青西凹陷下沟组湖相热水沉积岩锶同位素地球化学特征

1、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根底，对酒泉盆地青西凹陷下沟组湖相热水沉积钠长石-铁白云石岩进展了Sr同位素地球化学研究。结果说明，热水沉积岩87Sr86Sr比值变化范围为0.712250.71781，平均值0.71561，远高于同期海水和下沟组玄武岩87Sr86Sr比值，略高于代表早白垩世湖水锶同位素组成的藻灰岩87Sr86Sr比值，但低于基底壳源硅铝质岩87Sr86Sr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

2、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根本一致，说明两者应属于具一样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确实定以及热流体循环动力学模型和热水沉积形式的建立奠定基矗关键词：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

3、海相研究成果中17，而湖相的研究成果很少813。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宏大，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，部分含有丰富的方沸石、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.1Distributinfhydrther

4、alsedientaryrkinXiaguFratin,LerretaeusinQingxiSag，JiuquanBasin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根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工程编号：20220616014和国家自然科学基金工程编号：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

5、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根底上，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，尝试提醒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650800k2，由红南

6、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NENNE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-岩反响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200020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，

7、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个根本等时的旋回，每个旋回中的热水沉积岩厚度变化为10250，一般为50150，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S3和S4两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100与低值沉积区小于50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%，

8、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根本一致表1和2。显微镜下，上述矿物极大多数呈小于10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-半自形晶构造。偶然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t%Table1Averageheialpsitint%ftheineralsfhydrtheralsedientaryrkinXiaguFratin,LerretaeusinQingx

9、iSag,JiuquanBasinAl23Si2Ti22矿物样数Na2gSrSK2aBar23nFeNiH2铁白云石60.1611.110.120.1430.740.130.3610.1847.25钠长石2711.290.05319.5268.440.070.160.070.030.030.150.03重晶石120.220.011.07(34.59)0.050.0663.870.030.08方沸石813.670.0123.4654.330.010.010.020.050.040.030.03石英30.020.020.3998.840.050.070.110.030.010.030.010.02

10、地开石180.090.4437.1543.450.470.110.020.040.020.110.03(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：JXA733状半自形晶构造，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-自形晶构造的镶嵌状或堆晶状，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t%Table2Eletrnirprbeanalytialdatefheialpsitinst%fsulphideineralsfhydrthera

11、lsedientaryrkinXiaguFratin,LerretaeusinQingxiSag,JiuquanBasin矿物样数AsSeSPbBiAgSbTeFeNiuZnAu黄铁矿21.21050.9800.110.060.01047.0700.00300.0010.02闪锌矿20222.62600000.0860.6220.0210.0120.49966.550黄铜矿40.110.1734.400.140.270.0400.0930.40.030.0134.4900方铅矿200.0713.4985.710.310.05000.130.020.040.220.030注：单矿物元素由成都地质

12、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：JXA733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：钠长石铁白云石或铁白云石钠长石组合；石英钠长石铁白云石组合；石英重晶石钠长石铁白云石组合；石英方沸石钠长石铁白云石组合；地开石铁白云石组合；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、u、Pb等金属硫化物仅出如今至组合中，而少量的陆源石英粉砂和粘土等正常沉积组分主要出现和组合中。2.2组构特征下沟组热水沉积岩组构以发育微-隐晶构造和纹层状构造为主，部分出现特征的热水碎屑构造、热水角砾构造和条带状、网脉状、旋涡状和同生变形层理等沉积构造

13、。不同的构造构造具不同的成因意义：A.纹层状构造，常见纹层由上述至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如今深凹陷内，代表沉积环境较为稳定的热卤水聚积区；B.热水内碎屑构造，可细分为砂屑构造和角砾状砾屑构造两类，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,胶结物中偶然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

14、岩，可直接指示喷流口所在位置或为喷流口充填物；.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，表现为纹层不规那么的软变形、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

15、、86Sr、87Sr、88Sr，实际工作中，锶同位素的组成一般用R=87Sr86Sr来表示，自瑞典地质学家ikan(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化，特别是随着分析技术的进步，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、热水沉积物等进展研究。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别离结晶、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2425。其次，结合Rb同位素

16、对热液矿床成矿时间进展定年研究4、5、26。更重要的是，锶同位素组成可进展同位素示踪应用，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，是讨论成矿流体特征和成矿物质来源最有力的工具之一29，这也是本工程进展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，所有样品新颖和剔除处理，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。

17、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Hl4混合酸样品进展分解，采用Dex508(200-400)阳离子交换技术，别离和纯化Sr。87Sr/86Sr同位素比值采用AT-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展监控，NBS987的87Sr/86Sr同位素组成测定值为0.710340.000262，全流程Sr的本底空白510-9g。转贴于论文联盟.ll.表3酒泉盆地青西凹陷下沟组湖相热水沉积岩、正常沉积灰岩和拉斑玄武岩锶同位素

18、组成a)Table3Strntiuistpepsitinflaustrinehydrtheralsedientaryrk,thealgalliestneandthlEiitiagafXiaguFratininQingxiSag,Jiuquanbasin样品号层位深度)采样点岩性描绘87Sr/86Sr(2)QX08K1g3766.43柳104井岩心泥-微晶铁白云石钠长石角砾0.712760.00010QX07K1g3766.43柳104井岩心水爆角砾岩铁白云石胶结物0.712250.00006QX24K1g4381柳6井岩心泥-微晶铁白云石钠长石角砾0.715880.00003QX23K1g43

19、81柳6井岩心水爆角砾岩铁白云石胶结物0.716710.00004QX26K1g4381.6柳6井岩心泥-微晶铁白云石钠长石角砾0.715880.00002QX25K1g4381.6柳6井岩心水爆角砾岩铁白云石胶结物0.715490.00009QX11K1g4240.29柳104井岩心纹层状泥-微晶钠长石铁白云石岩0.716160.00003QX16K1g4408.5柳4井岩心纹层状泥-微晶钠长石铁白云岩0.717810.00007QX22K1g4380.5柳6井岩心纹层状泥-微晶铁白云石钠长石岩0.715820.00006QX34K1g4905.6柳9井岩心纹层状泥-微晶钠长石铁白云石岩0.

20、715060.00003QX48K1g4459.9窿105井岩心变形纹层状泥-微晶铁白云石钠长石岩0.715100.00002QX56K1g4354.57青1-1井岩心纹层状微晶重晶石钠长石质铁白云岩0.717670.00003QX57K1g4045.22青2-1井岩心纹层状泥-微晶钠长石铁白云石岩0.715170.00006QX61K1g4023青2-4井岩心纹层状泥-微晶铁白云石钠长石岩0.716840.00002QX63K1g209.2旱峡沟口枕状碱性拉斑玄武岩0.706960.00001QX64K1g240.6旱峡沟口枕状碱性拉斑玄武岩0.706780.00006QX65K1g297.

21、1旱峡沟口核形石藻灰岩0.713210.00002幔源锶同位素组成平均值b)0.70350早白垩世海水锶同位素组成平均值)0.707401壳源硅铝质岩锶同位素组成平均值d)0.7200.005a)样品测试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，b)据文献33，)据文献30，d)据文献31.3.2分析结果与锶同位素特征从表3可以看出，下沟组不同成因类型的样品锶同位素组成特征有很大的差异，有如下显著特征：1代表正常湖水锶同位素组成的下沟组核形石藻灰岩87Sr86Sr比值为0.71321，远高于早白垩世海水0.707401的平均值30图2。湖相沉积的碳酸盐岩87Sr86Sr比值要比

22、海相偏大的原因，与湖盆比海盆更易受高87Sr86Sr比值的壳源硅铝质岩影响有关。2各类热水沉积岩87Sr86Sr比值的变化范围为0.712250.71781，平均值为0.71561,均低于研究区来自祁连山北部碎屑岩物源32的基底壳源硅铝质岩锶同位素平均值0.7200.00531图2。图2酒泉盆地青西凹陷下沟组典型钻井热水沉积岩锶同位素组成Fig.2StrntiuistpepsitinflaustrinehydrtheralsedientaryrkfXiaguFratininrepresentativeellfQingSag,Jiuquanbasin3纹层状热水沉积岩的87Sr86Sr比值变化范

23、围较小，为0.715060.71781，平均值为0.71620，远高于下沟组玄武岩和核形石藻灰岩，但低于壳源硅铝质岩的锶同位素平均值图2。纹层状热水沉积岩的组构分析，已证实隐晶质的矿物组分大都为热流体的直接结晶沉淀物，由于岩性致密，所经历的后期成岩蚀变改造很弱，因此，其锶同位素比值可代表热水矿物沉淀时热流体的初始锶同位素组成。4“水爆角砾岩的锶同位素组成有2个特点：其一是同一角砾岩中的角砾与胶结物的锶同位素组成根本一致；其二是不同采样位置的“水爆角砾岩锶同位素组成变化较大，其中采自柳104井热水喷流口内的角砾和胶结物QX07和0887Sr86Sr比值为0.71276和0.71225，平均值为0

24、.71251，系所有热水沉积岩样品的最低值，且低于代表正常湖水来源的下沟组核形石藻灰岩87Sr86Sr比值，而采自热水喷流口外的其它样品87Sr86Sr比值为0.715490.71671，平均值为0.71599，变化范围和平均值都与纹层状热水沉积岩根本一致。5代表幔源锶来源的旱峡沟口下沟组水下喷发的枕状碱性拉斑玄武岩，其87Sr86Sr比值为0.706780.70696，平均值为0.70687，远远低于壳源硅铝质岩锶同位素平均值0.7200.00531，与全球幔源锶同位素0.70350的平均值33比拟那么略有偏高图3，说明岩浆运移过程中有来自基底壳源硅铝质岩高放射性锶的混染。该套玄武岩呈夹层分

25、布于湖相地层中，经同位素测年证实与青西凹陷热水沉积岩同为早白垩世产物18，稀土元素和微量元素地球化学特征说明其形成于大陆拉张环境，源区为富集地幔19。3.3有关锶同位素地球化学特征的成因意义讨论根据上述各类样品的锶同位素分析结果，对研究区热水沉积岩锶同位素地球化学特征成因意义讨论如下：1已有的研究成果已初步证实该地区下沟组湖底的热水沉积作用发生在具备复原、偏碱性条件的深源热卤水池环境中，热液喷流沉积过程中断陷盆地的深水、高压和封闭的环境条件，限定了湖底热卤水池很小的热流体湖水混合比例11。除一件采自喷流口内的样品，所有的热水沉积岩样品的87Sr86Sr比值均远高于代表幔源锶来源的下沟组玄武岩和

26、高于代表正常湖水来源的下沟组核形石藻灰岩，但明显低于基底沉积的壳源硅铝质岩平均值，说明热水沉积岩中的锶不可能直接由湖水提供，可能部分来源于下覆基底沉积，部分来自同期幔源岩浆热流体，显示出某种复杂成因的混合热流体来源性质。2代表热卤水池环境的各类纹层状热水沉积岩的采样位置虽然不同，但87Sr86Sr比值变化范围较小，说明来自各喷流口的热流体在热卤水池的聚集过程中已发生锶同位素的均一化作用而具有相似的性质，在沉淀热水矿物的过程中也未发生强烈的Sr同位素分馏。3采自不同位置的“水爆角砾岩锶同位素组成变化较大，但同一位置的样品角砾与胶结物锶同位素组成根本一致的特点，可说明如下3个问题：形成胶结物和角砾

27、的热流体在沉淀过程中未发生Sr同位素分馏，说明两者在热水沉积的成因意义上不具备差异，应属于同期热水不同阶段和不同方式形成的产物；由于“水爆角砾岩产自喷流口内或喷流口附近，更能代表热水矿物沉淀时热流体的初始锶同位素组成特征；不同喷流口位置的“水爆角砾岩，只能代表该喷流口的热流体初始锶同位素组成值。4据黄思静研究34，正常沉积岩在埋藏成岩过程中相对晚期沉淀的碳酸盐胶结物，特别是铁白云石胶结物由于放射性成因锶的参加，其87Sr86Sr比值会高于相对早期沉积物。然而本研究区热水沉积岩中的铁白云石胶结物87Sr86Sr比值，无论是变化范围还是平均值都低于同生期热水直接沉淀形成的纹层状泥微晶铁白云石表4，

28、说明铁白云石胶结物并非正常湖相沉积期后的胶结物，而是喷流口内或喷流口附近因超温、超压的热水沸腾爆炸而形成的热水角砾岩并与之伴生的热流体迅速沉淀、结晶和充填胶结作用的产物。表4不同地区“白烟型热水沉积岩Sr同位素组成与热流体来源比照Table4parisnfstrntiuistpepsitinandhydrtheralfluidsurebeteendifferent“hitesketypehydrtheralsedientaryrk87Sr86Sr比值样品类型样品数变化范围平均值热流体来源贵州天柱大河边和玉屏热水沉积重晶石28170.708310.708960.70859海水与海底幔源热卤水混合

29、热流体滇西兰坪-思茅盆地热水沉积重晶石2220.711500.711970.71174滇西兰坪-思茅盆地热水沉积铁白云石3520.708740.712320.71202壳源与幔源混合热流体甘肃西成矿化集中区热水沉积灰岩2750.709940.718110.71242海水与壳源热卤水的混合热流体青海锡铁山热水喷流沉积大理岩3690.711310.715210.71259海水与壳源热卤水的混合热流体下沟组“水爆角砾岩铁白云石重晶石胶结物30.712250.716710.71482下沟组“水爆角砾岩铁白云石钠长石角砾30.712760.715880.71484热水沉积的纹层状泥微晶钠长石铁白云石岩8

30、0.715060.717810.71620湖盆壳源与少量幔源混合的热卤水5与同期玄武岩锶同位素组成特征相比拟，热水沉积岩明显偏高，且从“水爆角砾岩的铁白云石胶结物“水爆角砾岩的角砾纹层状泥微晶钠长石铁白云石岩等样品，锶同位素演化呈现逐渐升高并偏离玄武岩的影响范围图3，说明青西凹陷下沟组湖相热水沉积岩的锶来源受幔源影响较少。但据研究区热水沉积岩与玄武岩的稀土元素和微量元素比照关系分析，显示两者具有一定的相似性和亲缘性11、16，推测热流体的锶同位素组成中，有少部分来自同期玄武岩喷发活动时混入的幔源锶，如采自柳104井喷流口内的“水爆角砾岩相对较低的87Sr86Sr比值，可能与玄武岩喷发活动时幔源

31、锶混入热流体有关。6通过不同地区“白烟型热水沉积岩锶同位素组成特征比照，对应的热流体来源呈现出以海底幔源热卤水为主的混合热流体，逐渐向陆湖相壳源热卤水为主的混合热流体过渡的规律表4和图3，伴随各类型热水沉积岩受陆相高放射性成因锶参加的影响增强，87Sr86Sr比值加大的变化趋势明显，反映这些热水沉积岩的锶同位素组成与热流体来源、性质和演化有着不同的因果关系，如幔源锶来源的热水沉积岩87Sr86Sr比值偏低，反之亦然。下沟组湖相热水沉积的胶结物“水爆角砾纹层状热水沉积岩的87Sr86Sr比值逐渐加大的演化趋势，与热流体喷流和聚集过程中受陆相高放射性成因锶参加的影响有关。综上所述，在不同地质环境条件下，热水沉积岩中的锶同位素组成和变化范围不同。由于热流体中的Sr是源区Sr和热流体运移过程中途径基岩Sr的综合叠加效应的结果，包含了流体源区和途径基岩的信息，因此，Sr同位素是示踪流体来源和流经途径的有效示踪剂37。通过上述针对青图3不同地区热水沉积岩锶同位素组成均值直方图Fig.3Histgrafrean87Sr/86Sraveragevaluefdifferent“hitesketypehydrtheralsedientaryrkA.幔源锶；B.旱峡沟口玄武岩；.贵州天柱和玉屏热水沉积重晶石；D.滇西兰坪-思茅热水沉积重晶石；E.滇西兰