酒泉盆地胳塘溝組微量元素地球化學(xué)特征及其古環(huán)境研究

摘" 要：通過對酒泉盆地胳塘溝組21件剖面樣品的微量元素進(jìn)行深入分析，定性-半定量地研究該區(qū)的古氣候環(huán)境。研究表明，樣品中，Sr/Ba比值為0.05～0.27，該研究區(qū)主要以淡水環(huán)境為主，局部表現(xiàn)出咸水環(huán)境特征。δU均值為0.85，該區(qū)沉積環(huán)境總體為氧化-弱還原環(huán)境。經(jīng)古水深的計(jì)算，該區(qū)平均深度為18.29 m，表明整體水體深度較淺。Sr/Cu的比值平均值為6.22，說明研究區(qū)表現(xiàn)為溫暖濕潤的氣候。

關(guān)鍵詞：微量元素;古氣候環(huán)境;酒泉盆地;化學(xué)特征;環(huán)境變化

中圖分類號：P5" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）02-0089-05

Abstract： Through in-depth analysis of trace elements in 21 section samples from the Getanggou Formation in Jiuquan Basin， the paleoclimatic environment in this area was qualitatively and semi-quantitatively studied. The study shows that the Sr/Ba ratio in the samples ranges from 0.05 to 0.27. The study area is mainly freshwater environment， with local characteristics showing saltwater environment. The mean value of δU is 0.85， and the sedimentary environment in this area is generally oxidation-weak reduction environment. According to the calculation of ancient water depth， the average depth in this area is 18.29 m， indicating that the overall water body depth is shallow. The average Sr/Cu ratio is 6.22， indicating that the study area has a warm and humid climate.

Keywords： trace elements; paleoclimate environment; Jiuquan Basin; chemical characteristics; environmental changes

微量元素在沉積環(huán)境中的變化非常靈敏，沉積巖中微量元素地球化學(xué)特征在一定程度上記錄了沉積物形成時(shí)的古環(huán)境信息，其含量的變化可以作為恢復(fù)古沉積環(huán)境的重要指標(biāo)之一。本研究通過對酒泉盆地老君廟剖面胳塘溝組微量元素地球化學(xué)特征分析，結(jié)合巖石地球化學(xué)特征等，判斷當(dāng)時(shí)沉積的氧化還原環(huán)境、古鹽度、古氣候等古環(huán)境特征，以恢復(fù)研究區(qū)古環(huán)境。對預(yù)測酒泉盆地未來氣候及環(huán)境變化趨勢具有一定的意義。

1" 地質(zhì)背景

地處青藏高原北緣的酒泉盆地，南鄰祁連山，東面為阿爾金山，西部為黑山，北部緊鄰寬灘山。由于酒泉盆地地處祁連山北部逆沖斷裂帶、阿拉善地塊與阿爾金走滑斷裂帶的交匯處[1]，受祁連褶皺帶由南向北的擠壓作用，使得酒泉盆地基底卷入逆沖推覆構(gòu)造，形成平行于祁連山褶皺帶的逆沖斷層[2]。

之后，酒泉盆地進(jìn)入初始沉降期。始新世至漸新世沉降緩慢， 地層沉積逐漸擴(kuò)大， 沉積厚度數(shù)百米到近千米。北祁連山帶在區(qū)域壓應(yīng)力場的作用下，由東北向西南方向發(fā)生大規(guī)模的疊置、縮短和隆升，從而增加了山前巖石圈的負(fù)荷，使其發(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn)。而位于祁連山北面的酒泉盆地，沿著祁連山帶前緣整體下沉，形成了洪積—河流—淺湖的沉積環(huán)境。后期由于阿爾金斷裂構(gòu)造的發(fā)生，迫使酒泉盆地的西部板塊繼續(xù)沉降，在此形成了新近系沉積。新近系的沉積包含下部弓形山段（N1g）、中部胳塘溝段（N1t）和上部疏勒河組（N2n）。其中，胳塘溝段主要為棕黃色泥巖、砂巖及灰色礫巖互層。

2" 樣品采集與分析方法

本文所有樣品均來自酒泉盆地老君廟剖面，共采集樣品21件（表1）。該剖面厚86 m，巖性主要為砂巖、泥巖。取樣過程中盡量選擇風(fēng)化蝕變較弱的新鮮樣品。由于在同一湖泊沉積過程中，酸溶組分和不溶組分的地球化學(xué)過程所指示的環(huán)境意義不同，酸溶組分表示湖泊演化過程中混入的碎屑成分，酸不溶組分中沉積物元素地球化學(xué)參數(shù)較好地記錄了原區(qū)氣候環(huán)境的演變，反映當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境。故本文對樣品進(jìn)行了酸溶和酸不溶處理。其中，酸溶組分和酸不溶組分的分離過程為：樣品在105 ℃條件下烘干后，稱取一定量，放入不小于100 mL的大燒杯中，加入40 mL的1 mol/L醋酸（HAc）溶液，在室溫下反應(yīng)2 h，然后再加入40 mL的1 mol/L醋酸（HAc）溶液，繼續(xù)反應(yīng)4 h，其間不斷攪動(dòng)，反應(yīng)結(jié)束后，將酸相溶物和酸不相溶物分開，分別測定酸溶物及酸不溶物中微量元素的含量;其中酸不溶物用去離子水洗滌、離心分離2次，最后在105 ℃條件下烘干、稱重、計(jì)算淋溶率。

微量元素分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院完成，所用的儀器型號為Finnigan MAT制造，HR-ICP-MS （ElementⅠ），測試方法和依據(jù)DZ/T0223—2001《電感耦合等離子體質(zhì)譜分析方法通則》。微量元素分析包括Cu、Pb、Ba、Sr、V、Zn、Co、Ni、Cr和Zr，同時(shí)還給出Sc、Ga、As、Rb、Y、Nb、Hf、Ce、U、Th及稀土等元素的含量值（表1）。

3" 微量元素地球化學(xué)特征

3.1" 古鹽度分析

研究表明，微量元素Li、Sr、Ni、Ga的含量可以很好地指示沉積水體的鹽度（表2）[3-4]。

根據(jù)樣品分析可知，樣品中Li的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.06～64.0 μg/g，平均23.82 μg/g，小于90 μg/g，指示其為淡水環(huán)境。樣品中Sr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為73.3～169 μg/g，平均為96.89 μg/g，指示研究區(qū)為淡水環(huán)境。樣品中Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.44～51.7 μg/g，平均18.9 μg/g。21個(gè)樣品中，有2個(gè)樣品介于25～40 μg/g，有2個(gè)樣品大于40 μg/g，說明這幾個(gè)樣品可能來自咸水-半咸水環(huán)境，其他均來自淡水環(huán)境。樣品中Ga的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.75～22.4 μg/g，平均為10.43 μg/g。劉博華等[5]指出，古鹽度是劃分陸相沉積環(huán)境和海相沉積環(huán)境的重要指標(biāo)。在元素周期表中，Sr與Ba為同一主族元素，但Sr的元素地球化學(xué)活潑型大于Ba，因此，常用Sr/Ba比值作為評判古鹽度的重要指標(biāo)之一[5-7]。樣品中，Sr/Ba為0.05～0.27，均值為0.17，Sr/Ba比值均小于0.6，表示當(dāng)時(shí)環(huán)境為淡水環(huán)境。

綜上所述，酒泉盆地胳塘溝組的沉積環(huán)境主要以淡水為主，局部出現(xiàn)咸水特征（圖1）。

3.2" 氧化-還原條件分析

U、Th等放射性元素常常在泥質(zhì)巖中發(fā)現(xiàn)。鈾地球化學(xué)性質(zhì)活潑，易氧化、浸出，運(yùn)移能力較強(qiáng)。而釷是一種惰性元素，其地球化學(xué)性質(zhì)不活潑，遷移能力相對較弱，常常被吸附在細(xì)小沉積物中。因此，U/Th比值及δU常被用于古環(huán)境的氧化-還原狀態(tài)判別。其中，δU=2U/（Th/3+U）。研究表明，當(dāng)U/Th比值小于0.75時(shí)，認(rèn)為當(dāng)時(shí)古環(huán)境為氧化環(huán)境;當(dāng)U/Th比值大于1.25時(shí)，認(rèn)為當(dāng)時(shí)古環(huán)境為還原環(huán)境。當(dāng)δU大于1時(shí)，認(rèn)為當(dāng)時(shí)所處的古環(huán)境為還原環(huán)境[8-11]。本論文中，U/Th比值在0.19～1.11，均值為0.27，小于0.75。而δU值為0.72～1.54，均值為0.85，僅有1個(gè)樣品δU值大于1。根據(jù)判別指標(biāo)，該區(qū)沉積環(huán)境總體為氧化-弱還原環(huán)境。

除U、Th、δU外，還有些微量元素也常常用來作為氧化-還原環(huán)境的判別指標(biāo)，如V、Ni、Cr、V/（V+Ni）、V/Cr和Ni/Co等。前人研究資料表明：當(dāng)V/（V+Ni）gt;0.84，V/Cr大于4.25，Ni/Co值大于7時(shí)，當(dāng)時(shí)古環(huán)境為還原環(huán)境。當(dāng)V/（V+Ni）lt;0.60，V/Cr小于2.0，Ni/Co值小于5時(shí)，當(dāng)時(shí)古環(huán)境為氧化環(huán)境[12-15]。

本文中，V/（V+Ni）值為0.68～0.95，均值為0.77，介于0.60～0.84。V/Cr值為0.66～6.21，其中有一個(gè)樣品為6.21，其余均小于2;V/Cr均值為1.32，小于2.0。Ni/Co值為1.91～2.81，均值為2.51，小于5。根據(jù)以上指標(biāo)，認(rèn)為該研究區(qū)古環(huán)境為氧化-弱還原過渡環(huán)境。與上述指標(biāo)相符。

3.3" 古水深分析

古環(huán)境分析的另一個(gè)方面是古水深度。以往常常是借助于巖性、沉積構(gòu)造等來定性分析古水深度。近年來，有學(xué)者[4，16-17]提出了利用鈷元素含量分析法定量的計(jì)算古水深度，其計(jì)算公式為Vs=V0×NCo/（SCo-t×TCo），t=SLa/NLa，h=C/VS3/2。其中，Vs代表樣品在當(dāng)時(shí)沉積環(huán)境的沉積速率;V0為當(dāng)時(shí)正常琥珀沉積速率（0.2～0.3 mm/a）[18];NCo為正常湖泊沉積物中鈷的豐度（20 μg/g）;SCo為樣品中鈷的豐度（μg/g）;t為物源鈷（Co）對樣品的貢獻(xiàn)值;SLa為樣品中鑭的豐度（μg/g）;NLa為陸源碎屑巖中鑭的豐度（38.99 μg/g）;TCo為陸源碎屑巖中鈷的豐度（4.68 μg/g）;h為古水深（m）。

經(jīng)過該研究區(qū)的數(shù)據(jù)分析計(jì)算，該區(qū)水深為3.23～81.24 m，平均深度為18.29 m，僅有2個(gè)樣品相對較高。表明整體水體深度較淺，一般小于20 m。

3.4" 古氣候分析

沉積物中的微量元素含量與當(dāng)時(shí)的氣候環(huán)境密切相關(guān)，因此，可以用微量元素地球化學(xué)指標(biāo)來指示當(dāng)時(shí)的氣候環(huán)境變化[4，19]，如在潮濕的氣候條件下，沉積物中相對富集Cr、Ni、Mn、Cu、Fe、Ba、Br、Co、Cs、Hf、Rb、Sc和Th等元素;而在干燥的氣候條件下，則相對富集Sr、Pb、Au、As、Ca、Na、TA、U、Zn、Mg、Mo和B等元素[3]。某些元素的比值也通常用來作為指示氣候的指標(biāo)，如Sr/Cu小于10，Sr的化學(xué)性質(zhì)比較活潑，隨著風(fēng)化程度的加強(qiáng)，容易從礦物中淋濕，因此Sr/Cu的比值越小，則指示當(dāng)時(shí)的氣候環(huán)境越溫暖濕潤;若大于10，則表示當(dāng)時(shí)氣候比較干燥炎熱[20-21]。該研究區(qū)數(shù)據(jù)表明：樣品中Sr/Cu的比值最小值為1.70，最大值為11.63，平均值為6.22。說明研究區(qū)整體上氣候表現(xiàn)為溫暖濕潤。

4" 結(jié)論

通過分析酒泉盆地胳塘溝組微量元素地球化學(xué)特征，討論了研究區(qū)的古鹽度、氧化還原情況、古水深及古氣候特征，得出以下結(jié)論。

1）根據(jù)對樣品的古鹽度分析，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示出研究區(qū)Sr/Ba比值為0.17，環(huán)境為淡水環(huán)境。

2）根據(jù)對樣品的氧化還原環(huán)境分析，數(shù)據(jù)結(jié)果指示研究區(qū)U/Th均值為0.27，δU均值為0.85，V/（V+Ni）均值為0.77，這些指標(biāo)均指示當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境為氧化環(huán)境。

3）根據(jù)對樣品古水深的分析，顯示該區(qū)整體水體深度較淺，一般小于20 m。

4）根據(jù)對樣品的古氣候的分析，顯示該區(qū)表現(xiàn)出溫暖濕潤的氣候環(huán)境。

該研究區(qū)巖性特征主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、砂巖，顏色主要表現(xiàn)為紫紅色、棕黃色、土黃色和灰白色，表現(xiàn)出溫暖濕潤的氣候。

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基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（41862008）;云南國土資源職業(yè)學(xué)院教師科研項(xiàng)目（2024YJ18）

第一作者簡介：于秋蓮（1985-），女，理學(xué)碩士，講師。研究方向?yàn)榈厍蚧瘜W(xué)。

*通信作者：張展適（1966-），女，博士，教授。研究方向?yàn)榈厍蚧瘜W(xué)。