劉 力, 陳小龍, 潘龍克, 龔志愚

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院,湖北 武漢 430034)

神農(nóng)架隆起南緣石槽河組白云巖地球化學(xué)特征及其成因分析

劉 力1, 陳小龍2, 潘龍克1, 龔志愚1

(1.湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034; 2.湖北省地質(zhì)科學(xué)研究院,湖北 武漢 430034)

前人對(duì)神農(nóng)架群巨厚層白云巖的成因尚存爭(zhēng)議,筆者從沉積巖地球化學(xué)入手,探討神農(nóng)架隆起南緣神農(nóng)架群石槽河組白云巖的成因。石槽河組白云巖的巖石學(xué)特征顯示以泥—粉晶白云巖為主,多具紋層狀。地球化學(xué)上,V/Cr、Ni/Co及V/(V+Ni)值表明了其沉積環(huán)境具有氧化性,稀土元素基本保留了海水來(lái)源REE特點(diǎn),同時(shí)在成巖改造中可能是受到熱液作用的影響。巖石學(xué)和地球化學(xué)特征表明石槽河組白云巖可能是在潮坪環(huán)境下強(qiáng)烈蒸發(fā)作用形成的。

石槽河組;白云巖;地球化學(xué);神農(nóng)架群

白云巖成因在目前沉積學(xué)領(lǐng)域尚存爭(zhēng)論。由于現(xiàn)代海水不能直接沉淀白云石,人們普遍認(rèn)為至少寒武紀(jì)以后的白云巖主要是碳酸鹽沉積物或石灰?guī)r的白云石化產(chǎn)物。但關(guān)于前寒武紀(jì)和某些顯生宙形成的白云巖成因一直存在著兩種絕然不同的看法[1]:一種認(rèn)為是直接的化學(xué)沉淀;另一種認(rèn)為是剛剛沉淀的文石立即被交代或沉積后才被交代的。大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為白云巖主要是交代成因[2-3],先后建立了白云巖化作用可能存在滲透回流、混合水、埋藏以及蒸發(fā)作用等多種類型[4],力求解釋白云巖的成因。

神農(nóng)架群由江濤、華媚春(1962)[5]創(chuàng)名于神農(nóng)架地區(qū)(圖1)。主體為一套碳酸鹽巖為主的沉積地層,夾多層火山巖和碎屑巖層,總厚度>12 680 m。區(qū)內(nèi)無(wú)結(jié)晶基底巖系出露。目前關(guān)于神農(nóng)架群的地層層序劃分主要由兩種方案:《湖北省巖石地層》(1996)[6]將神農(nóng)架群自下而上劃分為鷹窩洞組、大巖坪組、亂石溝組、大窩坑組、礦石山組、臺(tái)子組、野馬河組、溫水河組、石槽河組、送子園組、瓦崗溪組共11個(gè)組;劉成新等(2004)[7]將11個(gè)組合并為4個(gè)組,并對(duì)地層層序進(jìn)行了重新劃分,自下而上為:鄭家埡組、石槽河組、大窩坑組、礦石山組。筆者在神農(nóng)架隆起南緣進(jìn)行區(qū)域地質(zhì)調(diào)查時(shí),發(fā)現(xiàn)恩施巴東沿渡河自下而上依次出露有神農(nóng)架群石槽河組、大窩坑組和礦石山組,其上被南華系蓮沱組角度不整合覆蓋。本文擬從神農(nóng)架群白云巖的巖石學(xué)、地球化學(xué)入手,為探討神農(nóng)架群巨厚層白云巖成因提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景及巖相學(xué)特征

調(diào)查區(qū)大地構(gòu)造位置屬于揚(yáng)子板塊北緣神農(nóng)架隆起南緣,出露的最老地層為中元古代神農(nóng)架群,其上被南華系角度不整合覆蓋。依據(jù)1∶25萬(wàn)神農(nóng)架幅劃分方案將區(qū)內(nèi)神農(nóng)架群自下而上劃分為石槽河組、大窩坑組、礦石山組,其中石槽河組在調(diào)查區(qū)內(nèi)未見底。石槽河組表現(xiàn)為一套碳酸鹽巖夾火山碎屑巖的巖石組合,區(qū)內(nèi)厚度>1 625 m。本次調(diào)查中在1∶5萬(wàn)平陽(yáng)壩幅趙家河—石龍坡一帶測(cè)制了神農(nóng)架群剖面,于石槽河組內(nèi)采集了碳酸鹽巖樣品,鏡下鑒定分別為灰白色紋層狀微—粉晶白云巖(PM202/5-b1)、淺灰色紋層狀微—粉晶白云巖(PM202/15-b1)、灰色中層狀含藻紋粉晶灰?guī)r(PM202/30-b1)、灰色塊狀碎裂硅化微晶白云巖(PM202/106-b1)和灰色紋層狀泥—微晶白云巖(PM202/136-b1)。

灰白色紋層狀微—粉晶白云巖(PM202/5-b1):主要由半自形粒狀或菱面體的粉晶白云石組成,含一定量的微晶白云石和少量的褐鐵礦,顯示微—粉晶結(jié)構(gòu)。微晶白云石多數(shù)相對(duì)集中并呈條紋狀分布組成紋層狀構(gòu)造,紋層寬0.2～2.5 mm,呈斷開微波狀(圖2-a)。

圖1 神農(nóng)架隆起構(gòu)造簡(jiǎn)圖及采樣位置(據(jù)邱嘯飛[8]等修改)

淺灰色紋層狀微—粉晶白云巖(PM202/15-b1):巖石成分十分簡(jiǎn)單,由粉晶白云石和微晶白云石組成,前者含量多于后者,兩者分別相對(duì)集中并相間分布組成紋層狀構(gòu)造,紋層呈水平狀即水平層理,該紋層是由于不同速度的水流和周期性的化學(xué)沉積而形成的。粉晶白云石所組成的紋層寬0.3～2.5 mm。微晶白云石表面被隱晶質(zhì)集合體的有機(jī)質(zhì)渲染呈深色,使紋層更為清晰,所組成的紋層寬0.2～1.6 mm。

圖2 石槽河組白云巖顯微結(jié)構(gòu)(+)Fig.2 Microscopic of dolomites from Shicaohe Formation

灰色中層狀含藻紋粉晶灰?guī)r(PM202/30-b1):方解石是該巖的主要成分,其粒度主要是粉晶級(jí),含少量的細(xì)晶級(jí),含5%的藻跡,顯示含藻紋粉晶結(jié)構(gòu)(圖2-b)。藻跡顆粒成分由藍(lán)藻類粘結(jié)泥晶方解石組成,色暗富含有機(jī)質(zhì),外形僅見呈藻紋狀。

灰色塊狀碎裂硅化微晶白云巖(PM202/106-b1):巖石原巖為微晶白云巖,在成巖后生階段經(jīng)脆性變形破碎而形成,沿破碎的細(xì)小裂隙內(nèi)充填著大量的硅質(zhì)和少量的白云石(圖2-c),兩者呈粒狀、梳狀排列,并縱橫交錯(cuò)呈網(wǎng)狀分布,顯示碎裂結(jié)構(gòu)。巖石主要成分為微晶白云石,部分表面被隱晶質(zhì)集合體的有機(jī)質(zhì)渲染顯深色,部分具明顯的硅化現(xiàn)象,即微粒狀集合體的石英呈斑塊狀、團(tuán)塊狀不均勻分布。

灰色紋層狀泥—微晶白云巖(PM202/136-b1):巖石主要成分為微晶白云石和泥晶白云石,微晶含量稍多些,顯示泥—微晶結(jié)構(gòu),兩者分別相對(duì)集中并相間分布形成紋層狀構(gòu)造(圖2-d),紋層呈水平狀即水平層理,該紋層是由于不同速度的水流和周期性的化學(xué)沉積而形成的。兩者所組成的紋層寬相差不大,約0.1～0.8 mm。泥晶白云石表面被隱晶質(zhì)集合體的有機(jī)質(zhì)渲染呈深色,使紋層更為清晰。

2 地球化學(xué)特征

測(cè)試方法:樣品的主量、稀土、微量元素分析均在國(guó)土資源部武漢礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心完成。其中主量元素測(cè)試采用RIX2100型X射線熒光光譜分析儀進(jìn)行分析,分析精度優(yōu)于5%。稀土、微量元素測(cè)試采用Agilent7500a ICP-MS分析完成,分析精度優(yōu)于5%～10%。

2.1 主量元素特征

石槽河組白云巖樣品的主量元素含量可見表1,樣品燒失量所占比例較大(31.69%～45.53%),CaO為24.89%～32.27%,均值28.66%;MgO為13.64%～18.46%,均值17.00%;SiO2為2.84%～24.04%;CaO/MgO比值為1.43～1.82,與純白云石的理論值(CaO=30.4%,MgO=21.8%,CaO/MgO=1.39)[9]存在顯著差異,所以直接沉淀形成白云巖的可能性不大。Al2O3、K2O、Fe2O3、TiO2主要賦存于陸源泥質(zhì)中,可作為陸源組分的代表。碳酸巖中Al2O3、K2O、Fe2O3、TiO2含量高,表明受陸源組分影響大,反之亦然[10-11]。由表1可見,石槽河組白云巖Al2O3為0.06%～3.01%,K2O為0.03%～0.37%,Fe2O3為0.01%～0.54%,TiO2為0.02%～0.23%?；径荚?%以下(僅有PM202/106-1樣Al2O3達(dá)到3.01%),表明樣品基本不受陸源組分的影響。

表1 石槽河組白云巖部分主量(%)、微量元素(μg/g)分析結(jié)果及特征值表

2.2 微量元素特征

微量元素Sc、Th、Hf、Zr分別小于或遠(yuǎn)小于上地殼對(duì)應(yīng)元素含量[12](Sc為15×10-6,Th為8.95×10-6,Hf為5.12×10-6,Zr為188×10-6)。海水的Y/Ho比值為44～74[13],調(diào)查區(qū)石槽河組白云巖的Y/Ho介于31.4～59.2之間,均值47.6,與海水一致。表明樣品未受陸源組分的影響。另外,海相碳酸鹽巖樣品Mn/Sr值<10,說(shuō)明其受成巖作用的改造和蝕變作用的影響較弱。進(jìn)一步約束,白云巖樣品中Mn/Sr值<3,則認(rèn)為樣品基本不受成巖改造的影響,即保留了其形成流體的地球化學(xué)信息[14]。石槽河組白云巖Mn/Sr均在10以下,均值為2.52,表明其形成受成巖改造影響較弱,基本可以反映其形成流體的地球化學(xué)特征。

原生的碳酸鈣(高鎂方解石、文石、原生白云石)Sr含量均較高，但是白云巖化作用和成巖作用使Sr明顯降低。石槽河組白云巖Sr含量介于58.67×10-6～118.3×10-6,明顯低于原生白云石Sr的平均含量245×10-6～600×10-6,這是相對(duì)穩(wěn)定的海相碳酸鹽(由成巖低鎂方解石組成)的晚期白云石化的結(jié)果[15]。一般認(rèn)為,海相沉積物中Sr/Ba>1,淡水沉積物中Sr/Ba<1[16-18],石槽河組白云巖中Sr/Ba介于1.28～9.21之間,表明其海相成因基本不存在淡水介入影響。

參數(shù)V/Cr、Ni/Co及V/(V+Ni)能夠反映古環(huán)境的氧化—還原狀態(tài),U/Th值能反映熱水沉積的影響。石槽河組白云巖V/Cr介于0.34～1.81之間,Ni/Co介于0.55～1.53,指示沉積時(shí)沉積物界面處于氧化環(huán)境(V/Cr<2,Ni/Co<5則指示為氧化狀態(tài))[11]。V/(V+Ni)介于0.66～0.82,同樣也指示氧化環(huán)境特征(V/(V+Ni)>0.83為極為缺氧環(huán)境)。石槽河組白云巖U/Th值介于0.27～1.63,較低的U/Th值暗示沉積時(shí)底層水體基本不存在海底噴流熱鹵水的參與(當(dāng)U/Th?1,為熱水沉積;而在水成沉積巖中,U/Th<1)[19]。樣品PM202/30-b1灰?guī)rU/Th值15.14,表明可能受到熱水作用的影響。另外,高含量的Na、K值可能反映了石槽河組白云巖形成時(shí)的高鹽度環(huán)境。

2.3 稀土元素特征

稀土元素(REE)配分模式能提供物質(zhì)來(lái)源信息,可用來(lái)探索白云巖化流體性質(zhì)。前人對(duì)白云巖稀土元素的分析,大多是利用球粒隕石或頁(yè)巖的REE測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理;然而,白云巖的形成與隕石沒有任何內(nèi)在聯(lián)系,與碎屑巖也無(wú)成因關(guān)聯(lián),而與海水的成分有著直接或間接的關(guān)系。胡文瑄等(2010)[20]認(rèn)為利用海水(由于海水的REE含量非常低,標(biāo)準(zhǔn)化前需將海水的REE濃度放大1 000倍)對(duì)REE數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,取得的效果較好，并給出了海水來(lái)源白云巖的REE判別模式,全巖REE含量低(一般<20 μg/g),除一定程度的正Ce異常外,輕稀土元素(LREE)稍富集,重稀土元素(HREE)的配分曲線較為平坦。石槽河組白云巖稀土元素及特征值見表2,ΣREE多在35以下(僅PM202/106-1達(dá)到56.36),LREE/HREE介于3.97～14.24之間,顯示LREE富集的特點(diǎn);δEu都>1,顯示正Eu異常;δCe在2.10～4.13之間,同樣顯示正異常特征。從稀土元素/海水標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(圖3)上可以看出,石槽河組白云巖曲線起伏變化基本一致,表現(xiàn)出同源的特征,基本保留了海水來(lái)源REE特點(diǎn)。樣品中出現(xiàn)弱的正Eu異常以及HREE表現(xiàn)輕微的波動(dòng),表明白云巖在成巖改造中可能是受到熱液作用的影響[20,22]。

表2 石槽河組白云巖稀土元素(μg/g)及特征值表

注:δEu=2(Eu樣品/Eu1000海水)/(Sm樣品/Sm+Tb樣品/Tb1000海水);δCe=2(Ce樣品/Ce1000海水)/(La樣品/La1000海水+Nd樣品/Nd1000海水)。

圖3 石槽河組白云巖稀土元素/海水標(biāo)準(zhǔn)化配分模式圖(海水稀土含量值見Kawabe,et al.,1998[21])Fig.3 Seawater-normalized REE patterns for Shicaohe dolomites

3 討論

前人已對(duì)神農(nóng)架群的沉積環(huán)境作過一些分析,胡正祥等(2012)[23]根據(jù)揚(yáng)子北緣神農(nóng)架群沉積特點(diǎn),推斷神農(nóng)架群在黃陵地區(qū)為被動(dòng)大陸邊緣盆地沉積,往神農(nóng)架地區(qū)向被動(dòng)大陸邊緣裂谷盆地沉積過渡。劉成新等(2004)初步建立了神農(nóng)架群巖石地層格架,認(rèn)為神農(nóng)架群沉積于中元古代全球的拉張作用背景下,區(qū)內(nèi)陸緣陸表海發(fā)生裂陷,出現(xiàn)火山碎屑巖與石槽河組臺(tái)相碳酸鹽巖沉積。胡寧(1997)[24]對(duì)神農(nóng)架地區(qū)石槽河組巖石特征進(jìn)行了總結(jié),認(rèn)為石槽河組沉積期表現(xiàn)為南高北低的地勢(shì),海水由北向南侵入,由南向北可劃分為四個(gè)沉積相帶:潮坪相帶、潮下低能相帶、淺灘相帶和淺海陸棚相帶。結(jié)合本次調(diào)查中對(duì)石槽河組的認(rèn)識(shí),神農(nóng)架隆起南緣石槽河組應(yīng)形成于潮下低能—潮間帶沉積環(huán)境。

白云巖化作用的核心是白云巖化流體性質(zhì)及這種流體來(lái)源的動(dòng)力學(xué)機(jī)制。通過巖石學(xué)、地球化學(xué)特征分析可以看出:石槽河組白云巖形成基本不受陸源組分的影響,形成于氧化高鹽度的海水環(huán)境,可能存在熱水作用的影響。據(jù)此可分為準(zhǔn)同生白云巖和準(zhǔn)同生后白云巖兩種類型。其中準(zhǔn)同生白云巖化的產(chǎn)物主要是泥—微—粉晶白云巖和藻紋層白云巖。準(zhǔn)同生后白云巖化的產(chǎn)物為碎裂硅化微晶白云巖。

準(zhǔn)同生白云巖的形成可用蒸發(fā)泵白云巖化模式[25-26]來(lái)解釋:在干熱的潮坪環(huán)境中,早先沉積的碳酸鈣沉積物飽含孔隙水,在地表強(qiáng)烈蒸發(fā)作用下,孔隙水沿毛細(xì)管上升,并從側(cè)向相鄰的瀉湖或潮下海中源源不斷地獲得海水的補(bǔ)給,或者由周期性的大潮和風(fēng)暴潮為潮上帶補(bǔ)給海水。由于強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用以及文石、高鎂方解石、石膏等的沉淀,導(dǎo)致孔隙水的Mg/Ca比值升高。這種由海水蒸發(fā)濃縮的、富含Mg2+的超咸水可導(dǎo)致白云石的沉淀，并交代潮坪中原始的碳酸鈣沉積物。其形成的白云巖具有晶粒細(xì)小,水的鹽度較高,海水成因明顯,其形成環(huán)境是氧化性的,具有紋層狀、連續(xù)性和成層性均較好、橫向分布較穩(wěn)定等特征,基本符合石槽河組白云巖的產(chǎn)出特點(diǎn)。

對(duì)于碎裂硅化微晶白云巖,從稀土元素特征可以看出,可能受到熱液作用的影響,結(jié)合調(diào)查在石槽河組中發(fā)現(xiàn)的火山碎屑巖[27]可以推斷:熱液作用可能是受同沉積的火山碎屑的影響。

4 結(jié)論

神農(nóng)架隆起南緣石槽河組白云巖以泥—粉晶白云巖為主,多具紋層狀。地球化學(xué)特征顯示:其形成基本不受陸源碎屑的影響,V/Cr、Ni/Co及V/(V+Ni)值表明了其沉積環(huán)境具有氧化性,稀土元素基本保留了海水來(lái)源REE特點(diǎn),同時(shí)在成巖改造中可能是受到熱液作用的影響。石槽河組白云巖的成因可用蒸發(fā)泵白云巖化模式來(lái)解釋。其中碎裂硅化微晶白云巖的形成可能受到構(gòu)造及熱液作用的影響。

致謝:野外工作期間,得到了湖北省地質(zhì)調(diào)查院張漢金教授級(jí)高級(jí)工程師的悉心指導(dǎo),參加野外工作的還有羅紅、羅凡、杜翌超、曹明等,在此對(duì)他們的幫助表示衷心的感謝。

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(責(zé)任編輯：于繼紅)

Geochemical Characteristics and Petrogenesis of Dolomites from the ShicaoheFormation at Southern Shennongjia Uplift

LIU Li1, CHEN Xiaolong2, PAN Longke1, GONG Zhiyu1

(1.HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034; 2.HubeiInstituteofGeosciences,Wuhan,Hubei430034)

The origin of thick dolomites from Shennongjia Group is quite difficult to solve in long term,and the research on dolomite genesis is in postulation at present. Based on the study of geochemistry of sedimentary rocks,the paper discusses the origin of Shicaohe dolomite from Shennongjia Group at southern Shennongjia uplift. The types of dolomites include putty crystal dolomite and powder crystal dolomite primarily,and they possess the characteristic of laminated structure. The ratios of V/Cr,Ni/Co,V/(V+Ni) of Shicaohe dolomite show that it formed in an oxidation environment. REES have the basic characters of the rock from seawater. Besides that,it can be influenced by hydrothermal fluid on the later diagenesis. Based on petrological and geochemical characters,intense evaporation in tidal flat environment may form Shicaohe dolomite.

Shicaohe formation; dolomite; geochemistry; Shennongjia Group

2016-04-08;改回日期:2016-05-11

中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目(編號(hào):1212011220509)資助。

劉力(1986-),男,工程師,地質(zhì)學(xué)專業(yè),從事巖漿巖巖石學(xué)及區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究工作。E-mail:505651703@qq.com

P619.23+4; P595

A

1671-1211(2016)04-0551-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.04.002

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160707.1528.046.html 數(shù)字出版日期:2016-07-07 15:28