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 羅權生 李 瑋 周小虎 焦 鑫 楊 銳 雷 川 孫 芹

(1.大陸動力學國家重點實驗室(西北大學) 西安 710069;2.西北大學地質學系 西安 710069; 3.中國石油吐哈油田公司勘探開發研究院 新疆哈密 839000;4.中國科學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.大陸動力學國家重點實驗室(西北大學) 西安 710069;2.西北大學地質學系 西安 710069; 3.中國石油吐哈油田公司勘探開發研究院 新疆哈密 839000;4.中國科學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蘆草溝組(P2l)厚層黑色泥巖中發現多層白色紋層狀方沸石巖。根據主要造巖礦物特征,將其大致分為兩類,第一類為方沸鉀長白云巖,主要造巖礦物包括細粒方沸石、泥晶鉀長石(透長石、正長石)、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;第二類為方沸硅質巖與硅質方沸石巖,以細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,多為它形塊狀或無定形膠體狀。樣品主量元素以富SiO2、Al2O3、Na2O、貧TiO2為特征,微量元素Th、Nb、Ti強烈虧損,Sr/Nd比值為44.73～831.78,Nb*介于0.02～0.17之間。∑REE總量偏低7.33～20.619μg/g,LREE/HREE為4.77～ 11.20,δEu 0.60～0.99略具負異常,δCe 0.96～1.04,基本無虧損,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,低于同時期全球海水及中上二疊統海相碳酸鹽的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。通過詳細的巖石學、地球化學及Sr、Nd同位素研究,認為這是一類與陸相裂谷盆地湖底熱泉噴流作用有關的熱水沉積巖組合,熱液組分除了有殼源物質及大氣水等的混入外,可能還有深部物質的參與。

三塘湖盆地 中二疊統 陸內裂谷 方沸石 地球化學 湖底熱液 熱水沉積巖

不論是現代還是古代,裂谷及大洋中脊等拉張環境中的熱水(液)活動都非常活躍,形成豐富多樣的熱水(液)沉積物,造巖熱液的來源也不盡相同[1～17]。據報道,大多數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部的熱鹵水相混合[14,17～21],或者由前者與相鄰巖體發生水-巖反應后產生的熱液流體構成[2～6,12,13,22～27]。能與之發生水-巖反應的巖體既可以包括地殼表層物質、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。關于地幔來源的熱水(液)沉積巖則很少見[16,30]。作者所在的研究團隊近年來在三塘湖地區躍進溝剖面及盆地五口鉆井中二疊統蘆草溝組湖相暗色泥巖中發現了多層紋層狀白色巖系,主要造巖礦物為細粒方沸石、泥晶石英、泥晶鉀長石、泥晶鐵白云石、泥晶白云石和泥晶方解石等,根據全巖粉晶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白云巖、方沸硅質巖及硅質方沸石巖,簡稱為方沸石巖。本文以露頭剖面及鉆井取芯樣品為研究對象,通過詳細的巖石學、地球化學和同位素研究,認為這可能是一類與陸相裂谷盆地湖底熱泉噴流作用有關的熱水沉積巖組合,熱液除了大氣水及殼源組分外,可能主要來自于幔源物質。

1 地質背景及采樣

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-莫欽烏拉山之間,構造位置處于西伯利亞板塊與準噶爾-哈薩克斯坦板塊的碰撞接合部位,是一個在前早石炭世褶皺基底之上,以發育晚石炭-中二疊世陸內裂谷盆地、晚二疊世-中新生代拗陷盆地及山間拗陷盆地為特點的小型疊合盆地[30]。

圖1 三塘湖盆地區域位置及方沸石巖分布簡圖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換的重要時期,早石炭世以發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。晚石炭世-中二疊世,在造山后期區域伸展斷陷背景下,三塘湖地區進入陸內裂谷盆地發育期[31],早二疊世,以發育同一系列沉積正斷層組合為主要特征,構成由斷壘、斷塹等組成的斷陷帶,發育陸相酸性-基性火山熔巖為主,在火山噴發間歇期沉積了具有近源快速堆積為特點的由粗向細演變的陸相及海陸交互相碎屑巖建造。中二疊世,以發育洪積、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,由于經歷了多期強烈的擠壓兼走滑構造作用的改造,盆地早期的正斷層被反轉為一系列不同級次、不同方向的沖斷及逆沖推覆斷裂。

中二疊統自下而上分為烏拉泊組、井井子溝組、蘆草溝組和條湖組(相當于烏魯木齊地區的紅雁池組,圖2),代表了湖盆初始擴張-鼎盛-逐漸消亡的沉積旋回。根據野外剖面及鉆井巖芯觀察,中二疊世蘆草溝期為湖盆發育鼎盛期,以濱淺湖-半深湖相沉積為特點,發育以厚層黑色、深灰色泥巖、頁巖夾薄層泥灰巖、泥云巖、凝灰巖為特征的巖性組合,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8件。所有樣品均為薄層狀,躍進溝剖面樣品由老至新編號依次為:YJG-02(玻屑晶屑凝灰巖)、YJG-11(晶屑凝灰巖)、YJG-15(硅質方沸石巖);鉆井方沸石巖樣品采自B-3鉆井,深度1 717～1 722 m之間,取樣編號與取樣深度依次為:B-3-3(樣品編號),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 方沸石巖組成及結構特征

2.1 方沸石巖宏觀特征

躍進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、泥晶灰巖、泥晶白云巖、凝灰巖等互層(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、碳酸鹽巖產狀一致。以取樣井B-3井為例,2 m巖芯大致發育約8～12層,該夾層堅硬致密,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系(圖3D、E),盡管鄰井同層位脈體較發育,該井方沸石巖發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出,黑色泥巖內化石稀少,偶見細小的、新疆二疊系廣泛分布的蘆木化石碎片,鄰井相同層位可見魚鱗化石碎片等,說明當時沉積水體較深,主體為半深湖沉積。

圖2 三塘湖盆地二疊系地層簡表(鉆井資料據吐哈油田,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、躍進溝剖面蘆草溝組(P2 l),為陸源沉積巖、碳酸鹽巖、凝灰巖及熱水沉積方沸石巖互層,剖面風化嚴重;B、躍進溝剖面,熱水沉積方沸石巖為黃白色薄層,樣品YJG-15取樣點,地質錘長度約28 cm;C、躍進溝剖面蘆草溝組晶屑凝灰巖,樣品YJG-11取樣點;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、泥晶灰巖與深灰色泥巖構成變形層理,B-2井;I、泥灰巖質同沉積角礫巖,網狀碳酸鹽脈發育,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、白云質泥巖、泥晶灰巖等構成。取樣井蘆草溝組主要發育水平層理(圖3D、E、G),局部可見同沉積變形層理。部分鄰井蘆草溝組則可見大量順層、切層的網狀碳酸鹽脈,同沉積變形、滑塌等沉積構造(圖3F、H、I)。滑塌層理發育段巖性多已角礫化,角礫之間網狀碳酸鹽脈及暗色紋層(可能為有機質紋層或藻類)也很發育(圖3F、H),形成較復雜的沉積構造,指示了盆地同沉積期熱流上涌等活動比較頻繁。這些網狀脈體,從縱向上看,除了在蘆草溝組比較發育外,其下伏地層中也可見到類似構造。露頭和鉆井發現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%)、透長石及正長石(含量21.7%～24.3%)(表1、圖4),次要礦物包方解石、鈉長石、鋇長石、黃鐵礦、重晶石、菱鐵礦、鈦鐵礦、磷灰石等。根據礦物成分特點將樣品分為兩類,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、透長石和方沸石,定名為方沸鉀長白云巖;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),定名為方沸硅質巖和硅質方沸石巖。

圖4 方沸石巖全巖粉晶X衍射特征譜圖注:由西北大學化學與材料科學學院分析測試研究中心余向陽測試,儀器型號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粒狀自形晶或無定形膠質體狀,粒徑一般為0.08～0.35 mm,正交鏡下全消光(圖5A、B、C、D、E)。方沸鉀長白云巖(B-3-2、B-3-3)薄層中間部位的方沸石多為無定形的膠質體與泥晶鐵白云石、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粒方沸石,并可見鐵白云石交代細粒方沸石現象(圖5A),推測巖層邊部的細粒方沸石和鐵白云石均發生了重結晶作用。硅質方沸石巖中方沸石多為細粒的自形-半自行晶體,背散射顯微鏡下可見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,多為晶形不甚完整的塊狀或無定形膠質體狀(圖5G、H)。對方沸石顆粒進行拉曼探針結構分析發現,結構特征峰不甚明顯,與方沸石的典型譜圖差異較大(未附圖)。此外,部分細粒方沸石和泥晶白云石表面布滿規則分布微細孔洞(圖5F),推測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石(圖5A、B、I、J)。鉀長石的X衍射結構譜圖顯示為透長石,在薄片中呈細紋層狀,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,電子探針分析表明主要為白云石及鐵白云石,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)白云石多染為綠藍色。另有少量方解石以充填溶洞或微裂隙形式出現,形成時間應為最晚(圖5F)。

圖5 方沸石巖顯微組構及主要造巖礦物鏡下特征A、樣品編號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)染色綠藍色,左上角可見鐵白云石交代細粒方沸石,不透明礦物為黃鐵礦(Pyr),該視域為方沸鉀長白云巖邊緣靠近黑色泥巖處,方沸石已發生重結晶并呈紋層狀,單偏光X5;B、編號B-3-3,方沸石(Ana)為淺黃色膠質體,鐵白云石(Ank,染色綠藍色)為泥晶,二者似為共生關系,該視域為方沸鉀長白云巖的中間部位.單偏光X10;C、編號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級灰白干涉色,為隱晶質集合體;E、躍進溝剖面,樣品編號YJG-15,粒狀方沸石,粒間充填泥晶石英,單偏光;F、編號B-3-6,背散射圖像,方沸石(Ana)為深灰色,表面布滿細小孔洞,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、躍進溝剖面,編號YJG-15,方沸石為無定形膠質體,掃描電鏡;H、編號B-3-1,方沸石(Ana)晶形多為粗大塊體,內部發育裂紋,掃描電鏡;I、編號B-3-2,透長石(San)為細小的板柱狀自形晶,白云石(Dol)為半自形,表面布滿丘狀突起,掃描電鏡;J、編號B-3-3,方解石(Cal)為半自形菱形,表面布滿丘狀突起,與透長石(San)似為共生關系,掃描電鏡; K、編號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丘狀突起,掃描電鏡.注:掃描電鏡圖像由西北大學大陸動力學國家重點實驗室劉永強測試,儀器型號FEIQuanta 400 FEG型環境掃描電子顯微鏡系統.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的它形晶構成,呈膠結物形式賦存于方沸石顆粒之間,說明泥晶石英和碳酸鹽的形成晚于方沸石(圖5C、D、F)。

所有樣品內均可見黃鐵礦,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,每個黃鐵礦微粒表面布滿細小的丘狀突起微粒(圖5L),可能與古細菌和熱液嗜熱微生物的活動關系密切,屬于生物成因[32,33],說明熱液流體噴涌出時周圍湖水環境為較強的還原環境。浸染狀黃鐵礦則可能是從噴流熱液中直接沉淀下來的。

4 化學成分及地球化學特征

4.1 巖石化學成分

方沸石巖主量元素總體特征為富SiO2、Al2O3, Na2O,Fe2O3,貧TiO2(表2),與文獻報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數據與研究區早、中二疊世玄武巖[31]、粗面巖[37]進行對比(表2),發現存在一定差異,主要表現為TiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO(B-3-3除外)、K2O(B-3-3樣品除外)明顯低于區域火山巖,而Na2O(B-3-3樣品除外)明顯高于區域火山巖,樣品燒矢量也普遍高于火山巖,說明揮發分(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,方沸鉀長白云巖與硅質方沸石巖相比,SiO2、Fe2O3、Na2O明顯偏低,而K2O、MnO、MgO、Ca2O則明顯偏高。以SiO2為橫坐標做Harker圖解(圖6),可以看出兩類樣品主量元素構成明顯不同。方沸鉀長白云巖MnO、MgO、CaO含量相對較高,表明在早期的透長石、正長石和方沸石形成后,晚期熱液組分沿裂谷盆地深大斷裂噴涌出來,遇湖水驟冷主要形成富含鐵、錳的碳酸鹽礦物。方沸硅質巖和硅質方沸石巖以SiO2、Na2O含量相對較高為特點,當熱液方沸石形成后,晚期硅質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行對比(圖7,所有樣品均已球粒隕石標準化)。方沸石巖總體呈現Ba、Rb、K、Ta、Sr、Zr、Hf等中等至強不相容元素富集,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,為強不相容元素強烈富集型。同源演化的巖石具有相對固定的Th/U[40],樣品Th/U值介于0.17～2.21,低于區域火山巖的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]計算得來,各元素進行原始地幔標準化[38],大陸殼物質和花崗質巖石具有Nb*負異常的特征,四件樣品Nb*均小于1,介于0.02～0.17之間,強烈虧損Nb,表明造巖熱液上升時可能混染了少量陸殼物質.r是活動性元素易溶于含水流體且易被流體攜帶運移,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自于深部的熱液外,可能還有殼源物質的混入。

4.3 稀土元素特征

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

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

LREE/HREE為4.77～11.20,均顯示LREE富集(相對于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,呈現弱負異常,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,基本無虧損,與文獻報道的海相熱液沉積物具有負δCe異常不太一致,這可能是受熱液沉積物發育在陸相環境所致,原始熱液流體受湖水而非海水的混染(海水具有明顯的δCe負異常,陸相河水及沉積物δCe常為小的負異常或正異常[39,40],使樣品δCe表現出基本無虧損的特征,同時也反映了樣品在表生條件下發生的分異很小,并且受陸源物質輸入的影響較小。

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同位素構成a)Table4 Sr-Nd isotope data for the analcititea)

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

5 Sr、Nd同位素證據

全巖樣品87Sr/86Sr、143Nd/144Nd比值、計算得到的初始值及εSr、εNd見表4。87Sr/86Sr比值介于0.705 118±0.000 012～0.706 438±0.000 010,低于同時期全球海水87Sr/86Sr比值(約為0.706 854～0.707 355,時代260.5～272.5 Ma[45])及中上二疊統海相碳酸鹽的最低值(約為0.706 914±0.000 012,時代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),顯示出與標準樣的偏差程度較大,表明也有殼源鍶的存在。樣品143Nd/144Nd為0.512 496～0.512 713之間,兩個樣品εNd值>0,分別為3.84和0.38,說明造巖物質很可能主要來自于深部源區或有深源物質的明顯參與[39,40],另兩個樣品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的混合來源。

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出于中性的過堿性火山巖中[47～49],或在巖漿期后熱液中與其它沸石共生晶出[48,50],更多人認為是火山凝灰物質經成巖作用轉變而來[47,51];與沉積巖共生的原生方沸石巖很少見到,尤其是與熱液沉積作用有關[22]的鮮有報道。然而,通過研究區方沸石巖的巖石學、地球化學及同位素特征綜合分析,認為本文的方沸石、透長石、正長石、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 方沸石巖與凝灰巖的關系

研究區露頭的凝灰巖普遍為薄層狀(圖3C),與本文方沸石巖在微觀特征上有明顯差異,主要表現為四點:第一,研究區凝灰巖主要發育晶屑巖屑凝灰巖和晶屑玻屑凝灰巖,其中晶屑、巖屑或玻屑含量較高,一般在10%～30%左右,尤其是玻屑凝灰巖中常見清晰的雞骨狀、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志,說明地層始終處于埋藏狀態,基本排除了鉆井方沸石巖為凝灰巖后期地表蝕變作用產生的因素;第三,在地質歷史時期,隨著碳酸鹽礦物的重結晶、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,而研究區方沸鉀長白云巖卻顯示出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封閉,沒有經歷明顯的后期蝕變改造,基本排除了凝灰巖經受水熱蝕變改造形成方沸石巖的可能。第四,躍進溝剖面部分凝灰巖也發生了方沸石化(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極不規則,多為塊狀或無定形膠體狀(圖5H、I、J),可能是鈉質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巖經水熱蝕變或地表蝕變來解釋。

6.2 熱水沉積方沸石巖成因探討

現代海(湖)底的探測及成礦作用研究表明,熱水沉積遍布大陸、大洋的許多地方,張性的構造環境和異常的高熱流值是熱水活動發育的基本條件。此外,產于沉積巖中的熱水沉積巖往往與腐泥型高碳質頁巖、紋層狀硅巖、重晶石巖、電氣石巖、鈉長石巖等密切共生,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]。

三塘湖盆地二疊紀處于晚古生代陸內裂谷演化時期,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模火山活動之間間歇沉積的一套湖相地層,凝灰巖在該組有廣泛分布,說明中二疊世蘆草溝期三塘湖地區盡管表面為相對寧靜的湖泊沉積環境,但內部存在高地熱狀態,具備形成熱水沉積巖的地質條件。此外,通過微觀巖相學的分析,認為細粒和無定形的方沸石、泥晶鉀長石、泥晶白云石及微晶石英等主要造巖礦物首先是共生關系,其后才是交代關系,推測方沸石應屬于鈉質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或硅質熱液破碎、搬運和膠結。方沸鉀長白云巖、方沸石硅質巖及硅質方沸石巖均為薄紋層狀賦存于黑色泥巖之間,說明距噴口有一定距離。

圖9 三塘湖盆地躍進溝剖面凝灰巖顯微特征A、樣品編號YJG-02,玻屑晶屑凝灰巖,玻屑表面和基質均發生方解石化,單偏光;B、樣品編號YJG-11,晶屑凝灰巖,單偏光;C、D、樣品編號YJG-11,晶屑凝灰巖,基質發生方沸石化,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 結論

方沸石巖Ti強烈虧損,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。樣品具有低于同時期全球海水和海相碳酸鹽的87Sr/86Sr比值,初始鍶ISr也較低,說明可能存在深源鍶。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的混染。樣品微量元素和稀土配分曲線協調一致(圖7、圖8),顯示出密切的親源關系,說明這套熱水沉積巖應屬同一源區。但是各樣品間Rb、Sr、K等活動性元素的豐度、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混染程度的不同所致。綜上所述,研究區方沸鉀長白云巖、方沸硅質巖及硅質方沸石巖是一類與陸相裂谷盆地湖底熱泉噴流作用有關的熱水沉積巖組合,熱液組分除了有殼源物質及大氣水等的混入外,可能還有深部物質的參與。

致謝 感謝西北大學地質學系周鼎武、劉洪福、石崇培、董云鵬及陜西省地調院李海平等教授的熱情指導與有益討論。感謝大陸動力學國家重點實驗室劉曄、王建琪、弓虎軍、第五春榮、宗春蕾、戴夢寧、劉永強等老師的幫助。部分測試工作有研究生付迪、本科生程俊的參與,在此謹致謝忱。

References)

1 Mazor E.Compositional similarities between hotmineral springs in the Jordan and Suez Rift Valley[J].ature,1968,219:477-478

2 Edmond JM.Hydrothermal activity atmid-ocean ridge axes[J].ature,1981,290:87-88

3 Rona PA.TAG hydrothermal field:Mid-Atlantic ridge crestat latitude 26°N[J].ournal of the Geological Society,1980,137:385-402

4 Cann JR,Strens M R.Black smokers fuelled by freezingmagma[J].ature,1982,298:147-149

5 Malahoff A,McMurtry GM,Wiltshire JC,etal.Geology and chemistry of hydrothermal deposits from active submarine volcano Loihi,Hawaii[J].ature,1982,298:234-239

6 Haymon R M.Growth history of hydrothermal black smoker chimneys [J].ature,1983,301:695-698

7 涂光熾,王秀璋,陳先沛,等。中國層控礦床地球化學(第三卷) [M]。北京:科學出版社,1988:131-168[Tu Guangzhi,Wang Xiuzhang,Chen Xianpei,et al.Geochemistry of stratabound deposits in China(Vol。3)[M].eijing:Science Press,1988:131-168]

8 陳先沛。熱水沉積成巖成礦作用的研究進展[J]。礦物巖石地球化學通報,1988,7(2):102-104[Chen Xianpei.Research progresses in hydrothermal sedimentation and mineralization[J].ulletin of Mineralogy,Petrology and Geochemistry,1988,7(2):102-104]

9 陳先沛,高計元,陳多福,等。熱水沉積作用的概念和幾個巖石學標志[J]。沉積學報,1992,10(3):124-132[Chen Xianpei,Gao Jiyuan,Chen Duofu,etal.The conceptof hydrothermal sedimentation and its petrological criteria[J].cta Sedimentologica Sinica,1992,10 (3):124-132]

10 Crane K,Hecker B,Golubev V.Hydrothermal vents in Lake Baikal [J].ature,1991,350:281

11 Shanks IIIW C,Callender Edward.Thermal springs in Lake Baikal [J].eology,1992,20:495-497

12 Tiercelin J J,Pflumio C,Castrec M,et al.Hydrothermal vents in Lake Tanganyika,East African Rift system[J].eology,1993:499-502

13 Brugger J,Long JB N,McPhail D C,et al.An active amagmatic hydrothermal system:the Paralana hot springs,Northern Flinders Ranges,South Australia[J].hemical Geology,2005,222:35-64

14 Jones B,De Ronde C E J,Renaut R W,et al.Siliceous sublacustrine spring deposits around hydrothermal vents in Lake Taupo, New Zealand[J].ournal of the Geological Society,2007,164:227-242

15 Li JH,Kusky TM.Would's largest known Precambrian fossil black smoker chimneys and associated microbial vent communities,North China:Implications for early life[J].ondwana Research,2007, 12:84-100

16 Raju P V S.Petrography and geochemical behaviour of trace element, REE and preciousmetal signatures of sulphidic banded iron formations from the Chikkasiddavanahalli area,Chitradurga schist belt,India [J].ournal of Asian Earth Sciences,2009,34:663-673

17 Leach D L,Bradley D C,Huston D,et al.Sediment-hosted leadzinc deposits in earth history[J].conomic Geology,2010,105: 593-625

18 BoniM,Parente G。,Bechst?dt T,et al.Hydrothermal dolomites in SW Sardinia(Italy):evidence for a widespread late-Variscan fluid flow event[J].edimentary Geology,2000,131:181-200

19 Renaut RW,Jones B,Tiercelin JJ,etal.Sublacustrine precipitation of hydrothermal silica in rift lakes:evidence from Lake Baringo,central Kenya Rift Valley[J].ediment Geology,2002,148:235-257

20 Yokoyama T,Taguchi S,Motomura Y,etal.The effectof aluminum on the biodeposition of silica in hot springwater:Chemical state of aluminum in siliceous deposits collected along the hot spring water stream of Steep Cone hot spring in Yellowstone National Park,USA [J].hemical Geology,2004,212:329-337

21 Orgün Y,G ltekin A H,Onal A.Geology,mineralogy and fluid inclusion data from the Arapucan Pb-Zn-Cu-Ag deposit,Canakkale, Turkey[J].ournal of Asian Earth Sciences,2005,25:629-642

22 Hall A J,Banks D,Fallick A E。&Hamilton P J.An hydrothermal origin for copper-impregnated prehnite and analcime from Boylestone Quarry,Barrhead,Scotland[J].ournal of the Geological Society, 1989,146:701-713

23 Butler IB,Fallick A E&Nesbitt RW.Mineralogy,sulphur isotope geochemistry and the developmentof sulphide structures at the Broken Spur hydrothermal vent site,29°10'N,Mid-Atlantic Ridge[J].ournal of the Geological Society,1998,155:773-785

24 Taran Y T,Inguaggiato S,Marin M,et al.Geochemistry of fluids from submarine hot springs at Punta de Mita,Nayarit,Mexico[J].ournal of Volcanology and Geothermal Research,2002,115:329-338

25 Ishikawa H,Ohba T,Fujimaki H.Sr isotope diversity of hot spring and volcanic lake waters from Zao volcano,Japan[J].ournal of Volcanology and Geothermal Research,2007,166:7-16

26 Bucher K,Zhang L F,Stober I.A hot spring in granite of theWestern Tianshan,China[J].pplied Geochemistry,2009,24:402-410

27 Huang J,Chu X L,Jiang GQ,etal.Hydrothermalorigin of elevated iron,manganese and redox-sensitive trace elements in the c。635 Ma Doushantuo cap carbonate[J].ournal of the Geological Society, 2011,168:805-815

28 Nelson J,Paradis S,Christensen J,et al.Canadian Cordilleran Mississippi Valley-Type deposits:a case for Devonian-Mississippian Balck-Arc hydrothermal origin[J].conomic Geology,2002,97:1013-1036

29 Lott D A,Coveney R M,R J,et al.Sedimentary exhalative Nickel-Molybdenum ores in South China[J].conomic Geology,1999,94: 1051-1066

30 柳益群,李紅,朱玉雙,等。白云巖成因探討:新疆三塘湖盆地發現二疊系湖相噴流型熱水白云巖[J]。沉積學報,2010,28 (5):861-867[Liu Yiqun,Li Hong,Zhu Yushuang,et al.Permian lacustrine eruptive hydrochermal dolomites,Santanghu Basin,Xinjiang Province[J].cta Sedimentologica Sinica,2010,28(5):861-867]

31 周鼎武,柳益群,邢秀娟,等。新疆吐-哈、三塘湖盆地二疊紀玄武巖形成古構造環境恢復及區域構造背景示蹤[J]。中國科學:D輯,2006,36(2):143-153[Zhou Dingwu,Liu Yiqun,Xing Xiujuan,et al.Formation of the Permian basalts and implications of geochemical tracing for paleo-tectonic setting and regional tectonic background in the Turpan-Hami and Santanghu basins,Xinjiang[J].cience in China:Series D,2006,36(2):143-153]

32 馮軍,李江海,牛向龍,等。冀東高板河中元古代古代硫鐵礦疊層石結構特征及其成因[J]。高校地質學報,2004,10(4):562-569[Feng Jun,Li Jianghai,Niu Xianglong,etal.The fabric characteristics and origin of the Mesoproterozoic pyritic stromatolite from the Gaohanhe deposits,east Hebei Province[J].eological Journal of China Universities,2004,10(4):562-569]

33 Virtasalo J J,L?wemark L,Papunen H,et al.Pyritic and baritic burrows and microbial filaments in postglacial lacustrine clays in the northern Baltic Sea[J].ournal of the Geological Society,2010, 167:1185-1198

34 劉建明,葉杰,張安立,等。一種新類型熱水沉積巖——產在湖相斷陷盆地中的菱鐵絹云硅質巖[J]。中國科學:D輯,2001,31 (7):570-577[Liu Jianming,Ye Jie,Zhang Anli,et al.A new exhalite type:siderite-sericite chert formed in fault-controlled lacustrine basin[J].cience in China:Series D,2001,31(7):570-577]

35 葉杰,劉建明,張安立,等。沉積噴流型礦化的巖石學證據——以大興安嶺南段黃崗和大井礦床為例[J]。巖石學報,2002,18(4): 585-592[Ye Jie,Liu Jianming,Zhang Anli,et al.Petrological evidence for exhalative mineralization:Case studies of Huanggang and Dajing deposits in the southern segmentof the Da Hinggan Mountains, China[J].cta Petrologica Sinica,2002,18(4):585-592]

36 戚華文,胡瑞忠,蘇文超,等。陸相熱水沉積成因硅質巖與超大型鍺礦床的成因——以臨滄鍺礦床為例[J]。中國科學:D輯,2003, 33(3):236-246[Qi Huawen,Hu Ruizhong,Su Wenchao,et al.Continental hydrothermal sedimentary siliceous rock and genesis of superlarge germanium(Ge)deposithosted in coal:a study from the Lincang Ge deposit,Yunnan,China[J].cience in China:Series D, 2003,33(3):236-246]

37 趙澤輝,郭召杰,韓寶福,等。新疆三塘湖盆地古生代晚期火山巖地球化學特征及其構造-巖漿演化意義[J]。巖石學報,2006,22 (1):199-214[Zhao Zehui,Guo Zhaojie,Han Baofu,et al.The geochemical characteristics and tectonic-magmatic implications of the latest-Paleozoic volcanic rocks from Santanghu basin,eastern Xinjiang, northwest China[J].cta Petrologica Sinica,2006,22(1):199-214]

38 Sun S,Sand,Mcdonough W F.Chemical and isotopic systematics of oceanic basalts:implications for mantle compositions and processes.Magmatism in the Ocean Basins[C]∥Saunders A D,Norry M J.Eds.Geological Society Special Publications,1989:42313-42345

39 Rollison H R.Using Geochemical Data:evalution,presentation,interpretation[M].ongman Publishing Group,1993:206-324

40 李昌年,編著。火成巖微量元素巖石學[M]。武漢:中國地質大學出版社,1992:74-125[Li Changnian.Trace Elements Petrology of Igneous Rocks[M].uhan:China University of Geosciences Press,1992:74-125]

41 Marchig V,Gundlach H,Moller P,et al.Some geological indicators for discrimination between digenetic and hydrothermal matalliferous sediments[J].arine Geology,1985,50(3):241-256

42 韓發,R.W。哈欽森。大廠錫-多金屬礦床熱液噴氣沉積成因的證據-容礦巖石的微量元素及稀土元素地球化學[J]。礦床地質,1989,8(3):33-42[Han Fa,Hutchinson R W.Evidence for hydrothermal exhalative sedimentary origin of the Dachang Tin-polymetallic deposits-geochemistry of rare earth elements and trace elements of the host rocks[J].ineral Deposits,1989,8(3):33-42]

43 韓發,孫海田.edex型礦床成礦系統[J]。地學前緣,1999,6 (1):139-168[Han Fa,Sun Haitian.Metallogenic system of sedex type deposits:a review[J].arth Science Frontiers,1999,6(1): 139-168]

44 Murray RW,Buchholtz T,Jones D L,et al.Rare earth elements as indicators of different marine depositional environments in chert and shale[J].eology,1990,18:268-271

45 Korte C,Jasper T,Kozur H W,et al。87Sr/86Sr record of Permian seawater[J].alaeogeography,Palaeoclimatology,Palaeoecology, 2006,240:89-107

46 Kani T,Fukui M,Isozaki Y,et al.The Paleozoic minimum of87Sr/86Sr ratio in the Capitanian(Permian)mid-oceanic carbonates:A critical truning point in the Late Paleozoic[J].ournal of Asian Earth Sciences,2008:22-33

47 Liou JG.Analcime equilibria[J].ithos,1971,4(4):389-402

48 潘兆櫓主編。結晶學及礦物學下冊[M]。北京:地質出版社, 1993:213-214[Pan Zhaolu.Crystallography and Mineralogy(Vol。2)[M].eijing:Geological Publising House,1993:213-214]

49 蔣云,趙珊茸,馬昌前,等。青藏高原當雄地區方沸石響巖的主要造巖礦物特征:原生方沸石的證據[J]。地球科學-中國地質大學學報,2008,33(3):320-326[Jiang Yun,Zhao Sanrong,Ma Changqian,et al.Characteristics of rock-forming minerals of analcime phonolite in the Damxung area,Qinghai-Tibet Plateau:evidence for primary analcime[J].arth Science-Journal of China University of Geosciences,2008,33(3):320-328]

50 Ghobarkar H,Sch?f O.Effect of temperature on hydrothermal synthesis of analcime and visite[J].aterials Science and Engineering, 1990,B60:163-167

51 Campo M D,Papa CD,Jim nez-Mill n J,etal.Claymineral assemblages and analcime formation in a Palaeogene fluvial-lacustrine sequence(Ma z Gordo Formation Palaeogen)from northwestern Argentina[J].edimentary Geology,2007,201:56-74

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 沉積地質學 E-mail:lihong2008@nwu.edu.cn

P578.974

A

1000-0550(2012)02-0205-14

①國家自然科學青年基金項目(批準號:40802024),大陸動力學國家重點實驗室自主研究課題(批準號:BJ11054)資助。

2011-01-20;收修改稿日期:2011-04-21