三塘湖盆地二疊系陸相熱水沉積方沸石巖特征及成因分析①

李 紅 柳益群 梁 浩 羅權(quán)生 李 瑋 周小虎 焦 鑫 楊 銳 雷 川 孫 芹

(1.大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西北大學(xué)) 西安 710069;2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系 西安 710069; 3.中國(guó)石油吐哈油田公司勘探開發(fā)研究院 新疆哈密 839000;4.中國(guó)科學(xué)院蘭州油氣資源研究中心 蘭州 730000)

三塘湖盆地二疊系陸相熱水沉積方沸石巖特征及成因分析①

李 紅1,2柳益群1,2梁 浩3羅權(quán)生3李 瑋1,2周小虎1,2焦 鑫2楊 銳2雷 川4孫 芹2

(1.大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(西北大學(xué)) 西安 710069;2.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系 西安 710069; 3.中國(guó)石油吐哈油田公司勘探開發(fā)研究院 新疆哈密 839000;4.中國(guó)科學(xué)院蘭州油氣資源研究中心 蘭州 730000)

在新疆三塘湖盆地野外露頭及鉆井中二疊統(tǒng)蘆草溝組(P2l)厚層黑色泥巖中發(fā)現(xiàn)多層白色紋層狀方沸石巖。根據(jù)主要造巖礦物特征,將其大致分為兩類,第一類為方沸鉀長(zhǎng)白云巖,主要造巖礦物包括細(xì)粒方沸石、泥晶鉀長(zhǎng)石(透長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石)、泥晶白云石、泥晶鐵白云石等,碳酸鹽礦物以高的Fe、Mn含量為特征;第二類為方沸硅質(zhì)巖與硅質(zhì)方沸石巖,以細(xì)粒方沸石及泥晶石英為主,含少量碳酸鹽。掃描電鏡觀察方沸石以自形的四角三八面體少見(jiàn),多為它形塊狀或無(wú)定形膠體狀。樣品主量元素以富SiO2、Al2O3、Na2O、貧TiO2為特征,微量元素Th、Nb、Ti強(qiáng)烈虧損,Sr/Nd比值為44.73～831.78,Nb*介于0.02～0.17之間?！芌EE總量偏低7.33～20.619μg/g,LREE/HREE為4.77～ 11.20,δEu 0.60～0.99略具負(fù)異常,δCe 0.96～1.04,基本無(wú)虧損,稀土配分曲線為較平緩的右傾。方沸石巖微量元素、稀土元素配分曲線與研究區(qū)早、中二疊世玄武巖、粗面巖及上地殼有較大差異。87Sr/86Sr介于0.705 118～0.706 438之間,低于同時(shí)期全球海水及中上二疊統(tǒng)海相碳酸鹽的87Sr/86Sr比值,143PNd/144Nd介于0.512 454～0.512 713之間,εNd介于-0.81～3.84之間,表明造巖熱液可能含有幔源組分。通過(guò)詳細(xì)的巖石學(xué)、地球化學(xué)及Sr、Nd同位素研究,認(rèn)為這是一類與陸相裂谷盆地湖底熱泉噴流作用有關(guān)的熱水沉積巖組合,熱液組分除了有殼源物質(zhì)及大氣水等的混入外,可能還有深部物質(zhì)的參與。

三塘湖盆地 中二疊統(tǒng) 陸內(nèi)裂谷 方沸石 地球化學(xué) 湖底熱液 熱水沉積巖

不論是現(xiàn)代還是古代,裂谷及大洋中脊等拉張環(huán)境中的熱水(液)活動(dòng)都非?；钴S,形成豐富多樣的熱水(液)沉積物,造巖熱液的來(lái)源也不盡相同[1～17]。據(jù)報(bào)道,大多數(shù)海相及陸相熱水沉積巖或沉積物的熱液組分可以由大氣水、海水、湖水及地下水等組成[10,13],也可以由前者與盆地內(nèi)部的熱鹵水相混合[14,17～21],或者由前者與相鄰巖體發(fā)生水-巖反應(yīng)后產(chǎn)生的熱液流體構(gòu)成[2～6,12,13,22～27]。能與之發(fā)生水-巖反應(yīng)的巖體既可以包括地殼表層物質(zhì)、陸源沉積巖或表層沉積物[1,11,28,29],也可以是熾熱的巖漿巖體,如花崗巖、輝綠巖、玄武巖[2～6,10,12,13,22～25,27]等。關(guān)于地幔來(lái)源的熱水(液)沉積巖則很少見(jiàn)[16,30]。作者所在的研究團(tuán)隊(duì)近年來(lái)在三塘湖地區(qū)躍進(jìn)溝剖面及盆地五口鉆井中二疊統(tǒng)蘆草溝組湖相暗色泥巖中發(fā)現(xiàn)了多層紋層狀白色巖系,主要造巖礦物為細(xì)粒方沸石、泥晶石英、泥晶鉀長(zhǎng)石、泥晶鐵白云石、泥晶白云石和泥晶方解石等,根據(jù)全巖粉晶X射線衍射及顯微鏡下觀察將這套巖石組合類型分為方沸鉀長(zhǎng)白云巖、方沸硅質(zhì)巖及硅質(zhì)方沸石巖,簡(jiǎn)稱為方沸石巖。本文以露頭剖面及鉆井取芯樣品為研究對(duì)象,通過(guò)詳細(xì)的巖石學(xué)、地球化學(xué)和同位素研究,認(rèn)為這可能是一類與陸相裂谷盆地湖底熱泉噴流作用有關(guān)的熱水沉積巖組合,熱液除了大氣水及殼源組分外,可能主要來(lái)自于幔源物質(zhì)。

1 地質(zhì)背景及采樣

三塘湖盆地位于新疆東北部,是北疆一系列中小型陸相含油氣疊合盆地之一,北與蒙古共和國(guó)鄰接,南隔巴里坤盆地與吐哈盆地相望,整體呈北西-南東向狹長(zhǎng)帶狀展布,面積約23 000 km2(圖1)。盆地夾持于阿爾泰山與克拉麥里-莫?dú)J烏拉山之間,構(gòu)造位置處于西伯利亞板塊與準(zhǔn)噶爾-哈薩克斯坦板塊的碰撞接合部位,是一個(gè)在前早石炭世褶皺基底之上,以發(fā)育晚石炭-中二疊世陸內(nèi)裂谷盆地、晚二疊世-中新生代拗陷盆地及山間拗陷盆地為特點(diǎn)的小型疊合盆地[30]。

圖1 三塘湖盆地區(qū)域位置及方沸石巖分布簡(jiǎn)圖Fig.1 Skeletonmap of the location of Santanghu Basin and the distribution of analcitite

三塘湖盆地晚古生代為洋陸轉(zhuǎn)換的重要時(shí)期,早石炭世以發(fā)育古亞洲洋閉合后的殘留海及海陸交互相的陸源碎屑巖沉積為特點(diǎn)。晚石炭世-中二疊世,在造山后期區(qū)域伸展斷陷背景下,三塘湖地區(qū)進(jìn)入陸內(nèi)裂谷盆地發(fā)育期[31],早二疊世,以發(fā)育同一系列沉積正斷層組合為主要特征,構(gòu)成由斷壘、斷塹等組成的斷陷帶,發(fā)育陸相酸性-基性火山熔巖為主,在火山噴發(fā)間歇期沉積了具有近源快速堆積為特點(diǎn)的由粗向細(xì)演變的陸相及海陸交互相碎屑巖建造。中二疊世,以發(fā)育洪積、沖積扇-河流-湖泊沉積體系及由基性到中性系列的火山巖(玄武巖、安山巖等)為特征。晚二疊世以來(lái),由于經(jīng)歷了多期強(qiáng)烈的擠壓兼走滑構(gòu)造作用的改造,盆地早期的正斷層被反轉(zhuǎn)為一系列不同級(jí)次、不同方向的沖斷及逆沖推覆斷裂。

中二疊統(tǒng)自下而上分為烏拉泊組、井井子溝組、蘆草溝組和條湖組(相當(dāng)于烏魯木齊地區(qū)的紅雁池組,圖2),代表了湖盆初始擴(kuò)張-鼎盛-逐漸消亡的沉積旋回。根據(jù)野外剖面及鉆井巖芯觀察,中二疊世蘆草溝期為湖盆發(fā)育鼎盛期,以濱淺湖-半深湖相沉積為特點(diǎn),發(fā)育以厚層黑色、深灰色泥巖、頁(yè)巖夾薄層泥灰?guī)r、泥云巖、凝灰?guī)r為特征的巖性組合,伴生礦物有黃鐵礦、重晶石等。

本次研究選擇地表躍進(jìn)溝剖面蘆草溝組樣品3件,吐哈油田三塘湖盆地鉆井蘆草溝組樣品5件,合計(jì)8件。所有樣品均為薄層狀,躍進(jìn)溝剖面樣品由老至新編號(hào)依次為:YJG-02(玻屑晶屑凝灰?guī)r)、YJG-11(晶屑凝灰?guī)r)、YJG-15(硅質(zhì)方沸石巖);鉆井方沸石巖樣品采自B-3鉆井,深度1 717～1 722 m之間,取樣編號(hào)與取樣深度依次為:B-3-3(樣品編號(hào)),1 719.56 m;B-3-2,1 720.11 m;B-3-6,1 720.45 m;B-3-4,1 720.61 m; B-3-1,1 720.96 m。

2 方沸石巖組成及結(jié)構(gòu)特征

2.1 方沸石巖宏觀特征

躍進(jìn)溝剖面蘆草溝組方沸石巖主要為厚度2.5 cm左右的灰黃色或黃白色薄層,與灰色泥巖、泥晶灰?guī)r、泥晶白云巖、凝灰?guī)r等互層(圖3A、B、C),其中泥巖與方沸石巖的厚度比例約為10︰1～20︰1,在222 m厚度的剖面上方沸石巖發(fā)育約9層。在鉆井巖芯上方沸石巖為白色薄層,單層厚度約0.5～1.5 cm左右,常與上覆、下伏泥巖、碳酸鹽巖產(chǎn)狀一致。以取樣井B-3井為例,2 m巖芯大致發(fā)育約8～12層,該夾層堅(jiān)硬致密,遇2%稀鹽酸不起泡或微泡。未觀察到與頂、底的黑色泥巖明顯的角度不整合關(guān)系(圖3D、E),盡管鄰井同層位脈體較發(fā)育,該井方沸石巖發(fā)育層段未觀察到有脈體切穿周圍地層特征,初步判斷與周圍暗色泥巖大致同期產(chǎn)出,黑色泥巖內(nèi)化石稀少,偶見(jiàn)細(xì)小的、新疆二疊系廣泛分布的蘆木化石碎片,鄰井相同層位可見(jiàn)魚鱗化石碎片等,說(shuō)明當(dāng)時(shí)沉積水體較深,主體為半深湖沉積。

圖2 三塘湖盆地二疊系地層簡(jiǎn)表(鉆井資料據(jù)吐哈油田,2003)Fig.2 Draft stratigraphic column of Permian in Santanghu Basin (the wells data was according to Turpan-Hami Oil Company,2003)

圖3 三塘湖盆地蘆草溝組及方沸石巖特征A、躍進(jìn)溝剖面蘆草溝組(P2 l),為陸源沉積巖、碳酸鹽巖、凝灰?guī)r及熱水沉積方沸石巖互層,剖面風(fēng)化嚴(yán)重;B、躍進(jìn)溝剖面,熱水沉積方沸石巖為黃白色薄層,樣品YJG-15取樣點(diǎn),地質(zhì)錘長(zhǎng)度約28 cm;C、躍進(jìn)溝剖面蘆草溝組晶屑凝灰?guī)r,樣品YJG-11取樣點(diǎn);D、E、黑色泥巖中的白色薄層為方沸石巖,B-3井,圖E中OLYMPUS鏡頭蓋直徑58 mm;F、白色薄層為方沸石巖,發(fā)育變形層理,B-4井;G、水平紋層,圖下方不透明礦物層為黃鐵礦層,單偏光X10,B-3井;H、蘆草溝組方沸石巖、泥晶灰?guī)r與深灰色泥巖構(gòu)成變形層理,B-2井;I、泥灰?guī)r質(zhì)同沉積角礫巖,網(wǎng)狀碳酸鹽脈發(fā)育,B-6井.Fig.3 The features of Lucaogou Formation(P2 l)and analcitite,Middle Permian,Santanghu Basin

2.2 蘆草溝組特征

鉆井蘆草溝組由黑色厚層泥巖、深灰色至淺灰色泥晶白云巖、白云質(zhì)泥巖、泥晶灰?guī)r等構(gòu)成。取樣井蘆草溝組主要發(fā)育水平層理(圖3D、E、G),局部可見(jiàn)同沉積變形層理。部分鄰井蘆草溝組則可見(jiàn)大量順層、切層的網(wǎng)狀碳酸鹽脈,同沉積變形、滑塌等沉積構(gòu)造(圖3F、H、I)?；鷮永戆l(fā)育段巖性多已角礫化,角礫之間網(wǎng)狀碳酸鹽脈及暗色紋層(可能為有機(jī)質(zhì)紋層或藻類)也很發(fā)育(圖3F、H),形成較復(fù)雜的沉積構(gòu)造,指示了盆地同沉積期熱流上涌等活動(dòng)比較頻繁。這些網(wǎng)狀脈體,從縱向上看,除了在蘆草溝組比較發(fā)育外,其下伏地層中也可見(jiàn)到類似構(gòu)造。露頭和鉆井發(fā)現(xiàn)的方沸石巖主要在盆地中央坳陷南部,沿著西南緣逆沖推覆帶展布(圖1)。

2.3 方沸石巖礦物成分

顯微鏡、電子探針(表1)、全巖粉晶X衍射及能譜分析(圖4)表明,方沸石巖礦物種類豐富,主要礦物有方沸石(含量13.9%～62.2%)、石英(含量37.8%～68.7%)、白云石(含量39%～51.6%)、透長(zhǎng)石及正長(zhǎng)石(含量21.7%～24.3%)(表1、圖4),次要礦物包方解石、鈉長(zhǎng)石、鋇長(zhǎng)石、黃鐵礦、重晶石、菱鐵礦、鈦鐵礦、磷灰石等。根據(jù)礦物成分特點(diǎn)將樣品分為兩類,第一類包括B-3-2、B-3-3兩件樣品,主要造巖礦物為白云石、鐵白云石、透長(zhǎng)石和方沸石,定名為方沸鉀長(zhǎng)白云巖;第二類包括B-3-1、B-3-4、B-3-6等三件樣品,主要造巖礦物為方沸石、石英,及少量碳酸鹽(含鐵白云石及方解石),定名為方沸硅質(zhì)巖和硅質(zhì)方沸石巖。

圖4 方沸石巖全巖粉晶X衍射特征譜圖注:由西北大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院分析測(cè)試研究中心余向陽(yáng)測(cè)試,儀器型號(hào)D/MAX-3C型Fig.4 The all rock X-ray powder diffraction(XRD)patterns of analcitite samples

表1 鉆井方沸石巖電子探針成分分析(%)a)Table1 Electron probe analysis of analcitite rocks of wells(%)a)

3 方沸石巖顯微特征

鏡下觀察方沸石多呈細(xì)粒狀自形晶或無(wú)定形膠質(zhì)體狀,粒徑一般為0.08～0.35 mm,正交鏡下全消光(圖5A、B、C、D、E)。方沸鉀長(zhǎng)白云巖(B-3-2、B-3-3)薄層中間部位的方沸石多為無(wú)定形的膠質(zhì)體與泥晶鐵白云石、白云石共生(圖5B、G),而巖層頂、底與黑色泥巖接觸處的部位則多為自形較好細(xì)粒方沸石,并可見(jiàn)鐵白云石交代細(xì)粒方沸石現(xiàn)象(圖5A),推測(cè)巖層邊部的細(xì)粒方沸石和鐵白云石均發(fā)生了重結(jié)晶作用。硅質(zhì)方沸石巖中方沸石多為細(xì)粒的自形-半自行晶體,背散射顯微鏡下可見(jiàn)部分方沸石顆粒邊緣不甚平整,似有溶蝕痕跡(圖5F)。掃描電鏡觀察方沸石等軸粒狀晶形者少見(jiàn),多為晶形不甚完整的塊狀或無(wú)定形膠質(zhì)體狀(圖5G、H)。對(duì)方沸石顆粒進(jìn)行拉曼探針結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)特征峰不甚明顯,與方沸石的典型譜圖差異較大(未附圖)。此外,部分細(xì)粒方沸石和泥晶白云石表面布滿規(guī)則分布微細(xì)孔洞(圖5F),推測(cè)可能是嗜熱生物鉆孔所致。

B-3-2、B-3-3兩件樣品除方沸石外,主要礦物還有碳酸鹽和鉀長(zhǎng)石(圖5A、B、I、J)。鉀長(zhǎng)石的X衍射結(jié)構(gòu)譜圖顯示為透長(zhǎng)石,在薄片中呈細(xì)紋層狀,顆粒為微小的泥晶,掃描電鏡下為自形的板柱狀晶體(圖5I、J),往往與白云石、鐵白云石和方解石等碳酸鹽礦物共生。碳酸鹽礦物多為泥晶或粉晶顆粒,表面常布滿丘狀小球(圖5I、J),晶形不如透長(zhǎng)石好,它形或半自形菱形為主,顯微鏡下碳酸鹽礦物集合體多呈粒狀、云霧狀或枝蔓狀,電子探針?lè)治霰砻髦饕獮榘自剖拌F白云石,并且以高的Fe、Mn含量為特征(表1)。薄片染色(茜素紅-S與鐵氰化鉀配比溶液)白云石多染為綠藍(lán)色。另有少量方解石以充填溶洞或微裂隙形式出現(xiàn),形成時(shí)間應(yīng)為最晚(圖5F)。

圖5 方沸石巖顯微組構(gòu)及主要造巖礦物鏡下特征A、樣品編號(hào)B-3-3,主要礦物有方沸石、鐵白云石、黃鐵礦等,方沸石(Ana)等軸粒狀為主,鐵白云石(Ank)染色綠藍(lán)色,左上角可見(jiàn)鐵白云石交代細(xì)粒方沸石,不透明礦物為黃鐵礦(Pyr),該視域?yàn)榉椒锈涢L(zhǎng)白云巖邊緣靠近黑色泥巖處,方沸石已發(fā)生重結(jié)晶并呈紋層狀,單偏光X5;B、編號(hào)B-3-3,方沸石(Ana)為淺黃色膠質(zhì)體,鐵白云石(Ank,染色綠藍(lán)色)為泥晶,二者似為共生關(guān)系,該視域?yàn)榉椒锈涢L(zhǎng)白云巖的中間部位.單偏光X10;C、編號(hào)B-3-6,主要礦物有方沸石和石英,方沸石以等軸粒狀為主,石英(Q)主要為隱晶質(zhì)集合體,黃鐵礦多呈浸染狀;D、與C同視域,正交偏光,方沸石全消光,石英I級(jí)灰白干涉色,為隱晶質(zhì)集合體;E、躍進(jìn)溝剖面,樣品編號(hào)YJG-15,粒狀方沸石,粒間充填泥晶石英,單偏光;F、編號(hào)B-3-6,背散射圖像,方沸石(Ana)為深灰色,表面布滿細(xì)小孔洞,部分顆粒邊緣似有熔蝕痕跡,石英(Q,淺灰色)和白云石(Dol,灰白色)均為泥晶充填于粒狀方沸石之間.G、躍進(jìn)溝剖面,編號(hào)YJG-15,方沸石為無(wú)定形膠質(zhì)體,掃描電鏡;H、編號(hào)B-3-1,方沸石(Ana)晶形多為粗大塊體,內(nèi)部發(fā)育裂紋,掃描電鏡;I、編號(hào)B-3-2,透長(zhǎng)石(San)為細(xì)小的板柱狀自形晶,白云石(Dol)為半自形,表面布滿丘狀突起,掃描電鏡;J、編號(hào)B-3-3,方解石(Cal)為半自形菱形,表面布滿丘狀突起,與透長(zhǎng)石(San)似為共生關(guān)系,掃描電鏡; K、編號(hào)B-3-6,背散射圖像,最明亮者為黃鐵礦(Pyr),主要為粉末狀和莓球狀集合體分布;L、編號(hào)B-3-2,莓球狀黃鐵礦集合體,左下角小圖為局部放大,球狀黃鐵礦由許多更小的黃鐵礦微粒集合而成,微粒放大后表面可見(jiàn)丘狀突起,掃描電鏡.注:掃描電鏡圖像由西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉永強(qiáng)測(cè)試,儀器型號(hào)FEIQuanta 400 FEG型環(huán)境掃描電子顯微鏡系統(tǒng).Fig.5 Microstructures of themain minerals of the analcitite

B-3-1、B-3-4、B-3-6等三塊樣品除方沸石外,主要礦物為泥晶石英和少量碳酸鹽礦物(富含鐵、錳的白云石和方解石,表1)。顯微鏡下觀察石英和碳酸鹽礦物均由粒度小于0.005 mm的它形晶構(gòu)成,呈膠結(jié)物形式賦存于方沸石顆粒之間,說(shuō)明泥晶石英和碳酸鹽的形成晚于方沸石(圖5C、D、F)。

所有樣品內(nèi)均可見(jiàn)黃鐵礦,為球狀微粒、草莓狀集合體(圖5K、L)及浸染狀分布(圖5A、C),球狀黃鐵礦放大后可看到是由更多的微粒狀黃鐵礦聚合而成,每個(gè)黃鐵礦微粒表面布滿細(xì)小的丘狀突起微粒(圖5L),可能與古細(xì)菌和熱液嗜熱微生物的活動(dòng)關(guān)系密切,屬于生物成因[32,33],說(shuō)明熱液流體噴涌出時(shí)周圍湖水環(huán)境為較強(qiáng)的還原環(huán)境。浸染狀黃鐵礦則可能是從噴流熱液中直接沉淀下來(lái)的。

4 化學(xué)成分及地球化學(xué)特征

4.1 巖石化學(xué)成分

方沸石巖主量元素總體特征為富SiO2、Al2O3, Na2O,Fe2O3,貧TiO2(表2),與文獻(xiàn)報(bào)道的陸相盆地噴流巖有相似之處[34～36]。將全部樣品的主量元素?cái)?shù)據(jù)與研究區(qū)早、中二疊世玄武巖[31]、粗面巖[37]進(jìn)行對(duì)比(表2),發(fā)現(xiàn)存在一定差異,主要表現(xiàn)為TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO(B-3-3除外)、K2O(B-3-3樣品除外)明顯低于區(qū)域火山巖,而Na2O(B-3-3樣品除外)明顯高于區(qū)域火山巖,樣品燒矢量也普遍高于火山巖,說(shuō)明揮發(fā)分(可能主要是H2O和CO2)含量較高。方沸石巖樣品之間也存在一定差異,方沸鉀長(zhǎng)白云巖與硅質(zhì)方沸石巖相比,SiO2、Fe2O3、Na2O明顯偏低,而K2O、MnO、MgO、Ca2O則明顯偏高。以SiO2為橫坐標(biāo)做Harker圖解(圖6),可以看出兩類樣品主量元素構(gòu)成明顯不同。方沸鉀長(zhǎng)白云巖MnO、MgO、CaO含量相對(duì)較高,表明在早期的透長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石和方沸石形成后,晚期熱液組分沿裂谷盆地深大斷裂噴涌出來(lái),遇湖水驟冷主要形成富含鐵、錳的碳酸鹽礦物。方沸硅質(zhì)巖和硅質(zhì)方沸石巖以SiO2、Na2O含量相對(duì)較高為特點(diǎn),當(dāng)熱液方沸石形成后,晚期硅質(zhì)熱液遇湖水后主要形成的是泥晶石英。

4.2 微量元素特征

將方沸石巖微量元素配分曲線與區(qū)域玄武巖、粗面巖、原始地幔[38]及上地殼[39]的微量元素配分曲線進(jìn)行對(duì)比(圖7,所有樣品均已球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化)。方沸石巖總體呈現(xiàn)Ba、Rb、K、Ta、Sr、Zr、Hf等中等至強(qiáng)不相容元素富集,而Th、Nb、Ti虧損的特征。圖7中方沸石巖微量元素豐度普遍低于上地殼和區(qū)域火山巖,B-3-3樣品微量元素豐度最低(表3)。方沸石巖RbN/YbN比值介于4.42～33.51,高于區(qū)域火山巖0.47～2.95(表3),B-3-6的RbN/YbN比值為33.51, Ba/La值為308.76,為強(qiáng)不相容元素強(qiáng)烈富集型。同源演化的巖石具有相對(duì)固定的Th/U[40],樣品Th/U值介于0.17～2.21,低于區(qū)域火山巖的Th/U值2.32 ～3.43,此外,樣品Rb/Sr比值、Sm/Rb比值也與區(qū)域火山巖及上地殼有顯著差別(表3)。

Nb*值采用公式2NbN/(KN+LaN)[40]計(jì)算得來(lái),各元素進(jìn)行原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化[38],大陸殼物質(zhì)和花崗質(zhì)巖石具有Nb*負(fù)異常的特征,四件樣品Nb*均小于1,介于0.02～0.17之間,強(qiáng)烈虧損Nb,表明造巖熱液上升時(shí)可能混染了少量陸殼物質(zhì).r是活動(dòng)性元素易溶于含水流體且易被流體攜帶運(yùn)移,方沸石巖Sr/Nd比值介于44.73～831.78,異常高的Sr/Nd值表明形成巖石的熱液流體除了來(lái)自于深部的熱液外,可能還有殼源物質(zhì)的混入。

4.3 稀土元素特征

表2 方沸石巖全巖主量元素化學(xué)成分(%)a)Table2 All rock main elements analysis of analcitite(%)a)

研究區(qū)方沸石巖的稀土總量偏低,∑REE在7.33～20.619μg/g之間,遠(yuǎn)低于區(qū)域粗面巖和玄武巖稀土總量(表3),也遠(yuǎn)低于北美頁(yè)巖及上地殼平均值[39],樣品LaN/YbN介于2.50～16.00,4個(gè)樣品

LREE/HREE為4.77～11.20,均顯示LREE富集(相對(duì)于HREE),HREE虧損的特征,稀土配分曲線為較平緩的右傾(圖8),δEu為0.60～0.99,呈現(xiàn)弱負(fù)異常,與典型的熱水沉積巖稀土分配模式有相似性[41～44]。δCe為0.96～1.04,基本無(wú)虧損,與文獻(xiàn)報(bào)道的海相熱液沉積物具有負(fù)δCe異常不太一致,這可能是受熱液沉積物發(fā)育在陸相環(huán)境所致,原始熱液流體受湖水而非海水的混染(海水具有明顯的δCe負(fù)異常,陸相河水及沉積物δCe常為小的負(fù)異?；蛘惓39,40],使樣品δCe表現(xiàn)出基本無(wú)虧損的特征,同時(shí)也反映了樣品在表生條件下發(fā)生的分異很小,并且受陸源物質(zhì)輸入的影響較小。

表3 方沸石巖全巖微量元素與稀土元素分析結(jié)果(μg/g)a)Table3 The all rock trace elements and REE analysis of analcitite(μg/g)a)

圖6 方沸石巖各主量元素與SiO2變化的Hanker圖解Fig.6 The Hanker digrams for the relationships between SiO2 and othermain elements of the analcitite

表4 鉆井巖芯樣品Sr、Nd同位素構(gòu)成a)Table4 Sr-Nd isotope data for the analcititea)

圖7 方沸石巖微量元素比值蛛網(wǎng)圖Fig.7 Trace elements spidergram for analcitite

5 Sr、Nd同位素證據(jù)

全巖樣品87Sr/86Sr、143Nd/144Nd比值、計(jì)算得到的初始值及εSr、εNd見(jiàn)表4。87Sr/86Sr比值介于0.705 118±0.000 012～0.706 438±0.000 010,低于同時(shí)期全球海水87Sr/86Sr比值(約為0.706 854～0.707 355,時(shí)代260.5～272.5 Ma[45])及中上二疊統(tǒng)海相碳酸鹽的最低值(約為0.706 914±0.000 012,時(shí)代265.8～260.4 Ma[46]),初始鍶值ISr偏低,反映了可能有深源鍶.r同位素能夠靈敏地反映巖石的混染程度,樣品偏高的εSr值(介于10～20),顯示出與標(biāo)準(zhǔn)樣的偏差程度較大,表明也有殼源鍶的存在。樣品143Nd/144Nd為0.512 496～0.512 713之間,兩個(gè)樣品εNd值>0,分別為3.84和0.38,說(shuō)明造巖物質(zhì)很可能主要來(lái)自于深部源區(qū)或有深源物質(zhì)的明顯參與[39,40],另兩個(gè)樣品εNd小于并接近0(地幔值),分別為-0.81和-0.83,表明熱液組分很可能屬于不同深度物質(zhì)的混合來(lái)源。

圖8 方沸石巖稀土元素配分模式圖Fig.8 REE distribution pattern for analcitite

6 熱水沉積方沸石巖成因探討

方沸石一般被看做是一種高溫沸石,可做為晚期形成的原生礦物產(chǎn)出于中性的過(guò)堿性火山巖中[47～49],或在巖漿期后熱液中與其它沸石共生晶出[48,50],更多人認(rèn)為是火山凝灰物質(zhì)經(jīng)成巖作用轉(zhuǎn)變而來(lái)[47,51];與沉積巖共生的原生方沸石巖很少見(jiàn)到,尤其是與熱液沉積作用有關(guān)[22]的鮮有報(bào)道。然而,通過(guò)研究區(qū)方沸石巖的巖石學(xué)、地球化學(xué)及同位素特征綜合分析,認(rèn)為本文的方沸石、透長(zhǎng)石、正長(zhǎng)石、白云石及石英等礦物均屬裂谷盆地湖底熱液噴流沉積作用形成。

6.1 方沸石巖與凝灰?guī)r的關(guān)系

研究區(qū)露頭的凝灰?guī)r普遍為薄層狀(圖3C),與本文方沸石巖在微觀特征上有明顯差異,主要表現(xiàn)為四點(diǎn):第一,研究區(qū)凝灰?guī)r主要發(fā)育晶屑巖屑凝灰?guī)r和晶屑玻屑凝灰?guī)r,其中晶屑、巖屑或玻屑含量較高,一般在10%～30%左右,尤其是玻屑凝灰?guī)r中常見(jiàn)清晰的雞骨狀、樹枝狀、碟狀等剛性玻屑(圖9A),而方沸石巖中普遍未見(jiàn)玻屑,晶屑和巖屑含量也較低,通常不足5%;第二,鉆井巖芯的方沸石巖與黑色泥巖整合接觸,方沸石巖與黑色泥巖均富含大量膠狀、球狀、莓球狀黃鐵礦集合體,缺乏諸如次生淋濾或赤鐵礦化等暴露地表的標(biāo)志,說(shuō)明地層始終處于埋藏狀態(tài),基本排除了鉆井方沸石巖為凝灰?guī)r后期地表蝕變作用產(chǎn)生的因素;第三,在地質(zhì)歷史時(shí)期,隨著碳酸鹽礦物的重結(jié)晶、溶解-再沉淀等作用Sr易溶于流體被帶走,因此,古老碳酸鹽礦物中Sr豐度通常很低,而研究區(qū)方沸鉀長(zhǎng)白云巖卻顯示出Sr異常富集的特征(表3)。盡管其它樣品碳酸鹽礦物含量很少,但Sr/Ca(介于106.42～188.02)卻很接近,表明樣品在埋藏成巖期體系相對(duì)封閉,沒(méi)有經(jīng)歷明顯的后期蝕變改造,基本排除了凝灰?guī)r經(jīng)受水熱蝕變改造形成方沸石巖的可能。第四,躍進(jìn)溝剖面部分凝灰?guī)r也發(fā)生了方沸石化(圖9B),但是此類方沸石在掃描電鏡下常為自形的粒狀四角三八面體(圖9C、D),而熱水成因方沸石形態(tài)極不規(guī)則,多為塊狀或無(wú)定形膠體狀(圖5H、I、J),可能是鈉質(zhì)硅酸鹽膠體熱液噴出地表或在近地表處遇湖水后迅速冷凝所致。因此,本文的方沸石巖很難用凝灰?guī)r經(jīng)水熱蝕變或地表蝕變來(lái)解釋。

6.2 熱水沉積方沸石巖成因探討

現(xiàn)代海(湖)底的探測(cè)及成礦作用研究表明,熱水沉積遍布大陸、大洋的許多地方,張性的構(gòu)造環(huán)境和異常的高熱流值是熱水活動(dòng)發(fā)育的基本條件。此外,產(chǎn)于沉積巖中的熱水沉積巖往往與腐泥型高碳質(zhì)頁(yè)巖、紋層狀硅巖、重晶石巖、電氣石巖、鈉長(zhǎng)石巖等密切共生,呈透鏡體或紋層狀展布,并與圍巖地層整合或近于整合[7,8]。

三塘湖盆地二疊紀(jì)處于晚古生代陸內(nèi)裂谷演化時(shí)期,蘆草溝組正是在早二疊世卡拉崗期和中二疊世條湖期兩次大規(guī)模火山活動(dòng)之間間歇沉積的一套湖相地層,凝灰?guī)r在該組有廣泛分布,說(shuō)明中二疊世蘆草溝期三塘湖地區(qū)盡管表面為相對(duì)寧?kù)o的湖泊沉積環(huán)境,但內(nèi)部存在高地?zé)釥顟B(tài),具備形成熱水沉積巖的地質(zhì)條件。此外,通過(guò)微觀巖相學(xué)的分析,認(rèn)為細(xì)粒和無(wú)定形的方沸石、泥晶鉀長(zhǎng)石、泥晶白云石及微晶石英等主要造巖礦物首先是共生關(guān)系,其后才是交代關(guān)系,推測(cè)方沸石應(yīng)屬于鈉質(zhì)硅酸鹽膠體熱液沿裂谷盆地深大斷裂上升至地表噴出與較冷湖水混合快速冷凝形成,后被交替噴涌的碳酸質(zhì)或硅質(zhì)熱液破碎、搬運(yùn)和膠結(jié)。方沸鉀長(zhǎng)白云巖、方沸石硅質(zhì)巖及硅質(zhì)方沸石巖均為薄紋層狀賦存于黑色泥巖之間,說(shuō)明距噴口有一定距離。

圖9 三塘湖盆地躍進(jìn)溝剖面凝灰?guī)r顯微特征A、樣品編號(hào)YJG-02,玻屑晶屑凝灰?guī)r,玻屑表面和基質(zhì)均發(fā)生方解石化,單偏光;B、樣品編號(hào)YJG-11,晶屑凝灰?guī)r,單偏光;C、D、樣品編號(hào)YJG-11,晶屑凝灰?guī)r,基質(zhì)發(fā)生方沸石化,粒狀礦物均為方沸石.Fig.9 Microfeatures of the tuffaceous rocks in Lucaogou Formation(P2 l),Yuejingou outcrop,Santanghu Basin

7 結(jié)論

方沸石巖Ti強(qiáng)烈虧損,稀土總量低,大部分樣品的HREE甚至低于球粒隕石和原始地幔,碳酸鹽礦物富鐵、錳等,均顯示出熱水沉積巖的特征。樣品具有低于同時(shí)期全球海水和海相碳酸鹽的87Sr/86Sr比值,初始鍶ISr也較低,說(shuō)明可能存在深源鍶。εNd介于-0.81～0.38,接近于地幔值εNd=0,也顯示出幔源組分的特征,然而,偏高的εSr表明熱液組分有殼源物質(zhì)的混染。樣品微量元素和稀土配分曲線協(xié)調(diào)一致(圖7、圖8),顯示出密切的親源關(guān)系,說(shuō)明這套熱水沉積巖應(yīng)屬同一源區(qū)。但是各樣品間Rb、Sr、K等活動(dòng)性元素的豐度、RbN/YbN比值、Sr/Nd比值、Th/U比值及ΣREE總量等還存在一定的差異,這種差異性很可能是熱液上升期不同深度物質(zhì)混染程度的不同所致。綜上所述,研究區(qū)方沸鉀長(zhǎng)白云巖、方沸硅質(zhì)巖及硅質(zhì)方沸石巖是一類與陸相裂谷盆地湖底熱泉噴流作用有關(guān)的熱水沉積巖組合,熱液組分除了有殼源物質(zhì)及大氣水等的混入外,可能還有深部物質(zhì)的參與。

致謝 感謝西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系周鼎武、劉洪福、石崇培、董云鵬及陜西省地調(diào)院李海平等教授的熱情指導(dǎo)與有益討論。感謝大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉曄、王建琪、弓虎軍、第五春榮、宗春蕾、戴夢(mèng)寧、劉永強(qiáng)等老師的幫助。部分測(cè)試工作有研究生付迪、本科生程俊的參與,在此謹(jǐn)致謝忱。

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Lithology and Origin Analysis of Sublacustrine Hydrothermal Deposits Characterized by Analcime,Sanidine,Dolom ite,Quartz,etc.in Lucaogou Formation,M iddle Perm ian,Santanghu Basin,Northeast Xinjiang,China

LIHong1,2LIU Yi-qun1,2LIANG Hao3LUO Quan-sheng3LIWei1,2ZHOU Xiao-hu1,2JIAO Xin2YANG Rui2LEIChuan4SUN Qin2
(1.State Key Laboratory of Continental Dynam ics(Northwest University),Xi'an 710069; 2.Geology Department of Northwest University,Xi'an 710069; 3.Research Institute of Exp loration and Development,Tupan-Ham i Oilfield Company,CNPC,Ham i,Xinjiang,839000; 4.Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000)

Santanhu Basin,located in northeast of Xinjiang,China,was developed a contenental rift basin from Late Carboniferous to Middle Permian.On the outcrop and the drilling cores of the basin,layers of sublacustrine hydrothermal deposits from which six of them were sampled,were found in the thick mudstones in Lucaogou Formation(P2l), Middle Permian.The hydrothermal samples can be divided into two types:the first type is formed of analcime,sanidine,orthoclase,dolomite and ankerite.The carbonateswere detected of concentrating iron and manganese.The second type is formed of analcime,quartz,and carbonates.Most analcime was observed to be xenomorphic block or amorphous gelatinoid otherwise from automorphic tetragonaltrisoctahedron under the SEM.Major elements of all sampleswere characterized as being rich in SiO2,Al2O3,Na2O,and poor in TiO2.race element of the samples show enrichemnt of highly incompatibility elements,such as Ba,Rb,K,Ta,Sr,Zr and Hf,and are lack of Th,Nb,and Ti relatively.The ratios of Sr/Nd=44.73～831.78,Nb*=0.02～0.17。ΣREE=7.33～20.619μg/g,LaN/YbN=2.50～16.00,LREE/HREE=4.77～11.20。δEu varies from0.6 to 0.99 which shows negative anomalism to primitivemantle,however,δCe value which varies from 0.96 to 1.04 shows the similarity to primitivemantle.The major and trace elements(includes REE)reveal the distinct differenceswith the basalts and trachytoids of Permian in the same basin,and also disagree with the average value of Upper Crust。87Sr/86Sr=0.705 118～0.706 438,143Nd/144Nd=0.512454～0.512713,εNd=-0.81～3.84.sotope composition indicates thatmantle materialsmay participate in the hydrothermal fluid with which the hydrothermalminerals were deposited.By the analysis of the lithology,geochemistry,and Sr,Nd isotope,the characteristics of the samples suggest that they are an assemblage of hydrothermal rockswhich are related to the hot springs exhalation at the lake bottom in Santanghu continental rift basin.Besides the Crust and meteoric components,the hydrothermal fluid of the rocks was probabely composed of the substance sourced from deep earth.

Santanghu Basin;Middle Permian;continental rift basin;analcime,geochemistry;sublacustrine hydrothermal fluid;hydrothermal sedimentary rocks

李 紅 女 1975年出生 講師 博士 沉積地質(zhì)學(xué) E-mail:lihong2008@nwu.edu.cn

P578.974

A

1000-0550(2012)02-0205-14

①國(guó)家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):40802024),大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題(批準(zhǔn)號(hào):BJ11054)資助。

2011-01-20;收修改稿日期:2011-04-21