向龙, 刘晓东, 刘平辉, 戴朝成, 江文剑. (2019)内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统湖相热水沉积岩特征及成因* [J]. 古地理学报, 21(5): 709-726
Xiang Long, Liu Xiao-Dong, Liu Ping-Hui, Dai Chao-Cheng, Jiang Wen-Jian. (2019)Genesis and characteristics of lacustrine hydrothermal-sedimentary rock of the Lower Cretaceous in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia[J]. Journal Of Palaeogeography, 21(5): 709-726.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2019.05.048
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内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统湖相热水沉积岩特征及成因*
向龙1,2, 刘晓东1,2, 刘平辉1,2, 戴朝成1,2, 江文剑1,2
1 东华理工大学地球科学学院,江西南昌 330013
2 核资源与环境国家重点实验室,江西南昌 330013

第一作者简介 向龙,男,1990年生,博士研究生,主要从事高放废物处理与地质处置研究。E-mail: xl_son00126@foxmail.com。

收稿日期:2018-12-11
基金资助:*国防科技工业局科工二司项目(编号: [2014]1587号)和江西省研究生创新基金项目(编号: YC2018-B083)联合资助
摘要

内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组上段是中国高放废物黏土岩处置库重点预选区段。通过对该段沉积岩开展岩石学、矿物学和地球化学等研究,发现该热水沉积岩岩相呈深灰色、灰色,具有纹层 /条带状、网脉状、同生变形、“斑状”、块状共 5种典型构造,主要矿物组分为白云石、铁白云石、方沸石、伊利石、钠长石和黄铁矿。依据主要矿物组分,将热水沉积岩分为混积岩、泥质白云岩、泥质沸石岩及含白云石沸石泥岩 4类。地球化学测试结果表明: 热水沉积岩中主量元素铁、锰富集;深源气液型微量元素 Mo、 Sb、 Zn、 As、 Sr、 Ba丰度相对较高;稀土元素总量变化范围大,平均值为 119.85μg/g,轻稀土明显富集,重稀土亏损,δ Ce未见明显亏损(平均值 0.99),δ Eu中等偏强的负异常(平均值 0.62);δ 18O值以负偏为主。根据氧同位素值计算出的热水沉积物形成温度介于 40.41~64.87℃之间, Fe- Mn-( Cu+ Co+ Ni)三角图解中热水沉积物均落入喷流沉积区。结合区域构造背景,认为该套热水沉积岩是在干旱的气候条件下,偏还原的半咸湖—咸湖湖水与深部岩浆热液相互作用形成的低温“白烟型”热水沉积岩,其中阿尔金断裂带在 100— 120Ma的活动是热水沉积岩形成的主控因素,其为白云化流体提供了运移通道。对巴音戈壁盆地下白垩统巴音戈壁组热水沉积岩的研究,有助于确定高放废物黏土岩地质处置库重点目标层位。

关键词: 热水沉积岩; 岩石学特征; 地球化学特征; 因格井坳陷
中图分类号:P588.2 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2019)05-0709-18
Genesis and characteristics of lacustrine hydrothermal-sedimentary rock of the Lower Cretaceous in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia
Xiang Long1,2, Liu Xiao-Dong1,2, Liu Ping-Hui1,2, Dai Chao-Cheng1,2, Jiang Wen-Jian1,2
1 College of Earth Sciences,East China University of Technology,Nanchang 330013,China
2 State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment,Nanchang 330013,China

About the first author Xiang Long,born in 1990,is a Ph.D. candidate. He majors in geological disposal repository of high-level radioactive waste. E-mail:xl_son00126@foxmail.com.

Fund:The project of State Administration of Science,Technology and Industry for National Defense(Two Division of Technology and Industry)(No. [2014]1587),Jiangxi Province Graduate Innovation Funding Project(No. YC2018-B083)
Abstract

The Upper Member of Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Yingejing sag,Bayan Gebi Basin,Inner Mongolia is the key pre-selected section of clay rock repository for China’s high-level radioactive waste(HLW). The studies of petrological,mineralogical and geochemical for the sedimentary rocks in this section show that the cores of hydrothermal-sedimentary rocks are dark-gray and gray,and have five typical structures, i.e. laminated and banded,stockwork,syngenetic deformation bedding,porphyritic massive structures. The hydrothermal-sedimentary rock is predominantly composed of dolomite,ankerite,analcime,illite,albite,and pyrite,which are typical minerals of exhalative sedimentary rocks. There are 4 types of hydrothermal-sedimentary rock based on the difference among major minerals. Geochemical characteristics confirm that the main elements are iron and manganese. The typical deep-source gas-liquid trace elements such as Mo,Sb,Zn,As,Sr and Ba are relatively abundant. The average value of $\sum$REE is 119.85 μg/g and is characterized by enrichment of light REE and depletion of heavy REE. There is no significant enrichment or loss of δCe(average value 0.99),and δEu shows a medium strong negative anomaly(average value 0.62). The values of δ18O are mainly negative bias,indicating the formation temperatures of lake-facies hydrothermal-sediments ranging from 40.41℃ to 64.87℃. The samples of Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)-ternary diagram all fall into hydrothermal sediment area. The comprehensive analyses show that this is a set of low-temperature “white smoke type” hydrothermal sedimentary rock associated with magmatism and deep hydrothermal fluid under the mainly arid depositional environment within the brackish-saline lake. The 100-120Ma tectonic activity in the Altun fault zone was the main controlling factor for the formation of exhalative sedimentary rocks,which provided the migration pathway for dolomitized fluids. The study on hydrothermal-sedimentary rock with unique mineral composition provides scientific basis and new ideas for claystone geological disposal repository of China’ HLW.

Key words: hydrothermal-sedimentary rock; petrological characteristics; geochemical characteristics; Yingejing sag

热水沉积岩(喷流岩)是地下热水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(Hekinian, 1982; Edmond and Damm, 1983; 涂光炽, 1984; 陈先沛等, 1987; 李红等, 2013; 郑荣才等, 2003; 钟大康等, 2015)。该类岩石既不是单纯的化学沉淀成因, 也不仅仅是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(钟大康等, 2015, 2018)。热水沉积岩在中国最早由涂光炽(1984)和陈先沛等(1987)发现并提出, 按热水矿物组合特征可以分为“ 黑烟型” 和“ 白烟型” 2个主要类型(Brown, 1993; 李江海等, 2003)。前者是海底喷发的较高温度(> 350 ℃)热液与较冷的海水(2 ℃左右)混合后形成, 以富含大量金属硫化物为主要特征(Scott, 1997); 后者环境温度稍低(32~330 ℃), 以非晶质或隐晶质硅酸盐、铝硅酸盐、碳酸盐岩及硫酸盐矿物为主(郑荣才等, 2018)。美国黄石公园、东非裂谷湖泊(Xu et al., 1998; Barrat et al., 2000)均是典型的湖相热水沉积岩研究区。虽然国内有学者陆续发现了不同时代的海相热水沉积岩(李江海等, 2003; 薛春纪等, 2005), 但陆相热水沉积岩研究发展相对较快, 如甘肃酒西盆地青西坳陷下沟组、新疆三塘湖地区二叠系芦草沟组和内蒙古二连盆地白音查干坳陷腾格尔组均是典型陆相热水沉积岩发育层位(郑荣才等, 2003, 2018; 柳益群等, 2011; 李红等, 2017; 钟大康等, 2015, 2018)。不同学者对典型热水沉积岩的研究主要是从岩石的矿物学、岩石学标志入手, 再利用地球化学特征元素进行佐证。已有研究表明, 热水沉积岩有的颜色偏浅, 为白色、灰白色, 有的偏深, 呈深灰色或黑色; 岩石含有特殊的矿物组分, 如白云石、铁白云石、沸石等; 典型热水沉积“ 白云质泥岩” 中除了出现与热水活动有关的白云石、钠长石、铁白云石和方沸石等矿物之外, 局部还存在重晶石、黄铁矿和有机质组分以及陆源的伊利石黏土、硅质粉砂。岩石结构以纹层状构造为主, 局部可见特征的热水碎屑结构、热水角砾结构和条带状、网脉状、漩涡状构造和同生变形层理等典型构造特征, 明显区别于埋藏成因、微生物成因云质岩构造及形态(李红等, 2013; 王会来等, 2014)。同时, 具有轻稀土总量大于重稀土总量、δ Ce为正异常、δ Eu为负异常的地球化学特征(郑荣才等, 2003, 2018; 钟大康等, 2018)。

内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组上段(K1b2)是中国高放射性废物黏土岩地质处置库预选区重点目标层位。2017年6-8月, 笔者所在的项目组在因格井坳陷施工2口钻井, 现场取心发现巴音戈壁组上段(K1b2)在泥岩原岩背景上发育白色— 灰白色纹层、条带和“ 斑状” 等特色构造, 进一步分析发现这类矿物主要为方沸石、白云石、铁白云石、钠长石、黄铁矿、伊利石和石英, 还含有少量方解石、高岭石、绿泥石、石膏、金属矿物和萤石, 这与前人研究的典型“ 白烟型” 热水沉积岩构造及矿物组合极为相似(郑荣才等, 2003, 2006, 2018; 钟大康等, 2015, 2018)。最新研究表明, 巴音戈壁组上段铀矿化层位的碳酸盐胶结物以白云石系列(铁白云石、含铁白云石及白云石)为主, 铀集中富集的程度与水岩作用的强度及生成的白云石系列等碳酸盐胶结物的含量总体呈正相关关系, 首次提出了塔木素铀矿床由水岩作用形成, 而非典型的层间氧化作用(王凤岗等, 2018)。由此可见, 该层中具有特殊构造、矿物组合及元素异常的岩类, 难以用正常湖相沉积解释, 其究竟是热水沉积成因、变质成因或其他成因, 一直悬而未决, 是当前亟需解决的问题。鉴于此, 文中结合岩心标本, 借助镜下薄片、扫描电镜、X衍射分析等手段, 从矿物学、构造特征等方面入手, 分析该套热水沉积岩的岩石学特征, 并结合地球化学特征、氧同位素特征、坳陷构造演化及沉积环境分析, 发现该套岩石属于热水沉积成因, 即为典型的热水沉积岩。该区热水沉积岩的首次发现, 可为圈定中国高放射性废物黏土岩地质处置库重点目标层位提供科学依据和新的工作思路。

1 地质概况

巴音戈壁盆地位于中蒙交界处, 盆地所处大地构造背景为塔里木板块、哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块和华北板块结合部, 盆地整体近东西向(张成勇等, 2015)。因格井坳陷位于阿尔金断裂东南缘, 巴音戈壁盆地南端, 大致呈北东向展布。坳陷北缘与宗乃山— 沙拉扎山隆起相接, 南缘与巴彦诺尔公隆起相邻, 东部呈齿状插入银根坳陷之中(图 1-A)。坳陷基底为太古界、元古界和古生界的变质岩系组成。盖层主要发育中下侏罗统(J1-2)、下白垩统巴音戈壁组下段(K1b1)和上段(K1b2)、上白垩统乌兰苏海组(K2w)及新近系, 缺失苏红图组和银根组。第四系主要为一些风成沙土, 厚度较薄。

图 1 内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷位置和采样钻井分布
1— 地名; 2— 钻井位置; 3— 断裂及编号; 4— 隆起区; 5— 地层界限; 6— 构造分区线; 7— 阿尔金断裂; 8— 国境线; 9— 第四系; 10— 乌兰苏海组; 11— 巴音戈壁组上段; 12— 巴音戈壁组下段; 13— 侏罗系及古生界; 14— 不整合面及编号; 15— 地震解释追踪界面及编号; 16— 研究区范围Fig.1 Location of Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia and distribution of sampling boreholes

白垩系是盖层的沉积主体, 巴音戈壁组下段主要为红色、褐红色、紫红色、桔红色、灰白色砾岩、砂砾岩、泥质砂砾岩、砂岩, 夹薄层红色、紫红色粉砂岩和泥岩, 局部可见灰色细碎屑岩, 厚度大于1400 m; 巴音戈壁组上段(K1b2)总厚度大于900 m, 是高放废物地质处置库预选区重点目标层, 进一步可分为3个岩段(王凤岗等, 2018): 第一岩段(K1b2-1)岩性主要为深灰色块状泥岩, 属半深湖— 深湖相沉积。第二岩段(K1b2-2)岩性主要为黄色、褐色、灰色及黑色含砾砂岩、砂岩、粉砂岩、泥岩等, 属扇三角洲、辫状三角洲平原亚相的分流河道沉积(吴仁贵等, 2010)。第三岩段(K1b2-3)主要以灰白色、灰绿色、深灰色泥岩为主, 属浅湖沉积。

核工业航测遥感中心对塔木素地区浅层地震勘探解译发现构造6条, 其中勘探五线(图 1-C, E-F线)离TZK-2井最近, 解译出F1、F2、F3共3条断裂(区内主要断裂)(图 1-B)。该断裂孕育于燕山初期, 在燕山中、晚期达到鼎盛, 同时伴随有多期次岩浆活动。

2 热水沉积岩特征
2.1 沉积构造特征

从钻井岩心标本可以看出, 因格井坳陷巴音戈壁组上段热水沉积岩颜色为深灰色、灰白色, 且在此背景上发育网脉状、“ 斑状” 、块状、纹层状/条带状和同生变形构造共5种典型构造(图 2)。在分布深度上, 这些沉积构造呈现出明显的规律, 其深部以网脉状构造为主, 中下部主要为“ 斑状” 构造, 中部为均质性较好的块状, 中上部以纹层状构造为主。

图 2 内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组热水沉积岩沉积构造特征
a— 网脉状构造, 标记处白色网状由方沸石及白云石组成, TZK-2井, 765 m; b— 暗色泥质物与粉— 细晶白云石、方沸石混合均匀分布, 单偏光; c— “ 斑状” 构造, 标记处白色“ 斑状” 颗粒为粉— 细晶、粗晶白云石, TZK-1井, 595 m; d— 菱形粗晶白云石与粉— 细晶白云石呈团块状分布于暗色泥质物中, 单偏光; e— 深灰色块状泥岩, TZK-1井, 520 m; f— 深灰色泥岩背景下发育白色与灰白色纹层; g— f中标记处主要由白云石、铁白云石、方沸石组成, TZK-2井, 136 m, 染色薄片, 单偏光; D1: 泥晶白云石; D2: 粉— 细晶白云石; D3: 粗晶白云石; Ana: 方沸石; Ank: 铁白云石; Py: 黄铁矿; 下同Fig.2 Characteristics of sedimentary structures of hydrothermal-sedimentary rock of the Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia

1)网脉状构造。主要发育在730~800 m井段, 表现为白色不规则厚层条带被白色细脉连接, 呈现宽窄不定的交织网状特征。条带宽度多介于 1~6 mm之间(图 2-a)。白色条带或细脉主要为白云石、方沸石和方解石微晶— 细晶集合体与暗色泥质物的混合(图 2-b)。

2)“ 斑状” 构造。主要发育在550~730 m井段。在岩心标本上, 表现为“ 雪花状” 散布于深灰色泥岩中(图 2-c), 局部发育水平层理及小型变形层理。“ 斑状” 构造在单偏光镜下可见粗晶白云石, 粒径一般介于0.5~1 mm之间, 具有典型的菱面体特征, 与暗色泥质物共同呈现团块结构(图 2-d)。

3)块状构造。主要发育在260~550 m井段。块状构造是巴音戈壁组上段热水沉积岩主要的构造类型, 岩性主要为灰色、深灰色泥岩, 均一性好, 固结程度高(图 2-e)。

4)纹层状/条带状构造。主要发育在31~260 m井段。纹层状构造是热水沉积岩常见的沉积构造, 白色纹层由若干微米级至毫米级厚度的矿物组成(图 2-f)。染色薄片(茜素红-S与铁氰化钾配比溶液染色)中单偏光下呈现深蓝色的是铁白云石, 粗晶白云石为米白色(未变色), 方沸石负低突起、灰白色为主, 三者呈现团聚特征; 亦见薄层有机质或黄铁矿组合条带与暗色泥质物薄层的混合纹层构造(图 2-g)。纹层厚薄不一, 当纹层厚度增加至毫米级甚至厘米级时称为条带状构造。若纹层或者条带特征呈现软变形和不规则揉皱的层理构造时, 则为同生变形构造, 其变形幅度一般可达厘米级。

2.2 岩石学特征

全岩X衍射分析表明, 该套热水沉积岩以碳酸盐矿物(主要为白云石、铁白云石)、铝硅酸盐矿物(主要为方沸石、钠长石)组合为主, 次为黏土矿物(主要为伊利石)(表 1)。其中, 主要矿物组分为白云石和方沸石(样品Y064、T126主要矿物解译图谱见图 3)。白云石含量为2.8%~43.9%, 平均为20.84%; 方沸石含量为2.7%~61.5%, 平均为24.79%。另外还含有少量方解石、高岭石、蒙脱石、绿泥石、石膏、金属矿物(黄铁矿)和萤石。

表 1 内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组热水沉积岩全岩矿物组分 Table 1 Analysis data of whole rock-mineral X-ray diffraction of hydrothermal-sedimentary rocks of the Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia 单位: %

图 3 内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组热水沉积岩典型矿物XRD衍射图谱特征Fig.3 X-ray diffraction patterns for typical minerals of hydrothermal-sedimentary rock of the Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia

1)白云石特征。根据晶体大小和形态, 热水沉积岩发育3种类型白云石, 分别为泥微晶白云石、粉— 细晶白云石和粗晶白云石。泥微晶白云石常与方解石微晶、泥级长石及少量的黏土矿物呈条带状互层出现, 层厚约0.2~0.5 mm(图 4-a), 在偏光显微镜下难以识别其形态。扫描电镜观察到泥微晶白云石形态单一, 主要呈立方体状, 自形程度高, 晶体大小均一, 整体洁净, 粒径在5~10 μ m之间(图 5-a, 能谱确认)。粉— 细晶白云石在偏光显微镜下与方沸石均匀分布于暗色泥质物中(图 4-b), 与泥微晶白云石相比, 粉— 细晶白云石晶体自形程度略低, 为半自形— 自形, 晶粒介于50~500 μ m之间。粗晶白云石呈菱形晶粒状产出, 晶内发育裂纹, 晶粒可达0.5~1 mm, 呈现出团块结构特征(图 2-d), 团块间充填黏土矿物及暗色泥质物。

图 4 内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组热水沉积岩典型矿物特征
a— 泥晶白云石与黏土矿物呈二元纹层, TZK-2井, 313.25 m, 单偏光; b— 白云质泥岩中发育粉— 细晶白云石, 基质具泥质结构, TZK-1井, 614 m, 单偏光; c— 沸石质泥岩中自形— 半自形方沸石与金属矿物(黄铁矿)充填孔隙, TZK-2井, 716.57 m, 单偏光; d— 视域同c, 方沸石呈一级灰干涉色, 粉— 细晶白云石充填于方沸石孔洞, 呈高级白干涉色, 混合分布在暗色泥质物中, 正交偏光Fig.4 Characteristics of typical minerals of hydrothermal-sedimentary rock of the Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia

图 5 内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组热水沉积岩典型矿物特征及能谱图
a— 立方体泥微晶白云石颗粒, TZK-2井, 753.25 m; b— 方沸石晶体被溶蚀而呈不具规则四角三八面体, TZK-1井, 593.53 m; c— 板状立方体黄铁矿晶体, TZK-2井, 613.66 m。所有照片均为扫描电镜照片Fig.5 Energy spectrum patterns and characteristics of typical minerals of hydrothermal-sedimentary rock of the Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia

2)方沸石及黄铁矿特征。方沸石单偏光下具负低突起(图 4-c), 正交偏光下为一级灰干涉色(图4-d), 可见金属矿物(黄铁矿)、粉— 细晶白云石充填于方沸石表面孔洞(图 4-d), 应是受到了后期热液作用。同时, 也见方沸石与粉— 细晶白云石、铁白云石混合条带与暗色泥质薄层呈条带状(图 2-f)。扫描电镜下, 方沸石单一晶体为典型的四角三八面体, 偶见晶体被溶蚀而不具规则边缘(图 5-b, 能谱确认); 板状立方体形式的黄铁矿晶体边界平直, 自形程度较高, 粒径一般在50~100 μ m之间(图 5-c, 能谱确认), 并可见似六边形溶蚀孔。

2.3 地球化学特征

2.3.1 主量、微量元素特征

该套热水沉积岩主量元素氧化物含量见表 2, 氧化物主要为SiO2(22.94%~47.12%)、CaO(3.27%~16%)和Al2O3(7.15%~16.29%), 平均值分别为34.3%、10.91%和10.79%; TFe2O3(3.35%~7.94%)和MnO(0.08%~0.17%)平均含量分别为5.42%和0.11%。以平均大陆上地壳(UCC)主量元素含量(Taylor and Mclennan, 1985)为标准, 对22件样品主量氧化物进行标准处理(图 6-a), 表明热水沉积岩具有Ca、Na、Mn元素富集, 而K、P元素则相对亏损的特征。热水沉积岩中深源岩浆型微量元素组合的典型元素(Ni、Cr、Co)丰度相对最低, 而深源气液型微量元素组合中的典型元素(如Mo、Sr、Ag)丰度相对较高(表 3, 图 7)。这与沙河街组、下沟组典型喷流岩地区微量元素平均值变化趋势一致。

表 2 内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组热水沉积岩主要地球化学特征 Table 2 Main geochemical characteristics of hydrothermal-sedimentary rock of the Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia

图 6 内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组热水沉积岩主量及稀土元素特征Fig.6 Characteristics of major and trace elements of hydrothermal-sedimentary rock of the Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia

图 7 内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组热水沉积岩微量元素特征及与典型热水沉积岩区对比Fig.7 Trace elements characteristics of hydrothermal-sedimentary rock of the Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia and comparison with typical areas

表 3 内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组热水沉积岩微量元素与典型喷流岩数据及地壳元素克拉克值比较 Table 3 Comparison among trace element of hydrothermal-sedimentary rock of the Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia and typical area as well as Clark values单位: μ g/g

2.3.2 稀土元素及碳氧同位素特征

样品稀土元素总量较高(表 2), 变化范围为52.39~186.13 μ g/g, 平均值119.85 μ g/g; 稀土元素配分模式呈Σ LREE> Σ HREE的平缓右倾状(图 6-b), 轻稀土明显富集, 重稀土相对亏损。轻、重稀土比值差异20倍以上, 进一步证实轻稀土明显富集, 重稀土相对亏损。δ Ce值在0.91~1.04之间, 平均为0.99, 显示为微弱负异常或亏损; δ Eu值在0.53~0.74之间, 平均为0.62, 呈现中等偏强的亏损状态。利用SPSS19.0相关分析发现, δ Ce与δ Eu的相关系数为0.286, 未达到统计学显著性水平, 无明显的相关性, 而δ Ce与(Dy/Sm)N相关系数为0.116, 也未达到显著性水平, 这有悖于受成岩作用影响而呈现的负相关关系(吴赛赛等, 2016; 张建军等, 2017), 表明样品基本未受到成岩作用影响, 故可以利用稀土元素特征值来探讨沉积环境。

18件样品的 δ13CVPDB变化范围为-0.36‰ ~4.73‰ , 平均值为1.86‰ ; δ18OVPDB变化范围为-6.83‰ ~-2.21‰ , 平均值为-5.03‰ (表 2)。相较于典型湖相碳酸盐( δ18OVPDB变化范围为-2‰ ~6‰ )(潘立银等, 2009), 研究区样品具有典型的碳同位素偏正的特性。SPSS19.0分析表明, δ13CVPDB与 δ18OVPDB的相关系数为0.374, 未达到显著性水平, 表明样品没有或者受到较弱的成岩作用影响(Horacek et al., 2007), 与特征稀土元素相关分析得出的结论一致, 故氧同位素可以用于样品古温度计算。

3 讨论
3.1 沉积环境

湖泊沉积物的地球化学特征已被广泛用于沉积环境恢复与探究。笔者试图利用微量特征元素比值及氧同位素特征探究早白垩世热水沉积岩的沉积环境。

3.1.1 氧化还原条件

Elderfield和Greaves(1982)、Jones 和Manning(1994)的研究表明, U/Th值可作为指示氧化还原特征的可靠参数, 其中U/Th值大于1.25时指示厌氧环境, 介于0.75~1.25之间指示贫氧环境。研究区22件泥岩样品的U/Th值介于0.39~5.01, 平均值为1.53, 且81.82%样品的U/Th值大于0.75, 表明下白垩统巴音戈壁组上段沉积时整体是厌氧还原条件。

样品中δ Ce值异常也可以指示沉积物氧化条件。沉积物中Ce主要是以离子形式(Ce3+)存在, 只有在强氧化沉积环境时才会被氧化为Ce4+而沉淀, 从而造成δ Ce值的负异常(罗伟等, 2016)。研究区样品的δ Ce介于0.91~1.04之间, 具有轻微负异常特征, 再结合深灰色岩心标本, 可推测该套热水沉积岩的形成环境以还原为主。

3.1.2 古盐度

Campbell 和Wiliams(1965)指出, Ba和Sr会因不同地球化学行为而发生分离, Sr/Ba值是判别古盐度的灵敏标志: 当Sr/Ba< 1时, 指示淡水沉积; Sr/Ba> 1时, 指示盐湖或海相沉积; 微咸水— 半咸水环境中Sr/Ba介于1~0.6。研究区22件样品的Sr/Ba值介于0.75~9.31, 均大于0.6, 平均值为2.65, 且81.82%样品的Sr/Ba值大于1, 指示整体为半咸水— 咸水环境。

3.1.3 古温度

为进一步探究巴音戈壁组上段热水沉积岩沉积时古温度特征, 结合湖泊沉积物碳酸盐氧同位素古温度理论, 借助了适用于0~500 ℃无机成因碳酸盐— 水之间氧同位素温度分馏方程(O’ Neil et al., 1969):

T(℃)=16.9-4.38(δ 18O-δ W)+0.10(δ 18O+δ W)2

式中, δ 18O 为样品实测值(‰ ); δ W为古水体的 δ 18O 值(‰ )。

鉴于因格井坳陷与青海湖、早白垩世哈日凹陷碱性咸水湖的湖泊环境相似, 且哈日坳陷在湖盆性质及演化上与因格井坳陷相似, 以及中国北方大多数盆地中生代末期具有相对较高的热背景(任战利和赵重远, 2001), 因此笔者利用青海湖实测的 δ 18O 值(3.078‰ )作为同期湖水氧同位素值(卢凤艳和安芷生, 2010)。计算结果表明, 早白垩世因格井坳陷湖水温度为40.41~64.87 ℃, 平均为53.07 ℃, 高于具有微生物作用特点的湖水温度(一般为30~45 ℃)(Wathmann et al., 2005), 故微生物作用对矿物(铁白云石等)的影响可以排除。同时, 对比早白垩世典型湖相热水沉积物的形成温度: 哈日凹陷湖水温度43.94~86.08 ℃, 平均值为61.97 ℃; 酒泉盆地57.00~104.61 ℃, 平均78.79 ℃; 三塘湖盆地51.03~173.33 ℃, 平均104.45 ℃(陈志鹏等, 2018), 发现因格井坳陷热水沉积岩温度略低于哈日凹陷, 但低于酒泉盆地和三塘湖盆地。因此, 因格井坳陷热水沉积岩属于低温“ 白烟型” 热水沉积岩。

3.2 沉积物类型

已有研究表明, 马鞍状和斑马状结构是海相热液白云岩中与构造断裂有关的热液交代成因产物(Davies and Smith, 2006); 具有微生物成因的白云石通常会形成独特的显微结构(粘膜状结构、纳米质点结构、纤维网状结构、放射状结构、簇状结构等)(Bontognali et al., 2012; 翟秀芬等, 2017)。国内已有热水沉积岩案例多为“ 白烟型” 热水沉积岩, 有学者将发育其中的网脉状构造作为识别热液流体运移通道的重要标志(肖荣阁等, 1994); 将同生变形构造认为是热液活动时未固结或者弱固结的白色纹层搅动而产生的一种塑性变形构造, 与喷流口附近快速堆积的热水沉积物顺坡发生重力滑动有关(郑荣才等, 2003); 将丰富的纹层和条带状构造认为与湖底热卤水所控制的热水矿物结晶分异作用及沉淀形式的分带性有关, 表现为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, 运移至距离喷流口相对较远处则形成纹层或条带构造并过渡为正常沉积岩(郑荣才等, 2018; 钟大康等, 2018)。因格井坳陷巴音戈壁组上段热水沉积岩中纹层状和条带状构造是该区岩石中最常见的沉积构造, 同时也能见到网脉状及同生变形构造等典型特征构造, 这表明研究区早白垩世可能长期存在“ 白烟型” 热液活动, 且热液活动强度存在差异, 由此造成热水沉积岩典型构造在纵向上呈规律性变化。

白云石和沸石是最具热水沉积岩特征的热水沉积物(钟大康等, 2018)。研究区热水沉积岩中粉— 细晶白云石与泥微晶白云石镜下差异明显, 可排除是泥微晶白云石重结晶形成, 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(戴朝成等, 2008; 钟大康等, 2018); 粗晶白云石呈菱形晶粒状产出, 呈现出团块结构特征, 推测可能形成于热水喷流过程中, 热水从高压进入低压的环境时水体震荡, 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(钟大康等, 2018)。针对研究区方沸石可能为变质成因或原生方沸石观点, 笔者在镜下详细观察, 在所分析的样品中未见有浊沸石和葡萄石等低级变质特征矿物, 而只有当变质温度达到200 ℃左右时, 方沸石和石英才会形成钠长石。但在矿物剖面上, 方沸石、石英和钠长石的含量不存在此消彼长的关系, 镜下也未见有方沸石和石英反应形成钠长石, 因此用变质作用难以解释泥岩中的矿物组成, 且上文氧同位素古温度理论的计算结果也表明泥岩沉积时古水体温度并未达到变质作用需要的温度, 因而方沸石可能是热水中富含Na+、Ca2+、C O32-的碱性热液流体喷涌出湖底后, 与湖水混合后直接结晶或交代前期矿物形成的热水沉积矿物。同时, 在热水沉积岩中出现方沸石与黄铁矿这类热液矿物的组合并以充填形式出现, 通常被认为与热液作用有关(郑荣才等, 2003; 林培贤等, 2017)。

参照Gamero-Diaz等(2013)和钟大康等(2018)提出的基于XRD分析的细粒沉积岩物相命名三角图, 以白云石(包括铁白云石)、方沸石和泥质物(包括黏土矿物、石英和长石)为三端元, 10%、25%、50%为界讨论研究区热水沉积岩岩石类型特征。结果表明, 研究区这套热水沉积岩在泥岩背景上可分为4类(图 8): 含沸石质的混积岩, 泥质白云岩, 泥质沸石岩, 含白云石沸石泥岩。这反映出该套热水沉积岩具特殊的沉积环境。具体而言, 可将热水沉积岩分为4类矿物组分特征: Ⅰ .白云石— 铁白云石— 方沸石— 钠长石组合; Ⅱ .白云石— 铁白云石— 方沸石— 钠长石— 石英组合; Ⅲ .白云石— 铁白云石— 方沸石— 钠长石— 石英— 石膏组合; Ⅳ .白云石— 铁白云石— 方沸石— 钠长石— 石英— 黄铁矿组合。其中, 组合Ⅰ 、Ⅱ 在整个因格井坳陷内广泛分布, 组合Ⅲ 和Ⅳ 则在坳陷内与湖相泥岩、泥质粉砂岩互层出现。上述矿物组合特征总体上反映流体是一种富C O32-、S O42-、Na+、Al3+、Si4+、Mg2+、Fe2+、Ca2+, 而相对贫金属硫化物的中— 低温“ 白烟型” 热液流体(郑荣才等, 2003, 2018; 钟大康等, 2018)。

图 8 热水沉积岩分类(据钟大康等, 2018, 略修改)Fig.8 Classification of hydrothermal-sedimentary rock(modified from Zhong et al., 2018)

同时, 元素地球化学特征也可以用于区分沉积物类型。铁锰氧化物常作为热水沉积作用的重要指示性产物, 有学者将“ 高锰铁” 的白云岩作为识别热液成因白云岩的重要标志(朱东亚等, 2010)。研究区泥岩样品主量元素表现出明显的铁、锰富集的特征, 较接近银额盆地哈日凹陷下白垩统热水沉积岩铁、锰特征(TFe2O3和MnO平均含量为6.18%和0.10%)(陈志鹏等, 2018)。地球化学lg(TFe2O3/K2O)和lg(SiO2/Al2O3)特征图版可用于区分泥岩、砂岩类型(Herron, 1988), 研究区样品均落入泥岩区内(9-a), 表明主要主量元素具有泥岩岩类特征, 亦证实了在泥岩原岩背景下发育热水沉积岩主要特征矿物的结论。参照Crerar等(1982)提出的区分正常沉积与热水沉积的三角形图版, 将样品Fe、Mn、Cu、Ni、Co元素进行投点, 所有样点均落入热水沉积区, 且相对接近现代红海海底热水沉积区(图 9-b), 指示了该套热水沉积岩区有长期热液输入。

图 9 内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组热水沉积岩地球化学岩石分类(底图据Herron, 1988)及Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)三角图(底图据Crerar等, 1982)Fig.9 Geochemical classification(base map after Herron, 1988) and Fe-Mn-(Cu+Ni+Co)-ternary diagram(base map after Crerar et al., 1982) of hydrothermal-sedimentary rock of the Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia

前人研究表明, 海相热水沉积岩通常具有重稀土元素含量大于轻稀土元素、δ Eu呈正异常(Klinkhammer et al., 1994)的特征。研究区样品具有稀土元素总量较高、轻稀土富集、重稀土亏损、δ Eu强烈正异常、δ Ce负异常等特征, 与典型的海相高温热水沉积岩稀土元素特征差异明显, 但与酒泉盆地青西坳陷湖相热水沉积岩(文华国等, 2014)、银额盆地哈日凹陷下白垩统热水沉积岩(陈志鹏等, 2018)以及东非裂谷湖泊的现代热泉水(Barrat et al., 2000)特征一致, 这可能是湖相热水沉积物所具有的稀土元素特征。

3.3 构造背景

巴音戈壁盆地从中生代开始进入板内构造变形阶段, 三叠纪— 侏罗纪为裂陷、拉分盆地发育阶段, 早白垩世开始进入拉分盆地全面发展阶段。早白垩世全区区域应力场发生改变, 由燕山Ⅲ 幕挤压应力状态逐渐转化为张扭应力状态。加之早白垩世早期火山喷发, 使地壳深部的能量释放, 在重力均衡调整和地壳深部热能不均衡的影响下, 沿着拉开的张裂面进行垂向滑动, 在盆地边缘发育大量的正断层, 使因格井坳陷形成双断地堑式湖盆, 两侧为同沉积断层。随着阿尔金断裂及其分支断裂的继续走滑, 研究区进入拉分盆地全面发展期。直到早白垩世末期和古近纪— 第四纪发生构造反转。综观整个盆地中新生代演化历程, 盆地经历了三叠纪到侏罗纪裂陷、拉分盆地发生阶段, 早白垩世拉分盆地全面发展阶段, 晚白垩世全面拗陷阶段, 古近纪到第四纪挤压抬升、局部沉积的沉降历程。总之, 盆地内隆起、坳陷的分布格局严格受阿尔金断裂带及其分支断裂的控制, 持续活动的同沉积断层及基底断裂为白云化流体(富Mg2+流体)提供了运移通道。

同时, 100— 120 Ma的早白垩世晚期阿尔金断裂带具有多期活动性(李海兵等, 2006), 近年来众多学者沿阿尔金断裂带已发现多处热水沉积岩: 如酒西盆地下白垩统下沟组泥云岩(郑荣才等, 2003, 2018; 文华国等, 2014), 银额盆地哈日凹陷下白垩统苏红图组和巴音戈壁组泥岩(陈志鹏等, 2018), 二连盆地白音查干凹陷下白垩统腾格尔组含沸石白云质泥岩(钟大康等, 2015, 2018; 杨喆等, 2018)。再加之本次研究的巴音戈壁盆地下白垩统巴音戈壁组上段热水沉积岩, 它们形成时间多为早白垩世, 形成于相距近1000 km的不同盆地中, 故它们在成因上也应存在必然联系, 推测阿尔金断裂带早白垩世晚期构造活动是该类热水沉积岩形成的主控因素。

3.4 热水沉积模式

综合因格井坳陷巴音戈壁组上段热水沉积岩岩石学特征、地球化学特征、沉积环境及构造演化背景的分析, 再结合该区浅层地震勘探五线解译证实的断裂, 可以认为: 因格井坳陷巴音戈壁组上段沉积期为具有厌氧还原条件的碱性咸水湖环境, 受阿尔金断裂多期次活动控制, 在火山喷发(岩浆活动)和湖底热液的相互作用下, 形成了一套规律性发育网脉状、“ 斑状” 、纹层状等典型构造, 富含白云石、方沸石矿物的低温“ 白烟型” 热水沉积岩(图 10)。

图 10 内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组上段湖相泥岩喷流沉积模式(据陈志鹏等, 2018; 郑荣才等, 2018; 有修改)Fig.10 Sedimentary model of lacustrine exhalative rock of the Upper Member of Lower Cretaceous Bayingebi Formation in Yingejing sag of Bayan Gebi Basin, Inner Mongolia(modified from Chen et al., 2018; Zheng et al., 2018)

具体而言, 受阿尔金断裂控制, 巴音戈壁盆地早白垩世为全面拉分期, 湖水受重力及上覆压力作用沿主要断裂下渗, 下渗过程中在基岩岩层中经过长时间水— 岩反应, 萃取围岩中的Na+、Al3+、Si4+、Mg2+、Fe2+、Ca2+等离子形成热卤水至岩浆房。随后在热能和流体势能的驱动下, 沿着裂隙排泄至湖盆, 这种湖水下渗与热液上涌对流持续循环为湖盆提供热源和成矿离子。当上涌热液运移至火山喷发口时, 由于距离喷流口远近的物理化学条件差异(是驱动热液喷流扩散的主要动力), 从而控制了热液矿物结晶分异差异并形成典型矿物的共生组合特点, 同时造成前述的纹层状、“ 斑状” 等典型构造类型的分带性沉积。在喷流口附近, 形成白云石(含铁质)、方沸石及其他热液成因矿物。当热液携带大量的 Si2-、Al3+、Na+进入湖盆并在喷流口附近与湖水混合时, 喷流口附近区域和距离喷流口相对较远区域就会由于胶体和离子性质差异而发生不同的沉积作用。在喷流口附近的湖水中可见大量的 SiO2、Al2O3胶体物质, 这2种带相反电荷的胶体可发生中和而聚沉, 从而促成钠— 铝硅酸盐凝胶(周建民等, 1995), 这可能就是泥岩中方沸石形成的主要机理。而热液来源的 Ca2+、Mg2+、Fe2+等离子相对活泼, 可长距离搬运至相对远离喷流口的区域(郑荣才等, 2003), 并由于与湖水混合及湖相沉积物的加入, 因此在喷流口较远地带, 发育了泥岩原岩背景下的白云质泥岩和含白云质泥岩等热水沉积岩石类型。而在热液与湖水充分混合后, 低温热水矿物逐渐发生化学沉淀, 再加上蒸发作用, 故在上层泥岩中发育石膏层。

因格井坳陷巴音戈壁组上段热水沉积岩的发现, 不仅为热水作用的研究提供了又一典型实例, 也对中国高放废物黏土岩地质处置库后续深入开展围岩矿物特征研究具有重要现实意义。

4 结论

1)内蒙古巴音戈壁盆地因格井坳陷下白垩统巴音戈壁组上段热水沉积岩主要矿物组分为白云石、铁白云石、方沸石、钠长石和黄铁矿。依照主要矿物组分差异在泥岩背景上划分出4类热水沉积岩: 含沸石质的混积岩, 泥质白云岩, 泥质沸石岩, 含白云石沸石泥岩。其可分为4种矿物组合: 白云石— 铁白云石— 方沸石— 钠长石组合; 白云石— 铁白云石— 方沸石— 钠长石— 石英组合; 白云石— 铁白云石— 方沸石— 钠长石— 石英— 石膏组合; 白云石— 铁白云石— 方沸石— 钠长石— 石英— 黄铁矿。该热水沉积岩具有典型的网脉状、“ 斑状” 、块状、纹层状/条带状和同生变形构造, 与典型的低温“ 白烟型” 热水沉积岩特征一致。

2)因格井坳陷巴音戈壁组上段热水沉积岩主要氧化物为SiO2、CaO和Al2O3, 主量元素以Ca、Na、Mn、Fe富集, K、P元素则相对亏损为特征; 典型深源气液型微量元素Mo、Sb、Zn、As、Sr、Ba丰度相对较高; 稀土元素总量变化范围较大, 轻稀土明显富集, 重稀土亏损; δ Ce未见明显富集或亏损, δ Eu呈现中等偏强的负异常; δ 18O值以负偏为主, 湖相热水沉积物的形成温度为40.41~64.87 ℃, 平均为53.07 ℃。表明其为热水沉积成因, 是干旱偏还原沉积环境下半咸湖— 咸湖低温“ 白烟型” 热水沉积岩。

3)火山喷发(岩浆活动)和湖底热液的相互作用贡献了大量的Mg2+、Fe2+, 而阿尔金断裂带100— 120 Ma的构造活动是巴音戈壁组上段湖相热水沉积岩形成的主控因素, 为白云化流体(富Mg2+流体)提供了运移通道。

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