可可西里盆地東部五道梁群熱水湖相成因新認(rèn)識(shí)

張雪飛,鄭綿平,陳文西,葉傳永,雒洋冰,孔維剛

中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所,國(guó)土資源部鹽湖資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100037

青藏高原北部可可西里五道梁地區(qū)中新世發(fā)育大范圍湖相碳酸鹽沉積,巖性主要為灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r,并在其北山剖面中發(fā)現(xiàn)大量疊層石沉積。前人研究認(rèn)為該疊層石剖面出現(xiàn)是高原古湖期大湖面的產(chǎn)物(伊海生等,2008a,b;吳珍漢等,2009),認(rèn)為是在青藏高原中新世干旱背景下的短期或局部氣候潮濕導(dǎo)致的,但本文研究認(rèn)為中新世五道梁群碳酸鹽,是與火山活動(dòng)有關(guān)的熱水湖相沉積,鄭綿平等(2013)也認(rèn)為該區(qū)是青藏高原尋找火山沉積硼礦的遠(yuǎn)景區(qū)。

圖1 可可西里盆地地質(zhì)簡(jiǎn)圖Fig.1 Geological sketch map of Hoh Xil Basin

圖2 五道梁南北剖面示意圖Fig.2 Schematic north-south section in Wudaoliang

研究區(qū)位于青藏高原北部可可西里盆地東部,主要地層為中新世沉積的湖相碳酸鹽(圖1)。該套地層巖性較單一,一般為灰?guī)r或白云質(zhì)灰?guī)r,在五道梁北山含大量疊層藻(金和海,2004;劉志飛等,2001,2005;王士峰等,1999)。吳珍漢等(2009)曾經(jīng)在該地區(qū)進(jìn)行了大量有意義的工作,包括鉆探和剖面等,為本文研究提供了豐富的資料。

本文研究剖面位于五道梁南北兩側(cè)(圖2),其中北剖面為自下而上的疊層藻沉積,剖面線長(zhǎng)度約110 m,巖性幾乎全部為灰?guī)r。沿G109國(guó)道向南在五道梁南側(cè)取南剖面,該剖面上部為灰?guī)r,下部為白云質(zhì)灰?guī)r。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

本次研究的 7個(gè)疊層石灰?guī)r樣品和 21個(gè)零散樣品同屬于五道梁群,選取部分樣品切薄片進(jìn)行顯微鏡下鑒定、X射線粉晶衍射(XRD)以及化學(xué)元素分析。其中鏡下鑒定和 XRD在國(guó)土資源部鹽湖資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。XRD實(shí)驗(yàn)所用儀器為Mini XRD儀。測(cè)試條件為:掃描范圍3°～90°,步長(zhǎng)為0.02°/s,所用Cu靶,40 kV,15 mA。數(shù)據(jù)分析采用Jade 5.0軟件進(jìn)行?；瘜W(xué)元素分析部分在中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院國(guó)家地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心進(jìn)行,微量元素和稀土元素分析采用等離子質(zhì)譜儀(X-series),B元素采用等離子光譜儀測(cè)定。部分樣品的As和Fe含量也在國(guó)土資源部鹽湖資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,所用方法為原子吸收。本文研究的碳、氧同位素?cái)?shù)據(jù)引自吳珍漢等(2009)的鉆孔數(shù)據(jù)。

2 分析結(jié)果

2.1 巖石學(xué)、礦物學(xué)特征

五道梁北山野外觀察疊層石為柱狀或穹窿狀,頂部觀察為皮殼狀(圖 3),柱狀疊層石大約直徑為2～8 cm不等,紋層明顯。鏡下可見明顯明暗紋層,其中暗紋層由泥晶碳酸鹽排列較明紋層致密引起的。鏡下明顯可見疊層藻球粒和團(tuán)塊,疊層藻大多數(shù)為球粒狀、橢球粒,部分為長(zhǎng)條狀,內(nèi)部被泥晶碳酸鹽充填。明亮紋層的疏松球粒疊層藻團(tuán)塊周圍可見半自形方解石包裹,且團(tuán)塊之間縫隙也被方解石充填。部分團(tuán)塊之間含銹紅色鐵質(zhì)。

將五道梁北山疊層藻剖面樣品進(jìn)行低溫烘干、粉碎后進(jìn)行X射線粉晶衍射,分析結(jié)果顯示剖面主要礦物組合為方解石和少量石英,說明疊層藻中的泥晶碳酸鹽成分為方解石。南剖面樣品 XRD結(jié)果顯示礦物組合為方解石、鐵白云石、石英和鈉長(zhǎng)石。南、北剖面礦物成分的差異為,南剖面含白云石,且是鐵白云石。鐵白云石與普通白云石差別 XRD譜線見表 1。鐵白云石的出現(xiàn)說明該地層可能為高溫?zé)崴梢?即熱水湖相沉積(Ihasn,2003;文華國(guó)等,2014)。

表1 五道梁南剖面鐵白云石與普通白云石XRD譜線對(duì)比Table 1 Comparison of XRD lines between ankerite and dolomite

圖3 疊層石野外及鏡下薄片照片F(xiàn)ig.3 Photos of stromatolites

含鐵白云石剖面手標(biāo)本可見竹葉狀、長(zhǎng)條透鏡體狀黑色條帶(圖 3),鏡下鑒定發(fā)現(xiàn)條帶狀物質(zhì)為泥晶碳酸鹽(白云石),條帶中間顆粒為石英和長(zhǎng)石。該剖面樣品中鐵質(zhì)含量豐富,反射光下清晰可見;99號(hào)樣品還見到與北剖面相似的疊層藻團(tuán)塊,團(tuán)塊大小 100～300 μm 不等,由于鐵含量較高而呈現(xiàn)褐黃色。同北剖面相似該剖面也含明暗相間條紋。為區(qū)分碳酸鹽種類,將玻片進(jìn)行染色反應(yīng)。將0.2%HCl、0.2%的茜素紅S、0.5%～1.0%的鐵氰化鉀配置成染色劑,將其滴至未蓋蓋玻片的玻片上,鏡下觀察可見鐵白云石被染成藍(lán)色,方解石被染成淡紫色,說明該區(qū)域方解石也含鐵。同XRD結(jié)果一致的是,鏡下鑒定也發(fā)現(xiàn)樣品中含鈉長(zhǎng)石,部分鈉長(zhǎng)石為普通碎屑鈉長(zhǎng)石,但是也有少量長(zhǎng)石含明顯次生加大邊(圖 3d),說明碎屑鈉長(zhǎng)石后期曾經(jīng)受熱水活動(dòng)的影響(李紅等,2012;文華國(guó)等,2014)。

2.2 微量元素

圖4 五道梁地區(qū)稀土元素配分方式Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns of Wudaoliang area

選取部分剖面樣品進(jìn)行微量元素分析,并將部分元素進(jìn)行比值計(jì)算。北剖面樣品中Ni/Co分布范圍 3.9～5.9,平均值為 4.95;V/Cr的比值范圍為0.43～1.88,平均值為 0.97;V/Sc比值分布范圍5.1～8.99,平均值為 6.89;V/(V+Ni)的平均值為0.39。樣品中 Ni/Co比值是區(qū)分熱水沉積成因的指標(biāo)之一(文華國(guó)等,2014;張文正等,2010),通常認(rèn)為 Ni/Co比值>1是火山-熱泉沉積成因,研究區(qū)Ni/Co比值遠(yuǎn)大于 1,說明其是火山-熱泉成因,且受火山活動(dòng)控制影響較大。世界主要碳酸鹽類Mn/Sr平均比值約為 1.80,而據(jù)地殼元素克拉克值Mn/Sr比值約為2.708,上表可見南剖面其Mn/Sr的平均值為 4.00,遠(yuǎn)高于世界主要碳酸鹽和地殼元素克拉克值的平均值,說明其為熱水沉積(黃彬等,2013;Gruen et al.,2014)。

通常認(rèn)為,鐵白云巖中Sb和Ba的高含量是熱水沉積的標(biāo)志(周永章等,2004;Tribovillard et al.,2006),涂光熾(1988)進(jìn)一步認(rèn)為高Sb和Ba含量是低溫?zé)嵋撼梢虻臉?biāo)志。五道梁北側(cè)和南側(cè)剖面中Ba平均含量分別為484.31 μg/g和320 μg/g,Sb的平均含量分別為0.43 μg/g和1.23 μg/g,其中全球碳酸鹽中 Ba、Sb 的平均含量分別為 10 μg/g 和 0.2 μg/g,可見五道梁地區(qū)Ba和Sb的含量遠(yuǎn)高于一般碳酸鹽的平均含量,即使與地殼元素克拉克值的390 μg/g和0.6 μg/g相比也較高,充分說明其是熱水成因沉積(Rosenthal et al.,1995;燕長(zhǎng)海等,2007)。

將南、北剖面樣品送至作者所在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行As和Fe的測(cè)試,結(jié)果可見南剖面As含量約0.01%,遠(yuǎn)大于地殼豐度的 15×10-6,而北剖面則未檢出 As,剖面 Fe含量也明顯大于疊層石剖面,平均含量超過1%,薄片中也可見明顯的含鐵礦物。

2.3 稀土元素

由圖4可見該區(qū)灰?guī)r及白云巖稀土總量均較低,由于沉積巖的稀土配分模式與頁巖相似,因此采用北美頁巖(NSFC)標(biāo)準(zhǔn)化來比較樣品。

鐵白云石剖面 W-16號(hào)樣品為不含白云石的灰?guī)r,17-19號(hào)樣品含鐵白云石,可以看到灰?guī)r在縱坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化曲線上較靠上部,說明灰?guī)r總體稀土元素含量大于白云巖。圖4中最下面曲線代表五道梁北山疊層石剖面的平均稀土元素含量與 NSFC比值,可見其稀土總含量遠(yuǎn)小于含鐵白云石剖面,且輕重稀土配分較為平緩,重稀土略有起伏,Tb、Ho、Tm略有負(fù)異常,Dy有正異常。

3 結(jié)論與討論

(1)五道梁北山剖面巖性主要為含疊層藻的灰?guī)r,礦物成分為方解石;而五道梁南側(cè)剖面為白云質(zhì)灰?guī)r,且XRD結(jié)果顯示為鐵白云石。南、北兩側(cè)剖面均為泥晶碳酸鹽,且這種泥晶鐵白云石為熱水噴發(fā)和快速結(jié)晶的產(chǎn)物(Boni et al.,2000);部分鈉長(zhǎng)石含次生加大邊,也說明有熱水活動(dòng)。

(2)南、北兩側(cè)剖面微量元素分析結(jié)果顯示,該地區(qū) As、Sb、Ba、Fe等可作為熱水沉積標(biāo)志的元素含量明顯高于地殼平均豐度和全球碳酸鹽平均含量,且 Ni/Co、Mn/Sr、V/Cr、V/Sc等比值也較高,說明該地層為熱水湖相成因碳酸鹽。

(3)南、北兩側(cè)剖面稀土配分模式較為相似,都是輕稀土元素較為穩(wěn)定,配分曲線較平緩,重稀土元素起伏較大,且 Tb、Ho、Tm有明顯負(fù)異常,與熱水成因沉積巖的稀土配分模式較為相似(吳斌等,2013)。

(4)現(xiàn)代疊層石和藻席多發(fā)現(xiàn)于熱帶或亞熱帶,從溶洞到鹽湖均有分布。疊層石發(fā)育最佳溫度20～30℃,當(dāng)溫度低于 12～15℃時(shí),藍(lán)藻停止生長(zhǎng)。五道梁群疊層藻的出現(xiàn),也說明其應(yīng)為熱水湖相沉積的碳酸鹽。

據(jù)吳珍漢對(duì)五道梁北側(cè)灰?guī)r鉆孔碳氧同位素分析結(jié)果,其五道梁群灰?guī)r(白云質(zhì)灰?guī)r)碳同位素δ13C 為 1‰～3‰,δ18O 為–3‰ ～ –8‰(吳珍漢等,2009),說明該地區(qū)δ13C偏正,δ18O偏負(fù),與前人熱水沉積白云巖碳氧同位素?cái)?shù)據(jù)接近(Boni et al.,2000;Ihasn,2003)。綜上所述,各種結(jié)果都顯示五道梁群碳酸鹽為熱水湖相沉積的碳酸鹽?？煽晌骼镂鞑恐行率烙写罅炕鹕綆r分布(孫延貴,1992;鄧萬明等,1996),因此五道梁群可能為受火山活動(dòng)影響的熱水沉積,這可作為下一步尋找火山沉積型硼礦床的重要線索。

致謝:國(guó)土資源部鹽湖資源環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室劉建華工程師進(jìn)行了元素分析,在此表示衷心感謝。

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