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青西凹陷下沟组湖相热水沉积岩锶同位素地球化学特征

【摘  要】:以地质背景、物质组分和岩石组构分析为基础,对酒泉盆地青西凹陷下沟组湖相热水沉积钠长
石-铁白云石岩进行了Sr同位素地球化学研究。结果表明,热水沉积岩87Sr/86Sr比值变化范围为
0.71225~0.71781,平均值 0.71561,远高于同期海水和下沟组玄武岩87Sr/86Sr比值,略高于代表早白
垩世湖水锶同位素组成的藻灰岩87Sr/86Sr比值,但低于基底壳源硅铝质岩87Sr/86Sr比值,反映热流体与
海水无关,也不可能为单纯的湖水或幔源岩浆水;其中纹层状泥微晶热水沉积岩为热水矿物直接化学结
晶沉淀的产物,其锶同位素比值变化范围较小,可代表均一化的热卤水池流体锶同位素组成特征,指示
不同喷流口位置的“水爆角砾岩”锶同位素组成变化较大,但同一位置的热水角砾与胶结物锶同位素组
成基本一致,说明两者应属于具相同成因意义的同期热水喷流沉积产物;综合青西凹陷下沟组湖相热水
沉积岩锶同位素地球化学特征,初步推测早白垩世湖底热流体可能为富集硅铝质基底岩石高放射成因Sr
的深循环下渗湖水与少量上升幔源岩浆水构成的混合热流体,可为青西凹陷早白垩世湖底热流体性质的 确定以及热流体循环动力学模型和热水沉积模式的建立奠定基础。

关键词:Sr 同位素    湖相热水沉积岩    热流体    下白垩统    青西凹陷

热水沉积岩和热水成矿作用是当前地学界最 前缘的研究热点之一,国内外已报道的资料众多, 但主要集中在海相研究成果中[1]~[7],而湖相的研
究成果很少[8]~[13]。酒泉盆地青西凹陷下白垩统下 沟组(K1g)地层中产有一套厚度巨大,但分布限 于深凹陷内的,具有深湖相沉积特征的纹层状、
条带状和角砾状暗色“泥云岩”(或泥质白云岩、 白云质泥岩和白云岩,统称“泥云岩”),其主要矿 物以微晶-隐晶质的钠长石和铁白云石为主[14],次
为重晶石和石英,局部含有丰富的方沸石、地开 石和黄铁矿等,偶含碎屑状闪锌矿、黄铜矿和方
铅矿[9],以及陆源粘土和粉砂。郑荣才等人通过系 统的矿物学、岩石学和地球化学特征研究,确定 此类具有特殊矿物成分的“泥云岩”为一类罕见
图 1  酒泉盆地青西凹陷下沟组热水沉积岩发育位置示意图 Fig.1 Distribution of hydrothermal sedimentary
rock in Xiagou Formation, Lower Cretaceous in Qingxi Sag, Jiuquan Basin
的湖相热水沉积岩,综合定名为重晶石-钠长石-铁白云石热水沉积岩[9-10],[15]。据国内外文献资料显示,
湖相白烟型热水沉积岩的报道国外基本上都集中在现代湖底热水硅华沉积[16],国内曾由刘建明(2001)
报道过一例湖相热水硅质岩[8]。因此,酒泉盆地青西凹陷下沟组中所发育的湖相热水沉积岩,以富含铁

1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(项目编号:20060616014)和国家自然科学基金(项目编号:40672073)
的资助。

1

白云石、钠长石和其他复杂矿物组分而显得非常特殊和罕见,且属于真正满足“海/湖底喷出的热流体
直接沉淀作用的产物”定义的热水沉积岩[9],明显有别于国内外已报道的湖相热水沉积岩,具有极高的
研究价值。本文在岩石学特征分析基础上,首次系统研究了下沟组湖相热水沉积岩的锶同位素地球化学
特征,尝试揭示热流体中锶组分的物质来源、影响因素以及同位素的热流体示踪意义。

1. 湖相热水沉积岩地质背景
酒泉盆地位于青藏高原东北部的最边缘,位处北祁连与阿尔金两巨型构造带交汇处。该盆地是在古
生界褶皱基底之上,于中、新生代通过北东向基底构造伸展断陷作用而发育起来的陆相断陷盆地,由酒
西和酒东两个次级盆地组成。青西凹陷位于酒西次级盆地东南部,为酒西次级盆地的沉降-沉积中心, 面积约
650~800km2,由红南次凹、青西低凸起、青南次凹三个次级构造单元组成和发育有一系列分割
性很强的不对称箕状或半地堑断陷。下白垩统下沟组湖相白烟型热水沉积岩主要分布于青南次凹南部的 深凹陷内(图
1),受燕山期NE—NNE走向基底断裂张扭性活动控制。白垩纪期间全球大规模的火山活动,
造成同时期热液活动速度加快,并有显著的热液系统与水-岩反应[17]。青西凹陷内红柳峡、旱峡下白垩
统下沟组中不仅发现古火山口[18],还发现了水下喷发的玄武岩[15],[19],与任战利等(2000)[20]对酒泉盆地
古地温研究,认为早白垩世存在的显著地温异常应该与深部热事件有关的论断相吻合。
青西凹陷下沟组深湖相沉积剖面主要由白烟型热水沉积岩与正常沉积的暗色页岩不等厚互层组成, 与盆缘的扇三角洲呈相变关系[16]。按地层旋回性可划分出 5
个基本等时的旋回,每个旋回中的热水沉积 岩厚度变化为 10~250m,一般为 50~150m,分布范围有随湖盆扩大和水体加深而扩展加厚的特点,以
相当最大湖泛期的MSC3 和MSC4 两旋回热水沉积岩分布范围最广和厚度最大,并都出现高值沉积区(大
于 100m)与低值沉积区(小于 50m)相间隔的北东向带状展布格局,与基底断裂展布方向相一致[9、10]。

2. 热水矿物共生组合和组构特征
2.1 热水矿物类型及其共生组合特征
据薄片鉴定和 X 衍射资料,下沟组热水沉积岩热水矿物类型较多,包括:铁白云石(20%~66%)、钠
长石(12%~31%)、重晶石(5%~20%)、方沸石(2%~18%)、石英(3%~14%)、地开石(2%~15%),黄
铁矿(0.3%~6.4%),个别样品含有微量的闪锌矿、黄铜矿、方铅矿和透闪石、石盐。电子探针分析结
果,上述热水矿物的主要元素含量均与该矿物的化学分子式基本一致(表 1 和 2)。显微镜下,上述矿 物极大多数呈小于 10μm
的隐晶质,仅少量铁白云石呈自形粉晶-细晶,钠长石呈发育聚片双晶的板条
状微晶,重晶石和方沸石个别呈微-粉晶级的他形-半自形晶结构。偶尔出现的闪锌矿具有相对较粗的粒
表 1 酒泉盆地青西凹陷下沟组热水沉积岩的矿物平均化学组成(wt%)
Table 1    Average chemical composition(wt%) of    the minerals of
hydrothermal sedimentary rock
in Xiagou Formation, Lower Cretaceous in Qingxi Sag, Jiuquan Basin
Al2O3
SiO2
TiO2
CO2
矿物    样数   Na2O    MgO
(SrO) (SO )  K2O
CaO
(BaO)
Cr2O3      MnO    FeO    NiO
(H2O)
铁白云石     6      0.16    11.11   (0.12)           0.14   30.74  (0.13)      
    0.36   10.18            47.25 钠长石     27     11.29    0.053    19.52   
68.44    0.07    0.16    0.07     0.03    0.03    0.15    0.03
重晶石     12     0.22     0.01   (1.07)  (34.59)   0.05    0.06  (63.87)     
    0.03    0.08
方沸石      8     13.67    0.01     23.46    54.33    0.01    0.01    0.02    
0.05    0.04    0.03    0.03
石英       3      0.02     0.02     0.39     98.84    0.05    0.07    0.11   
 0.03    0.01    0.03    0.01    0.02 地开石     18     0.09     0.44    
37.15    43.45    0.47    0.11    0.02     0.04    0.02    0.11    0.03  
(18.05)
注:单矿物元素由成都地质矿产研究所电子探针实验室徐金沙高级工程师分析,仪器型号:JCXA—733
 


状半自形晶结构,而黄铜矿与方铅矿集合体为粒度变化大的它形晶。扫描电镜下,以铁白云石和钠长石
为代表的热水矿物具有半自形-自形晶结构的镶嵌状或堆晶状,显示以结晶沉淀为主的化学沉积特征。

表 2 酒泉盆地青西凹陷下沟组热水沉积岩中金属硫化物电子探针化学组成(wt%)
Table 2    Electron microprobe analytical date of chemical
compositions(wt%) of sulphide    minerals    of    hydrothermal sedimentary
rock in Xiagou Formation, Lower Cretaceous in Qingxi Sag, Jiuquan Basin
矿物  样数   As    Se     S      Pb    Bi    Ag    Sb    Te    Fe    Co    Ni  
 Cu    Zn    Au

黄铁矿    2    1.21     0     50.98     0     0.11   0.06   0.01     0   
47.07    0    0.003     0     0.001   0.02 闪锌矿    2      0      0    32.626
    0       0      0      0    0.086  0.622  0.021  0.012   0.499   66.55  
 0 黄铜矿    4    0.11   0.17   34.40    0.14    0.27   0.04     0     0.09  
30.4   0.03   0.01   34.49     0      0
方铅矿    2      0     0.07   13.49   85.71   0.31   0.05     0      0    
0.13   0.02   0.04    0.22    0.03     0
注:单矿物元素由成都地质矿产研究所电子探针实验室徐金沙高级工程师分析,仪器型号:JCXA—733

下沟组热水沉积岩常见的热水矿物共生组合可划分为如下 6 种:①钠长石—铁白云石或铁白云石
—钠长石组合;②石英—钠长石—铁白云石组合;③石英—重晶石—钠长石—铁白云石组合;④石英
—方沸石—钠长石—铁白云石组合;⑤地开石—铁白云石组合;⑥单一铁白云石组合。各组合中虽然 可普遍含有黄铁矿和较丰富的有机质组分,但微量的
Zn、Cu、Pb 等金属硫化物仅出现在②至④组合中, 而少量的陆源石英粉砂和粘土等正常沉积组分主要出现①和⑥组合中。
2.2 组构特征
下沟组热水沉积岩组构以发育微-隐晶结构和纹层状构造为主,局部出现特征的热水碎屑结构、热水
角砾结构和条带状、网脉状、旋涡状和同生变形层理等沉积构造。不同的结构构造具不同的成因意义:A.
纹层状构造,常见纹层由上述①至⑤组合的矿物呈亚毫米级纹层相间组成,其中钠长石、重晶石、方沸石
和地开石纹层主要出现在深凹陷内,代表沉积环境较为稳定的热卤水聚积区;B.热水内碎屑结构,可细分
为砂屑结构和角砾状砾屑结构两类,砂屑主要由钠长石和重晶石集合体组成,偶含微量闪锌矿、黄铜矿和
方铅矿的砂屑。角砾大小不一,岩性多为纹层状钠长石-铁白云石热水沉积岩,角砾间被钠长石、重晶石、
方沸石和地开石充填胶结,胶结物中偶尔也含有浸染状闪锌矿。热水内碎屑成因被认为与喷流口内超温、
超压的热水沸腾爆炸作用有关,堆积在原处的角砾很快被热水矿物充填胶结,常被称之为“水爆角砾岩”
或“震积角砾岩”,可直接指示喷流口所在位置或为喷流口充填物;C.网脉状构造,较为常见,由钠长石、
重晶石和方沸石等热水矿物充填基岩裂缝而成,被认为是识别热流体运移通道和喷流口位置的最重要标志
之一[3,8,21、22];D.旋涡状构造,偶见,旋涡直径为数毫米,由平行层面的呈同心纹层分布的钠长石、重晶
石和铁白云石晶屑(或内碎屑)组成外圈,中心管被结晶的钠长石与重晶石充填,个别中心管含有斑晶状
的透闪石,可直接代表喷流口位置;E.同生变形层理,表现为纹层不规则的软变形、揉皱和微剪切,成因
可能与热水沉积物快速堆积形成的陡坎状地形沉积物发生重力滑动有关,亦可指示热水喷流口位置。

3. 锶同位素地球化学特征
锶有四个稳定同位素:84Sr、86Sr、87Sr、88Sr,实际工作中,锶同位素的组成一般用R=87Sr/86Sr来
表示,自瑞典地质学家Wickman(1948)首次报道锶同位素在地层学中的应用以来[23],锶同位素的研究不
断深入,特别是随着分析技术的提高,锶同位素应用领域也不断扩展。关于锶同位素与热液流体关系的
研究,由于受到热液流体无法或很难作为直接研究对象的限制,只能针对其形成的同期沉积物(如火山
岩、热液矿床、热水沉积物等)进行研究。近年来,锶同位素在研究不同地质历史时期火山岩的源区特
征和深部过程的应用较多,为源区部分熔融以及浅部岩浆房中的分离结晶、同化混染作用提供大量信息,
 


是现代成因岩石学研究重要手段[24]~[25]。其次,结合Rb同位素对热液矿床成矿时间进行定年研究[4、5、26]。
更重要的是,锶同位素组成可进行同位素示踪应用,其空间变化可用来指示携带成矿元素的流体迁移行
为和方向,已成为推测或确定古热液流体活动及成矿元素迁移踪迹的重要手段[27、28],是探讨成矿流体特
征和成矿物质来源最有力的工具之一[29],这也是本项目进行锶同位素地球化学研究的目的。
3.1 采样及分析方法
17 件样品中 14 件取自 8 口钻井下沟组深—半深湖相的地层岩心,3 件取自旱峡剖面同层位地表露
头,所有样品新鲜和剔除处理,分别代表湖相铁白云石和钠长石水爆角砾岩、铁白云石-重晶石热水胶
结物、纹层状泥微晶钠长石-铁白云石热水沉积岩、碱性拉斑玄武岩和核形石灰岩,分析结果列于表 3。
样品的Sr同位素分析在中国地质调查局同位素地球化学开放研究实验室(宜昌)完成。全岩样品在聚
四氟乙烯溶样器中加HF和HClO4混合酸样品进行分解,采用Dowex50×8(200-400)阳离子交换技术,分离
和纯化Sr。87Sr/86Sr同位素比值采用MAT-261 可调接多收质谱计直接测定,实验条件为温度 20℃,湿度
30%,整个分析过程中在超净实验室完成,用国际标样NBS987 对仪器和分析流程进行监控,NBS987 的
87Sr/86Sr同位素组成测定值为 0.71034±0.00026(2σ),全流程Sr的本底空白<5×10-9g。

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