李红, 柳益群, 张丽霞, 周鑫, 牛元哲, 李旭, 刘永杰. (2017)准噶尔盆地东部中二叠统平地泉组具“斑状”结构热水喷流沉积岩的成因及地质意义* [J]. 古地理学报, 19(2): 211-226
Li Hong, Liu Yiqun, Zhang Lixia, Zhou Xin, Niu Yuanzhe, Li Xu, Liu Yongjie. (2017)Origin and geological significance of sedimentary exhalative rocks with “porphyritic”structures in the Middle Permian Pingdiquan Formation,eastern Junggar Basin[J]. Journal Of Palaeogeography, 19(2): 211-226. DOI:10.7605/gdlxb.2017.02.017  
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准噶尔盆地东部中二叠统平地泉组具“斑状”结构热水喷流沉积岩的成因及地质意义*
李红1, 柳益群1, 张丽霞2, 周鑫1, 牛元哲1, 李旭1, 刘永杰1
1 大陆动力学国家重点实验室,西北大学,陕西西安 710069
2 中国石油新疆油田公司准东采油厂,新疆阜康 831511

第一作者简介 李红,女,1975年生,博士,副教授,主要从事沉积学与储集层地质学研究。通讯地址: 陕西省西安市太白北路229号西北大学地质学系;710069。E-mail: lihong2008@nwu.edu.cn。

收稿日期:2017-02-01
基金:*国家自然科学基金面上项目(编号: 41272115,41272116)资助; Financially supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos. 41272115,41272116)
摘要

准噶尔盆地东部中二叠统平地泉组(相当于芦草沟组)发育一套陆内裂谷背景下的湖泊相砂岩、泥岩、灰岩、白云岩、凝灰岩互层以及它们的过渡岩石,是区内最主要的烃源岩和储集层。近年来,在帐北断褶带、石树沟凹陷和吉木萨尔凹陷中二叠统平地泉组暗色泥岩、泥晶白云岩中发现了一类特殊的沉积岩,该类岩石发育类似火山岩的斑状结构。“斑晶”主要为粗晶白云石、方解石、黄铁矿及方沸石等,在岩心标本上呈“树枝状”或“雪花状”散布于基质中;基质则主要由泥晶白云石或泥质沉积物构成,富含有机质,发育水平层理及小型变形层理等。岩石学和矿物学分析表明,“斑晶”往往为粗晶方解石或白云石的集合体,也常见黄铁矿、方沸石与碳酸盐矿物共生,“斑晶”方解石发育环带,而白云石未见明显环带。电子探针分析表明“斑晶”方解石具有低镁、低铁及锶分布不均匀的特点,而“斑晶”白云石(FeO含量介于7.272%~11.086%之间)与“基质”泥晶白云石(FeO含量为1.027%)相比具有明显富铁的特点。流体包裹体分析表明“斑晶”方解石均一温度平均为180.68,℃,“斑晶”白云石均一温度平均为320.95,℃。这种特殊 “斑状”白云岩和“斑状”泥质岩很可能是湖底热液喷流作用的结果。当湖水沿深大断裂下渗至地下深处,与围岩发生物质交换并被加热后再沿断裂返回地表喷涌而出,热液流体携带的离子达到过饱和后就会析出方解石、白云石及黄铁矿等集合体,随热液的喷涌作用上升并破碎散落于湖底细粒沉积物内。“斑状”白云岩的发现对新疆北部中二叠统热水喷流沉积作用及该区油气的成因研究具有重要的意义。

关键词: “斑晶”白云石; 方沸石; 热水喷流作用; 中二叠统; 平地泉组; 准噶尔盆地
文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2017)02-0211-16
Origin and geological significance of sedimentary exhalative rocks with “porphyritic”structures in the Middle Permian Pingdiquan Formation,eastern Junggar Basin
Li Hong1, Liu Yiqun1, Zhang Lixia2, Zhou Xin1, Niu Yuanzhe1, Li Xu1, Liu Yongjie1
1 State Key Laboratory of Continental Dynamics, Northwest University, Xi'an 710069, Shaanxi
2 Zhundong Production Plant,Xinjiang Oilfield Company Ltd.,PetroChina,Fukang 831511, Xinjiang

About the first author Li Hong,born in 1975,doctor,is an associate professor. She is engaged in sedimentology and reservoir geology. E-mail: lihong2008@nwu.edu.cn.

Abstract

The Middle Permian Pingdiquan Formation which contains the most important source rocks and hydrocarbon reservoirs in eastern Junggar Basin,a continental rift basin in late Paleozoic, is characterized by interbeded layers of lacustrine sandstones,mudstones,limestones,dolostones,tuffs,and their mixtures with various proportions. One type of special sedimentary rocks was found in Pingdiquan black mudstones and dark grey microcrystalline dolostones in Zhangbei fault-fold zone,Shishugou sag,and Jimsar sag. They are composed of “phenocryst”and “matrix”,which is similar to volcanic “porphyritic”structures. The “phenocrysts”are usually coarse calcite,dolomite,pyrite,and analcime,while the “matrix”is mainly consisted of argillaceous sediments or microcrystalline dolomite,rich in organic matter,with micro-horizontal laminae and small deformation beddings. The “phenocrysts”can be single carbonate mineral and its aggregations or multiple mineral assemblages. “Phenocryst”calcite shows zonal texture under cathode luminescence and back scatter scanning,but “phenocryst”dolomite does not have zonal texture. Analysis of EMPA reveals that “porphyritic”calcite has features of low content of magnesium and iron,and heterogeneous distribution of strontium. Compared with “matrix” microcrystalline dolomite(FeO 1.027%),“porphyritic”dolomite contains higher iron with FeO content ranging from 7.272% to 11.086%. The average homogenization temperature value of fluid inclusions in “porphyritic”calcite is 180.68,℃,lower than that of “porphyritic”dolomite with average value of 320.95,℃. The structures,textures of “phenocrysts”and their geochemical features indicate that the “porphyritic”dolostones and “porphyritic”mudstones were formed by sedimentary hydrothermal exhalation in deep lake environment in the Middle Permian Pingdiquan stage. Lake water penetrated deeply to subsurface along the fractures,heated by underlying strata or magma chamber,exchanged the soluble ions from host rocks,and then circulated upward with the ions. Once the rising hydrothermal fluid was oversaturated,the minerals such as dolomite,calcite,pyrite or analcime would crystallize. They were uplifted by the hydrothermal fluids and finally were broken and exhaled into the fine grained sediments of lake floor. The “porphyritic”dolostones and mudstones in Pingdiquan Formation play an important role to explore the origins of hydrocarbons in research area and also are helpful to better understand the hydrothermal exhalative activities widely distributed in the Middle Permian in North Xingjiang.

Key words: “porphyritic” dolomite; analcime; hydrothermal exhalation; Middle Permian; Pingdiquan Formation; Junggar Basin

随着现代海洋勘测的深入进行, 洋底热液活动以其重大的生命科学意义、潜在的经济价值而受到广泛关注(Rona, 1980; Edmond, 1981; Kelley et al., 2002; Martin et al., 2008), 而地质历史时期洋底的热液喷流作用形成的“ 黑色岩系” 往往与大型多金属矿床如铅、锌、铜、锡、银、砷、硫等的形成密切相关, 其成矿效应与成矿机理也是矿床学家们研究的热点问题(陈先沛, 1988; 涂光炽等, 1988; Hall et al., 1989; Nelson et al., 2002; Leach et al., 2010)。自20世纪80年代以来, 关于陆相环境中湖底热液的活动就屡有报道, 如东非裂谷系的湖泊、美国黄石公园、新西兰等(Tiercelin et al., 1989, 1993; Xu et al., 1998; Renaut et al., 2002; Jones et al., 2007)。中国关于古代湖盆热液活动的报道虽于近年陆续见于酒西盆地、三塘湖盆地、准噶尔盆地及二连盆地等(郑荣才等, 2003, 2005; 柳益群等, 2010, 2011; 李红等, 2012a, 2012b; 郭强等, 2012; 文华国等, 2014; 钟大康等, 2015), 但是, 人们对地质历史时期湖相热水沉积作用的矿物、岩石组合、成因机制及物质来源等的认识还很局限, 对陆相热水喷流作用的成矿机理、成矿规模以及成藏效应等的研究仍需深入。

自2009年以来, 本研究团队在新疆三塘湖盆地、准噶尔盆地中二叠统芦草沟组、平地泉组发现了大量方解石、白云石、黄铁矿、方沸石、硅钡钛石、微晶石英、玉髓、透长石等多种热液矿物。它们多与富有机质的暗色泥岩、泥晶白云岩以纹层状、揉皱状或角砾状共生, 构成了丰富多样的热水喷流沉积岩组合。作者拟以准噶尔盆地平地泉组(相当于盆地南缘的芦草沟组和红雁池组)最新发现的一类具“ 斑状” 结构的沉积岩为研究对象, 通过岩石学、矿物学、地球化学特征分析, 对其成因进行探讨, 以期为中国陆相热水沉积岩的研究增添实例。

1 地质背景

准噶尔盆地东部包括帐北断褶带、石树沟凹陷和吉木萨尔凹陷, 北抵克拉美丽山, 南接博格达山前断褶带, 东靠黄草湖凸起, 西临五彩湾凹陷(图 1)。根据前人的区域地质认识, 在晚古生代处于洋盆闭合、陆陆碰撞及板内构造演化期, 自下而上依次发育石炭系— 二叠系, 其中石炭系在研究区仅出露上石炭统巴塔玛依内山组(C2b), 巴塔玛依内山组主要为灰色凝灰质砂砾岩、碳质泥岩、火山碎屑岩和灰色玄武岩, 为一套裂谷背景下的火山— 沉积地层系统, 与二叠系为角度不整合接触关系(陈发景等, 2005)。二叠系自下而上依次发育下二叠统金沟组(P1j)、中二叠统将军庙组(P2j, 相当于盆地南缘的乌拉泊组和井井子沟组)、平地泉组(P2p, 相当于盆地南缘的芦草沟组和红雁池组)和上二叠统下仓房沟群(P3ch)等(孟长生等, 1992; 张义杰等, 2007)。金沟组分布局限, 与上覆、下伏地层均为角度不整合接触; 将军庙组和平地泉组在研究区内为连续沉积, 二者为整合接触关系, 将军庙组为一套厚度巨大的棕褐色、褐灰色泥岩、砂质砾岩夹浅灰色中细砂岩、泥质砂岩、粉砂岩、泥岩; 平地泉组是准噶尔盆地东部重要的生油层和储集层, 主要岩性为灰色、灰绿色砂砾岩、细砂岩、深灰色、灰黑色泥岩、泥灰岩、泥云岩及凝灰质岩, 是一套以陆内裂谷湖盆沉积背景为主, 并兼有扇三角洲及火山凝灰质沉积的陆相沉积体系, 在帐北断褶带和石树沟凹陷, 沉积物的粒度自北向南有明显变细的趋势。

2 样品采集及测试方法

文中涉及样品均来自吉木萨尔凹陷、帐北断褶带和石树沟凹陷平地泉组钻井岩心。其中含有“ 斑晶” 方解石的样品来自吉木萨尔凹陷, 含有“ 斑晶” 白云石、黄铁矿、方沸石样品来自帐北断褶带和石树沟凹陷。样品电子探针分析(含背散射成像)、阴极发光、流体包裹体分析均由西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。电子探针用于单矿物组分分析, 仪器由日本电子(JEOL)生产, 型号为JXA-8230, 实验电压15, kV, 入射电子束电流10, nA。流体包裹体测温在两面抛光薄片上进行, 用于“ 斑状” 方解石和白云石中流体包裹体均一温度的测量, 显微冷热台为Linkam THMS600冷\热台, 温度控制范围-196~600, ℃, 冷热台温度稳定性和测量精度± 0.1, ℃, 本次碳酸盐矿物流体包裹体均一温度测量时, 温度范围控制在-100~450, ℃。

3 结果分析
3.1 岩石学特征

研究区平地泉组自下而上大致分为平一段、平二段和平三段。根据岩心观察, 平一段、平二段主要发育中— 厚层灰色、灰黑色、黑色泥岩、泥晶白云岩、泥晶灰岩以及由碳酸盐岩、陆源组分和凝灰质组分以不同比例混合的混积岩(图 2), 并常夹杂薄层状粉砂岩、细砂岩、凝灰岩及沉凝灰岩等, 有时可见芦木化石碎片、鱼鳞、介形类及双壳类化石(图 2-F, 2-G, 2-H), 反映的是还原条件为主的浅湖— 半深湖环境。平三段则主要为灰色、红褐色、杂色泥岩、粉砂岩、砂岩及砂砾岩的互层。

图1 准噶尔盆地东部位置及地质单元划分简图(据方世虎等, 2007; 略有修改)Fig.1 Location and simple geological map in eastern Junggar Basin(Modified from Fang et al., 2007)

具“ 斑状” 结构沉积岩主要发现于平一段和平二段, 该类岩石顶、底均为灰色、灰黑色泥岩或泥晶白云岩, 局部层段富含油或油斑(图 2-A)。具 “ 斑状” 结构沉积岩与顶、底岩石均为整合接触关系, 发育类似火山岩的斑状结构, 由 “ 斑晶” 和“ 基质” 2种结构组分组成(图 2-A至2-E)。基质为灰黑色或灰色, 岩性与围岩一致, 为泥晶白云岩、泥质岩或二者的过渡, 发育水平层理、块状层理、微波状层理或小型变形层理、揉皱层理等同沉积构造(图 2-A, 2-B)。“ 斑晶” 颜色为白色或浅黄色, 主要由白云石、方解石、黄铁矿、方沸石等组成, 斑晶大小不一, 几毫米到几厘米均有, 有时为单矿物集合体, 如方解石、白云石, 有时为多种矿物组合同时出现, 如白云石、方沸石和黄铁矿组合。“ 斑晶” 矿物或矿物组合在手标本上的形态也各异, 多呈雪花状、斑点状或不规则树枝状, 局部层段甚至可见 “ 斑晶” 由分散状逐渐增多而过渡为0.5~5, cm不等的浅色细纹层(图 2-A, 2-B), 浅色细纹层也发育微波状层理或小型变形层理。岩心观察发现具“ 斑状” 结构的泥晶白云岩、泥质岩与围岩内常见构造裂缝, 多为高角度平直剪切缝, 缝面常含油(图 2-A)。

图2 准噶尔盆地东部中二叠统平地泉组沉积岩及化石特征Fig.2 Core characteristics of the Middle Permian Pingdiquan sedimentary rocks and fossils in eastern Junggar Basin

3.2 矿物学特征

镜下观察样品整体具有类似火山岩的斑状结构, 分为“ 斑晶” 、“ 基质” 两部分。“ 斑晶” 含量10%~30%, 主要分为2种类型: 一种为单矿物及其集合体, 另一种为共生矿物组合。目前已发现的单矿物 “ 斑晶” 主要有方解石(图 3-A)和白云石(图 3-B)。“ 斑晶” 方解石或白云石均为中— 粗晶结构, 单个晶体粒径介于0.3~1, mm之间, 以自形晶— 半自形晶为主, 1组或2组菱形解理。方解石晶体常见聚片双晶, 单偏光镜下色散效应明显(图 3-A, 3-G), 阴极发光特征显示方解石发亮黄色至橙红色光, 可见明显的亮、暗色环带(图3-H), 但是背散射照片中方解石“ 斑晶” 的环带并不明显, 少数晶体发育隐约可见的环带(图 4-B, 4-D)。白云石晶体晶面较混浊, 未见环带结构(图 3-B)。另一种“ 斑晶” 为2个或2个以上的矿物组合, 目前已发现的矿物组合包括白云石— 方沸石组合(图 3-C, 3-D)、方解石— 黄铁矿组合(图 4-D)、白云石— 黄铁矿组合(图 3-E, 图4-E)、黄铁矿— 白云石— 方沸石组合(图 3-F; 图4-A, 4-F)等。白云石和方沸石矿物组合在镜下和背散射照片中呈现互相包裹的共生关系, 有时可见方沸石呈不规则微条纹状分布于粗晶白云石表面(图 3-C, 3-D), 有时可见方沸石颗粒内部分布较多的白云石晶体(图 4-C)。类似结构也可见于白云石— 黄铁矿— 方沸石组合中, 3种矿物互相紧密共生, 互相包裹(图 3-F; 图4-A, 4-F), 其中白云石多为自形粗晶, 方沸石多为不规则状他形晶, 黄铁矿晶体自形— 他形均有, 有时呈放射状( 图 4-A, 4-D, 4-F)。部分斑晶矿物之间可见沥青质组分充填(图 3-C, 3-G)。

图3 准噶尔盆地东部中二叠统平地泉组具“ 斑状” 结构的白云岩与泥质岩的显微特征Fig.3 Microphotographs of “ porhyritic” dolostones and “ porhyritic” mudstones in the Middle Permian Pingdiquan Formation, eastern Junggar Basin

基质部分含量70%~90%, 多为细粒矿物集合体(粒径介于0.004~0.05, mm之间), 有的为陆源泥质组分(图 3-A, 3-G), 有的为泥晶白云石(图 4-C), 以及二者的不同比例混合物(图 3-B至3-E)。根据全岩粉晶X射线衍射分析, 基质中白云石含量介于2.8%~70.7%之间。大多数基质富含有机质, 发育显微纹层, 显微纹层平行层面, 一旦遇“ 斑晶” 矿物则发生弯曲变形, 绕过“ 斑晶” 矿物, 说明基质与“ 斑晶” 均经历了机械压实作用(图 3-B至3-D; 图4-B)。

3.3 碳酸盐矿物成分

对4件样品中“ 斑晶” 和基质中的碳酸盐矿物(方解石、白云石等)进行了电子探针成分分析(表 1)。吉木萨尔凹陷“ 斑晶” 方解石具有低镁(MgO含量介于0~0.530%之间)、贫铁(FeO含量介于 0~0.357%之间, 平均0.129%)、锶分布不均匀(SrO含量介于0~0.382%之间)的特点。“ 斑晶” 方解石MnO平均含量0.051%, 低于“ 基质” 泥晶白云石的MnO含量(0.159%)。背散射图像显示“ 斑晶” 方解石的环带隐约可见, 斑晶中央部位往往呈暗灰色, 边缘逐渐变浅(图 4-D), 暗灰色部位往往具有较低的SrO和FeO, 而斑晶边部灰色、亮灰色部分往往具有相对较高的SrO和FeO含量(表 1)。

石树沟凹陷“ 斑晶” 白云石与黄铁矿、方沸石共生, 白云石具有高铁(FeO含量介于7.272%~11.086%之间)、高锰(MnO含量介于0.190%~0.552%之间, 平均0.265%)。与“ 斑晶” 方解石相比, 白云石铁、锰含量明显偏高, 而锶略低(SrO含量介于0.021%~0.219%之间, 平均0.100%)。与“ 基质” 中的泥晶白云石相比, “ 斑晶” 白云石具有明显高铁的特征, 锶、锰含量则略低于“ 基质” 白云石。背散射照片显示白云石不发育环带, 同一晶体不同部位色调略有变化, 很可能是元素含量(如Fe、Sr、Mn等)的微细差异引起的(图 4-E, 4-F; 表1)。

图4 准噶尔盆地东部中二叠统平地泉组具“ 斑状” 结构白云岩与泥质岩背散射照片Fig.4 Backscatter microphotographs of “ porhyritic” dolostones and “ porhyritic” mudstones in the Middle Permian Pingdiquan Formation, eastern Junggar Basin

3.4 “ 斑晶” 碳酸盐矿物流体包裹体特征

流体包裹体均一温度数据来自于2件吉木萨尔凹陷的方解石“ 斑晶” 样品和2件石树沟凹陷的白云石“ 斑晶” 样品。吉木萨尔凹陷的方解石“ 斑晶” 中流体包裹体相对较多, 孤立的及蜂窝状聚集的均有, 液相、气液两相均有(图 5-A), 包裹体大小介于2~12, μ m, 但用于测量均一温度的流体包裹体大小介于3~7.7, μ m之间。方解石中的流体包裹体成分也大致分为2种类型: 一种为无色透明状, 推测为盐水包体; 另一气液两相包体中的气泡为红褐色, 推测可能成分为甲烷。本次实验选取的是方解石“ 斑晶” 中无色透明的气液两相包裹体, 气液比均在16%以下, 大多数气液比约为5%~10%。2件样品共实测得36组温度数据, 均一温度介于134.7~400, ℃之间( 表 2), 平均温度180.68, ℃; 其中8组均一温度高于300, ℃, 约占22.2%; 17组均一温度介于300~200, ℃之间, 约占47.2%; 11组均一温度介于100~200, ℃之间, 约占31.6%。

图5 准噶尔盆地东部中二叠统平地泉组“ 斑状” 方解石与斑状白云石中的流体包裹体特征及均一温度直方图Fig.5 Fluid inclusion features and histograms of homogenization temperature of “ porhyritic” calcite and dolomite in the Middle Permian Pingdiquan Formation, eastern Junggar Basin

与方解石相反, 白云石“ 斑晶” 中流体包裹体则非常稀少, 主要为孤立的、无色透明状液体包裹体或气液两相包裹体, 2件样品中仅测得2组均一温度, 分别为323.5, ℃和318.4, ℃(图 5, 表2), 平均温度320.95, ℃。获得流体包裹体均一温度的白云石“ 斑晶” 与黄铁矿、方沸石“ 斑晶” 共生, 但是未在方沸石“ 斑晶” 中发现流体包裹体。

表2 准噶尔盆地东部中二叠统平地泉组具“ 斑状” 结构碳酸盐矿物流体包裹体均一温度表 Table2 Homogenization temperature of fluid inclusions in “ porphyritic” calcite and dolomite in the Middle Permian Pingdiquan Formation, eastern Junggar Basin

实验过程中, 无论是“ 斑晶” 方解石还是“ 斑晶” 白云石均未能测出冰点温度。

4 讨论
4.1 “ 斑晶” 矿物的共生关系

尽管平地泉组中发现的这种具有“ 斑状” 结构的岩石与中— 酸性火山岩的宏、微观结构类似, 但它们并不是火山岩; 镜下观察“ 基质” 与围岩岩性一致, 主要由泥晶白云石和陆源泥质组分构成, 富含有机质, 发育显微水平纹层及显微变形层理, 有机质、显微纹层的展布方向多平行于层面(图 2-A, 2-B; 图3-C, 3-D), 说明沉积物经历了来自上覆岩层静水压力、即机械压实作用的改造, 具有典型的泥质岩或泥晶白云岩的特征, 而这些均不属于火山岩的特点。

然而, 雪花状或树枝状“ 斑晶” 矿物的出现, 说明此类岩石的形成有别于典型沉积岩。“ 斑晶” 与“ 基质” 悬殊的粒度尺寸及矿物成分的不同表明二者的形成机制有明显差异。但是, 镜下和背散射照片显示“ 基质” 内的显微纹层在遇到“ 斑晶” 后会发生明显弯曲(图 3-B至3-D, 图4-A), 表明“ 斑晶” 和基质均受到了机械压实作用的影响, 由于机械压实作用发生得非常早, 因此可知“ 斑晶” 矿物的形成机制尽管与“ 基质” 有差异, 但二者的形成时间大体一致, 从而排除了“ 斑晶” 矿物形成于埋藏成岩期, 如埋藏白云化作用等的可能。

从“ 斑晶” 矿物的共生组合来看, 多见黄铁矿— 白云石— 方沸石组合、白云石— 方沸石组合、方解石— 黄铁矿组合、方解石组合、白云石组合等, 不同的矿物组合可能代表了成矿物质组分的不同。尤其是在黄铁矿— 白云石— 方沸石组合或白云石— 方沸石组合中, 可见到白云石晶体表面分布的不规则条纹状方沸石(图 3-C, 3-D; 图4-F), 常被误认为是方沸石交代白云石的结果。但是, 一方面方沸石与白云石矿物成分截然不同, 缺乏交代作用发生的物质基础; 另一方面, 镜下也未见到2种矿物间残余溶蚀现象; 此外, 在同一样品的其他视域却又常见到方沸石表面分布的斑点状白云石, 以及黄铁矿、白云石、方沸石彼此包含、紧密结合的现象(图 3-E, 3-F; 图4-A, 4-C)。综上, 根据矿物学的特征分析, 认为方沸石、白云石、黄铁矿物应为同时生成, 属于共生关系, 而不是交代关系。

4.2 “ 斑晶” 矿物的成因及形成机理

前人认为北疆地区晚古生代中二叠世(相当于西准噶尔地区乌尔禾期、东准噶尔地区平地泉期或准噶尔盆地南缘、三塘湖地区的芦草沟期)属于火山、构造运动相对微弱的沉积期, 在各个地区主体表现为陆相浅— 半深湖泊并兼有河流、三角洲等的沉积体系(张义杰等, 1992, 2007; 邵雨等, 2015)。然而, 在上述沉积期所对应的沉积岩层内发现的沸石类矿物(方沸石、浊沸石、片沸石等)、黄铁矿、菱铁矿、菱镁矿、方解石、白云石等的报道很早就已见及, 但是大多数研究主要是针对油气储集层中上述矿物的溶蚀作用以及对储集性能的改善, 对这些矿物的来源讨论较少(鲜继渝和胡振起, 1987; 刘春慧和刘家铎, 2003; 韩守华等, 2007; 郭沫真等, 2016)。近年来本研究团队(柳益群等, 2010, 2011; 李红等2012a, 2012b; 蒋宜勤等, 2015)在新疆三塘湖盆地、准噶尔盆地芦草沟组、平地泉组中发现了大量纹层状热水沉积岩及火山碎屑岩, 说明该时期上述地区并非绝对宁静, 盆地内部及周缘可能仍有小规模的构造活动。尽管凝灰物质的成岩转变也可以形成方沸石、浊沸石等矿物(宫清顺等, 2010; 朱世发等, 2014), 而且研究区平一段、平二段暗色泥岩、泥晶白云岩、砂岩中纹状层火山碎屑岩(主要为凝灰岩纹层)也很发育, 但“ 斑状” 岩石的镜下观察并未找到火山物质转变后残留物的证据, 此外, “ 斑晶” 矿物组合、结构特征也不支持方沸石等矿物来自于凝灰物质转变之说。“ 斑晶” 矿物的宏观产状、微观结构表明“ 斑晶” 的形成类似于岩浆喷发作用中斑晶的形成机理, 文中的“ 斑晶” 矿物及矿物组合可能是在热水上升的过程中先结晶出来, 然后再由喷流作用散落在湖底沉积物中。而“ 基质” 的形成很可能也不同程度地受到了热水作用的影响, 形成于“ 热水” 、“ 正常湖水” 的混合作用下, 但受“ 热水” 影响的程度显然不如“ 斑晶” 矿物显著。“ 热水” 作用带来的Mg2+、Fe2+、C O32-等离子, 很可能为“ 基质” 泥晶白云石提供了部分离子来源。

从准噶尔盆地及周缘板块构造演化特征可以得知, 盆地大体经历了从晚海西至喜山运动以来多期构造运动, 使得盆地内各个二级构造带构造变形复杂多样(伍致中, 1989; 李锦轶等, 1990; 陈新等, 2002)。晚石炭世末期至早、中二叠世, 受区域造山作用及造山期后伸展断陷作用的影响(王伟锋等, 1999; 陈发景等, 2005), 研究区基底与盖层内断裂系统发育(周路等, 2009), 能够为平地泉期(芦草沟期)湖盆内的流体活动提供良好通道。从平地泉组下伏地层的岩性特征来看, 上石炭统巴塔玛依内山组以发育基性— 中性火山岩(玄武岩、安山岩、粗面玄武岩、粗面安山岩等)、酸性熔岩、火山碎屑岩及少量陆源碎屑岩为特点, 其中中性— 基性火山岩还具有富钠、全碱含量较高的特点(彭希龄等, 1984; 龙晓平等, 2006; 杨高学等, 2010); 中二叠统将军庙组(相当于盆地南缘乌拉泊组、井井子沟组)则以一套氧化环境下的河流— 三角洲相粗碎屑岩夹砂岩、泥岩为主(张义杰等, 1992, 2007)。这些火山岩、沉积岩能够为平地泉期湖水沿断裂下渗时的水— 岩物质交换提供丰富的离子, 如Mg2+、Ca2+、Fe2+、Na+、Al3+、Si4+等, 为沸石类、碳酸盐、黄铁矿等热液矿物的结晶提供物质来源。

综合研究区区域地质特征, 以及平地泉组“ 斑状” 白云岩、“ 斑状” 泥质岩的岩石学、矿物学、电子探针成分分析及流体包裹体均一温度等特点, 认为准噶尔盆地东部平地泉组新发现的具“ 斑状” 结构沉积岩主要为湖盆热水喷流作用的产物。中二叠世平地泉期, 准噶尔盆地东部尽管进入了相对安静的沉积期, 但是由于周缘火山活动及持续的区域伸展断陷作用的影响, 下伏地层断裂系统发育, 盆地内热流值高, 热液活动频繁, 尤其在半深湖— 深湖区, 冰冷的湖水可沿深大断裂下渗至地下深处火山岩区甚至岩浆房附近, 湖水被加热后再沿断裂折返喷出, 循环往复。由于断裂系统切割围岩深度可能不同, 下渗的湖水有可能会与不同岩性的围岩相接触发生水— 岩反应, 湖水会携带来自围岩的成矿元素发生迁移, 一旦湖水中的各种离子达到过饱和就会析出不同的“ 斑晶” 矿物组合, 随上升的热液喷涌至地表, 并破碎、散落在喷口周围的湖底沉积物中(图 6)。由于下伏巴塔玛依内山组的火山岩具有较高的碱含量, 多以粗面玄武岩、粗面安山岩为主(龙晓平等, 2006; 杨高学等, 2010), 因此当下渗的湖水经过时, 火山岩容易受到淋滤、溶出Na+、K+、Mg2+、Fe2+、Ca2+等离子被湖水带走, 从而在合适的条件下重新结晶出方解石、白云石、黄铁矿、方沸石等矿物或矿物组合。而且, 受喷口周围水动力条件变化的影响, 靠近热液喷口的沉积物内部还可产生揉皱、变形等同沉积构造(图 6), 在距热液喷口稍远的位置, 由于湖底沉积物受热液的影响较小, 因而形成正常沉积岩。从 表2可知, 白云石“ 斑晶” 内的流体包裹体均一温度在300, ℃以上, 此温度下白云石完全能够突破动力学障阻而结晶。方解石“ 斑晶” 的流体包裹体均一温度介于134.7~400, ℃之间, 如此大的温度差以及“ 斑晶” 方解石的环带表明方解石可能不是一次结晶作用形成的, 而是伴随着热流体的上升持续进行, 只要热液流体达到Ca2+和C 过饱和, 就能析出方解石。越接近地表, 流体中的热量会向周围散失, 流体温度随之降低, 因此, 早期结晶的方解石温度高, 而结晶晚的方解石中流体包裹体的温度较低。此外, 均一温度直方图(图 5)表明, 绝大多数方解石内的流体包裹体均一温度低于300, ℃, 略低于白云石“ 斑晶” 流体包裹体的均一温度。

地质历史时期海底的喷流沉积作用往往与大型多金属共生矿床(铅、锌、锡、硫、铜、铁、金、银、锗等, 即SEDEX型矿床)的形成有密切关系, 具有重要的成矿意义(Xue et al., 2007; Spinks et al., 2016; 曾普胜等, 2016)。从目前进展来看, 陆相湖盆热液喷流作用由于研究起步晚, 对其成矿效应、成矿规模、成矿机理的认识不如海相喷流作用深入, 但已有断陷湖盆热水沉积岩与复杂多金属矿床密切共生的报道(刘建明等, 2001; 戚华文等, 2003), 另外不容忽视的一点就是已发现的热液喷流活动区往往发育在半深湖沉积环境, 与盆地烃源岩关系密切, 热水喷流作用带来的热量很可能对湖盆内有机质的热演化有促进作用, 因此, 热水沉积岩发育层段往往与主力烃源岩段紧临或伴生, 这些层段有机质热演化程度好、生烃潜力很强, 如酒西盆地下白垩统、二连盆地下白垩统、三塘湖盆地中二叠统、准噶尔盆地中二叠统等(陈建平等, 2001; 郭旭东等, 2011; 王先德等, 2012; 王成云等, 2014), 尤其是在三塘湖盆地和准噶尔盆地, 中二叠统芦草沟组和平地泉组同时也是优质储集层发育层段。因此, 开展中国陆相盆地热水喷流沉积作用的研究, 不仅具有重要的理论意义, 也有巨大的经济价值。

图6 准噶尔盆地东部中二叠统平地泉组热水喷流作用及“ 斑状” 白云岩、“ 斑状” 泥质岩形成机理模式Fig.6 Mechanism model of hydrothermal exhalative process and formation of “ porphyritic” dolostones and “ porphyritic” mudstones in the Middle Permian Pingdiquan Formation, eastern Junggar Basin

5 结论

在准噶尔盆地东部帐北断褶带、石树沟凹陷和吉木萨尔凹陷中二叠统平地泉组暗色泥岩、泥晶白云岩中发现的“ 斑状” 沉积岩具有类似火山岩的斑状结构。“ 斑晶” 往往比较粗大, 主要类型有白云石、方解石、黄铁矿、方沸石等, 在岩心标本上呈“ 树枝状” 或“ 雪花状” 散布于基质中; 而基质多为细粒沉积物, 主要由泥晶白云石或泥质沉积物构成, 富含有机质, 发育水平层理及小型变形层理等。“ 斑晶” 既可以是单种矿物或其集合体, 也可见2种或2种以上矿物的共生体, 如黄铁矿— 白云石— 方沸石共生组合。“ 斑晶” 方解石还常常发育环带, 而“ 斑晶” 白云石则未见明显环带。电子探针分析表明“ 斑晶” 方解石具有低镁、低铁, 锶分布不均匀的特点。而“ 斑晶” 白云石与“ 基质” 泥晶白云石相比具有明显富铁的特点。流体包裹体分析表明“ 斑晶” 方解石均一温度平均为180.68, ℃, “ 斑晶” 白云石均一温度平均为320.95, ℃。这种特殊的具“ 斑状” 结构白云岩很可能形成于湖底热液喷口附近, 湖水沿深大断裂下渗至地下, 与围岩发生物质交换并被加热后再沿断裂返回地表喷涌而出, 热液流体携带的离子达到过饱和后就会析出粗晶方解石、白云石及黄铁矿等集合体, 随热液的喷涌作用上升并破碎散落于湖底细粒沉积物内。“ 斑状” 白云岩的发现对新疆北部中二叠统热水喷流沉积作用及该区油气的成因研究具有重要的意义。

致谢 衷心感谢《古地理学报》郑秀娟副主编、中石化勘探开发研究院无锡石油地质研究所钱一雄教授对原稿进行的细致审阅以及提出的宝贵意见和建议, 这些意见和建议极大地提高了文章的质量。感谢西北大学大陆动力学国家重点实验室张宏发、杨文强等老师在样品测试时提供的帮助。在此谨致谢忱!

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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