陳代釗，張艷秋，周錫強，董少鋒

(1.中國科學(xué)院 油氣資源研究重點實驗室，北京100029； 2.中國科學(xué)院 地球科學(xué)研究院，北京100029； 3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049； 4.中國地質(zhì)調(diào)查局 發(fā)展研究中心，北京 100037)

“白云巖問題”是沉積學(xué)家和石油地質(zhì)學(xué)家廣泛關(guān)注的地質(zhì)問題[1-2]。目前，學(xué)者們提出了多種白云石(巖)化模式來解釋地質(zhì)歷史時期不同類型的白云石(巖)成因。其中，“構(gòu)造-熱液白云石化”是古老白云巖形成的主要模式之一[3-5]。針對成巖期及更后期形成的白云巖，人們通常利用野外露頭(或巖心)、薄片觀察以及氧-碳同位素、鍶同位素、流體包裹體等地球化學(xué)手段，較好地約束了熱液白云石(巖)形成的溫度，流體性質(zhì)及來源[3,6-10]。但由于碳酸鹽巖地層中，成巖礦物類型單調(diào)，非常缺乏適用于同位素定年的礦物材料，相比之下，如何確定熱液改造或白云石化作用時間一直都是學(xué)界難以解決的問題。因此，大多數(shù)情況下會根據(jù)共生成巖序列以及盆地構(gòu)造演化的匹配關(guān)系，來約束主要成巖事件的相對時限，但這往往存在很大的不確定性。

沉積巖的重磁化(或次生磁化)是一個非常普遍的現(xiàn)象，在被發(fā)現(xiàn)的近60年時間里，一直被古地磁學(xué)家普遍認為是一個難纏和頭疼的“問題”，是恢復(fù)沉積盆地古地磁數(shù)據(jù)(信號)時需要盡量避免的問題，這是因為重磁化會模糊(掩蓋)、甚至完全清除沉積時的原始地磁特征(或信號)。而從另外一個方面來看，廣泛的重磁化則進一步坐實了曾經(jīng)發(fā)生的成巖(或熱液)改造作用，因此，反過來也可以利用沉積巖的重磁化現(xiàn)象來約束成巖(構(gòu)造-熱液)作用的時限[11]。近年來，一些學(xué)者嘗試運用古地磁方法來約束碳酸鹽巖成巖作用(包括熱液流體的活動)的時限，而且取得了很好的成果，尤其是一些加拿大學(xué)者的一系列研究[12-15]。該方法通過采集在成巖(或熱液)流體中形成而被強烈改造的碳酸鹽巖樣品，用交變磁場退磁和熱退磁方法確定成巖(包括白云化)流體改造形成的次生剩磁方向，并計算古地磁極位置，再將所得的古地磁極位置投影到沉積盆地所處板塊的視極移曲線上，視極移曲線上古地磁極位置對應(yīng)的時代即為成巖流體改造發(fā)生的時代[12-16]。

上寒武統(tǒng)下丘里塔格群為一套以白云巖為主的碳酸鹽巖地層，同時也是塔里木盆地重要的潛在油氣儲層。前人研究表明，熱液白云巖改造作用是下古生界(包括下丘里塔格群)成巖期白云巖的主要成因，并推斷熱液白云巖改造與塔里木板塊早二疊世強烈的巖漿活動有成因關(guān)系[7-10]，但熱液白云巖改造發(fā)生的時間尚缺少直接年代約束。為此，本文采用古地磁的方法嘗試對下丘里塔格群熱液改造白云巖的年代進行約束。

1 地質(zhì)概況

塔里木盆地位于中國西北地區(qū)，南接昆侖山-阿爾金山，北以天山為界，可以劃分為柯坪斷隆、巴楚凸起、庫車坳陷等十幾個現(xiàn)今構(gòu)造單元(圖1)。自震旦紀以來，塔里木盆地可以劃分為6個構(gòu)造演化階段：震旦紀—奧陶紀克拉通盆地拉張階段，志留紀—泥盆紀克拉通盆地擠壓階段，石炭紀—二疊紀弧后伸展盆地階段，三疊紀弧后前陸盆地階段，侏羅紀—古近紀前陸盆地階段，中新世以來碰撞后繼盆地階段[17-18]。其中，早二疊世塔里木盆地經(jīng)歷了一次強烈的火山事件或大火成巖省活動[19-20]。

研究區(qū)位于塔里木盆地西緣柯坪-巴楚地區(qū)。早古生代晚寒武世至早奧陶世，該區(qū)發(fā)育有穩(wěn)定的碳酸鹽巖臺地，碳酸鹽巖沉積厚度可達2 000 m[7-8]。其中，上寒武統(tǒng)的下丘里塔格群厚度在400～700 m左右，主要為白云巖夾少量灰質(zhì)白云巖、硅質(zhì)白云巖。本次研究共涉及2個剖面寒武系頂部(下丘里塔格群)的熱液改造白云巖：①柯坪水泥廠剖面，位于柯坪斷隆東南緣，坐標為北緯40°33′21.29″，東經(jīng)78°56′39.40″；②巴楚永安壩剖面,位于為巴楚凸起西北緣，坐標為北緯39°48′24.8″，東經(jīng)79°01′21.9″(圖1)。

在柯坪-巴楚隆起區(qū)，發(fā)育有前寒武系、寒武系、奧陶系、志留系、泥盆系、石炭系、二疊系、中-上三疊統(tǒng)以及侏羅系和白堊系等地層(圖2)。寒武系下丘里塔格群白云巖沉積于低緩的碳酸鹽緩坡內(nèi)[21]，初始坡度低(一般<1°),所以沉積層的產(chǎn)狀也非常平緩。在寒武系沉積埋藏后，雖然在泥盆紀晚期經(jīng)歷過短暫的微小抬升，但總體處于一種持續(xù)沉積、埋藏過程，這種狀況一致持續(xù)到二疊紀末(或三疊紀開始)，在這個過程中，寒武系原始產(chǎn)狀基本得以保持。隨后下古生界經(jīng)歷了快速、大幅(3 000～4 000 m)抬升至近地表，晚三疊世后再次經(jīng)歷小幅沉降或大致保持平穩(wěn)，在中生代末期，由于天山的向南沖斷和推覆，該地區(qū)再次經(jīng)歷抬升及至地表[22](圖2)，同時地層發(fā)生大幅變形，形成現(xiàn)在的地形-地貌格局(圖3a)。

圖1 塔里木盆地構(gòu)造分區(qū)簡圖及研究剖面位置Fig.1 Structural division and location of studied sections in the Tarim Basin(剖面1為柯坪水泥廠；剖面2為巴楚永安壩。)

圖2 塔里木盆地北部寒武系-奧陶系埋藏史(修改自葉德勝，1994)[22]Fig.2 Burial curves of the Cambrian-Ordovician successions in the northern Tarim Basin(modified from Ye,1994)[22]

在柯坪和永安壩剖面，受熱液改造白云巖的形成與構(gòu)造裂縫密切相關(guān)(圖3)，但周邊并沒有出露侵入巖體或噴發(fā)巖。這些裂縫切割白云巖原巖，成不規(guī)則狀分布(圖3a—d, f)，使得原巖(基質(zhì))的白云石礦物發(fā)生廣泛的重結(jié)晶，形成相互嵌合、緊密排列的曲面他形嵌晶(圖3e, g)。這些裂縫和擴容的晶洞大多被鞍形白云石充填，隨后局部有少量的石英及更后的巨晶方解石(圖3b—g)。前期研究[8]表明這些鞍形白云石形成于110～170 ℃熱流體中，其δ18O(VPDB)和δ13C(VPDB)值分別介于-8‰ ～ -15‰和-0.4‰ ～ -1.6‰。強烈的重結(jié)晶、廣泛分布的鞍形白云石膠結(jié)物及較高形成溫度表明被構(gòu)造裂縫切割的白云巖層受到了強烈的熱流體的改造。

圖3 塔里木盆地西部柯坪水泥廠(a—e)和巴楚永安壩(f,g)剖面熱液改造白云巖巖石學(xué)特征Fig.3 Petrographic features of hydrothermally-altered dolomites in the Upper Qiulitag Group of the Upper Cambrian at Keping(a-e) and Yong’anba(f,g), northwestern flank of the Tarim Basina. 柯坪水泥廠剖面下丘里塔格群熱液改造白云巖宏觀特征，這些白云巖常與構(gòu)造裂縫共生或伴生,站立者為1.75 m(圓圈內(nèi));b.充填于不規(guī)則構(gòu)造裂縫和擴容晶洞的鞍形白云石(Sd)及更后期方解石礦物(Ca)，大部分縫洞都被填滿;c.充填于裂縫中的鞍形白云石(Sd)和石英(Q, 暗綠色);d.充填于不規(guī)則裂縫中的鞍形白云石(Sd)，注意古地磁柱狀樣位置(圓孔);e.熱液改造白云巖成巖序列顯微照片，依次可見非曲面它形基質(zhì)白云石(Ma)，鞍形白云石(Sd)，石英(Q)以及巨晶方解石(Ca)，正交偏光;f.永安壩熱液改造白云巖宏觀特征，裂縫及孔洞切割基質(zhì)白云石(Ma)，并被鞍形白云石(Sd)、少量石英(Q)及更后的巨晶方解石(Ca)充填;g.熱液改造白云巖成巖序列，依次為基質(zhì)白云石(Ma)、鞍形白云石 (Sd)、石英(Q)及更后期的巨晶方解石(Ca),注意鞍形白云石中廣泛的熱液溶蝕(箭頭),正交偏光

2 取樣及研究方法

本次研究主要以鞍形白云石脈為主，所采標本為新鮮、未風(fēng)化、未經(jīng)挪動的巖石(圖3d)。采樣使用便攜式汽油鉆，并用磁羅盤采集樣品所處地層的產(chǎn)狀，用太陽羅盤采集樣品鉆取方向的方位角和傾角。使用 GPS 測定采樣點的經(jīng)緯度值。

在柯坪水泥廠剖面共選擇了3個采樣點(KM1，KM2，KM3)采集27個樣品，制備成49塊標本。其中，對27塊標本進行了熱退磁處理，22塊樣品進行了交變退磁處理。永安壩剖面共選擇了2個采樣點(YM1，YM2)采集15個樣品，制備了22塊標本。其中，對15塊標本進行了熱退磁處理，7塊樣品進行了交變退磁處理。為了鑒定樣品中的主要磁性礦物，選擇了29塊樣品進行了等溫剩磁(IRM)的測量,并在其中選取11塊樣品進行了飽和等溫剩磁(SIRM)的交變退磁實驗。

所有樣品的磁清洗及剩磁測量均是在中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所古地磁與年代學(xué)實驗室完成。磁力儀和熱退磁爐等試驗設(shè)備均安裝在小于300 mT的磁屏蔽空間(即零磁場空間)中。其中，系統(tǒng)熱退磁使用TD-48熱退磁爐，分為20 步(100～580 ℃)進行逐步熱退磁。交變退磁采用2G-760超導(dǎo)磁力儀分為20 步(2～120 mT)進行逐步交變退磁。熱退磁和交變退磁樣品的剩磁均采用2G-755R超導(dǎo)磁力儀測量。等溫剩磁和飽和等溫剩磁采用VSM3900型振動樣品磁力儀,先將29個樣品在500 mT交變場下退磁,再在直流磁場下分15步(60～900 mT)獲得等溫剩磁。等溫剩磁和飽和等溫剩磁的測量采用2G-760超導(dǎo)磁力儀上測量。退磁結(jié)果的分析主要采用主向量分析法[23]，剩磁方向的統(tǒng)計平均采用球面單位矢量的Fisher統(tǒng)計平均[24]。

3 數(shù)據(jù)結(jié)果分析

3.1 巖石磁學(xué)結(jié)果

260 ℃以下分離出低溫剩磁分量， 高溫特征剩磁分量一般在280 ℃以上獲得，阻擋溫度分布在500 ℃以上，大多數(shù)樣品磁性在580 ℃時也沒有被完全清洗掉(圖4a)，說明主要載磁礦物可能為高阻擋溫度的礦物，如赤鐵礦，其最高阻擋溫度為675 ℃。另外一小部分樣品在200 ℃以上快速退磁，580 ℃時磁性基本完全清洗掉(圖4b)，說明這部分樣品含有較高阻擋溫度的礦物，如磁鐵礦,其最高阻擋溫度575 ℃[25]。

IRM曲線結(jié)果表明，即使在外場加到300 mT，大部分樣品的感應(yīng)磁化仍未到達飽和，在高磁場上才得到飽和等溫剩磁，而且獲得的速率比較緩慢(圖4c)，說明可能含有高矯頑力的磁性礦物，如針鐵礦或赤鐵礦,進一步說明高矯頑力、高阻擋溫度的赤鐵礦(矯頑力在1.5～5T)的存在。但是，在柯坪剖面中，個別樣品(如KM1-7,KM1-2,KM2-4,KM3-1,KM3-5)顯示了低矯頑力的特征，即在較低的磁化場下(200～300 mT)有迅速獲得飽和等溫剩磁的趨勢(圖4d)，且阻擋溫度較高，所以推測這些樣品的載磁礦物主要為磁鐵礦(矯頑力<0.3 T)。基于這些樣品的巖石磁學(xué)特征，認為絕大多數(shù)樣品的載磁礦物主要由赤鐵礦和少量的磁鐵礦組成。

3.2 系統(tǒng)退磁結(jié)果

系統(tǒng)退磁的結(jié)果表明樣品中的天然剩余磁化強度很弱, 其中永安壩剖面的天然剩磁平均值為4.54×10-4A/m(1.17×10-4～16.5×10-4A/m)；柯坪水泥廠剖面天然剩磁平均值為1.15×10-4A/m(0.155×10-4～23.9×10-4A/m)。許多樣品的退磁數(shù)據(jù)較離散，如柯坪剖面的3個采樣點數(shù)據(jù)均不好,磁化強度接近儀器的噪聲, 無法分離出特征剩磁，僅在2號采樣點選擇了幾個相對較好的數(shù)據(jù)進行了特征剩磁組分的判斷。另一方面，本次研究熱退磁處理的效果要遠遠好于交變退磁。永安壩的兩個采樣點的數(shù)據(jù)相對較好，通過熱退磁分離出了特征剩磁分量。如前所述，在寒武系沉積后及至二疊紀末，雖然在泥盆紀晚期經(jīng)歷過短暫的微小抬升，研究區(qū)總體處于一種持續(xù)沉積、埋藏過程(圖2)[9,22]，在這個過程中，寒武系原始產(chǎn)狀得以保持。因此，僅通過現(xiàn)今地層產(chǎn)狀進行地層校正就能夠恢復(fù)二疊紀的大地水平面。

剩磁分離結(jié)果顯示兩個磁組分：①低溫不穩(wěn)定組分，一般在260 ℃以下或者10～20 mT被清洗，在永安壩采樣點1獲得其平均方向[D(磁偏角)=6.6°，I(磁傾角)=59°，α95(95%置信圓錐半頂角)=27.7°]與該地區(qū)的現(xiàn)代地磁場方向(D=357°,I=59°)基本一致，可能為現(xiàn)代地磁場的粘滯剩磁或近代磁場的重磁化分量[26]；②高溫特征剩磁組分，一般280 ℃以上獲得，但阻擋溫度多大于580 ℃，剩磁方向穩(wěn)定(圖5a),顯示為存留于赤鐵礦的特征剩磁組分，另外也有少量的高溫特征剩磁組分在280～420 ℃向原點收斂，并在近600 ℃時基本被清除(圖4b, 圖5b)，這部分特征剩磁分量可能由磁鐵礦攜帶。由于樣品中的載磁礦物主要由赤鐵礦組成，因此穩(wěn)定的高溫特征剩磁方向也應(yīng)主要存留在此類載磁礦物中?；谶@些高溫特征剩磁組分，在永安壩(39.48°N，79.01°E)采樣點1獲得了平均高溫特征磁化方向D(磁偏角)=9.8°，I(磁傾角)=62.2°，α95=13.6°。由此計算的古地磁極位置為λ(磁極緯度)=81.7°N，ψ(磁極經(jīng)度)=137.3°E，古緯度為43.5°N(圖6a)。在永安壩采樣點2獲得平均高溫特征磁化方向為D=21.3°，I=54.2°，α95=8.9°。據(jù)此計算的古地磁極位置為λ=72.4°N,ψ=178°E，古緯度為34.7°N(圖6b)。在柯坪水泥廠剖面采樣點2(40.3°N，78.6°E)獲得平均高溫特征磁化方向為D=219.7°，I=53.7°，α95=19.3°，由此計算出的古地磁極位置為λ=58°N,ψ=166.7°E，古緯度為 34.2°N(圖6c)。

圖4 典型熱液白云巖脈樣品熱退磁曲線(a,b)和等溫剩磁獲得曲線(c,d)。Fig.4 Thermal demagnetization decay curves(a,b)and isothermal remanent magnetism acquisition curves(c,d)of typical specimens from hydrothermal dolomite veinsa.樣品永安壩YM1-6；b.樣品永安壩YM2-7；c.樣品永安壩YM1-5；d.樣品柯坪KM2-4

圖5 代表性熱退磁正交矢量圖(經(jīng)傾斜改正)Fig.5 Orthogonal projection diagrams of thermal demagnetization vectors(tilting corrected)for typical samplesa. 樣品永安壩YM1-6；b.樣品永安壩YM2-7。(實心圓和空心圓分別代表剩磁方向在水平面和鉛垂面上的投影。)

圖6 采樣點高溫特征分量平均方向的等面積赤平投影圖Fig.6 Equal-area stereogram projections of average directions obtained from characteristic high-temperature fractions at different sampling sitesa.永安壩采樣點1; b.永安壩采樣點2; c.柯坪水泥廠采樣點2(實心方塊和空心方塊分別代表上、下球面投影。)

4 討論與結(jié)論

在柯坪水泥廠剖面僅在采樣點2所獲得了有效的特征剩磁方組分，由此計算的古磁極位置λ=58°N，ψ=166.7°E，古緯度為 34.2°N，與塔里木地塊(盆地)早二疊世的特征剩磁方向相似(λ=56.1°N，ψ= 179.4°E，古緯度為27.6°N )[27-28]，與塔里木盆地似極移曲線[29]匹配發(fā)現(xiàn)其古磁極位置落入了早二疊世古地磁極范圍(95%置信橢圓內(nèi)<16°)內(nèi)(圖7),說明此處上寒武統(tǒng)白云巖有效的記錄了早二疊世熱液改造引起的重磁化過程。

在永安壩采樣點1獲得的古磁極位置為λ=81.7°N,ψ=137.3°E， 古緯度為43.5°N。 與塔里木板塊視極移曲線的新生代古地磁極位置有相似的特點(λ=81.4°N,ψ= 230.3°E)[29]，推測其可能為與新生代強烈構(gòu)造變形相關(guān)的重磁化的結(jié)果(圖6)。但新生代時，研究區(qū)古生代地層已經(jīng)露出地表[8-9, 22]，滲人地層表層的大氣淡水已經(jīng)不具備白云石交代或沉淀的水化學(xué)( 如Mg/Ca>1)和熱動力學(xué)(溫度在50～60 ℃)條件，不可能形成溫度大于100 ℃的鞍形白云石[7-9]。因此，基本可以排除此次重磁化是造成廣泛白云石重結(jié)晶和鞍形白云石沉淀為代表的熱液活動改造時間。這與野外觀察到的最后期無膠結(jié)礦物充填的裂縫系統(tǒng)的事實是吻合的。

而在永安壩采樣點2獲得的古磁極位置為λ=72.4°N,ψ=178°E，古緯度為34.7°N，與方大鈞等.(2001)[30]實測的巴楚小海子侵入到上志留統(tǒng)砂巖中的二疊紀輝綠巖巖脈特征剩磁數(shù)據(jù)吻合較好(λ=71.9°N，ψ=179.7°E，古緯度為35.0°N)，亦與Li等.(1988)[31]在巴楚地區(qū)所測的晚二疊世巖脈的古地磁數(shù)據(jù)具有相似的特征(λ=65.6°N，ψ=181.2°E，α95=3.9°，古緯度為30.4°N)，在塔里木盆地的視極移曲線[29]上落入了晚二疊世的古地磁極范圍(95%置信大圓弧內(nèi)，圖7)，說明此處的上寒武統(tǒng)熱液白云巖脈記錄了晚二疊世熱液改造的特征剩磁方向。

來自柯坪水泥廠和巴楚永安壩剖面熱液改造白云巖樣品的這部分高溫特征剩磁分量分別記錄了早二疊世和晚二疊世熱液活動引起的重磁化。由于本次研究樣品主要為鞍形白云石脈發(fā)育的熱液改造白云巖地層，二疊紀的重磁化應(yīng)該是熱液流體改造(重結(jié)晶)和白云石沉淀形成的化學(xué)剩磁結(jié)果。因此，研究區(qū)下丘里塔格群發(fā)生廣泛的熱液白云巖改造時間應(yīng)發(fā)生在二疊紀，與當時整個塔里木盆地強烈的大火成巖省巖漿活動基本同時；盡管火山活動主幕發(fā)生在早二疊世，但可持續(xù)到晚二疊世[33-34]。說明寒武系(或其他層系)白云巖的熱液改造與二疊紀的火山活動有成因聯(lián)系，而多幕火山活動也會造成該盆地前期地層的多次熱液活動疊加改造。該結(jié)果進一步驗證了前期通過間接年代約束獲得的認識[9- 10]，特別是在巴楚三岔，此處鞍形白云石膠結(jié)物的Sr同位素值，部分甚至低于(圍巖)基質(zhì)白云石的Sr同位素值，說明在其形成過程中有大量非放射性幔源Sr的加入，很可能由其周邊大量發(fā)育的早二疊世輝綠巖侵入體供給[9]。塔里木盆地二疊紀巖漿活動廣泛發(fā)育，引起的廣泛異常熱事件不僅對寒武系碳酸鹽巖的改造有重要影響，同時也會對二疊紀以前的所有碳酸鹽巖古老地層的熱液改造產(chǎn)生重要影響[9]。

圖7 塔里木盆地西緣下丘里塔格群熱液白云石脈所獲古地磁極位置(星號)與塔里木盆地顯生宙視極(三角)移曲線(古磁極95%置信度(橢圓)<16°)[29]對比Fig.7 Paleomagnetic polar positions(stars)obtained from hydrothermal dolomite veins in the Lower Qiulitag Group(Upper Cambrian)dolomites in the western flank of Tarim Basin, compared with the polar(triangles)wandering(APW)path of Tarim block during the Phanerozoic(with 95% error ellipses<16°)[29] O1.早奧陶世；S.志留紀；D.泥盆紀；C3.晚石炭世；P1.早二疊世； P2.晚二疊世；K.白堊紀；E.始新世；Q.第四紀

致謝：丁一博士協(xié)助整理數(shù)據(jù)和論文初稿，團隊其他學(xué)生(魏文文和郭增輝)共同參加了野外工作并協(xié)助取樣；鄧成龍研究員在學(xué)術(shù)上給予了寶貴的指導(dǎo)和建議，在此一并表示衷心感謝。