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[摘要]为研究淮南沉积环境，介绍了地球化学示踪方法，并以淮南丁集煤矿为实例，通过研究沉积岩或沉积物中各常量、微量元素及各种同位素特征，来示踪古沉积环境，以了解当时的沉积特征。
[关键词]地球化学示踪 沉积环境 硼元素法
[中图分类号] P611.2+2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-6-215-1
0前言
淮南煤田位于华北石炭二叠纪巨型聚煤坳陷的东南隅，在秦岭东西向构造带的北缘。地理位置在安徽省北部淮河两岸。含煤地层属石炭二叠纪，但主要开采对象为二叠纪煤层。沉积环境，作为沉积学研究的主要内容，作为对沉积环境研究手段的补充与完善，利用沉积岩或沉积物在沉积-成岩过程中所含元素及同位素迁移、聚集与分布规律来判定和恢复沉积环境越来越成为沉积学研究的重要手段。
1陆相沉积与海相沉积（古盐度）的地球化学示踪
1.1Sr/Ba法
与Sr比较，元素Ba的化合物溶解度要低。当陆相淡水流入海洋中时，与海水混合，淡水中携带的Sr和Ba分别与海水中丰富的SO42-离子反应并生成SrSO4和BaSO4，但是由于BaSO4的溶解度相比于SrSO4要小，所以通常SrSO4较BaSO4迁移得远，至远海通过生物作用的途径沉积下来。通过计算Sr/Ba比值，可以间接地对陆相沉积与海相沉积加以区别，海相沉积一般更富Sr。
1.2硼元素法
一般而言，海相环境下硼质量分数为80×10-6～125×10-6，而淡水环境下硼质量分数多小于60×10-6。利用硼质量分数，可以对古盐度进行定量计算，常用的计算公式通常有两个：①Adams公式：Sp=0.0977x-7.043，式中Sp表示古盐度（‰），x代表相当“硼质量分数”（计算古盐度时需转换成10-6）；②Couch公式：lgSp=（lgB-0.11）/1.28，式中Sp表示古盐度（‰），B代表校正“硼质量分数”（计算古盐度时需转换成10-6）
1.3沉积磷酸盐法
钙盐与铁盐的相对比值与盐度具有密切关系，美国学者Nelson总结如下计算公式：FCa-p=0.09+0.26×盐度（‰），其中FCa-p（磷酸钙组分）=磷酸钙/（磷酸铁+磷酸钙）。其原理主要是基于元素Fe和Ca在水中迁移习性的不同。
1.4碳、氧同位素法
Keith和Weber在对数百个侏罗纪以来沉积的海相灰岩和淡水灰岩同位素测定的基础上，提出了一个同位素系数（Z）的经验公式：z=2.048·（δ13C+50）+0.498·（δ18O+50），若Z>120，则为海相灰岩；若Z<120，则为淡水灰岩。此外，单独利用碳、氧同位素也可用于古盐度的恢复，淡水沉积物中δ13C（‰）大多在-5‰～15‰范围内；反之，在海相灰岩中，δ13C在-5‰～5‰范围内。
1.5钾、钠含量法
水体盐度越高，钾和钠就越易被粘土吸附或进入伊利石晶格，且钾相对钠的吸附量亦越大。因此，K/Na值越大，介质盐度越高。
2工程实例
丁集煤矿位于淮南矿区西北部，设计能力年产5.0Mt，前期开采水平拟定-826m。11、13煤层、B组煤层（4-1，4-2，5-1，5-2，7-1，7-2和8煤层）是该区的主要可采煤层，11、13煤层厚度大，发育稳定，易于对比；B组煤层结构复杂，分叉合并现象明显，厚度变化较大，造成B组煤层对比困难。分析发现B组煤中硼元素能很好地反映该区的沉积环境演化及聚煤规律。
2.1硼元素分布
B组煤质量分数变化情况如图1所示。下部4-1煤层到上部8煤层中硼元素质量分数变化总体上呈现下降的趋势，其中4-1、4-2及5-1煤层中，硼质量分数都高于100mg/kg；5-2、7以及8煤层中，硼质量分数均低于100mg/kg。由此可见，硼元素质量分数的变化反应出该区聚煤环境的不同。
2.2沉积环境分析
由图1不难看出从4-1至8煤层中硼元素质量分数变化的趋势，表明在丁集井田内B组煤形成时泥炭沼泽受海水影响较小，当时沉积水环境的盐度有逐渐减小的趋势。从图中也能看出，由于4-1、4-2及5-1中硼质量分数均高于100mg/kg，表明从4-1到5-1煤层形成的这段时期内，受海水影响相对较大，聚煤环境处于一种海陆交汇相的沉积环境之中；由于5-2、7及8煤层中硼质量分数均低于100mg/kg，说明从5-2到8煤层形成的这段时间内，此时的聚煤环境受海水影响较小，处于陆相沉积体系之中。另外，分析发现，丁集B组煤层硼元素平均质量分数为120mg/kg，这表明该井田区域内B组煤层形成于以咸水为主导且多变的聚煤沉积环境之中。
由图2可知，6个煤层各自的硼平均质量分数虽然都落在半咸水—咸水的范围内，但在纵向上从4-1至8煤层，曲线变化呈上升趋势，这与前人的研究成果是一致的，即从3煤层到8煤层的沉积序列是由水下三角洲到上三角洲的过渡，受海水影响逐渐减弱。值得注意的是，虽然下石盒子组时期，海水入侵纵向上总体逐渐减弱，但海进海退发生频繁。由上述硼元素质量分数指示的沉积环境分析表明：大部分煤层都沉积在半咸水—咸水的环境中，而三角洲沉积一般是在半咸水—淡水的环境。因此其他因素可能导致硼质量分数的升高，如富硼咸水将其所携带的硼带入煤层，同时，频繁海退、海进下的多变环境致使泥炭沼泽没有足够的时间去聚集成稳定的厚煤层，因而形成的部分煤层薄而多变。
3结论
（1）利用元素的地球化学特征，通过地球化学的方法，可以实现对不同沉积环境的判别与示踪。
（2）从4-1至8煤层硼元素质量分数呈现总体下降的趋势，其中4-1，4-2，5-1煤层，硼质量分数高于100mg/kg，受海水影响较大，处于海陆交互相的沉积环境之中；5-2煤层，7煤层和8煤层，硼质量分数均低于100mg/kg，受海水影响小，处于陆相沉积体系之中。
参考文献
[1]姜在兴.沉积学[M].北京：石油工业出版社，2003.
[2]刘刚，周东升.微量元素分析在判别沉积环境中的应用[J].石油实验地质，2007，29（3）：307-314.
[关键词]地球化学示踪 沉积环境 硼元素法
[中图分类号] P611.2+2 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-6-215-1
0前言
淮南煤田位于华北石炭二叠纪巨型聚煤坳陷的东南隅，在秦岭东西向构造带的北缘。地理位置在安徽省北部淮河两岸。含煤地层属石炭二叠纪，但主要开采对象为二叠纪煤层。沉积环境，作为沉积学研究的主要内容，作为对沉积环境研究手段的补充与完善，利用沉积岩或沉积物在沉积-成岩过程中所含元素及同位素迁移、聚集与分布规律来判定和恢复沉积环境越来越成为沉积学研究的重要手段。
1陆相沉积与海相沉积（古盐度）的地球化学示踪
1.1Sr/Ba法
与Sr比较，元素Ba的化合物溶解度要低。当陆相淡水流入海洋中时，与海水混合，淡水中携带的Sr和Ba分别与海水中丰富的SO42-离子反应并生成SrSO4和BaSO4，但是由于BaSO4的溶解度相比于SrSO4要小，所以通常SrSO4较BaSO4迁移得远，至远海通过生物作用的途径沉积下来。通过计算Sr/Ba比值，可以间接地对陆相沉积与海相沉积加以区别，海相沉积一般更富Sr。
1.2硼元素法
一般而言，海相环境下硼质量分数为80×10-6～125×10-6，而淡水环境下硼质量分数多小于60×10-6。利用硼质量分数，可以对古盐度进行定量计算，常用的计算公式通常有两个：①Adams公式：Sp=0.0977x-7.043，式中Sp表示古盐度（‰），x代表相当“硼质量分数”（计算古盐度时需转换成10-6）；②Couch公式：lgSp=（lgB-0.11）/1.28，式中Sp表示古盐度（‰），B代表校正“硼质量分数”（计算古盐度时需转换成10-6）
1.3沉积磷酸盐法
钙盐与铁盐的相对比值与盐度具有密切关系，美国学者Nelson总结如下计算公式：FCa-p=0.09+0.26×盐度（‰），其中FCa-p（磷酸钙组分）=磷酸钙/（磷酸铁+磷酸钙）。其原理主要是基于元素Fe和Ca在水中迁移习性的不同。
1.4碳、氧同位素法
Keith和Weber在对数百个侏罗纪以来沉积的海相灰岩和淡水灰岩同位素测定的基础上，提出了一个同位素系数（Z）的经验公式：z=2.048·（δ13C+50）+0.498·（δ18O+50），若Z>120，则为海相灰岩；若Z<120，则为淡水灰岩。此外，单独利用碳、氧同位素也可用于古盐度的恢复，淡水沉积物中δ13C（‰）大多在-5‰～15‰范围内；反之，在海相灰岩中，δ13C在-5‰～5‰范围内。
1.5钾、钠含量法
水体盐度越高，钾和钠就越易被粘土吸附或进入伊利石晶格，且钾相对钠的吸附量亦越大。因此，K/Na值越大，介质盐度越高。
2工程实例
丁集煤矿位于淮南矿区西北部，设计能力年产5.0Mt，前期开采水平拟定-826m。11、13煤层、B组煤层（4-1，4-2，5-1，5-2，7-1，7-2和8煤层）是该区的主要可采煤层，11、13煤层厚度大，发育稳定，易于对比；B组煤层结构复杂，分叉合并现象明显，厚度变化较大，造成B组煤层对比困难。分析发现B组煤中硼元素能很好地反映该区的沉积环境演化及聚煤规律。
2.1硼元素分布
B组煤质量分数变化情况如图1所示。下部4-1煤层到上部8煤层中硼元素质量分数变化总体上呈现下降的趋势，其中4-1、4-2及5-1煤层中，硼质量分数都高于100mg/kg；5-2、7以及8煤层中，硼质量分数均低于100mg/kg。由此可见，硼元素质量分数的变化反应出该区聚煤环境的不同。
2.2沉积环境分析
由图1不难看出从4-1至8煤层中硼元素质量分数变化的趋势，表明在丁集井田内B组煤形成时泥炭沼泽受海水影响较小，当时沉积水环境的盐度有逐渐减小的趋势。从图中也能看出，由于4-1、4-2及5-1中硼质量分数均高于100mg/kg，表明从4-1到5-1煤层形成的这段时期内，受海水影响相对较大，聚煤环境处于一种海陆交汇相的沉积环境之中；由于5-2、7及8煤层中硼质量分数均低于100mg/kg，说明从5-2到8煤层形成的这段时间内，此时的聚煤环境受海水影响较小，处于陆相沉积体系之中。另外，分析发现，丁集B组煤层硼元素平均质量分数为120mg/kg，这表明该井田区域内B组煤层形成于以咸水为主导且多变的聚煤沉积环境之中。
由图2可知，6个煤层各自的硼平均质量分数虽然都落在半咸水—咸水的范围内，但在纵向上从4-1至8煤层，曲线变化呈上升趋势，这与前人的研究成果是一致的，即从3煤层到8煤层的沉积序列是由水下三角洲到上三角洲的过渡，受海水影响逐渐减弱。值得注意的是，虽然下石盒子组时期，海水入侵纵向上总体逐渐减弱，但海进海退发生频繁。由上述硼元素质量分数指示的沉积环境分析表明：大部分煤层都沉积在半咸水—咸水的环境中，而三角洲沉积一般是在半咸水—淡水的环境。因此其他因素可能导致硼质量分数的升高，如富硼咸水将其所携带的硼带入煤层，同时，频繁海退、海进下的多变环境致使泥炭沼泽没有足够的时间去聚集成稳定的厚煤层，因而形成的部分煤层薄而多变。
3结论
（1）利用元素的地球化学特征，通过地球化学的方法，可以实现对不同沉积环境的判别与示踪。
（2）从4-1至8煤层硼元素质量分数呈现总体下降的趋势，其中4-1，4-2，5-1煤层，硼质量分数高于100mg/kg，受海水影响较大，处于海陆交互相的沉积环境之中；5-2煤层，7煤层和8煤层，硼质量分数均低于100mg/kg，受海水影响小，处于陆相沉积体系之中。
参考文献
[1]姜在兴.沉积学[M].北京：石油工业出版社，2003.
[2]刘刚，周东升.微量元素分析在判别沉积环境中的应用[J].石油实验地质，2007，29（3）：307-314.