钟大康, 苏琛, 杨喆, 贾晓兰. (2019)内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组热水沉积过程中矿物沉淀顺序及其控制因素* [J]. 古地理学报, 21(5): 695-708
Zhong Da-Kang, Su Chen, Yang Zhe, Jia Xiao-Lan. (2019)Precipitation sequence of hydrothermal minerals and their controlling factors during the sedimentation: A case study of the Lower Cretaceous Tenggeer Formation in Baiyinchagan sag of Erlian Basin,Inner Mongolia[J]. Journal Of Palaeogeography, 21(5): 695-708.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2019.05.047
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内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组热水沉积过程中矿物沉淀顺序及其控制因素*
钟大康1,2, 苏琛1,2, 杨喆1,2, 贾晓兰1,2
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

第一作者简介 钟大康,男,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:2019-03-01
基金资助:*国家自然科学基金项目(编号: 41472094,41972097,41302108)资助
摘要

基于岩心、岩石薄片及元素分析等资料,通过偏光显微镜、定量矿物扫描( QemScan)、电子探针、能谱和流体包裹体分析等技术手段,探讨了二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组热水沉积岩中热水沉积矿物的沉淀顺序。研究区热水沉积矿物主要为铝硅酸盐和碳酸盐,含少量黄铁矿、重晶石、萤石等矿物。这些矿物在空间上具有特定的先后关系或位置关系: ( 1)在纹层状岩层中,由下到上从铝硅酸盐过渡为碳酸盐。在铝硅酸盐矿物组合中,首先出现的是方沸石,其次是钠沸石,再次为钠长石;在碳酸盐矿物中,首先出现的是菱镁矿,其次是菱铁矿,再次为铁白云石,有时还可见到方解石,但其含量很低。( 2)在凝絮状团块中,团块中心为黄铁矿,从中心向外依次过渡为方沸石、钠沸石、菱镁矿、菱铁矿,最外层为铁白云石。在纹层状岩层和凝絮状团块中,有时还能见到上述顺序的逆顺序。( 3)在后期充填的裂缝中,边部为沸石或绿泥石等铝硅酸盐矿物,向中心逐渐过渡为铁白云石碳酸盐。综合研究区所有的矿物序列来看,最完整的序列应为黄铁矿—钾长石—方沸石—钠沸石—钠长石—菱镁矿—菱铁矿—白云石—方解石,但是这种完整的序列是不常见的,通常仅为其中某几种矿物的组合,然而不管是哪些矿物进行组合,其出现的顺序都不变。推测该矿物序列的类型受热液喷流和溢流阶段、时间、温度和热水化学性质控制,早期高温、高盐度条件下出现的铝硅酸盐矿物序列较多,而晚期主要形成碳酸盐矿物序列。

关键词: 热水沉积矿物; 沉淀顺序; 沉积过程; 控制因素; 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(2019)05-0695-14
Precipitation sequence of hydrothermal minerals and their controlling factors during the sedimentation: A case study of the Lower Cretaceous Tenggeer Formation in Baiyinchagan sag of Erlian Basin,Inner Mongolia
Zhong Da-Kang1,2, Su Chen1,2, Yang Zhe1,2, Jia Xiao-Lan1,2
1 College of Geosciences,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China
2 State Key Laboratory of Oil and Gas Resources and Exploration,China University of Petroleum(Beijing),Beijing 102249,China

About the first author Zhong Da-Kang,born in 1961,is a professor and Ph.D. supervisor in China University of Petroleum(Beijing). He is mainly engaged in sedimentology and reservoir geology.E-mail: zhongdakang@263.net.

Fund:Financially supported by the National Natural Science Foundation of China(Nos. 41472094,41972097,41302108)
Abstract

Hydrothermal sedimentary rock is deposited from the mixture fluid of hydrothermal water and the lake/ocean water from sedimentary basins. It belongs to a transitional type between magmatic rocks and sedimentary rocks,with some similarities and differences in mineral composition,rock texture and structure between these two types. The hydrothermal sedimentary rock contains much alminosilicate formed from the magma hydrothermal fluid,such as zeolite and feldspar,and also much carbonate minerals formed at normal lake/ocean water temperature,such as dolomite,magnesite,siderite, etc. A set of more than 300 m thick hydrothermal sedimentary rocks has been found in the Lower Cretaceous Tenggeer Formation of the Baiyinchagan sag,Erlian Basin. Base on the microscopy,electronic probe and Qemscan,several mineral precipitation sequences are established: (1)In lamellar rock,there is a sequence of precipitation from aluminosilicate to carbonate. In the association of aluminosilicate minerals,the analcime deposits first,then followed by natrolite,and the last by albite. In the association of carbonate minerals,magnesite first appears,the followed by siderite,and the last by ankerite. Calcite can appear after dolomite precipitation. (2)In flocculent nodule,pyrite appears at the center,and analcime,natrolite,magnesite,siderite,ankerite appear outward gradually. Sometimes the reverse of the above sequence appears. (3)In the fractures,the filling sequence is from aluminosilicate such as zeolite,chlorite to carbonate such as ankerite,from the edge of the fracture to the center. The most complete and ideal sequence of precipitation in the study area is pyrite-analcime-natrolite-albite-orthoclase-magnesite-siderite-dolomite-calcite. This complete sequence is often not fully observed. However, it is common to observe combinations of some of these minerals in the same order. The type of precipitation sequence is controlled by the jet and overflow stage,occurring time, temperature and hydrothermal chemical properties. Under the high temperature and salinity conditions at the early stage,the aluminosilicate sequences often occurred,or the carbonate mineral sequences mainly formed at the later stage.

Key words: hydrothermal mineral; precipitation sequence; process of sedimentation; controlling factors; Baiyinchagan sag
1 概述

热水沉积岩是地下热液与沉积盆地中的海水或湖水混合后沉积形成的一种沉积岩(Rona, 1983, 1986, 1988, 1993, 2002; Russell, 1983, 1996; 涂光炽, 1983, 1987, 1989; 陈先沛, 1988; 陈先沛和陈多福, 1989; 周永章, 1990; Stoffers and Botz, 1994; 周永章等, 1994a, 1994b, 2004; 郑荣才等, 2003, 2006a, 2006b; 李红等, 2007; 文华国等, 2008; 柳益群等, 2013; 钟大康等, 2015a, 2015b; 焦鑫等, 2017; Jiao et al., 2018a, 2018b)。这类岩石在矿物成分上既不同于正常的岩浆岩, 也不同于正常的化学沉积岩, 它具有特殊的矿物成分与组合类型, 既含有丰富的中低温热液矿物, 如沸石、长石等, 也含有较多的地表常温条件形成的冷水矿物, 如白云石、方解石等(钟大康等, 2018)。在沉积构造上, 既发育正常沉积岩的层理构造、同生变形构造, 也发育有火山喷发作用形成的碎裂构造、喷爆构造等(郑荣才等, 2003; 柳益群等, 2013; 钟大康等, 2015a)。因此, 热水沉积岩是介于岩浆岩与沉积岩之间的一种过渡型岩石, 其在地质历史时期及现代海底与湖底都有不同程度的发现(Crane, 1991; Tiercelin et al., 1993; 肖荣阁等, 1994; 王江海和颜文, 1998; Scott, 1997, 2002; Zierenberg et al., 1998; 罗平等, 2001, 2002; Halbach and Halbach, 2002; Renaut and Jones, 2002; Ronde et al., 2002; Schardt et al., 2003; 郑荣才等, 2003, 2006a, 2006b; 熊永柱等, 2004; 周永章等, 2004, 2008; 文华国, 2005, 2008; Reyes et al., 2006; 陈勇等, 2007; 柳益群等, 2010; 文华国等, 2010, 2014; 李红等, 2012; 李红和柳益群, 2013; 周瑶琪等, 2015)。

目前, 国内外在热水沉积岩形成过程中矿物形成顺序方面研究成果极少, 仅有的基本共识就是: 在较高温度(> 320 ℃)的“ 黑烟囱” 条件下, 热液与较冷的海/湖水(2 ℃左右)混合后会形成一些含Fe、Cu、Zn的暗色硫化物(Goodfellow and Franklin, 1993; Fouquet, 1999), 如黄铁矿等; 而在较低温度(32~330 ℃)的“ 白烟囱” 条件下, 会形成一些含Si、Al、Ca、Mg的浅色矿物(钟大康, 2015a)。从不同的研究学者对热水沉积矿物的空间关系描述上可以看出, 这些热水沉积矿物具有一定的先后沉淀顺序。总体上, 在高温热液喷口(> 350 ℃), 从喷口向外矿物类型由金属硫化物(如黄铁矿)、金属氢氧化物、氧化物转换为硫酸盐矿物, 金属过渡元素沉淀富集规律为Cd> Ag> Cu> Co> Fe> Mn, 从重到轻富集; 低温热液喷口(< 350 ℃)形成的矿物类型与流体性质有关, 较高温酸性流体情况下主要沉淀铝硅酸盐(如钠长石、沸石等)、硫酸盐矿物(重晶石等), 较低温碱性流体条件下从喷口内向外依次沉淀少量金属硫化物(如黄铁矿)、碳酸盐矿物(主要为白云石、方解石等)、硫酸盐矿物(重晶石)(Kelley et al., 2001; Branchu et al., 2005; Coogan et al., 2017)。

文中研究的白音查干凹陷下白垩统腾格尔组热水沉积矿物除了黄铁矿外(研究区黄铁矿含量低, 分布不均), 其他的基本上属于中温(沸石类、长石类矿物)— 中低温(菱镁矿、菱铁矿、白云石)“ 白烟型” 热水沉积矿物。虽然国内诸多学者没有对“ 白烟型” 热水沉积矿物的沉淀顺序做专门研究, 但从前人的研究成果中还是可以看出其中的矿物有一定的先后沉淀顺序。从郑荣才等(2003, 2006a, 2006b)的研究成果可以看出, 随着成矿热流体物理化学性质的变化, 各矿物共生组合在空间展布上也存在一定规律: 在主喷流口高温高压环境内形成重晶石等矿物; 分支喷流通道深度较浅, 热流体温度、密度及盐度降低, 充填铁白云石和萤石脉; 主喷流口附近湖底热卤池环境形成铁白云石胶结物; 区域扩散形成单一碳酸盐岩矿物组合。柳益群等(2010)、李红等(2012)、焦鑫等(2013, 2017)等在对三塘湖盆地芦草沟组热水沉积岩研究后认为, 透长石主要在800~1100 ℃结晶, 正长石可以在750 ℃以下的任何温度形成, 而方沸石的结晶温度在600~640 ℃, 这恰好反映了该类过碱性岩浆的矿物结晶序列。过碱性岩浆在形成喷口内早期方沸石响岩的过程中, 随温度降低依次结晶出透长石、正长石、方沸石和钠长石, 最后形成铁白云石或白云石。

总结国内外各地区热水沉积岩矿物形成特征可以发现: 近喷流口的高温地区主要形成颜色较深的金属硫化物(如黄铁矿), 向外依次变为浅色铝硅酸盐矿物(长石类、沸石类)和碳酸盐矿物(白云石、菱铁矿、菱镁矿)。铝硅酸盐类矿物形成顺序可能为透长石、正长石、方沸石、钠长石。碳酸盐矿物形成温度较低, 一般在海底、湖底沉积物中较为广泛。平面上, 存在由“ 黑烟型” 金属硫化物到“ 白烟型” 铝硅酸盐(如长石、沸石)再到白云石的分带性。

然而, 目前对于文中所研究的以铁白云石、方沸石、钠沸石、钠长石等为主要热水沉积矿物的沉淀顺序研究较少。笔者主要根据岩心、岩石薄片、电子探针、元素地球化学等技术手段, 探讨研究区地下热液与盆地水体混合后会形成哪些热水沉积矿物、这些热水沉积矿物沉淀的先后顺序是什么以及这些沉积序列受哪些因素控制等科学问题。研究旨在初步建立一套随体系物理化学条件及物质成分变化的热水矿物沉积序列, 丰富和完善现有的沉积学理论, 同时更有效地指导地质工作者寻找不同地区的热水沉积矿床。

2 区域地质概况

白音查干凹陷位于二连盆地西端, 是晚中生代在海西褶皱带基底上发育起来的北断南超型箕状凹陷, 北边界和南边界分别发育塔拉断裂带和白音— 翁特断裂带。早白垩世是白音查干凹陷强裂陷发育阶段, 先后充填了阿尔善组、腾格尔组、都红木组和赛汉塔拉组(图 1)。前期工作(钟大康等, 2015a, 2018)已对下白垩统腾格尔组矿物学与岩石学进行了系统研究, 认为该套地层为富含沸石的泥质白云岩和白云质泥岩, 并根据其特殊的矿物组成、岩石结构与构造以及空间上沿大断裂分布等特征, 认为这是一套“ 白烟型” 热水沉积岩(郭强等, 2012, 2014)。其具有特殊的测井响应特征, 主要表现为高自然伽马值(GR> 300 API, 最高达1000 API)、特高— 特低(0.2~2000 Ω · m)深感应电阻率(ILD)特征。根据其尖峰状高自然伽马值在垂向上的变化规律, 在研究区腾格尔组— 都红木组共识别出4套热水沉积岩, 从下到上依次出现在腾下段、腾下段— 腾上段交界处、腾上段及都一段。

图 1 内蒙古二连盆地白音查干凹陷构造位置和下白垩统地层柱状图Fig.1 Structural location and stratigraphic column of the Lower Cretaceous in Baiyinchagan sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

3 热水沉积岩岩石学特征

根据岩石薄片、全岩X衍射、电子探针、扫描电镜及能谱分析发现, 这套热水沉积中矿物组分复杂多样, 主要造岩矿物为白云石和沸石(方沸石、钠沸石), 黄铁矿、钠长石、菱镁矿、菱铁矿及重晶石为次要矿物, 也混杂有黏土矿物、石英、钾长石和斜长石等陆源碎屑物, 此外还含有少量萤石、滑石、菱锶矿、重晶石、磷灰石、石膏等矿物。

微观上, 根据矿物组合将研究区热水沉积岩划分为3种岩石结构: (1)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结构; (2)由50%以上的泥微晶矿物并且混杂少量陆源碎屑物质组成的泥晶结构; (3)由白云石、钠沸石以粉— 细晶状局部集中, 其间以黏土矿物充填形成的团块结构。

图 2 内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组热水沉积岩结构构造特征(据钟大康等, 2018)
a— 白云石— 钠沸石共生组合内碎屑颗粒, 锡31井, 2083.9 m, 单偏光; b— 含铁白云石泥晶结构, 锡36井, 2429.2 m, 正交光; c— 方沸石团块, 边缘被泥晶白云石胶结, 锡36井, 2436.94 m, 正交光; d— 钠沸石— 白云石共生组合内碎屑颗粒呈“ 蝌蚪状” 构造, 锡3-69井, 1832.15 m; e— 为岩心底部横截面, 裂缝相互连通, 锡3-69井, 1831.45 m; f— 白色白云岩纹层与暗色泥岩/泥质白云岩交替出现形成同生变形构造, 锡31井, 2080.04 m; g— 星散状构造, 锡31井, 2024.46 m; h— 白色条带与暗色泥岩互层, 锡3-69井, 1796.03 m; i— 晶 粒较大的钠沸石呈角砾状构造, 无规律分布在暗色泥质白云岩中, 锡3-69井, 1795.70 mFig.2 Texture and structures of hydrothermal-sedimentary rocks of the Lower Cretaceous Tenggeer Formation in Baiyinchagan sag of Erlian Basin, Inner Mongolia(after Zhong et al., 2018)

与正常湖相沉积岩相比, 研究区热水沉积岩岩石构造类型丰富多样, 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、块状构造及韵律性构造。随着距喷流口位置的变化及热水活动阶段不同, 岩石结构和构造相应发生变化, 故不同的构造类型可反映不同的形成条件和成因类型(钟大康等, 2018)。

4 热水沉积矿物的沉淀序列

通过薄片观察、扫描电镜、能谱、电子探针、QEMSCAN等技术手段发现, 研究区热水沉积矿物共构成了6种组合类型: (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+菱镁矿组合。这些主要矿物在空间位置上有特定的先后顺序或空间结构与构造关系, 目前已发现3种沉淀序列(注: 所有矿物的确定除了光性特征外, 均使用了电子探针能谱成分分析)。

第1种:在发育毫米级纹层的岩层中, 由下至上从铝硅酸盐纹层逐渐过渡为碳酸盐纹层。铝硅酸盐纹层主要由沸石纹层、或含沸石的钠长石纹层、或钠沸石纹层构成, 有时含少量黄铁矿。碳酸盐纹层主要由铁白云石构成。如图 3中0~4.2 mm、4.2~21 mm段由下向上发育2个由铝硅酸盐过渡为碳酸盐的韵律层; 图 4中7~19.5 mm段由下向上发育1个由铝硅酸盐过渡为碳酸盐的韵律层; 图 5中由下向上从方沸石纹层过渡为白云石纹层。在铝硅酸盐纹层内, 下部为沸石纹层或富沸石纹层, 向上过渡为(富)钠长石纹层, 如图 3中0~3 mm、5~10 mm段, 图 4中7~16 mm、19~25.4 mm段, 图 6中0~17.5 mm、17.5~25.4 mm段。

图 3 内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组纹层状热水沉积岩中矿物分布的QemScan图像(1 μ m扫描精度)
0~4.2 mm, 4.2~21 mm出现自下而上从铝硅酸盐向碳酸盐过渡的变化韵律, 铝硅酸盐纹层内(0~3 mm, 5~10 mm)出现从沸石纹层到钠长石纹层的变化; 锡31井, 2076.84~2077.12 m, 柱塞样薄片。三角符号表示一次热水沉积喷溢过程(下同)Fig.3 QemScan image of mineral distribution in layered hydrothermal sedimentary rocks of the Lower Cretaceous Tenggeer Formation in Baiyinchagan sag of Erlian Basin, Inner Mongolia (1 μ m scanning accuracy)

图 4 内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组纹层和团块中矿物的QemScan图像(25 μ m扫描精度)
自下而上由铝硅酸盐纹层向碳酸盐纹层顺序过渡(6~19 mm); 铝硅酸盐内部(0~6 mm; 19~27 mm)由沸石— 钠长石— 钾长石向钠长石— 钾长石的顺序过渡; 凝絮团块内由铝硅酸盐向碳酸盐顺序过渡。锡3-69井, 1772.2 m, 柱塞样薄片Fig.4 QemScan image of minerals in laminae and aggregates of the Lower Cretaceous Tenggeer Formation in Baiyinchagan sag of Erlian Basin, Inner Mongolia(25 μ m scanning accuracy)

图 5 内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组纹层热水沉积岩中矿物分布的背散射和显微镜下图像
a— 纹层中自下而上由钠沸石变为白云石的顺序发生沉淀, 锡3-69井, 1771.3 m, 扫描电镜背散射图像; b— 方沸石、白云石均为透明, 查39井, 2337.32 m, 单偏光; c— 方沸石全消光, 白云石呈高级白干涉色, 可见自下而上发育2套由方沸石向白云石变化的纹层, 查39井, 2337.32 m, 正交光Fig.5 Back-scattering and microscopic images of mineral distribution in the laminar hydrothermal sedimentary rocks of the Lower Cretaceous Tenggeer Formation in Baiyinchagan sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

图 6 内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组铝硅酸盐纹层的QemScan图像(2 μ m扫描精度)
纹层序列中, 发育自下部的沸石层向上过渡为钠长石纹层的2个韵律层; 裂缝充填物中, 从裂缝边部的铝硅酸盐矿物(沸石或绿泥石)向中心过渡为碳酸盐矿物。查39井, 2337.32 mFig.6 QemScan image of aluminosilicate layer of the Lower Cretaceous Tenggeer Formation in Baiyinchagan sag of Erlian Basin, Inner Mongolia(2 μ m scanning accuracy)

第2种:在具有50~500 μ m大小凝絮状团块沉积的岩层中, 团块中心为钠沸石, 向外为铁白云石(如图 4中0~6 mm段; 图 7-c); 或者团块中心为黄铁矿, 周围向外依次逐渐过渡为方沸石、钠沸石, 凝絮团块之外为大量泥晶铁白云石(图 7-a); 或团块中心为方沸石、钠沸石, 向外依次过渡为菱镁矿、菱铁矿, 最外侧为泥晶铁白云石(图 7-b)。同时, 也在相同大小的内碎屑和团块结构中发现由内向外依次为白云石、菱镁铁矿、钠沸石、方沸石、黄铁矿的逆序列(图 7-d, 7-e, 7-f)。

图 7 内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组团块状热水沉积岩中矿物沉淀序列
a— 矿物序列为从颗粒中心的黄铁矿向周围过渡为方沸石— 钠沸石— 铁白云石, 方沸石近于全消光、钠沸石为一级黄白干涉色、黄铁矿为不透明矿物, 锡3-69井, 1771.8 m, 正交光; b— 矿物序列为从颗粒中心的方沸石— 钠沸石向外过渡为菱镁矿、菱铁矿, 最后为铁白云石, 菱镁矿、菱铁矿为高级白, 锡26, 1812.73 m, 正交光; c— 矿物序列为从颗粒中心的钠沸石向外过渡为白云石, 锡3-69井, 1772.8 m, 正交光; d— 从颗粒边缘向颗粒中心依次为黄铁矿— 方沸石— 白云石的逆序列, 锡26井, 1829.38 m, 扫描电镜背散射; e、f— 从颗粒边缘向颗粒中心依次为黄铁矿— 方沸石— 菱镁铁矿— 铁白云石的逆序列, 锡36井, 2436.94 m, 正交光Fig.7 Sequence of mineral precipitation in massive hydrothermal sedimentary rocks of the Lower Cretaceous Tenggeer Formation in Baiyinchagan sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

第3种:在后期充填的裂缝中, 自裂缝边部向中心逐渐由铝硅酸盐矿物(方沸石、钠沸石或绿泥石)过渡为碳酸盐矿物(铁白云石、菱铁矿或菱镁矿)(如图 4中16~20 mm段; 图 8)。

图 8 内蒙古二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组裂缝中热水沉积矿物的沉淀序列
a— 褐色白云质泥岩, 发育斜交缝和垂直缝, 裂缝宽1~2 mm、长4~6 cm, 锡31井, 2011.74 m; b— 白云质泥岩中的垂直缝, 裂缝边缘为方沸石, 裂缝中心为铁白云石, 可见溶蚀孔洞, 锡31井, 2011.74 m, 单偏光; c— 白云质泥岩, 发育黄铁矿团块, 可见垂直缝, 裂缝边部的方沸石无色, 裂缝中心的铁白云石为淡蓝色, 查39井, 2340.2 m, 单偏光; d— 白云质泥岩中的垂直缝, 裂缝边部充填方沸石, 全消光, 裂缝中心为铁白云石, 高级白干涉色, 查39井, 2340.2 m, 正交偏光。整体可得出从裂缝边缘向裂缝中心矿物依次为方沸石— 铁白云石的顺序Fig.8 Precipitation sequence of hydrothermal sedimentary minerals in fractures of the Lower Cretaceous Tenggeer Formation in Baiyinchagan sag of Erlian Basin, Inner Mongolia

综合目前研究区所有的矿物序列来看, 最完整的序列为: 黄铁矿— 方沸石— 钠沸石— 钠长石— 钾长石— 菱镁矿— 菱铁矿— 白云石— 方解石。但是这种完整序列几乎是不常见的, 通常是其中的某几种矿物进行随机组合, 但无论是哪种组合, 其沉淀的先后顺序都不变。在具有纹层构造的岩层中以及凝絮状团块中有时可能会出现上述顺序的逆序列。

5 热水沉积矿物沉淀顺序控制因素分析

目前已初步发现多种矿物沉淀顺序, 造成这种情况的原因可能较多。在不同热水沉积阶段, 不同矿物的沉淀顺序是多种因素共同作用的结果。

5.1 岩浆活动

5.1.1 岩浆性质

研究区位于二连盆地白音查干凹陷, 研究层段为下白垩统腾格尔组, 从大区域上看这次热液活动属于燕山中晚期。早白垩世二连盆地与松辽盆地为同一构造域下形成的裂陷盆地, 其形成与库拉— 太平洋板块俯冲导致地幔物质的上涌密切相关(李正文等, 1997; 任建业等, 1998; 肖安成等, 2001; 库国正等, 2005)。二连盆地处于地幔隆升的侧翼, 裂陷作用及火山作用减弱, 未发生火山喷发或溢出, 但却以热水事件的形式影响到凹陷的正常沉积。二连盆地其他凹陷都不同程度的发现有安山岩、玄武岩等火山岩类型, 研究区的“ 白烟型” 浅色矿物可能受区域上中基性岩浆活动的控制, 缺乏大量黄铁矿、黄铜矿、闪锌矿等暗色“ 黑烟型” 矿物。

5.1.2 岩浆活动强度

前人研究表明, 白音查干凹陷古地温梯度63.8~99.4 ℃/km, 明显高于现今地温梯度35.6 ℃/km(张振亮等, 2009), 这反映出白音查干凹陷深部具有高热流作用, 但目前在白音查干凹陷未发现火山岩的报道。从局部区域上看, 二连盆地东部的其他凹陷, 如洪浩尔舒特凹陷和赛罕塔拉凹陷, 在下白垩统阿尔善组、腾格尔组及赛汉塔拉组都发育有火山岩(路占军等, 2011; 季汉成等, 2012; 李浩等, 2014)。白音查干凹陷位于整个二连盆地的最西端, 是整个盆地中火山岩最不发育的地区, 该地区的岩浆活动可能仅表现为弱的溢流和小规模的喷流, 这在局部区域背景上也决定了研究区的热水沉积矿物类型及其序列类型。

5.1.3 元素活动性

研究矿物沉淀顺序时还须考虑每期热液中元素的组成及其活动性, 这也非常重要。元素与元素之间结合形成矿物时, 首先与元素的活动性有关, 其次是热液中各种元素的浓度, 再次为环境的温度、压力、酸碱度等。元素按活动性变差排序, 金属元素为: 钾> 钙> 钠> 镁> 铝> 锌> 铁> 锡> 铅> 铜> 汞> 银> 铂> 金; 非金属元素为: 氟> 氧> 氯> 溴> 氮> 硫> 氢> 碘> 碳> 砷> 硒> 硼> 硅。来自于深部的富含C O32-、S O42-和K+、Na+、Al3+、Si4+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Ba2+等离子的热液流体沿各级断裂上涌, 喷出或溢流至湖底, 与冷的湖水混合。由于周围环境条件的变化, 元素活动性较差的硅、铝离子形成铝硅酸根, 与含量较高的钾、钠等金属阳离子首先结合, 沉淀形成铝硅酸盐矿物。随着这些离子饱和度降低, 活动性稍高的碳酸根与铁、钙、镁、钡等离子结合沉淀形成碳酸盐矿物。最后形成磷酸盐及硫酸盐矿物。

5.2 温度、压力及其下降速度

研究区存在4期热液活动, 不同期次的热液温度和压力可能存在差异。结合矿物形成条件的调研结果发现, 这种温度和压力的差异可能会影响矿物的沉淀顺序。前人研究表明, 黄铁矿既可以形成在完全的还原环境中, 也可以在氧化环境中局部被生物等调节的还原环境下(Prolledesma et al., 2010), 形成温度可从小于200 ℃到大于350 ℃(蔡元吉和周茂, 1993; 李楠等, 2012)。对于沸石矿物而言, 通常钠沸石和方沸石被看作中— 高温型沸石, 钠沸石共生方沸石作为碱性玄武岩浆期后的热水产物。已有实验证实, 当温度在300~500 ℃间, 热液系统中可形成稳定的等轴晶系方沸石晶体(Ghobarkar, 1999; 蒋云, 2008; Weisenberger, 2013)。有学者利用Al2O3-SiO2-Na2O-H2O热液系统, 根据矿物相平衡证实钠沸石的形成温度比方沸石低50 ℃甚至更多(Kumar and Chattopadhyaya, 2006)。钾长石存在3个同质多相变体, 透长石主要在800~1000 ℃结晶(Goldsmith and Laves, 1954; Baskin, 1956; Ribbe, 1983), 正长石可在750 ℃以下的任意温度形成(Barrer and Hinds, 1950; Baskin, 1956; Smith, 1974), 微斜长石在500 ℃以下的任意温度形成(Goldsmith and Laves, 1954)。而对于钠长石而言, 除了岩浆形成的高温钠长石外, 在热液流体中也发现了一些低温钠长石的存在。王静等(2013)发现缅甸钠长石岩的主要矿物成分是低温钠长石, 其中钠长石沿着解理和裂隙交代硬玉, 说明钠长石形成晚于硬玉岩, 钠长石形成温度小于300 ℃。对于CaCO3-MgCO3-FeCO3热液系统的实验研究表明, 当温度大于80 ℃时, 菱镁矿才能克服晶体生长阻力发生沉淀(Merlini et al., 2016)。固溶体中FeCO3含量严格随温度的降低而升高, 当温度高达350 ℃时, 形成贫铁富镁碳酸盐固溶体, 当温度低至250 ℃时, 则相反。重晶石既可直接富集形成热液型重晶石矿床, 也可以作为白烟型热水沉积的典型硫酸盐矿物, 如文华国等(2008)在酒泉盆地热水沉积研究中发现重晶石形成温度为120~200 ℃。萤石同样具有多种成因, 其颜色与形成温度有关, 紫黑色萤石形成温度较高, 浅色萤石形成温度较低, 如酒泉盆地青西凹陷热水沉积的无色萤石包裹体均一温度为68.3~130.2 ℃(文华国等, 2010)。

根据研究区流体包裹体资料, 钠沸石流体包裹体均一温度变化范围为232~351 ℃, 钠沸石形成时的流体盐度为19.8~25.7 eq. wt% NaCl。白云石的流体包裹体均一温度变化范围主要为160~200 ℃, 其形成时的流体盐度为11.8~23.2 eq.wt% NaCl。 因此, 钠沸石形成时的流体温度和盐度都明显高于白云石。

研究区热液主喷流通道内温度压力较高, 可超过350 ℃, 沿主喷流口向外至附近湖底, 温度压力降低。根据包裹体资料结合各种矿物形成条件推测, 随着温度和压力的变化, 热水沉积矿物有着黄铁矿/钾长石— 沸石— 钠长石— 菱镁矿— 菱铁矿— 白云石— 重晶石— 萤石的沉淀趋势。

另外, 热液温度和压力的下降速度对其也存在影响。如果热液溢出或喷出的量小, 与湖水混合后温度和压力下降快, 反之如果热液溢出或喷出的量很大, 则下降慢, 这也可能影响矿物的沉淀序列。

5.3 不同热液活动阶段的热水性质

溢流和喷流的不同阶段, 涌出的热液在流体能量、温度、物质成分、流体密度等方面都存在差异, 这种差异会造成矿物类型和沉淀序列的不同。初期溢流时, 流体能量较弱、温度较低、密度也较低, 热液中离子的类型和含量有限, 在溢流口附近形成钠沸石— 白云石纹层; 随着深部热液活动的增强, 流体能量增大、温度增高、密度增大, 热液中离子的类型变得更丰富, 这些携带大量离子的高温高密度热液流体发生喷流, 在喷口周缘形成黄铁矿— 方沸石— 钠沸石— 菱镁矿— 白云石序列; 经过大规模热液喷流后, 能量得到一定程度释放, 热液能量和温度逐渐降低, 形成方沸石— 白云石或钠沸石— 白云石序列; 最后, 随着能量进一步衰退和流体中离子的成矿析出, 热液又从喷流的形式逐步变为溢流, 仅形成单一的白云石构成的纹层, 基本不含黄铁矿、沸石。

5.4 距喷流口和溢流口位置的远近

热液喷出或溢出进入湖底后会向各个方向流动, 随着流动距离的增加, 温度和物质成分都在变化, 因此, 在距喷流口和溢流口不同位置, 其矿物的沉淀序列、沉积结构和构造有一定的变化规律。距喷流中心较近时, 矿物中方沸石、钠沸石、钠长石含量更多, 沉积结构以热水角爆结构和热水内碎屑结构为主, 矿物颗粒较大, 网脉状构造、喷爆角砾构造、同生变形构造等沉积构造大量发育。随着距喷流中心距离增大, 矿物中白云石含量增加, 沉积结构逐渐变为团块结构、泥晶结构和泥质结构, 沉积构造也逐渐变为纹层状构造和块状构造。

6 结论与展望

1)通过薄片观察、定量矿物扫描(QemScan)、电子探针、扫描电镜及能谱分析, 发现研究区热水沉积总体上具有从铝硅酸盐向碳酸盐过渡的沉淀顺序。初步发现的矿物顺序有4种: 沸石— 钠长石— 白云石序列; 钠沸石— 白云石序列; 黄铁矿— 方沸石— 钠沸石— 白云石序列; 方沸石— 钠沸石— 菱镁矿— 菱铁矿— 白云石序列。推测最完整的沉淀序列为: 黄铁矿— 钾长石— 方沸石— 钠沸石— 钠长石— 菱镁矿— 菱铁矿— 白云石— 方解石。但是这种完整序列几乎是不常见的, 通常是某几种矿物的随机组合, 但无论是哪种组合, 其先后顺序均不变。

2)热水沉积矿物沉淀顺序受多种因素共同作用, 主要影响因素包括区域上岩浆性质与活动强度及元素活度、不同热液活动阶段的热水性质、温度高低和压力大小及其下降速度以及距喷流口和溢流口位置等。

虽然目前对热水沉积矿物基本特征及沉淀顺序取得了初步认识, 但总体上人们对这一领域的研究程度还不够深入, 尚存在许多问题亟需解决, 如各矿物沉淀顺序代表的热水流体性质是怎样变化的?何种特定条件下会形成哪些特定沉淀序列?逆序列的形成机制与正常序列有何不同?对于这些问题的深入研究, 有助于丰富和完善现有的沉积学理论, 更好地指导我们寻找不同的热水沉积矿床, 同时对于海底热水沉积矿床的勘探与开发也具有十分重要的实际意义和远大战略意义。

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