神農架隆起南緣石槽河組白云巖地球化學特征及其成因分析

劉 力, 陳小龍, 潘龍克, 龔志愚

(1.湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質科學研究院,湖北 武漢 430034)

神農架隆起南緣石槽河組白云巖地球化學特征及其成因分析

劉 力1, 陳小龍2, 潘龍克1, 龔志愚1

(1.湖北省地質調查院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質科學研究院,湖北 武漢 430034)

前人對神農架群巨厚層白云巖的成因尚存爭議,筆者從沉積巖地球化學入手,探討神農架隆起南緣神農架群石槽河組白云巖的成因。石槽河組白云巖的巖石學特征顯示以泥—粉晶白云巖為主,多具紋層狀。地球化學上,V/Cr、Ni/Co及V/(V+Ni)值表明了其沉積環境具有氧化性,稀土元素基本保留了海水來源REE特點,同時在成巖改造中可能是受到熱液作用的影響。巖石學和地球化學特征表明石槽河組白云巖可能是在潮坪環境下強烈蒸發作用形成的。

石槽河組;白云巖;地球化學;神農架群

白云巖成因在目前沉積學領域尚存爭論。由于現代海水不能直接沉淀白云石,人們普遍認為至少寒武紀以后的白云巖主要是碳酸鹽沉積物或石灰巖的白云石化產物。但關于前寒武紀和某些顯生宙形成的白云巖成因一直存在著兩種絕然不同的看法[1]:一種認為是直接的化學沉淀;另一種認為是剛剛沉淀的文石立即被交代或沉積后才被交代的。大多數學者認為白云巖主要是交代成因[2-3],先后建立了白云巖化作用可能存在滲透回流、混合水、埋藏以及蒸發作用等多種類型[4],力求解釋白云巖的成因。

神農架群由江濤、華媚春(1962)[5]創名于神農架地區(圖1)。主體為一套碳酸鹽巖為主的沉積地層,夾多層火山巖和碎屑巖層,總厚度>12 680 m。區內無結晶基底巖系出露。目前關于神農架群的地層層序劃分主要由兩種方案:《湖北省巖石地層》(1996)[6]將神農架群自下而上劃分為鷹窩洞組、大巖坪組、亂石溝組、大窩坑組、礦石山組、臺子組、野馬河組、溫水河組、石槽河組、送子園組、瓦崗溪組共11個組;劉成新等(2004)[7]將11個組合并為4個組,并對地層層序進行了重新劃分,自下而上為:鄭家埡組、石槽河組、大窩坑組、礦石山組。筆者在神農架隆起南緣進行區域地質調查時,發現恩施巴東沿渡河自下而上依次出露有神農架群石槽河組、大窩坑組和礦石山組,其上被南華系蓮沱組角度不整合覆蓋。本文擬從神農架群白云巖的巖石學、地球化學入手,為探討神農架群巨厚層白云巖成因提供地質依據。

1 地質背景及巖相學特征

調查區大地構造位置屬于揚子板塊北緣神農架隆起南緣,出露的最老地層為中元古代神農架群,其上被南華系角度不整合覆蓋。依據1∶25萬神農架幅劃分方案將區內神農架群自下而上劃分為石槽河組、大窩坑組、礦石山組,其中石槽河組在調查區內未見底。石槽河組表現為一套碳酸鹽巖夾火山碎屑巖的巖石組合,區內厚度>1 625 m。本次調查中在1∶5萬平陽壩幅趙家河—石龍坡一帶測制了神農架群剖面,于石槽河組內采集了碳酸鹽巖樣品,鏡下鑒定分別為灰白色紋層狀微—粉晶白云巖(PM202/5-b1)、淺灰色紋層狀微—粉晶白云巖(PM202/15-b1)、灰色中層狀含藻紋粉晶灰巖(PM202/30-b1)、灰色塊狀碎裂硅化微晶白云巖(PM202/106-b1)和灰色紋層狀泥—微晶白云巖(PM202/136-b1)。

灰白色紋層狀微—粉晶白云巖(PM202/5-b1):主要由半自形粒狀或菱面體的粉晶白云石組成,含一定量的微晶白云石和少量的褐鐵礦,顯示微—粉晶結構。微晶白云石多數相對集中并呈條紋狀分布組成紋層狀構造,紋層寬0.2～2.5 mm,呈斷開微波狀(圖2-a)。

圖1 神農架隆起構造簡圖及采樣位置(據邱嘯飛[8]等修改)

淺灰色紋層狀微—粉晶白云巖(PM202/15-b1):巖石成分十分簡單,由粉晶白云石和微晶白云石組成,前者含量多于后者,兩者分別相對集中并相間分布組成紋層狀構造,紋層呈水平狀即水平層理,該紋層是由于不同速度的水流和周期性的化學沉積而形成的。粉晶白云石所組成的紋層寬0.3～2.5 mm。微晶白云石表面被隱晶質集合體的有機質渲染呈深色,使紋層更為清晰,所組成的紋層寬0.2～1.6 mm。

圖2 石槽河組白云巖顯微結構(+)Fig.2 Microscopic of dolomites from Shicaohe Formation

灰色中層狀含藻紋粉晶灰巖(PM202/30-b1):方解石是該巖的主要成分,其粒度主要是粉晶級,含少量的細晶級,含5%的藻跡,顯示含藻紋粉晶結構(圖2-b)。藻跡顆粒成分由藍藻類粘結泥晶方解石組成,色暗富含有機質,外形僅見呈藻紋狀。

灰色塊狀碎裂硅化微晶白云巖(PM202/106-b1):巖石原巖為微晶白云巖,在成巖后生階段經脆性變形破碎而形成,沿破碎的細小裂隙內充填著大量的硅質和少量的白云石(圖2-c),兩者呈粒狀、梳狀排列,并縱橫交錯呈網狀分布,顯示碎裂結構。巖石主要成分為微晶白云石,部分表面被隱晶質集合體的有機質渲染顯深色,部分具明顯的硅化現象,即微粒狀集合體的石英呈斑塊狀、團塊狀不均勻分布。

灰色紋層狀泥—微晶白云巖(PM202/136-b1):巖石主要成分為微晶白云石和泥晶白云石,微晶含量稍多些,顯示泥—微晶結構,兩者分別相對集中并相間分布形成紋層狀構造(圖2-d),紋層呈水平狀即水平層理,該紋層是由于不同速度的水流和周期性的化學沉積而形成的。兩者所組成的紋層寬相差不大,約0.1～0.8 mm。泥晶白云石表面被隱晶質集合體的有機質渲染呈深色,使紋層更為清晰。

2 地球化學特征

測試方法:樣品的主量、稀土、微量元素分析均在國土資源部武漢礦產資源監督檢測中心完成。其中主量元素測試采用RIX2100型X射線熒光光譜分析儀進行分析,分析精度優于5%。稀土、微量元素測試采用Agilent7500a ICP-MS分析完成,分析精度優于5%～10%。

2.1 主量元素特征

石槽河組白云巖樣品的主量元素含量可見表1,樣品燒失量所占比例較大(31.69%～45.53%),CaO為24.89%～32.27%,均值28.66%;MgO為13.64%～18.46%,均值17.00%;SiO2為2.84%～24.04%;CaO/MgO比值為1.43～1.82,與純白云石的理論值(CaO=30.4%,MgO=21.8%,CaO/MgO=1.39)[9]存在顯著差異,所以直接沉淀形成白云巖的可能性不大。Al2O3、K2O、Fe2O3、TiO2主要賦存于陸源泥質中,可作為陸源組分的代表。碳酸巖中Al2O3、K2O、Fe2O3、TiO2含量高,表明受陸源組分影響大,反之亦然[10-11]。由表1可見,石槽河組白云巖Al2O3為0.06%～3.01%,K2O為0.03%～0.37%,Fe2O3為0.01%～0.54%,TiO2為0.02%～0.23%。基本都在1%以下(僅有PM202/106-1樣Al2O3達到3.01%),表明樣品基本不受陸源組分的影響。

表1 石槽河組白云巖部分主量(%)、微量元素(μg/g)分析結果及特征值表

2.2 微量元素特征

微量元素Sc、Th、Hf、Zr分別小于或遠小于上地殼對應元素含量[12](Sc為15×10-6,Th為8.95×10-6,Hf為5.12×10-6,Zr為188×10-6)。海水的Y/Ho比值為44～74[13],調查區石槽河組白云巖的Y/Ho介于31.4～59.2之間,均值47.6,與海水一致。表明樣品未受陸源組分的影響。另外,海相碳酸鹽巖樣品Mn/Sr值<10,說明其受成巖作用的改造和蝕變作用的影響較弱。進一步約束,白云巖樣品中Mn/Sr值<3,則認為樣品基本不受成巖改造的影響,即保留了其形成流體的地球化學信息[14]。石槽河組白云巖Mn/Sr均在10以下,均值為2.52,表明其形成受成巖改造影響較弱,基本可以反映其形成流體的地球化學特征。

原生的碳酸鈣(高鎂方解石、文石、原生白云石)Sr含量均較高，但是白云巖化作用和成巖作用使Sr明顯降低。石槽河組白云巖Sr含量介于58.67×10-6～118.3×10-6,明顯低于原生白云石Sr的平均含量245×10-6～600×10-6,這是相對穩定的海相碳酸鹽(由成巖低鎂方解石組成)的晚期白云石化的結果[15]。一般認為,海相沉積物中Sr/Ba>1,淡水沉積物中Sr/Ba<1[16-18],石槽河組白云巖中Sr/Ba介于1.28～9.21之間,表明其海相成因基本不存在淡水介入影響。

參數V/Cr、Ni/Co及V/(V+Ni)能夠反映古環境的氧化—還原狀態,U/Th值能反映熱水沉積的影響。石槽河組白云巖V/Cr介于0.34～1.81之間,Ni/Co介于0.55～1.53,指示沉積時沉積物界面處于氧化環境(V/Cr<2,Ni/Co<5則指示為氧化狀態)[11]。V/(V+Ni)介于0.66～0.82,同樣也指示氧化環境特征(V/(V+Ni)>0.83為極為缺氧環境)。石槽河組白云巖U/Th值介于0.27～1.63,較低的U/Th值暗示沉積時底層水體基本不存在海底噴流熱鹵水的參與(當U/Th?1,為熱水沉積;而在水成沉積巖中,U/Th<1)[19]。樣品PM202/30-b1灰巖U/Th值15.14,表明可能受到熱水作用的影響。另外,高含量的Na、K值可能反映了石槽河組白云巖形成時的高鹽度環境。

2.3 稀土元素特征

稀土元素(REE)配分模式能提供物質來源信息,可用來探索白云巖化流體性質。前人對白云巖稀土元素的分析,大多是利用球粒隕石或頁巖的REE測試數據進行標準化處理;然而,白云巖的形成與隕石沒有任何內在聯系,與碎屑巖也無成因關聯,而與海水的成分有著直接或間接的關系。胡文瑄等(2010)[20]認為利用海水(由于海水的REE含量非常低,標準化前需將海水的REE濃度放大1 000倍)對REE數據進行標準化處理,取得的效果較好，并給出了海水來源白云巖的REE判別模式,全巖REE含量低(一般<20 μg/g),除一定程度的正Ce異常外,輕稀土元素(LREE)稍富集,重稀土元素(HREE)的配分曲線較為平坦。石槽河組白云巖稀土元素及特征值見表2,ΣREE多在35以下(僅PM202/106-1達到56.36),LREE/HREE介于3.97～14.24之間,顯示LREE富集的特點;δEu都>1,顯示正Eu異常;δCe在2.10～4.13之間,同樣顯示正異常特征。從稀土元素/海水標準化配分模式圖(圖3)上可以看出,石槽河組白云巖曲線起伏變化基本一致,表現出同源的特征,基本保留了海水來源REE特點。樣品中出現弱的正Eu異常以及HREE表現輕微的波動,表明白云巖在成巖改造中可能是受到熱液作用的影響[20,22]。

表2 石槽河組白云巖稀土元素(μg/g)及特征值表

注:δEu=2(Eu樣品/Eu1000海水)/(Sm樣品/Sm+Tb樣品/Tb1000海水);δCe=2(Ce樣品/Ce1000海水)/(La樣品/La1000海水+Nd樣品/Nd1000海水)。

圖3 石槽河組白云巖稀土元素/海水標準化配分模式圖(海水稀土含量值見Kawabe,et al.,1998[21])Fig.3 Seawater-normalized REE patterns for Shicaohe dolomites

3 討論

前人已對神農架群的沉積環境作過一些分析,胡正祥等(2012)[23]根據揚子北緣神農架群沉積特點,推斷神農架群在黃陵地區為被動大陸邊緣盆地沉積,往神農架地區向被動大陸邊緣裂谷盆地沉積過渡。劉成新等(2004)初步建立了神農架群巖石地層格架,認為神農架群沉積于中元古代全球的拉張作用背景下,區內陸緣陸表海發生裂陷,出現火山碎屑巖與石槽河組臺相碳酸鹽巖沉積。胡寧(1997)[24]對神農架地區石槽河組巖石特征進行了總結,認為石槽河組沉積期表現為南高北低的地勢,海水由北向南侵入,由南向北可劃分為四個沉積相帶:潮坪相帶、潮下低能相帶、淺灘相帶和淺海陸棚相帶。結合本次調查中對石槽河組的認識,神農架隆起南緣石槽河組應形成于潮下低能—潮間帶沉積環境。

白云巖化作用的核心是白云巖化流體性質及這種流體來源的動力學機制。通過巖石學、地球化學特征分析可以看出:石槽河組白云巖形成基本不受陸源組分的影響,形成于氧化高鹽度的海水環境,可能存在熱水作用的影響。據此可分為準同生白云巖和準同生后白云巖兩種類型。其中準同生白云巖化的產物主要是泥—微—粉晶白云巖和藻紋層白云巖。準同生后白云巖化的產物為碎裂硅化微晶白云巖。

準同生白云巖的形成可用蒸發泵白云巖化模式[25-26]來解釋:在干熱的潮坪環境中,早先沉積的碳酸鈣沉積物飽含孔隙水,在地表強烈蒸發作用下,孔隙水沿毛細管上升,并從側向相鄰的瀉湖或潮下海中源源不斷地獲得海水的補給,或者由周期性的大潮和風暴潮為潮上帶補給海水。由于強烈的蒸發作用以及文石、高鎂方解石、石膏等的沉淀,導致孔隙水的Mg/Ca比值升高。這種由海水蒸發濃縮的、富含Mg2+的超咸水可導致白云石的沉淀，并交代潮坪中原始的碳酸鈣沉積物。其形成的白云巖具有晶粒細小,水的鹽度較高,海水成因明顯,其形成環境是氧化性的,具有紋層狀、連續性和成層性均較好、橫向分布較穩定等特征,基本符合石槽河組白云巖的產出特點。

對于碎裂硅化微晶白云巖,從稀土元素特征可以看出,可能受到熱液作用的影響,結合調查在石槽河組中發現的火山碎屑巖[27]可以推斷:熱液作用可能是受同沉積的火山碎屑的影響。

4 結論

神農架隆起南緣石槽河組白云巖以泥—粉晶白云巖為主,多具紋層狀。地球化學特征顯示:其形成基本不受陸源碎屑的影響,V/Cr、Ni/Co及V/(V+Ni)值表明了其沉積環境具有氧化性,稀土元素基本保留了海水來源REE特點,同時在成巖改造中可能是受到熱液作用的影響。石槽河組白云巖的成因可用蒸發泵白云巖化模式來解釋。其中碎裂硅化微晶白云巖的形成可能受到構造及熱液作用的影響。

致謝:野外工作期間,得到了湖北省地質調查院張漢金教授級高級工程師的悉心指導,參加野外工作的還有羅紅、羅凡、杜翌超、曹明等,在此對他們的幫助表示衷心的感謝。

[1] 張學豐,胡文瑄,張軍濤.白云巖成因相關問題及主要形成模式[J].地質科技情報,2006,25(5):32-39.

[2] 翟永紅,郭成賢,郭建華,等.中揚子臺地北緣燈影組白云巖研究[J].礦物巖石,1996,16(3):36-42.

[3] 劉樹根,馬永生,王國芝,等.四川盆地震旦系—下古生界優質儲層形成與保存機理[J].天然氣地球化學,2007,18(4):485-496.

[4] 路鳳香,桑隆康.巖石學[M].北京:地質出版社,2002.

[5] 李銓,冷堅.神農架上前寒武系[M].天津:天津科學技術出版社,1991.

[6] 湖北省地質礦產局.湖北省巖石地層[M].武漢:中國地質大學出版社,1996.

[7] 劉成新,毛新武,魏運許,等.神農架群地層層序初探[J].資源環境與工程,2004,18(增刊):1-16.

[8] 邱嘯飛. 神農架地區中—新元古代巖漿事件及其對華南克拉通演化的指示意義[D].武漢:中國地質大學(武漢),2012.

[9] 林方成. 揚子地臺西緣大渡河谷超大型層狀鉛鋅礦床地質地球化學特征及成因[J].地質學報,2005,79(4):540-556.

[10] 江納言,賈蓉芬,王子玉.下揚子區二疊紀古地理和地球化學環境[M].北京:石油工業出版社,1994.

[11] 曠紅偉,劉燕學,孟祥化,等.吉遼地區震旦系碳酸鹽巖地球化學特征及其環境意義[J].天然氣地球科學,2005,16(1):54-58.

[12] Gao Shan,Luo Tingchuan,Zhang Benren,et al. Structure and composition of the continental crust in East China[J]. Science in China(Series D),1999,42(2):129-140.

[13] Bau M,Dulski P. Distribution of yttrium and rare-earth elements in the penge and kuruman iron-formations Transvaal supergroup south Africa[J]. Precam,Res.,1996,79:37-55.

[14] 王利超,胡文瑄,王小林.下揚子宜興葛山三疊系周沖村組白云巖化過程及元素地球化學響應[J].地球化學,2014,43(3):256-266.

[15] 劉建清,趙瞻,林家善,等.四川盆地東南緣中上寒武統白云巖地球化學特征及成因機制[J].中國地質,2014,41(5):1682-1692.

[16] 楊興蓮,朱茂炎,趙元龍,等. 黔東前寒武紀—寒武紀轉換時期微量元素地球化學特征研究[J]. 地質學報,2007,81(10):1391-1397.

[17] 劉春,張惠良,張榮虎,等.庫車坳陷古近系白云巖地球化學特征及成因[J]. 沉積學報,2010,10(3):518-524.

[18] 馬宏杰,張世濤,程先鋒,等.云南會澤石炭系擺佐組白云巖地球化學特征及其成因分析[J]. 沉積學報,2014,32(1):118-125.

[19] Bostrom K. Genesis of ferromanganese deposits diagnostic criteria for recent and old deposits[M].New York:Plenum Press,1983:473-483.

[20] 胡文瑄,陳琪,王小林,等.白云巖儲層形成演化過程中不同流體作用的稀土元素判別模式[J].石油與天然氣地質,2010,31(6):810-818.

[21] Kawabe I,Toriumi T,Ohta A,et al. Monoisotopic REE abundances in seawater and the origin of seawater tetrad effect[J]. Geochemical Journal,1998,32:213-229.

[22] 胡忠貴,鄭榮才,胡九珍,等.川東—渝北地區黃龍組白云巖儲層稀土元素地球化學特征[J].地質學報,2009,83(6):782-790.

[23] 胡正祥,劉早學,張焱林,等.揚子地塊北緣前南華紀神農架群底界的厘定及其地質意義[J].資源環境與工程,2012,26(3):201-208.

[24] 胡寧.鄂西神農架地區中元古界石槽河組巖石特征及沉積環境[J].華南地質與礦產,1997(2):54-61.

[25] 喬冀超. 塔深1井寒武系白云巖儲層特征及其地球化學特征研究[D].成都:成都理工大學,2008.

[26] 趙大千.安徽沿江地區晚石炭世白云巖地球化學特征及其成因研究[D].合肥:合肥工業大學,2012.

[27] 劉力,潘龍克,杜翌超,等.鄂西神農架群石槽河組火山巖地球化學特征及地質意義[J]. 資源環境與工程,2015,29(4):370-376.

(責任編輯：于繼紅)

Geochemical Characteristics and Petrogenesis of Dolomites from the ShicaoheFormation at Southern Shennongjia Uplift

LIU Li1, CHEN Xiaolong2, PAN Longke1, GONG Zhiyu1

(1.HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034; 2.HubeiInstituteofGeosciences,Wuhan,Hubei430034)

The origin of thick dolomites from Shennongjia Group is quite difficult to solve in long term,and the research on dolomite genesis is in postulation at present. Based on the study of geochemistry of sedimentary rocks,the paper discusses the origin of Shicaohe dolomite from Shennongjia Group at southern Shennongjia uplift. The types of dolomites include putty crystal dolomite and powder crystal dolomite primarily,and they possess the characteristic of laminated structure. The ratios of V/Cr,Ni/Co,V/(V+Ni) of Shicaohe dolomite show that it formed in an oxidation environment. REES have the basic characters of the rock from seawater. Besides that,it can be influenced by hydrothermal fluid on the later diagenesis. Based on petrological and geochemical characters,intense evaporation in tidal flat environment may form Shicaohe dolomite.

Shicaohe formation; dolomite; geochemistry; Shennongjia Group

2016-04-08;改回日期:2016-05-11

中國地質調查局基礎地質調查項目(編號:1212011220509)資助。

劉力(1986-),男,工程師,地質學專業,從事巖漿巖巖石學及區域地質調查研究工作。E-mail:505651703@qq.com

P619.23+4; P595

A

1671-1211(2016)04-0551-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.04.002

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160707.1528.046.html 數字出版日期:2016-07-07 15:28