钱一雄, 张克银, 陈跃, 陈强路, 田蜜, 尤东华, 罗宇. (2016)塔里木盆地东北部中上奥陶统却尔却克群深水碳酸盐岩及白云岩化 [J]. 古地理学报, 18(1): 21-38
Qian Yixiong, Zhang Keyin, Chen Yue, Chen Qianglu, Tian Mi, You Donghua, Luo Yu. (2016)Deep-water carbonate rocks and their dolomitization of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation in northeastern Tarim Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 18(1): 21-38. DOI:10.7605/gdlxb.2016.01.002  
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塔里木盆地东北部中上奥陶统却尔却克群深水碳酸盐岩及白云岩化*
钱一雄1, 张克银2, 陈跃1, 陈强路1, 田蜜1, 尤东华1, 罗宇1
1 中国石化勘探开发研究院无锡石油地质研究所,江苏无锡 214126
2 中国石化西南分公司石油勘探开发研究院,四川成都 610081

作者简介:钱一雄,男, 1962年生,博士,教授级高工,研究方向为碳酸盐岩沉积学与储集层地质学。通讯地址:江苏省无锡市滨湖区蠡湖大道 2060号;邮编: 214126。 E-mail: qyx9167@vip.sina.com。

收稿日期:2015-04-07
基金:*“973”项目(编号:2005CB422100,2012CB214802)与国家科技重大专项(编号:2011ZX05005-002,2011ZX05008-003)联合资助
摘要

塔里木盆地东北部库鲁克塔格中上奥陶统却尔却克群中的深水碳酸盐岩及其白云岩化是较为特殊的沉积与成岩作用类型之一。通过对南雅尔当山剖面详细观察与采样分析,阐明了其沉积学、岩石学及地球化学特征:深水碳酸盐岩的顶、底均与浊积岩伴生,呈重力滑覆—带状分布,主要由黄灰色—灰色、大多呈薄层瘤状的白云岩夹泥页岩构成;可见到海绵骨针、三叶虫等浮游生物化石以及分选差的花岗岩、火山岩及硅质岩等碎屑;基本保留了原始沉积中的溶解、水平层理等较深水沉积的特征。该套白云岩包括泥粉晶白云岩、细晶白云岩或残余陆屑白云岩、巨型藻鲕白云岩和生屑泥粉晶白云岩等 9类白云岩;白云石有序度为 0.47~0.56和 0.70~0.76,中强阴极发光,经历了 2期较强的白云岩化作用;富含 SiO2、 Al2O3、 Mg、 Mn、 Fe、 MnO和 TiO2;δ34SV-CDT为 -0.2~6.6, ΣREE含量为 46.7×10-6~67.4×10-6,呈正铕负铈的“帽式”稀土配分模式,反映相对还原沉积环境;反映沉积水体盐度的 Na2O+K2O、 Sr、 Ba含量偏低, 87Sr/86Sr 值相对偏高,δ18OPDB、δ 13CPDB稍低,不能指示原始海水或原始环境。综合上述分析结果认为:这套深水碳酸盐岩形成于向上变浅的缓坡带,其发生了浅埋藏、中—深埋藏条件下的 2期白云岩化,且受构造推覆或重力滑覆至外陆棚,并发生裂隙—溶蚀作用和白云石、方解石及烃类的充填作用。

关键词: 深水; 碳酸盐岩; 白云岩化; 地球化学; 奥陶系; 塔里木盆地
中图分类号:P588.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2016)01-0021-18
Deep-water carbonate rocks and their dolomitization of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation in northeastern Tarim Basin
Qian Yixiong1, Zhang Keyin2, Chen Yue1, Chen Qianglu1, Tian Mi1, You Donghua1, Luo Yu1
1 Wuxi Institute,Exploration & Production Research Institute,SINOPEC,Wuxi 214126,Jiangsu
2 Exploration & Production Research Institute,Southwest Oil & Gas Company,SINOPEC,Chengdu 610081,Sichuan
Abstract

Deep-water carbonate rocks and its dolomitization of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation in Kuluketage Mountain,northeastern Tarim Basin,is one of special types of deposition and diagenesis. By detailed observation and sampling of the Nanyaerdangshan section,we studied the sedimentary,petrological and geochemical features of the dolomitic beds. The deep-water carbonate rocks,which occurred in thrust-nappe or gravity-related sliding shapes in the stratigraphic column of the outcrop, is of yellow and dark grey,thin to medium bedding dolostone interbedded with mudstone,marl and shale,usually irregular and lenticle “knotty nodule”accompanied with turbidite of fine rocks debris either at the bottom or at the top. It is characterized by the planktonic faunas such as trilobite,siliceous sponge spicules and echinoderm fragments,and richness in poorly sorted terrigenous sediment attributed to grantite,volcanic and siliceous rocks. The carbonate rocks exhibited a certain rhythm structures such as dissolved-bedding,thin-horizontal bedding and few of algae laminae in primitive sediment. The main mineralogical peculiarities of dolostone composed of nine various types i.e.,near-micritic,giant ooids,fine-crystalline dolostone,bitumen-bearing algae poloid dolostone with residual bioclastics and silicification,and so on. The low and middle degree of order varies between 0.47-0.56 and 0.70-0.76, with a medium and extensive cathodluminescence(CL),indicating two-episodes strong dolomitization. The carbonate rocks have the abundance of SiO2 and Al2O3, and richness of Mg、Mn、Fe、MnO and TiO2. The value ofδ34SV-CDT(-0.2-6.6) and REE(46.7×10-6-67.4×10-6) are similar to the shale on the “cap-form”distribution pattern of rare earth elements with positive europium( δEu)and negative cerium( δCe), indicating a relative reduction deep-water environment. The salinity index such as Na2O+K2O,Sr and Sr/Ba, are rather low,compared with those of typical terrace carbonate rocks. Since the higher87Sr/86Sr ratio of the dolostone with rather low values ofδ18OPDB andδ13CPDB,it can’t be interpreted as a typical of isotopic feature of coeval seawater. Therefore,the deep-water carbonate rocks were developed in a shallowing-up parts of gentle-slope, then suffered two-episodes dolomitization at shallow buried or middle and deep buried respectively,and finally were thrusted or gravities-slided into outer continental shelf or lower parts of slope,with dolomite and calcite, hydrocarbon fillings in dissolved-vugs-fractures.

Key words: deep-water; carbonate rocks; dolomitization; geochemistry; Ordovician; Tarim Basin

深水碳酸盐沉积是指深水重力流作用形成的异地沉积和非重力流沉积(Simms, 1984; 周志澄等, 2000; 江茂生等, 2001)。后者又分深水牵引流沉积和静态原地碳酸盐沉积, 其受控于重力流及等深流、表层水碳酸盐产率、陆源物质稀释和深水对碳酸盐溶解作用等。深水白云岩是指沉积物中含1%~25%的白云石(Lumsden, 1988), 因其具有一定气候环境表征意义和油气勘探潜力而受到重视(Cook and Taylor, 1977; 高振中等, 2000, 2010; 郭成贤, 2000; 江茂生等, 2001; Shanmugam, 2003; 王英民等, 2007; 郭成贤等, 2009)。对现代深水白云石的研究表明(David, 1988; Fabio et al., 2001):该类白云石一般是早期从孔隙水中沉积; 虽经常与黏土矿物、有机质常共生, 但其含量仅与文石有关, 而与陆源碎屑、自生或蚀变矿物含量无关; 其大小、非化学计量(式)及低有序度并不随地质年代、埋深变化而变化。

塔里木盆地东北部库鲁克塔格兴地断裂以南的奥陶系通常被认为是盆地相(纪友亮等, 2002; 刘忠宝等, 2003; 段吉业等, 2005; 钟广法等, 2006; 冯增昭等, 2007; 赵宗举等, 2009, 2010; 高志勇等, 2011; 吴兴宁等, 2012)。其中, 中上奥陶统却尔却克群作为大陆边缘或裂陷槽中典型的复理石或深水浊积岩, 对其构造属性、沉积相及物源等前人进行了系统研究(段吉业等, 2005; 白云风等, 2006; 钟广法等, 2006)。本项研究报道了在塔里木盆地东北部南雅尔当山剖面(东经89° 1'33″, 北纬40° 45'26″)中上奥陶统却尔却克组中下部浊积岩沉积中的发现, 其为一套厚约20, m混合沉积体系(图 1; 图2), 以含三叶虫、海绵骨针、棘皮类等生物碎屑及陆源碎屑的泥粉晶— 粉细晶白云岩为主, 夹有泥微晶灰岩、泥页岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩。通过对其沉积学、地球化学等综合研究认为, 它为一套缓坡带(陆棚至上斜坡带)的碳酸盐沉积, 强烈的白云岩化发生于浅埋藏与中深埋藏过程中。

图1 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群中的含碎屑碳酸盐岩位置Fig.1 Location of clastics-bearing carbonate rocks of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

1 地质背景

库鲁克塔格位于塔里木盆地东北部, 在新元古代至早古生代为克拉通裂陷槽, 其经历了元古代— 新生代漫长的构造演化, 主要可分为形成期(Pt2)、伸展期(Pt3— O)、挤压反转期(O2末期和O3末期)、左旋压扭期(Pz2末期)、逆冲推覆期(E末期— Q3)和右旋张扭期(Q4)共6个阶段(孙晓猛, 2006)。在此构造背景下, 兴地断裂南缘在寒武纪分别经历了深水陆棚和海槽盆地演化阶段; 上寒武统至下奥陶统发育浅水陆棚相; 随着又一次海侵, 早奥陶世沉积了半深海的放射虫硅质岩, 中上奥陶统却尔却克群为一套复理石和深水斜坡扇及海底浊积扇沉积。却尔却克群出露于却尔却克、元宝山和南雅尔当山一带(图 1), 可进一步分为2段:下部为灰绿色含细砾的长石砂岩、钙质粉砂岩和粉砂质泥岩与页岩, 产大量笔石; 上部为深灰色— 灰绿色含灰质砾屑、灰质长石砂岩、粉砂质泥岩、页岩, 夹薄层砾屑、砂屑泥灰岩, 含笔石及三叶虫化石等。库鲁克塔格隆起至少经历了2次隆升过程, 分别是海西期和燕山期, 变形以褶皱及与之相伴的逆冲断裂为主要样式(图 2)。

2 沉积学特征

在南雅尔当山剖面中, 笔者发现一套混合沉积体系, 其由灰色— 灰绿色中薄层瘤状含生屑云岩、含泥质云岩、生屑泥晶灰岩与泥(页)岩构成(图 1; 图2), 近直立, 呈重力滑覆或推覆体, 厚约20, m, 碳酸盐岩/泥页岩比约为9︰1。该套沉积的下伏地层为却尔却克群中下部的灰色粉砂质泥岩、粉细砂岩, 顶部为深灰色泥岩(图 3), 自下而上可分为:(1)中薄层含沥青白云岩, 夹粉砂质泥岩、薄层瘤状与疙瘩状白云岩及含泥质白云岩, 厚3.3, m; (2)中薄层白云岩与泥页岩互层, 厚0.7, m; (3)泥页岩、泥质粉砂岩夹次生石膏, 厚2.6, m; (4)薄层含沥青的瘤状与疙瘩状白云岩, 夹薄层泥岩, 厚2.4, m; (5)薄层泥岩与瘤状及疙瘩状白云岩, 厚1.7, m; (6)薄层瘤状夹中薄层白云岩, 夹极薄层泥岩, 厚2.65, m; (7)中薄层瘤状白云岩, 夹薄层泥质白云岩, 厚2.90, m; (8)薄层泥岩, 夹薄层瘤状泥云岩, 厚1.90, m; (9)中薄层瘤状白云岩, 厚1.85, m(图 4)。另外, 在该剖面的北侧, 还见到中至巨型的藻鲕云岩(微生物岩)(图 5-b), 由断续条带状(蔡雄飞, 2001)、石鼓状、港湾状、疙瘩状、瘤状的白云岩及含生屑白云岩与薄层泥页岩构成, 反映其弱溶解相相对发育、可能为深水沉积(金若谷, 1989; 段吉业等, 2005)。根据其上覆地层与斜坡相或盆地扇相含砾中粗砂岩伴生, 不发育风暴岩的典型侵蚀底面、粒序及丘状交错层等特征(宋金民等, 2012), 同时也不发育双向递变、单向递变、对偶层双向递变层理或泥岩— 鲕粒灰岩— 泥岩层序等典型的内波、内潮汐沉积特征(高振中等, 2000, 2010), 说明它为斜坡带沉积。

图2 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群中推覆— 滑覆于深水浊积岩中的含碎屑碳酸盐岩Fig.2 Clastics-bearing carbonate rocks in turbidite of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation by napping and gliding at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

图3 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群深水碎屑沉积中的“ 楔状” 深水碳酸盐岩Fig.3 Panorama of “ wedge” shape of carbonate rocks in deep-water clastic sediments of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

图4 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群碳酸盐岩地球化学特征Fig.4 Geochemical characteristics of carbonate rocks of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

图5 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群碳酸盐岩岩石学特征Fig.5 Petrological characteristics of carbonate rocks of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain , northeastern Tarim Basin

根据15件样品的镜下及野外观察, 碳酸盐岩可划分出11种类型。(1)泥微晶灰岩:方解石以他形晶为主, 少数呈半自形晶, 粒径大小均一(< 0.03, mm)。含微量纤细的针状介壳和有孔虫等, 偶见陆源石英碎屑, 显微层理较发育(NYD-004、NYD-005、NYD-013、NYD-014)。(2)含陆源石英泥晶砂屑灰岩:主要由砂屑和微量生屑、鲕粒组成。砂屑粒径为0.10~0.25, mm, 最大可达0.50, mm, 以薄皮鲕为主; 含陆源石英砂(NYD-008, 图 5-h)。(3)巨型藻鲕白云岩:具明显的圈层构造, 直径可达16~18, cm, 推测为蓝细菌体构成的微生物岩(图 5-b)。(4)含生屑泥晶白云岩:白云石呈半自形— 自形晶, 粒径一般小于0.03, mm, 少数达0.05, mm, 含少量微小生物碎屑及微量陆源石英砂, 显微层理较发育(NYD-012, 图 5-d)。(5)粉晶白云岩:晶粒结构, 粒径为 0.01~0.05, mm, 局部重结晶为细晶(NYD-014, 图 5-c)。(6)含陆源砂(砾)粉晶白云岩:白云石呈半自形— 自形晶, 粒径为0.05~0.10, mm, 最大可达0.25, mm; 陆源砂为石英、钾长石、硅质岩、灰屑及花岗岩屑, 大小为1.50~3.0, mm(少数为0.25~1.0, mm), 含少量硬石膏、重晶石(最大达2.0, mm× 3.0, mm), 呈分散状(NYD-011, 图 5-e)。(7)粉细晶白云岩:白云石呈半自形— 他形晶, 粒径为0.05~0.25, mm, 表面很脏、模糊, 可见生物碎屑幻影构造, 含少量陆源石英(NYD-010)。(8)细晶白云岩(NYD-007)、含陆源砂细晶白云岩(NYD-006, 图 4-i):由含铁白云石和少量硬石膏、重晶石、陆源石英组成; 其中, 含铁白云石呈自形— 半自形晶, 粒径一般为0.10~0.25, mm、最大达0.40, mm; 重晶石和硬石膏粒径为0.50~0.75, mm, 呈斑块状分布; 陆源砂以石英为主, 偶见斜长石碎屑, 石英波状消光, 呈他形晶, 细粒结构。(9)残余海百合及藻屑细晶白云岩:含海百合茎、介壳屑等少量生屑, 含微量陆源石英, 亮晶白云石胶结; 海百合茎为连生单晶结构, 局部与胶结物共轴增生; 白云石呈半自形呈— 他形晶, 粒径0.10~0.25, mm; 陆源石英为他形晶, 粒径0.10~0.40, mm, 呈星散状分布(NYD-001、NYD-002、NYD-003, 图 5-g)。(10)不等晶白云岩:以中— 细晶白云石为主, 局部有重结晶的粗晶白云石(NYD-002, 图 5-g)。(11)含沥青硅化残余生屑不等晶白云岩:以细晶白云石为主, 粗晶白云石次之; 白云石含量为87%, 玉髓11%、沥青0.4%、石英0.5%、火山碎屑0.5%; 生屑中海绵骨针占11%、云化棘皮类20%、三叶虫2%等(NYD-008, 图 5-f), 富含浮游生物化石, 指示为深水沉积(周志澄等, 2000)。

3 地球化学分析
3.1 样品采集与测试

本次研究先后进行了2次野外工作, 分别开展了详细的剖面观察和实测。先后共采集样品22件, 除15件样品被制成薄片和铸体薄片外, 对多件碳酸盐岩样品分别进行了阴极发光(7件)、白云石有序度(10件)、碳氧同位素(9件)、硫同位素(6件)、锶同位素(10件)、岩石地球化学(7件)和流体包裹体(3件)等分析。

阴极发光分析是作者在中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室完成的, 仪器为BLM3RX型阴极发光仪。

白云石有序度分析由成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成, 使用的仪器为D/Max2500型X射线衍射仪。

碳氧同位素分析是由国家地质实验测试中心完成, 采用Mccrea(1950)100%正磷酸法和Finngan MAT252气体质谱仪, 分析精度± 0.2‰ 。

锶、硫同位素分析是由核工业地质研究院测试中心完成。前者采用仪器为IsoProbeT热电离质谱仪, 测量精度优于3× 10-6。后者根据DZ/T 0184.15-1997《硫酸盐中硫同位素组成的测定》方法进行, 采用Delt V plus, 以国际硫同位素CDT标准标定的国家硫同位素标准(硫化银)GBW-4414(δ 34S=-0.07‰ )和GBW-4415(δ 34S=22.15‰ )校正, 测量误差小于± 0.2‰ 。采用了传统分析测试流程, 即先对样品按比例加入Cu2O, 然后置于马弗炉内, 在1050, ℃~1060, ℃真空条件下反应制备SO2, 最后上质谱仪进行测试, 测试误差均小于± 0.2‰ 。δ 34S的相对标准为V-CDT。

图6 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群白云岩及其缝洞充填特征(CL)Fig.6 Dolostone phase , filled pores or vugs and their characteristics under cathodluminescence of carbonate rocks of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

岩石化学分析是由中国地质科学研究院地球物理地球化学研究所完成。样品在研磨成粉末前用去离子水清洗; 清洗后, 研磨至200目以下。常量元素中的Ca采用X射线荧光光谱法(XRF)分析(本次分析中未测SiO2); Hg和As采用原子荧光光谱法(CV-AFS)分析; 其他常量、微量元素和稀土元素用等离子体质谱法(ICP-MS)和等离子体光谱法(ICP-OES)测定。采用标样为GSD-5、6、13, 常量元素分析误差小于0.1%; 微量元素的分析误差(包括稀土)为± 1× 10-6。

流体包裹体分析是在中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所测试中心完成。利用与Leica显微镜相连的Linkam THMSG2600型冷热台进行测试。在温度校正后进行升温, 开始升温速率为5, ℃/min, 当包裹体中气泡变小、接近均一时, 升温速率为1, ℃/min。

3.2 测试结果

3.2.1 阴极发光

根据野外观察及室内薄片观察和阴极发光分析, 研究区碳酸盐岩发育多期构造裂隙及缝洞。第1期发生在白云岩化之前, 由方解石充填(图 6-a, 6-f)。第2期发生于白云岩化之后(图 6-b, 6-c, 6-d, 6-e)。白云岩化之后, 可能还有2~3期构造裂隙发育及流体活动。其中, 早期裂隙宽0.15, mm左右, 白云石充填, 白云石晶体大小与白云岩围岩相似, 颜色稍亮, 推测是白云岩化同时或稍早形成的裂缝; 晚期裂缝较宽, 为0.75~1.00, mm, 粗晶(0.50~0.75, mm)白云石、方解石、沥青及少量重晶石充填, 晶体洁净、明亮, 应为白云岩化之后的裂隙; 最后为开启裂隙, 粗晶白云石被切割(NYD-006)。总之, 早中期裂隙主要由粉细晶白云石、沥青充填, 中晚期裂隙为铁白云石和石英充填(NYD-014); 最后1期未充填。

3.2.2 有序度

在理想的白云石中, 当Ca2+、Mg2+以及 C O32-这3种离子呈现出完全有序的排列时, 定义白云石的有序度为1; 反之, 为0。在埋藏过程中, 地温的增加以及地层孔隙流体的持续作用, 都会导致Mg2+不断置换Ca2+, 晶体结构不断调整, 有序度增高。

表1 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群碳酸盐岩有序度及同位素(碳、氧、锶和硫)分析数据 Table1 Data of degree of order, δ13CPDB, δ18OPDB 、 87Sr/86Sr and δ34SV-CDT for carbonate rocks of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

却尔却克群中下部碳酸盐岩沉积中, 白云石有序度大致可划分为2类(表 1):(1)粉晶白云岩及部分粉细晶白云岩中, 白云石有序度为0.47~0.56; (2)细晶白云岩及部分粉细晶白云岩中白云石有序度为0.70~0.76。据此, 可初步推断该地区的白云岩形成与成岩演化序列:含生屑残余砂(生)屑灰岩、含泥或陆源碎屑泥晶灰岩→ (浅埋藏白云岩化作用)→ 粉晶白云岩→ (中等埋藏作用)→ 粉细晶白云岩。另外, 有序度与 δ13CPDB值呈正相关关系(图 4), 可能反映了白云岩化与海水或浓缩的海水有关。

3.2.3 同位素特征

库鲁克塔格南雅尔当山剖面却尔却克群中下部碳酸盐岩(灰岩及不同成因白云岩)中碳氧同位素、锶同位素和硫同位素分析结果见表1。

3.2.3.1 碳氧同位素

却尔却克群中下部碳酸盐岩中的6件白云岩样品中的 δ18OPDB为-6.3‰ ~3.3‰ 、平均值为-5.05‰ , δ13CPDB为-0.2‰ ~2.3‰ 、平均值为1.5‰ , 前者总体向上升高, 后者呈“ 之” 字形波动; 裂隙方解石中的 δ18OPDB、 δ13CPDB分别为-11.8‰ ~7.5‰ 、-1.0‰ ~0.5‰ 。前人的研究表明, 塔中— 巴楚地区及塔东北阿尔金索尔库里地区的上奥陶统碳酸盐岩中 δ18OPDB为-3.2‰ ~8.1‰ 、平均值为-4.9‰ , δ13CPDB为-0.8‰ ~3.3‰ , 平均值为2.0‰ (钱一雄等, 2013)。与塔中— 巴楚及塔东北阿尔金索尔库里的上奥陶统碳酸盐岩及同时代灰岩相比(表 3), 研究区却尔却克群中下部白云岩的 δ18OPDB、 δ13CPDB值偏低。

一般认为, 海相碳酸盐岩中的δ 13C主要反映非有机溶解的碳源, 温度变化影响较小, 而与产率、大洋循环、风化作用及外来的碳源等有关(Ingram and Sloan, 1992; Kaufman et al., 1993; Denison et al., 1994, 1998; Montanez et al., 1996; Veizer et al., 1997, 1999; Reinhardt et al., 1998; Lé cuyer and Allemand, 1999; 郭成贤等, 2009)。如晚奥陶世随着冰盖消融、全球海平面上升、海洋缺氧事件及有机产率或埋藏率增加出现δ 13C的正漂(鲍志东等, 2006; 郭成贤等, 2009; 钱一雄等, 2009, 2013)。全球古生代海相碳酸盐岩氧同位素变化范围较为一致, 与地质时代、古地理格局、古生物群落、格架矿物类型无关, 而与其同位素分馏、温度效应、交换反应、成岩环境等多种因素有关; 如受在洋脊快速扩张引起一侧的沉积物加积作用以及远洋生物骨架有机体增长影响, 洋壳表面蚀变加强导致海水中的δ 18OPDB增加是可能的机制, 而冰川作用、海平面升高造成的海侵影响可使海水中的δ 18OPDB增加2.0‰ ~3.0‰ 。

却尔却克群中下部白云岩比同时代灰岩的 δ13CPDB稍低, 反映出其受白云岩化成岩作用影响; 个别样品(NYD-001)中 δ13CPDB为-2.0‰ , 可能是亚稳碳酸盐岩溶解或有机质参于成岩作用造成的(Georger, 1997)。白云岩中的δ 13C与 δ34SV-CDT呈负相关(图 4), 反映却尔却克群中下部沉积时期, 有机产率相对更高, 水体还原程度亦相对较高。 δ18OPDB平均值为-5.05‰ , 基本符合同期的海相碳酸盐岩对应值。一般深水白云岩的 δ18OPDB为正值(Kaufman et al., 1993), 因此早古生代负偏的 δ18OPDB受控于当时较轻的海水氧同位素, 与洋中脊海底玄武岩喷发与海水循环速率有关。

3.2.3.2 锶同位素

由于 87Sr/86Sr 值的变化受控于暴露于风化作用的岩石圈组分、火山活动、洋壳扩张速率、气候、全球海平面变化以及古洋地貌等影响, 因此其变化更为复杂。来自中国南方、哈萨克斯坦和美国尤他洲的样品分析表明(Veizer et al., 1999):早奥陶世 87Sr/86Sr 值平均为0.7090(n=17); 中奥陶世 87Sr/86Sr 值位于0.70870~0.70890之间(n=29); 晚奥陶世较低, 87Sr/86Sr 值平均为0.7080(n=70)。全球中奥陶世至晚奥陶世早期较低的 87Sr/86Sr 值被认为是大量岛弧火山岩风化产物的结果, 是硅铝质岩石风化产物提供的放射性锶源减少所造成的。

却尔却克群中下部碳酸盐岩中的 87Sr/86Sr 值为0.708912‰ ~0.709987‰ , 平均值为0.709434‰ (n=6); 裂隙方解石中 87Sr/86Sr 值为0.710058‰ ~0.713757‰ 。研究区的 87Sr/86Sr 值与代表陆源碎屑的SiO2含量、反映黏土含量的Al2O3含量、以及反映白云岩化作用的Mg/Ca值基本呈正相关的关系(图 4), 其变化不同于全球变化, 可能受控于白云岩化过程中同位素固液相分异、深水— 半深水沉积的黏土含量及深部流体参与的成岩作用等因素影响(Davies et al., 1994; Reinhardt et al., 1998)。因此, 研究区却尔却克群中下部碳酸盐岩 87Sr/86Sr 值不能反映古海水的背景值。

3.2.3.3 硫同位素

研究区全岩 δ34SV-CDT变化较大, 为-0.2~6.6, 均低于古生代海相碳酸盐岩和现代海水值(平均为20), 也低于还原条件下的静海沉积(一般小于10), 而与早古生代中含硫化物的碳酸盐岩或含生物成因黄铁矿相对较低的岩石类型的 δ34SV-CDT相近, 总体反映了相对还原的沉积环境(张生, 1997)。且 δ34SV-CDT值向上逐渐增加, 基本反映了之后沉积或成岩的氧化条件升高。

3.2.4 元素地球化学特征

库鲁克塔格山南雅尔当山剖面中的却尔却克群中下部碳酸盐岩及缝洞充填物共7件样品的常量元素、微量元素和稀土元素特征及比值见表2。

表2 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群碳酸盐岩元素地球化学分析数据及其比值 Table2 Geochemical data and ratios of carbonate rocks of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

图7 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群白云岩中的部分常量(a)与微量元素变化图(b)Fig.7 Various content of major(a)and trace elements(b)for dolostones of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

3.2.4.1 常量元素

由表2及图4、图7-a可知, 却尔却克群中下部碳酸盐岩中, 代表陆源碎屑的SiO2含量较高且变化较大, 为6.32%~47.32%, 平均值为18.2%; 反映黏土含量的Al2O3含量为0.83%~1.40%, 平均值为1.07%; 反映沉积环境或成岩作用的Fe2O3含量相对较高, 为0.45%~1.27%, 平均值为0.89%, 一般地, Fe在碳酸盐岩中丰度平均为0.38%, 深海碳酸盐岩中平均为0.96%(Mclennan, 1989, 1993)。反映碳酸盐岩主要组成的CaO、MgO含量分别为19.78%~49.03%(平均值为29.67%)和0.658%~18.42%(平均值为10.92%)、Mg/Ca值为0.003~0.973, 显示出白云岩化的非均质性, 即具有2个端元的变化特征(一是较强烈的白云岩化, 二是弱白云岩化或未发生白云岩化的灰岩为主), 与岩石学的观察相吻合。反映盐度的Na2O+K2O含量相对较低, 为0.36%~0.67%, 平均值为0.49%, 反映其遭受到后期成岩改造的影响。反映有机体的P含量相对较高, P2O5含量为为59.54× 10-6~258.74× 10-6, 平均值为144.5× 10-6, 均比塔中南缘台缘带的中2井的奥陶系碳酸盐岩(钱一雄等, 2009)要高。

3.2.4.2 微量元素及比值

部分微量元素显示出正常或稍高的值(表 2), 如铁族元素的Cr(6.2× 10-6~8.5× 10-6)、V(8× 10-6~16× 10-6)。反映还原条件的硫含量为77× 10-6~2450× 10-6, 一般为400× 10-6。Ba含量稍高, 为26.24× 10-6~59.47× 10-6, 平均值为44.7× 10-6, 比方解石裂隙脉中的Ba含量低(高至184× 10-6)。Sr含量较低, 平均值仅为1.50× 10-6, 变化范围为1.01× 10-6~2.41× 10-6; 而中2井上奥陶统灰岩中Sr含量平均值为220.13× 10-6(钱一雄等, 2009), 表明它可能既受成岩环境影响, 同时又受白云岩化过程中的吸附作用、类质同象置换、介质中Sr/Ca值及温度与盐度控制(图 7-b)。硅质岩或泥质岩中的MnO/TiO2值可作为环境分析的定性标志, 其中离大陆较近的边缘海等沉积环境中的MnO/TiO2值偏低(一般小于0.5), 而远离大陆的大洋环境中的硅质沉积物的MnO/TiO2值较高, 可达0.5~3.51(彭军和徐望国, 2001); 本次研究中5件样品的MnO/TiO2值为2.8~7.0、平均值为4.4, 但裂隙方解石中达49.8~135.6, 显示后者可能受热液作用的影响。

却尔却克群白云岩中的Sr/Ba值平均仅为0.035(变化范围为0.029~0.048), 与其较低的Na2O+K2O含量相一致; 而在海相环境下,

图8 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群白云岩中的部分常量、微量元素比值及稀土元素特征Fig.8 Ratios of parts of the major & trace elements and characteristics of rare earth elements for dolostones of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

仅有深海与滞留浅海环境的Sr/Ba值小于l, 且深海环境中Sr和Ba相对于滞留浅海中更富集(表 2; 图8)。一般认为:Sr、Ba在确定成岩介质的盐度方面具有明显的指示意义(刘家军等, 1999), 咸化海水中具较高的Sr/Ba值, 而在大气淡水潜流带、或是重结晶或白云岩化过程中(从非化学构式至化学构式)降低较为明显(Land, 1985)。

前人研究发现(Denison et al., 1994; Kenneth and Kenneth, 1996; Veizer et al., 1999), 未经历成岩作用或遭受较弱成岩作用改造的灰岩中Sr含量为500× 10-6~2000× 10-6、Mn含量不高于200× 10-6、Fe含量不高于600× 10-6、Mg含量不高于2000× 10-6, 且富Mg、Mn、Fe和贫Sr的样品很难保持其原始成分。其中, 当Mn/Sr值为0.25时, 是未经历成岩改造作用灰岩的最大比值, 因此, 灰岩中Mn/Sr、Mn/Sr值与δ 18OPDB不具有标志成岩作用的线性关系(Denison et al., 1994; Veizer et al., 1999)和Jones 等(1994)提出的Mn≦ 300× 10-6、Fe≦ 3000× 10-6、 Sr/Mn> 2等指标均可被用来判定原岩组分保存状况。Montanez等(1996)认为不同地区地球化学条件不同, 不宜采用统一标准, 而采用Sr/Mn值大于15可大致其反映保存条件。

却尔却克群中下部碳酸盐岩中白云岩Sr含量为1.01× 10-6~2.41× 10-6、MnO含量为753.3× 10-4~2022.2× 10-4、Fe2O3含量为0.45%~1.27%、MgO含量为0.65%~18.42%, 为典型的富Mg、Mn、Fe和贫Sr的碳酸盐岩, 且阴极发光呈中强红黄色光, 反映其原岩主要为经过成岩(交代)作用改造的白云岩。

3.2.4.3 稀土元素

5件样品轻稀土元素含量为33.9× 10-6~49.7× 10-6、平均值为43.9× 10-6, 重稀土元素含量为12.8× 10-6~17.7× 10-6、平均值为15.7× 10-6, 稀土总量为46.7× 10-6~67.4× 10-6、平均值为59.6× 10-6, LREE/HREE值为2.6~3.0、平均为2.8; δ Eu值为0.97~1.24、平均为1.09, δ Ce值为0.68~0.88, 平均为0.74(表 2; 图4; 图8); 这与北美平均页岩成分(NASC)和澳大利亚太古代后页岩(PAAS)(Mclennan, 1989)相似。库鲁克塔格却尔却克群中下部碳酸盐岩具有与PAAS相似的稀土配分模式(图9), 大多呈“ 弱正Eu、负Ce” 的“ 帽型” 配分模式, 反映了有成岩过程中热液作用叠加。(La/Yb)N、(La/Sm)N和Gd/YbN值分别为0.76~1.61、1.23~1.68和0.72~1.24, 表明分异不太明显。样品的稀土总量与SiO2含量呈的负相关, 与Al2O3含量呈一定的正相关(表 2; 图4), 表明石英含量对稀土元素含量造成相应的影响, 稀土元素含量受黏土矿物吸附作用的制约。而裂隙中方解石的稀土总量为108.6× 10-6~270× 10-6, δ Eu值为1.04~1.30, δ Ce值为0.87~0.97, 反映其为弱还原— 氧化环境下的产物。

图9 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群白云岩中稀土配分模式Fig.9 Distribution pattern of rare earth elements of dolostone of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

3.2.5 流体包裹体

库鲁克塔格南雅尔当山剖面中却尔却克群中下部3件白云岩孔洞中的粗晶白云石和方解石中的流体包裹体(图 10)均一温度与盐度分析结果见表3。

研究区白云岩孔洞中的粗晶白云石及方解石中的流体包裹体主要呈2种赋存状态:(1)盐水两相溶液包裹体(WL+V); (2)气液烃两相包裹体(GH+LH)。盐水包裹体直径5.6~24.1, μ m、平均为10.9, μ m(n=8); 气液态烃包裹体直径7.1~26.3, μ m、平均为11.6, μ m(n=13)。本次测量了3件样品中的8个气液两相盐水包裹体和13个气液态烃包裹体的均一温度和冰点(表 3; 图11), 并根据盐度与冰融点温度关系式来估算了盐度(表 3)。盐度与冰融点温度估算关系式为:

Wt(NaCl)=1.78Tm-0.042Tm2+0.000557Tm3

其中, Wt为盐度, 单位%; Tm为冰融点温度, 单位℃。

图10 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群白云岩中的孔洞中粗晶方解石及白云石中流体包裹体Fig.10 Photomicrographs showing occurrences of fluid inclusions in dolomite phases and midium-coarse calcite and dolomite in vugs and fissures of dolostone of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

表3 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群白云岩中的孔洞中粗晶方解石和白云石中盐水及含烃两相包裹体均一温度及盐度值 Table3 Homogenization temperature versus Tm/Wt(NaCI)equivalent for two-phase aqueous inclusions WLmm, WKV and homogenization temperature of two-phase hydrocarbon inclusions Olmm, WKGL of medium-coarse calcite and dolomite in vugs and fissures of dolostone of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

图11 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群白云岩及其孔洞中的粗晶方解石盐水及气液态包裹体均一温度(a)及盐度值(b)Fig.11 Homogenization temperature for two-phase aqueous inclusions WL+V and two-phase hydrocarbon inclusions Ol+GL homogenization temperature(a) versus Tm/Wt(NaCI)equivalent(b)of medium-coarse calcite and dolomite in vugs and fissures of dolostone of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim Basin

对孔洞中的粗晶方解石及白云石的盐水两相包裹体均一温度与盐度分析表明(表 3):(1)孔洞中的方解石均一温度为58.3~62.0, ℃; (2)孔洞中的中粗晶白云石可能有2期, 第1期均一温度为105.5~122.6, ℃, 盐度为16.33%~17.07%; 第2期均一温度为114.7~147.9, ℃, 盐度为16.52%~17.51%; 烃类包裹体大致可划分2个温度区间, 分别是67.8~75.9, ℃(n=3)和81.8~97.8, ℃, 平均为87.3, ℃(n=10)。由此推断, 缝洞充填序列为:早期成岩形成的方解石和粉泥晶白云石→ 埋藏期形成的(铁)白云石→ 可能有热液(Friedman, 2007)参与形成的2期白云石→ 晚期抬升遭受大气水改造形成的低温方解石。根据前人研究结果(肖晖等, 2008; 任战利等, 2009), 在与周缘相邻的孔雀1井志留系土什布拉克组中、下段砂岩中(简称下砂岩), 石英次生加大边中发育中期褐色液烃包裹体, 荧光下显示浅黄色荧光, 自生石英加大边内均一温度多集中在108~l15, ℃。虽然研究区中上奥陶统孔洞中的中粗晶白云石与孔雀1井下砂岩在均一温度、烃类类型及荧光方面相似, 但两者盐度不同(前者中高盐度, 后者仅为低盐度), 并根据烃类类型、相对较低的均一温度推断, 前者的烃类包裹体可能是加里东中晚期至海西早期下奥陶统至中下寒武统烃源岩排烃的产物。

4 讨论
4.1 沉积环境

研究表明(Moore, 2001), 夹有陆源碎屑岩的海相碳酸盐岩可能有3种沉积环境:第1种是深缓坡— 上斜坡环境, 水深超过100, m, 但沉积物通过增生加积可进入相对浅水的环境中, 导致以藻叠层石为主的灰泥丘发育; 第2种是下斜坡— 盆地环境, 它常见于圆锥形火山喷发形成的海底高地上的热液与海水共同作用而改造的灰泥丘(活跃的微生物); 第3种是陆棚边缘与台缘生物礁相伴生的环境, 该环境中相对陡峭的地貌有利于热对流作用以及Kohout对流单元所驱动的大量海水穿过台地或外陆棚, 尤其是有利于白云岩化作用的发生。

却尔却克群中下部碳酸盐岩沉积具有以下主要特征:(1)呈不规则的带状分布, 表现为构造推覆或重力滑覆形态, 上覆和下伏地层均与下斜坡相及盆底扇的深水浊积岩相邻。(2)岩性为灰色、深灰色及灰绿色薄层含泥质陆源碎屑的泥粉晶白云岩、粉细晶白云岩、巨藻鲕泥粉晶白云岩、含生屑的不等晶白云岩、泥晶灰岩并夹薄层或与泥页岩互层, 见有海绵骨针、棘皮类、三叶虫等以浮游生物为主的残余生物碎屑、偶见藻叠层石, 并包括花岗岩、火山岩及硅质岩等碎屑。(3)发育生物碎屑残余、泥粒、球粒、不等晶和角砾等结构, 发育薄层水平层理、条带状、石鼓状、港湾状、疙瘩状, 瘤状等溶解相层理等深水沉积特征(金若谷, 1989; 蔡雄飞, 2001), 不发育典型的风暴岩或内波、内潮汐沉积层理。(4)与正常的台地相浅海碳酸盐岩相比, 反映陆源碎屑的SiO2、黏土矿物含量的Al2O3、水体深度的全铁和MnO/TiO2、有机组成的P等相对较高, 且SiO2含量变化较大; 铁族元素Cr、V含量正常, 富含Mg、Mn、Fe和贫Sr, 具中等的稀土总量, 且与SiO2 、Al2O3基本呈正相关关系; 稀土配分模式与页岩相似; 白云岩化作用导致的Sr含量、Sr/Ba值偏低, 不能指示沉积环境。(5) δ13CPDB正值、 δ18OPDB值稍偏负、盐度指数Z大于120, 反映晚奥陶世发育海相沉积; 但与同时代台地相或台缘带中的碳酸盐岩相比, 87Sr/86Sr 值明显偏高, 推测主要与白云岩化程度、原始沉积中的相对深水黏土矿物以及少量火山碎屑、热流体影响等多个因素有关。

综上所述, 上述不同类型的白云岩其原岩应为瘤状粒泥灰岩、少量泥粒灰岩和含生屑的颗粒灰岩, 其富含海绵骨针、棘皮类、三叶虫等浮游生物, 保留了大部分如溶解相层理等原始残留沉积构造及其结构, 与水深相对较大的海相碳酸盐岩的常量元素含量、微量元素含量和稀土配分模式相近, 同时全岩 δ13CPDB值与晚奥陶世海水相近, 87Sr/86Sr 值受黏土矿物影响相对较高。因此, 综合判断得出, 却尔却克群中下部碳酸盐岩形成于陆棚— 上斜坡环境。

4.2 白云岩化

白云岩化成因模式较多, 需要从地质构造背景、沉积相、成岩作用等方面进行综合的地质与地球化学判断与识别。

研究区却尔却克群中下部白云岩岩石学及地球化学特征如下:(1)白云岩结构与成分类型较多, 主要有含生屑泥晶白云岩、粉晶白云岩、含陆源砂(砾)粉晶白云岩、粉细晶白云岩、细晶白云岩、残余海百合及藻屑细晶白云岩、藻粉晶白云岩、不等晶白云岩和含沥青硅化残余生屑不等晶(细晶)白云岩等9种。(2)不同类型的白云岩中除了广泛分布的陆源碎屑外, 还可见到铁白云石、重晶石、硬石膏、沥青及烃类等; (3)不同类型的白云岩普遍具中强的阴极发光特征; 粉晶及部分粉细晶白云岩中白云石有序度为0.47~0.56, 细晶及部分粉细晶白云岩中白云石有序度为0.70~0.76, 反映至少存在2次白云岩化流体作用过程; (4)白云岩中Na2O+K2O含量较低、Sr含量最低、正铕负铈的“ 帽式” 稀土配分模式、硫同位素相对偏低, 反映了形成于还原环境且可能遭受热液改造作用; δ13CPDB与有序度成正比、与 δ34SV-CDT成反比关系, 反映了白云岩化过程中的成岩流体和原始沉积环境影响。(5)白云岩中的缝洞充填序列依次为早期成岩中的方解石和白云石、埋藏期中重晶石、石膏、烃类→ 高盐度的(铁)白云石(2期流体)→ 晚期抬升的受大气水改造的低温方解石充填; 而烃类包裹体形成后捕获温度67.8~75.9, ℃和81.8~97.8, ℃, 相当于加里东中晚期至海西早期。

图12 塔里木盆地东北部库鲁克塔格南雅尔当山剖面中上奥陶统却尔却克群碳酸盐岩形成环境(a)与白云岩化模式(b)(据Shanmugam, 2003; Friedman, 2007, 有修改)Fig.12 Diagrams showing sedimentary environment(a)and dolomitization model(b) of carbonate rocks of the Middle and Upper Ordovician Queerquek Formation at Nanyaerdangshan section in Kuluketage Mountain, northeastern Tarim(modified from Shanmugam, 2003; Friedman, 2007)

根据上述特征, 研究区却尔却克群中下部碳酸盐岩中的白云岩化既不可能发生于高盐度潟湖蒸发、混合水等沉积环境, 也不可能与伸展或走滑— 喷流型及典型的热液白云岩有关, 其可能经历了2个过程(图 12):(1)与潮下藻类有关的浅埋藏条件下的白云岩化过程; (2)中等埋藏或中深埋藏条件下白云岩化过程, 并可能与渗透回流或与断裂有关的热流体循环或Kohout(Simms, 1984)对流过程中的白云岩化有关(Georger, 1997; Friedman, 2007)。前人研究表明(任战利等, 2009), 库鲁克塔格地区至少经历了2次推覆隆升过程, 分别发生在海西早期和燕山期, 据此推断前述的白云岩化后的断裂— 裂隙、溶蚀及充填作用与上述2次构造运动发生有关。

5 结论

1)塔里木盆地东北部库鲁克塔格却尔却克组中下部一套厚约20, m碳酸盐岩与碎屑岩混积物应为上奥陶统陆棚至上斜坡的深水沉积。

2)库鲁克塔格却尔却克群中下部碳酸盐岩主要经历了2次白云岩化过程:一是与潮下带藻类(微生物岩)有关的浅埋藏期白云岩化作用; 二是中— 深埋藏条件下的白云岩化过程。

3)库鲁克塔格却尔却克群中下部碳酸盐岩经历了3个过程:首先是形成于缓坡带; 其次是发生了浅埋藏条件下白云岩化作用以及中— 深埋藏条件下的白云岩化作用; 燕山期的构造推覆或重力作用使其运移至下斜坡, 并形成有关的裂隙— 溶蚀及其充填作用。

4)较强的白云岩化作用会导致反映碳酸盐岩中的盐度Na2O+K2O、Sr、Ba等及 δ18OPDB、 δ13CPDB偏低、 87Sr/86Sr 值相对偏高, 它们均不能代表原始海水及沉积环境的背景值。

由于对深水碳酸盐岩的形成及白云岩化机理了解不多, 对混积作用与海平面变化、物源区响应关系等方面的认识尚存在相当的推测性, 因此仍需进一步深化研究。

致谢 非常感谢周槺康先生在野外踏勘中给予的具体指导!

The authors have declared that no competing interests exist.

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