云南會(huì)澤石炭系擺佐組白云巖地球化學(xué)特征及其成因分析①

馬宏杰 張世濤 程先鋒 眭素剛，4

(1.浙江省地質(zhì)調(diào)查院 杭州 311203;2.昆明理工大學(xué) 昆明 650093;3.云南國土資源職業(yè)學(xué)院 昆明 650217;4.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計(jì)研究院 昆明 650224)

白云巖成因一直以來都是沉積學(xué)領(lǐng)域經(jīng)久不衰的話題，也是現(xiàn)代沉積巖石學(xué)研究的前緣和熱點(diǎn)問題［1～6］，從國內(nèi)外研究成果來看，白云巖根據(jù)成巖階段的特征可將其劃分為原生白云巖、同生白云巖、成巖白云巖和后生白云巖四種類型，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，但目前全球?qū)Π自茙r成因機(jī)制還存在各種不同的認(rèn)識(shí)和觀點(diǎn)［7～11］。隨著各種新方法和新手段的不斷增加，白云巖成因分析運(yùn)用巖石學(xué)、同位素分析、微量元素分析等多種地球化學(xué)分析方法相結(jié)合進(jìn)行研究已成為必然的趨勢(shì)。

石炭系擺佐組白云巖作為云南會(huì)澤鉛鋅礦主要容礦層位之一，一直以來是許多學(xué)者研究的重點(diǎn)［12～17］。截止目前，針對(duì)石炭系擺佐組白云巖先后展開了巖相、古地理特征、沉積環(huán)境的研究和礦物質(zhì)來源與白云巖關(guān)系的研究，但對(duì)白云巖成因的研究相對(duì)薄弱。會(huì)澤地區(qū)位于我國重要的鉛鋅礦成礦帶，這一地區(qū)的鉛鋅礦的形成與白云巖的時(shí)空分布密切相關(guān)，因此，開展這一地區(qū)白云巖成因研究具有重要的理論和實(shí)際意義。為了解會(huì)澤石炭系擺佐組中、粗晶白云巖的地球化學(xué)特征及其成因，本文對(duì)該地區(qū)白云巖進(jìn)行巖石學(xué)、巖石地球化學(xué)和同位素等分析、研究。

1 地質(zhì)背景

研究區(qū)位于華南陸塊群揚(yáng)子微陸塊滇中(昆明)中生代隆起帶［18］(圖1)。研究區(qū)地層由前震旦系組成基底，其上的上震旦統(tǒng)、古生界組成蓋層，構(gòu)成“兩層式結(jié)構(gòu)”。蓋層主要發(fā)育中、上泥盆統(tǒng)、石炭系、二疊系。下石炭統(tǒng)擺佐組(C1b)是研究區(qū)最主要的賦礦地層，主要由灰白色、肉紅色、米黃色中、粗晶白云巖、灰質(zhì)白云巖和致密塊狀淺灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾硅質(zhì)灰?guī)r組成。本文討論的白云巖位于會(huì)澤鉛鋅礦區(qū)，實(shí)測剖面為二道溝勘查區(qū)，實(shí)測剖面顯示會(huì)澤地區(qū)白云巖主要位于擺佐組的中上部，其下部主要為淺灰色灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r夾硅質(zhì)灰?guī)r，白云巖層在空間上呈北東南西向展布，地層厚約50～70 m，白云巖呈中厚層狀—塊狀。

2 樣品和實(shí)驗(yàn)方法

本研究共涉及下石炭系擺佐組實(shí)測剖面中、粗晶白云巖共9個(gè)樣品(圖2)，對(duì)所有樣品均進(jìn)行了巖石薄片鑒定，白云巖巖石學(xué)特征見3.1。

圖1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造分布圖Fig.1 Regional geological-structural sketch map

主量元素(XRF方法)和微量元素及稀土元素(ICP-MS方法)均在中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心測定，分析精度優(yōu)于5%。實(shí)驗(yàn)過程如下:將所采的每件樣品加工成200目，并置于烘烤箱中，在105℃的溫度下烘干2小時(shí)，然后將從烘箱中取出樣品稱取50±1 mg置于高壓密閉的Teflon溶樣器中，再緩慢加入1 mL的高純氫氟酸，并將其放在電熱板上于140℃將樣品蒸至小體積，然后緩慢加入1.5 mL的高純氫氟酸、1.5 mL的高純硝酸，加蓋并旋緊溶樣器鋼套，將裝有樣品的溶樣器放入烘箱中，在190℃保溫溫度下加熱48 h，待溶樣器涼冷，開蓋，然后在電熱板上保持140℃將溶液蒸至濕鹽狀，再緩慢加入2～3 mL、40%的高純硝酸，把其再次置于烘箱中140℃恒溫過夜，重復(fù)上述過程，提取鹽類。等到溶樣器涼冷后，將提取液用2%的硝酸稀釋干凈的PET瓶中，至80 g密閉保存，等待上機(jī)測定。

測試方法［19］:霧化器將溶液樣品送入等離子體光源，在高溫下汽化，解離出離子化氣體，通過銅或鎳取樣錐收集的離子，在低真空約133.322 Pa壓力下形成分子束，再通過1～2 mm直徑的截取板進(jìn)入四極質(zhì)譜分析器，經(jīng)濾質(zhì)器質(zhì)量分離后，到達(dá)離子探測器，根據(jù)探測器的計(jì)數(shù)與濃度的比例關(guān)系，可測出元素的含量。

C、O同位素由中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心同位素室測試，使用的標(biāo)準(zhǔn)是GB6379-87，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為 GBW-04416和 GBW-04417。測定方法［20］是將碳酸鹽試樣在真空條件下與100%磷酸進(jìn)行恒溫反應(yīng)，用冷凍法分離生成的水，并收集純凈的CO2氣體。利用德國產(chǎn)的MAT-251型質(zhì)譜儀進(jìn)行C、O同位素分析，獲得δ13C和δ18O數(shù)據(jù)，二者均采用PDB標(biāo)準(zhǔn)，分析誤差小于0.1‰。

圖2 二道溝實(shí)測剖面圖Fig.2 The measured cross-section in Erdaogou area

圖3 云南會(huì)澤擺佐組粗晶白云巖手標(biāo)本照片(A.肉紅色粗晶白云巖;B.米黃色粗晶白云巖;比例尺為2 cm)Fig.3 Hand specimens of the coarse grain dolomite in Baizuo Formation of Huize，Yunnan(A.flesh red coarse grain dolomite;B.beige coarse grain dolomite;scale bar=2 cm)

圖4 云南會(huì)澤擺佐組白云巖主要結(jié)構(gòu)類型的顯微照片(①:白云石;比例尺為0.5 mm)Fig.4 Photomicrographs of the dolomite in Baizuo Formation of Huize，Yunnan(①:dolomite;scale bar=0.5 mm)

3 白云巖地球化學(xué)特征

3.1 巖石學(xué)特征

通過野外和室內(nèi)對(duì)會(huì)澤地區(qū)白云巖巖石學(xué)研究顯示，該區(qū)白云巖巖石類型主要為中、粗晶白云巖(圖3，4)。白云巖呈灰—灰白色、米黃色、肉紅色，塊狀構(gòu)造，呈中—粗晶晶粒結(jié)構(gòu)，在野外刀砍狀條紋發(fā)育明顯，節(jié)理裂隙較發(fā)育，部分裂隙見石英脈充填。白云石粒度約0.25～1.00 mm，呈自形—半自形晶，含量一般大于95%，方解石多呈殘余晶體零星分布于自形白云石晶粒間，含量3.5% ～5.5%，此外，還含有少量方鉛礦、閃鋅礦、褐鐵礦和微粒金屬礦物約0.4% ～1.0%。

3.2 地球化學(xué)特征

研究區(qū)白云巖主量、微量元素分析結(jié)果見表1。

3.2.1 主量元素

MgO含量位于29% ～32%之間，CaO含量位于17% ～22%之間;由 MgO—CaO交會(huì)圖可以看出，MgO—CaO呈線性負(fù)相關(guān)，反映白云石是交代或重結(jié)晶成因而非沉積成因的［2］(圖5)。

3.2.2 稀土元素

圖5 MgO—CaO交會(huì)圖Fig.5 Cross-plot of MgO—CaO

稀土元素(REE)中能夠反映白云巖成因環(huán)境的主要是Eu異常和Ce異常。Eu的富集與虧損主要取決于含鈣造巖礦物的聚集和遷移;Ce反映了表生作用的氧化條件，在氧化條件下虧損，在缺氧條件下富集［21，22］。本區(qū)白云巖稀土元素總量介于6.7～41.2 μg/g之間，平均值為24.35 μg/g，總體上處于正常海相碳酸鹽巖ΣREE變化范圍內(nèi)(海相碳酸鹽巖ΣREE值一般低于100 μg/g)［23］，輕稀土元素富集。白云巖稀土元素配分模式顯示(圖6)，Ce異常呈現(xiàn)弱負(fù)異常，Eu呈現(xiàn)弱負(fù)異常。

3.2.3 微量元素

元素Sr的含量往往反映介質(zhì)的鹽度，現(xiàn)代海水的 Sr含量大約為1 000 ～1 200 μg/g［21，24］。本區(qū)白云巖Sr含量主體介于39～135 μg/g之間，平均81.8 μg/g?？紤]到擺佐組淺海相沉積背景和后期較強(qiáng)的改造作用，且Sr已大量流失，白云巖中較低的Sr含量可能說明了白云巖是后期埋藏成巖作用過程中形成的［21］，白云化時(shí)間較晚。白云巖中Ba含量集中在4 μg/g左右，略低于一般正常海相碳酸鹽的標(biāo)準(zhǔn);Sr/Ba比值介于7.7～70.2之間，平均值接近30左右，表明白云巖在深埋過程中所形成時(shí)水介質(zhì)鹽度較高［21，22］。

3.3 碳、氧同位素

碳酸鹽巖中的穩(wěn)定碳、氧同位素組成可以用來定量的恢復(fù)沉積環(huán)境的古鹽度和古水溫，確定成巖環(huán)境，查明沉積物形成后的大氣淡水參與成巖作用的強(qiáng)度以及研究白云巖的形成機(jī)理［6］。研究區(qū)白云巖碳、氧同位素測試結(jié)果見表2。表2反映出白云巖δ13C最低值 -1.12‰，最高值 0.75‰，平均值為-0.28‰;δ18O最低值-8.24‰，最高值為-6.81‰，平均值為-7.51‰。根據(jù)Keith and Weber(1964)［25］利用δ18O、δ13C值導(dǎo)出經(jīng)驗(yàn)公式Z=2.048×(δ13C+50)+0.498 ×(δ18O+50)，T=14.8-5.41 × δ18O，計(jì)算了白云巖形成的鹽度和溫度(表2)。表2顯示本區(qū)白云巖Z值都在在121～125之間，平均為123，表明會(huì)澤地區(qū)白云巖可能形成于超咸濃縮海水以及較高的溫度條件下，說明研究區(qū)的白云巖主要屬于埋藏作用成因，其成巖流體可能代表了沉積物埋藏過程中古海水的濃縮。根據(jù)成巖溫度計(jì)算結(jié)果，本區(qū)白云巖成巖溫度在51.64℃ ～59.38℃之間，平均為55.42℃(表2)。假定白云巖形成時(shí)表面溫度為25℃，地?zé)崽荻?.5℃/100 m［21］，推測該地區(qū)白云巖形成平均深度約為1 065～1 376 m，為中深埋藏環(huán)境，根據(jù)區(qū)域地層資料區(qū)域構(gòu)造演化史推測，其白云巖化時(shí)間可能發(fā)生于二疊紀(jì)，屬后生白云巖，誠然，這一認(rèn)識(shí)需要進(jìn)一步工作加以證明。在 Hird［11、21］等的白云巖碳—氧同位素比值判別圖上(圖6)會(huì)澤地區(qū)白云巖C、O同位素投點(diǎn)主要出現(xiàn)在埋藏成因(M1，M2)的區(qū)域內(nèi)及其周圍，反映了白云巖為埋藏成因，同時(shí)樣品的碳—氧同位素比值接近線性排列的現(xiàn)象，表明研究區(qū)白云巖樣品經(jīng)歷了非常長時(shí)間的、充分的成巖作用，與巖石埋藏作用成因的結(jié)論一致。

圖6 會(huì)澤地區(qū)白云巖稀土元素配分模式Fig.6 REE distributions of dolomites in the Baizuo Formation of Huize area

表1 擺佐組白云巖微量元素含量(μg/g)Table 1 Trace element(μg/g)of dolomites in the Baizuo Formation of the Huize Basin

續(xù)表1 擺佐組白云巖微量元素含量(μg/g)Table 1 Trace element(μg/g)of dolomites in the Baizuo Formation of the Huize Basin

續(xù)表1 擺佐組白云巖微量元素含量(μg/g)Table 1 Trace element(μg/g)of dolomites in the Baizuo Formation of the Huize Basin

表2 白云巖C、O同位素組成及鹽度和溫度Table 2 Salinity and temperature reflected by the oxygen isotope of dolomite

圖7 會(huì)澤盆地白云巖δ13C—δ18O變化關(guān)系和成因判別［6］(據(jù) Hird，1987)Fig.7 Discrimination diagram showing the relationship of δ13C-δ18O and dolomites genesis of the Huize Basin

4 討論與結(jié)論

(1)云南會(huì)澤石炭系擺佐組白云巖主要由中、粗晶白云巖組成;白云巖Sr含量較低，可能是后期埋藏成巖作用過程中形成的，且白云化時(shí)間較晚，Sr已經(jīng)大量流失。

(2)云南會(huì)澤石炭系擺佐組白云巖輕稀土元素富集，這可能與埋藏期間流體活動(dòng)對(duì)稀土元素的整體帶入有關(guān)［6］。白云巖稀土元素配分模式顯示Ce異常呈現(xiàn)弱負(fù)異常，主要是由于Ce3+將不斷被氧化成相對(duì)易溶的Ce4+離子被遷移而貧化。同時(shí)Eu也呈現(xiàn)弱負(fù)異常，根據(jù)韓潤生等［13］對(duì)會(huì)澤地區(qū)超大型鉛鋅(銀、鍺)礦床研究表明石炭系擺佐組地層稀土元素分布模式與礦石、方解石稀土模式差異甚大，顯示成礦與擺佐組地層無直接的血緣關(guān)系。推測，擺佐組白云巖的Eu負(fù)異?？赡転樵磪^(qū)的白云巖產(chǎn)生化學(xué)風(fēng)化作用，Eu在化學(xué)風(fēng)化過程中被優(yōu)先帶出而造成的。

(3)碳、氧同位素表明白云巖經(jīng)歷了較長時(shí)間的、充分的成巖作用，成巖期間具有較高的鹽度指數(shù)Z值和成巖溫度，推測該地區(qū)白云巖為中深埋藏環(huán)境，根據(jù)區(qū)域地層資料、區(qū)域構(gòu)造演化史推測其白云巖化時(shí)間可能發(fā)生于二疊紀(jì)，屬后生白云巖，誠然，這一認(rèn)識(shí)需要進(jìn)一步工作加以證明。

(4)總體來看，本區(qū)白云巖在巖石學(xué)特征上具有半自形—自形結(jié)構(gòu)，主量元素MgO—CaO呈線性負(fù)相關(guān)，表明了研究區(qū)白云石是交代或重結(jié)晶成因而非沉積成因的，同時(shí)碳、氧同位素結(jié)果顯示其鹽度指數(shù)和成巖溫度較高，綜合分析認(rèn)為本區(qū)白云巖成因?yàn)槁癫爻梢?，并且在后期可能受到了?gòu)造作用和地殼抬升作用的影響，使白云巖產(chǎn)生化學(xué)風(fēng)化作用，造成Eu的負(fù)異常，這可能與滇東北地區(qū)印支—海西階段所形成的拉張和垂直升降運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

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