云南蘭坪盆地云龍組硫酸鹽硫同位素特征及其地質(zhì)意義

王立成，劉成林，費(fèi)明明，沈立建，張 華

(1．國土資源部成礦作用與資源評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)繼續(xù)教育學(xué)院，北京 100083)

蘭坪盆地位于三江特提斯構(gòu)造域南段，因擁有我國最大的金頂超大型鉛鋅礦床而聞名[1-2]；同時又含有多套蒸發(fā)巖系[3]，特別是古新世云龍組含有較厚的石膏-石鹽蒸發(fā)巖系，并且與南部思茅盆地含鉀鹽地層勐野井組能對比。盡管一直以來對于思茅盆地勐野井鉀鹽礦的物質(zhì)來源還存有爭議，但最近的研究顯示成鹽成鉀物質(zhì)主要來自海水。高翔等[4]對勐野井礦洞鉀石鹽中溴的含量研究發(fā)現(xiàn)，鉀石鹽中溴的含量大約在500 ppm，與印支地塊坷叻盆地中海水來源的光鹵石和石鹽中溴的含量相似[5-6]。同時，Wang et al.[7]研究認(rèn)為，在勐野井組沉積時期，思茅和印支地塊為東西向接觸，不同于目前的南北向；并且思茅地塊的鹵水從西向東流入坷叻盆地。并且，Wang et al.[8]提出勐野井組為中白堊世地層，新特提斯的自西而東的海侵使得思茅和坷叻盆地沉積了石鹽-鉀鹽的蒸發(fā)巖序列。這些成果使我們思考，在思茅盆地北部的蘭坪盆地沉積的可對比的蒸發(fā)巖是否也是來自于同時期的新特提斯海水。

蒸發(fā)巖海相或非海相來源通常都可以用蒸發(fā)礦物組合和巖相來加以區(qū)分[9-10]；也可以用蒸發(fā)巖的微量元素、同位素和流體包裹體區(qū)分[11]。一般而言，海相硫酸鹽的同位素組成代表了同時期海水的同位素組成[12]，因?yàn)槭喑练e時的硫同位素分餾十分微弱，可以忽略不計。因此，石膏的硫同位素常用來判斷蒸發(fā)巖沉積時期的古環(huán)境[6,13-16]。因此，本文擬通過對蘭坪盆地不同地區(qū)云龍組石膏硫同位素的研究，判別其海相或非海相來源，進(jìn)而探討與思茅盆地同時期蒸發(fā)巖成鹽物質(zhì)來源的關(guān)聯(lián)性。

1 地質(zhì)背景

大地構(gòu)造上，蘭坪盆地位于思茅地塊北部，屬于三江特提斯構(gòu)造域的一部分[17](圖1)。思茅地塊西以景洪和昌寧-孟連縫合帶為界與臨滄地體和SIBUMASU地塊相接，東以金沙江-哀牢山-宋馬(Song Ma)縫合帶為界與華南地塊相鄰[18-21]。昌寧-孟連縫合帶被認(rèn)為是古特提斯的縫合帶[21]，而景洪縫合帶可能代表了二疊紀(jì)打開的弧后盆地[20]。哀牢山縫合帶的構(gòu)造屬性也存有爭議，一種認(rèn)為是思茅地塊和華南地塊間的弧后盆地[18,22]；另一種則認(rèn)為是古特提斯洋的分支[23]。這些古特提斯縫合帶所代表的洋盆基本都在晚三疊世完全關(guān)閉[20,24]。蘭坪盆地發(fā)育有從三疊紀(jì)-第三紀(jì)的地層(圖2)，總體反映出從海相到陸相的變遷過程[25]。蘭坪盆地內(nèi)缺失下三疊統(tǒng)，三疊紀(jì)地層總體為向上變淺的序列，從中三疊世上蘭組的深水盆地相變化為晚三疊世麥初箐組潮汐三角洲含煤碎屑沉積，反映了古特提斯洋關(guān)閉過程中的持續(xù)海退過程。侏羅系包括下侏羅統(tǒng)漾江組、中侏羅統(tǒng)花開佐組和上侏羅統(tǒng)壩注路組，主要為一套紅色碎屑巖[3,26]，反映了陸內(nèi)單斷式的箕狀斷線盆地的特征[27]。蘭坪盆地晚侏羅世之后曾經(jīng)歷了短暫的抬升剝蝕，因此上侏羅統(tǒng)與下白堊統(tǒng)普遍為不整合接觸[3]。白堊系自下而上由景星組(K1j)、南新組(K1n)、虎頭寺組(K1h)和曼寬河組(K2m)組成，反映了由早期湖泊扇三角洲到晚期河流、湖泊沉積變化[25,27]。盆地含鹽地層為古新世云龍組，不整合于虎頭寺組或曼寬河組之上，下段為灰紫色鈣質(zhì)粉砂巖夾泥晶白云巖，上段為蒸發(fā)鹽湖相泥巖、粉砂質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r，部分地區(qū)見有石膏巖，井下有石鹽巖。

蘭坪盆地晚三疊世到古近紀(jì)的演化反映了古特提斯關(guān)閉后盆-山轉(zhuǎn)換的歷史[25,28]，直到晚侏羅世盆地結(jié)束海相沉積歷史，到古新世，從弧后前陸盆地到走滑拉分盆地演化[25]。然而，不少研究者卻認(rèn)為中生代盆地是裂谷盆地沉積，只是不同的研究者對中生代盆地演化階段有不同認(rèn)識[29-33]。

2 樣品和分析方法

本文27件樣品采自蘭坪盆地蘭坪縣河西鄉(xiāng)、金頂?shù)V區(qū)、小鹽井和拉井鄉(xiāng)以及云龍縣諾鄧和云龍縣杏林等地石膏露頭(圖2)。根據(jù)區(qū)域地層，樣品屬于古新世云龍組地層。

為了避免石膏巖中有其他礦物的混入影響測試結(jié)果的精確性，在硫同位素測試開展之前，選擇具有代表性的樣品進(jìn)行了XRD粉晶衍射的礦物組分分析，并選擇純石膏樣品進(jìn)行測試。硫同位素測試對象為純凈的石膏晶體，測試之前先用小刀刮掉表層風(fēng)化產(chǎn)物，然后將樣品放在超聲波清洗機(jī)里用超純水清洗2次，清洗過的樣品經(jīng)過烘干處理后粉粹至200目。樣品測試工作由核工業(yè)地質(zhì)研究院測試中心完成，分析儀器為MAT251 型質(zhì)譜計?；趯?biāo)樣的重復(fù)測試，δ34S分析精度為2‰，其結(jié)果分別以相對V-CDT標(biāo)準(zhǔn)的δ值來表示。測試結(jié)果見表1。

3 蒸發(fā)巖沉積特征

根據(jù)蘭坪盆地出露的石膏巖的結(jié)構(gòu)、層理和變形特征，可以將其分為結(jié)核狀、紋層狀、塊狀和次生四大類，各大類之下又可以細(xì)分為各大類相互組合成的小類。

圖1 蘭坪盆地大地構(gòu)造背景(據(jù)文獻(xiàn)[21])

圖2 蘭坪盆地地質(zhì)簡圖 (修改自文獻(xiàn)[3])

紋層狀石膏。由薄層白色石膏紋層和暗灰色或黑色富有機(jī)質(zhì)微晶碳酸鹽互層組成(圖3A)。這些紋層通常僅有幾毫米厚。白色和暗色條帶可能是由于水體化學(xué)成分和溫度的季節(jié)性變化的年度紋泥；也可能是代表了較長期的旋回變化[34]。通常認(rèn)為，紋層狀硬石膏是在浪基面之下的靜水條件下沉淀而成。而圖3H所示的紋層狀次生石膏，為白色次生石膏和棕色粉砂質(zhì)互層組成，顯示了在濱淺湖環(huán)境下的沉積作用。

次生脈狀石膏。次生石膏形成于近地表環(huán)境，由大氣降水參與置換原來的硬石膏而形成[35]，但保留有原生石膏的沉積構(gòu)造。圖3B所示為脈狀次生石膏，石膏晶體為針狀，沿斷裂充填。

紋層狀石膏-硅質(zhì)碎屑和碎屑石膏。硅質(zhì)碎屑和硫酸鹽巖的混合沉積是蘭坪和思茅盆地的一大特色。從圖3C可以看到，在原生紋層狀石膏上部，沉積了由原生紋層石膏形成的碎屑石膏以及黑色碎屑，表明了靜水沉積原生紋層石膏后，成巖期后高能水動力條件導(dǎo)致硅質(zhì)碎屑加入、以及硬石膏被打碎并吸水形成石膏。

石膏膠結(jié)的泥礫巖。形成于較高能的濱湖環(huán)境，紫紅色泥礫間由白色石膏砂充填并膠結(jié)，泥礫大都為點(diǎn)接觸，顆粒支撐(圖3D)。

板狀石膏。由淺灰色和灰黑色紋層石膏和紫紅色含礫細(xì)砂巖互層組成，每層厚10～15 cm；顯示了石膏蒸發(fā)沉積時數(shù)次受到淡水帶來的碎屑物影響(圖3E)。

結(jié)核狀石膏。形狀不規(guī)則的團(tuán)塊狀石膏，被充填其中的碳酸鹽或泥質(zhì)成分部分或完全彼此分隔(圖3G)。結(jié)核狀石膏出現(xiàn)在許多現(xiàn)代濱岸撒布哈環(huán)境中，也可以出現(xiàn)在深水環(huán)境；其形成于高鹽度鹵水與泥質(zhì)接觸的環(huán)境，石膏晶體在其中置換生長[34]。

塊狀石膏。不具內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖3F所示，由暗灰色石膏組成，代表了長期持續(xù)的沉積條件[34]。

圖3 蘭坪盆地石膏巖相(具體解釋見正文)

4 硫同位素結(jié)果

表1列出了全部27個樣品的硫同位素值，δ34SV-CDT在6.9‰～20.7‰之間。從巖性來看，4個天青石樣品的δ34S在13.1‰～20.7‰ 之間，后期次生脈體的δ34S為最小值6.9‰，原生石膏樣品在δ34S在12.6‰～17.6‰之間。石膏樣品的硫同位素值δ34S在不同采樣點(diǎn)差異較大，蘭坪金頂、小鹽井和河西鄉(xiāng)樣品要明顯高于云龍諾鄧和杏林的樣品，主要是由于后期次生石膏樣品硫同位素值較低所致。另外，從石膏樣品的不同巖相來看并無明顯的同位素差異，原生石膏紋層狀、板狀、塊狀和結(jié)核狀的硫同位素組成基本一致。

蘭坪金頂、小鹽井、拉井和河西鄉(xiāng)原生石膏樣品δ34S值在12.6‰～17.6‰之間，且主要集中在13‰～15‰范圍內(nèi)，這與老撾他曲盆地含鉀鹽塔貢組基底硬石膏(13.8‰～15.3‰[36])和泰國坷叻盆地含鉀鹽馬哈薩拉堪組基底硬石膏(14.3‰～17‰[6])基本一致。同時也與我們新近獲得的思茅盆地勐野井組硬石膏硫同位素值較一致(13.4‰～15.2‰)。與前人在蘭坪金頂?shù)V區(qū)獲得硬石膏δ34S值一致(12‰～16‰[37])(表2)。需要指出的是，金頂?shù)V區(qū)硬石膏硫同位素前人僅根據(jù)該值與三疊紀(jì)海洋硫酸鹽δ34S相近而認(rèn)為硬石膏為晚三疊世樣品[38]，但實(shí)際上該值也與白堊紀(jì)還有硫酸鹽δ34S相近。

5 討論與結(jié)論

5.1 硫酸鹽硫同位素與沉積環(huán)境

現(xiàn)代海洋溶解硫酸鹽的硫同位素值δ34S在19.3‰～21.12‰之間?？紤]到石膏-水之間34S的平均分餾系數(shù)僅為1.65‰，因此現(xiàn)代正常海相鹵水的δ34S平均為20.5‰。海水硫酸鹽代表了沉積硫的主要儲庫，對此最重要的影響因素就是蒸發(fā)性硫酸鹽礦物的沉積以及硫酸鹽的細(xì)菌還原，后者往往被還原后作為鐵硫化物固定[39]。同時，硫酸鹽和硫化物的大陸風(fēng)化產(chǎn)物以及地幔硫(一般被忽略)的加入也是對海水儲庫的補(bǔ)充[39]。因此，在海相蒸發(fā)盆地內(nèi)硫酸鹽礦物的δ34S值取決于三大作用：①細(xì)菌硫酸鹽還原(BSR)；②蒸發(fā)結(jié)晶過程中的同位素分餾，但分餾較微弱[40]；③新水體的加入[41]。細(xì)菌硫酸鹽還原作用是硫同位素分餾的最大影響因素，其結(jié)果是導(dǎo)致鹵水硫酸鹽礦物同位素組成變重，而形成同位素輕的硫化物[42]。前人研究已經(jīng)表明，在鹵水持續(xù)蒸發(fā)結(jié)晶過程中，硫同位素會逐漸變輕[39,42-43]。同時，新水源的補(bǔ)給會增加32S的含量，主要是由于淡水富集輕硫同位素，而補(bǔ)給盆地的海水通常也含有比之封閉濃縮鹵水同位素較輕的硫酸鹽[41]，這將使得鹵水中的硫酸鹽硫同位素變輕。

表1 蘭坪盆地云龍組石膏樣品硫同位素值

表2 陸相鹽湖硫酸鹽硫同位素組成對比

對于陸相鹽湖而言，其硫酸鹽的硫同位素組成要比海相復(fù)雜，主要是還受到物源供給、氣候波動以及湖盆封閉等的影響[44]。如第四紀(jì)的青海柴達(dá)木尕斯庫勒鹽湖石膏硫同位素為11.3‰～13.4‰，馬海鹽湖為10.9‰～20.0‰[45]，羅布泊硫酸鹽為7.4‰～11.5‰[15]；而據(jù)鄭喜玉等[47]研究，西藏鹽湖硫同位素為3.9‰～6.9‰。這顯著低于現(xiàn)代海相鹵水的硫同位素值(20.5‰)。這些低同位素值可能與湖盆開放導(dǎo)致周邊淡水補(bǔ)給有關(guān)，同時開放的表生有氧環(huán)境，也不利于細(xì)菌硫酸鹽還原作用的進(jìn)行。而無論是海相或是陸相環(huán)境，封閉缺氧環(huán)境的細(xì)菌硫酸鹽還原作用就占了主導(dǎo)地位。四川盆地早三疊世嘉陵江組硫酸鹽δ34S高達(dá)34‰，遠(yuǎn)高于同時期的海水硫酸鹽曲線值，這正是由于細(xì)菌還原作用而導(dǎo)致[47]，這可能是由于在早三疊世生物大量復(fù)蘇，有機(jī)質(zhì)大量埋藏造成的缺氧還原環(huán)境有關(guān)。而在中國東部第三系裂谷盆地系，從東濮凹陷、濟(jì)陽坳陷、江陵凹陷和潛江凹陷的含鹽層系硫酸鹽同位素來看(表2)，硫同位素組成均很高，均超過了同時期海水硫同位素值，這主要是細(xì)菌硫酸鹽還原作用的結(jié)果。

蘭坪盆地云龍組原生石膏δ34S值總體較小，且主要集中于12‰～16‰之間，顯著區(qū)別于上述缺氧環(huán)境中硫酸鹽硫同位素值。這表明蘭坪盆地云龍組形成過程中，細(xì)菌還原作用微弱，其對石膏硫同位素的分餾作用貢獻(xiàn)很小。這也與云龍組總體為有氧環(huán)境下的紅色碎屑巖沉積，并且缺少黃鐵礦等還原硫化物沉積相一致。

5.2 云龍組硫酸鹽硫源——新特提斯的海侵？

前人研究已經(jīng)表明[52]，蘭坪盆地云龍組與思茅盆地勐野井組兩者的地層序列和沉積特征等均可對比，兩者為相同內(nèi)涵的地層單位，曲懿華等[3]、云南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局[26]均采用勐野井組來統(tǒng)一稱謂分布在北至維西-蘭坪，南到江城-勐臘的含蒸發(fā)巖碎屑巖序列。而前人對于云龍組(勐野井組)地層時代為古近紀(jì)的認(rèn)識僅限于少量的介形類和孢粉化石[51-52]，缺乏精確定年資料。最近有關(guān)勐野井組的地層時代有了實(shí)質(zhì)的進(jìn)展，Wang et al.[8]在勐野井附近獲得了凝灰?guī)r夾層的SHRIMP U-Pb年齡為110M～100 Ma，袁秦等[53]新近的孢粉研究得出為白堊紀(jì)中期的認(rèn)識，另外江城附近的磁性地層學(xué)研究也支持了該組為晚白堊世的認(rèn)識(方小敏，內(nèi)部資料)。鑒于此，本文認(rèn)為云龍組也屬于晚白堊世的沉積。

一般大氣降水的δ34Sv-CDT值為0‰～5‰，天然淡水為5‰～10‰[43]，因此未受到海水侵入以及細(xì)菌還原作用影響的陸相水體的硫同位素應(yīng)在10‰以下。而受到海水影響的典型陸相水體，則應(yīng)兼有海水和大陸淡水的特點(diǎn)。白堊紀(jì)時期，全球海洋硫酸鹽的δ34SV-CDT為14‰～21‰[39]),代表了該時期海水的硫同位素組成。蘭坪盆地云龍組原生石膏硫同位素組成在為12.6‰～17.6‰之間，大部分樣品落于白堊紀(jì)海水δ34S范圍內(nèi)。由于未受到細(xì)菌還原作用的影響，因此該值反映了云龍組沉積時期鹵水主體為海水。同時后期受大陸淡水的加入影響，使得云龍諾鄧、杏林等地次生石膏的δ34SV-CDT值較低，如云龍杏林地區(qū)為9.1‰～12.2‰，云龍諾鄧9.5‰～10.4‰。這表明，晚白堊世云龍組沉積時期，蒸發(fā)巖形成的鹵水主要來自海水。古地理恢復(fù)[24]和古地磁研究[54]表明，晚白堊世時期，整個思茅-坷叻地塊呈東西向，新特提斯洋即位于該地塊南部，因此蘭坪盆地云龍組沉積時期形成蒸發(fā)巖的海水即源自于新特提斯的海侵(圖4)。

圖4 晚白堊世東特提斯古地理圖(據(jù)文獻(xiàn)[24])

5.3 白堊紀(jì)中期蘭坪-思茅-萬象-坷叻蒸發(fā)盆地系

在思茅地塊以南的印支地塊老撾萬象盆地和坷叻盆地也分別發(fā)育了塔貢組和馬哈薩拉堪組的巨量含石鹽-鉀鹽沉積[55]。有限的古生物研究[56]和K-Ar年齡[57]認(rèn)為這些地層為白堊紀(jì)中期Albian-Cenomanian期。Hite and Japakasetr[5]根據(jù)石鹽中Br地球化學(xué)特征認(rèn)為成鹽物質(zhì)來源于海水。同時硬石膏硫同位素組成以及硼同位素研究[6,36,58-59]都表明了成鹽物質(zhì)來自海源。但由于沒有直接的海相證據(jù)，而且含鹽地層普遍表現(xiàn)為陸相紅層沉積，不少研究者認(rèn)為是非海相甚至是沙漠環(huán)境中的內(nèi)陸鹽湖[56,60]。盡管對這些蒸發(fā)巖的來源還存在海源和陸源之爭，但越來越多的的證據(jù)傾向于“海源陸相”的認(rèn)識，即為陸相沉積背景，但成鹽物質(zhì)主要來自于海水[5，61]。這表明在白堊紀(jì)中期，萬象-坷叻盆地區(qū)存在有海侵。El Tabakh et al.[6]甚至指出與外海溝通的通道可能在坷叻盆地的西南角。根據(jù)Metcalfe[24]古地理恢復(fù)，新特提斯大洋的海侵很可能為萬象-坷叻盆地的鹽類沉積帶來了物源。

同樣地，在思茅地塊蘭坪盆地以南的思茅盆地勐野井組含鉀鹽蒸發(fā)巖的Br地球化學(xué)研究表明了典型的海相來源特征[4]，同時硬石膏硫同位素值也指示了海相來源[62]。因此，可以推斷白堊紀(jì)中期新特提斯的海侵同樣在思茅盆地沉積了含鉀鹽的蒸發(fā)巖[8]。本文獲得的蘭坪盆地云龍組石膏的硫同位素組成也表明其為海相來源，因而表明白堊紀(jì)中期的海侵在蘭坪-思茅-萬象-坷叻形成了統(tǒng)一的大型蒸發(fā)盆地系(圖5)。新特提斯的海侵與白堊紀(jì)中期全球海平面的快速上升有關(guān)[63-65]。而有限的物源研究表明[7]，在晚白堊世時期，這些東西走向的盆地并不總是連通，只有在海侵時才彼此相連(圖5)。

圖5 蘭坪-思茅-萬象-坷叻蒸發(fā)盆地系 (修改自文獻(xiàn)[8])

致謝：參加野外工作的還有范建福博士和王笛，在此一并致謝！

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