四川盆地東部地區(qū)早中三疊世蒸發(fā)巖的鍶同位素特征及其地質(zhì)意義

丁 婷 ,袁 苗,劉成林 ,趙艷軍 ,朱志軍,楊慶坤,5

(1． 東華理工大學 地球科學學院, 江西 南昌 330013; 2．中國地質(zhì)調(diào)查局 烏魯木齊自然資源綜合調(diào)查中心, 新疆 烏魯木齊 830057; 3. 中國地質(zhì)大學(武漢), 湖北 武漢 430074; 4. 中國地質(zhì)科學院 礦產(chǎn)資源研究所, 自然資源部成礦作用與資源評價重點實驗室, 北京 100037; 5. 青海民族大學 旅游學院, 青海 西寧 810007)

鍶元素在古海洋的研究中扮演著重要的角色(Wickman, 1948)。由于鍶元素在海水中的殘留時間長(約為106a),遠遠大于海水的混合時間(約為103a),所以在同一個時代,全球范圍內(nèi)鍶的含量不存在區(qū)域差異,是均一的,鍶同位素在地質(zhì)歷史時期的變化只與時間這一因素相關(guān)(Mcarthuretal., 2004; 沈立建等, 2021)。

鍶同位素組成是海平面變化的靈敏指示劑(黃思靜等, 2005, 2011; 胡作維等, 2008; Tripathiliuetal., 2013)。海水中的鍶有兩個主要的來源:殼源和幔源。大陸古老的風化殼提供了殼源的鍶,這種殼源鍶的87Sr/86Sr全球平均值為0.711 9(Palmer and Edmond, 1989),而幔源的鍶同位素則由大洋中脊的熱液提供,87Sr/86Sr的全球平均值為0.703 5(Palmer and Elderfield, 1985)。因來自于風化殼的87Sr/86Sr值比來自于幔源的87Sr/86Sr值要高,因此當87Sr/86Sr值增高時,則說明來自于大陸風化殼的物源增多,從而推斷出當時海平面降低;相反當87Sr/86Sr值較低時,則說明地殼活動強烈(如全球構(gòu)造活動、造山運動等),導致來自幔源的物質(zhì)來源增多,從而推斷當時海平面升高。因此,海相碳酸鹽巖、硫酸鹽巖等一些內(nèi)源沉積物的鍶同位素可以用來研究海平面的變化,進而還可以用來研究海水成分的變化(Clocchiattietal., 1994; Allègreetal., 1996; Denisonetal., 1998; Kato and Billinghurst, 1999)。

Verizer等(1999)分析了全球顯生宙海相碳酸鹽巖樣品鍶同位素的變化特征,發(fā)現(xiàn)三疊紀海相碳酸鹽的鍶同位素特征變化非常劇烈,在二疊紀末—早三疊世87Sr/86Sr值呈急劇上升趨勢,早三疊世末到中三疊世早期,海水的87Sr/86Sr值則出現(xiàn)下降的趨勢,這是因為在早三疊世晚期,生態(tài)得到了恢復,風化作用減小,同時全球發(fā)生了大量的地殼活動所致。而在中三疊世中期—晚三疊世早期,鍶同位素特征則相對來說比較穩(wěn)定,晚三疊世中期以后又出現(xiàn)了87Sr/86Sr值的增加。Warren(2010)、劉成林等(2016)通過對含鹽沉積巖的鍶同位素分析,判斷蒸發(fā)巖沉積的流體來源及其沉積環(huán)境的變化特征。劉超飛等(2015)獲得的川東地區(qū)海相碳酸鹽巖的鍶同位素演化曲線顯示與全球鍶同位素演化曲線一致,呈現(xiàn)上升的趨勢,開始上升速率較慢,后來急劇上升,在早中三疊世分界處達到了最大值。

四川盆地海相三疊系一直都是中國找鉀的重要層位(林耀庭, 1994)。長期以來,由于石油、天然氣、富鉀鹵水礦、石膏、雜鹵石和鹽礦等資源的勘探開發(fā),前人對四川盆地三疊系成鹽條件進行了大量工作,取得了較深入的認識,從蒸發(fā)巖的生成模式和成鹽機理(蔡克勤等, 1986; 林耀庭, 1994, 1995, 2003, 2009; 黃建國, 1998; 陳莉瓊等, 2010; 李凌等, 2012)、古地理古環(huán)境(林耀庭等, 2005; 郭旭升, 2010)、鹽盆地的分布(黃東等, 2013)、巖系剖面地球化學特征(胡作維等, 2007)、鹽類礦物組合(廖林志等, 1984; 陳繼洲, 1990)、鹽鹵水文地球化學特征及富鉀鹵水成因(林耀庭等, 1996, 2002, 2004; 李亞文等, 1998)等方面進行了分析,認為三疊系鹽盆的形成環(huán)境為淺水蒸發(fā)成鹽。作為中國重要的找鉀盆地之一(蔡克勤等, 1986; 林耀庭,1994, 1995; 趙艷軍等, 2015; 丁婷, 2017; 朱正杰等, 2021),四川盆地蒸發(fā)巖鍶同位素的研究及其缺乏,大多都把重點放在碳酸鹽巖的鍶同位素研究上(黃思靜等, 2006; 劉超飛等, 2015),鑒于此,本文重點對蒸發(fā)巖特別是硫酸鹽(硬石膏)巖和石鹽巖的鍶同位素進行研究,從這一角度對四川盆地成鉀條件進行分析和判斷。

1 地質(zhì)背景

四川盆地位于揚子地塊的西部(圖1),西以青藏高原東緣的松潘-甘孜褶皺帶和龍門山?jīng)_斷帶為界,北以秦嶺造山帶南緣的米倉山穹隆和大巴山?jīng)_斷帶為界,東側(cè)為華南造山帶外緣的雪峰隆起和黔渝湘鄂褶皺帶,它是上揚子準地臺內(nèi)通過北東向及北西向交叉的深斷裂活動形成的菱形構(gòu)造-沉積盆地(翟光明, 1989; 林良彪等, 2007; 孟昱璋, 2011),下中三疊統(tǒng)的蒸發(fā)沉積作用就在這個斷拗式構(gòu)造盆地中進行(林耀庭等, 2002)。

圖1 四川盆地所處大地構(gòu)造位置(孟昱璋, 2011)Fig. 1 The tectonic location of the Sichuan Basin (Meng Yuzhang, 2011)

四川盆地含鹽地層主要出露于中下三疊統(tǒng)(朱正杰等, 2021)。下三疊統(tǒng)下部為飛仙關(guān)組(T1f),上部為嘉陵江組(T1j)。早三疊世初,整個四川盆地遭受海侵,飛仙關(guān)組為紫紅色泥頁巖夾泥灰?guī)r、灰?guī)r、鮞?；?guī)r,屬于濱淺海相沉積環(huán)境,不發(fā)育含鹽層。嘉陵江組可分為5段: 嘉一段(T1j1)為大套灰-深灰色泥細粉晶灰?guī)r,夾少量泥灰?guī)r、薄層灰白色石膏;嘉二段(T1j2)以灰-深灰色白云巖、硬石膏、含膏鹽巖、膏質(zhì)云巖、泥質(zhì)云巖為主;嘉三段(T1j3)以碳酸鹽巖為主,為灰?guī)r夾白云質(zhì)灰?guī)r,間或發(fā)育白云巖和硬石膏層;嘉四段(T1j4)以厚層硬石膏、鹽巖、膏質(zhì)云巖、灰?guī)r、灰色白云巖、膏質(zhì)云巖為主,部分層位見有菱鎂礦和雜鹵石;嘉五段(T1j5)下部以灰色泥細粉晶灰?guī)r、鮞粒灰?guī)r夾硬石膏層為主,上部為硬石膏、鹽巖、膏質(zhì)云巖(龔大興等, 2015)。

2 樣品采集及測試方法

本次研究的三疊系碳酸鹽巖樣品共有24個,主要來自于四川盆地東部的重慶合川剖面、四川華鎣山/領水縣的仰天窩剖面、重慶韭菜坡剖面、重慶石柱剖面、重慶云陽剖面(圖2)。采樣時,考慮到干擾因素對測試結(jié)果的影響,只采取無后期蝕變、無方解石脈充填、無破碎現(xiàn)象的新鮮巖石。樣品控制層位為飛仙關(guān)組、嘉陵江組和雷口坡組(在云陽和石柱地區(qū)中三疊統(tǒng)為巴東組)。硫酸鹽巖樣品主要來自于重慶忠縣ZK01井(圖3b),石鹽巖樣品主要來自重慶的長平3井(圖3a)。

本次碳酸鹽巖樣品的鍶同位素分析測試主要在中國科學院廣州地球化學研究所完成,硫酸鹽巖和石鹽巖樣品的鍶同位素分析在澳大利亞昆士蘭大學完成。鍶同位素分析流程主要是加1 mL的2 mol/L的HNO3將樣品溶解后蒸干,再用HNO3和HF將樣品粉末溶解,用AG-50W-8X柱分離出Sr蒸干后稀釋,在TheroFisher 公司的Nepture Plus 型的MC-ICP-MS上測試,測試采用NBS987的國際標準。

3 鍶同位素分析結(jié)果

3.1 碳酸鹽巖鍶同位素特征

碳酸鹽巖樣品的鍶同位素分析數(shù)據(jù)見表1。由表1可見,早中三疊世碳酸鹽巖樣品的87Sr/86Sr值分布范圍為0.707 413～0.708 515,平均值為0.707 895,其中小于等于0.707 5的樣品有7個,占整個樣品數(shù)的29%; 0.707 5～0.708 0的樣品數(shù)有5個,占整個樣品數(shù)的21%; 0.708 0～0.708 5的樣品數(shù)有11個,占46%;大于0.708 5的樣品數(shù)的1個,占整個樣品的4%。

表1 早中三疊世碳酸鹽巖樣品的鍶同位素分析數(shù)據(jù)Table 1 Strontium isotopes of the carbonate rocks of the Early and Middle Triassic

不同層位樣品的87Sr/86Sr值也不同。從圖4可以看出,飛仙關(guān)組的87Sr/86Sr值最低,最小值為0.707 413,最大值為0.707 492,平均值為0.707 453;嘉陵江組的87Sr/86Sr最大值為0.708 314,最小值則為0.707 435,平均值為0.707 943;雷口坡組的87Sr/86Sr值的最小值為0.708 048,最大值為0.708 515,平均值為0.708 268。總體看來,從早三疊世到中三疊世早期,鍶同位素呈快速增長的趨勢,并隨后下降。

圖4 碳酸鹽巖的鍶同位素值在早中三疊世的分布圖Fig. 4 Strontium isotopes diagram of carbonate rocks in Early and Middle Triassic

3.2 硫酸鹽巖鍶同位素特征

硫酸鹽巖(硬石膏巖)樣品來自重慶忠縣的ZK01井,主要層位為中三疊統(tǒng)巴東組?？偣矞y了76個樣,其中有3個灰?guī)r樣品,73個硬石膏巖樣品, 它們的87Sr/86Sr值比較穩(wěn)定,最大值為0.708 307,最小值為0.708 149,平均值為0.708 174(表2)。

表2 ZK01井硫酸鹽巖樣品的鍶同位素分析數(shù)據(jù)Table 2 The strontium isotopes of the sulfate rocks in ZK01

3.3 石鹽巖鍶同位素特征

石鹽巖樣品主要來自于重慶長壽的長平三井嘉陵江組四亞段橘紅色石鹽巖,屬于強氧化環(huán)境下形成的石鹽。它們的87Sr/86Sr最小值為0.708 151,最大值為0.708 257,平均值為0.708 177(表3)。

表3 長平3井石鹽巖樣品的鍶同位素分析數(shù)據(jù)Table 3 Strontium isotopes of the halite rocks in well CP3

4 討論

從圖4可以看出碳酸鹽巖的87Sr/86Sr值從飛仙關(guān)組期到雷口坡組期呈現(xiàn)一個逐漸增加的趨勢,這與公布的全球三疊系鍶同位素值(Verizeretal., 1999)有一定的一致性,即從二疊紀末到早三疊世末87Sr/86Sr值是逐漸增大的,到早三疊世末達到最大值,而中三疊世開始下降。前人(Verizeretal., 1999)認為在早三疊世末期達到最大值的這種現(xiàn)象與火山活動有關(guān),上揚子板塊上下三疊統(tǒng)廣泛分布的綠豆巖(即水云母質(zhì)粘土巖)證明其時本區(qū)與世界其他地區(qū)一樣,火山活動比較頻繁。

從圖5中可以看出,隨著深度的增加,硬石膏巖的87Sr/86Sr值不斷變小,即從嘉陵江組到雷口坡組該值不斷變小,這與全球三疊系和前文論述的碳酸鹽巖的鍶同位素組成從嘉陵江組到雷口坡組數(shù)值不斷變小趨勢是一致的。在本區(qū)鉆孔內(nèi)早中三疊世分界線附近有綠豆巖分布,而綠豆巖為噴發(fā)的酸性火山物質(zhì)經(jīng)過大氣搬運、降落及蝕變而成(劉寶珺, 1981; 余子昭, 1992; 朱立軍, 1995; 陳忠等, 1999),主要含有石英、長石和黏土礦物,其中黏土礦物成分主要是伊蒙混層,少量為伊利石(謝韜等, 2013; 孫艷等, 2017; 馬圣鈔等, 2019; 王寧祖等, 2019; 蘆云飛等, 2020)或鋰綠磷石-蒙脫石無序混合礦物(湯志凱, 1996)。這也說明在早三疊世鍶的來源主要是殼源,而在早三疊世末期由于火山活動的影響,鍶同位素的來源主要是幔源。

圖5 忠縣ZK01井硬石膏巖樣品的87Sr/86Sr值分布圖Fig. 5 Strontium isotope distribution of anhydrite rocksin well ZK01

圖6中長平3井石鹽巖的層位為嘉陵江組四亞段。從圖6中可以看出,隨著深度的增加,87Sr/86Sr值總體上是增大的,在沉積前期整個87Sr/86Sr值偏大,后期則偏小。

圖6 長平3井石鹽巖的87Sr/86Sr值分布圖Fig. 6 Strontium isotope distribution of halite rocks in well CP3

綜上所述,四川盆地東部地區(qū)碳酸鹽巖的87Sr/86Sr值最小,硫酸鹽巖其次,而石鹽巖的87Sr/86Sr值最高。這3種巖石類型的87Sr/86Sr值都與已公布的其他地區(qū)三疊紀的87Sr/86Sr值(Verizeretal., 1999; 黃思靜等, 2005, 2011; 胡作維等, 2008; Tripathiliuetal., 2013)基本一致,趨勢一致。同時比較碳酸鹽巖、硫酸鹽巖、石鹽巖,鍶同位素隨著蒸發(fā)濃縮,其87Sr/86Sr值相應地增加,這符合同位素的分餾規(guī)律。此地區(qū)在早中三疊世處在一個高溫地區(qū),同位素分餾明顯。

早三疊世飛仙關(guān)組87Sr/86Sr值比較低,是因為在這一時期,生物處在一個生物復原期,全球古陸缺乏植被的保護、侵蝕作用和風化速率加快等(Korteetal., 2006; Sunetal., 2016),全球古陸的強烈侵蝕作用造成殼源放射性成因鍶的增加,是全球海水鍶同位素快速急劇上升的主要控制因素,而在早三疊世末達到了最大值。其后該值下降的速率快,這也證明當時在四川盆地早中三疊世時期有很頻繁的火山活動,這與綠豆巖的出露相對應。

本次研究中碳酸鹽巖、硫酸鹽巖和石鹽巖的鍶同位素特征表明,四川盆地早中三疊世的成鉀物質(zhì)來源大部分為海水,沉積于海相的沉積環(huán)境,同時由于火山作用造成的溫室效應也為鉀鹽沉積提供了氣候條件。

5 結(jié)論

四川盆地早中三疊世蒸發(fā)巖的87Sr/86Sr值與世界其他地區(qū)的三疊紀蒸發(fā)巖的87Sr/86Sr值基本一致,基本上在早三疊世數(shù)值比較低,然后急劇上升,在早三疊世末達到最大值。這與世界上其他地區(qū)的鍶同位素特征有著很強的一致性。四川盆地早中三疊世鉀鹽的物質(zhì)來源主要是海水,同時火山作用也提供了部分的物質(zhì)來源,成鉀環(huán)境為海相沉積環(huán)境。

致謝感謝北京西城區(qū)辦公室汪明泉博士在樣品收集和實驗過程中給予的幫助,感謝百色學院朱正杰教授在采樣過程中給予的幫助,審稿專家提出了建設性修改意見,在此一并表示謝意。