可可西里盆地东部五道梁群热水湖相成因新认识

张雪飞,郑绵平,陈文西,叶传永,雒洋冰,孔维刚

中国地质科学院矿产资源研究所,国土资源部盐湖资源与环境重点实验室,北京 100037

青藏高原北部可可西里五道梁地区中新世发育大范围湖相碳酸盐沉积,岩性主要为灰岩或白云质灰岩,并在其北山剖面中发现大量叠层石沉积。前人研究认为该叠层石剖面出现是高原古湖期大湖面的产物(伊海生等,2008a,b;吴珍汉等,2009),认为是在青藏高原中新世干旱背景下的短期或局部气候潮湿导致的,但本文研究认为中新世五道梁群碳酸盐,是与火山活动有关的热水湖相沉积,郑绵平等(2013)也认为该区是青藏高原寻找火山沉积硼矿的远景区。

图1 可可西里盆地地质简图Fig.1 Geological sketch map of Hoh Xil Basin

图2 五道梁南北剖面示意图Fig.2 Schematic north-south section in Wudaoliang

研究区位于青藏高原北部可可西里盆地东部,主要地层为中新世沉积的湖相碳酸盐(图1)。该套地层岩性较单一,一般为灰岩或白云质灰岩,在五道梁北山含大量叠层藻(金和海,2004;刘志飞等,2001,2005;王士峰等,1999)。吴珍汉等(2009)曾经在该地区进行了大量有意义的工作,包括钻探和剖面等,为本文研究提供了丰富的资料。

本文研究剖面位于五道梁南北两侧(图2),其中北剖面为自下而上的叠层藻沉积,剖面线长度约110 m,岩性几乎全部为灰岩。沿G109国道向南在五道梁南侧取南剖面,该剖面上部为灰岩,下部为白云质灰岩。

1 样品与实验方法

本次研究的 7个叠层石灰岩样品和 21个零散样品同属于五道梁群,选取部分样品切薄片进行显微镜下鉴定、X射线粉晶衍射(XRD)以及化学元素分析。其中镜下鉴定和 XRD在国土资源部盐湖资源与环境重点实验室进行。XRD实验所用仪器为Mini XRD仪。测试条件为:扫描范围3°～90°,步长为0.02°/s,所用Cu靶,40 kV,15 mA。数据分析采用Jade 5.0软件进行。化学元素分析部分在中国地质科学院国家地质实验测试中心进行,微量元素和稀土元素分析采用等离子质谱仪(X-series),B元素采用等离子光谱仪测定。部分样品的As和Fe含量也在国土资源部盐湖资源与环境重点实验室进行,所用方法为原子吸收。本文研究的碳、氧同位素数据引自吴珍汉等(2009)的钻孔数据。

2 分析结果

2.1 岩石学、矿物学特征

五道梁北山野外观察叠层石为柱状或穹窿状,顶部观察为皮壳状(图 3),柱状叠层石大约直径为2～8 cm不等,纹层明显。镜下可见明显明暗纹层,其中暗纹层由泥晶碳酸盐排列较明纹层致密引起的。镜下明显可见叠层藻球粒和团块,叠层藻大多数为球粒状、椭球粒,部分为长条状,内部被泥晶碳酸盐充填。明亮纹层的疏松球粒叠层藻团块周围可见半自形方解石包裹,且团块之间缝隙也被方解石充填。部分团块之间含锈红色铁质。

将五道梁北山叠层藻剖面样品进行低温烘干、粉碎后进行X射线粉晶衍射,分析结果显示剖面主要矿物组合为方解石和少量石英,说明叠层藻中的泥晶碳酸盐成分为方解石。南剖面样品 XRD结果显示矿物组合为方解石、铁白云石、石英和钠长石。南、北剖面矿物成分的差异为,南剖面含白云石,且是铁白云石。铁白云石与普通白云石差别 XRD谱线见表 1。铁白云石的出现说明该地层可能为高温热水成因,即热水湖相沉积(Ihasn,2003;文华国等,2014)。

表1 五道梁南剖面铁白云石与普通白云石XRD谱线对比Table 1 Comparison of XRD lines between ankerite and dolomite

图3 叠层石野外及镜下薄片照片Fig.3 Photos of stromatolites

含铁白云石剖面手标本可见竹叶状、长条透镜体状黑色条带(图 3),镜下鉴定发现条带状物质为泥晶碳酸盐(白云石),条带中间颗粒为石英和长石。该剖面样品中铁质含量丰富,反射光下清晰可见;99号样品还见到与北剖面相似的叠层藻团块,团块大小 100～300 μm 不等,由于铁含量较高而呈现褐黄色。同北剖面相似该剖面也含明暗相间条纹。为区分碳酸盐种类,将玻片进行染色反应。将0.2%HCl、0.2%的茜素红S、0.5%～1.0%的铁氰化钾配置成染色剂,将其滴至未盖盖玻片的玻片上,镜下观察可见铁白云石被染成蓝色,方解石被染成淡紫色,说明该区域方解石也含铁。同XRD结果一致的是,镜下鉴定也发现样品中含钠长石,部分钠长石为普通碎屑钠长石,但是也有少量长石含明显次生加大边(图 3d),说明碎屑钠长石后期曾经受热水活动的影响(李红等,2012;文华国等,2014)。

2.2 微量元素

图4 五道梁地区稀土元素配分方式Fig.4 Chondrite-normalized REE patterns of Wudaoliang area

选取部分剖面样品进行微量元素分析,并将部分元素进行比值计算。北剖面样品中Ni/Co分布范围 3.9～5.9,平均值为 4.95;V/Cr的比值范围为0.43～1.88,平均值为 0.97;V/Sc比值分布范围5.1～8.99,平均值为 6.89;V/(V+Ni)的平均值为0.39。样品中 Ni/Co比值是区分热水沉积成因的指标之一(文华国等,2014;张文正等,2010),通常认为 Ni/Co比值>1是火山-热泉沉积成因,研究区Ni/Co比值远大于 1,说明其是火山-热泉成因,且受火山活动控制影响较大。世界主要碳酸盐类Mn/Sr平均比值约为 1.80,而据地壳元素克拉克值Mn/Sr比值约为2.708,上表可见南剖面其Mn/Sr的平均值为 4.00,远高于世界主要碳酸盐和地壳元素克拉克值的平均值,说明其为热水沉积(黄彬等,2013;Gruen et al.,2014)。

通常认为,铁白云岩中Sb和Ba的高含量是热水沉积的标志(周永章等,2004;Tribovillard et al.,2006),涂光炽(1988)进一步认为高Sb和Ba含量是低温热液成因的标志。五道梁北侧和南侧剖面中Ba平均含量分别为484.31 μg/g和320 μg/g,Sb的平均含量分别为0.43 μg/g和1.23 μg/g,其中全球碳酸盐中 Ba、Sb 的平均含量分别为 10 μg/g 和 0.2 μg/g,可见五道梁地区Ba和Sb的含量远高于一般碳酸盐的平均含量,即使与地壳元素克拉克值的390 μg/g和0.6 μg/g相比也较高,充分说明其是热水成因沉积(Rosenthal et al.,1995;燕长海等,2007)。

将南、北剖面样品送至作者所在实验室进行As和Fe的测试,结果可见南剖面As含量约0.01%,远大于地壳丰度的 15×10-6,而北剖面则未检出 As,剖面 Fe含量也明显大于叠层石剖面,平均含量超过1%,薄片中也可见明显的含铁矿物。

2.3 稀土元素

由图4可见该区灰岩及白云岩稀土总量均较低,由于沉积岩的稀土配分模式与页岩相似,因此采用北美页岩(NSFC)标准化来比较样品。

铁白云石剖面 W-16号样品为不含白云石的灰岩,17-19号样品含铁白云石,可以看到灰岩在纵坐标标准化曲线上较靠上部,说明灰岩总体稀土元素含量大于白云岩。图4中最下面曲线代表五道梁北山叠层石剖面的平均稀土元素含量与 NSFC比值,可见其稀土总含量远小于含铁白云石剖面,且轻重稀土配分较为平缓,重稀土略有起伏,Tb、Ho、Tm略有负异常,Dy有正异常。

3 结论与讨论

(1)五道梁北山剖面岩性主要为含叠层藻的灰岩,矿物成分为方解石;而五道梁南侧剖面为白云质灰岩,且XRD结果显示为铁白云石。南、北两侧剖面均为泥晶碳酸盐,且这种泥晶铁白云石为热水喷发和快速结晶的产物(Boni et al.,2000);部分钠长石含次生加大边,也说明有热水活动。

(2)南、北两侧剖面微量元素分析结果显示,该地区 As、Sb、Ba、Fe等可作为热水沉积标志的元素含量明显高于地壳平均丰度和全球碳酸盐平均含量,且 Ni/Co、Mn/Sr、V/Cr、V/Sc等比值也较高,说明该地层为热水湖相成因碳酸盐。

(3)南、北两侧剖面稀土配分模式较为相似,都是轻稀土元素较为稳定,配分曲线较平缓,重稀土元素起伏较大,且 Tb、Ho、Tm有明显负异常,与热水成因沉积岩的稀土配分模式较为相似(吴斌等,2013)。

(4)现代叠层石和藻席多发现于热带或亚热带,从溶洞到盐湖均有分布。叠层石发育最佳温度20～30℃,当温度低于 12～15℃时,蓝藻停止生长。五道梁群叠层藻的出现,也说明其应为热水湖相沉积的碳酸盐。

据吴珍汉对五道梁北侧灰岩钻孔碳氧同位素分析结果,其五道梁群灰岩(白云质灰岩)碳同位素δ13C 为 1‰～3‰,δ18O 为–3‰ ～ –8‰(吴珍汉等,2009),说明该地区δ13C偏正,δ18O偏负,与前人热水沉积白云岩碳氧同位素数据接近(Boni et al.,2000;Ihasn,2003)。综上所述,各种结果都显示五道梁群碳酸盐为热水湖相沉积的碳酸盐。可可西里西部中新世有大量火山岩分布(孙延贵,1992;邓万明等,1996),因此五道梁群可能为受火山活动影响的热水沉积,这可作为下一步寻找火山沉积型硼矿床的重要线索。

致谢:国土资源部盐湖资源环境重点实验室刘建华工程师进行了元素分析,在此表示衷心感谢。

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