新疆三塘湖薄層狀巖漿—熱液白云質(zhì)噴流沉積巖

焦鑫，柳益群，靳夢(mèng)琪，周鼎武

1.大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，西安 710069 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054

新疆三塘湖薄層狀巖漿—熱液白云質(zhì)噴流沉積巖

焦鑫1，柳益群1，靳夢(mèng)琪2，周鼎武1

1.大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，西安 710069 2.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心，西安 710054

新疆三塘湖地區(qū)的晚石炭世—中二疊世發(fā)育陸內(nèi)裂谷型盆地，主要發(fā)育形成于欠補(bǔ)償湖盆背景下的湖相碳酸鹽巖與凝灰質(zhì)泥巖互層的紋層狀沉積巖，局部夾有火山碎屑巖以及熱液噴流巖夾層。選取其中一類特殊的、以白云石和蒙脫石為主要造巖礦物構(gòu)成的夾層為研究對(duì)象，通過(guò)巖石學(xué)、礦物學(xué)以及地球化學(xué)探討其形成機(jī)理。研究結(jié)果表明，其礦物成分單一，形態(tài)自形并部分具有港灣狀熔蝕的構(gòu)造，顯示火成巖特征。巖石整體呈薄層狀，層內(nèi)無(wú)明顯的成層性，代表高密度流體中的沉積物快速混雜堆積。由大量細(xì)小礦物組成的斑狀團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，則代表了在高溫、高密度的碎屑流體中形成的次生火山泥粒。地球化學(xué)結(jié)果展現(xiàn)出幔源為主，并被殼源流體混染的復(fù)雜過(guò)程。綜合分析認(rèn)為，該類巖石為碳酸巖水下火山噴發(fā)作用生成的高密度碎屑流體沉積形成，并且被同期或較晚期熱液改造后的一類特殊沉積巖。

巖漿—熱液噴積巖；碳酸巖；白云石；蘆草溝組；三塘湖盆地

0 引言

隨著現(xiàn)代深水探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的湖/海底的火山活動(dòng)及其相關(guān)的熱液活動(dòng)被發(fā)現(xiàn)，并被逐步研究[1-5]。不同于地表環(huán)境，水下火山噴發(fā)所受到的環(huán)境影響因素(高水壓、高溫差)更為復(fù)雜[3,6]。由此產(chǎn)生的沉積作用，包括碎屑形成機(jī)理、搬運(yùn)流體特征、沉積方式、沉積物特征[1-3,6-9]及其與湖/海水間相互作用[10]近年來(lái)得到廣泛關(guān)注。同時(shí)，與火山活動(dòng)相關(guān)的熱液噴流沉積既見于全球不同大洋，直接表現(xiàn)為洋底、湖底的黑、白煙囪[11-12]，也見于大陸環(huán)境，如東非裂谷[13]和美國(guó)黃石公園[14]。熱液活動(dòng)所形成的沉積產(chǎn)物最先由White[15]定義為噴流巖(exhalite)，后經(jīng)Ridlers[16]重新評(píng)述，其后被廣泛使用。但由于受到采樣限制以及與正常湖/海水沉積物的混合，這類沉積作用所產(chǎn)生的遠(yuǎn)端沉積物難以得到較好的觀察與研究。目前，國(guó)內(nèi)僅有新疆三塘湖[17-18]、青藏酒西[19-20]和內(nèi)蒙古二連盆地[21]發(fā)現(xiàn)了熱液沉淀成因的白云石。而地質(zhì)時(shí)期詳細(xì)的水下巖漿—熱液噴發(fā)、噴流沉積巖則被較少報(bào)道與研究。

近年來(lái)，課題組在研究新疆三塘湖盆地二疊系蘆草溝組的黑色含油氣頁(yè)巖的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了一套以?shī)A層形式出現(xiàn)，并以巖漿礦物、熱液礦物及正常湖水沉積物混合形成的特殊沉積巖，初步定名為巖漿—熱液噴流沉積巖(簡(jiǎn)稱噴積巖)[17-18]。本文選擇其中一類特殊的白云質(zhì)噴積巖為研究對(duì)象，通過(guò)精細(xì)的巖石學(xué)、礦物學(xué)以及地球化學(xué)方法探討其形成機(jī)理。認(rèn)為該巖石為一類罕見的白云碳酸巖巖漿在水下噴發(fā)的沉積產(chǎn)物，指示了研究區(qū)在該時(shí)期的裂谷構(gòu)造背景下可能存在碳酸巖火山活動(dòng)。

1 地質(zhì)背景

新疆博格達(dá)山北緣三塘湖盆地為一在晚石炭基底之上形成的山間盆地(圖1)。綜合前人資料表明，該盆地自前晚石炭世形成基底以后，進(jìn)入盆地充填階段[22-23]。晚石炭世三塘湖盆地進(jìn)入板內(nèi)裂谷演化階段，形成一系列受正斷層控制的斷陷—裂谷盆地。在此構(gòu)造背景下，二疊系形成一套半深—深湖相紋層狀沉積巖[22-25]。

三塘湖盆內(nèi)及南緣造山帶上石炭統(tǒng)至下三疊統(tǒng)(圖2)可劃分為：1)上石炭統(tǒng)哈爾加烏組，厚1 000～6 000 m，主要由基性及酸性火山巖構(gòu)成，夾少量泥巖。2)下二疊統(tǒng)卡拉崗組厚2 500～4 000 m，由中酸性火山巖組成，井下難以與哈爾加烏組區(qū)分。3)中二疊統(tǒng)蘆草溝組厚度為0～600 m，平均200 m，在北疆地區(qū)廣泛發(fā)育，與卡拉崗組呈不整合接觸，主要由極細(xì)的紋層狀深灰色—黑色凝灰質(zhì)泥巖，淺灰色白云巖或灰?guī)r夾凝灰?guī)r組成[18,26]，盆地邊緣偶見少量砂巖和礫巖。4)中二疊統(tǒng)條湖組主要由厚度可達(dá)2 000 m的玄武巖夾少量凝灰質(zhì)泥巖組成，局部可見苦橄質(zhì)玄武巖[27]，上二疊統(tǒng)在盆內(nèi)缺失，指示區(qū)內(nèi)主要的構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)。5)中侏羅統(tǒng)西山窯組主要由200～400 m 的砂巖，泥巖及少量煤層組成，不整合于條湖組之上。綜上，蘆草溝組上覆及下伏地層以火山巖為主，且區(qū)內(nèi)存在的2個(gè)不整合(圖2)，共同指示出蘆草溝組鄰近的上下地層沉積時(shí)期屬于火山活動(dòng)相對(duì)劇烈的構(gòu)造背景；而由湖相沉淀及凝灰質(zhì)沉積為主的蘆草溝組則代表了相對(duì)穩(wěn)定的構(gòu)造背景。

圖1 新疆三塘湖地區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)圖及井位圖Fig.1 Simplified tectonic map of Santanghu area and location of the studied well

圖2 三塘湖地區(qū)地層及巖性表Fig.2 Stratigraphic chart of Santanghu area

2 實(shí)驗(yàn)方法

所有巖石樣品均采于盆內(nèi)馬朗凹陷ML1井(圖1)。詳細(xì)觀察手標(biāo)本的沉積結(jié)構(gòu)及與圍巖接觸關(guān)系后，選擇46件磨制成0.03 mm厚度的薄片在偏光顯微鏡下進(jìn)行初步的觀察鑒定以及分類。選擇粒度過(guò)于細(xì)小難以觀察或結(jié)構(gòu)特征具有代表性的樣品磨制成電子探針薄片，觀察其礦物組合與微觀礦物構(gòu)造特征。該實(shí)驗(yàn)在西安地質(zhì)研究所實(shí)驗(yàn)測(cè)試中心完成，儀器型號(hào)：JXA-8100電子探針儀(15Kv，束流1×10-8A，束斑1～5 μm)。

由于該樣品產(chǎn)狀多呈紋層狀或薄層狀，為保證地球化學(xué)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，共選擇6件樣品采用微鉆進(jìn)行局部取樣。將鉆取的粉末粉碎至200目以下，進(jìn)行主、微量和稀土元素及Sr-Nd同位素分析，所選樣品均經(jīng)過(guò)X衍射測(cè)試，其碳酸鹽礦物含量大于50%。地球化學(xué)測(cè)試在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。其中主量元素分析使用RIX—2100型X射線熒光光譜儀，其精度一般優(yōu)于5%；微量、稀土元素成分分析使用Elan6100DRC型ICP-MS，測(cè)試精度介于5%～10%。Sr-Nd同位素測(cè)試使用Nu Plasma HR型MC-ICP-MS，并分別用86Sr/88Sr=0.119 4和146Nd/144Nd=0.721 9加以校正。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究樣品以白云石含量大于50%為特征，由于樣品兼具沉積巖與巖漿巖特征，本文按照柳益群等[18]對(duì)這類特殊巖石類型的定名方案，將該樣品稱為白云質(zhì)噴積巖。

3.1 巖石學(xué)及礦物學(xué)特征

共有15層白云質(zhì)噴積巖集中出現(xiàn)在ML1井蘆草溝組上半段約30 m的巖芯中(圖3A)。其單層厚度主要介于30～80 mm，并作為夾層夾于灰白色凝灰質(zhì)泥巖中。二者呈明顯的突變接觸，部分接觸面具有凹凸不平的剝蝕面特征(圖3B)。并且在接近該巖石時(shí)，本身平行于水平面的凝灰質(zhì)泥巖巖層多呈現(xiàn)大角度傾斜，甚至直立于地層(圖3A)。手標(biāo)本上該巖石呈淺紅褐色，極疏松，多顯示類似火山巖的斑狀結(jié)構(gòu)的塊狀，無(wú)明顯紋層結(jié)構(gòu)。僅有少量該巖石具有紋層結(jié)構(gòu)(圖3C)。值得注意的是，在部分塊狀樣品中可見大致垂直于巖層的由更加密集的斑晶構(gòu)成的不規(guī)則脈體(圖3C)，可能為泄水構(gòu)造。

白云質(zhì)噴積巖主要由白云石(～70%)，蒙脫石(～23%)，堿性長(zhǎng)石(～6%)以及少量黃鐵礦(表1)組成。白云石主要富集于斑狀結(jié)構(gòu)的斑晶內(nèi)，而蒙脫石則富集于基質(zhì)中(圖4A)。這些斑晶粒度介于0.2～3 mm，分選中等(圖4A，B)。但該斑晶并非噴出巖一般由單礦物組成，而是主要由大量的白云石，少量的堿性長(zhǎng)石和黃鐵礦構(gòu)成骨架顆粒，并以蒙脫石作為基質(zhì)的團(tuán)塊(圖4C)。團(tuán)塊中的白云石粒度介于10～50 μm，呈次棱角狀至次圓狀，因其晶體邊界部分自形平直，部分呈光滑的凹凸不平狀(圖4C)，可能指示了熔結(jié)或溶蝕作用，而非機(jī)械搬運(yùn)的磨圓作用造成。一些白云石與堿性長(zhǎng)石鑲嵌在一起，可能代表了巖漿結(jié)晶過(guò)程中的交生關(guān)系(圖4C，D)。黃鐵礦呈不規(guī)則粒狀形態(tài)分布于骨架顆粒之間(圖4C)。

圖3 白云質(zhì)噴積巖巖石學(xué)特征A.紅褐色白云質(zhì)噴積巖夾于灰白色凝灰質(zhì)泥巖中，部分接近噴積巖的泥巖呈大角度至近于直立的角度(黃色箭頭)與之接觸；B.塊狀白云質(zhì)噴積巖頂部具剝蝕面(黃色虛線)；C.紋層狀白云質(zhì)噴積巖(右邊)與塊狀白云質(zhì)噴積巖(左邊)呈整合接觸，可見疑似泄水通道(黃色虛線)；白色虛線為圖4A的位置；圖中黑色箭頭均指向底部。Fig.3 Petrological features of dolomitic exhalative rocks

礦物Na2OSiO2MgOAl2O3K2OCaOFeOMnOSrOTiO2總值白云石0．3494．92519．3681．0090．14124．880．4710．0680．1230．17451．508白云石0．1110．08319．77200．05130．3780．5140．0520．1960．0251．177白云石0．2221．35320．2350．2120．17528．0140．5120．0720．3560．06451．215白云石0．1630．16622．370．2970．24427．7990．4590．0270．5570．10452．19蛇紋石0．35850．85727．7595．5390．120．5320．1080．0020．3380．0185．623蛇紋石0．74650．58127．4325．7970．1170．2730．2810．0270．3350．03885．627正長(zhǎng)石0．71865．8690．39817．5314．850．1350．07100．029099．607正長(zhǎng)石0．6768．76019．1510．8800．120．0100．0599．65鈉長(zhǎng)石12．8169．45019．450．01600．05900．4610．007102．26蒙脫石0．6310．34152．34312．188．4810．1290．7440．0590．2720．16875．352蒙脫石0．7080．28252．59412．099．70．6121．2460．0420．110．29177．676

圖4 白云質(zhì)噴積巖巖石及礦物學(xué)特征A.巖芯照片，下半部分為紋層狀，深灰色與灰白色紋層呈突變式接觸關(guān)系，并發(fā)生同沉積變形，上半部分為塊狀，并具斑狀結(jié)構(gòu)；B.圖A樣品的局部放大，灰白色斑晶并非單一礦物顆粒，而是更為細(xì)小的礦物集合體；C.圖B中C框的局部放大，顯示斑晶結(jié)構(gòu)及成分特征，主要為作為骨架顆粒的白云石(深灰色顆粒)及作為填隙物的蒙脫石組成，白色不規(guī)則顆粒為黃鐵礦；白云石具有部分自形和部分熔蝕的結(jié)構(gòu)(紅箭頭)；D. 圖B中D框的局部放大，顯示基質(zhì)成分與結(jié)構(gòu)特征，其主要為作為骨架顆粒的粒度更細(xì)的白云石(深灰色)，其次為鈉長(zhǎng)石(淺灰色)，和作為填隙物的蒙脫石組成，可見白云石與長(zhǎng)石的交生結(jié)構(gòu)(紅箭頭)；E.少量斑晶并非白云石的集合體，而是為蛇紋石，黑色正方體(紅箭頭)為黃鐵礦；F.圖A中F框的局部放大，紋層由粗粒的白云石組成，白云石邊部(紅箭頭)發(fā)生蛇紋石化。圖A為巖芯照片；B，E為單偏光照片；C，D為背散射照片；F為正交偏光照片。Fig.4 Mineralogical features of dolomitic exhalative rocks

團(tuán)塊之間的基質(zhì)主要由分散的白云石和堿性長(zhǎng)石組成，并雜亂分布于蒙脫石之間(圖4D)。相對(duì)于團(tuán)塊中的顆粒，基質(zhì)中的顆粒普遍較小(<20 μm)。白云石同樣為半自形至自形，部分具有熔蝕或溶蝕作用造成的光滑的凹凸不平的邊部。部分白云石與長(zhǎng)石同樣存在鑲嵌的交生關(guān)系。

值得注意的是，有一件樣品中的部分團(tuán)塊為蛇紋石的集合體，其中還有粒度介于50～90 μm的正方體形黃鐵礦(圖4E)。少量具有紋層狀結(jié)構(gòu)的該樣品，其臨近的不同紋層具有平行的起伏形態(tài)(圖3A)，可能指示了同沉積時(shí)期的軟變形。該紋層主要由它形至半自形，粒度介于0.1～0.5 mm的白云石組成。白云石之間彼此鑲嵌，且晶體邊部均發(fā)生了蛇紋石化作用(圖4F)。

3.2 地球化學(xué)特征

由于該巖石均以紋層—薄層狀產(chǎn)出，很難獲得成分較為純凈的巖石樣品，因此本文僅選擇6件厚度較大的白云質(zhì)噴積巖進(jìn)行地球化學(xué)測(cè)試，結(jié)果詳見(表2，3，4，5)。6個(gè)樣品的SiO2含量均小于34%；K2O+Na2O極低，普遍小于4%；CaO、FeO+Fe2O3、MgO的總和介于32.98%～37.23%；TFeO含量為1.49%～2.8%；MgO平均含量為20.72%；Al2O3的平均含量為4.7%；K2O/Na2O幾乎均小于1.2；SiO2/Na2O均小于15；Al2O3/Na2O均小于2.4。

白云質(zhì)噴積巖微量元素(圖5)顯示富集大離子親石元素(Rb、Ba、Th、U)，而虧損高場(chǎng)強(qiáng)元素(Nb、Ta、Zr、Hf)的特征，Pb和Sr明顯正異常。分析結(jié)果顯示(表3)Ba/La值介于14.86～33.85，平均值為23.83；Rb/Sr值介于0.01～0.05，平均值為0.03；Th/U值介于0.72～1.66，平均1.12；Sm/Nd值介于0.18～0.22，平均值為0.2。

白云質(zhì)噴積巖樣品的∑REE(表4)介于39.61×10-6～66.19×10-6(平均為51.70×10-6)，∑LREE/∑HRRE在7.1～9.04(平均為7.99)；δEu值為0.57～0.86(平均為0.68)，δCe值為0.81～1.34(平均為1.05)，表現(xiàn)出明顯的Eu負(fù)異常，Ce異常不明顯。球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分圖解(圖6)顯示，白云質(zhì)噴積巖呈現(xiàn)輕稀土富集的右傾型稀土配分型模式，重稀土分布曲線較為平坦，該特征與二疊紀(jì)玄武巖[22]類似。

6個(gè)樣品的87Sr/86Sr(表5)初始比值介于0.705 058±0.000 010至0.705 382±0.000 009，低于同時(shí)期全球海水87Sr/86Sr比值(0.706 854～0.707 355，時(shí)代260.5～272.5 Ma[30])以及中上二疊統(tǒng)海相碳酸鹽的最低值(0.706 914±0.000 012，時(shí)代265.8～260.4 Ma[31])，表明可能有深源的、具虧損特征的Sr的加入。143Nd/144Nd初始比值介于0.512 337±0.000 008至0.512 634±0.000 027，εNd值介于-3.74～2.48(平均-0.39)。

4 討論

綜合巖石學(xué)、礦物學(xué)以及地球化學(xué)特征，推測(cè)白云質(zhì)噴積巖為水下火山—熱液噴發(fā)作用形成的高密度碎屑流沉積而成，并且被同期或較晚期熱液改造后形成的一類特殊沉積巖。

4.1 物源探討

根據(jù)巖石礦物組合推測(cè)白云質(zhì)噴積巖可能源于白云質(zhì)巖漿碳酸巖。其一，白云石整體具有較為自形的平直邊緣，表明較為充分的結(jié)晶過(guò)程，且未經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的機(jī)械搬運(yùn)，否則白云石應(yīng)整體磨圓，其各個(gè)方位的菱形角形態(tài)均難以保存。其二，部分白云石所具有的平滑的凹凸不平的邊部形態(tài)(圖4C)，則有流體溶蝕或高溫熔蝕兩種可能。但前者也理應(yīng)與機(jī)械搬運(yùn)作用一致，對(duì)顆粒各個(gè)方位均發(fā)生改造作用。而后者則常見于火山噴出巖中的礦物，其整體保持了較自形的礦物晶形，而局部由于高溫形成類似于港灣狀凹凸不平的形態(tài)。因此，筆者認(rèn)為白云石的晶體形態(tài)更接近于熔蝕作用造成。其三，白云石彼此之間或是與長(zhǎng)石之間的鑲嵌的交生結(jié)構(gòu)(圖4C，D)代表了巖漿礦物的特征。其四，作為次要造巖礦物的蒙脫石，其主要成因便是基性火成巖受堿性環(huán)境影響形成，也可以是海底沉積的火山灰分解后的產(chǎn)物[32]。最后，在臨近白云質(zhì)噴積巖的地層多數(shù)發(fā)生了地層大角度傾斜(圖3A)，可能代表了火山活動(dòng)造成的局部隆起。

表2 主量元素分析結(jié)果(wt %)

注：LOI為燒失量，TFeO為全鐵含量

表3 微量元素分析結(jié)果(μg /g)

表4 稀土元素分析結(jié)果(μg/g)

表5Sr-Nd同位素分析結(jié)果

Table5StrontiumandNeodymiumisotopevalues

樣品號(hào)Rb/10-6Sr/10-6(87Sr/86Sr)0±2σ(87Sr/86Sr)iεSr(t)Sm/10-6Nd/10-6(143Nd/144Nd)0±2σfSr/Nd(143Nd/144Nd)iεNd(t)M134．213850．705237±0．0000080．70496311．081．457．780．512451±0．000007-0．430．512252-0．75M254．917870．705255±0．0000120．70491310．382．8914．50．512466±0．000005-0．390．512253-0．72M354．817450．705309±0．0000060．7049611．042．8112．60．512337±0．000008-0．320．512099-3．74M51715470．705058±0．000010．70493610．72．0811．20．512510±0．000006-0．430．5123110．4M74710110．705382±0．0000090．7048669．712．0611．80．512476±0．000005-0．460．512289-0．02M830．67850．705262±0．0000090．7048299．181．447．10．512634±0．000012-0．380．5124172．48

圖5 原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化白云質(zhì)噴積巖微量元素蛛網(wǎng)圖 (原始地幔數(shù)據(jù)[28])Fig.5 Primitive-mantel-normalized trace elements distribution patterns of dolomitic exhalative rocks

圖6 球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化白云質(zhì)噴積巖稀土元素蛛網(wǎng)圖 (球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)[28])Fig.6 Chondrite-normalized REE distribution patterns of dolomitic exhalative rocks

地球化學(xué)特征也顯示了該巖石物質(zhì)主要來(lái)自深部，并有淺部物質(zhì)混雜的特征。樣品的Ba/La值(平均23.83)與該區(qū)二疊紀(jì)玄武巖[22]的Ba/La值(平均17.42)相似。而其Rb/Sr值(平均0.03)，又與原始地幔值[28](平均0.03)一致，但Th/U比值(平均1.12)則遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原始地幔值[28](平均4.00)和上地殼值[29](平均4.20)，Sm/Nd值(平均0.20)則介于原始地幔值[28](平均0.33)和上地殼值[29](平均0.18)之間。以上對(duì)比結(jié)果表明，噴積巖的特征微量元素比值均反映原始地幔與上地殼混合的特征，以及與該區(qū)二疊紀(jì)玄武巖類似的特征。樣品的87Sr/86Sr比值較低，代表了幔源物質(zhì)組成特征，而其εSr值則偏高，表明了殼源Sr的混入。此外，本樣品εNd正負(fù)只均有，同樣可能代表了噴積巖源區(qū)的混雜性。

4.2 形成過(guò)程探討

根據(jù)巖石礦物結(jié)構(gòu)特征以及地球化學(xué)特征推測(cè)白云質(zhì)噴積巖形成于水下碳酸巖噴發(fā)后形成的高密度碎屑流體沉積而成。原因如下：1)主要造巖礦物粒度介于粉砂級(jí)—泥級(jí)，說(shuō)明碎屑經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)距離搬運(yùn)，但這與顆粒普遍具有的成分成熟度低(顆粒以白云石和堿性長(zhǎng)石等相對(duì)不穩(wěn)定礦物為主，而缺乏穩(wěn)定的石英)的特征相互矛盾。推測(cè)形成該巖石的碎屑流體密度較大，含水量較少，類似于泥石流，顆粒之間彼此摩擦作用少，并以混雜的方式快速堆積。2)在對(duì)現(xiàn)今水下火山噴發(fā)所產(chǎn)生的水—巖反應(yīng)的觀察后，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)除了巖漿瞬間減壓而造成的破碎過(guò)程外，還存在著更為強(qiáng)烈的二次破碎。由于水體與極高溫的巖漿接觸后瞬間產(chǎn)生出大量水蒸氣，在此氣化過(guò)程中釋放了大量的能量，使原本已破碎的顆粒變得更加細(xì)小。因此，相較于水上火山噴發(fā)，其碎屑顆粒更為細(xì)小[3,6]，這一過(guò)程產(chǎn)生的沉積物具有粒度極小、磨圓差、分選差的特征[33]。因此該巖石物源來(lái)源較為單一，很可能以水下巖漿活動(dòng)為主提供物源，而并非是由周圍造山帶母巖經(jīng)風(fēng)化、剝蝕、搬運(yùn)再沉積過(guò)程形成。3)由于水下火山受高水壓的影響，其噴發(fā)量往往很小，并且呈脈動(dòng)式噴發(fā)，形成周期性的沉積事件[1, 7]。白云質(zhì)噴積巖在縱向上連續(xù)15次的出現(xiàn)也恰好符合這一沉積特征。4)該巖石具有的斑狀結(jié)構(gòu)，其斑晶為礦物集合體團(tuán)塊(白云石—蒙脫石的組合)，基質(zhì)除多了堿性長(zhǎng)石外，其余成分與斑晶一致。然而，斑狀結(jié)構(gòu)是熔漿在快速冷凝過(guò)程中由于結(jié)晶習(xí)性的不同，造成的分異現(xiàn)象。其斑晶多為早期結(jié)晶的礦物單晶，而基質(zhì)則為細(xì)小的礦物晶體及未結(jié)晶的火山玻璃[32]。本次樣品雖然在“斑晶”與基質(zhì)的成分上反映了一定的分異現(xiàn)象，但“斑晶”本身并非礦物單體。因此，推測(cè)本次研究的斑狀結(jié)構(gòu)可能為已固結(jié)巖石經(jīng)破碎、搬運(yùn)后，以巖屑形式作為碎屑沉積；也有研究表明，火山噴發(fā)產(chǎn)生的碎屑顆粒在高密度碎屑流體中，由于彼此發(fā)生碰撞，從而聚集形成團(tuán)塊狀的增生火山泥粒[34]，同樣可形成標(biāo)本中的斑晶狀團(tuán)塊。由于，該團(tuán)塊無(wú)明顯破碎形態(tài)，筆者認(rèn)為增生火山泥粒的成因更可靠。5)偶見的泄水構(gòu)造(圖3C)表明沉積物中存在少量的水，但層內(nèi)無(wú)明顯成層性以及顆粒混雜、無(wú)定向性(圖4C，D)的特征則表明碎屑流密度較大，含水量不高，因此無(wú)明顯的牽引流作用，使得顆粒定向排列。

地球化學(xué)以及特殊礦物的出現(xiàn)，表明該巖石受到同期或后期與火山活動(dòng)相關(guān)的熱液改造。1)Eu負(fù)異常明顯，已有研究認(rèn)為，Eu負(fù)異常是由于在流體作用下，Eu2+被帶走致使剩下Eu3+，表明該區(qū)高溫碳酸巖熔漿在結(jié)晶成巖過(guò)程中遭受到具還原性質(zhì)流體的交代改造。2)研究表明蛇紋石可形成于酸性流體對(duì)白云石的蝕變作用[32]。巖石中部分團(tuán)塊以及粗晶白云石邊部的蛇紋石化現(xiàn)象(圖4E，F(xiàn))均指示了熱液的蝕變作用。3)自形的黃鐵礦的結(jié)晶形態(tài)可反映熱液作用溫度，如正方體對(duì)應(yīng)90℃～280℃，八面體對(duì)應(yīng)250℃～350℃，五角十二面體對(duì)應(yīng)300℃～350℃[35-36]。白云石團(tuán)塊中的黃鐵礦粒度小且自形程度低，而蛇紋石團(tuán)塊中的黃鐵礦粒度大且呈現(xiàn)自形的正方體形態(tài)(圖4E)，表明了高溫?zé)嵋簩?duì)白云石團(tuán)塊的蝕變與改造。

4.3 形成機(jī)理推測(cè)

綜合以上討論結(jié)果表明，該巖石是由富含幔源物質(zhì)的巖漿在湖底噴發(fā)并與湖水反應(yīng)后，形成的以巖漿礦物為主要成分，并保留部分巖漿巖特征的一類特殊的沉積巖。其形成過(guò)程如下。首先，在深大裂谷的拉張構(gòu)造背景下，來(lái)自幔源的巖漿沿裂縫上涌，并在此過(guò)程中逐步發(fā)生結(jié)晶分異，形成氣相、液相以及固相共存的混合物。在該混合物上升至湖水底部時(shí)，由于壓力減小隨即發(fā)生爆炸破碎作用。但由于水體壓力的存在，壓力差較小，導(dǎo)致破碎作用沒有陸地火山噴發(fā)時(shí)的破碎作用強(qiáng)烈。造成此時(shí)的噴發(fā)雖然強(qiáng)度降低，但次數(shù)頻繁，呈脈動(dòng)式[1,7]。其次，當(dāng)巖漿與水接觸后造成的氣化作用所釋放的巨大能量造成的強(qiáng)烈的二次破碎，形成了粒度更為細(xì)小的火山碎屑物質(zhì)，包括粉砂級(jí)—黏土級(jí)的白云石、堿性長(zhǎng)石等碎屑和火山玻璃，并形成高密度的碎屑流。部分早期結(jié)晶的晶體在高密度流體中彼此碰撞，從而聚集形成類似增生火山泥粒[34]的團(tuán)塊，即標(biāo)本中的斑晶狀團(tuán)塊。在火山運(yùn)動(dòng)造成隆起形成的高差以及頻繁的震動(dòng)作用下，這一碎屑流在重力作用下發(fā)生搬運(yùn)從而逐漸遠(yuǎn)離火山口。在搬運(yùn)過(guò)程中，這一碎屑流體逐漸釋放熱量，湖水慢慢混入其中，流體性質(zhì)逐漸從以碎屑搬運(yùn)碎屑，受重力控制的碎屑流變?yōu)橛伤w搬運(yùn)碎屑的牽引流，并不斷發(fā)生沉積，形成這類特殊的層狀沉積巖。最后，由于火山作用造成了大量的裂縫，湖水沿裂縫下滲后逐漸接近巖漿房，從而溫度升高，部分氣化，由此產(chǎn)生壓力向上回流。在此過(guò)程中，水體酸化并在上升過(guò)程中與圍巖反應(yīng)，攜帶部分陽(yáng)離子[10]參與成巖作用。該酸性流體溶解火山玻璃并形成蒙脫石，同時(shí)使得部分白云石發(fā)生蛇紋石化作用。而熱液所攜帶的深部化學(xué)元素以及本身具有的正常湖水的化學(xué)特征，使得該巖石的地球化學(xué)特征具有混雜幔源與殼源的復(fù)雜特征。

5 結(jié)論

三塘湖地區(qū)二疊系蘆草溝組幔源白云質(zhì)噴積巖是一特殊的沉積巖類。形成于一個(gè)以深源巖漿和地幔熱液不斷噴爆、噴流為特征的陸內(nèi)裂谷型湖盆內(nèi)。在火山活動(dòng)期，巖漿以不間斷的小規(guī)模的噴爆、溢流方式進(jìn)入湖泊沉積體系中，并且受到與巖漿相關(guān)的熱液改造，形成具有原始巖漿巖特征的噴積巖。該巖石的發(fā)現(xiàn)不但為地質(zhì)時(shí)期的巖漿—熱液—湖水混合沉積作用提供了研究資料，同時(shí)由于深部物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，為該區(qū)的構(gòu)造背景示蹤也能提供部分巖石學(xué)依據(jù)。然而，對(duì)于該類巖石的火山—熱液水下噴流沉積的解釋還存在許多問題：如缺乏現(xiàn)代實(shí)例支持，并且由于粒度過(guò)細(xì)造成的研究困難。但這一特殊現(xiàn)象很難用以往的沉積模式加以解釋。因此，作者希望此文章能引起廣大學(xué)者的注意，從而共同參與這項(xiàng)研究。

致謝 感謝評(píng)審專家中肯的修改意見，對(duì)本論文的改進(jìn)有很大的幫助。感謝中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局西安地質(zhì)調(diào)查中心的汪雙雙、魏小燕以及周寧超工程師在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中給予的幫助。

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ThinBedMagmatic-hydrothermalDolomiticExhalativeSedimentaryRocksinSantanghuBasin,Xinjiang

JIAO Xin1, LIU YiQun1, Jin MengQi2, ZHOU DingWu1

1.StateKeyLaboratoryofContinentalDynamics,DepartmentofGeology,NorthwestUniversity,Xi’an710069,China2.Xi’anCentreofGeologicalSurvey,ChinaGeologicalSurvey,Xi’an710054,China

The Santanghu area is an intracontinental starved lacustrine rift basin from later Carboniferous to the middle Permian, and is mainly composed of interlaminated carbonate rocks and tuffaceous shale with little intervals of pyroclastic and hydrothermal exhalative rocks. This paper focuses on one special interval type which mainly contains of dolomite and smectite, and research for its forming mechanism on the basis of petrology, mineralogy and geochemistry. The simple mineral composition and euhedral crystal with partly embayed boundaries suggest an igneous origin. The rock is thin-bedded without inner stratified structure, indicating fast and mixed deposition processes from a density flow. Aggregates formed by tiny minerals may be caused by accretionary lapilli formed in clastic flow with high density and high temperature. Finally, features of geochemistry show a mainly mantle-derived origin with mixed crustal material. Comprehensively, this type of rock is deposited from subaqueous high-density pyroclastic flow fed by carbonatite eruptions, and altered by contemporaneous or later hydrothermal fluid.

magmatic-hydrothermal exhalative rocks; carbonatite; dolomite; Lucaogou Formation; Sangtanghu Basin

1000-0550(2017)06-1087-10

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.06.001

2017-02-14；收修改稿日期2017-04-13

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (41572086，41272116)；大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題重點(diǎn)項(xiàng)目(BJ08133)[FoundationNational Natural Science Foundation of China, No. 41572086, 41272116; Key Projects of State Key Laboratory of Continental Dynamics, No. BJ08133]

焦鑫，男，1985年出生，博士研究生，沉積巖石學(xué)，E-mail: jxin807@163.com

柳益群，女，教授，E-mail: liu-yiqun@263.net

P512.2 P597

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