郑荣才, 文华国, 李云, 常海亮. (2018)甘肃酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组湖相喷流岩物质组分与结构构造* [J]. 古地理学报, 20(1): 1-18
Zheng Rong-Cai, Wen Hua-Guo, Li Yun, Chang Hai-Liang. (2018)Compositions and texture of lacustrine exhalative rocks from the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag of Jiuxi Basin, Gansu[J]. Journal Of Palaeogeography, 20(1): 1-18.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2018.01.001
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甘肃酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组湖相喷流岩物质组分与结构构造*
郑荣才, 文华国, 李云, 常海亮
成都理工大学“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室,四川成都 610059

第一作者简介 郑荣才,男,1950年生,教授,博士生导师,主要研究方向是沉积学与石油地质学。

收稿日期:2017-07-25
基金资助:*国家自然科学基金面上项目(编号: 41472088;41572097)和教育部高等学校博士学科点专项科研基金(编号: 20135122110004)资助项目的部分研究成果
摘要

甘肃酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组广泛发育的暗色纹层状细粒岩,以其富含铁白云石、钠长石、重晶石、方沸石、黄铁矿和有机质,局部含有微量萤石、透闪石、石盐和呈碎屑状、浸染状产出的微量闪锌矿、黄铜矿、方铅矿等矿物组分吸引着众多沉积地质学家和石油地质学家的高度关注。在以往的研究中,大多数研究者认为此类细粒岩的成因与火山活动有关,将其确定为火山物质蚀变作用的产物。通过地质背景、物质组分、岩石结构构造、包裹体和地球化学特征的研究,提出此类细粒岩属于新型的湖相“白烟型”喷流岩,可识别出 6种热水矿物组合、 3种主要结构类型和 4种常见的原生沉积构造。 6种热水矿物组合包括: Ⅰ钠长石—铁白云石(或铁白云石—钠长石)组合, Ⅱ重晶石—钠长石—铁白云石组合, Ⅲ石英—重晶石—钠长石—铁白云石组合, Ⅳ石英—方沸石—钠长石—铁白云石组合, Ⅴ地开石—铁白云石组合, Ⅵ单一铁白云石组合。 3种主要结构类型包括: ①泥晶—微晶结构, ②内碎屑结构, ③石盐假晶结构。 4种常见的原生沉积构造包括: ⅰ纹层状和条带状构造, ⅱ网脉状充填构造, ⅲ旋涡状喷管结构, ⅳ同生变形层理结构。在物质组分和岩石结构分析的基础上,划分出网脉状充填型、水爆型、盆地沉积型和区域扩散型 4种喷流岩产状类型,建立了下沟组湖相喷流岩分带性沉积模式,探讨了喷流岩研究意义。

关键词: 湖相“白烟型”喷流岩; 物质组分; 岩石结构; 沉积模式; 下白垩统下沟组; 酒西盆地
中图分类号:P588 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)01-0001-18
Compositions and texture of lacustrine exhalative rocks from the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag of Jiuxi Basin, Gansu
Zheng Rong-Cai, Wen Hua-Guo, Li Yun, Chang Hai-Liang
State Key Laboratory of Oil & Gas Reservoir Geology and Exploitation,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,Sichuan

About the first author Zheng Rong-Cai, born in 1950, is a professor and doctoral supervisor. He is mainly engaged in sedimentology and petroleum geology.

Fund:Co-funded by General Program of the National Natural Science Fundation of China(Nos. 41472088;41572097)and Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education(No.20135122110004)
Abstract

The widely developed laminated, fine-grained sedimentary rocks of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag of Jiuxi Basin, Gansu Province are rich in ankerite,albites,barites,zeolites and pyrites,and are poor in fluorites,tremolites,halites and clastic chalcopyrites,galenas and sphalerite. The hydrothermal minerals and favorable hydrocarbon conditions have been attracting the attention of many sedimentary geologists and petroleum geologists. In previous studies,most geologists believed that these fine-grained sedimentary rocks were associated with the volcanic activity,or were the products of volcanic material alteration. However, through a systematic study on the geological background,compositions,rock textures,rock structures,inclusions and geochemical features,we believed that these fine-grained sedimentary rocks were the lacustrine white-smoke type exhalative rocks. Six kinds of hydrothermal mineral assemblages were identified,including: Ⅰ albites-ankerites(or ankerites-albites),Ⅱ barites-albites-ankerites,Ⅲ Analcime-albite-ankerites,Ⅳ quartz-albite-ankerites,Ⅴ dickite-ankerites and Ⅵ the single ankerite. Three main types of rock textures were identified,including: ① the microcrystalline textures,②the intraclastic structure and ③ the halite pseudocrystal textures. Four common types of primary sedimentary structures were divided,including: ① the laminated and banded structures,② the network vein filling structures,③ vortical nozzle structures and ④ the syngenetic deformation bedding structures. On the basis of the rock composition,textures and structures,we have identified four occurrence types of exhalative rocks were identified,including the network vein filling type,the water bursting type,the basin deposition and the regional diffusion type. In addition, we establish the sedimentary model of the lacustrine “white smoke type” exhalative rock was established,and explored the significance of this kind of exhalative rock.

Key words: lacustrine “white smoke type”exhalative rock;; compositions; textures and structure of rock; sedimentary model; Lower Cretaceous Xiagou Formation; Jiuxi Basin
1 概述

甘肃省酒西盆地青西凹陷位于北祁连与阿尔金2个造带交汇区(图 1), 凹陷内充填有巨厚的下白垩统下沟组半深湖— 深湖相的暗色纹层状泥— 微晶级细粒岩。该套细粒岩的物质组分非常奇特, 除了来自陆源的泥、粉砂和盆源的泥晶— 微晶方解石外, 以其含有大量纹层状、条带状、斑块状和网脉状产出铁白云石、钠长石、方沸石、重晶石、地开石、石英和黄铁矿, 局部含有微量萤石、透闪石、石盐和碎屑状、浸染状产出的闪锌矿、黄铜矿、方铅矿等复杂矿物组分为显著特征。在以往的研究中, 此套暗色细粒岩的成因或被认为是火山活动产物(罗平等, 2001, 2002), 或被认为是火山碎屑物质经蚀变改造而成(朱国华等, 2014)。但通过地质背景、物质组分、岩石结构构造和地球化学特征的系统研究, 此类细粒岩被确定为一类新型的湖相“ 白烟型” 喷流岩(范铭涛等, 2003; 郑荣才等, 2003, 2006a, 2006b; 文华国等, 2014), 将以往命名的“ 泥质白云岩” 或“ 白云质泥岩” 分别更名为钠长石— 铁白云石喷流岩和铁白云石— 钠长石喷流岩, 为下沟组湖相“ 白烟型” 喷流岩2种最基本的岩石类型(郑荣才等, 2006a), 再加上其他热水矿物组分, 如方沸石、重晶石、地开石、石英等, 又可衍生出一系列复成分组合的喷流岩类型。

图 1 酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组喷流岩构造位置Fig.1 Tectonic location of exhalative rocks of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag, Jiuxi Basin

所谓的喷流岩(exhalative rock)又称之为热水沉积岩(李江海等, 2003), 按热水矿物组合特征又被划分为“ 黑烟型” 和“ 白烟型” 这2个主要类型(Brown, 1993; 李朝阳, 1993; 肖荣阁等, 1994; 王江海等, 1998; 刘建明等, 2001; 叶杰等, 2002; 李江海等, 2003), 前者以含有大量金属硫化物矿物为主要特征, 如黄铜矿、磁黄铁矿、方铅矿、闪锌矿等, 次为硅酸盐、铝硅酸盐、碳酸盐为代表的矿物。后者主要以非晶质或隐晶质的硅酸盐、铝硅酸盐、碳酸盐岩及硫酸盐矿物为主, 次为少量铁的氧化物、氢氧化物和盐类矿物等, 除黄铁矿外, 也可含有微量“ 黑烟型” 喷流岩中常见的其他金属硫化物矿物。需指出的是, 已广泛报道的喷流岩主要形成于海相盆地中(李朝阳, 1993; Brown, 1993; 肖荣阁等, 1994; 王江海等, 1998; 李江海等, 2003), 而形成于湖盆中的陆相喷流岩较少见, 且以“ 黑烟型” 为主(刘建明等, 2001; 叶杰等, 2002)。而有关湖相“ 白烟型” 喷流岩在以往的研究中报道甚少, 除了东非裂谷坦噶尼喀湖现代热液喷口的“ 白烟型” 喷流岩(Tiercelin et al., 1993), 已公布的文献资料主要集中在酒西盆地青西凹陷下沟组的湖相喷流岩研究(范铭涛等, 2003; 郑荣才等, 2003, 2006a, 2006b; 文华国等, 2014), 但近期则不断有新的发现, 如辽东湾盆地古近系沙河街组云质喷流岩(戴朝成等, 2008)、新疆三塘湖地区二叠系芦草沟组云质喷流岩(柳益群等, 2011)、内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统云质喷流岩(郭强等, 2012)、准噶尔盆地西北缘吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组云质喷流岩(焦鑫等, 2013)及乌尔禾凹陷二叠系风城组云质喷流岩(傅饶等, 2015)。需指出的是, 在中国已发现的“ 白烟型” 喷流岩除了富含铁白云石、含铁白云石和普通白云石为共同的特征外, 各湖相盆地的“ 白烟型” 喷流岩虽然各自具有其独特的热水矿物组分和组合, 但都呈纹层状(或条带状)交互产出的韵律性为共同的显著特点, 如青西凹陷下沟组湖相喷流岩为复杂的碳酸盐、铝硅酸盐、硫酸盐和硅酸盐矿物的多元纹层组合为主要特征(范铭涛等, 2003; 郑荣才等, 2003, 2006a), 而吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组和乌尔禾凹陷二叠系风城组的湖相喷流岩以富含纹层状或条带状复杂盐类矿物组合为其特色(焦鑫等, 2013; 傅饶等, 2015)。这种物质组分的差异性和岩石结构构造的相似性, 可代表不同来源、性质和成因的热水系统和相似的热水喷流沉积环境。需指出的是, 自发现下沟组湖相“ 白烟型” 喷流岩的十多年以来, 虽然引起了众多研究者的高度关注, 新的研究成果和认识不断涌现, 但成果中不乏仅依据化学分析结果提出的各种观点, 这种忽略物质组分和结构构造等重要基础地质内容的“ 粉末地质学” 研究成果难免有失偏颇(李乐和姚光庆, 2016)。作者以酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组为例, 在已有研究成果(范铭涛等, 2003; 郑荣才等, 2003, 2006a, 2006b; 文华国等, 2014)的基础上, 增添了部分近期的新资料和新认识, 以物质组分和结构构造为主要内容, 重点讨论湖相“ 白烟型” 喷流岩的成因特征及其研究意义。

2 地质背景

青西凹陷下沟组湖相“ 白烟型” 喷流岩与正常沉积岩产出特征基本一致, 在垂向剖面上与黑色页岩、粉砂质页岩呈不等厚互层, 富含菱铁矿结核, 局部夹有湖底浊积扇相的薄层— 中层状粉— 细砂岩, 具有陆源碎屑与内源喷流岩混合沉积的建造特征。按地层的旋回性, 下沟组湖相喷流岩自下而上可划分出5个喷流— 混合沉积旋回(图2; 郑荣才等, 2006a), 每个旋回中的喷流岩累积厚度变化在10~250, m之间, 但在青西凹陷半深湖— 深湖相区内的层位和岩性稳定, 平面分布范围有随湖盆扩大和水体加深而扩展加厚的特点。以相当湖泛期和高位早期的第3旋回和第4旋回为例, 不仅喷流岩沉积厚度和分布范围为最大, 出现多个大于150, m的沉积区和小于50, m的沉积区相间隔分布的北东向带状展布格局(图 3), 而且与次级北东向展布的基底断裂位置相一致, 反映青西凹陷下沟组湖相喷流岩的热水沉积作用主要受北东向基底断裂控制的特点。更有意义的是, 在青西凹陷西侧旱峡沟口一带, 在喷流岩最发育的第4旋回中上部夹有2层厚度为5~200, m的枕状碱性玄武岩, 喷流岩的元素地球化学特征与玄武岩存在一定的亲缘性(郑荣才等, 2006b; 文华国等, 2014), 显示湖相热水喷流— 沉积系统与基底断裂和基底火山活动密切相关的地质特征。

图 2 酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组喷流混合沉积旋回划分Fig.2 Sedimentary cycle of exhalative rocks of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag, Jiuxi Basin

3 岩石组分和结构构造特征

在前人研究成果中, 依据此类细粒岩中含有丰富的隐晶质纹层状钠长石和白云石等矿物而确定其为火山凝灰物质经沉积和成岩改造的产物(罗平等, 2001, 2002), 甚至认为火山凝灰物质在蚀变改造过程中析出的Ca2+、Mg2+离子是形成青西凹陷下沟组泥晶— 微晶白云岩的主要物质来源(朱国华等, 2014)。然而本次研究鉴定的近千枚薄片中, 目前还未见到可确定的“ 残余凝灰结构” 证据, 而与热水沉积有关的矿物学和岩石学标志众多。如假定此类细粒岩成因确实与火山喷发活动有直接联系, 在整个盆地范围内应该具有较稳定的发育层位与厚度, 显然又有悖于“ 仅限于青西凹陷深湖相区” 和“ 厚度变化大” 的地质事实。显然, 目前已有的区域地质资料不支持火山成因观点, 而依据岩石组分和岩石结构构造特征可确定其为一类新型的湖相“ 白烟型” 喷流岩(郑荣才等, 2003)。

3.1 热水矿物组分特征

3.1.1 热水矿物类型

据近千枚薄片鉴定资料和统计结果, 下沟组湖相“ 白烟型” 喷流岩的热水矿物组分非常特殊和丰富, 主要造岩矿物计有: 铁白云石(20%~66%)、钠长石(12%~75%)、重晶石(5%~20%)、方沸石(2%~18%)、石英(3%~14%)、地开石(0~15%)、黄铁矿(0.3%~6.4%), 主体以铁白云石、钠长石、重晶石和方沸石为主, 个别样品含有微量萤石、透闪石、石盐和闪锌矿、黄铜矿、方铅矿等。由于岩心样品中的各类热水矿物过于细小, 大多数为泥晶— 微晶级, 因而本次研究采用电子探针分析技术, 分析结果表明大多数热水矿物的主元素含量与其化学计量基本一致(表 1, 表2), 部分热水矿物仅在薄片鉴定中发现, 如萤石、透闪石和石盐, 目前尚未取得元素分析数据。

表 1 酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组喷流岩中常见非金属矿物电子探针分析结果(wt%) Table1 Electron microprobe analytical data of average chemical composition(wt%)of common nonmetallic minerals of exhalative rocks of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag, Jiuxi Basin
表 2 酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组喷流岩中金属硫化物矿物电子探针分析结果(wt%) Table2 Electron microprobe analytical data of chemical compositions(wt%)of sulphide minerals of exhalative rocks of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag, Jiuxi Basin

1)铁白云石(或含铁白云石)。 为主要造岩矿物, 呈纹层状和条带状产出(图 4-A), 在光学显微镜下主要呈泥晶— 微晶结构, 部分具粉晶结构, 局部以充填裂缝的脉体和内碎屑的胶结物形式出现。在扫描电镜下, 呈粒度小于10, μ m的半自形— 自形晶的镶嵌状或堆晶结构(图 4-B), 显示其以结晶沉淀为主的化学沉淀成因特征。白云石的MgO平均质量百分数略高于FeO(表 1), 经由XRD分析, 其有序度较低, 平均仅为0.43, d104和晶胞参数与标准铁白云石(高翔等, 2010)很接近, 结合其在阴极射线下基本不发光实验结果(文华国等, 2014), 按矿物学定义可确定其主要为铁白云石, 部分为含铁白云石。

图 4 酒泉盆地青西凹陷下白垩统下沟组湖相喷流岩的显微照相(镜下特征, 照片详细说明见下页)
图 4照片说明如下:
A— 纹层状泥晶铁白云石喷流岩, 纹层为被有机质分隔的单一铁白云石组合, 局部含少量陆源石英粉砂, 具轻微滑动变形层理构造。窿3井, 井深4468.69~4469, m, 照片对角线长2.8, mm, 正交偏光; B— 铁白云石— 钠长石喷流岩, 岩石由粒径5~10, μ m的菱形铁白云石(a)与柱状、板条状钠长石(b)晶体呈纹层状堆积而成, 晶间孔隙较发育。窿6井, 井深4059.82~4059.88, m, 扫描电镜; C— 纹层状泥晶— 微晶钠长石— 铁白云石喷流岩, 由泥晶铁白云石纹层(a)与水平纹层状(b)、斑块状(c)泥晶— 微晶钠长石相间组成, 具有铁白云石→ 钠长石→ 有机质纹层的沉积序列。窿3井, 井深4542.0~4550.0, m, 照片对角线长2.8, mm, 单偏光; D— 纹层状泥晶— 微晶方沸石— 钠长石— 铁白云石喷流岩, 岩石主体由富含有机质的富含铁白云石纹层组成, 中部的带状具有铁白云石(a)→ 钠长石(b)→ 方沸石(c)→ 有机质(d)纹层的沉积序列。窿105井, 井深 4550.00~4551.20, m, 照片长边为0.88, mm, 单偏光; E— 镶嵌角砾状喷流岩, 角砾呈原地撕裂的镶嵌状, 成分为纹层状泥晶铁白云石喷流岩(a), 角砾间被钠长石微晶集合体(b)充填胶结。柳102井, 井深4364, m, 照片长边为2.25, mm, 单偏光; F— 含砂屑泥— 微晶钠长石— 铁白云石喷流岩, 砂屑组分为微— 粉晶钠长石岩(a), 呈“ 漂浮” 状产出。海参1井, 井深 4502, m, 照片长边为0.88, mm, 正交偏光; G— 纹层状泥— 微晶方沸石— 重晶石— 钠长石— 铁白云石喷流岩, 主体由连续性较好的铁白云石(a)和钠长石纹层组成(b), 夹断续分布的重晶石(c)和方沸石(d)纹层, 铁白云石→ 钠长石→ 重晶石(方沸石)→ 有机质纹层的沉积序列。窿103井, 井深 4589.60~4589.65, m, 照片长边为2.25, mm, 单偏光; H— 纹层状泥— 晶铁白云石喷流岩, 切割纹层的裂缝和溶孔被细脉状和斑块状重晶石充填, 旱峡剖面。下沟组, 照片长边为2.25, mm, 正交偏光; I— 泥— 微晶钠长石— 铁白云石喷流岩, 照片中央为一较大的重晶石砂屑, 具粉— 细晶结构。窿3井, 井深 4542~4550, m, 照片长边为0.88, mm, 正交偏光; J— 角砾状喷流岩, 角砾呈强烈位移的杂乱堆积状, 成分为纹层状泥— 微晶钠长石— 铁白云石喷流岩, 角砾间有2期胶结物, 早期为地开石微晶集合体(a), 晚期为重晶石与钠长石的微— 粉晶集合体(b)。柳6井, 井深4381.16~4381.22, m, 照片长边为2.25, mm, 正交偏光; K— 纹层状泥晶地开石— 铁白云石喷流岩, 由洁净的地开石纹层与富有机质的暗色铁白云石纹层相间组成, 具有铁白云石→ 地开石→ 若冲刷的沉积序列。青2-1井, 井深 4613.69~4613.73, m, 照片对角线长2.8, mm, 单偏光; L— 泥— 微晶含砂屑铁白云石— 钠长石喷流岩, 照片中小块浅色者钠长石集合体组成的砂屑(a), 深色粗粒者为闪锌矿和重晶石集合体组成的砂屑(b)。窿5井, 井深 4029.97~4030.03, m, 照片对角线长2.8, mm, 单偏光; M— 重晶石胶结物中呈浸染状产出的黄铜矿(a)与方铅矿(b)集合体, 及方铅矿的电探背射大溶孔先后被萤石与铁白云石集合体充填组成的脉体。窿103井, 井深 4418.8~4418.9, m, 对角线长6.2, mm, 正交偏光; O— 泥晶铁白云石喷流岩中呈斑晶产出透闪石。柳9井, 井深 4905.5~4905.6, m, 对角线长1.5, mm, 正交偏光Fig.4 Micrography of lacustrine exhalative rocks of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag, Jiuquan Basin

2)钠长石。 为主要造岩矿物, 也呈纹层状和条带状产出, 部分呈斑块状(图 4-B, 4-C)或呈胶结物和内碎屑的形式出现(图 4-D, 4-E, 4-F)。光学显微镜下呈泥晶— 微晶结构, 部分较粗的粉晶发育有聚片双晶。在扫描电镜下, 呈粒度小于10, μ m的板条状晶体, 也具有化学沉淀形成的镶嵌状或堆晶结构。其主元素成分与化学计量基本一致(表 1), 在Δ (θ )1-Si/Al关系图解中(罗平等, 2001), 样品集中在O/D型过渡区(图 5), 有序度中等, 属于An为2~10的低温— 中温热液型斜长石, 反映钠长石沉淀时具有较稳定和明显高于正常沉积环境的温度, 为重要的热水沉积标志(梁华英等, 2001)。

图 5 钠长石Δ θ 1与Si/Al关系图(据罗平等, 2001)Fig.5 The relationship between Δ θ 1 and Si/Al (after Luo et al., 2001)

3)方沸石。为主要造岩矿物, 大多数呈纹层状和条带状产出(图 4-D)。光学显微镜下以泥晶— 微晶结构为主, 粒度小于10, μ m, 局部呈脉状和内碎屑的胶结物形式出现, 呈粒度较其他矿物略粗一些的他形粉晶结构。主元素成分与化学计量基本一致(表 1), 8个单矿物样品的Si/Al值变化范围为2.04~2.14, 平均为2.08, 据Si/Al值的方沸石成因划分标准, 在一般情况下高Si/Al值的方沸石被认为是高碱度水体直接沉淀结晶的产物, 或为高碱度水与火山凝灰物质相互作用的蚀变产物(应凤祥, 1993), 但基于下沟组喷流岩缺乏可识别的火山凝灰和黏土矿物的蚀变结构, 特别是其具有特定沉淀序列和呈脉状体或与铁白云石、钠长石和重晶石等热水矿物共生的胶结物等产出形式, 不可能是高碱性水与黏土沉积物相互作用的结果, 因此, 据其高Si/Al值和特殊的产出方式可确定其为来自深部高碱度热水直接沉淀的产物。

4)重晶石。为主要造岩矿物, 在光学显微镜下大多数呈具泥晶— 微晶结构的纹层状和条带状产出(图 4-G), 部分呈脉状、碎屑状和胶结物形式出现(图 4-H, 4-Ⅰ , 4-J), 其中呈碎屑状产出的重晶石晶体较粗, 一般为0.2~0.5, mm, 多具晶面不完整的半自形— 自形晶结构, 而呈脉状和胶结物形式出现的重晶石晶体较大, 为2~3, mm, 最大可达6, mm, 多为晶面完整的板状自形晶, 常可见2组相交的解理(图 4-H)。其主元素与化学计量基本一致(表 1), 其SrO质量百分数较高为2.98wt%, 平均值为1.0wt%, 但与BaO含量无关, 另外, 还往往含有微量的MgO、FeO、CaO和MnO。有意义的是, 在较粗粒的重晶石中富含原生无机包裹体, 按相态可划分为气、液两相和气、液、固三相2种主要类型, 前者是在各种重晶石中普遍发育, 包裹体形态多为椭圆— 次圆形、不规则多边形和长条状负晶形, 个体多为2.0~19.0, μ m, 气液比4%~16%, 以重晶石胶结物中的气、液两相包裹体个体较大而气液比较低(表 3)。后者仅发育在重晶石胶结物中, 多呈为次圆状和不规则多边形, 个体普遍较大, 为12~16.1, μ m, 平均13.7, μ m, 气液比较低为5%~6%(表 3), 子矿物为具有立方体晶形的石盐。

表 3 酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组喷流岩中重晶石流体包裹体成因特征和均一温度与盐度测量结果 Table3 Genetic charateristics, salinity and microthermometric data of fluid inclusions in barite of exhalative rocks of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag, Jiuxi basin

包裹体显微测温结果(表 3)表明, 重晶石胶结物中不同相态的包裹体均一温度有所差别(图 6-A), 其中气、液两相包裹体相对较低为108.3~274.7, ℃, 平均值195, ℃, 而气、液、固三相包裹体较高和变化很大, 特点为升温过程中气泡一般在193~205, ℃区间消失, 石盐子矿物消失温度为256.3~354.6, ℃, 平均值达314.1, ℃, 个别包裹体中的子晶升温至550, ℃以上也未见消失, 说明沉淀重晶石的流体为高盐度卤水, 暗示其原始成矿流体有来自深源的岩浆热液参与(方维萱等, 1999); 碎屑状重晶石中均为气、液两相流体包裹体, 均一温度较低和变化范围较小为105.6~148.3, ℃, 平均值122.6, ℃, 峰值区出现在120~140, ℃(图 6-B), 明显低于重晶石胶结物中的包裹体。

图 6 酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组喷流岩中重晶石流体包裹体均一温度与盐度直方图
A, C— 胶结物重晶石; B, D— 碎屑状重晶石Fig.6 Histogram of homogenization temperature and salinity for fluid inclusions in barite of exhalative rocks of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag, Jiuxi Basin

由冷冻法测定包裹体的冰点温度, 再根据Bodnar(1993)总结的盐度— 冰点关系(Bonia et al., 2000), 可得到两相包裹体流体体系的盐度值, 而含石盐子矿物的三相包裹体盐度值求取, 则是先测定出低温条件下石盐子矿物的溶化温度, 再根据石盐子矿物溶化温度与盐度关系式得出盐度(表 3)。测定结果表明, 不同产状类型的重晶石包裹体盐度有差别, 特点是重晶石胶结物中的包裹体盐度很高(图 6-C), 其两相包裹体盐度为19.92 wt%~22.71wt%NaCleq, 平均值21.2wt%NaCleq, 三相包裹体盐度为35.08 wt%~42.83wt%NaCleq, 平均值39.55wt%NaCleq, 远高于两相包裹体盐度, 而碎屑状重晶石中的包裹体的盐度相对较低(图 6-D), 为18.55 wt%~22.71wt%NaCleq, 平均值20.6wt%NaCleq。

从总体上看, 包括均一温度和盐度在内, 重晶石胶结物和碎屑状重晶石中的包裹体的各项指标都很高, 已完全具备热卤水性质。近年来的研究表明, 重晶石是典型热液作用产物, 是确定热水沉积成因和热液混合及稀释作用的重要标志之一(方维萱等, 1999; Bonia et al., 2000)。

5)地开石。为次要造岩矿物, 主要呈纹层状产出(图 4-K), 部分呈胶结物形式出现(图 4-J), 其主元素成分与化学计量基本一致(表 1)。地开石一般为酸性热流体沉淀或蚀变作用的产物(应凤祥, 1993), 但在下沟组喷流岩中与碱性流体沉淀的铁白云石和钠长石呈纹层状相间互层产出的原因尚不清楚。

6)金属硫化物。除常见的黄铁矿之外, 主要为含量很少的闪锌矿(图 4-L)、黄铜矿和方铅矿(图 4-M), 其中闪锌矿和黄铜矿粒状相对较粗, 而方铅矿粒度很细含量也极低, 它们的主元素都接近化学计量(表 1)。需指出的是, 这几类金属硫化物的产出方式非常特殊, 如闪锌矿往往在重晶石、钠长石、铁白云石组成的内碎屑中呈浸染状出现, 或其本身即为内碎屑, 而黄铜矿与方铅矿则主要呈共生的对硫化物呈浸染状出现在水爆角砾岩的胶结物中。

3.1.2 热水矿物组合

青西凹陷下沟组喷流岩中常见的热水矿物组合可划分为6种共生类型(郑荣才等, 2003): Ⅰ 钠长石— 铁白云石(或铁白云石— 钠长石)组合; Ⅱ 重晶石— 钠长石— 铁白云石组合; Ⅲ 石英— 重晶石— 钠长石— 铁白云石组合; Ⅳ 石英— 方沸石— 钠长石— 铁白云石组合; Ⅴ 地开石— 铁白云石组合; Ⅵ 单一铁白云石组合。在各组合中都普遍地含有黄铁矿和丰富的有机质组分, 少量闪锌矿、黄铜矿和方铅矿等金属硫化物及微量的萤石(图 4-N)、透闪石(图 4-0)和石盐, 仅出现在Ⅰ 至Ⅳ 的组合中, 而陆源供给的石英粉砂和黏土等正常沉积组分主要出现Ⅰ 和Ⅵ 组合中。

3.2 喷流岩化学组分及地球化学特征

3.2.1 微量元素组分及地球化学特征

下沟组喷流岩微量元素分析结果由表 4所示, 有如下几个特点: (1)微量元素组成既有有色金属元素, 也有贵金属和稀有元素, 显示多元性微量元素组合特征; (2)与地壳元素克拉克值相比较, 深源岩浆型微量元素组合中的Ni、Cr、Co等丰度偏低, 而深源气液型微量元素组合中的Mo、Sb、Zn、As、Sr、Ba等丰度相对较高, 特别是以Au、Ag、Rb、Se等贵金属和稀有分散型元素丰度明显较高;

表 4 酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组微量元素分析数据(μ g/g)及其与地壳和页岩元素克拉克值比较 Table4 Analytical data of REE compositions(μ g/g)of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag, Jiuxi Basin, and comparison with the elemental clarke value of global crust and shales

(3)与全球页岩元素克拉克值相比较, Ni、Cr、Rb、Sr略偏低而大部分深源气液型微量元素丰度偏高, 特别是Ba丰度极高; (4)与下沟组同层位正常沉积的黑色页岩相比较, 除Se略低于页岩, 其他元素都远高于页岩; (5)与同层位玄武岩相比较, 除Cr、Co、Sr较低, 其他元素也都远高于玄武岩。上述微量组成特征表明, 下沟组喷流岩具有富集深源气液型微量元素的非正常沉积成因的重要标志。

3.2.2 稀土元素组分及地球化学特征

下沟组喷流岩稀土元素组分及地球化学特征非常典型(郑荣才等, 2006b), 具有如下几个特点。

1)􀰐REE变化范围非常大(表 5), 为6.55~213.87μ g/g, 平均值121.11μ g/g, 低于同层位玄武岩(164.61μ g/g), 但明显高于同层位黑色页岩(67.53μ g/g);

表 5 酒西盆地青西凹陷下沟组各类岩石的稀土元素组成特征(μ g/g) Table5 Analytical data of REE compositions(μ g/g) of rocks of the Xiagou Formation in Qingxi sag, Jiuxi Basin

2)按矿物组分划分的各以铁白云石和钠长石为主的2个喷流岩基本类型, 对稀土元素的兼容性和总量差别明显, 特点为以铁白云石为主的喷流岩􀰐REE较高但变化范围相对较小, 为137.88~213.87μ g/g, 平均值为165.732μ g/g, 与同层位玄武岩相一致而远高于黑色页岩, 说明铁白云石对稀土元素有较强的富集能力, 原因与铁白云石晶体中的Ca2+或Fe2+离子与稀土元素离子半径相近、稀土元素能以类质同象方式进入铁白云石晶格有关。而钠长石为主的喷流岩􀰐REE较低和变化范围相对较大, 为6.55~130.25μ g/g, 平均值为82.588μ g/g, 低于同层位玄武岩而略高于黑色页岩, 显然钠长石对稀土元素的富集能力明显弱于铁白云石, 究其原因与钠长石晶体中Na+离子与稀土元素离子的性质和半径相差太大而跟难被稀土元素取代有关;

3)稀土元素配分模式呈􀰐LREE> 􀰐HREE的平缓右倾状(图 7), 与粤北大沟谷热水沉积的钠长石岩稀土元素配分模式(梁英华等, 2001)非常相似;

图 7 青西凹陷下白垩统下沟组喷流岩与页岩、玄武岩稀土配分模式Fig.7 REE pattern of exhalative rock, shale and basalt of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi Sag

4)具有弱— 中度的δ Ce正异常和中等偏强的Eu负异常, 完全不同于海相喷流岩所具有的Ce负异常和Eu正异常的基本特征(丁振举和刘丛强, 2000), 类似的情况出现在滇西临沧县沧锗矿的陆相热水沉积硅岩中(戚华文等, 2003), 其原因被认为与大陆边缘构造环境有关。参照丁振举和刘丛强(2000)及郑荣才等(2006b)的热流体/底层水混合过程的Eu/Sm— La/Ce模拟思路, 可进一步证明下沟组喷流岩的热水沉积作用发生在深水、高压和还原、高碱性及极度缺氧的封闭环境中;

5)喷流岩的稀土配分模式和特征的Ce、Eu异常与同层位玄武岩和黑色页岩基本一致(图 6), 说明下沟组喷流岩物质组分特征与玄武岩存在一定的亲缘性, 而深湖相黑色页岩稀土元素配分模式与喷流岩相似的现象, 则进一步说明整个湖底沉积环境都处在热水喷流活动的强烈影响范围内(郑荣才等, 2006b), 黑色页岩较高的Yb和Lu重稀土富集异常, 为湖底具备闭塞热卤水池沉积环境提供了另一证据(丁振举和刘丛强, 2000)。

3.2.3 稳定同位素组分及地球化学特征

1)碳、氧同位素组分及地球化学特征。下沟组喷流岩以铁白云石为代表的碳、氧同位素分析结果(表 6), 有如下几个特点: (1)δ 13C偏正而 δ 18O 偏负, 与方维萱等(1999), Bonia等(2000), Al-Aasm(2003), Chen等(2004), 魏菊英和王关玉(1988)公布的热水白云石碳、氧同位素数据非常接近; (2)热水沉积的铁白云石δ 13C和 δ 18O 明显高于同层位正常湖相沉积的方解石(疙瘩状微晶核形石灰岩), 两者间的δ 13C和 δ 18O 分别存在6.012‰ 和5.287‰ 的正偏差, 被认为是同一热水系统和相同物理化学条件下的白云石与方解石之间的同位素分馏效应有关(魏菊英和王关玉, 1988); (3)泥晶— 微晶铁白云石和方解石沉淀时的 δ 18O 平衡温度都较高, 可作为湖底热水沉积的辅助依据。

表 6 酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组喷流岩碳酸盐矿物碳、氧同位素分析数据 Table6 Analytical data of carbon and oxygen isotope composition of carbonate minerals in exhalative rocks of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag, Jiuxi Basin

2)锶同位素组分及地球化学特征。下沟组喷流岩以铁白云石为代表的锶同位素分析结果(表 7), 有如下特点: 87Sr/86Sr 值变化范围为0.71225~0.71781, 平均值为0.71561, 都远高于海水平均值(0.70350)和早白垩世海水(0.707401)(Veizer et al., 1999)及同层位玄武岩(0.70687), 略高于同层位的微晶灰岩(0.71321), 但明显低于壳源硅铝质岩(0.720± 0.005)(Faure, 1986), 反映热流体与海水无直接关系, 也不可能是单纯湖水或幔源岩浆水来源。需指出的是, 纹层状铁白云石主要为湖底热液直接化学沉淀和结晶的产物, 其锶同位素比值变化范围较小, 并在同一位置的热水喷爆角砾与胶结物的锶同位素组成基本一致, 说明两者属于同期热水喷流沉积的产物, 而不同位置的“ 水爆角砾岩” 的锶同位素组成有一定的变化, 也同样可证明不同位置的喷流热水的来源和性质可能存在差别, 显示热卤水池流体的锶同位素组成非完全均一化的特征。有意义的是, 下沟组喷流岩及其喷爆角砾中的铁白云岩 87Sr/86Sr值明显高于幔源锶和同期喷发的玄武岩与早白垩世海水, 但低于沉积基底的壳源硅铝质岩, 在不同成因和来源的锶同位素演化曲线中, 呈现出由幔源锶→ 同期玄武岩→ 早白垩世海水→ 钠长石质或铁白云石质喷流岩(包括喷爆角砾)→ 壳源硅铝质岩的87Sr/86Sr 值逐渐加大的演化趋势(图 8)。

表 7 酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组湖相喷流岩、正常沉积灰岩和拉斑玄武岩锶同位素组成 Table7 Strontium isotope composition of lacustrine exhalative rocks, sedimentary limestone and tholeiitic basalt of the Lower Cretaceous Xiargou Fomation in Qingxi sag, Jiuxi Basin

图 8 酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组白云岩锶同位素组成Fig.8 Strontium isotope composition of dolostone of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qing Sag, Jiuxi Basin

据此, 可推测青西凹陷早白垩世湖底喷溢的热流体为富集基底硅铝质岩高放射成因Sr的深循环地下水。又据下沟组喷流岩与同期喷发的玄武岩微量元素和稀土元素存在一定的亲缘关系, 又可推测热流体中的部分成矿物质来自于同期玄武岩喷发活动时混入的幔源物质。由此可初步确定青西凹陷早白垩世湖底热液喷流为以深循环地下水为主, 但掺有少量上升幔源岩浆水, 具有混合热液流体性质。

3.3 喷流岩结构构造特征

3.3.1 喷流岩结构

1)泥晶— 微晶结构。此类型是下沟组喷流岩中最基本的结构类型, 主要由粒径小于10, μ m的铁白云石、钠长石、方沸石、重晶石等热水矿物与少量陆源泥、粉砂质和有机质混合组成, 由泥晶— 微晶结构的广泛发育, 可判断下沟组喷流岩的沉积作用发生在深水、宁静和富有机质但缺氧的还原环境中。

2)内碎屑结构。可细分为砂屑结构和角砾状砾屑结构2类, 其中砂屑主要由钠长石和重晶石单矿物或复矿物集合体组成(图 4-F, 4-I), 偶见砂屑由闪锌矿和重晶石集合体组成(图 4-L)。砾屑或呈大小不一可拼合的镶嵌状(图 4-E), 或呈杂乱堆积的棱角状(图 4-J), 多为碎裂的纹层状钠长石— 铁白云石喷流岩组成, 角砾间主要被单一的或复矿物组合的钠长石、重晶石、方沸石和地开石充填胶结(图 4-E, 4-J), 胶结物中偶尔也可含有浸染状闪锌矿、黄铜矿和方铅矿(图 4-M)。热水条件下沉积的内碎屑成因, 被认为与热水喷流系统休眠期持续增温和增压后, 由喷管内的超温与超压作用突破喷管口充填物和上覆沉积物及底层水的负荷压力所引起的热水沸腾爆炸作用(即水爆作用或喷爆作用)有关, 由水爆作用将喷口先期沉积的喷流岩震碎, 较粗的震碎角砾主要呈位移不大的镶嵌状堆积在原处, 并很快被热水矿物充填胶结(郑荣才等, 2003), 通常被称之为“ 水爆角砾岩” 或“ 震积角砾岩” , 有直接指示喷流口位置的特殊意义(王江海等, 1998)。部分水爆角砾被搬运至喷流口外侧杂乱堆积和胶结, 形成棱角状水爆角砾岩, 也具有指示喷流口位置的意义。而较细砂屑被喷流热流体携带到远喷口外侧和撒落在宁静的热卤水池中, 呈“ 飘浮” 状分布在钠长石质或铁白云石质纹层中, 形成含砂屑的纹层状喷流岩。

3)石盐假晶结构。较少见, 主要在喷流岩中顺纹层分布(图 9-A), 显微镜下呈0.1~0.3, mm大小的方形石盐晶体假相, 假晶内主要被泥晶— 微晶铁白云石、方沸石集合体充填(图 9-A, 右上角)。其成因可能与先期卤水池中结晶沉淀的石盐被后至的淡化热液溶解后先形成假晶孔, 然后再被相继沉淀的热水矿物充填有关。喷流岩中石盐和石盐假晶的出现, 证明沉积喷流岩的湖底热液具有很高的盐度, 此特征与重晶石三相包裹体中出现石盐子晶所显示的高盐度流体性质及相对封闭的卤水池沉积环境相吻合。

图 9 青西凹陷下白垩统下沟组喷流岩的岩心和显微镜下的岩石结构构造特征
A— 纹层状泥晶铁白云石喷流岩, 沿纹层分布的石盐假晶(a), 在放大的假晶中可见铁白云石与方沸石集合体充填(b)。窿3井, 井深4470.79~4471, m, 照片对角线长2.8, mm, 正交偏光; B— 微型旋涡状喷管构造, 喷管边缘由铁白云石和钠长石同心纹层状组成(a), 喷管中心被钠长石粉晶— 细晶集合体充填(b), 含微量染状闪锌矿(c)。窿3井, 井深 4563.8~4563.9, m, 照片对角线长2.8, mm, 正交偏光, 左上角照片单偏光; C— 小型旋涡状喷管构造, 喷管边缘由微晶— 粉晶钠长石纹层组成数个不太规则的同心环(a), 代表生长的管壁。 旋涡中心被钠长石— 铁白云石喷流岩的粉— 砂屑充填(b), 代表喷管的喷口。 同心环外侧的围岩(C)为泥晶钠长石— 铁白云石喷流岩。窿5井, 井深3998.01~3998.07, m, 照片对角线长8.5, mm(4张照片拼接而成), 正交偏光; D— 大型旋涡状喷管构造, 喷管由铁白云石与钠长石微— 粉晶集合体组成(a), 呈边缘不规则弯曲的筒状穿插在灰绿色含泥铁白云石喷流岩(b)的围岩中, 并捕获有围岩的碎块(C)。窿111井, 井深4340.62~4340.86, m, 岩心直径10, cm; E— 纹层状泥晶— 微晶方沸石— 钠长石— 铁白云石喷流岩(a), 发育2条脉体, 上面1条为粉晶— 细晶方解石— 方沸石脉体(b)宽窄变化大, 下面1条较稳定, 被向心生长的钠长石和铁白云石小晶簇不完全充填(c), 晶间孔被原油充填(d)。窿3井, 井深4542~4550, m, 照片对角线长1.4, mm, 单偏光; F— 纹层状泥晶— 微晶钠长石铁白云石喷流岩, 纹层具有被强烈揉皱的滑动软变形构造。窿3井, 井深4469.50~4469.70, m, 照片对角线长3.06, mm, 单偏光; G— 纹层状泥晶— 微晶钠长石铁白云石喷流岩, 发育微型阶梯状同生破裂作用, 破裂缝边缘的纹层绕曲变型。 窿3井, 井深4542.45~4550, m, 照片对角线长3.06, mm, 正交偏光Fig.9 Characteristics of textures and structoures of core and micrography of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag

3.3.2 喷流岩构造

下沟组喷流岩以发育纹层状和条带状构造为主, 局部出现具有热水沉积学特殊意义的网脉状、旋涡状喷管和同生变形层理等原生沉积构造, 不同的沉积构造往往具有不同的成因意义。

1)纹层状和条带状构造。为下沟组喷流岩最常见的基本构造类型, 纹层厚度一般为0.1~0.5, mm, 条带厚度较大一些为2.0~5.0, mm。对应6种热水矿物组合, 以有机质纹层或弱溶蚀面为分隔线, 各类矿物纹层的沉淀有如下序列: (1)单一铁白云石纹层的沉淀序列主要被有机质纹层(或陆源泥质物)分隔(图 3-A); (2)由铁白云石和钠长石组成的二元纹层组合中, 具有铁白云石→ 钠长石→ 有机质分隔纹层的沉积序列(图 4-C); (3)由铁白云石和地开石组成的二元纹层组合中, 具有铁白云石→ 地开石→ 弱溶蚀面分隔的沉积序列(图 4-K); (4)在铁白云石、钠长石、方沸石和重晶石组成的三元和多元纹层组合中, 具有铁白云石→ 钠长石→ 方沸石(或重晶石)→ 有机质分隔纹层(或弱溶蚀面)的沉积序列(图 4-D, 4-G); (5)热水沉积的石英主要混杂在钠长石纹层中, 一般不构成单独的纹层; (6)各纹层组合中均可含有黄铁矿纹层, 偶尔含有石盐(或石盐假晶)纹层(图 9-A)及正常沉积的泥、粉砂质纹层。上述纹层组合及沉积序列显然不能用正常陆源细碎屑沉积和火山碎屑蚀变作用加以解释, 而与性质和物质组分有所差异的湖底热水脉动性喷流和热水矿物沉淀过程中的结晶分异和分带作用有关。

图 3 酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组沉积3旋回(左侧)和4旋回(右侧)喷流岩等厚图Fig.3 Isopach map of lacustrine exhalative rocks of the 3rd sedimentary cycle(left) and 4th sedimentary cycle(right) of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag, Jiuxi Basin

2)旋涡状喷管构造。为一类具有特殊成因意义和非常少见的原生热水沉积构造, 主要呈垂直或斜交层面的、断面呈旋涡状同心纹层的管状体, 管体直径为亚毫米、数毫米至数厘米级, 由呈同心纹层状分布的钠长石与铁白云石、或钠长石、重晶石组成(图 9-B, 9-C, 9-D), 纹层中可含有铁白云石和钠长石晶屑和集合体组成的内碎屑, 充填管体中心的钠长石和重晶石集合体中有时含有微量浸染状产出的闪锌矿(图 9-B)和砂屑(图 9-C), 部分大型管体充填物中捕获有围岩的碎块(图 9-D)。此类特殊的热水沉积构造可直接代表喷流带中的微型喷流管道和喷流口位置, 是证明下沟组发育湖相“ 白烟型” 喷流岩最重要的证据之一。

3)网脉状构造。较为常见, 主要由铁白云石、钠长石、方沸石、重晶石、地开石、石英和萤石的单矿物或复矿物集合体充填网脉状裂缝和溶蚀孔洞而成(图 4-H, 4-N)。脉体分布不规则, 宽窄不一, 一般为0.05~2.0, mm, 个别可达5, mm以上, 偶在钠长石和重晶石脉体中含有微量浸染状产出闪锌矿和黄铜矿。此类型构造被众多热水沉积研究者认为是识别热流体运移通道最重要的标志之一(Brown, 1993; 李朝阳, 1993; 肖荣阁等, 1994; 王江海等, 1998; 刘建明等, 2001; 叶杰等, 2002; 李江海等, 2003)。

4)同生变形层理构造。表现为纹层不规则揉皱软变形(图 9-G)、微阶梯状同生破裂作用(图 9-H), 成因与热水沉积物快速堆积形成的丘状隆起地形的较陡边缘热水沉积物发生重力滑动有关, 因而亦可指示热水喷流口位置。

4 喷流岩成因类型划分和沉积模式
4.1 喷流岩成因类型划分

4.1.1 热水性质和物质来源判别

由矿物类型、组合和相对含量的变化, 可确定青西凹陷下沟组沉积喷流岩的热水流体属于物质组分和化学性质复杂多变的低温型— 中温型热液, 具有富C O32-、S O42-和Ca2+、Ba2+、Mg2+、Fe2+、Si4+、Al3+, 贫金属硫化物的“ 白烟型” 热液流体性质。综合下沟组喷流岩微量元素、稀土元素和锶同位素, 结合重晶石流体包裹分析结果, 可进一步确定热液具有多来源的混合热液流体性质, 流体和成岩物质组分主要来自深循环地下水和地下水萃取的基底硅铝质岩中的可溶物质, 部分来自上升幔源岩浆水带入的成矿物质(文华国等, 2014)。

4.1.2 喷流岩的产状类型

综合喷流岩的物质组分、结构构造和区域分布特征, 可从青西凹陷下沟组中识别出4种不同位置、产状和热水沉积环境的喷流岩: 产于喷流口内的脉状充填型喷流岩; 产于喷流口的水爆型内碎屑喷流岩, 包括喷流口原地堆积的镶嵌角砾状喷流岩、近喷流口杂乱堆积的角砾状喷流岩, 喷流口外含喷爆砂屑的纹层状喷流岩; 聚集在深湖底卤水池中的二元、三元及多元纹层组合的盆地沉积型喷流岩; 于盆地范围内广泛分布的单一纹层状区域扩散型喷流岩(郑荣才等, 2003)。

4.1.3 喷流岩空间分布规律

综上所述, 青西凹陷下沟组湖相“ 白烟型” 喷流岩的热水矿物组分和岩石结构构造在空间上的分布具有如下规律: (1)具二元和多元纹层组合的热水矿物极大多数呈亚毫米和毫米级厚度的纹层状和条带状, 其中含铁白云石、钠长石、重晶石、方沸石和地开石等矿物的多元纹层组合主要出现在深凹陷区内, 代表沉积环境低洼和较稳定的热卤水池聚积区; (2)部分铁白云石、钠长石、重晶石、方沸石和地开石呈充填裂缝和溶蚀孔洞的脉状、斑块状, 或散布在纹层中的碎屑状, 再或呈水爆角砾的胶结物形式出现, 偶含有微量碎屑状闪锌矿和共生的浸染状闪锌矿、黄铜矿和方铅矿, 通常为喷流管通道内或喷流口附近的热水沉积物, 具有指示热水运移通道或喷流口位置的意义; (3)单一铁白云石纹层具有最大的区域分布范围, 并在凹陷边缘浅湖沉积相区也可呈透镜状或薄层状与正常沉积的薄层泥岩、粉砂岩互层产出, 含丰富的菱铁矿结核, 显示其为异常热水与正常湖水交替沉积作用的产物。上述不同热水矿物组合的空间分布规律, 反映湖底喷流的热水具有从凹陷中心的深水相区向边缘浅水相区的对流循环扩散效应, 是控制各类型热水矿物沉淀、组合及岩石结构构造在区域上呈有序分带性沉积的主要控制因素。

4.2 喷流岩沉积模式

与各类喷流岩有序分带性沉积的空间分布位置相对应, 可建立自凹陷中心深湖区喷流口至远端盆缘浅湖区的喷流岩沉积模式(图 10), 该模式有如下特征。

图 10 酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组湖相“ 白烟型” 喷流岩沉积模式(据文华国, 2008)Fig.10 Sedimentary model of lacustrine white smoke type exhalative rocks of the Lower Cretaceous Xiagou Formation in Qingxi sag, Jiuxi Basin(after Wen, 2008)

1)在青西凹陷内向地壳深部循环的地下水在幔源岩浆房的热驱动作用下沿北东向基底断裂向上运移, 在不断萃取基底硅铝质岩成矿物质的同时, 部分来自幔源岩浆房的气、水挥发组分和成矿物质也被带入上升流体而形成富含C O32-、S O42-和Ca2+、Ba2+、Mg2+、Fe2+、Si4+、Al3+等组分的中— 低温混合热液流体。与混合热液相关的热水沉积作用具有如下结晶沉淀顺序:

在混合热液流体喷出深湖底表层之前的热液通道和喷流口内, 先发生偶含浸染状闪锌矿、黄铜矿和方铅矿的铁白云石、钠长石、方沸石、重晶石和石英等单矿物或复矿物的结晶沉淀和充填作用, 形成脉状充填型喷流岩;

在喷流口和喷流口外侧的低洼卤水池内, 喷出湖底的热液发生具有铁白云石→ 钠长石→ 方沸石(或重晶石)→ 有机质(或弱溶蚀面)沉积序列的多元、三元、二元矿物纹层组合的分带性沉积的喷流岩;

在深湖底热液喷流活动的休眠期, 喷流口内和喷流口被喷流岩充填覆盖, 但在热水系统持续增温增压后, 封闭的喷流口被超温与超压作用突破而发生强烈的热水沸腾与爆炸作用, 将沉积充填在喷口内的沉积物(或喷流岩)震碎, 并很快被热水矿物充填胶结, 形成原地镶嵌状的、或被近距离搬运和杂乱堆积状的水爆角砾岩, 较细的砂屑被喷爆流体搬运和撒落在近喷流口的卤水池内, 形成含砂屑纹层状喷流岩。需指的是, 这几种水爆型喷流岩形成时间虽然晚于盆地沉积型喷流岩, 但在分带性沉积的位置上更靠近喷流口或直接占据喷流口位置;

在深湖底至近湖盆边缘广阔的半深水至浅水区域, 溢出卤水池的热液可大范围地对流循环和扩散, 以沉积单一铁白云石纹层为主, 形成区域扩散型喷流岩。

2)从整体上看, 青西凹陷下沟组湖相“ 白烟型” 喷流岩的发育, 具有从喷口内的基底到喷口至喷口外的深湖、半深湖至浅湖区域的热水沉积作用, 在物质组分上具有铝硅酸盐+碳酸盐+硫酸盐矿物和微量金属硫化物组合→ 碳酸盐+铝硅酸盐+硫酸盐+硅质矿物组合→ 单一碳酸盐矿物组合的分带性; 在岩石构造上具有网脉状→ 旋涡状喷管→ 喷爆角砾状→ 同生变形→ 多元、三元及二元纹层→ 单一纹层构造的变化趋势; 在喷流岩成因类型上具有脉状充填型喷流岩→ 水爆型喷流岩→ 盆地沉积型喷流岩→ 区域扩散型喷流岩的分带性沉积模式。

5 讨论

喷流岩热水矿物组合、结构构造、成因类型及其分带性沉积规律, 说明自喷流口内经喷流口至喷流口的附近和远端, 存在着温度由高到低、热水浓度由大到小和物质组分由复杂到简单, 以及热水沉积体系由封闭到开放等物质和物理化学条件的变化梯度, 这一变化梯度应该是驱动热水从地壳深部到凹陷中心深湖底的喷流口及喷流口四周的热卤水池, 再向凹陷边缘的较浅水区域循环对流、扩散降温, 以及与底层湖水逐渐混合淡化的演化过程, 应该是控制各类热水矿物结晶沉淀、分异和分带性沉积的主要因素。因此, 结晶时需要较高温度和压力条件的钠长石、方沸石、地开石和重晶石及微量金属硫化物, 在脉状充填型喷流岩中富集度相对较高, 深凹陷内相对封闭的喷流口和热卤水池为各类碳酸盐、铝硅酸盐、硫酸盐和硅酸盐等热水矿物的主要堆积场所。热水中的Ca2+、Mg2+、Fe2+离子化学性质活泼, 可被运移到远离喷流口的位置, 因而与此相关的铁白云石、菱铁矿和方解石等热水矿物相对铝硅酸盐和硫酸盐等热水矿物有更大的沉积厚度和更加广泛分布范围, 甚至在远离喷流口的凹陷边缘浅水沉积区与正常湖相沉积的泥、粉砂岩形成韵律交替的沉积纹层, 或在正常沉积的泥、粉砂岩中呈夹层产出, 再或以砂岩、砾岩的胶结物形式出现。

在下沟组喷流岩的复杂热水矿物组合中, 常出现不同性质的热水矿物密切共生现象, 如碱性条件下沉淀的铁白云石竟然与酸性条件下沉淀的地开石呈很薄的纹层韵律互层(图 3-K), 在水爆型角砾岩的胶结物中可出现地开石与重晶石、方沸石共生的现象(图 3-J), 其原因目前还未得到合理解释, 但这些现象至少可说明湖底热流体喷溢过程中的热流体来源、性质、物质组分和物理化学条件存在强烈而频繁的交替变化。如同深海底的现代盐池(梅洋汤, 2017), 深湖底热卤水池的存在和热卤水性质与物质组成的每一个变化过程, 对应着二元、三元至多元热水矿物纹层的沉淀序列和组合。需指出的是, 存在于深湖底的热卤水池也应该是一个相对独立的极端生态体系, 此系统中围绕热液喷口的热水生物群落的繁盛、勃发(庞艳春等, 2002)和高速埋藏效应, 应该是湖相“ 白烟型” 喷流岩普遍高富含有机质组分和常具备优质烃源岩性质的主要原因, 但其所具有的科学价值和石油地质意义在已有研究成果中很少被报道(郑荣才等, 2003)。

6 结论

1)酒西盆地青西凹陷下白垩统下沟组广泛发育的暗色纹层状细粒岩具有非常特殊的物质组分和结构构造, 结合区域地质背景和包裹体与地球化学特征, 确定下沟组暗色纹层状细粒岩属于新型的湖相“ 白烟型” 喷流岩。

2)从下沟组湖相“ 白烟型” 喷流岩中识别出钠长石— 铁白云石(或铁白云石— 钠长石)、重晶石— 钠长石— 铁白云石、方沸石— 钠长石— 铁白云石、石英— 钠长石— 铁白云石、地开石— 铁白云石、单一铁白云石6种热水矿物组合, 泥— 微晶、内碎屑、石盐假晶3种主要结构类型, 及纹层状和条带状、网脉状充填、旋涡状喷管、同生变形层理4种常见的原生沉积构造。

3)综合微量和稀土元素、锶同位素和流体包裹分析特征, 推断热液具有多源混合流体性质, 热液组分主要来自深循环地下水及其萃取的基底岩石中的可溶物质, 部分来自上升幔源岩浆水及其带入的成矿物质。

4)在物质组分和岩石结构构造分析的基础上, 可划分出网脉状充填型、水爆型、盆地沉积型和区域扩散型4种喷流岩产状类型, 建立了下沟组湖相喷流岩脉状充填型→ 水爆型→ 盆地沉积型→ 区域扩散型分带性沉积模式。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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