的 稀土元素地球化學特征，表明新昌硅質巖（如圖2）具有熱水成因沉積的特點。但是從圖中還可 以看出此地的硅質巖也無重稀土元素（HREE）富集的趨勢，說明本地區(qū)硅質巖成分以熱水 成因沉積為主，但有部分非熱水成因的物質混入。3 2 111 - - r 112 2 Vo 王大蘇王0.01La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy 3 2 111 - - r 112 2 Vo 王大蘇王0.01圖2新昌硅質巖的稀土元素配分型式Fi

7、g. 2 REE patterns of siliconlites in Xinchang basin判別構造背景3.1根據稀土元素的含量及比值Bhatia通過對各種構造背景下形成的砂巖、泥巖的稀土元素特征的研究，把構造背景主 要分為大洋島弧、大陸島弧、活動大陸邊緣、被動大陸邊緣四種類型，并總結出了在不同構 造環(huán)境中形成的砂巖、泥巖的稀土元素特征判別標志口主要判別參數見表1。表1白水江群碎屑巖與不同構造環(huán)境下砂巖的化學組成對比Table.1 Baishuijiang group clastic rock contrast various tectonic environment sandsto

8、ne chemical constituents （王濤，王宗起等，西秦嶺南緣康縣留壩一帶白水江群碎屑巖的地球化學特征及構造 背景，地質通報，2006）韌造環(huán)境 物雅凳型大洋吊弧 未切割巖榮部大陸昌弛 切割巖漿旬活動大陸選魏降志筆底被動大陸邊巍 克牡通內部白水it群 活動型，翼273739Cc的856S.2Eu1040.790.560.84REE146成2LQ網LaSc0451.H24.*56.254.17Lag、2.87.58.5I0.H2,91LREE/HREE*土】H5Z_ *孵( hn；i Al .；! JiiLI . rtini 5ijlli.-liinlLn: -cl .ilu “

9、、 %3.2根據Ce異常一般情況下，Ce異常通常見于海水，沉積巖中存在Ce異常的確切原因還不完全清楚， 它在許多沉積巖中可能是沉積作用后獲得的，而不是繼承下來的特征。Schimizu和Masuda （1977）認為，顯著的Ce異常是太平洋廣海環(huán)境的放射蟲的特征，而在陸架和邊緣盆地的 放射蟲中則不存在。在太平洋東南部的現代洋底沉積物中，也發(fā)現在向海岸線的方向，由于 來自大陸的碎屑物質逐漸增加，負Ce異常的量值逐漸減少。Murray等對加利福尼亞海岸圣弗蘭西斯科灣侏羅紀一白堊紀的燧石和頁巖的研究表明:Ce異常與其沉積的構造環(huán)境有關，距洋脊頂部400km之內的擴張脊近源區(qū)，Ce明顯為負 異常，Ke為

10、0.29；大洋盆地為中等Ce負異常，8Ce為0.55；在大陸邊緣區(qū)（距大陸1000 km以內）Ce負異常消失或為正異常8Ce為0.90-1.30。pacific吉陛培4.1根據REE盡管REE含量有變化，但其分配曲線的型式一致，表現為一組相互平行的 曲線。其主要特征是：輕稀土富集，貧重稀土，Eu有輕微的負異常，幾乎沒有 Ce異常，說明其物源區(qū)具有親陸源性質（Bhatia，1985）。La Ce PrNdSmEuGdTbDyHo & Tm Yb Lu圖4英吉蘇凹陷侏羅紀砂巖的REE配分型式及與晉寧期花崗閃長巖的對比Fig.4 Yingjisu sag jurassic sandstone REE

11、 allocation model contrast Jinning period grandioritteLa Ce PrNdSmEuGdTbDyHo & Tm Yb Lu圖4英吉蘇凹陷侏羅紀砂巖的REE配分型式及與晉寧期花崗閃長巖的對比Fig.4 Yingjisu sag jurassic sandstone REE allocation model contrast Jinning period grandioritte4.2 Eu異常人們先后對北美頁巖中的稀土元素(NASC)以及澳大利亞后太古代平均頁巖成分中的稀 土元素(PAAS)進行了深入的研究，并認為它們代表了上地殼中稀土元素的分

12、布特征。源自 上地殼的稀土元素表現出富含輕稀土，重稀土含量穩(wěn)定及負的Eu元素異常等性質。輕稀土 富集說明上地殼中大離子親石元素的含量相對于原始幔源要明顯偏高;重稀土含量均勻則是 上地殼內缺少使重稀土分餾的因素；負的Eu元素異常是由于元素分異作用使地殼內上地殼 中Eu元素缺失，而下地殼中Eu元素富集。吐魯番-哈密盆地經隕石校正的沉積稀土元素分布8富含輕稀上和重稀上含量均一，Eu 元素明顯負異常的特征(圖5 (圖中來自石炭紀及早二疊世的樣品主要為酸性火山巖及火山 凝灰?guī)r)，與PAAS和NASC的分布趨勢基本類似，表明其原始物質應來自上地殼。K隆霆敝、K隆霆敝、1時，為正鈰異常， 即鈰的富集代表氧化

13、環(huán)境；8Cev1時，為負鈰異常，即鈰的虧損代表還原環(huán)境。如下例中由新昌硅質巖的Ce負異常，即5Cev1的行為，反映出它們及硅化木均是在氧 化條件下形成。示準43 2 11 1 1 2 W & 王女芯三亍圖8新昌硅質巖的稀Fi兀素配分型式(北美g.8 REE patterns of siliconlites in Xinchang basin|)0.06.酸堿性判別 L J J J 示準43 2 11 1 1 2 W & 王女芯三亍圖8新昌硅質巖的稀Fi兀素配分型式(北美g.8 REE patterns of siliconlites in Xinchang basin|)0.06.酸堿性判別L

14、a Cc Pr Nd Sm 肋 Gd Tb Dy Ht hr Tmi Yb Lu實驗證明，稀土不大可能以簡單離子形式搬運，以為它們易形成難溶的稀土氟化物、 稀土氫氧化物和碳酸鹽。一些學者認為四，稀土與OSi結構的聯系較弱，它們易與氟、 碳等揮發(fā)組分形成絡合物。堿性溶液中，稀土元素易形成REE（CO3）33-和REE（CO3）45- 兩種絡陰離子。如果F離子濃度較高，也可有REE（CO3）F4-和REE（CO3）F2i-等形式。用 輕重兩種稀土作為絡合物進行遷移能力實驗，結果表明，在堿性-碳酸介質中，重稀土的 溶解度大。這說明如果某環(huán)境先沉淀沉積的是輕稀土，最后沉淀的是重稀土，說明該環(huán) 境為酸性

15、環(huán)境（PH=4.75.6）。從下表（表2）中可以發(fā)現，中TST內的輕、重稀土比值較HST內的稍高，單相 差不大，說明兩者的沉積環(huán)境有差異，但不十分顯著。總的來看，輕、重稀土的分異度 很大，說明該時期輕稀土富集，總體上是一種不同于海相（海相分異度較低）的輕稀土 富集，重稀土虧損的沉積環(huán)境。表2稀土元素綜合分析結果Table. 2 REE synthetic analysis results（魯洪波，姜在興，稀土元素地球化學分析在巖相古地理研究中的應用，石油大學報（自 然科學版）層序及體系域樣甘1 數三HEE/I Uy 土i i心 KE.l J IME.a 心 ft I.H ST25156.927

16、. &30. 9432. W9TST17113- 2SS.040.914 71.973S3152. 577. H950.933 H2.025判斷白云石成因7.1 根據 w (Yb) /w (Ca+Mg) w (Yb) /w(La)圖解從圖中分析可以知道，白云鄂博白云巖的w (Yb) /w (Ca+Mg)值高，而w (Yb) /w(La) 值低，其投點落于巖漿碳酸鹽巖區(qū)域的上部，明顯不同于沉積碳酸鹽巖及熱液碳酸鹽巖的特 征147.2根據REE及La/Yb判斷白云巖的成因表3白云巖成因判斷Table. 3 Dolomite cause judge成因類型稀土總量REELa/Yb 值準同生白云巖和成

17、巖交代白云巖0.91 4ppm2.89 10.69淡水白云巖9.91 14.82ppm11 14.31異性構造白云巖6.34 17.41ppm7.9323.06古氣候分析ZREE的變化與氣候環(huán)境的變化有著密切的關系，即暖濕的氣候環(huán)境下，ZREE較高； 相反，冷干的氣候環(huán)境下，ZREE較低。這種情況主要是由于氣溫升高，活性態(tài)的REE以 羥聯形式組成絡離子，使粘土礦物與有機質結合起來，從而富集保存下來，故暖濕的環(huán)境下， ZREE含量較高；反之，若溫度降低，即干冷氣候環(huán)境下，REE就無法很好的保存，所以ZREE 含量較低。如下圖10中，對青海湖沉積物中的NREE、TOC及粒度的縱向分析可以明顯的看出

18、在 ZREE高值段（REE50）的樣品通?？傆袡C碳（TOC）含量較高、粒度較細，表明降水量 較大，湖區(qū)植被繁盛，徑流和風華作用較強，便使REE與粘土碎屑及大量陸源有機質結合 在一起搬運到湖底，使得湖底沉積物中REE總量較高，暖濕的氣候環(huán)境；相反在NREE低 值段（ZREE50）的樣品則反映多為冷干的氣候環(huán)境。圖10青海湖沉積物中的EREE. TOC及粒度的縱向分布Fig. 10 Qinghai lake sediments EREE、 TOC and particle size longitudinal distribution（史基安，郭雪蓮，青海湖QH1孔晚全新世沉積物稀土元素地球化學與氣

19、候環(huán)境關系探討，湖泊科學）古水深分析研究表明：稀土元素UH主要存在于：a）固體陸源的懸浮物中；b）吸附于懸浮物表面；C） 在溶液中呈離子或絡離子的形式。其中，深海粘土中具有異常高的豐度；而從頁巖到雜砂 巖到其它類砂巖、灰?guī)r，其稀土總量依次減少。通過對新疆焉耆盆地巖芯觀察12，選取了 YC1井深為3938.00和3940.28m泥灰?guī)r進行 了稀土元素分析（表4）。從表中可見：ZREE分別為41.4和8.194X-。-上述差別可能是由于 后者具有較細的碎屑含量所致；而LREE / HREE分別為8.03、8.45，相差不大，均呈輕稀 土富集、重稀土虧損特征，總體上說明該時期輕稀土輕度富集；從兩樣品

20、的特征分配模式和 負鈾異常來看，它們主要形成于分異一般的湖相沉積環(huán)境。表4碳酸鹽巖中稀土元素分析（x10*-6）Table .4 Carbonate REE analysis （x10*-6）（趙追孫鐵峰，元素地球化學在古水環(huán)境判別中的應用，九江學院報告，2005,2）樣號層位埋深（m）巖石名稱-UCe分Pr析Nd項Sm目EuGdTbYP1如3938.00微晶灰?guī)r5.4611.205.00S.503.300.540.850.62YP2玖一33940.28泥質灰?guī)r35.1867.2010.2033.807.901.605.301.20YP117.813.8640.9814.1716.927.35

21、3.2813.08YP2113.5183.1783.6156.3340.5121.7720.4625.32DyHoErTmYbLuY舄 REEL/HBEu(La/Yb)N5Ce0.720.320.820.320,470.123.20 41.488.030.997.890.514.601.602.600.552.200.3920.60 194.948.450.7610.790.850.32200.07180.21000.03240.20900.03322.244.463.909.882.253.6114.2922.2812.3816.9810.5311.75備注：SEu= (Eu/EuN) /

22、( (Sm/Sm)o s * (Gd/Gd)05)SCe= (Ce/CeN) / ( ( (La/LaN) 0.5* (Pr/PrN) 0.5)參考文獻于炳松，裘愉卓.揚子地塊西南部沉積地球化學演化與成礦作用【M】北京地震出版社，1998陳德潛，巖石礦物及測試，3（1984），No 1。陳德潛，實用稀土元素地球化學，1990.04夏邦棟,鐘立榮，方中，等.下揚子區(qū)早二疊世孤峰組層狀硅質巖成因J .地質學報,1995, 69 （2）.魯洪波.姜在興.稀土元素地球化學分析在巖相古地理研究中的應用J.石油大學學報（自 然科學版），1999王濤，王宗起等，西秦嶺南緣康縣留壩一帶白水江群碎屑巖的地球化學

23、特征及構造背景 地質通報，2006，6邵磊，K.Stattegger，李文厚等.砂巖地球化學探討盆地構造背景.學通報，1998,9世勤.多金屬結核和沉積物的地球化學研究.北京:地質出版社.1994史基安，郭雪蓮，青海湖QH1孔晚全新世沉積物稀土元素地球化學與氣候環(huán)境關系探 討，湖泊科學，2003洪波.姜在興.稀土元素地球化學分析在巖相古地理研究中的應用J.石油大學學報（自 然科學版），1999趙追孫鐵峰，元素地球化學在古水環(huán)境判別中的應用，九江學院報告，2005M.R .Bhatia,澳大利亞古生代雜砂巖和泥巖的稀土元素地球化學：源區(qū)和構造控制，地球 和地球化學肖榮閣，費紅彩，安國英等，內蒙古白云鄂博礦區(qū)白云巖巖石學及其成因研究，現代地質，200315. M.R .Bhatia，澳大利亞古生代雜砂巖和泥巖的稀土元素地球化學一一源區(qū)和大地構造的 控制作用，地質科學譯叢，1987Rare earth elements in the application of sedimentologyFan YuchaoHenan Polytechnic University Natural Resources and Environment Academy ,Jiaozuo,454000A