鄂尔多斯盆地西南部环河组泥岩的地球化学特征及其古环境意义

《ACS Omega》：Geochemical Characteristics of Mudstone in the Huanhe Formation in the Southwestern Ordos Basin and Their Paleoenvironmental Significance

　　

沉积岩中的微量元素和稀土元素（REE）与沉积环境密切相关，尤其是泥岩。对泥岩进行微量元素分析是研究古沉积环境的有效手段。鄂尔多斯盆地西南部的白垩纪是地质史上的重要时期；然而，其地球化学特征和古环境研究仍相对薄弱。研究人员选取镇原地区环河组为研究对象。基于主量元素、微量元素和REE等地球化学分析方法，探讨了地球化学特征对其沉积古环境的指示意义。研究结果表明，化学蚀变指数（CIA）和气候指数（C）含量、镓/铷比（Ga/Rb）和氧化钾/氧化铝（K₂O/Al₂O₃）指示了温暖湿润的环境。氧化钙（CaO）和氧化镁（MgO）含量也支持泥岩经历了干燥气候条件，蒸发强烈。铬（Cr）和钒/钒+镍比（V/(V+Ni)）指示了贫氧到缺氧条件。镍/钴比（Ni/Co）与钒/铬比（V/Cr）的关系表明沉积环境为氧化条件。环河组沉积于贫氧到缺氧的环境中，在某些时期也存在氧化环境。锶/钡比（Sr/Ba）和钍/铀比（Th/U）指示沉积于咸水环境。

**论文解读：鄂尔多斯盆地西南部环河组泥岩地球化学特征及其古环境意义**

**研究背景与问题**

鄂尔多斯盆地作为中国北方重要的多旋回叠合盆地，其白垩系地层记录了关键的地质演化信息。然而，对于盆地西南部环河组（K₁h）泥岩的古环境研究尚显薄弱，尤其在古气候演变、氧化还原条件、古盐度及古水深等方面缺乏系统性约束。此外，该地区铀矿化与沉积环境的关系尚未明确，限制了盆地南部铀成矿潜力的评价。本研究旨在通过元素地球化学分析，揭示环河组泥岩的沉积古环境，并探讨其对铀矿化的指示意义。

**研究内容与结论**

研究人员采集了镇原地区ZK H5钻孔中环河组的26个泥岩岩心样品，系统分析了主量元素、微量元素及稀土元素（REE）的地球化学特征。通过计算化学蚀变指数（CIA）、气候指数（C）、富集因子（EF）以及多种元素比值（如Ga/Rb、K₂O/Al₂O₃、V/(V+Ni)、V/Cr、Ni/Co、Sr/Ba、Th/U、Ce/Ce^*等），并结合交会图与标准化模式，恢复了古气候、古氧化还原、古盐度、古水深、古水动力及古生产力条件。研究得出以下主要结论：环河组泥岩形成于温暖湿润但伴有干旱蒸发的气候背景；沉积环境总体为贫氧至缺氧，但存在氧化波动；水体为半咸水至咸水；古水深以中深湖为主；古生产力整体较低。基于古环境分析，研究人员提出该区铀成矿分为两个阶段：暖湿气候下铀的活化迁移与预富集，以及深部还原流体上升导致的铀沉淀与富集。该研究为理解鄂尔多斯盆地南部环河组的沉积环境及其铀成矿潜力提供了重要依据。论文发表在《ACS Omega》。

**关键技术方法**

本研究主要采用以下技术方法：1）X射线荧光光谱法（XRF）测定主量元素含量；2）电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）测定微量元素及稀土元素含量；3）利用富集因子（EF）评价元素相对标准页岩（AS）的富集程度；4）通过化学蚀变指数（CIA）和气候指数（C）公式定量评估古气候；5）运用多种元素比值（如Ga/Rb、K₂O/Al₂O₃、V/Cr、Ni/Co、V/(V+Ni)、Sr/Ba、Th/U、Ce/Ce^*等）构建古环境判别图版。样品全部来自镇原地区ZK H5钻孔，共26件泥岩岩心样品。

**研究结果**

**5.1 主量元素特征**
研究显示，环河组泥岩主量元素以SiO₂（平均52.31%）和Al₂O₃（平均14.55%）为主，CaO含量变化较大（0.6%–15.5%），MgO相对稳定。通过对比上陆壳（UCC）和后太古代澳大利亚平均页岩（PAAS），发现Al₂O₃、Fe₂O₃等元素含量与标准值接近，但CaO和MgO的异常分布反映了蒸发作用的影响。

**5.2 微量元素特征**
微量元素中，Sc、Ga、Rb、B、Th、U、Zr、Hf相对于平均页岩（AS）呈现富集（EF>1），其他元素无明显富集。富集因子分析表明，U、V等氧化还原敏感元素的富集受沉积环境控制。

**5.3 稀土元素特征**
稀土元素总量（ΣREE）范围为134.685–230.965 ppm，平均183.609 ppm，轻稀土（LREE）明显富集，重稀土（HREE）亏损。球粒陨石标准化后显示右倾配分模式，(La/Yb)_N平均值为11.109，表明源岩为长英质岩石。

**7.1 铕负异常的指示意义**
明显的Eu负异常（δEu<1）主要继承自源区（长英质壳岩），而非沉积环境氧化还原条件所致，因为浅海至半深湖环境的氧逸度不足以使Eu³⁺富集。

**7.2 古气候**
CIA值（64.7–72.0，平均68.67）和C值（0.073–0.529，平均0.297）指示温暖湿润气候，但CaO/MgO比值（CaO平均5.65% > MgO平均4.06%）表明存在干燥蒸发条件。Ga/Rb与K₂O/Al₂O₃交会图进一步证实泥岩沉积于温暖/湿润环境。

**7.3 古氧化还原条件**
Cr含量（40.9–99.2 ppm，平均67 ppm）和V/(V+Ni)值（0.64–0.83，平均0.75）指示贫氧至缺氧环境。Ni/Co与V/Cr交会图显示样品落在氧化区，而U/Th（0.07–0.9，平均0.31）和V/Cr（1.17–2.08，平均1.57）指示氧化条件。Ce/Ce^*（0.77–0.93，平均0.86）与Pr/Pr^*交会图显示表观负Ce异常由La富集引起，反映亚缺氧至缺氧条件。综合表明环河组沉积环境在贫氧-缺氧与氧化之间波动。

**7.4 古盐度**
(Fe₂O₃+CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃)比值>0.23，Sr/Ba>0.5，Th/U（2–7）以及B/Ga与CaO/(CaO+Fe₂O₃)交会图均指示半咸水至咸水环境。

**7.5 古水动力**
Zr/Rb值（0.96–1.93，平均1.29）显示沉积早期水动力较弱，中期增强，后期恢复稳定，与泥岩中较少交互层一致。

**7.6 古水深**
Zr/Al（23.49×10^–4）和Rb/K（33.28×10^–4）的垂向变化表明水深先降后升。MnO含量（0.03%–0.18%，平均0.06%）指示中深湖环境。

**7.7 陆源碎屑输入**
Al₂O₃（9.37%–19.1%）和TiO₂（0.33%–0.73%）含量表明陆源碎屑输入先增后减，且整体较少，与岩石学观察一致。

**7.8 古生产力**
P/Ti（0.19%–2.22%，平均0.34%）反映古生产力整体较低，垂向上先升后降，与还原物质缺乏的岩性特征相符。

**7.9 古环境对铀矿化的指示**
温暖湿润气候有利于含铀源岩风化，低盐度咸水环境促进铀溶解迁移。与北部东胜地区不同，南部环河组缺乏碳质碎屑等还原介质，但深部油气沿断裂上升形成还原障，促进铀沉淀富集。铀成矿分为活化迁移预富集和还原流体上升沉淀两个阶段。

**总结与结论**

研究人员通过元素地球化学分析，系统恢复了环河组泥岩的古环境。**结论翻译**：通过环河组泥岩的元素地球化学分析，获得了以下认识：基于多种古气候指标如CIA和C含量、Ga/Rb和K₂O/Al₂O₃，推断为温暖湿润环境。CaO相对于MgO的高浓度也支持泥岩面临干燥气候和强烈蒸发条件。高Cr值（40.9–99.2）和V/(V+Ni)指示贫氧到缺氧条件。Ni/Co vs V/Cr关系指示沉积环境为氧化条件。环河组沉积于贫氧到缺氧环境，在某些时期也存在氧化环境。这有利于源岩中铀在风化带的活化迁移，以及含氧含铀流体的形成。Sr/Ba和Th/U比值指示环河组沉积于半咸水和海相咸水条件。这有利于已活化铀在水体中的持续溶解，从而增加水体中铀含量。与北部相比，鄂尔多斯盆地南部的环河组砂岩相对缺乏还原介质（如碳质碎屑）。本研究识别出南部地区铀富集的两个阶段：活化-迁移预富集阶段和还原流体向上迁移沉淀富集阶段。