柳益群, 周鼎武, 南云, 焦鑫, 李哲萱, 李红, 周小虎. (2018)新疆北部地区二叠系幔源碳酸岩质喷积岩研究* [J]. 古地理学报, 20(1): 49-63
Liu Yi-Qun, Zhou Ding-Wu, Nan Yun, Jiao Xin, Li Zhe-Xuan, Li Hong, Zhou Xiao-Hu. (2018)Permian mantle-derived carbonatite originated exhalative sedimentary rocks in North Xinjiang[J]. Journal Of Palaeogeography, 20(1): 49-63.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2018.01.004
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新疆北部地区二叠系幔源碳酸岩质喷积岩研究*
柳益群1, 周鼎武2, 南云1, 焦鑫1, 李哲萱1, 李红1, 周小虎1
1 西北大学大陆动力学国家重点实验室,西北大学地质学系,陕西西安 710069
2 山东科技大学地质科学与地质工程学院,山东青岛 266510

第一作者简介 柳益群,1951年生,教授,博士生导师,主要从事沉积学、含油气盆地地质学、储集层地质学的教学和研究。E-mail: liu-yiqun@263.com。

收稿日期:2017-10-18
基金资助:*国家自然科学基金面上项目(编号:41272116, 41572086)和大陆动力学国家重点实验室(西北大学)重点基金(编号:BJ08133-3)联合资助
摘要

新疆北部地区的二叠纪芦草沟期发育陆内裂谷型欠补偿湖盆,形成了中二叠统芦草沟组的重要烃源岩系。该烃源岩系中夹有一套以深源碎屑为特征的新型沉积组合,即薄层、纹层状地幔岩浆—热液喷流型沉积岩——喷积岩。本文报道的碳酸岩质喷积岩包括喷爆岩和喷溢岩 2种类型。碳酸岩质喷爆岩厚 0.5~4 cm,岩石以微粒晶质方解石矿物为碎屑,方解石碎屑颗粒呈大小不一、形态各异的角砾状,星散分布于黑色基质中,并显示粒序特征;碳酸岩质喷溢岩多呈 2~4 mm厚的纹层和 2~3 cm厚的薄层被夹于黑色含油沉凝灰岩、含油凝灰质泥晶白云岩等纹层岩中。纹层中的方解石具有典型的镶嵌粒状结构、环带结构。喷爆岩中方解石的流体包裹体测温高达 435 ℃以上; C-O、 Sr-Nd同位素显示碳酸岩质喷积岩中的方解石源自地幔,但受到湖水的较大影响。研究表明,本区的碳酸岩质喷积岩是一种源自地幔的碳酸岩质岩浆—热物质流体喷发、溢流入湖底,与湖水混合沉积而成的一类新型沉积岩。

关键词: 碳酸岩; 岩浆—热液喷流沉积岩; 芦草沟组; 二叠系; 新疆北部地区
中图分类号:P588.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2018)01-0049-15
Permian mantle-derived carbonatite originated exhalative sedimentary rocks in North Xinjiang
Liu Yi-Qun1, Zhou Ding-Wu2, Nan Yun1, Jiao Xin1, Li Zhe-Xuan1, Li Hong1, Zhou Xiao-Hu1
1 State Key Laboratory of Continental Dynamics,Department of Geology,Northwest University,Xi'an 710069,Shaanxi;
2 College of Earth Science and Engineering,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510,Shandong

About the first author Liu Yi-Qun,born in 1951,is a professor and supervisor of Ph.D. candidate. She is mainly engaged in sedimentology,petroliferous basin geology and exhalative rocks sedimentary. E-mail: liu-yiqun@263.com.

Fund:Co-funded by General Program of the National Natural Science Foundation of China (Nos. 41272116, 41572086) and Foundation of State Key Laboratory of Continental Dynamics(Northwest University) (No. BJ08133-3)
Abstract

In the Permian Lucaogou epoch, an underfilled intracontinental rift basin was developed in the North Xinjiang, which yields an important source rock of the Lucaogou Formation. A new series of sedimentary rocks that are laminated, thin bedded, carbonate rick and mantle-derived were observed in the source rock and termed as Exhalative Sedimentary Rocks (ESR). The carbonatite ESR in this paper include two types, Effusive Rocks and Explosive Rocks. The thickness of carbonatite Explosive Rocks ranges from 0.5~4 cm. Fine-grained calcite clasts distribute dispersedly in black matrix with various sizes and shapes and display normal grading. The calcite carbonatite originated Effusive rocks are characterized by 2~4 mm laminae and 2~3 cm thin bed, and are intercalated within oil-bearing sedimentary tuffs and tuffaceous dolostones. The calcites represent granular mosaic and zonal structure; homogenization temperatures of fluid inclusions reaches to 435℃. C-O and Sr-Nd isotope compositions indicate the calcite in canbonatite ESR was originated from mantle yet has been largely influenced by interaction with lake water. This study shows that the carbonatite ESR are the product of interaction between mantle-derived carbonatite melt/fluid and fresh lake water.

Key words: carbonatite; magmatic-hydrothermal exhalative sedimentary rocks; Lucaogou Formation; Permian; North Xinjiang

碳酸岩是一种富含碳酸盐矿物的火成岩石, 其碳酸盐矿物体积大于50%, 主要矿物成分有方解石、白云石、铁方解石、铁白云石、碱性长石、霓石、辉石、钠闪石、橄榄石、金云母、锂云母、霞石等, 总含量应占80%以上; 其次有菱铁矿、菱锶矿、菱锰矿等; 还有硫化物、氧化物、卤化物、硫酸盐、磷酸盐、硅酸盐等矿物、磁铁矿、独居石、萤石及烧绿石等副矿物。碳酸岩为结晶粒状岩石, 颜色主要为白色或淡棕色, 少数为黄色或棕色。一般来说, 碳酸岩的矿物结晶顺序为: 方解石— 白云石— 铁白云石— 菱鎂矿; 岩石结构: 细— 粗粒结晶粒状结构、鲕粒结构、豆状结构、生物结构、碎屑结构; 岩石构造: 块状构造、条带状构造、瘤状构造。按照国际地科联火成岩分类委员会1989的分类和Kresten(1983)的分类, 将岩浆成因的碳酸岩按矿物成分划分为: 粗粒相碳酸岩, 包括黑云碳酸岩和白云碳酸岩, 该相位于杂岩体中心, 呈岩株、岩墙、岩脉状环状分布, 呈晶粥状塑形侵位; 细粒相碳酸岩, 包括方解石碳酸岩和镁云碳酸盐, 该相呈切线和放射状侵入岩体和围岩, 与非碳酸岩岩墙伴生, 多为脉岩。碳酸岩的喷出相较少见, 典型代表是东非裂谷的坦噶尼喀湖(Jean￣Jacques and Tiercelin, 1989; 王登红(译), 1994)。碳酸岩研究在指示地幔流体性质、地幔交代作用、壳幔相互作用以及成矿方面具有特殊性。目前在世界范围内已发现400多处碳酸岩, 大部分分布于克拉通区大陆裂谷带和板块内部, 少数在板块边缘(造山带)。

中国新疆北部地区的中二叠统芦草沟组是重要的致密油层系。近年来研究成果表明, 该组不仅发育一套由深灰色— 灰黑色的凝灰岩、沉凝灰岩夹白色— 灰白色白云岩、灰岩组合而成的纹层状(0.5~3, mm)巨厚沉积岩系, 而且还发育一套以深源碳酸岩浆喷爆、喷发物质及地幔热液喷流物质与湖水混合而成的特殊纹层状沉积岩(柳益群等, 2010, 2011, 2013; 焦鑫等, 2013; 蒋宜勤等, 2015; 靳梦琪, 2015), 其岩石类型多样, 是地球深部岩浆— 热液流体脉动式喷爆— 喷流的沉积物与湖相沉积混合而成的累积物(简称喷积岩)。该类由碳酸岩浆形成的细粒岩石不仅具有典型的矿物成分和结构构造, 而且具有层状(纹层状)构造和显示地幔来源的岩石地球化学成分。另一方面, 三塘湖盆地、准噶尔盆地南缘吉木萨尔凹陷在芦草沟组沉积时期可能和东非裂谷的坦噶尼喀湖一样发育热泉, 其中均含丰富的H2CO3热液及微生物藻席。对上述地区的综合研究, 不仅对于探讨盆地类型、形成环境和物质来源具有重要的理论意义, 而且为油气生成及分布规律的探讨提供了研究实例。

1 区域地质背景

准噶尔盆地及三塘湖盆地位于中国新疆的阿尔泰山系和天山山系之间(92° 00'-95° 30', 北纬43° 20'-45° 00'), 属于博格达山构造带与克拉麦里构造带之间的二叠纪断陷盆地(图 1)。根据区域地质、地震和重、磁资料等综合分析, 该地区经历了前晚石炭世基底形成的板块构造作用和晚石炭世以来盆地盖层沉积形成发展的板内构造作用两大重要时期。前晚石炭世基底形成过程主要受古生代区域古亚洲洋域洋盆俯冲、陆块增生拼贴、板块碰撞造山过程的控制, 并直接受控于古准噶尔洋沿克拉麦里俯冲消减带在泥盆纪的俯冲、西伯利亚板块与哈萨克斯坦板块在石炭纪的碰撞造山的构造作用。晚泥盆世— 早石炭世, 伴随准噶尔— 克拉麦里洋盆闭合, 三塘湖地区与准噶尔地区、博格达地区以及觉罗塔格地区形成统一大陆; 晚石炭世, 新疆北部地区进入板内裂谷演化阶段, 以形成一系列受正断层控制的裂谷— 断陷盆地为特征, 广泛发育海陆过渡相、陆相巨厚的基性、酸性火山岩和局部山麓堆积相沉积; 早、中二叠世为裂谷充填阶段, 以发育火山岩、地幔岩浆— 热液喷流沉积岩类为特征; 晚二叠世北疆地区进入盆地闭合阶段, 发育一系列山前粗碎屑堆积, 在三塘湖地区普遍缺失。喜马拉雅运动期间, 克拉麦里山和博格达山强烈隆升, 形成准噶尔和三塘湖分隔的盆山格局(顾连兴等, 2001; 周鼎武等, 2006; 汪传胜等, 2009; 孙国智和柳益群, 2009; 李玮等, 2012; 汪双双等, 2013, 2014, 2015; 夏林圻等, 2013)。

图 1 新疆北部地区构造简图及三塘湖盆地马朗凹陷、准噶尔盆地吉木萨尔凹陷及钻井位置图Fig.1 Tectonic map of North Xinjiang and sampling location from Malang Depression, Santanghu Basin and Jimusar Depression, Junggar Basin

三塘湖地区和准噶尔吉木萨尔地区的中二叠统芦草沟组发育巨厚的纹层状黑色— 灰黑色— 深灰色的沉凝灰岩夹白云岩、灰岩, 富含吐鲁番鳕鱼、介形虫等生物化石(程政武等, 1995; 伍绍祖等, 1995), 分布广泛, 是新疆北部地区重要的含油黑色岩系, 在北疆地区完全可以对比。

2 研究方法

由于芦草沟组主要为一套纹层状细粒沉积岩, 富含碳酸岩质矿物, 并富含有机质和沥青质, 因此采用如下研究方法: 首先将岩石磨制成0.03, mm厚度的薄片后染色(用0.2, g茜素红+100, mL蒸馏水+3, mL浓盐酸; 2 g铁氰化钾+100, mL蒸馏水+3, mL浓盐酸, 两者以3︰2混合。染色后, FeO含量小于0.5%的方解石呈红色, FeO含量为0.5%~1.5%的方解石呈紫红色, FeO含量为1.5%~2.5%的方解石为紫蓝色, FeO含量为2.5%~3.5%方解石为深蓝色, 白云石不显色, 铁白云石呈蓝绿色), 而后在偏光显微镜下对不同岩石类型的薄片进行系统、精细的显微镜观察研究, 并配合大量的电子探针分析对矿物成分和结构进行准确的鉴定。电子探针测试在西安地质研究所实验测试中心完成, 仪器型号: JXA-8100电子探针仪(15 kV, 束流1× 10-8 A, 束斑1, μ m); 选择碳酸岩质和硅质矿物较多的样品磨制阴极发光薄片(厚度0.06, mm, 双面剖光, 使用502胶), 阴极发光测试在西北大学地质学系特种显微镜室完成, 仪器型号: ELM-32(冷阴极式电子枪, 加速电压15kV, 室温30, ℃)。

为避免所测样品的测试精度受到影响, 在对碳酸岩纹层采取地球化学分析研究前, 均先经过衍射分析确定全岩矿物含量(该测试在西安地质研究所实验测试中心完成, 仪器型号: D/max-2500(40 kV, 200, Ma, 扫描步长0.020° , 速度10(° )/min, 范围5° ~56° , DS=SS=1° , RS=0.15, mm), 然后在所测X衍射结果中选择碳酸盐矿物含量均大于50%的碳酸岩进行C-O、Sr-Nd同位素分析。C-O同位素在中国科学院兰州地质所完成, Sr-Nd同位素测试在西北大学大陆动力学实验室完成。

3 碳酸岩质喷积岩岩石类型

作者研究发现, 新疆三塘湖地区和准噶尔盆地的吉木萨尔凹陷的二叠系芦草沟组实际上是一套形成于陆内裂谷欠补偿深水盆地中的由岩浆喷爆、热液喷流与湖水混合而成的一类纹层状沉积岩(柳益群等, 2013), 由毫米级纹层组合而成, 沉积厚度大, 其岩石类型多样, 具有特征的微角砾构造、星散状构造、漩涡状构造、同沉积变形构造等特征, 是地球深部岩浆— 热液流体脉动式喷流沉积的累积物, 突出表现出富含幔源热液矿物和岩浆微屑的特点, 泛指由深部(幔源、壳源)岩浆— 热液物质流体(气、液、固三相共存)以喷爆、喷溢方式参与海相、湖相沉积作用过程而成的一类新型沉积岩(喷积岩)。按物质来源、形成方式和结构构造可将喷积岩划分为: 以岩浆喷发爆破的岩浆碎屑为特征的喷爆岩、以岩浆溢流和气化显示岩浆矿物及结构构造为特征的喷溢岩、以热液喷流显示“ 黑、白烟囱” 型矿物组合为特征的喷流岩、以岩浆矿物碎屑、热液喷流物质和生烃母质混合为特征的喷混岩以及与热液活动相关的嗜热嗜毒生物岩等不同类型的纹层状沉积岩。文中探讨的碳酸岩质喷积岩包括喷爆岩和喷溢岩两类, 它们的大量出现表明源于地幔超基性岩浆的强烈活动性。

碳酸岩是一种幔源富碳酸熔体的过碱性的超基性岩浆岩, 常与超基性的碱性岩共生。也有直接喷出地表的碳酸熔岩(Jean-Jacques and Tiercelin, 1989; 王登红(译), 1994)。近年来有南海地区碳酸岩通过释放出CO2而变成玄武岩的报道(Zhang et al., 2017)。国际上按矿物成分将碳酸岩分为: 黑云碳酸岩(粗粒相)、方解石碳酸岩(细粒相)和白云碳酸岩(粗粒相)、镁云碳酸盐(细粒相)(Kresten, 1983)。文中研究的碳酸岩质喷积岩, 是夹于芦草沟组沉积岩层中的纹层状、薄层状的特殊成因沉积岩, 其矿物组成简单, 主要由方解石的晶质碎屑和少量碱性长石晶质碎屑组成, 呈微团块状断续分布在暗色泥岩层中。该类岩石具有碳酸岩中的黑云碳酸岩(Sovite)和方解石碳酸岩(Alvikite)的属性特征(Tuttle and Gittin, 1966), 根据其形成方式和结构构造将其归入喷积岩, 并进一步划分为碳酸岩质喷爆岩和喷溢岩两类。

3.1 碳酸岩质喷爆岩

喷爆岩是喷积岩中的一种主要类型, 泛指深源岩浆— 热液物质流体上涌进入湖(海)底喷流通道, 在湖底(海)喷出时, 由于温、压条件骤变导致岩浆— 热液物质流体中的先成岩浆矿物爆裂、破碎, 形成微粒晶质矿物碎屑, 并与含热液流体的湖(海)水混合沉积而成的纹层状微角砾岩(柳益群等, 2013)。该类碳酸岩质喷爆岩可见于三塘湖盆地和准噶尔盆地吉木萨尔凹陷的芦草沟组中。

3.1.1 三塘湖盆地的碳酸岩质喷爆岩

三塘湖盆地的碳酸岩质喷爆岩分别见于盆地中部马朗凹陷的S1井和S2井。

S1井的碳酸岩质喷爆岩层总厚2.4, cm。在显微镜下, 可以观察到喷爆岩层呈纹层状, 其中有一层厚约1.5, cm的纹层中由单层厚0.5, cm左右的细纹层组成, 且由下而上显示粒度逐渐变粗的现象(图 2-a)。上部较粗的方解石层可以分辨出大小相近的方解石、碱性长石和黑云母颗粒, 约占80%, 其中方解石含量约占颗粒含量的75%, 多呈近圆形和椭圆形, 边界呈锯齿状; 碱性长石呈小板条状, 含量约12%; 黑云母呈长条状, 较新鲜, 干涉色达3级红, 含量约占10%; 上述矿物分布均匀, 略具定向排列。纹层中段②方解石碎屑显示下粗上细的正粒序(图 2-b)。纹层中矿物由半自形粒状的细粒方解石、黑云母和碱性长石镶嵌而成(图 2-c, 2-d), 碳酸岩质喷爆岩的基质主要由石墨(图 3)、白云石、碱性长石和黄铁矿组成。

图 2 三塘湖盆地S1井碳酸岩质喷爆岩
a— 偏光显微镜下显示的纹层状沉凝灰岩(灰黑色)夹方解石碳酸岩层(灰色), 白色颗粒为方解石; b— 为a图的局部放大, 方解石纹层厚1.5, cm, 层内方解石碎屑呈星散状, 具粒序特征(正交偏光); c和d— 正交偏光下显示的矿物类型及结构特征(见正文); e— 电子探 针照片显示的黑色纹层岩中方解石含Mn较多, 周围是碱性长石; f— 黑色纹层岩中以方解石(含Mn少)、黑云母和碱性长石为主Fig.2 Carbonatite originated exhalative sedimentary rocks at Well S1 in Santanghu Basin

图 3 石墨拉曼探针谱图Fig.3 Diagram of Raman probe of graphite

碳酸岩质喷爆岩整体呈纹层状和薄层状, 具有岩浆岩的半自形粒状结构, 普遍见不规则微裂缝。推测离喷流口距离不远。这些纹层状碳酸岩与上下岩层的关系为平直接触, 属于过碱性的超基性碳酸岩岩浆溢流进入湖盆并发生喷爆作用而成。根据其产状和结构它应属于黑云碳酸岩的浅成相(Anton, 2016a, 2016b)。对方解石喷爆碎屑的进一步观察发现, 它们多具显著的环带结构, 并显示异常鲜艳的干涉色, 电子探针分析表明它们富含Sr、Ba等元素, 显示热液成因特征(邱玉民, 1989; 刘建明等, 2003; 孙宝生和黄建华, 2007; 阎国翰等, 2007), 表明碳酸岩入湖发生喷爆作用后一直处于一种富含地幔热液的沉积环境。据上述综合分析, 作者认为该类碳酸岩质纹层应属于幔源富过碱性超基性碳酸岩岩浆以喷爆方式进入湖盆而成。

S2井方解石碳酸岩质喷爆岩厚约4, cm, 内部不显层理, 由100~600, μ m大小的方解石晶质颗粒呈星散状比较均匀地分布于含油基质中(图 4-a)。方解石呈自形— 半自形的不规则粒状晶体, 大小不一, 形态各异, 部分颗粒具有溶蚀/熔蚀边, 少量见溶蚀/熔蚀残留晶体。晶体普遍发生脆性破裂, 断口不规则; 晶体内部发育不规则微裂缝, 表明方解石受到了强烈的破碎作用。电子探针显示, 黑灰色含油凝灰岩基质的主要矿物成分为方解石细粉颗粒(图 4-b, 4-c, 4-d, 4-e), 少量为碱性长石, 基质中含大量石墨。

图 4 三塘湖盆地S2井碳酸岩质喷爆岩
a— 偏光显微镜下显示的方解石碳酸岩(正交偏光), 方解石颗粒多呈半自形状星散状分散在含致密油的基质中, 略显定向, 最高干涉色为高级白; b— 为a图的局部放大, 方解石呈断续的脉状和颗粒状分散在含致密油基质中, 单偏光; c— 致密油“ 泥岩” 中见到碳酸岩矿物错断、脆性变形现象, 单偏光; d和e— 喷爆、喷溢的碳酸盐颗粒呈星散状分布, 方解石颗粒不规则, 微裂缝发育, 基质主要为微粒方解石 及少量碱性长石和石墨的细粉颗粒Fig.4 Carbonatite originated exhalative sedimentary rocks at Well S2 in Santanghu Basin

3.1.2 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷碳酸岩质喷爆岩

目前已在准噶尔盆地吉木萨尔凹陷约26口井中发现了碳酸岩质喷爆岩。在1口钻井200, m的岩心中, 按间隔1, m的密度取样, 在200个岩石薄片中可见30多个碳酸岩质喷爆岩纹层。

吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组发育的碳酸岩质喷爆岩多呈厚度1~9, mm的纹层夹于泥晶白云岩和沉凝灰岩纹层岩中(图 5-a, 5-b)。碳酸岩质喷爆岩纹层中的碎屑矿物由粗粒的形态不规则的方解石晶体组成, 约占85%, 大小及分布不均匀, 显示正粒序层。方解石碎屑具有镶嵌结构及结晶生长环带, 保留了原始岩浆矿物的结构(图 5-c)。晶质方解石碎屑为大小不一、形态不规则的棱角状, 且发育粒内微破裂缝。值得关注的是, 该样品中, 方解石呈斑晶状, 斑晶中心含棱角状细小的方解石颗粒, 围绕方解石向外形成宽度不等的规则环带; 环带方解石颗粒呈星散状分布在基质中, 基质由细粒的白云石、方解石和少量的碱性长石组成; 更为重要的是, 在环带方解石颗粒外缘均完整的包裹了一圈黑色沥青质(图 5-c)。该现象不仅显示此类晶质颗粒是固态的岩浆结晶体, 而且也提示它们可能经历过早期生烃过程, 不排除该生烃过程可能与热物质喷流活动有关。

图 5 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷碳酸岩质喷爆岩
a— 岩心显示的不同岩类产状, 中间的方解石碎屑为碳酸岩质喷爆岩层; b— 为a中的碳酸岩质喷爆岩显微镜下特征, 显示晶质方解石碎屑呈星散状分布, 具显著粒序特征; c— 为b的局部放大, 显示大小不一的不规则晶质方解石碎屑(碎屑边缘的黑色环带为沥青质)及其 晶体环带和粒内微破裂, 基质为粉晶级微细粒集合体, 主要矿物成分为白云石、方解石、钠长石、正长石和透长石Fig.5 Carbonatite originated exhalative sedimentary rocks from Jimusar Depression, Junggar Basin

选取准噶尔盆地吉木萨尔凹陷中碳酸岩质喷爆岩最为发育的Z1井进行深入剖析, 发现其中的碳酸岩质喷爆岩呈薄层状, 厚约3, cm(图 6-a)。薄层中大小不一的晶质方解石碎屑不均匀星散分布, 并构成粒序层(图 6-b)。晶质方解石碎屑更清楚地显示岀不规则棱角状特征, 粒内微破裂极为发育(图 6-c, 6-d), 并可见油质渗入。黑色、灰黑色基质中主要为微粒方解石细晶— 粉晶状颗粒, 并可见碱性长石和黄铁矿, 它们均匀地散落在致密油中。

图 6 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷碳酸岩质喷爆岩
a— 岩心显示的碳酸岩质喷爆岩产状及岩石宏观特征; b— 为a的显微镜下特征, 方解石呈不规则晶质碎屑颗粒状星散分布在含致密油基质中; c, d— 为b的局部放大, 不规则角砾状方解石发育粒内破裂, 基质主要成分为白云石、铁白云石、方解石、钠长石、正长石和石英Fig.6 Carbonatite originated exhalative sedimentary rocks from Jimusar Depression, Junggar Basin

3.2 碳酸岩质喷溢岩

喷溢岩是喷积岩中的主要类型之一, 是指深源岩浆— 热液物质流体在低压下沿喷流通道宁静溢流进入湖(海)底冷凝结晶沉积而成的纹层、薄层状沉积岩(柳益群等, 2011)。三塘湖盆地马郎凹陷芦草沟组的方解石碳酸岩非常发育, 其所在钻井沿盆地延伸方向大致呈线状分布。碳酸岩几乎均由方解石组成, 呈纹层状夹于黑色岩系中。准噶尔盆地吉木萨尔凹陷的碳酸岩质喷溢岩的分布更为广泛, 主要分布在自凹陷东部— 西部的中带一线, 在几乎所有钻井的含油层段均可见到。

3.2.1 三塘湖盆地S3井方解石碳酸岩喷溢岩

S3井位于马朗凹陷中部。该井区的芦草沟组碳酸岩质喷积岩最厚约20, mm, 可分为4个纹层(图 7-a), 纹层的单层厚度介于0.3~0.6, mm之间, 不同纹层呈整合接触。图 7-a①层位于该层的下段(为细粒段), 以细粒的方解石纹层和黑色“ 泥岩” 纹层互层; 第②层具有下粗上细的正粒序, 为喷爆岩纹层, 方解石为大小不同、形态各异的晶质碎屑, 碎屑内微裂缝发育(图 7-a②, 7-d)。图 7-a③层为较细的纹层, 图 7-a④层为较粗的纹层, ③层和④层虽显示方解石颗粒粗细有别, 但其共性显著, 即均由规则的等粒方解石镶嵌而成(图 7-a②, 7-c), 为全晶质粒状结构, 自形程度较好(图 7-a③, 7-b)。岩石整体微裂缝发育, 缝中充填致密油(图 7-d)。从岩石的结构看, 图 7-a②层和图 7-a④层为喷爆岩纹层, 孔隙较发育, 而图 7-a①层和图 7-a②层的上段为溢流的细粒岩段, 孔隙很少。

图 7 三塘湖盆地S3井碳酸岩喷溢岩(据柳益群等, 2013)
a— 纹层状碳酸岩喷溢岩, 显示不同粒度的纹层中碳酸岩的等粒粒状结构和粒序层理; b和c— 方解石颗粒呈半自形、他形晶镶嵌式结构; d— 碳酸岩碎屑呈集合体状, 碎屑间微裂缝发育, 且多被褐色油充填Fig.7 Carbonatite originated effusive sedimentary rocks from Well S3 in Santanghu Basin(after Liu et al., 2013)

3.2.2 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷黑云碳酸岩(Sovite)喷溢岩

研究区的黑云碳酸岩喷溢岩有3种产状和形态, 一种为层状(图 8-a, 8-b), 由粗粒的自形— 半自形方解石晶体组成, 约占85%, 大小、分布均匀, 具有镶嵌结构及结晶生长环带, 且矿物颗粒均匀、线条平直, 部分呈镶嵌状; 基质以泥级的石英、碱性长石和白云石为主, 约占15%。此类型为溢流式岩浆结晶而成。另一种碳酸岩颗粒呈星散状分布, 多为碳酸岩岩屑, 由自形— 半自形晶状的方解石组成, 推测为岩浆溢流后进入冷的水体中发生破碎形成的方解石颗粒散落在泥晶碳酸盐等沉积物中(图 8-c, 8-d)。该类颗粒多呈由单晶方解石镶嵌组成的集合体, 这些集合体保留了原始岩浆结构; 结晶出来的单颗粒方解石或碱性长石被后期成岩过程中的泥晶白云石所包绕, 显示出与岩浆结晶过程有关的结晶环带(图 8-e), 或由于含铁量不同而显示的热液环带结构(图 8-f), 推测这是岩浆喷溢而成的方解石颗粒在包含Mg2+、Fe2+的地幔热液环境中缓慢结晶的结果。第3种形式为脉状, 由自形— 半自形的镶嵌状方解石集合体形成的脉体切穿层理或顺层分布(图 8-g, 8-h), 为成岩作用过程中岩浆— 热液活动的证据。值得重视的是, 上述2种碳酸岩喷溢岩普遍为致密油层, 其特征及形成机理见作者团队的另一文章“ 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷中二叠统芦草沟组云质岩沉积环境及白云岩成因探讨” (张帅等, 2018)。

图 8 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷碳酸岩喷溢岩
a— 纹层状碳酸岩, 其中方解石颗粒分布均匀, 彼此镶嵌; b— 纹层状碳酸岩, 纹层变形, 两层之间有自形的方解石颗粒和集合体, 表明碳酸岩喷爆的岩屑很快被上覆碳酸岩覆盖, 导致差异压实作用; c— 钻井岩心中细粒的方解石碎屑大致顺层分布, 岩浆喷爆而成的颗粒多呈星散状分布在致密油中基质中; d— 为c的局部放大, 显示其中的方解石碎屑实际由多个方解石晶体组成, 由于喷爆作用而发生强烈破碎; e— 具细环带结构的方解石斑晶, 基质由长石、石英和方解石组成; f— 在电子探针下可见白云石的环带结构, 内环含铁高(灰白色)而外环含铁低(灰色— 深灰色), 局部发育晶间孔; g— 碳酸岩喷溢岩呈纹层状。下部为一层厚达5, mm的断续分布的方解石喷爆岩, 喷爆岩由方解石岩屑组成; 局部见碳酸岩喷爆物, 岩层变形弱, 喷溢的碳酸岩层绕其分布; h— 方解石碳酸岩呈短脉状夹于两条碳酸岩细脉之间, 似在沉积层未安全固结时顺层侵入所致Fig.8 Carbonatite originated effusive sedimentary rocks in Jimusar Depression from Junggar Basin

4 碳酸岩质喷积岩的形成环境和物质来源

形成环境和物质来源分析是判识喷积岩的主要依据。近年来, 湖底(或海底)的水下火山活动和热液流体活动越来越多被发现, 由此产生的沉积碎屑来源、搬运方式、沉积作用、生成机理及其相互关系的研究越来越引起地质学家的重视。本研究团队的前期研究不仅在新疆三塘湖盆地、准噶尔盆地的中二叠统芦草沟组中发现了纹层状致密油岩中富含热液白云岩, 而且含大量由深源碳酸岩浆发生喷爆、喷溢作用并与湖水混合而成的碳酸岩质喷流沉积岩(简称碳酸岩质喷积岩)。

4.1 碳酸岩质喷积岩的矿物成分特征

三塘湖盆地和准噶尔盆地吉木萨尔凹陷碳酸岩质喷积岩成分分析见表 1。可以看出, 三塘湖盆地岩浆碳酸岩中的方解石的CaO含量为 52.93%~55.86%, 平均为54.86%; MgO、FeO含量分别为0~0.05%和0.14%~0.34%, 平均值为0.02%和0.21%; MnO含量相对也较高, 介于1.88%~2.76%之间, 平均值为2.28%。

表 1 三塘湖盆地和吉木萨尔凹陷岩浆碳酸岩中方解石电子探针成分数据 Table1 Electronic microprobe chemical compositions of calcite in carbonatite originated effusive rocks from Santanghu Basin and Jimusar Depression

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷碳酸岩质喷积岩中方解石的CaO含量介于51.87%~58.47%之间, 平均为56.26%; 相比于三塘湖盆地碳酸岩质喷积岩, 吉木萨尔凹陷碳酸岩质喷积岩具有相对较高的MgO和FeO, 其含量分别为MgO(0.16%~2.09%)和FeO(0.18%~1.16%), 平均值为0.6%和0.4%; SrO相对富集, 其含量分布范围为0.05%~0.28%, 平均值为0.15%。

造成三塘湖盆地和准噶尔盆地吉木萨尔凹陷碳酸岩质喷积岩中方解石化学成分差异的原因, 可能与岩浆碳酸岩上升过程中受到湖盆岩浆— 热液不同程度的混合— 改造作用有关。

4.2 碳酸岩质喷积岩的同位素特征

4.2.1 三塘湖盆地碳酸岩质喷积岩的同位素特征

1)锶钕同位素。本次研究对三塘湖盆地中部钻遇的ML1井的8个镁云碳酸岩样品进行了锶钕同位素分析, 其中的 87Sr/86Sr 平均值为0.705312, 143Nd/144Nd 值为0.512419, 均显示地幔来源特征(邱玉民, 1989; Kelley et al., 2001; 刘建明等, 2003; 孙宝生和黄建华, 2007; 阎国翰等, 2007)。该类镁云碳酸岩在REE配分模式上为陡右倾斜型, LREE强烈富集, 其总稀土含量比较低, 最高值为190× 10-6; Eu负异常明显。已有研究认为, Eu负异常是由于在流体作用下, Eu2+被带走致使剩下Eu3+(丁振举等, 2003), 表明该区高温碳酸岩熔浆在结晶过程中遭受了还原流体的交代改造。

2)碳、氧同位素。本区所测定的6个样品的δ 13CPBD变化范围介于1.62%~5.74‰ 之间(表2), 平均为3.36%, 高于火成碳酸岩的δ 13CPBD值, 落于湖相原生碳酸盐的范围(一般为-2.0‰ ~6.0‰ 之间, Kelts and Talbot, 1990; 刘传联, 1998)。

表 2 岩浆碳酸岩碳、氧同位素及古地温 Table2 C, O isotopes and palaeotemperature of carbonatite originated effusive rocks

氧同位素组成常被用来研究火山岩的物质来源。氧同位素在受后期大气淡水淋滤后, 其数据范围变化较大。三塘湖盆地的氧同位素介于-17.87%~-20.44‰ 之间, 平均值为-18.86‰ , 可能受到湖盆热液流体影响。根据氧同位素计算出Z值, 范围介于120.44~129.83之间, 平均值为124.78, 表现出盐度较高的湖盆特征(Faure, 1986)。

4.2.2 准噶尔盆地吉木萨尔凹陷碳酸岩的同位素特征

吉木萨尔凹陷芦草沟组Z1井中3118.78~3347.14, m的井段范围内(厚228.36, m), 方解石碳酸岩纹层有32层, 它们多为1~2, mm厚的纹层顺层分布, 在有些纹层中, 这些方解石碳酸岩表现为碎屑状方解石集合体, 属于碳酸岩喷爆岩类; 局部可见碳酸岩呈脉状切穿纹层, 脉体显示半自形粒状结构。

1)锶钕同位素。芦草沟组9个碳酸岩样品的 87Sr/86Sr 值介于0.705286~0.705784之间, 平均0.705486, 该数值远低于壳源硅铝质岩锶同位素的平均值0.720± 0.005(王利超等, 2016), 较二叠系全球碳酸盐锶同位素组成0.7067~0.7085也明显偏低, 与全球幔源锶同位素平均值0.70350接近(Irene et al., 2017), 且与上石炭统巴塔玛依内山组火山岩的锶同位素组成0.703743~0.705447非常接近(Rona, 1984; Palmer and Elderfied, 1985), 反映其与石炭系巴塔玛依内山组火山岩物质来源较为一致。可见深部岩浆、热液活动对于岩浆— 热液成因的方解石的形成具有重要贡献。

芦草沟组9个样品中有3个样品ε Nd值大于0, 4个样品的ε Nd接近于0, 2个样品的ε Nd明显小于0, 143Nd/144Nd 变化范围在0.512419~0.512722之间, 表明造岩物质主要来源于深部源区或有深源物质的明显参与(图 9)。

图 9 吉木萨尔凹陷芦草沟组 143Nd/144Nd 对 87Sr/86Sr同位素相关图解(底图引自Zindler和Hart, 1986)
DM— 亏损地幔; EMI— Ⅰ 型富集地幔; EMII— Ⅱ 型富集地幔; HIMU— 高U/Pb值的地幔; PREMA— 普通地幔源区; BSE— 全硅 酸盐地球(不包括地核), 相当于原始地幔Fig.9 Diagram of 87Sr/86Sr and 143Nd/144Nd of the Lucaogou Formation in Jimusar Depression(modified from Zindler and Hart, 1986)

2)碳、氧同位素。稳定碳氧同位素可以反映古盐度和沉积环境。吉木萨尔凹陷芦草沟组岩浆碳酸岩 δ13CPDB值介于5.22‰ ~7.34‰ 之间, 平均值约为6.3‰ , 显然, 该区δ 13CPBD值高于陆相蒸发碳酸盐岩的范围-2‰ ~5‰ ; δ 18OPBD介于-3.42‰ ~-9.38‰ 之间, 平均值为-6.02‰ 。根据Keith与Weber提出的区分海相灰岩和淡水灰岩的公式(吴小奇等, 2009)计算出的12个样品的Z值介于134.55~139.77之间, 平均值为137.2, 可见该区岩浆碳酸岩Z值均在120的界限之上, 反映当时盐度很高, 古盐度等值线图具北西— 南东方向展布特征, 向北东、南西两侧古盐度值依次递减, 古盐度随深度的增加而降低; 上述分析结果表明研究区芦草沟组沉积时期是一个高盐度高温度的湖泊, 在盆地中部的北西— 南东方向线状区域内岩浆碳酸岩较发育。

4.3 流体包裹体测温分析

首先选择准噶尔盆地吉木萨尔凹陷中的碳酸岩质喷爆岩中方解石颗粒中的流体包裹体进行均一温度测定。所测碳酸盐颗粒可见完整的环带结构, 环带中分布着丰富的流体包裹体, 其中有烃类包裹体。选择与烃类包裹体共存的原生流体包裹体进行流体包裹体测温, 结果显示环带中心的均一温度最高达到435.7, ℃, 向外依次为211.7, ℃、77, ℃、48, ℃, 具有由内向外均一温度逐渐降低且差别较大的特征, 反映出碳酸岩矿物在不同时期热液流体中结晶温度的差异性(图 10)。

图 10 吉木萨尔凹陷方解石颗粒环带中的流体包裹体均一温度
a— 流体包裹体两相包体均匀分布, 为原生包体; b— 流体包裹体大致呈环带分布; c— 方解石具多期环带, 环带形态规则, 每个环带宽20~25, mm; d— 流体包裹体沿方解石解理分布, 内解理缝中温度最高, 依次向外环降低Fig.10 Homogenization temperature of the fluid inclusions from the calcite in Jimusar Depression, Junggar Basin

5 喷积岩形成机理初步分析

博格达山北部的三塘湖盆地和准噶尔盆地吉木萨尔凹陷在二叠纪芦草沟沉积时期, 形成一套既不同于陆源也不同于内源、而是以深源碎屑和热液流体为物质组成特征的新型薄层、纹层状沉积岩— — 喷积岩。该区的碳酸岩质喷积岩具有如下突出特征: (1)碳酸岩质喷积岩呈薄层、纹层状, 与其共存的薄层、纹层状沉积层呈整合关系, 属典型的沉积岩; (2)碳酸岩质喷积岩矿物成分单一, 主要为方解石(达75%以上)的晶质体; (3)在喷爆岩中方解石为岩石中的碎屑, 呈大小不一、形态各异的棱角状不均匀星散分布, 并构成特征的正粒序, 碎屑方解石为自形、半自形全晶质, 等粒镶嵌式粒状结构。推测该类喷积岩可能经历了如下形成过程: 来自地幔深源的过碱性富碳酸岩质岩浆— 热物质流体储积成热物质流体腔。腔内岩浆— 热物质流体呈气、液、固三态共存的晶粥状。由于区域伸展断裂系统的沟通引导, 促使腔内岩浆— 热物质流体上涌到接近地表的湖底喷流通道, 以喷爆、溢流方式进入湖底沉积。在腔内热物质流体温、压条件均高, 在湖底喷发时温、压骤降而发生喷爆, 气、液、固三态共存的岩浆— 热物质流体的猛烈爆破, 造成热物质流体内先成结晶固态物质爆破性破坏、碎裂, 在热液喷流口附近以未经搬运磨蝕的晶质碎屑, 快速沉积形成喷爆岩; 当腔内热物质流体在压力小的情况下, 以宁静的溢流方式进入湖底, 进而冷凝结晶形成喷溢岩。显然本区的碳酸岩质喷积岩是一类以幔源岩浆— 热物质流体喷爆、溢流进入湖底沉积、成岩而成的一类特殊类型沉积岩。碳酸岩质喷积岩在近喷流口和远喷流口的不同沉积区段, 喷爆、溢流出来的深源碎屑和热液流体与湖水及湖中物质可发生不同程度的沉积混合。由于岩浆— 热液在多期活动— 沉积过程中不同程度地萃取了湖水和湖相沉积物的化学元素, 致使所形成的碳酸岩喷积岩既具有碳酸岩浆的矿物学特征, 又具有与湖水中岩浆— 热液混合、交代蚀变的特征, 而且岩石矿物的地球化学成分也呈现较复杂特征。

6 结论

1)碳酸岩质喷积岩是地幔碳酸岩浆进入湖盆发生喷爆、喷溢作用形成的一种新型沉积岩。碳酸岩质喷积岩组成岩石的矿物单一, 主要为晶质方解石(达75%以上)。晶质方解石或为岩浆碎屑, 或为重结晶颗粒。方解石的矿物成分, 锶、钕同位素, 碳、氧同位素均指示其来源于地幔, 代表了幔源岩浆— 热物质流喷爆、溢流沉积特征。

2)按碳酸岩质喷积岩组成和结构构造特征, 可分为喷爆岩和喷溢岩2种不同类型。碳酸岩质喷爆岩中方解石为喷爆碎屑, 呈大小不一、形态各异的棱角状、次棱角状不均匀星散状分布, 并构成特征的正粒序, 碎屑颗粒内部微破裂发育, 表明碎屑颗粒形成过程中遭受过强烈破坏、变形, 且未经搬运磨蚀而快速堆积。碳酸岩质喷溢岩中方解石为自形、半自形全晶质等粒镶嵌式粒状结构, 为岩浆碳酸岩溢流过程中冷凝结晶而成。

3)碳酸岩质喷积岩多形成于较高温度、富含致密油的沉积纹层中, 表明碳酸岩与致密油关系密切, 但其成因尚需深入研究。

作者声明没有竞争性利益冲突.

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