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[摘 要]本文从微量元素地球化学特征入手，分析了银根-额济纳旗及邻区石炭～二叠纪沉积环境及其演化。相当硼含量及其变化特征表明，研究区石炭～二叠纪为海相环境，海平面处于不断升降变化之中，且经历了三次较大的海侵作用；Mn、V、Ni、U、Co和Mo等元素及响应比值特征均反映出沉积水体处于氧化～弱还原环境，并与海侵作用相对应，经历了三次还原过程；埋汗哈达组、菊石滩组及哈尔苏海群下岩段沉积时期，水体盐度高且还原性较强，暗色泥岩发育，有机质含量较高。
[关键词]石炭～二叠系；微量元素；地球化学特征；沉积环境；银根-额济纳旗
中图分类号：P58 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）44-0307-02
银根～额济纳旗地处内蒙古西部，面积约12.3×104km2[1]。近年来地质调查证实，区内石炭～二叠系暗色泥质岩类发育，油气地质前景良好[1]，但对这套地层的沉积环境及其演化尚没有开展过相关研究。基于此，本文从古地理背景研究分析入手，借助沉积物微量元素变化特征，探讨本区石炭～二叠纪古环境及其演化历程。
1、区域地质概况
石炭纪～二叠纪，银根～额济纳旗及邻区处于板内裂陷阶段，先后于早、中石炭世及早二叠世两次发生张裂作用[3]，形成了厚度巨大的碎屑岩～碳酸盐岩～火山岩混合沉积，形成了东西两套不同的地层系统[4、5]。本次研究主要包括阿木山组、埋汗哈达组、阿其德组、菊石滩组及哈尔苏海群，其沉积相以浅海陆棚相为主，暗色泥岩非常发育，砂质含量较低，发育块状构造、水平层理和页理，显示水体覆水较深。
2.微量元素地球化学特征分析及讨论
2.1样品与测试
本次采取了暗色泥质岩类露头样品57件，岩性主要为暗色泥岩、含粉砂泥岩及碳质泥岩。采集样品时，尽量保证样品的新鲜及代表性，避开副矿物等干扰，遵照有关标准统一缩分样品。样品分析测试在西安地质矿产研究所实验测试中心完成，测试了B、Ga、Sr、Ba、V、Ni、U、Th、Co、Mo、Mn等11個沉积环境敏感元素含量。
2.2分析与结果讨论
2.2.1硼含量与古盐度
测试结果显示，除去少数样品外，大多数样品相当硼含量介于125～293×10～6之间（约占93%），均值183.48×10～6。
一般认为，沉积物中硼含量与沉积介质古盐度存在正相关关系[6]，泥质岩中相当硼含
量大于400×10～6指示超盐度环境，300～400×10～6指示正常海相，200～300×10～6指示半咸水沉积，而小于200×10～6指示低盐度环境[14]。除受古盐度影响外，泥岩中的硼含量主要受沉积速率等因素的影响[14]。过高的沉积速率会阻碍粘土矿物对硼的吸收，进而降低沉积物中硼的含量。张湘君[15]对我国东海近代泥质沉积物中硼含量的研究也表明，正常海相泥质沉积物中相当硼含量下限最低可达175×10～6。
研究区石炭～二叠纪各地层单元中相当硼含量较正常海相值低，推测与本区裂谷环境且较高的沉积速率有关。尽管如此，样品中的相当硼含量仍指示了海相环境。这也与各地层单元中均大量发育海百合、珊瑚、蜓、腕足等海相生物化石的特征相吻合。
相当硼含量垂向变化特征
测试及统计结果表明，垂向上，样品相当硼含量具有以下特征：1）埋汗哈达组、古硐井处菊石滩组及哈尔苏海群下岩段相当硼含量高于阿木山组、阿其德组、芦草井菊石滩组及哈尔苏海群上岩段的相当硼含量；2）各地层单元中，其相当硼含量大多具有突然增大，后逐渐减小的韵律性变化特征。如埋汗哈达组，相当硼含量表现为两个增大—减小的韵律变化，其后相当硼含量突然增大，而后又逐渐较小。
鉴于本区石炭～二叠纪整体上处于海相环境，因此，其地层中相当硼含量变化即意味着沉积介质古盐度的变化。相当硼含量增加，则沉积水体盐度增大，意味着海侵作用的加强以及淡水影响的减弱。由此可以推知，研究区在埋汗哈达组、古硐井处菊石滩组及哈尔苏海群下岩段沉积时期经历了三次较大的海侵作用。
相当硼含量突然增加及缓慢减小的韵律性变化特征表明，研究区石炭～二叠纪海平面处于不断升降的韵律性变化之中，并且具有突发性海进及缓慢性海退的特征。海平面突然上升时期，沉积水体迅速加深，陆缘碎屑物质供给不足，暗色泥质岩类发育；而后海平面缓慢下降，陆缘碎屑物质供给逐步增加，砂质成分逐渐升高。
2.2.2微量元素与氧化还原环境
测试结果显示，除个别样品外，大多数样品中Mn元素含量介于87.38×10～6～810.70×10～6之间（91%），均值362.64×10～6。与地壳中Mn元素含量相比（130×10～6，数据据黎彤[8]），绝大多数样品的Mn元素表现为富集；U元素及部分样品中Mo元素也表现为轻微富集，V、Ni及Co元素均表现为轻度亏损。样品U/Th及Ni/Co比值分别落在0.21-0.52及1.40-7.08之间（表2），而V/（V+Ni）主要介于0.43～0.84之间（约占80%）。
微量元素中的许多元素特别是变价元素对沉积环境中氧化/还原条件的改变非常敏感，常作为沉积环境氧化还原条件判别的指标。如Mn、V、Ni、U、Mo和Co等元素。
Mn在矿物及自然界水体中常常以Mn2+，Mn3+及Mn6+的形式存在，在海水中通常以
Mn2+及MnCl+为主。但Mn2+热力学性质不稳定，在氧存在的情况下，容易被氧化成三价锰及六价锰的氧化物而沉淀[9]。在深海环境中，锰常以高价态氧化物沉淀。但在大陆边缘沉积物中，有机质的高沉积速率常形成厌氧环境，表层富氧环境水体沉淀的高价锰氧合物，在还原作用影响下进入孔隙水或底层沉积物中而富集[8]。V、Ni、U、Mo和Co等元素的化学性质则与Mn相反，它们在氧化环境中以高价态离子的形式溶解运移，在还原环境中以低价态氧化物形式沉淀。但Calvert[10]的研究却表明，真正的缺氧环境和由于有机物快速埋藏的富氧条件下的“假缺氧”均可以造成上述元素的富集。因此，仅仅这些元素的富集并不能说明缺氧环境。相反，若表现为亏损，那么就可以推断当时为氧化环境。 由此可知，样品中U及Mo元素的轻微富集并不能表明当时处于还原环境，但V、Ni及Co元素的轻度亏损却可以证实研究区石炭二叠纪整体上处于弱氧化环境。
Ni/Co、U/Th及V/（V+Ni）等微量元素比值特征也常用来进行沉积环境氧化还原性质的判别[11]。一般认为，还原环境中，Ni/Co、U/Th及V/（V+Ni）分别大于7、1.25和0.84，弱还原环境中分别在5.00～7.00、0.75～1.25和0.54～0.72之间，而氧化环境下分别小于5.00、0.75及0.46～0.60之间。样品U/Th与Ni/Co比值特征表明研究区石炭～二叠纪整体上处于氧化～弱还原环境，V/（V+Ni）比值表明当时水体主要处于贫氧至厌氧环境。
因此，通过样品中Mn、V、Ni、U、Mo和Co等元素含量及Ni/Co、U/Th与V/（V+Ni）比值特征可知，研究区石炭～二叠纪整体上处于氧化环境～弱环境之间。
垂向上，样品中V、Ni、U、Mo和Co微量元素含量及其比值具有如下特征：1）在埋汗哈达组、古硐井菊石滩组及哈尔苏海群下岩段，V、Ni、U、Mo、Co元素含量及U/Th、Ni/Co比值等处较高，而Ga、Ba及Th含量则相对较小；2）各地层单元中V、Ni、U、Co及Mo元素含量大体表现为突然增大，而后缓慢减小的韵律性变化特征。
上述特征表明：1）研究区石炭～二叠纪埋汗哈达组、古硐井处菊石滩组及哈尔苏海群下岩段沉积时水介质的还原性相对较强；2）石炭～二叠系沉积时期，区内沉积介质的氧化还原性质处于不断波动之中.
微量元素所反映的沉积介质古氧化还原性质的变化规律与相当硼含量所反映的海平面变化规律基本一致，表明地层中相当硼及V、Ni、U、Co和Mo等元素含量与海侵作用或者海平面变化具有密切的联系。海平面变化不仅对沉积介质古盐度具有较大的影响，而且还对沉积介质氧化还原性质也具有一定的控制作用。在中二叠世早期、晚期及晚二叠世早期（分别对应于埋汗哈达组、菊石滩组及哈尔苏海群下段），经历了三次较大的海侵作用。海侵作用致使沉积水体盐度的增加，进而引起海相浮游生物的大量繁殖，为研究区石炭～二叠系提供了大量的有机质。同时，海侵作用引起水体加深，水体还原性加强，为有机质的保存创造了良好的条件。
3.结论
本文在沉积古地理背景分析基础上，借助泥岩微量元素地球化学特征分析，探讨了银根～额济纳旗及邻区石炭～二叠纪沉积环境及其演化，得到以下几点认识：
（1）相当硼含量及其变化特征表明，研究区石炭～二叠纪为海相环境，海平面处于不断升降的韵律性变化之中，且于中二叠世早期、晚期及晚二叠世经历了三次较大的海侵作用。
（2）Mn、V、Ni、U和Mo元素含量与Ni/Co及U/Th比值特征显示研究区石炭～二叠纪处于氧化环境～弱还原环境之间，且与三次海侵作用相对应，经历了三次较为明显的还原过程。
（3）埋汗哈达组、菊石滩组及哈尔苏海群下岩段沉积时期，水体盐度高且还原性较强，暗色泥岩发育，有机质含量较高，砂体分布较广，是油气勘探的有利层位。
参考文献
[1]卫平生，张虎权，林卫东等.银根—额济纳旗盆地油气勘探远景[J].天然气工业，2005，25（3）：7-10.
[2]卢进才，陈高潮，魏仙样，等.2011.内蒙古西部额济纳旗及邻区石炭系—二叠系沉积建造与生烃条件——石炭系—二叠系油气地质条件研究之一[J].地质通报， 30（6）：811-826.
[3]左国朝，李茂松.甘蒙北山地区早古生代岩石圈形成與演化[M].兰州：甘肃科学技术出版社，1996.
[4]《中国地层典》编委会.中国地层典（二叠系）[M].北京：地质出版社，2000.
[5]李文国等.内蒙古岩石地层清理[M].武汉：中国地质大学出版社，1996.
[6]刘宝珺，曾允孚等.岩相古地理基础和工作方法[M].北京：地质出版社.1985，210-237.
[7]张湘君.利用硼作为古环境指标的探讨[J].海洋与湖沼，1987，18（6）：583-588.
[8]黎彤，倪守斌.地球和地壳的化学元素丰度[M].北京：地质出版社，1990：44-51.
[9]腾格尔，刘文汇，徐永昌等.缺氧环境及地球化学判识标志的探讨—以鄂尔多斯盆地为例[J].沉积学报，2004，22（2）：365-372.
[10]Calvert S.E.，Pedersen T.F.Geochemistry of Recent oxic and anoxic marine sediments： Implications for the geological record[J].Marine Geology，1993，113：67-88.
[11]胡修棉，王成善.古海洋溶解氧研究方法综述[J].地球科学进展，2001，16（1）：65-71.
作者简介
陈登超（1985-），男，汉，山东德州人，硕士，中国石化胜利油田勘探开发研究院，沉积学、层序地层学研究.
[关键词]石炭～二叠系；微量元素；地球化学特征；沉积环境；银根-额济纳旗
中图分类号：P58 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）44-0307-02
银根～额济纳旗地处内蒙古西部，面积约12.3×104km2[1]。近年来地质调查证实，区内石炭～二叠系暗色泥质岩类发育，油气地质前景良好[1]，但对这套地层的沉积环境及其演化尚没有开展过相关研究。基于此，本文从古地理背景研究分析入手，借助沉积物微量元素变化特征，探讨本区石炭～二叠纪古环境及其演化历程。
1、区域地质概况
石炭纪～二叠纪，银根～额济纳旗及邻区处于板内裂陷阶段，先后于早、中石炭世及早二叠世两次发生张裂作用[3]，形成了厚度巨大的碎屑岩～碳酸盐岩～火山岩混合沉积，形成了东西两套不同的地层系统[4、5]。本次研究主要包括阿木山组、埋汗哈达组、阿其德组、菊石滩组及哈尔苏海群，其沉积相以浅海陆棚相为主，暗色泥岩非常发育，砂质含量较低，发育块状构造、水平层理和页理，显示水体覆水较深。
2.微量元素地球化学特征分析及讨论
2.1样品与测试
本次采取了暗色泥质岩类露头样品57件，岩性主要为暗色泥岩、含粉砂泥岩及碳质泥岩。采集样品时，尽量保证样品的新鲜及代表性，避开副矿物等干扰，遵照有关标准统一缩分样品。样品分析测试在西安地质矿产研究所实验测试中心完成，测试了B、Ga、Sr、Ba、V、Ni、U、Th、Co、Mo、Mn等11個沉积环境敏感元素含量。
2.2分析与结果讨论
2.2.1硼含量与古盐度
测试结果显示，除去少数样品外，大多数样品相当硼含量介于125～293×10～6之间（约占93%），均值183.48×10～6。
一般认为，沉积物中硼含量与沉积介质古盐度存在正相关关系[6]，泥质岩中相当硼含
量大于400×10～6指示超盐度环境，300～400×10～6指示正常海相，200～300×10～6指示半咸水沉积，而小于200×10～6指示低盐度环境[14]。除受古盐度影响外，泥岩中的硼含量主要受沉积速率等因素的影响[14]。过高的沉积速率会阻碍粘土矿物对硼的吸收，进而降低沉积物中硼的含量。张湘君[15]对我国东海近代泥质沉积物中硼含量的研究也表明，正常海相泥质沉积物中相当硼含量下限最低可达175×10～6。
研究区石炭～二叠纪各地层单元中相当硼含量较正常海相值低，推测与本区裂谷环境且较高的沉积速率有关。尽管如此，样品中的相当硼含量仍指示了海相环境。这也与各地层单元中均大量发育海百合、珊瑚、蜓、腕足等海相生物化石的特征相吻合。
相当硼含量垂向变化特征
测试及统计结果表明，垂向上，样品相当硼含量具有以下特征：1）埋汗哈达组、古硐井处菊石滩组及哈尔苏海群下岩段相当硼含量高于阿木山组、阿其德组、芦草井菊石滩组及哈尔苏海群上岩段的相当硼含量；2）各地层单元中，其相当硼含量大多具有突然增大，后逐渐减小的韵律性变化特征。如埋汗哈达组，相当硼含量表现为两个增大—减小的韵律变化，其后相当硼含量突然增大，而后又逐渐较小。
鉴于本区石炭～二叠纪整体上处于海相环境，因此，其地层中相当硼含量变化即意味着沉积介质古盐度的变化。相当硼含量增加，则沉积水体盐度增大，意味着海侵作用的加强以及淡水影响的减弱。由此可以推知，研究区在埋汗哈达组、古硐井处菊石滩组及哈尔苏海群下岩段沉积时期经历了三次较大的海侵作用。
相当硼含量突然增加及缓慢减小的韵律性变化特征表明，研究区石炭～二叠纪海平面处于不断升降的韵律性变化之中，并且具有突发性海进及缓慢性海退的特征。海平面突然上升时期，沉积水体迅速加深，陆缘碎屑物质供给不足，暗色泥质岩类发育；而后海平面缓慢下降，陆缘碎屑物质供给逐步增加，砂质成分逐渐升高。
2.2.2微量元素与氧化还原环境
测试结果显示，除个别样品外，大多数样品中Mn元素含量介于87.38×10～6～810.70×10～6之间（91%），均值362.64×10～6。与地壳中Mn元素含量相比（130×10～6，数据据黎彤[8]），绝大多数样品的Mn元素表现为富集；U元素及部分样品中Mo元素也表现为轻微富集，V、Ni及Co元素均表现为轻度亏损。样品U/Th及Ni/Co比值分别落在0.21-0.52及1.40-7.08之间（表2），而V/（V+Ni）主要介于0.43～0.84之间（约占80%）。
微量元素中的许多元素特别是变价元素对沉积环境中氧化/还原条件的改变非常敏感，常作为沉积环境氧化还原条件判别的指标。如Mn、V、Ni、U、Mo和Co等元素。
Mn在矿物及自然界水体中常常以Mn2+，Mn3+及Mn6+的形式存在，在海水中通常以
Mn2+及MnCl+为主。但Mn2+热力学性质不稳定，在氧存在的情况下，容易被氧化成三价锰及六价锰的氧化物而沉淀[9]。在深海环境中，锰常以高价态氧化物沉淀。但在大陆边缘沉积物中，有机质的高沉积速率常形成厌氧环境，表层富氧环境水体沉淀的高价锰氧合物，在还原作用影响下进入孔隙水或底层沉积物中而富集[8]。V、Ni、U、Mo和Co等元素的化学性质则与Mn相反，它们在氧化环境中以高价态离子的形式溶解运移，在还原环境中以低价态氧化物形式沉淀。但Calvert[10]的研究却表明，真正的缺氧环境和由于有机物快速埋藏的富氧条件下的“假缺氧”均可以造成上述元素的富集。因此，仅仅这些元素的富集并不能说明缺氧环境。相反，若表现为亏损，那么就可以推断当时为氧化环境。 由此可知，样品中U及Mo元素的轻微富集并不能表明当时处于还原环境，但V、Ni及Co元素的轻度亏损却可以证实研究区石炭二叠纪整体上处于弱氧化环境。
Ni/Co、U/Th及V/（V+Ni）等微量元素比值特征也常用来进行沉积环境氧化还原性质的判别[11]。一般认为，还原环境中，Ni/Co、U/Th及V/（V+Ni）分别大于7、1.25和0.84，弱还原环境中分别在5.00～7.00、0.75～1.25和0.54～0.72之间，而氧化环境下分别小于5.00、0.75及0.46～0.60之间。样品U/Th与Ni/Co比值特征表明研究区石炭～二叠纪整体上处于氧化～弱还原环境，V/（V+Ni）比值表明当时水体主要处于贫氧至厌氧环境。
因此，通过样品中Mn、V、Ni、U、Mo和Co等元素含量及Ni/Co、U/Th与V/（V+Ni）比值特征可知，研究区石炭～二叠纪整体上处于氧化环境～弱环境之间。
垂向上，样品中V、Ni、U、Mo和Co微量元素含量及其比值具有如下特征：1）在埋汗哈达组、古硐井菊石滩组及哈尔苏海群下岩段，V、Ni、U、Mo、Co元素含量及U/Th、Ni/Co比值等处较高，而Ga、Ba及Th含量则相对较小；2）各地层单元中V、Ni、U、Co及Mo元素含量大体表现为突然增大，而后缓慢减小的韵律性变化特征。
上述特征表明：1）研究区石炭～二叠纪埋汗哈达组、古硐井处菊石滩组及哈尔苏海群下岩段沉积时水介质的还原性相对较强；2）石炭～二叠系沉积时期，区内沉积介质的氧化还原性质处于不断波动之中.
微量元素所反映的沉积介质古氧化还原性质的变化规律与相当硼含量所反映的海平面变化规律基本一致，表明地层中相当硼及V、Ni、U、Co和Mo等元素含量与海侵作用或者海平面变化具有密切的联系。海平面变化不仅对沉积介质古盐度具有较大的影响，而且还对沉积介质氧化还原性质也具有一定的控制作用。在中二叠世早期、晚期及晚二叠世早期（分别对应于埋汗哈达组、菊石滩组及哈尔苏海群下段），经历了三次较大的海侵作用。海侵作用致使沉积水体盐度的增加，进而引起海相浮游生物的大量繁殖，为研究区石炭～二叠系提供了大量的有机质。同时，海侵作用引起水体加深，水体还原性加强，为有机质的保存创造了良好的条件。
3.结论
本文在沉积古地理背景分析基础上，借助泥岩微量元素地球化学特征分析，探讨了银根～额济纳旗及邻区石炭～二叠纪沉积环境及其演化，得到以下几点认识：
（1）相当硼含量及其变化特征表明，研究区石炭～二叠纪为海相环境，海平面处于不断升降的韵律性变化之中，且于中二叠世早期、晚期及晚二叠世经历了三次较大的海侵作用。
（2）Mn、V、Ni、U和Mo元素含量与Ni/Co及U/Th比值特征显示研究区石炭～二叠纪处于氧化环境～弱还原环境之间，且与三次海侵作用相对应，经历了三次较为明显的还原过程。
（3）埋汗哈达组、菊石滩组及哈尔苏海群下岩段沉积时期，水体盐度高且还原性较强，暗色泥岩发育，有机质含量较高，砂体分布较广，是油气勘探的有利层位。
参考文献
[1]卫平生，张虎权，林卫东等.银根—额济纳旗盆地油气勘探远景[J].天然气工业，2005，25（3）：7-10.
[2]卢进才，陈高潮，魏仙样，等.2011.内蒙古西部额济纳旗及邻区石炭系—二叠系沉积建造与生烃条件——石炭系—二叠系油气地质条件研究之一[J].地质通报， 30（6）：811-826.
[3]左国朝，李茂松.甘蒙北山地区早古生代岩石圈形成與演化[M].兰州：甘肃科学技术出版社，1996.
[4]《中国地层典》编委会.中国地层典（二叠系）[M].北京：地质出版社，2000.
[5]李文国等.内蒙古岩石地层清理[M].武汉：中国地质大学出版社，1996.
[6]刘宝珺，曾允孚等.岩相古地理基础和工作方法[M].北京：地质出版社.1985，210-237.
[7]张湘君.利用硼作为古环境指标的探讨[J].海洋与湖沼，1987，18（6）：583-588.
[8]黎彤，倪守斌.地球和地壳的化学元素丰度[M].北京：地质出版社，1990：44-51.
[9]腾格尔，刘文汇，徐永昌等.缺氧环境及地球化学判识标志的探讨—以鄂尔多斯盆地为例[J].沉积学报，2004，22（2）：365-372.
[10]Calvert S.E.，Pedersen T.F.Geochemistry of Recent oxic and anoxic marine sediments： Implications for the geological record[J].Marine Geology，1993，113：67-88.
[11]胡修棉，王成善.古海洋溶解氧研究方法综述[J].地球科学进展，2001，16（1）：65-71.
作者简介
陈登超（1985-），男，汉，山东德州人，硕士，中国石化胜利油田勘探开发研究院，沉积学、层序地层学研究.