北羌塘盆地中侏羅統(tǒng)夏里組蒸發(fā)巖鍶同位素地球化學(xué)特征及物質(zhì)來源*

杜少榮，苗忠英，鄭綿平，張永生，張雪飛，陳文西

（中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所自然資源部鹽湖資源與環(huán)境重點實驗室，北京100037）

鍶主要以4種穩(wěn)定同位素形式存在于地殼中，分別為88Sr、87Sr、86Sr、84Sr，相較于其他元素及同位素具有一定的特殊性（Céline et al.,2001；Dickin et al.,2005）。鍶及其同位素是研究水文循環(huán)、水巖作用機制、古氣候、古海洋環(huán)境、古鹽度等的重要工具手段（賀秀斌等，1997；黃思靜等，2006；呂苑苑等，2014；Jones et al.,1994;Bruckshen et al.,1995；He et al.,1997;Rosemary et al.,1998;Callegaro et al.,2012;Wierzbowski et al.,2012；Wortmann et al.,2012;Tripathi et al.,2013;Belén et al.,2013）。鍶在海水中殘留時間（約106 a）大于海水的的混合時間（約103a），因此，在同一地質(zhì)歷史時期，全球范圍內(nèi)海水中的鍶組成是一致的（Mcarthur et al.,2001；黃思靜等，2005），且鍶在化學(xué)、生物化學(xué)作用過程中幾乎不會發(fā)生同位素分餾。不同儲庫中鍶同位素比值不同，故87Sr/86Sr值可作為物質(zhì)來源、遷移的示蹤劑(Jyoti‐ranjan et al.,2003；Banner et al.,1994)。

蒸發(fā)巖（石膏，石鹽，碳酸鹽等）的鍶可以用來分析其成礦物質(zhì)來源，異常的鍶同位素比值可以指示水體沉積環(huán)境的變化。不同來源的鍶其同位素比值不一（Veizer et al.,1975），例如陸殼來源的鍶其87Sr/86Sr比值大于海水87Sr/86Sr同位素比值，地幔來源的鍶其87Sr/86Sr比值相對最小。在蒸發(fā)巖同一地層中，通過縱向上87Sr/86Sr比值的變化可以解釋古海平面升降，其比值的變化可以指示海侵、海退事件（鄭綿平等，2012；李明慧等，2016）。鍶同位素具有不易分餾的特殊性，且在各個地質(zhì)歷史時期，鍶同位素組成有一定的差異，因此，根據(jù)不同地質(zhì)歷史時期的海相蒸發(fā)巖中的鍶同位素比值不僅可以重建各個時期全球海水鍶同位素地層年代曲線，同時也可用以分析各個歷史時期全球鍶的循環(huán)（黃思靜等，2006；Veizer et al.,1975）。羌塘盆地作為東特提斯構(gòu)造域的重要組成部分，區(qū)內(nèi)有大量蒸發(fā)巖（膏巖）露頭分布，且主要分布于中上侏羅統(tǒng)（李亞林等，2008）。近來許多學(xué)者進行了大量的研究，但公開發(fā)表的資料中關(guān)于蒸發(fā)巖巖鹽鍶同位素的數(shù)據(jù)較少，且前人對鍶同位素的研究旨在探討北羌塘盆地海平面變化、沉積環(huán)境及氣候演化等（尹觀等，1998；謝淵等，2000；石和等，2005；劉建清等，2007；潘桂秋等，2015；孫偉等，2015），關(guān)于盆地蒸發(fā)巖鍶同位素的研究，目前僅牛新生等（2014）根據(jù)友誼泉地區(qū)侏羅系發(fā)育的鹽泉水鍶、硫同位素分析了盆地的成鉀條件，然而，利用鍶同位素來探討蒸發(fā)巖成礦物質(zhì)來源的報道基本為空白。

文章通過對北羌塘盆地南緣布署的QY-1井巖芯樣品中膏巖鍶同位素地球化學(xué)特征進行研究，不僅豐富了盆地內(nèi)蒸發(fā)巖鍶同位素數(shù)據(jù)，而且對于了解盆地內(nèi)蒸發(fā)巖成礦流體的物質(zhì)來源提供了重要依據(jù)。此外，通過與全球鍶同位素年代曲線進行對比，進一步深入認識鍶同位素比值變化的驅(qū)動機制，并劃分其演化階段。

1 地質(zhì)背景

羌塘盆地位于青藏高原的中部，是中國侏羅紀海相地層分布最廣的地區(qū)，也是中國具有成鹽遠景的礦集區(qū)之一（鄭綿平等，2015）。盆地發(fā)育于元古宙變質(zhì)巖系組成的雙基底之上，南北兩側(cè)受班公湖-怒江縫合帶、可可西里-金沙江縫合帶夾持，區(qū)內(nèi)的縫合帶對本區(qū)的構(gòu)造具有控制作用（黃繼均，2001；尹福光，2003）（圖1）。根據(jù)盆地基底構(gòu)造特征可將其劃分為兩凹一隆的格局（李廷棟等，1989；肖序常等，1990；趙兵等，2002；王成善等，2004）。中央隆起帶呈東西向延伸，位于戈木日、瑪依崗日、雙湖、唐古拉山一線；北羌塘盆地呈東西向延伸，并發(fā)育北西向延伸的次級凸起和凹陷，地表出露侏羅紀和少量的上三疊紀；南羌塘主要出露上古生界和中生界，以海相淺變質(zhì)砂板巖、碳酸鹽巖、碎屑巖等為主（王劍等，2018）。研究區(qū)位于北羌塘盆地龍尾湖地區(qū)，該區(qū)侏羅系以海相沉積為主，與底部三疊紀的沉積地層呈不整合接觸。盆地內(nèi)侏羅系自下而上為那底崗日、雀莫組、布曲組、夏里組、索瓦組，那底崗日龍尾湖地區(qū)主要見夏里組、索瓦組（圖2）。夏里組由雜色碎屑巖夾少量灰?guī)r、石膏層組成；索瓦組為泥晶灰?guī)r、鮞?；?guī)r和石膏層（牛新生等，2014）。盆地內(nèi)中生代侏羅系石膏分布廣泛，目前已發(fā)現(xiàn)的膏巖點位多達幾百個，且主要分布于中侏羅統(tǒng)的雀莫錯組、布曲組、夏里組及上侏羅統(tǒng)索瓦里組中，其中，夏里組分布最為廣泛（李勇等，2001）。

圖1 北羌塘盆地龍尾湖區(qū)域位置(a)及構(gòu)造綱要圖(b)（據(jù)劉建清等，2007等修改）Fig.1 Regional location(a)and tectonic framework(b)of the Longwei lake area in North Qiangtang Basin(modified after Liu et al.,2007)

2 樣品采集及分析方法

2.1 樣品采集

本文分析的樣品來自于北羌塘盆地那崗底日的龍尾湖地區(qū)，地理坐標N33°9′2.40″，E88°2′29″。井口周邊出露的地層為夏里組，其余在井口周邊出露的地層還有侏羅統(tǒng)雀莫錯組、布曲組、索瓦組，以及始新統(tǒng)的康托組、嗩吶湖組以及更新統(tǒng)。開孔的層位為夏里組（圖2），取樣深度和樣品的巖性如圖3所示，完鉆井深298.86 m，未鉆穿夏里組。鉆孔巖性主要由大量的膏巖夾少量的雜色碎屑巖、灰?guī)r組成，中間夾有數(shù)條寬1～5 cm的泥質(zhì)條帶，膏巖層的底部與含有機質(zhì)泥質(zhì)條帶與薄板狀鈣質(zhì)粉砂交替的含砂泥巖接觸。

圖2 龍尾湖地區(qū)區(qū)域地質(zhì)圖（據(jù)牛新生等，2014修改）Fig.2 Regional geological map of Longwei Lake area(modified after Niu et al.,2014)

本次研究共獲取樣品39個，其中膏巖樣34個，灰?guī)r、白云巖各1個，3個深色泥巖的87Sr/86Sr比值用以與膏巖的87Sr/86Sr比值進行對比。硬石膏主要成層狀、透鏡狀分布在地層之中，8.00～279.74 m均為膏巖（圖3），選取的樣品進行鍶同位素測試，總共獲取有效數(shù)據(jù)39組。

圖3 北羌塘盆地QY-1鉆孔柱狀圖Fig.3 Drill hole logging of QY-1 borehole in North Qiangtang Basin

2.2 實驗方法

具體操作方法流程是：首先，將樣品粉碎至200目，取100 mg粉末用0.8 mol/L的鹽酸溶于Teflon杯中。離心后的清液經(jīng)過裝有AG50W-X8樹脂的離子交換柱分離和純化，以鹽酸為淋洗劑，分離出純凈的鍶，之后再在Phoenix熱表面電離質(zhì)譜儀上完成測試。

測試采用的標準為GB/T17672-1999《巖石中鉛、鍶、釹同位素測定方法》。選取的鍶同素標準物質(zhì)為NBSSRM987，測得的87Sr/86Sr比值平均值為(0.710 34±0.000 26)（2σ，n=6）。樣品鍶同位素測試分析在核工業(yè)北京地質(zhì)研究院完成。

3 實驗結(jié)果

3.1 數(shù)據(jù)有效性分析

為保證測試的數(shù)據(jù)能夠較好的代表蒸發(fā)巖成礦流體物質(zhì)來源的信息，本文從樣品的特征、成巖變化、實驗條件等幾個方面分析了數(shù)據(jù)的有效性。測試樣品以硫酸鹽（石膏）為主，少量為碳酸鹽（白云巖、灰?guī)r），兩者在沉積過程中元素配分模式、沉積速度、成巖過程中礦物的重結(jié)晶速度等類似，故二者的判斷指標可在一定的程度上通用（黃思靜等，2005）。在實驗開始前選取巖芯中較為純凈的石膏樣品，并進行鏡下鑒定。

樣品均較為純凈，正交光下色彩鮮艷，單偏光下顯示大多數(shù)具有完整晶型，如3組解理構(gòu)成的假立方體結(jié)構(gòu)(圖4a、b），板狀雙晶結(jié)構(gòu)（圖4c），單晶結(jié)構(gòu)（圖4d、e）。實驗過程中考慮到單次測試可能造成的影響，對本次測試的樣品進行了重復(fù)測試工作，保證實驗測試結(jié)果的可靠性，測試結(jié)果在誤差范圍內(nèi)，表明該測試結(jié)果可靠。

圖4 北羌塘盆地中侏羅統(tǒng)夏里組硬石膏及其顯微結(jié)構(gòu)特征a、b.單偏光和正交光對比照片，3組解理構(gòu)成的假立方體，正交光下為淺紅色，中-細晶硬石膏；c.單偏光，板狀雙晶結(jié)構(gòu)，可見相交成直角的解理縫，巨晶硬石膏；d、e.單偏光和正交光下細-粉晶硬石膏，干涉色為淺綠色；f.板狀單晶結(jié)構(gòu)，中-細晶硬石膏Fig.4 Anhydrite and microstructure characteristics of the Middle Jurassic Xiali Formation in the North Qiangtang Basin(in single polarized light)a,b.Single polarized light and orthogonal light contrast photo,three sets of cleavage pseudo cubes,light red under orthogonal light,medium-fine grain anhydrite;c.Single polarized light,plate-like twin structure,visible intersection right-angled cleavage joints,giant crystal anhydrite;d,e.Fine-powder grain anhydrite under single polarized light and orthogonal light,Interference color is light green;f.Plate structure,medium-fine grain anhydrite

3.2 鍶同位素組成

北羌塘盆地龍尾湖地區(qū)夏里組地層樣品鍶同位素測試結(jié)果見表1，鍶同位素(石膏、灰?guī)r、白云巖)處于0.707 474～0.709 048之間，均值為0.708 331。在244.46 m處的灰色硬石膏層內(nèi)出現(xiàn)最低值0.707 474，在底部279.74 m處的深灰色含泥灰?guī)r層內(nèi)出現(xiàn)最高值0.709 480。整個地層自下而上，鍶同位素比值可劃分為3段，經(jīng)歷了先降—后升—再降。北羌塘盆地龍尾湖地區(qū)QY-1井膏巖樣品包括：粉-細晶硬石膏、中-細晶硬石膏、巨晶硬石膏、礫屑硬石膏，且地層中的石膏以巨晶硬石膏為主，粉-細晶石膏次之，中-細晶硬石膏最少，其中，大量巨晶硬石膏的出現(xiàn)可能是早期形成的石膏受到外部水體的注入發(fā)生溶解重新結(jié)晶析出形成。研究區(qū)夏里組的鍶同位素比值，隨石膏結(jié)晶程度變化，其值表現(xiàn)有一定的差異，巨晶硬石膏的鍶同位素比值整體較大，中-細晶硬石膏次之，細-粉晶硬石膏最小。

表1 北羌塘盆地龍尾湖中侏羅統(tǒng)夏里組鍶同位素Table 1 Strontium isotopes of the Middle Jurassic Xiali Formation in Longwei Lake,North Qiangtang Basin

4 討論

4.1 蒸發(fā)巖成礦流體的來源

蒸發(fā)巖成礦流體的來源有海水、陸源水、地幔流體，相比陸源水體，海水中的鍶同位素比值受地幔熱液蝕變的影響更大，現(xiàn)代海水鍶同位素比值為0.709 023，而陸源水中的鍶同位素比值遠高于該值（Burke et al.,1982;Palmer et al,1985;Hess et al.,1986;McArthur et al.,1992;Krishnaswami,1992），因此，鍶同位素比值是區(qū)分成礦流體來源的重要依據(jù)。

在不同的地質(zhì)歷史時期海水鍶同位素比值是變化的，前人據(jù)此繪制了全球海水鍶同位素年代曲線。侏羅紀—早白堊世，泛大陸發(fā)生裂解，全球海水鍶同位素比值總體上呈現(xiàn)降低的趨勢，在中晚侏羅世達到歷史最低值，而層序地層及現(xiàn)有的研究認為這一時期海水鍶同位素比值為0.706 860～0.707 081。

北羌塘盆地處青藏高原的中部構(gòu)造活動較為強烈地帶，中央隆起在早、晚侏羅世有較為完整的冷卻抬升事件，南、北羌塘盆地被隔離，沉積相為淺灘、局限臺地，在中-晚侏羅世可可西里-金沙江縫合帶已閉合，北羌塘盆地成半封閉環(huán)境（楊桂芳等，2003；王劍等，2018；吳珍漢等，2019；陳蘭等，2003；李永鐵等，2006）。已有的古生物化石和元素地球化學(xué)研究認為，中-晚侏羅世羌塘盆地處赤道以北的低緯度地區(qū)，且氣候炎熱干旱（張玉修等，2006），因此，中-晚侏羅世北羌塘盆地具備形成蒸發(fā)巖的沉積環(huán)境和古氣候條件。

研究區(qū)膏巖、灰?guī)r、白云巖樣中測得鍶同位素比值介于0.707 474～0.709 048，其中，灰?guī)r（1-39-1）和白云巖（1-30-1）中的鍶同位素比值分別為0.707 481和0.708 213（圖5），可與劉建清等（2007）在北羌塘盆地龍尾錯地區(qū)黑尖山、新月山東、黑石河3條剖面測得的夏里組碳酸鹽的鍶同位素比值（0.706 770～0.709 835）對比，也可與盆地內(nèi)侏羅系鹽泉水的鍶同位素比值（牛新生等，2014）對比。本區(qū)測得的鍶同位素比值主體較同時期海水的鍶同位素比值高，但是明顯低于陸源鍶同位素比值。

圖5 QY-1鍶同位素分布及侏羅紀海水鍶同位素區(qū)間圖（侏羅紀地層）Fig.5 Strontium isotope distribution of QY-1 borehole and strontium isotope interval of Jurassic seawater map

基礎(chǔ)地質(zhì)研究結(jié)果表明，中-晚侏羅世羌塘盆地存在多次海侵（劉建清等，2007；黃思靜等，2006），而北羌塘盆地又具備封存海水、蒸發(fā)析鹽的條件，所以盡管筆者測得樣品鍶同位素比值略高于同期海水，但是海相特征依然很強，這說明成礦流體的主要物源為海水。牛新生等（2014）研究了北羌塘盆地內(nèi)源泉河、東溫泉、多格錯仁南岸鹽泉的水化學(xué)特征，認為鹽泉水在運移過程中溶解了侏羅系的石膏，其中的硫同位素值位于侏羅紀海水的硫同位素值范圍內(nèi)，進而得出蒸發(fā)巖（膏巖）的成礦流體來自于侏羅紀海水的結(jié)論，這從另一方面佐證了文章結(jié)論。

夏里組海水蒸發(fā)析出石膏的之后多次受陸源水補給的影響，表現(xiàn)在硬石膏多次重結(jié)晶，形成晶型粗大的巨晶硬石膏。由于這一時期，中央隆起帶和東昆侖造山帶均出露地表，可向盆地內(nèi)提供陸源鍶，因此，這種重結(jié)晶的硬石膏鍶同位素比值明顯高于原生的粉-細晶硬石膏。

綜上所述，北羌塘盆地夏里組蒸發(fā)巖形成于半封閉的沉積環(huán)境，經(jīng)過多期海侵補給，為蒸發(fā)巖提供成礦流體。同時，在蒸發(fā)析鹽階段受陸源水補給的影響，導(dǎo)致樣品鍶同位素的值雖然明顯低于陸源鍶，但是總體高于同期海水的鍶同位素比值。

4.2 研究區(qū)鍶同位素演化的全球?qū)Ρ?/h3>

在羌塘盆地雙湖地區(qū)夏里組中發(fā)現(xiàn)了中、晚侏羅世卡洛期雙殼類化石組合及菊石組合化石Cyathi‐dites-Osmundacidites-Deltoidospora，同時，化石資料測試的夏里組磁性地層年代在160.2～164 Ma之間（肖傳桃等，2000；曾永耀等，2015）。本文以前人測得的年齡為基礎(chǔ)，結(jié)合McArthur等（2001）繪制的全球海水鍶同位素年代曲線進行年齡標定和對比（圖6）。根據(jù)鍶同位素組成等值對比原則，從整體上看，研究區(qū)夏里組鍶同位素值演化與McArthur等（2001）公布的侏羅紀全球海水鍶同位素曲線的具有一定的對比性。結(jié)合劉建清等（2007）公布的龍尾湖地區(qū)夏里組海平面的變化，將本區(qū)鍶同位素演化劃分為3個階段：

圖6 北羌塘盆地區(qū)內(nèi)蒸發(fā)巖與全球海水鍶同位素比值對比圖（a，數(shù)據(jù)來源于Mcarthur et al.,2001；b，本文數(shù)據(jù)）Fig.6 Comparison with global seawater strontium isotope ratio（a,data from Mcarthur et al.,2001;b,this study）

第1階段（294～244.46 m）：膏巖鍶同位素比值整體下降，均值為0.708 028。由早期的灰黑色泥巖、含泥灰?guī)r沉積演變?yōu)楦鄮r的沉積，鍶同位素比值波動較大，表明為動蕩的沉積環(huán)境，沉積發(fā)生的大致時間為164～163.2 Ma。除底部泥質(zhì)灰?guī)r的鍶同位素異常外，整體顯示水體淡至咸，夏里組沉積的早期盆地處于海侵作用的晚期，氣候潮濕，降雨量較大，有陸源水的輸入，但對盆地蒸發(fā)巖成礦流體的影響很小，這一認識也得到了其他證據(jù)的支持，例如曾永耀等（2019）根據(jù)雁石坪地區(qū)夏里組中的環(huán)境代用指標分析認為夏里組下段為淡水環(huán)境，侏羅世全球海平面總體呈先上升、后下降，承接于布曲組最大海侵期。譚富文等（2015）根據(jù)對那底崗日地區(qū)夏里組REE、TOC等的含量拜變化，認為夏里組下段氣候相對濕潤；張灑等（2015）根據(jù)雁石坪地區(qū)夏里組CaCO3質(zhì)量分數(shù)和明度指標變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)夏里組下段CaCO3質(zhì)量分數(shù)值較低（平均值6.73%）、明度指標最?。ň?0 080.5），可見生物化石碎片，指示相對濕潤的古氣候。

第2階段（244.46～43.56 m）：鍶同位素比值較高，均值為0.708 374，整體波動不大，呈逐漸升高的趨勢。這一時期結(jié)合曾永耀等（2019）的古地磁年齡大致為163.5～160.4 Ma。來自陸源鍶的輸入穩(wěn)定，中-晚侏羅世北羌塘盆地北側(cè)和中央隆起地帶抬升，羌塘盆地持續(xù)海退，氣候變干，盆地出露的陸地面積增加，海平面趨于下降，對應(yīng)海平面相對低水位時期，受陸源水注入的影響較沉積的早期大。鍶同位素值較第1階段波動較小，水體達到咸水-超咸水環(huán)境（張玉修等，2006；曾永耀等，2015）。

第3階段（43.56～11.42 m）：鍶同位素比值降低，呈下降趨勢，波動較緩，與全球鍶同位素比值變化趨勢一致。這一時期(大致處于160.4～160.2 Ma)之后夏里組海平面最低，氣候干旱，中央隆起在中侏羅世時期構(gòu)造活動強烈，泛大陸裂解幔源鍶的補給造成鍶同位素比值偏低(蔚遠江等，2002；曾勝強等，2012；吳珍漢等，2019)。區(qū)域內(nèi)鍶同位素比值為0.708 225，與同時期海水的區(qū)間值相近，說明此時幔源鍶輸入的影響強于陸源水體，或陸源水體本身的影響已經(jīng)減弱。

需要注意的是，中-晚侏羅世全球鍶同位素數(shù)據(jù)庫目前積累的數(shù)據(jù)相對較少，盡管北羌塘盆地內(nèi)的蒸發(fā)巖發(fā)育，但是筆者研究的對象僅局限于龍尾湖附近鉆孔的巖芯樣品，未對全盆地進行取樣調(diào)查，因此，本研究對于相關(guān)研究僅引玉之磚，在豐富中晚侏羅世全球鍶同位素數(shù)據(jù)庫的同時，未來在探討羌塘盆地內(nèi)更大范圍蒸發(fā)巖的物質(zhì)來源、成礦機制、有利成礦區(qū)等方面還有很多工作可做。

5 結(jié)論

（1）膏巖和灰?guī)r鍶同位素比值區(qū)間為0.707 475～0.709 048，介于中新生代海水和陸源水之間。結(jié)合前人關(guān)于盆地的演化、地球化學(xué)、礦物特征等，得出該盆地內(nèi)蒸發(fā)巖成礦流體主要來自于海水，同時有陸源水的混入，且混入的陸源鍶造成了本區(qū)蒸發(fā)巖鍶同位素值偏高。

（2）鍶同位素演化曲線整體上呈先下降、后上升、再下降的趨勢，其演化曲線與已公布的同時期（164～160.2 Ma）全球鍶同位素曲線有較好的對比性。中-晚侏羅世北羌塘盆地的構(gòu)造活動，全球海平面的變化和侵蝕作用的強弱是控制本區(qū)夏里組鍶同位素演化曲線的主要因素，此外，中央隆起帶的活動，對蒸發(fā)巖鍶同位素組成也有一定的影響。