钟大康, 杨喆, 孙海涛, 张硕. (2018)热水沉积岩岩石学特征:以内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组为例* [J]. 古地理学报, 20(1): 19-32
Zhong Da-Kang, Yang Zhe, Sun Hai-Tao, Zhang Shuo. (2018)Petrological characteristics of hydrothermal-sedimentary rocks:A case study of the Lower Cretaceous Tengger Formation in the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia[J]. Journal Of Palaeogeography, 20(1): 19-32.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2018.01.002
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热水沉积岩岩石学特征:以内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组为例*
钟大康1,2, 杨喆1,2, 孙海涛1,2, 张硕3
1 中国石油大学(北京)地球科学学院,北京 102249
2 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249
3 天津市渤海国资人才资源开发服务中心,天津 300202

第一作者简介 钟大康,1961年生,教授,博士生导师,2001年毕业于中国石油大学(北京),获博士学位,长期从事沉积学与储集层地质学的教学与研究工作。E-mail: zhongdakang@263.net。

收稿日期:2017-10-09
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号:41472094,41302108)资助
摘要

内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组—都红木组发育 1套热水沉积岩。通过岩心观察、显微镜下鉴定、扫描电镜、全岩 X衍射和电子探针分析等手段,对研究区热水沉积岩的矿物组成、结构与构造特征、矿物组合关系进行系统研究,在此基础上进行岩石分类与命名。研究表明: 研究区热水沉积岩在岩心上表现为深灰色、灰色和灰褐色;其矿物组分复杂多样,以白云石和沸石(钠沸石和方沸石)为主要造岩矿物,黄铁矿、菱镁矿、菱铁矿、水镁铁石及重晶石为次要矿物,混有黏土矿物、石英、钾长石和斜长石等泥质陆源碎屑;热水沉积岩结构构造特征复杂多样,根据结构特征可以划分为热水内碎屑结构、泥晶结构和团块结构 3种,依据构造特征可以划分为纹层状和条带状构造、网脉状构造、同生变形构造、角砾状构造、蝌蚪状构造、星散状构造、块状构造和韵律性构造 8种构造类型;以主要的热水沉积矿物白云石、沸石及陆源的泥质物(黏土矿物、石英及长石)为三端元,以 90%、 75%、 50%、 25%、 10%为界限,将研究区热水沉积岩划分为泥质白云岩、含沸石白云质泥岩及沸石岩,前两者是研究区的主要岩石类型。本区热水沉积岩岩石学特征的研究可为其他地区的热水沉积岩及其沉积模式研究奠定基础,可以进一步丰富现今的沉积学理论。

关键词: 热水沉积岩; 岩石学特征; 分类与命名; 白音查干凹陷
中图分类号:P588.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)01-0019-14
Petrological characteristics of hydrothermal-sedimentary rocks:A case study of the Lower Cretaceous Tengger Formation in the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia
Zhong Da-Kang1,2, Yang Zhe1,2, Sun Hai-Tao1,2, Zhang Shuo3
1 College of Geoscience,China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249
2 State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249
3 Resources Development Service Center of Bohai State-owned Assets,Tianjin 300202;

About the first author Zhong Da-Kang,born in 1961,got his doctoral degree in 2001 from China University of Petroleum(Beijing). Now,he is a professor and mainly engaged in sedimentology and reservoir geology. E-mail: zhongdakang@263.net.

Fund:Financially supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos.41472094,41302108)
Abstract

In the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin,Inner Mongolia,there is a set of hydrothermal-sedimentary rocks occurred in the Tengger Formation and Duhongmu Formation of the Lower Cretaceous. In order to classify hydrothermal-sedimentary rocks,the mineral compositions,textures,structures and mineral assemblages were analyzed by studying the drilling cores,microscopes,field emission scanning electron microscope(FE-SEM),total rock X-ray diffraction,and electron probe analysis(EPMA). The rocks are displayed dark-grey,grey and grey-brown colors. The mineral compositions of rocks are complex and diverse. Dolomite and zeolite(natrolite and analcime)are main rock-forming minerals,and pyrite,magnesite,siderite and barite are secondary minerals,which are mixed with muddy terrestrial sediments composed of clay minerals,quartz,and plagioclase. The textures of hydrothermal-sedimentary rocks can be divided into four types and structures can be divided into nine,which differentiate them from normal lacustrine depositions like carbonate and terrestrial clastic rocks. According to the contents of dolomite,zeolite and terrestrial sediment(marked by 90%,75%,50%,25% and 10%),the hydrothermal-sedimentary rocks are generally divided into argillaceous dolostone,zeolite-bearing dolomitic mudstone and zeolite rock,of which the two formers are major types of hydrothermal-sedimentary rocks in study area. This research would provide an case study to analyze hydrothermal-sedimentary rocks and build depositional model in other basins,as well as enrich theoretical knowledge of sedimentology.

Key words: hydrothermal-sedimentary rock; petrological characteristics; classification and designation; Baiyinchagan Sag

热水沉积岩是地下热液或岩浆热液与海水或湖水混合后发生沉淀而形成的沉积岩(Miloje, 1974; Hekinian, 1982; Edmond et al., 1982; Edmond and Damm, 1983; 涂光炽等, 1983, 1984, 1987; Rona, 1986, 1988, 2002; 陈先沛, 1988; 陈先沛等, 1992; Rona and Scott, 1993; 陈多福等, 1997; 郑荣才等, 2003, 2006; 柳益群等, 2010, 2011, 2013; 郭强等, 2012; 李红等, 2012a, 2012b; 钟大康等, 2015a, 2015b)。这类岩石既不是单纯的海水或湖水化学沉淀沉积成因, 也不是单纯的岩浆热液冷凝结晶成因, 而是岩浆热液与海水或湖水混合后发生沉积与沉淀形成的, 属于岩浆岩与沉积岩之间的过渡类型, 有人把这种岩石叫“ 热水沉积岩” , 也有人叫“ 喷流岩” 。这些岩石在岩石的颜色、化学与矿物成分、结构与构造、垂向沉积序列、空间展布等方面与普通的化学沉积岩如碳酸盐岩、膏盐岩都有很大不同。在颜色上有的颜色偏浅, 为白色、灰白色, 有的偏深, 呈深灰色或黑色, 前者人们称之为“ 白烟囱” 型热水沉积岩, 后者人们称之为“ 黑烟囱” 型热水沉积岩; 在岩石的矿物成分上含有非常特殊的矿物, 如沸石、天青石、重晶石、菱镁矿、菱锶矿等; 岩石在结构上表现为碎屑岩中的碎屑结构、泥质结构与化学沉积岩中的泥晶结构、内碎屑结构共存; 构造上表现为一些沉积岩中的纹层构造、同生变形构造与一些特殊沉积构造如星散状构造、网脉构造共存(郑荣才等, 2003, 2006; 柳益群等, 2010); 古生物化石显示可能含有一定热水生物; 在空间上常常沿海底— 湖底沟通幔源的深大断裂分布或围绕热液喷流口分布(郭强等, 2012; 钟大康等, 2015a)。

作者在前期对二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组热水沉积岩的初步研究基础上, 根据近2年进一步的岩心观察和系统采样分析, 结合前人对不同地区不同层位热水沉积岩的研究成果, 系统总结了该地区热水沉积岩的颜色、矿物成分、岩石结构与构造及岩性垂向序列与空间分布特征, 以便为将来热水沉积岩的研究奠定基础并提供参考。

1 区域地质背景

白音查干凹陷位于内蒙古自治区巴彦淖尔盟乌拉特中旗北部。构造上位于二连盆地西端(图1), 是在海西褶皱带基底上发育起来的北断南超型箕状凹陷, 其北部为巴音宝力格隆起, 南部为赛呼都格凸起。凹陷呈北东— 南西向的狭长形态展布, 长约127, km, 宽约12~33, km, 面积约3200, km2。

图 1 内蒙古二连盆地白音查干凹陷位置及井位分布Fig.1 Location and well distribution of the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

白音查干凹陷基底为古生界, 形成于中生代晚侏罗世— 早白垩世, 先后经历了初始裂陷期、强裂陷期、断坳转换期和后期抬升剥蚀期4个演化阶段, 初裂陷期主要为晚侏罗世, 因地壳受到拉张而引发1次大规模的火山喷发, 形成了火山岩及火山碎屑岩, 早白垩世进入强裂陷期, 从下至上依次充填了下白垩统下部的阿尔善组(K1ba)、腾格尔组(K1bt)、都红木组(K1bd)和赛汉塔拉组(K1bs)。文中讨论的热水沉积主要发育于下白垩统腾格尔组, 这套热水沉积岩无论是岩心特征还是镜下特征, 以及地球化学特征都与正常的化学沉积岩(灰岩、白云岩)或正常碎屑岩(砂泥岩)有很大不同。

2 热水沉积岩颜色与矿物组成

根据岩心观察, 白音查干凹陷下白垩统的腾格尔组这套热水沉积岩在岩心上表现为深灰色、灰色、灰褐色泥质— 沸石质白云岩(郭强等, 2012; 钟大康等, 2015a; 2015b), 但在深灰色背景上发育白色纹层、条带、斑点、斑块或团块。

根据岩石薄片、全岩X衍射、电子探针、扫描电镜及能谱分析, 腾格尔组热水沉积岩矿物成分复杂, 除了含有正常的陆源碎屑如石英、长石、黏土矿物等, 还发育有许多特殊类矿物, 其中主要为白云石(含量为17.8%~70.9%)和沸石(钠沸石和方沸石, 平均含量为27.78%, 最高可达56%), 其次含有少量的黄铁矿、菱镁矿、菱铁矿和重晶石(表 1), 局部还可见微量的水镁铁石、菱锶矿、滑石等矿物。其中最特征的热水沉积矿物为白云石和沸石。

表 1 内蒙古二连盆地白音查干凹陷钻井热水沉积岩全岩矿物X衍射分析数据 Table1 Analysis data of whole rock-mineral X-ray diffraction of hydrothermal-sedimentary rocks in wells of the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia
2.1 白云石

白云石作为腾格尔组热水沉积岩最主要的造岩矿物, 根据晶体大小、形态及分布, 识别出3种类型白云石, 分别为泥晶白云石、粉— 细晶白云石和粗晶白云石。所有白云石的含铁量(wt.%)在3%~7%之间(表 2), 且Fe/(Fe+Mg)值为0.09~0.29, 介于含铁白云石比值0.05~0.40之间, 均属于含铁白云石(陈丽华等, 1991)。

表 2 内蒙古二连盆地白音查干凹陷钻井热水沉积岩中白云石元素组成 Table2 Dolomite element compositions from hydrothermal-sedimentary rocks in wells of the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

2.1.1 泥晶白云石

泥晶白云石均匀分布在热水沉积岩的基质中, 与泥级的斜长石、钾长石及少量的黏土矿物混杂一起而显得极为浑浊(图 2-A)。显微镜下, 泥晶白云石粒径细小且与陆源碎屑矿物混杂难以辨认其晶形。扫描电镜下, 泥晶白云石晶体大小均一, 粒径在2~5, μ m之间, 晶体自形程度低, 为他形结构, 边缘呈不规则状, 偶尔可见微生物成因的似球状晶体形貌(图2-B; Vasconcelos et al., 1995; 李红等, 2012a)。

图 2 内蒙古二连盆地白音查干凹陷腾格尔组热水沉积岩白云石显微特征
A— 泥晶白云石与陆源碎屑矿物混杂共生, 锡26井, 1824.3, m, 正交偏光; B— 泥晶白云石微形貌特征, 扫描电镜, 锡26井, 1824.3, m; C— 粉晶白云石交代钠沸石矿物, 锡3-69井, 1771.8, m, 正交偏光; D— 菱面体粉晶白云石、方沸石和钠沸石微形貌特征, 扫描电镜, 锡3-69井, 1785.5, m; E— 粉晶白云石与钠沸石形成纹层, 锡36井, 2436.94, m, 正交偏光; F— 粗晶白云石镜下特征, 锡31井, 2050.57, m, 正交偏光。 照片中标注: Albite为钠长石, A为方沸石, D1为泥晶白云石, D2为粉晶白云石, D3为粗晶白云石, N为钠沸石Fig.2 Microscopic characteristics of dolomite of hydrothermal-sedimentary rocks(Tengger Formation) in the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

2.1.2 粉晶白云石

粉— 细晶白云石晶粒大小一般介于50~300, μ m之间, 与泥晶白云石相比, 粉— 细晶白云石晶体自形程度高, 为半自形— 自形晶, 整体较为洁净。扫描电镜下观察到菱面体的粉晶白云石常与自形程度高的沸石共生出现(图 2-D)。粉晶白云石主要以2种形式赋存于热水沉积岩中, 一种是以交代沸石矿物集合体边缘的形式出现的白色颗粒(图 2-C), 另一种呈连晶状的粉— 细晶白云石与少量沸石矿物共同组成白色纹层(图 2-E), 二者与基质泥晶白云石具有明显的分割界限, 排除是基质泥晶白云石重结晶形成的较粗晶粒, 认为是热液流体与冷湖水互溶后直接沉淀而形成的白云石矿物(文华国等, 2014)。

2.1.3 粗晶白云石

粗晶白云石在热水沉积岩中含量最少, 仅呈集合体状沿缝合线发育, 垂直切穿泥质白云岩。粗晶白云石晶体表面粗糙浑浊, 晶体粒径一般大于1, mm, 晶面呈现曲面形或弧形, 晶内发育裂纹, 正交偏光下可见波状消光, 具有热液马鞍状白云石特征, 且在晶粒间常发育晶间孔(图2-F), 认为粗晶白云石是后期热液流体交代早期白云石发生重结晶而形成的次生白云石。

2.2 沸石

研究区内热水沉积岩中发育钠沸石和方沸石2种沸石类矿物, 未见其他含钙、钾等类型的沸石。这2种沸石矿物较易区分, 各自具有独特的晶体光学及微观形貌特征。

2.2.1 方沸石

方沸石理想化学式为Na[AlSi2O6]· H2O, 单偏光显微镜下呈无色透明, 负低突起, 正交偏光镜下显示全消光或弱消光的一级灰干涉色, 晶体自形程度高, 为自形— 半自形, 极易与周围其他矿物区分; 在扫描电镜下方沸石单一晶体为典型的四角三八面体(图 2-D), 偶见晶体被溶蚀具不规则边缘。方沸石按晶粒大小可进一步划分为泥— 粉晶、中— 粗晶2种类型, 二者具有不同分布特征: (1)泥— 粉晶方沸石通常与泥晶白云石、陆源碎屑混合分布在暗色基质中, 粒径为20~100, μ m, 晶粒周围常被泥晶白云石交代(图 3-A), 或呈环带状交代钠沸石矿物(图 3-B); (2)中— 粗晶方沸石, 其粒径为300~600, μ m, 其集合体组成白色颗粒无规则地分布在暗色基质中(图 3-C); (3)中— 粗晶方沸石与含铁白云石共同充填于裂缝中(图 3-D); (4)在局部地区还可见到纤维状方沸石晶体呈放射状分布在暗色基质中(图 3-E)。此外, 方沸石Si/Al值约为2, 这与直接从碱性溶液沉淀出的标准方沸石的Si-Al值极为相近(陈丽华等, 1991)。

图 3 内蒙古二连盆地白音查干凹陷腾格尔组热水沉积岩沸石显微特征
A— 泥— 粉晶方沸石与泥晶白云石、陆源碎屑混杂混合, 锡3-69井, 1796.26, m, 正交偏光; B— 微晶方沸石交代钠沸石, 锡26井, 1832, m, 正交偏光; C— 方沸石伴生菱镁矿组成白色颗粒, 查39井, 2337.32, m, 正交偏光; D— 方沸石和含铁白云石充填裂缝, 锡26井, 1818.13, m, 正交偏光; E— 纤维状方沸石, 锡3-69井, 1785.5, m, 正交偏光; F— 重晶石充填钠沸石间, 锡26井, 1818.13, m, 正交偏光; G— 钠沸石微形貌特征, 扫描电镜, 锡32井, 1823.6, m; H— 钠沸石纹层, 锡3-69井, 1776.8, m, 正交偏光; I— 细晶钠沸石组成白色 颗粒, 锡3-69井, 1785.5, m, 正交偏光。照片中标注:A为方沸石, B为重晶石, D2为粉晶白云石, M为菱镁矿, N为钠沸石Fig.3 Microscopic characteristics of zeolite of hydrothermal-sedimentary rocks(Tengger Formation) in the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

2.2.2 钠沸石

钠沸石理想化学式Na2[Al2Si3O10]· 2H2O, 单偏光镜下观察钠沸石为无色透明, 负低突起。正交偏光镜下干涉色为一级灰白或一级黄, 平行消光, 有时可见波状消光, 晶体常呈柱状、板状出现(图 3-F, 3-G)。钠沸石在本套热水沉积岩中均有分布, 同样从粒级角度考虑, 可以将钠沸石分为粉晶钠沸石和细晶钠沸石。粉晶钠沸石集合体也可以呈纹层状产出, 纹层最小厚度在50, μ m左右(图 3-H); 而细晶钠沸石则多呈棱角状或柱状充填于白色碎屑颗粒中, 粒径介于100~250, μ m之间(图 3-I), 局部可见波状消光, 认为可能与高温条件下形成有关。在个别样品中可见钠沸石交代早期形成的方沸石, 已有实验证明钠沸石和方沸石可从同一热液中沉淀出, 但方沸石的形成温度比钠沸石高50, ℃(Ghobarkar and Schä f, 1999; Kumar and Chattopadhyaya, 2006)。

2.3 黄铁矿

本套热水沉积岩中黄铁矿以单晶或集合体形式出现, 且黄铁矿晶体边界平直, 晶粒粒径一般在10~40, μ m之间, 扫描电镜下主要识别出立方体状黄铁矿(图 4-C), 未见草莓状黄铁矿集合体。本套热水沉积岩中的黄铁矿具有3种产状分布: (1)黄铁矿集合体呈纹层状夹在暗色纹层泥晶白云石纹层或有机物纹层中, 纹层宽约100~200, μ m(图 4-A); (2)黄铁矿聚集体呈块状分布在白色颗粒边缘或者中间位置, 交代沸石和白云石颗粒(图 4-B), 或充填溶孔和裂缝; (3)分散型黄铁矿呈斑块状杂乱分散在泥晶白云石基质中(图 4-B), 黄铁矿集合体较大, 直径介于0.4~0.7, cm之间, 前人研究认为这种结构是喷流作用导致(文华国等, 2008)。

图 4 内蒙古二连盆地白音查干凹陷热水沉积黄铁矿、菱镁矿和重晶石显微特征
A— 纹层状黄铁矿夹在白色纹层与暗色纹层间, 锡31井, 2080.04, m, 单偏光; B— 黄铁矿集合体呈块状交代沸石和白云石颗粒, 锡36井, 2436.94, m, 单偏光; C— 立方体状黄铁矿微形貌, 扫描电镜, 锡36井, 2436.94, m; D— 菱镁矿呈放射状分布钠沸石中, 锡3-69井, 1796.26, m, 正交偏光; E— 菱镁矿六边形横截面, 锡3-69井, 1796.26, m, 单偏光; F— 菱镁矿六面体微形貌, 扫描电镜, 锡26井, 1830.03, m; G— 重晶石横截面2组近垂直解理, 锡26井, 1818.13, m, 单偏光; H— 重晶石与钠沸石共生, 锡26井, 1824.3, m, 单偏光; I— 重晶石微形貌特征, 扫描电镜, 锡26井, 1824.3, m。照片中标注: D2为粉晶白云石, P为黄铁矿, N为钠沸石, M为菱镁矿, B为重晶石Fig.4 Microscopic characteristics of pyrite, magnesite and barite of hydrothermal-sedimentary rocks(Tengger Formation) in the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

2.4 菱镁矿

热水沉积岩中菱镁矿含量较少, 常与钠沸石、方沸石矿物共生, 呈放射状或针状集合体发育在由钠沸石和方沸石组成的白色颗粒中(图 4-D)。在显微镜下菱镁矿为淡黄色或无色, 闪突起明显, 高级白干涉色, 可见菱形横截面发育2组斜交解理(图4-E), 晶体长达600, μ m, 宽达200, μ m。扫描电镜下菱镁矿自形程度极高, 晶形为典型的六棱柱状(图 4-F)。

2.5 重晶石

重晶石在单偏光下观察无色透明, 正中突起, 可见2组近垂直解理; 正交偏光镜下为一级灰白干涉色。本次研究在显微镜下发现的重晶石颗粒为细晶, 粒径一般在100~200, μ m间, 一般充填于板状钠沸石晶体所搭建的晶间孔中(图 4-G), 也可分布在钠沸石晶粒中(图 4-H, 4-I), 仅与钠沸石共生。

2.6 矿物组合类型

研究区热水沉积岩的矿物组分复杂多样, 白云石和沸石(钠沸石和方沸石)为主要造岩矿物, 黄铁矿、菱镁矿、菱铁矿、水镁铁石及重晶石作为次要矿物, 也混杂有黏土矿物、石英、钾长石和斜长石等陆源碎屑物。由于具有复杂多样的矿物类型, 因此, 热水沉积岩具有一定的矿物组合类型, 不同的组合规律不仅作为热水沉积岩岩石类型划分的基础, 同时也是判断热水沉积岩成因类型和热液流体性质的依据。

白音查干凹陷腾格尔组热水沉积岩中常见的矿物组合类型可划分为以下6种: (1)含铁白云石— 钠沸石— 方沸石组合; (2)含铁白云石— 钠沸石— 方沸石— 黄铁矿组合; (3)含铁白云石— 黄铁矿组合; (4)钠沸石— 方沸石— 菱镁— 铁矿— 黄铁矿组合; (5)钠沸石— 重晶石— 菱铁矿共生; (6)钠沸石— 方沸石— 菱镁矿— 菱矿组合。根据这6种热水矿物组合特征, 推测形成腾格尔组热水沉积岩的热液流体是富含C O32-、S O42-、Na+、Al3+、Si4+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+离子, 而贫金属硫化物的一种中— 低温白烟型的热液流体。

3 热水沉积岩结构特征
3.1 热水内碎屑结构

文中的热水内碎屑结构是指由粉晶— 中晶的钠沸石、方沸石、含铁白云石、菱镁矿等单矿物或矿物集合体构成的砂级— 砾级热水沉积内碎屑。这些内碎屑应该是热液流体内压力高于上覆沉积物和静水压力后, 造成早期热水沉积岩破碎形成的(文华国, 2008)。根据内碎屑矿物成分及其组合关系, 热水沉积内碎屑划分为单元矿物内碎屑和多元矿物内碎屑2种类型。

1)单元矿物内碎屑主要包括白云石内碎屑和钠沸石内碎屑。其中, 白云石内碎屑大小不一, 多为砂级内碎屑, 呈次圆状至圆状, 反映内碎屑自喷流口搬运距离较远, 常与钠沸石内碎屑或多元矿物内碎屑共同出现; 而钠沸石内碎屑, 由钠沸石集合体组成, 内碎屑粒径变化范围大, 常呈棱角状, 说明钠沸石碎屑距离热液喷流口较近。

2)多元矿物内碎屑中矿物成分有2种或2种以上, 内碎屑中的矿物组合关系复杂多样(图5), 主要包括: (1)含铁白云石— 钠沸石共生组合形成的内碎屑; (2)含铁白云石— 方沸石共生组合形成的内碎屑; (3)含铁白云石— 黄铁矿组合构成的内碎屑; (4)含铁白云石— 钠沸石— 黄铁矿组合形成的内碎屑; (5)白云石— 钠沸石— 方沸石— 黄铁矿组合构成的内碎屑; (6)钠沸石— 菱铁矿组合构成的内碎屑; (7)钠沸石— 白云石— 菱镁矿— 黄铁矿组合构成的内碎屑。这些多种矿物组成的内碎屑颗代表早期形成热水沉积岩的热液流体成分的复杂性及其多样性。

图 5 内蒙古二连盆地白音查干凹陷热水沉积岩热水内碎屑结构显微特征
A— 单一白云石内碎屑颗粒, 锡2井, 1743.81, m, 正交偏光; B— 单一钠沸石内碎屑颗粒, 锡26井1812.73, m, 正交偏光; C— 白云石— 钠沸石共生组合内碎屑颗粒, 锡31井, 2083.9, m, 单偏光; D— 白云石— 方沸石共生组合内碎屑颗粒, 锡36井, 2436.94, m, 正交偏光; E— 含铁白云石— 黄铁矿共生组合内碎屑颗粒, 锡2井, 1743.81, m, 单偏光; F— 白云石— 钠沸石— 黄铁矿共生组合内碎屑颗粒, 锡3-69井, 1831.74, m, 正交偏光; G— 白云石— 钠沸石— 方沸石— 黄铁矿共生组合内碎屑颗粒, 锡3-69井, 1772.8, m, 正交偏光; H— 钠沸石— 白云石— 菱镁矿— 黄铁矿共生组合内碎屑颗粒, 锡3-69井, 1785.5, m, 正交偏光; I— 钠沸石— 菱铁矿共生组合 内碎屑颗粒, 锡3-69井, 1796.26, m, 单偏光Fig.5 Microscopic characteristics of hydrothermal intraclastic textures of hydrothermal-sedimentary rocks (Tengger Formation)in the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

3.2 泥晶结构

泥晶结构通常为化学沉积, 本套热水沉积岩中50%以上为泥微晶矿物, 并且混杂少量的陆源碎屑物质。其中泥晶矿物主要为含铁白云石和钠沸石。本次研究的热水沉积岩中白云石和沸石晶体粒径普遍小于5, μ m, 当其富集时具有一定的光性特征, 白云石为高级白干涉色, 钠沸石为一级灰白— 黄干涉色。目前研究区热水沉积岩以含铁白云石(图 6-A)及含铁白云石— 钠沸石(图 6-B, 6-C)的泥晶结构较为常见, 尚未发现较典型的以钠沸石为主的泥晶结构。

图 6 内蒙古二连盆地白音查干凹陷热水沉积岩泥晶结构和团块结构显微特征
A— 含铁白云石泥晶结构, 锡36井, 2429.2, m, 正交偏光; B— 铁白云石— 钠沸石组合泥晶结构, 锡26井, 1824.3, m, 正交偏光; C— 泥晶白云石— 钠沸石混杂基质, 锡26井, 1832, m, 正交偏光; D— 粉细晶白云石团块, 锡26井, 1812.73, m, 正交偏光; E— 钠沸石团块, 锡26井, 1816.33, m, 正交偏光; F— 方沸石团块, 边缘被泥晶白云石胶结, 锡36井, 2436.94, m, 正交偏光Fig.6 Microscopic characteristics of mud-crystal and crumb textures of hydrothermal-sedimentary rocks (Tengger Formation)in the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

3.3 团块结构

研究区热水沉积岩中常见白云石、钠沸石以粉— 细晶状局部集中形成的白云石团块和钠沸石团块(图 6-C, 6-D), 偶尔可见方沸石团块(图 6-E)。团块大小一般介于0.1~0.7, mm间, 团块之间充填黏土矿物, 有时也会看到局部集中的钠沸石集合体或白云石集合体, 反映了水体的扰动环境。推测其可能形成于热水喷流过程中, 热水从高压进入低压的环境, 产生水体震荡, 从而形成上述的团块结构。另外也可能是地下热液与湖泊冷水混合时各化学成分由于离子电荷作用产生的絮凝效应引起。

4 热水沉积岩构造特征

研究区热水沉积岩与正常湖相沉积岩相比, 构造极其丰富, 按照岩石形态及矿物特征共可划分为8种构造类型(表 3), 不同的构造类型往往出自不同的成因类型, 对热水沉积岩的成因起到一定揭示作用。

表 3 内蒙古二连盆地白音查干凹陷腾格尔组热水沉积岩沉积构造分类 Table3 Classification of sedimentary structures for hydrothermal-sedimentary rocks(Tengger Formation) in the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia
4.1 纹层状和条带状构造

纹层状和条带状构造是腾格尔组热水沉积岩中最常见的沉积构造(图 7-A, 7-B), 被认为是确定热水沉积岩的重要标示之一(郑荣才等, 2006)。白色纹层由若干微米级至毫米级厚度的矿物组合组成, 根据纹层中矿物的差异类型, 常见的纹层组合如下: (1)单一含铁白云石纹层; (2)单一钠沸石纹层; (3)含铁白云石— 钠沸石组合纹层; (4)含铁白云石— 菱镁矿组合纹层。各种纹层组合中或多或少含有黄铁矿纹层, 往往夹有正常湖相沉积的泥、泥质白云岩及有机质纹层, 其中白云石和钠沸石通常为粉晶— 细晶集合体。当上述纹层的厚度达到厘米级时称之为条带状构造(图 7-C, 7-D), 相对于纹层状构造, 条带中各种矿物晶体自形程度高, 且晶体粗大具有细晶— 中晶结构。随着纹层和条带在层面的延展, 白色纹层和条带逐渐消失于暗色泥岩中, 这与热水沉积岩沿喷流口向两侧呈分带性沉积有关, 热液流体带来的化学成分以化学沉淀形式在沿喷流口处缓慢溢出, 而距离喷流口较远处则过渡为正常沉积岩。

图 7 内蒙古二连盆地白音查干凹陷腾格尔组热水沉积岩沉积构造特征
A— 白色白云岩纹层与暗色泥岩/泥质白云岩交替出现, 锡31井, 2080.04, m; B— 白色白云岩纹层, 锡3-69井, 1826.6, m; C— 白色白云岩— 沸石条带, 锡3-69井, 1820.01, m; D— 白色条带与暗色泥岩互层, 锡3-69井, 1796.03, m; E— 网脉状构造, 锡3-69井, 1831.45, m; F— 为E中岩心底部横截面, 裂缝相互连通, 锡3-69井, 1831.45, m; G— 白色条带塑性变形, 似香肠形, 锡31井, 2079.04, m; H— 角砾状构造, 白色角砾无规律分布在暗色泥质白云岩, 锡3-69井, 1795.70, m; I— 角砾状构造, 角砾呈喷爆状分布, 锡3-69井, 1831.95, m; J— 蝌蚪状构造, 锡3-69井, 1832.15, m; K— 为J中岩心顶部横截面, 锡3-69井, 1832.15, m; L— 星散状构造, 锡3-69井, 1796.64, m; M— 泥质白云岩块状构造, 锡3-69井, 1816.42, mFig.7 Characteristics of sedimentary structures of hydrothermal-sedimentary rocks(Tengger formation) in the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

4.2 网脉状构造

网脉状构造在热水沉积岩中普遍发育, 主要由铁白云石、钠沸石、方沸石、菱镁矿、黄铁矿和方解石微晶— 细晶集合体充填的裂缝组合而成。裂缝为宽窄不定的网状或不规则状, 多为垂直裂缝或高角度裂缝与水平裂缝交织存在(图 7-E, 7-F), 岩心上的充填裂缝宽度多介于0.5~3, mm之间, 镜下观察较细裂缝宽度一般介于0.07~0.5, mm之间。此种网脉状热液充填特征通常发育在热水沉积岩中, 且有学者将这种网脉状构造识别为热液流体运移通道(李朝阳等, 1993; 肖荣阁等, 1994; 王江海和颜文, 1998; 刘建明等, 2001)

4.3 同生变形构造

腾格尔组热水沉积岩主要表现为形似底辟构造的塑性变形及香肠状塑性变形。形似底辟构造的塑性变形一般具有起伏波动(图 7-A), 波动区间1, cm左右, 塑性纹层在热水喷流的影响下破裂成棱角分明的砾状内碎屑, 此类变形为热液活动时将未固结或弱固结的白色纹层搅动而发生的一种塑性变形构造; 香肠状构造是指白色纹层或条带发生盘回和扭曲(图 7-G), 形成形似香肠的一种塑性变形构造, 推测此构造与地震活动有关, 导致塑性纹层和条带发生滑塌变形(岳信东等, 2009)。

4.4 角砾状构造

角砾状构造为岩心上发育白色砾状颗粒的现象, 角砾大小不一, 粒径介于2~4, cm之间, 棱角分明, 长轴方向一般平行于层理面(图 7-H)。角砾主要由白云石和沸石等矿物组合构成, 且常可见黄铁矿、菱镁矿等, 矿物成分和组合与白色纹层和条带类似, 故认为角砾是早期白色纹层和条带由于热液沸腾爆炸而被震碎后形成的(徐兴旺等, 2003), 由于较粗的角砾难以搬运而在原地发生沉积被暗色泥质白云岩等胶结, 形成“ 水爆角砾岩” , 这种类型的角砾可以直接指示喷流的位置(范铭涛等, 2003; 郑荣才等, 2003)。此外, 局部可见白色角砾呈现由1个中心向四周呈放射状, 但明显可以看出并非自然生长而成, 认为其是后期在热水作用下由中心向四周喷爆形成的(图 7-I)。

4.5 蝌蚪状构造

蝌蚪状构造显示为颗粒呈球粒状, 粒径一般介于1~3, mm之间, 后面都带有“ 小尾巴” , 形似蝌蚪, 分布排列具有定向性, 颗粒长轴平行层理面(图 7-J, 7-K)。镜下观察可见, 方沸石正交偏光镜下全消光, 发育在碎屑中部, 白云石呈泥— 粉晶, 镜下可见高级白干涉色, 通常包围着方沸石发育在碎屑边缘, 方沸石与白云石呈镶嵌状分布。

4.6 星散状构造

星散状构造显示为白色碎屑颗粒无定向性的均匀分布于“ 泥云岩” 中。碎屑颗粒粒径一般介于2~6, mm之间, 星散状的碎屑颗粒主要由沸石和白云石组合形成, 在垂向及横截面上并无差异, 推测与热水喷溢活动有关(图 7-L)。

4.7 块状构造

文中的热水沉积岩块状构造指以泥晶、微晶白云石、钠沸石及陆源黏土矿物等沉积物均匀混杂堆积, 也可由单一的白云石或钠沸石构成, 但大部分以白云石、钠沸石、黏土矿物等矿物组成混合物构成(图 7-M)。推测可能为热水喷溢所带来的大量矿物成分快速堆积而成。

4.8 韵律性构造

韵律性构造是内碎屑颗粒在垂向上呈周期性反复有规律的出现、白色碎屑颗粒定向分布形成的。定向分布的纹层一般厚度有几厘米到几十厘米不等, 而颗粒纹层反复出现, 间隔数十厘米的“ 泥云岩” , 显示出韵律性, 横截面上直径1~3, mm的颗粒碎屑均匀分布于“ 泥云岩” 中。由此可以推测韵律结构可能与脉动性热水喷溢活动有关。

5 热水沉积岩分类与命名

以白云石、沸石、泥质物为三端元, 以50%、25%、10%为界限, 将研究区热水沉积岩进行分类与命名, 可以发现本研究区共发育3大类15种热水沉积岩类型(图 8)。根据数据点分布的密集情况, 研究区的主要岩石类型有2种, 分别为含沸石白云质泥岩和泥质白云岩, 其次是白云质泥岩、含沸石白云质泥岩, 最为少见的为以沸石为主的沸石岩类。

图 8 内蒙古二连盆地白音查干凹陷热水沉积岩分类命名Fig.8 Classification and name of different hydrothermal-sedimentary rocks in the Baiyinchagan Sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

白音查干凹陷热水沉积岩与断裂位置及活动关系密切, 热水沉积岩主要分布于断裂的下降盘, 从断裂一侧逐渐向湖盆中心尖灭, 进一步验证同沉积断裂系统作为热液运移通道, 为热水沉积提供物质基础, 并控制热水沉积岩沿着断裂下降盘呈线状展布。依沉积旋回演化顺序, 热水沉积岩还具有随湖盆扩大和水体加深而加厚的特点, 说明多期热液流体喷溢逐渐增强, 导致热水沉积岩分布范围扩大。

6 结论

1)白音查干凹陷下白垩统腾格尔组热水沉积岩的矿物成分种类多、类型复杂, 主要以白云石和沸石矿物为主, 其次含有黄铁矿、重晶石、菱镁矿、菱铁矿等矿物; 其中白云石分为泥晶、粉晶和粗晶白云石, 沸石仅为钠沸石和方沸石; 根据矿物发育位置及形态可划分为6种共生矿物组合。

2)热水沉积岩岩石结构、构造特征复杂多样, 微观上根据矿物组合可划分为热水内碎屑结构、泥晶结构和团块结构3种结构类型; 宏观上热水沉积岩发育纹层状和条带状构造、网脉状构造、同生变形构造、角砾状构造、蝌蚪状构造、星散状构造、块状构造及韵律构造8种构造类型, 距离喷流口位置差异性导致多变的结构、构造变化。

3)以白云石、沸石、泥质物为三端元, 以90%、75%、50%、25%、10%为界限, 将研究区热水沉积岩进行分类与命名, 研究区共发育3大类15种热水沉积岩类型, 但主要的岩石类型有2种, 分别为含沸石白云质泥岩和泥质白云岩, 其次是白云质泥岩和含沸石白云质泥岩。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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