李红, 柳益群, 梁浩, 周小虎, 焦鑫, 刘洪福, 杨锐, 雷川. (2012)新疆三塘湖盆地中二叠统芦草沟组湖相白云岩成因* [J]. 古地理学报, 14(1): 45-58
Li Hong, Liu Yiqun, Liang Hao, Zhou Xiaohu, Jiao Xin, Liu Hongfu, Yang Rui, Lei Chuan. (2012)Origin of lacustrine dolostones of the Middle Permian Lucaogou Formation in Santanghu Basin of Xinjiang[J]. Journal Of Palaeogeography, 14(1): 45-58. DOI:  
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新疆三塘湖盆地中二叠统芦草沟组湖相白云岩成因*
李红1,2, 柳益群1,2, 梁浩3, 周小虎1,2, 焦鑫2, 刘洪福2, 杨锐2, 雷川4
1 大陆动力学国家重点实验室(西北大学),陕西西安 710069
2 西北大学地质学系,陕西西安 710069
3 中国石油吐哈油田公司勘探开发研究院,新疆哈密 839000
4 中国科学院兰州地质所,甘肃兰州 730000;

第一作者简介 李红,女,1975年生,讲师,2006年毕业于西北大学并获得博士学位,现为硕士研究生导师,主要从事沉积学与储集层地质学的教学与研究。E-mail: lihong2008@nwu.edu.cn。

收稿日期:2011-09-10
基金:*国家自然科学青年基金项目(编号: 40802024)和大陆动力学国家重点实验室自主研究课题(编号:BJ11054、BJ091358)共同资助
摘要

新疆三塘湖盆地中二叠统芦草沟组发育湖泊背景下的白云岩、灰岩、黑色泥岩、页岩及碎屑岩的互层沉积。白云岩主要有两类:一类为粉—泥晶白云岩,主要由含量约 70%的泥晶白云石和含量约 30%的粉晶白云石构成,白云石有序度为 0.48,扫描电镜下主要有菱形、他形、球状和管状 4种微形态,自形程度较好的菱形晶体多为含铁白云石;另一类为方沸钾长白云岩,主要由晶粒为 0.08~0.35, mm的细粒方沸石、泥晶钾长石(透长石)、泥晶白云石和铁白云石构成,个别为粗晶白云石,白云石有序度 0.58。与粉—泥晶白云岩中的白云石相比,方沸钾长白云岩中的白云石以高的铁、锰含量为特征,扫描电镜下多为半自形的菱形晶体。两类白云岩中白云石的有序度均较低,且均为富 Sr白云石,内部均缺乏次生交代证据。通过对两类白云岩成分、微量元素及稳定同位素的差异性分析,认为尽管两类白云岩都形成于浅—半深湖相强还原沉积环境,但是它们的形成机制有所不同,粉—泥晶白云岩具有原生沉淀白云石的特征,其中球状及管状的白云石可能与微生物吸附作用有关,而他形及菱形的白云石为直接沉淀的原生白云石;另一类方沸钾长白云岩中的白云石及铁白云石可能与湖底热泉的喷流沉积作用有关。

关键词: 三塘湖盆地; 湖相沉积; 粉—泥晶白云岩; 方沸钾长白云岩; 原生白云石; 热水沉积
中图分类号:P581 文献标志码:文章编号:1671-1505 (2012) 01-0045-14 文章编号:1671-1505(2012)01-0045-14
Origin of lacustrine dolostones of the Middle Permian Lucaogou Formation in Santanghu Basin of Xinjiang
Li Hong1,2, Liu Yiqun1,2, Liang Hao3, Zhou Xiaohu1,2, Jiao Xin2, Liu Hongfu2, Yang Rui2, Lei Chuan4
1 State Key Laboratory of Continental Dynamics(Northwest University),Xi'an 710069,Shaanxi
2 Department of Geology, Northwest University,Xi'an 710069,Shaanxi
3 Research Institute of Exploration and Development,Turpan-Hami Oilfield Company,CNPC,Hami 839000,Xinjiang
4 Lanzhou Geology Institute of CAS,Lanzhou 730000,Gansu;

About the first author Li Hong,born in 1975,received her Ph.D.degree from the Northwest University in 2006.Now she is working at Geology Department of Northwest University with interests in sedimentology and reservior geology.E-mail: lihong2008@nwu.edu.cn.

Abstract

The Santanghu Basin is a small intermountain basin located in northeastern Xinjiang,NW China.The Middle Permian comprises the Wulapo,Jingjingzigou,Lucaogou and Hongyanchi Formations from bottom to top.The Lucaogou Formation was formed of interbeded sedimentary rocks such as dolostone,limestone,black mudstone,shale and detrital rock in lacustrine environment.Two kinds of dolostones were found in this basin.One was named silt-micrite dolostone which contains 70 percent of clay-sized dolomite,30 percent of silt-sized dolomite.The dolomite exhibit weak ordering with degree of 0.48.Morphologically,the dolomite was divided into micro-rhombohedra,xenomorphic crystal,microsphere,and microtubule types under the SEM.Part of the micro-rhombohedra dolomite was ferric dolomite.The other kind of dolostone was named analcime-sanidine dolostone which was composed of fine grained analcime with the granularity of 0.08~0.35,mm,micrite potash feldspar(almost sanidine),micrite dolomite,ankerite,and few coarse crystalline dolomite.This kind of dolomite also showed weak ordering with degree of 0.58.Compared with the dolomites in silt-micrite dolostone,the dolomites in analcime-sanidine dolostone which were almost subhedral rhombohedras under the SEM were characterized as high iron and manganese.The similarities between these two dolostones were that they were poor ordering dolomites,abundant in strontium,and lacking of the evidence in replacement during the buried period.Although these two dolostones were deposited in the similar shallow and semi-deep lake anoxic reduction environment,their differences in composition,trace elements and stable isotopes indicated that they had great diversity in their genesis.The silt-micrite dolostone revealed the features of primary precipitation.The microbe was likely to play a formative role in the precipitation of the microspheroidal and microtubular dolomites.Moreover,the micro-rhombohedrala and xenomorphic dolomites were directly precipitated from lake water.Contrastly,the dolomites in analcime-sanidine dolostone were precipitated by the hydrothermal exhalative processes of the sublacustrine hotsprings.

Key words: Santanghu Basin; lacustrine deposit; silt-micrite dolostone; analcime-sanidine dolostone; primary dolomite; hydrothermal exhalative deposition

“ 白云岩问题” 是沉积学领域被长期关注和最具争议的问题之一。在过去的两个多世纪里, 最令人迷惑和感兴趣的问题就是这种常见的碳酸盐矿物在地质历史时期究竟以什么方式沉淀下来?很多学者针对特定沉积背景下的白云石及白云岩的形成提出了经典的见解(Badiozamani, 1973; Forlk and Land, 1975; Chilingar, 1978; Zenger and Dunham, 1980; Land, 1985; Tucker and Bathurst, 1990; Warren, 1990; Forlk, 1993; Feng and Jin, 1994; Yao and Robert, 1995; Steve and Maurice, 1996; 梅冥相等, 1997; 方少仙等, 1999; 金振奎和冯增昭, 1999; 黄思静等, 2007), 而近30年来, 最重要的进展莫过于对原生白云石的探讨, 关于热液(水)白云石(Boni et al., 2000; Al-Aasm, 2003; 郑荣才等, 2003)、微生物白云石(夏文杰和李秀华, 1986; Slaughter and Hill, 1991; Vasconcelos et al., 1995; Nielsen, 1997; Vasconcelos and Mckenzie, 1997; Wright, 1997, 1999; Warthemann et al., 2000; Wanas, 2002; Wright and Wacey, 2005; Perri and Tucker, 2007; 于炳松等, 2007; Alonso-Zarza and Martí n-Pé rez, 2008; Sánchez-Roman et al., 2008; Deng et al., 2010; Jones, 2010)等的报道推动了 “ 白云岩问题” 的研究进展。除了与海水环境有关的白云岩外, 发育在陆相湖泊环境中的白云岩的成因也是 “ 白云岩问题” 的重要组成部分, 现代生物成因的原生白云石有相当部分就是首先在咸水— 超咸水湖泊中发现的(Vasconcelos and Mckenzie, 1997; Wright, 1999; Wright and Wacey, 2005)。但由于湖相白云岩分布局限, 因此研究报道较少, 且多集中在新生代以来的地层中。新疆北部准噶尔盆地及三塘湖盆地的中二叠统芦草沟组是北疆地区重要的生烃层系, 以发育湖盆扩张期背景下的层状白云岩、灰岩、黑色泥岩、油页岩及碎屑岩的互层为特点, 是研究晚古生代湖泊白云岩的理想场所。笔者所在的研究团队近年来陆续在三塘湖盆地周缘野外露头及盆地钻井岩心中发现中二叠统芦草沟组白云岩具有多种类型, 包括与构造热液有关的具有葡萄状及弯曲晶面特征的粗晶白云岩、与火山岩淋滤作用有关的斑块白云岩、与藻类富集有关的藻白云岩、疑似与生物作用有关的粉— 泥晶白云岩及与湖底热泉喷流有关的热水沉积白云岩等(李红等, 2007; 朱玉双等, 2009; 柳益群等, 2010)。文中拟以钻井岩心发现的后两类白云岩为对象, 通过其形成时的沉积环境, 宏观、微观岩相学及同位素组成特点分析, 对其形成机制进行探讨, 进而为新疆北部地区晚古生代湖相白云岩的研究提供实例。

1 地质背景

三塘湖盆地位于新疆东北部, 是北疆一系列中小型陆相含油气叠合盆地之一, 北与蒙古共和国邻接, 南隔巴里坤盆地与吐哈盆地相望, 整体呈北西— 南东向狭长带状展布(图 1-A, 1-B), 面积约23000 km2。盆地夹持于阿尔泰山与克拉麦里— 莫钦乌拉山之间, 构造位置处于西伯利亚板块与准噶尔— 哈萨克斯坦板块的碰撞接合部位, 是以发育晚石炭世— 中二叠世陆内裂谷盆地、晚二叠世— 中新生代拗陷盆地及山间拗陷盆地为特点的小型叠合盆地(柳益群等, 2010)。

图1 三塘湖盆地位置及二叠系柱状简图(钻井资料据吐哈油田, 2003)Fig.1 Location of Santanghu Basin and column of the Permian (wells data according to Turpan-Hami Oil Field Company, 2003)

晚古生代为三塘湖盆地洋陆转换的重要时期。早石炭世以发育古亚洲洋闭合后的残留海及海陆交互相的陆源碎屑岩沉积为特点。晚石炭世— 中二叠世, 在造山后期区域伸展断陷背景下, 三塘湖地区进入陆内裂谷盆地发育期; 早二叠世, 以发育一系列同沉积正断层组合为特征, 构成由断垒和断堑等组成的断陷带, 主要发育陆相酸性— 基性火山熔岩, 在火山喷发间歇期沉积了具有以近源快速堆积为特点的、由粗向细演变的陆相及海陆交互相碎屑岩建造; 中二叠世, 发育冲积扇— 河流— 湖泊沉积体系及由基性到中性系列的火山岩(玄武岩、安山岩等), 自下而上分为乌拉泊组、井井子沟组、芦草沟组和条湖组(相当于乌鲁木齐地区的红雁池组)(图 1-C), 代表了湖盆初始扩张— 鼎盛— 逐渐消亡的沉积旋回。

根据野外剖面及钻井岩心观察, 中二叠统芦草沟组厚100~900, m, 发育由厚层黑色、深灰色泥岩、页岩夹薄层泥晶白云岩、泥灰岩、凝灰岩组成的浅湖— 半深湖相沉积, 仅在局部地区发育浅成侵入岩(辉绿岩)及薄层中基性火山岩; 白云岩在盆地周缘及内部分布广泛, 钻井岩心中白云岩最大累计厚度为163, m, 伴生重矿物有黄铁矿和重晶石等。因此, 中二叠世芦草沟组沉积期是三塘湖地区第1个广盆发育期, 反映了湖盆扩张期相对稳定的沉积环境。芦草沟组的深灰色、黑色泥岩和碳酸盐岩还是盆地优质烃源岩, 有机质丰度高, 以Ⅱ 型有机质为主, 生油潜力高(冯乔等, 2004; 伍新和等, 2004)。在黑色泥岩和碳酸盐岩中化石较少, 偶见吐鲁番鳕鱼化石碎片(图 2-D)和芦木叶、茎等的碎片。

图2 三塘湖盆地岩心中二叠统芦草沟组特征Fig.2 Features of the Middle Permian Lucaogou Formation in cores of Santanghu Basin

本次研究选择芦草沟组钻井样品6个。样品为块状或薄层状, 采自MS-1、MS-3、MS-7、MS-33这4口钻井。取样编号与取样深度依次为:MS-1-1, 2239.8, m; MS-3-2, 1824.5, m; MS-7-2, 2061.6, m; MS-33-3, 1719.56, m; MS-33-2, 1720.11, m; MS-33-6, 1720.45 m。

2 岩相学特征
2.1 粉— 泥晶白云岩

以MS-1-1样品为代表。岩心样品为块状, 发育水平层理(图 2-A), 红外分析(未附图)显示其含有丰富的有机质。全岩粉晶X衍射分析表明, MS-1-1中白云石占73%、石英占20%、方解石占7%(图 3-A)。

图3 粉— 泥晶白云岩与方沸钾长白云岩全岩粉晶X衍射谱图特征Fig.3 X-ray diffraction patterns of silt-micrite dolostone and analcime-sanidine dolostone

偏光显微镜下, 该类白云岩主要由泥晶白云石和粉晶白云石组成(图 4-A, 4-B, 4-C, 4-D, 4-E), 泥晶白云石约占白云石的70%, 粒度小于0.0039, mm, 以半自形— 他形晶为主, 晶间有少量黏土矿物; 粉晶白云石约占30%, 粒度为0.005~0.01, mm, 以半自形— 自形晶为主。白云石有序度为0.48, 是低有序白云石。

图4 粉— 泥晶白云岩镜下特征Fig.4 Microscope showing features of silt-micrite dolostone

由于样品方解石脉较多(图 4-F, 表1编号点6), 因此, X衍射分析出的方解石可能是后期的方解石脉。染色薄片(茜素红-S与铁氰化钾配比溶液染色)中部分泥晶白云石呈绿蓝色, 说明白云石含铁, 粉晶白云石多数未被染色(图 4-E)。电子探针分析表明, 粉— 泥晶白云岩中白云石含少量铁(表 1)。扫描电镜下, 白云石主要有菱形(图 5-A, 5-B)、他形(图 5-A)、球状和管状(图 5-B, 5-C, 5-D)4种形态, 菱形及他形的白云石粒径约1~3, μ m, 球状、管状白云石多呈集合体, 单个球状白云石粒径约0.1~0.2, μ m, 管状白云石粒径约0.3~0.5, μ m。此外, 扫描电镜放大至3万倍时还可见到大量球状白云石微粒聚集并彼此粘结形成毡状的白云石(图 5-C), 菱形和他形的白云石也可见到这种情况(图 5-A), 说明粉晶白云石很可能是这3种形态的白云石微粒发生重结晶作用后形成的。能谱分析表明, 自形程度较好的菱形白云石含铁略高(图 5-A中编号a点谱图), 他形白云石有的含铁(图 5-A中编号b点谱图), 具有球状集合体形态的白云石含少量铁。

表1 三塘湖盆地两类白云岩电子探针成分分析(%)* Table1 Component analysis by electron probe of silt-micrite dolostone and analcime-sanidine dolostone in Santanghu Basin

图5 粉— 泥晶白云岩显微组构特征及能谱分析Fig.5 SEM microtexture features and EDS analysis of silt-micrite dolostone

2.2 方沸钾长白云岩

以MS-33-2、MS-33-3样品为代表。全岩粉末X衍射分析发现, MS-33-3样品中方沸石含量为20.2%、透长石24.3%、白云石39.3%、方解石16.2%; MS-33-2样品中方沸石13.9%、透长石21.7%、白云石51.6%、方解石12.8%(图 3-B)。该类白云岩多为浅灰色和灰白色, 以夹层形式存在于暗色泥岩中(图 2-B, 2-C), 单层厚度约0.5~2, cm, 坚硬致密。染色薄片(茜素红与铁氢化钾配比溶液)中绝大多数白云石呈绿蓝色。电子探针分析表明, 该类白云石的铁、锰含量明显高于粉— 泥晶白云岩中的白云石, 多为铁白云石和含铁白云石(表 1)。偏光显微镜下方沸石多为粒状或无定形胶体状, 正交镜下全消光(图 6-A, 6-B, 6-C, 6-D)。白云石自形程度略差, 主要为泥晶和粉晶(图 6-C, 6-D), 个别为粗晶, 分布不甚均匀:在岩层的顶、底部与泥岩接触处白云石含量较少, 且以类似胶结物形式充填于粒状方沸石之间(图 6-A, 6-B), 有时还可见铁白云石交代方沸石的现象(图 6-A, 6-B); 在岩层的中部白云石含量明显增多, 且多与不规则状的胶质方沸石共生, 但交代关系不明显, 因此, 推测铁白云石与方沸石基本同期形成或略晚于方沸石。扫描电镜下, 铁白云石为半自形的菱形晶体(图 7-A, 7-B), 部分为他形(图 7-C), 表面可见较多丘状突起。根据X射线衍射及偏光显微镜分析, 将其定名为方沸钾长白云岩。其有序度也偏低, 为0.58。偏光显微镜和背散射照片显示, 少量粗晶铁白云石为沿裂缝灌入的脉体(图 6-E中①位置), 与泥晶白云石(图 6-E中②位置)产状截然不同, 显然不是同期产物, 可能是埋藏成岩期形成的, 因此不属于文中讨论的范围。背散射照片显示, 该岩类常见大量球状或粉末状黄铁矿微粒分布在其他矿物之间(图 6-E), 表明其形成环境应为较强的还原环境。样品所含的方解石主要为脉体, 少量为他形泥晶方解石, 并与白云石、方沸石、透长石共生(图 6-F)。

图6 方沸钾长白云岩镜下特征Fig.6 Microscope showing features of analcime-sanidine dolostone

图7 方沸钾长白云岩显微组构特征及能谱分析Fig.7 SEM microtexture features and EDS analysis of analcime-sanidine dolostone

3 地球化学特征
3.1 微量元素及比值

前人研究认为三塘湖盆地中二叠统芦草沟组主体为盐度较高的咸水— 半咸水湖泊沉积, 如粟维民和梁浩(2001)通过微量元素、稳定同位素等分析认为芦草沟组兼具海相、海陆过渡相及陆相特点, 是由残余海改造而成的湖相沉积。冯乔等(2004)对盆地中部马朗凹陷芦草沟组的伽马蜡烷指数、原油碳同位素组成等分析后认为, 芦草沟组沉积时期古水体为盐度较高的咸水— 半咸水。

表2列出了样品全岩化学分析及主要微量元素丰度, 两类白云岩的Mg/Ca值均小于0.5, 这可能是由于样品不是由纯白云石构成的, 其还包括了方解石等其他矿物。在地质历史时期, 碳酸盐矿物的溶解— 再沉淀、重结晶等的再生过程是一个Sr逐渐丢失的过程, 许多古代碳酸盐岩的Sr丰度非常低(Flü gel, 2004)。研究区两类白云岩却显示出Sr富集的特征, 且粉— 泥晶白云岩比方沸钾长白云岩更富集Sr, 但Sr/Ca值很接近, 表明这两类样品中的白云石均没有经历后期明显的重结晶作用和交代作用, 具有原生白云石的特点。Mn通常富集在远洋或近远洋深水沉积物中或处于温暖陆棚缺氧环境的泥质沉积物中, 研究区两类白云岩均富Mn, 说明沉积环境可能都是缺氧的深水环境, 然而, 方沸钾长白云岩的Mn含量比粉— 泥晶白云岩高13倍多, 表明前者异常富集的Mn可能有其他来源。

表2 三塘湖盆地样品全岩化学分析及微量元素比值* Table2 All rock chemistry analysis and trace elements raitos of samples in Santanghu Basin
3.2 碳、氧同位素特征

6个样品全岩碳、氧同位素组成见表3。粉— 泥晶白云岩中δ 18OSMOW为23.33‰ ; 方沸钾长白云岩的δ 18OSMOW值为16.42‰ ~16.94‰ , 比全球二叠纪的海相及淡水相灰岩(22‰ ~30‰ )(魏菊英和王关玉, 1988)的 δ 18O 值偏低。将两类白云岩与MS-7井泥晶灰岩及MS-3井芦草沟组暗色泥岩中顺层发育的粗大方解石脉(编号MS-3-2)对比发现, 方解石脉的 δ 18O 值最低, 很可能与大气降水有关。粉— 泥晶白云岩、泥晶灰岩及方沸钾长白云岩与方解石脉相比, 均显示出略偏高的 δ 18O 值(表 3), 表明它们在形成时可能与大气水或浅层地下水发生了部分同位素置换。尤其是方沸钾长白云岩的 δ 18O 值与方解石脉的 δ 18O 值更接近, 表明该类热水沉积岩的热液很可能有地表水或湖水的参与。

表3 三塘湖盆地岩心样品中碳、氧同位素组成(‰ )* Table3 Isotope of core samples(‰ ) in Santanghu Basin

方沸钾长白云岩的δ 13CPDB值为-3.7‰ ~-4.1‰ , 变化幅度比 δ 18O 值要小, 与碳酸岩、金伯利岩和金刚石所确定的原始地幔δ 13C值-3‰ ~-8‰ (Rollison, 2000)相似。尽管文献(涂光炽等, 1988; 韩发和哈钦森, 1991)指出热液碳酸盐矿物的δ 13C值可以在很宽的范围内变化, 而且在形成过程中可能受到(1)成矿流体与大气中CO2的碳同位素分馏; (2)壳— 幔物质混合与再循环; (3)成矿流体与围岩之间的水— 岩反应等因素的影响, 但通过比较认为, 研究区粉— 泥晶白云岩、泥晶灰岩及方解石脉体等碳同位素值均偏正, 而方沸钾长白云岩δ 13CPDB值明显偏负, 很可能指示了此类白云岩与深部热液的喷流沉积作用有关。此外, 粉— 泥晶白云岩与方沸钾长白云岩的碳同位素的差异性也暗示这两类白云岩的成因机制可能不同。

3.3 Sr、Nd同位素

全岩样品 87Sr/86Sr值、 143Nd/144Nd 值、计算得到的初始值及ε Sr、ε Nd见表4。两个样品的 87Sr/86Sr 值介于0.705 118± 0.000 012和0.706 438± 0.000, 010之间, 均低于同时期的全球海水的 87Sr/86Sr 值(约为0.706, 854~0.707, 355, 时代260.5— 272.5Ma, 据Korte等(2006))及中上二叠统海相碳酸盐岩的最低值(约为0.706, 914± 0.000, 012, 时代265.8— 260.4, Ma, 据Kani等(2008)), 暗示了白云岩中锶的来源不仅为陆壳锶, 可能还有深源锶的加入。样品初始锶(ISr)为0.701, 715~0.704, 937, 略高于地幔初始锶(0.698, 976± 0.000, 055), 反映了有壳源锶的存在。Sr同位素能够灵敏地反映岩石的混染程度, 样品的ε Sr值偏高(介于10~20), 与标准样的偏差程度较大, 表明两类白云岩的主要造岩组分很可能是壳— 幔源物质混合的结果。ε Nd> 0意味着岩石源于地幔物质, ε Nd< 0, 岩石则来自于地壳, 两个样品的 143Nd/144Nd 值分别为0.512, 630和0.512, 713, ε Nd值均大于0, 分别为2.04和3.84, 说明造岩物质很可能有深源物质的参与(李昌年, 1992)。Sm/Nd值受岩石风化蚀变及变质作用的影响不大, MS-1-1样品Sm/Nd为0.219, MS-33-3样品Sm/Nd为0.209, Sm/Nd比值均小于1, 暗示造岩矿物部分来自于轻稀土富集的物质。

表4 三塘湖盆地岩心样品Sr、Nd同位素构成* Table4 Sr-Nd isotope components for core samples in Santanghu Basin
4 白云岩成因讨论

从岩心特征来看, 三塘湖盆地井下两类白云岩均为块状或层状, 与灰黑色、黑色泥岩产状基本一致, 未观察到明显的交代残留现象(如交代晕环或参差不齐)。偏光显微镜及扫描电镜的观察结果显示两类样品中白云石均为泥晶或粉晶结构, 内部缺乏大规模次生交代的证据。从表1可以看出, 方沸钾长白云岩中白云石的成分与粉— 泥晶白云岩差异较大, 富含更多的铁和锰, 而在相同的沉积环境下同类矿物很难有如此大的成分差异。再者, 两类白云岩造岩矿物组合、碳氧同位素组成也有较大差异, 因此它们可能是在不同的成因机制下形成的。

4.1 粉— 泥晶白云岩成因

Whiticar(1999)、Roberts等(2004)、Kenward等(2009)通过野外观察和实验室分析均证实, 产甲烷菌能够促进白云石的低温沉淀。厌氧菌产甲烷菌消耗了溶液中的CO2, 有利于pH值增大, 而食醋酸产甲烷生物发酵时产生的 HCO3-也可以提高溶液的碱度, 促进白云石沉淀(李波等, 2010)。Boetius等(2000)发现, 在甲烷生成带与硫酸盐还原带之间的过渡带, 甲烷在硫酸盐还原菌的作用下可将 SO42-还原, 产生 HCO3-和HS-, 不仅有利于白云石沉淀, 若有Fe2+, 还可形成黄铁矿。

芦草沟组粉— 泥晶白云岩、泥晶灰岩与富含有机质的黑色泥岩、页岩共生, 呈互层状, 在灰岩及黑色泥岩中可见大量粉末状黄铁矿, 表明白云岩形成于强还原环境, 背散射照片及扫描电镜下观察到黄铁矿多为球状或莓球状集合体, 因此应是在硫酸盐还原菌的生物聚集作用下形成的。白云岩及伴生的黑色泥岩、页岩富有机质, 生烃能力强, 是三塘湖盆地二叠系最主要的烃源岩系, 因此, 产甲烷菌及硫酸盐还原菌在研究区白云岩地层中应有大量富集, 以MS-1井为代表的粉— 泥晶白云岩很可能就是在这两种细菌的共同作用下促使白云石发生沉淀而形成。无机成因的白云石很难具有微球状外貌, 粉— 泥晶白云岩中具有球状及管状微形貌的白云石与Jones(2010)在英属西印度群岛Nani溶洞钟乳石表面发现的针管状白云石(疑似由放线菌的胞外组织吸附作用形成)的部分微形态(尤其是孢子部分)非常相似, 因此, 推测研究区微球状和管状白云石很可能是由硫酸盐还原细菌的胞外组织吸附白云石形成。

然而, 通过扫描电镜观察发现, 粉— 泥晶白云岩中并不是所有白云石都具有球状或管状微形貌, 大量的白云石、含铁白云石为半自形菱形或他形, 这类白云石显然与微生物的吸附作用无关。在产甲烷菌和硫酸盐还原细菌的共同作用下, 沉积介质碱度升高, SO42-浓度降低, 为白云石的沉淀提供了有利条件, 只要有足够的镁离子供给, 就可以直接沉淀白云石。因此, 样品中相当数量的他形和菱形白云石、含铁白云石微粒很可能是原生沉淀的白云石, 而不是由方解石或高镁方解石交代形成。

4.2 方沸钾长白云岩成因

陈先沛(1988)、陈先沛等(1992)认为 “ 热水沉积作用系指沉积界面之下循环流动的热水喷溢出界面以后发生的沉积作用, 以及界面之下围岩的交代(蚀变)充填作用。热水沉积遍布大陆、大洋的许多地方” 。热水沉积岩是热水沉积作用形成的重要产物之一。产于沉积岩中的热水沉积岩往往与腐泥型高碳质页岩、纹层状硅岩、重晶石等密切共生, 呈透镜体或纹层状展布, 并与围岩地层整合或近于整合接触。张性的地壳结构带(大陆裂谷系、大洋裂谷系洋中脊、浅海裂谷系)由于异常高的热状态是热水沉积岩最发育的地区, 往往产在火山喷发间隙的沉积期, 常有次火山岩体或凝灰质层的分布(Mazor, 1968; Rona, 1980; Edmond, 1981; Malahoff et al., 1982; 陈先沛, 1988; 涂光炽等, 1988; Crane et al., 1991; Shanks and Callendar, 1992; Boni et al., 2000; Renaut et al., 2002)。

三塘湖盆地二叠纪处于陆内裂谷演化时期, 芦草沟组是在早二叠世卡拉岗期和中二叠世条湖期两次大规模火山活动间歇沉积的一套湖相地层, 而且凝灰岩在该组广泛分布, 说明三塘湖地区在中二叠世芦草沟期有高地热值, 具备形成热水沉积岩的地质条件。从方沸钾长白云岩的宏观特征来看, 其主要为纹层状, 与暗色泥岩呈整合接触, 因此, 该岩类不属于火山岩。根据偏光显微镜及扫描电镜的观察, 其主要造岩矿物为方沸石、透长石、白云石及方解石等, 而透长石、方沸石都不是正常沉积的碳酸盐岩的造岩矿物, 因此也不应属于正常沉积的内源沉积岩。通过微观岩相学的分析, 认为方沸钾长白云岩各造岩矿物之间首先是共生关系, 其次才是交代关系, 未观察到凝灰质结构或残余凝灰结构, 与该区常见的凝灰岩差异较大, 因此, 也排除了凝灰岩或蚀变凝灰岩的可能。以方沸石矿物为例, 显微镜下除看到较自形粒状之外, 还有大量的方沸石为无定形胶体状, 推测应属于钠质硅酸盐胶质体热液喷涌出地表后与湖水混合后沉积形成。再以铁白云石为例, 扫描电镜下铁白云石与方解石的自形程度相当, 均为他形或半自形, 部分白云石表面与方解石表面均有丘状突起, 未见到白云石交代方解石的现象, 也没有构造热液交代方解石所形成的鞍状双晶或解理面弯曲的特征, 且两类矿物均为细小的泥晶级晶体, 因此, 应属共生关系, 很可能是富钙、镁质热液喷流至湖底快速沉积形成。综上所述, 认为以MS-33井为代表的方沸钾长白云岩是一类由湖底热泉喷流作用形成的热水沉积白云岩。

粉— 泥晶白云岩与方沸钾长白云岩的初始锶(ISr)高于地幔初始锶, 表明有陆源锶的存在, 说明白云石形成所需的离子部分来自于壳源物质。然而, 87Sr/86Sr 值低于二叠纪全球海水及海相碳酸盐的平均值, 以及ε Nd偏正值, 又提供了可能存在深部物质参与的证据。此外, 方沸钾长白云岩中锰元素的异常富集, 使这两类具有相似沉积环境的白云岩中锰元素分布极不均一, 暗示了可能有其他来源为热水沉积方沸钾长白云岩中白云石的沉淀提供了所需的镁离子。因此, 推测两类白云岩中的钙、镁离子, 尤其是镁离子不仅来自于由残留海演化而来的湖水或浅层地下水, 很可能还有来自于地球深部热液的贡献。

5 结论

三塘湖盆地中二叠统芦草沟组粉— 泥晶白云岩和方沸钾长白云岩发育在浅— 半深湖相强还原沉积环境, 具有粒度细、有序度低的特点。白云岩的微形貌与地球化学特征表明其可能为原生白云岩。粉— 泥晶白云岩中微球状及微管状白云石可能与微生物有关, 菱形和他形白云石可能是在受微生物调节作用影响的湖水中直接沉淀的原生白云石。方沸钾长白云岩是湖底热泉喷流沉积形成的热水沉积白云岩。地球化学分析表明两类白云岩的镁离子不仅来自于地表水, 可能还有深部物质的参与。

作者声明没有竞争性利益冲突.

作者声明没有竞争性利益冲突.

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