四川盆地西北部二疊系輝綠巖斷層破碎帶熱液鋯石特征及地質(zhì)意義

劉小洪, 陳珺朗, 馮明友*, 卓宜茜, 王委委, 尚俊鑫

四川盆地西北部二疊系輝綠巖斷層破碎帶熱液鋯石特征及地質(zhì)意義

劉小洪1, 2, 陳珺朗1, 馮明友1*, 卓宜茜1, 王委委1, 尚俊鑫1

(1. 西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 四川 成都 610500; 2. 天然氣地質(zhì)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610500)

四川盆地西北部廣元地區(qū)二疊系碳酸鹽巖地層被輝綠巖巖脈沿?cái)鄬忧秩氩l(fā)育斷層破碎帶。為明確廣元地區(qū)楊家?guī)r剖面中二疊統(tǒng)輝綠巖巖脈斷層破碎帶中熱液鋯石特征, 探討與鋯石形成有關(guān)的熱液活動性質(zhì)、來源及時(shí)限, 本文利用薄片觀察、掃描電鏡+陰極發(fā)光分析、LA-ICP-MS鋯石U-Pb同位素定年以及熒光分析等技術(shù)方法和手段開展綜合研究。結(jié)果表明: 熱液鋯石主要產(chǎn)出于輝綠巖脈斷層泥質(zhì)–角礫狀充填物中, 具典型熱液鋯石形態(tài)、結(jié)構(gòu)及微量元素特征; 鋯石206Pb/238U表面年齡為110～114 Ma, 加權(quán)平均年齡為112.0±0.9 Ma,說明燕山Ⅲ幕(早白堊世末期)構(gòu)造運(yùn)動及流體活動已影響到龍門山北段的川西北地區(qū)。攜帶SiO2等物質(zhì)、具較高溫度的深部熱液流體與烴類流體混合沿?cái)鄬訋нM(jìn)入二疊系, 除在斷層破碎帶中與Zr4+結(jié)合形成熱液鋯石外, 還形成部分次生溶孔; 對于封閉性較好的區(qū)域, 因壓力釋放及溫度降低, 過飽和SiO2迅速晶出并充填孔隙及裂縫, 使巖石孔隙度急劇降低; 晚期方解石的沉淀進(jìn)一步降低巖石的儲集空間, 嚴(yán)重影響儲層儲集性能。流體充填是造成川西北部廣元地區(qū)火山巖侵入體斷層破碎帶火山巖及圍巖致密化的重要原因。

四川盆地; 二疊系; 輝綠巖; 斷層破碎帶; 熱液鋯石

0 引 言

斷層帶通常由一系列復(fù)雜的斷層面和兩側(cè)破碎巖塊及破裂面組成(Davis and Reynolds, 1996)。其中, 斷層破碎帶由受斷層相關(guān)的破裂作用影響的巖體組成, 其層面及繼承性組構(gòu)多被保存(Blanpied et al., 1992; Faulkner et al., 2011)。在斷層破碎帶或斷裂帶內(nèi)可見地震活動過程中斷層面作用的產(chǎn)物——斷層泥、斷層角礫或假玄武質(zhì)玻璃, 它們的形成與斷裂發(fā)展過程和造山帶構(gòu)造演化過程關(guān)系緊密, 代表了特殊的構(gòu)造或古地震事件, 對它們年代的確定可為造山帶古地震或古斷裂的早期活動提供直接證據(jù)(Sherlock and Hetzel, 2001; 劉建民和董樹文, 2001; 劉建民等, 2004)。此外, 火山巖斷層破碎帶滲透性多因大范圍破裂作用而增強(qiáng), 明確火山巖斷層破碎帶時(shí)空轉(zhuǎn)換及滲透性結(jié)構(gòu)對探討地殼流體流動至關(guān)重要(Sibson, 1977, 1987; Curewitz and Karson, 1997; Nara et al., 2011; Mitchell and Faulkner, 2012)。

四川盆地西北部(川西北)廣元地區(qū)楊家?guī)r剖面是國內(nèi)外學(xué)者研究四川盆地西部二疊系–三疊系碳酸鹽巖地層層序格架、沉積相、白云巖儲層及二疊紀(jì)–三疊紀(jì)轉(zhuǎn)換期(PTB)火山事件的重點(diǎn)剖面。鐘怡江(2009)、何江等(2015)、梁寧等(2016)、王欣欣(2017)曾相繼就該剖面中二疊統(tǒng)茅口組–棲霞組、上二疊統(tǒng)吳家坪組–大隆組、下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組層序劃分、沉積微相及儲層發(fā)育特征等進(jìn)行過較為細(xì)致的分析。楊家?guī)r剖面茅口組中部(茅二段–茅三段)發(fā)育了近200 m厚沿?cái)鄬忧秩氲妮x綠巖巖脈, 推測其與上揚(yáng)子西緣大規(guī)模的峨眉山玄武巖同期同源, 但相關(guān)深入研究較少。與峨眉山地幔柱有關(guān)的巖漿活動對四川盆地西部晚二疊世–早三疊世的沉積過程產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響, 同時(shí)還可能影響區(qū)域生物環(huán)境及油氣成藏(張招崇, 2009; 朱傳慶等, 2010; 張廷山等, 2011; 李宏博和朱江, 2013; 何冰輝, 2016; 劉冉等, 2021)。近年來, 峨眉山大火山巖省(ELIP)活躍期的巖漿及后期熱液對棲霞組、茅口組碳酸鹽巖早期和晚期白云巖化作用的影響亦受到了廣泛關(guān)注, 部分學(xué)者認(rèn)為該期熱液對碳酸鹽巖儲層起到有效提升作用(董翼昕, 2020; 黎霆等, 2021)。此外, 廣元地區(qū)巖脈及后期熱液流體與峨眉山玄武巖噴發(fā)時(shí)間及來源的關(guān)系, 直接影響對川西北地區(qū)碳酸鹽巖儲層成因機(jī)理的剖析。

熱液鋯石研究為多期熱液活動對構(gòu)造–沉積格局及儲層影響提供依據(jù)(謝磊等, 2006)。本研究以出露于楊家?guī)r剖面茅口組中部的輝綠巖巖脈為主要研究對象, 在野外產(chǎn)狀、巖石學(xué)及礦物學(xué)特征研究基礎(chǔ)上, 對其斷層破碎帶中熱液鋯石U-Pb年齡開展研究, 并結(jié)合區(qū)域埋藏史及圍巖流體包裹體特征, 綜合分析與鋯石形成有關(guān)的熱液活動性質(zhì)、來源及時(shí)限, 探討該期構(gòu)造或熱液事件對圍巖的影響因素, 以期為川西北地區(qū)多期熱液流體對火山巖或碳酸鹽巖儲層的改造效應(yīng)提供部分支撐。

1 地質(zhì)概況

川西北地區(qū)處于上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺北部邊緣3個(gè)次級構(gòu)造帶的交會部位(圖1a), 該區(qū)構(gòu)造–沉積演化與揚(yáng)子板塊北緣及南秦嶺洋的活動密切相關(guān)。從大地構(gòu)造劃分來看, 研究區(qū)屬上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺北緣的龍門山山前斷褶構(gòu)造帶北段和米倉山臺緣斷褶帶西段。龍門山山前斷褶帶屬于上揚(yáng)子準(zhǔn)地臺向外圍槽區(qū)過渡的臺緣斷褶帶, 呈NE向展布, 大致以安縣–江油間NW向隱伏深斷裂為界將其分為南段和北段, 廣元地區(qū)屬龍門山山前斷褶帶北段。區(qū)內(nèi)斷褶構(gòu)造長期活動頻繁, 中二疊統(tǒng)棲霞組、茅口組及上二疊統(tǒng)吳家坪組為該區(qū)天然氣的主要產(chǎn)層, 下二疊統(tǒng)梁山組及中二疊統(tǒng)龍?zhí)督M為煤礦主要產(chǎn)層。

石炭紀(jì)末期, 四川盆地發(fā)生云南運(yùn)動, 在其形成的準(zhǔn)平原化地貌背景之上, 依次沉積了下二疊統(tǒng)梁山組海陸過渡相含煤泥頁巖、中二疊統(tǒng)棲霞組和茅口組以泥晶灰?guī)r、生物灰?guī)r及白云巖為主的海相碳酸鹽巖。中二疊統(tǒng)茅口組沉積末期, 發(fā)生了影響區(qū)域構(gòu)造格局的東吳運(yùn)動, 爆發(fā)了峨眉地裂運(yùn)動, 除近源堆積了巨厚的峨眉山玄武巖, 還在川西南大邑–眉山等周邊沉積了富含火山碎屑物質(zhì)的宣威組碎屑巖; 而川西北廣元–旺蒼一帶因地殼的均衡作用, 發(fā)生差異性拉張沉降事件, 形成拉張性海槽區(qū), 即廣旺海槽(王興志等, 2021)。東吳抬升運(yùn)動之后的海陸交互相–濱岸沼澤含煤建造及淺海碳酸鹽巖–硅質(zhì)巖建造, 主要沉積了龍?zhí)督M黏土質(zhì)頁巖及煤層、吳家坪組海相富含燧石團(tuán)塊(或條帶)石灰?guī)r夾少量凝灰?guī)r, 較深水區(qū)還沉積了深色硅質(zhì)灰?guī)r(何江等, 2015)。受東吳運(yùn)動影響, 盆地內(nèi)茅口組受到不同程度的剝蝕, 茅四段僅在川西南成都、樂山及川東豐都等地保留較全。

2 樣品采集與分析方法

楊家?guī)r剖面位于廣元市朝天區(qū)西北鄉(xiāng)烏木沱煤礦礦權(quán)區(qū)。區(qū)內(nèi)寒武系–三疊系發(fā)育完整, 露頭出露良好(圖1b、c)。本研究樣品主要采自楊家?guī)r剖面侵入于茅口組碳酸鹽巖地層中的輝綠巖巖脈及其斷層破碎帶, 共采集18個(gè)樣品磨制成薄片, 利用西南石油大學(xué)油氣地質(zhì)與勘探實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心Olympus BX53M透反射偏光顯微鏡完成鑒定工作; 并挑選不同位置5個(gè)樣品(4個(gè)輝綠巖樣品和1個(gè)斷層破碎帶樣品)開展巖石地球化學(xué)分析和鋯石分選。巖石樣品的破碎和鋯石分選均由河北省廊坊區(qū)域地質(zhì)調(diào)查研究所實(shí)驗(yàn)室完成, 其中4個(gè)輝綠巖樣品均未挑選出數(shù)量足夠且特征明顯的鋯石。巖石地球化學(xué)分析測試工作由澳實(shí)分析檢測(ALS Minerals-ALS Chemex) (廣州)有限公司完成, 主量元素測定采用MEXRF26d化驗(yàn)分析法, 即用偏硼酸鋰熔融、X熒光光譜分析, 共測試14種氧化物含量(其中Cr2O3<0.01%未列出)及燒失量, 檢測范圍為0.01%～100%, RSD=0.1%～1%,其中部分樣品含有S, 按30%灼燒分解SO3被CaO吸收, 計(jì)入加和; 微量元素測定采用ME-ICP61化驗(yàn)分析法, 用四酸消解, 等離子光譜分析檢測; 稀土元素測定采用ME-MS81化驗(yàn)分析法, 用硼酸鋰熔融, 等離子質(zhì)譜儀定量分析。

圖1 峨眉山大火山巖省分布(a; 據(jù)訾建威等, 2008; He et al, 2010)、地質(zhì)簡圖(b)及地質(zhì)剖面圖(c)

對斷層破碎帶中樣品進(jìn)行年代學(xué)分析。鋯石制靶、陰極發(fā)光以及LA-ICP-MS鋯石U-Pb年齡測定分析在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成。在雙目鏡下挑選出晶形較好、無明顯裂隙、無包裹體且透明度較好的具有代表性的鋯石, 將其粘在環(huán)氧樹脂上制成樣品靶, 然后磨光拋光至顆粒中心暴露。先在透射光和反射光下對樣品進(jìn)行照相, 然后在掃描電子顯微鏡下通過陰極發(fā)光(CL)圖像對鋯石的晶體形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行詳細(xì)研究, 以選擇合適的點(diǎn)進(jìn)行分析。用德國Microlas公司的Geolas200M激光剝蝕系統(tǒng)與Agilent 7500a ICP-MS聯(lián)機(jī)進(jìn)行測定, 激光束直徑為24 μm, 頻率為10 Hz, 剝蝕深度為20～40 μm, 鋯石年齡測定采用國際標(biāo)準(zhǔn)鋯石GJ-1、91500作外標(biāo), 元素含量采用NIST610為外標(biāo),29Si為內(nèi)標(biāo)。詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)原理及流程參考袁洪林等(2003)。年齡計(jì)算及諧和圖用Isoplot(ver.3)程序完成, 普通Pb由實(shí)測204Pb校正, 同位素比值和單個(gè)年齡誤差為1σ相對誤差, 由于樣品較為年輕,207Pb測定結(jié)果誤差較大, 因此采用206Pb/238U年齡, 其加權(quán)平均誤差為1σ。包裹體測溫采用德國THMSG600型冷熱臺, 測溫范圍為?196～600 ℃, 溫度精度為0.1 ℃,加熱和冷凍速率為0.1～150 ℃/min。

3 結(jié) 果

3.1 巖石學(xué)及礦物學(xué)特征

根據(jù)野外踏勘結(jié)果, 中二疊統(tǒng)茅口組巖性以薄–中層灰色含生物灰?guī)r及含燧石團(tuán)塊泥晶灰?guī)r為主, 成層性好(圖2a); 巖脈寬約30～50 m, 與茅口組(茅二段–茅三段)呈斷層–平行不整合接觸; 巖脈以輝綠巖為主, 新鮮面呈灰黑色, 具細(xì)粒結(jié)構(gòu)、斑狀結(jié)構(gòu), 塊狀構(gòu)造, 偶見氣孔–杏仁構(gòu)造(圍巖斷層接觸面附近)(圖2a); 巖石局部因斷層影響破碎明顯, 并因風(fēng)化而成褐黃色, 同時(shí)發(fā)育大量裂隙, 被后期方解石充填(圖2b); 局部可見輝綠巖被斷層貫穿, 斷面平直, 寬度約為40 cm, 其間被褐紅色泥狀–角礫狀破碎物質(zhì)及黑色瀝青充填(圖2c、d), 具有明顯的斷裂巖特征(鄭勇等, 2017), 該破碎帶也是本研究熱液鋯石的主要產(chǎn)出部位。熱液鋯石主要產(chǎn)出于巖體中部原輝綠巖因斷層發(fā)生破碎、固結(jié)成巖后的構(gòu)造角礫巖中, 角礫巖厚度薄, 主要呈褐紅色, 原巖泥化及角礫化明顯, 因鈣質(zhì)組分含量高而略顯白色, 可見黑色瀝青充填, 兩側(cè)為遭受不同程度斷層影響的輝綠巖(圖2c、d)。

根據(jù)室內(nèi)顯微鏡下的觀察, 輝綠巖脈樣品除少數(shù)具輝綠結(jié)構(gòu)外(圖2e), 均具明顯的斑狀結(jié)構(gòu), 斑晶含量在35%～60%之間, 粒徑0.5～3 mm, 多呈半自形–自形, 成分主要為基性斜長石、普通輝石及少量橄欖石; 基質(zhì)含量約40%～65%, 板條狀的基性斜長石格架中, 充填粒狀輝石、磁鐵礦及綠泥石等, 構(gòu)成間粒–間隱結(jié)構(gòu)(圖2f)。在靠近斷層面的部位, 巖石中斑晶及基質(zhì)礦物的破碎、蝕變現(xiàn)象明顯, 橄欖石、輝石等暗色礦物普遍蝕變?yōu)榫G泥石, 并進(jìn)一步被方解石交代, 同時(shí)發(fā)育少量氣孔, 后被石英、方解石等礦物充填(圖2g)。綜合野外產(chǎn)狀、薄片觀察的巖石學(xué)及礦物學(xué)特征, 楊家?guī)r剖面輝綠巖內(nèi)部結(jié)晶程度好, 邊緣結(jié)晶程度差, 隱晶質(zhì)–玻璃質(zhì)組分高且含少量氣孔, 在巖相上屬于超淺成侵入相。顯微鏡下, 構(gòu)造角礫巖主要由圓化的輝綠巖角礫以及斷層泥(黏土礦物)組成, 具部分定向構(gòu)造, 其間主要被亮晶方解石膠結(jié)(圖2h); 此外, 局部可見構(gòu)造角礫及斷層泥再破碎角礫, 其大小不一、棱角分明, 先后被石英膠結(jié)及方解石交代、充填(圖2i、j)。

3.2 地球化學(xué)特征

主量元素分析結(jié)果(表1)表明, 輝綠巖樣品(YJY-L1A、YJY-L4、YJY-L5、YJY-L7)的SiO2含量為49.44%～51.94%, 全堿含量(K2O+Na2O)為3.54%～4.53%, Al2O3含量為13.03%～13.26%, 與洋島拉斑玄武巖的平均Al2O3含量(13.21%; Clocchiatti et al., 1979)接近; Fe2O3T含量高(13.86%～15.20%)、MgO含量較低(3.44%～4.57%)、TiO2含量高(3.38%～3.87%), 屬于高鈦玄武質(zhì)巖石(Zhang and Wang, 2002)。微量、稀土元素分析結(jié)果(表1)表明, 所有輝綠巖樣品的稀土元素總量(∑REE)均較高, 為257.66～315.40 μg/g。

球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化稀土元素配分曲線(圖3a)表現(xiàn)為輕稀土元素(LREE)富集的右傾型分布模式, (La/Yb)N值為9.63～9.84, LREE富集特征明顯, 未見明顯的Eu異常(δEu=0.90～0.94), 與洋島玄武巖(OIB) 配分曲線一致, 樣品點(diǎn)均落入峨眉山高鈦玄武巖區(qū)域。在原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化微量元素蛛網(wǎng)圖(圖3b)中, 樣品呈現(xiàn)與OIB配分曲線相似的趨勢, 總體上Rb、Ba、Th、U等大離子親石元素(LILE)富集, Hf、Nb、Ta等高場強(qiáng)元素(HFSE)略微虧損, Sr元素則出現(xiàn)較明顯的負(fù)異常, 樣品點(diǎn)同樣落入峨眉山高鈦玄武巖區(qū)域。

斷層破碎帶樣品(YJY-L9)除CaO、MgO含量明顯較高外, 其余主量元素含量均比輝綠巖低, 同時(shí)因其方解石含量較高而具有較高的燒失量; 與輝綠巖具相似的微量及稀土元素分布特征, 但具更明顯的Ba、Sr、Ta、Nb以及Ti等負(fù)異常。

(a) 楊家?guī)r剖面輝綠巖與二疊系茅口組接觸關(guān)系; (b) 受斷層影響的輝綠巖, 破碎、風(fēng)化明顯, 方解石脈發(fā)育; (c)輝綠巖被斷層貫穿, 斷面平直, 褐紅色角礫狀–泥狀充填物充填; (d) 斷層充填物, 角礫化明顯, 白色鈣質(zhì)膠結(jié), 見黑色瀝青; (e) YJY-L1B, 單偏光, 未明顯蝕變的輝綠巖, 橄欖石及鈦鐵礦先形成, 輝石包裹自形程度較好的斜長石構(gòu)成輝綠結(jié)構(gòu); (f) YJY-L3, 單偏光, 具斑狀結(jié)構(gòu)、未明顯蝕變的輝綠巖, 斑晶主要為斜長石和普通輝石, 基質(zhì)斜長石雜亂分布, 其間為輝石、磁鐵礦、綠泥石等充填, 構(gòu)成間粒–間隱結(jié)構(gòu); (g) YJY-L9, 單偏光, 茜素紅染色, 巖石被裂縫貫穿, 輝石等暗色礦物被方解石交代, 裂縫被石英、方解石及瀝青充填, 見少量氣孔被石英充填; (h) YJY-L9, 單偏光, 茜素紅染色, 角礫狀–泥狀斷層充填物, 具定向性, 角礫圓化明顯, 其間被方解石膠結(jié); (i) YJY-L9, 單偏光, 茜素紅染色, 具隱爆特征的輝綠巖角礫, 部分角礫棱角分明, 先被硅質(zhì)膠結(jié), 后被方解石充填; (j) YJY-L9, 單偏光, 茜素紅染色, 方解石交代棱角狀角礫, 見角礫間不規(guī)則硅質(zhì)殘留。

表1 主量(%)、微量及稀土(μg/g)元素分析結(jié)果

注: δCe=2CeN/(LaN+PrN); δEu=2EuN/(SmN+GdN); N為球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化, 標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Boynton, 1984。

球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Boynton, 1984; 原始地幔標(biāo)準(zhǔn)化值據(jù)Sun and McDonough, 1989; 底圖據(jù)Zhang and Wang, 2002, 陰影部分為典型峨眉山高鈦玄武巖。

3.3 熱液鋯石特征及U-Pb年齡

斷層破碎帶樣品中的鋯石呈無色–淡黃色、粒狀–短柱狀, 長度為30～60 μm, 長寬比為1∶1～2∶1, 具自形且完好的晶形; 鋯石中多見固態(tài)及液態(tài)包裹體; 在CL圖像中鋯石呈灰白色–暗灰色, 大部分顆粒顯示內(nèi)部模糊無分帶、外部弱分帶或模糊分帶的結(jié)構(gòu)特征, 且內(nèi)部多見晶棱圓化現(xiàn)象(圖4a)。鋯石Th含量為11.2～452 μg/g、平均值為177 μg/g; U含量為67.8～863 μg/g, 平均值為482 μg/g; Th/U值為0.07～0.98, 平均值為0.41; 大部分(60%以上)鋯石的Th/U值介于0.1～0.4之間, Pb含量相對較高(表2), 顯示出熱液鋯石的微量元素特征(吳元保和鄭永飛, 2004; 畢詩健等, 2008)。

剔除繼承性鋯石以及個(gè)別不諧和年齡數(shù)據(jù)后, 鋯石的206Pb/238U年齡數(shù)據(jù)點(diǎn)集中分布在諧和線及其附近,206Pb/238U表面年齡在110～114 Ma之間(表2), 加權(quán)平均年齡為112.0±0.9 Ma (MSWD=0.37,=11; 圖4b、c), 明顯晚于鄰區(qū)輝綠巖的結(jié)晶年齡(表3), 代表了熱液鋯石的形成年齡。

(a) 紅色為不諧和年齡; 黃色為諧和年齡; S. 固態(tài)包裹體; L. 液態(tài)包裹體。

表2 LA-ICP-MS熱液鋯石U-Pb年齡測定結(jié)果

續(xù)表2:

表3 龍門山北段輝綠巖年齡統(tǒng)計(jì)

注: 由序號1至6, 采樣區(qū)離楊家?guī)r剖面距離由近至遠(yuǎn), 離峨眉山噴發(fā)中心越近。

4 討 論

4.1 輝綠巖形成時(shí)代

本研究在對廣元地區(qū)楊家?guī)r剖面輝綠巖脈詳細(xì)的野外地質(zhì)考察基礎(chǔ)上, 采集了剖面中不同位置、不同產(chǎn)狀的巖樣完成鋯石單礦物挑選, 以期通過鋯石U-Pb年齡測試獲得有關(guān)該巖體形成年齡的可靠信息。但可能由于巖石本身SiO2不飽和、侵入深度淺及冷凝結(jié)晶時(shí)間短等問題(宮江華等, 2020), 除部分繼承性鋯石外, 并未獲取到典型巖漿鋯石顆粒及有效年齡信息。前人曾針對川西北地區(qū)輝綠巖巖脈的出露地層及形成年齡開展過研究(圖1a, 表3)。例如, 沈淑鑫等(2018)在距楊家?guī)r剖面西南直線距離約70 km的四川龍門山北段唐王寨–仰天窩向斜麻柳村侵入于中泥盆統(tǒng)的輝綠巖斜鋯石中測得了261.1±1.8 Ma的巖體形成年齡, 楊家?guī)r剖面輝綠巖與該套輝綠巖處于同一構(gòu)造單元中, 二者在巖石地球化學(xué)特征上與高鈦型峨眉山玄武巖具高度一致性(大部分樣品TiO2>3%、Ti/Y>500, 類似的微量元素和稀土元素配分模式等; 沈淑鑫等, 2018), 表明二者均是峨眉山玄武質(zhì)巖漿活動同時(shí)期的產(chǎn)物。

此外, 在距離楊家?guī)r剖面1 km直線距離內(nèi)的上二疊統(tǒng)吳家坪組還發(fā)育兩層(5 cm和30 cm)火山凝灰?guī)r, 張晗等(2020)根據(jù)LA-ICP-MS鋯石U-Pb定年法測出諧和年齡為260.1±2.8 Ma, 并指出凝灰?guī)r的形成與峨眉山大火成巖省酸性火山活動(峨眉山火山序列最頂部)有關(guān)。綜合上述研究認(rèn)為, 楊家?guī)r剖面侵入于茅口組灰?guī)r地層中的輝綠巖巖脈與吳家坪組凝灰?guī)r對應(yīng)于峨眉山大火山巖省旋回中的上部高Ti、頂部酸性部分(張晗等, 2020), 輝綠巖形成年齡與峨眉山玄武巖大規(guī)模噴發(fā)年齡一致。

4.2 鋯石成因及熱液來源

本研究鋯石產(chǎn)出的斷層破碎帶原巖為侵入于茅口組中的輝綠巖脈, 二者具有一致的微量、稀土元素分布特征, 且破碎帶樣品中具更明顯的Ba、Sr、Ta、Nb等負(fù)異常, 顯示出熱流體對原巖的改造作用。

吳元保和鄭永飛(2004)研究認(rèn)為, 巖漿鋯石的Th/U值一般大于0.4, 變質(zhì)鋯石的Th/U值一般小于0.1。本研究樣品中大部分(60%以上)鋯石的Th/U值介于0.1～0.4之間, 與巖漿鋯石、變質(zhì)鋯石均不相符。由于鋯石U、Th含量影響因素眾多, 在各類型鋯石中的變化范圍均較大, 不能僅根據(jù)鋯石的Th/U值來區(qū)分鋯石類型(Hoskin, 2005); 且環(huán)帶或非環(huán)帶鋯石晶體都可被認(rèn)為是熱液成因, 形態(tài)學(xué)亦不構(gòu)成其關(guān)鍵判識標(biāo)準(zhǔn)。因此, 判斷熱液鋯石的最佳方法為: ①是否出現(xiàn)在低SiO2含量巖石、熱液石英或碳酸鹽巖中; ②有無其他熱液礦物或流體包裹體、熱液礦物包裹體的存在; ③可參考一些地球化學(xué)指標(biāo), 如普通Pb含量等(吳元保和鄭永飛, 2004; Schaltegger, 2007; 畢詩健等, 2008; 俞軍真等, 2020)。

反應(yīng)式ZrO2+SiO2→ZrSiO4大致可描述鋯石的形成過程, 即流體中ZrO2及SiO2同時(shí)過飽和是鋯石結(jié)晶的必要條件(羅照華等, 2006)。本研究鋯石賦存巖石中的大部分礦物為后期沿?cái)鄬舆M(jìn)入并沉淀結(jié)晶的石英及方解石, 按鋯石產(chǎn)出類型劃分屬于脈體中結(jié)晶的鋯石(吳元保和鄭永飛, 2004; 俞軍真等, 2020)。脈體中結(jié)晶的鋯石有充分的流體物質(zhì)來源和較好的自由生長環(huán)境, 通常具有規(guī)則的外形, 少有殘留核以及無分帶到明顯的面狀分帶或振蕩分帶特征。雖然本研究未進(jìn)一步測試鋯石的稀土元素含量, 但據(jù)其明顯與流體活動過程相關(guān)的脈體產(chǎn)出特征、包裹體豐富(圖4a)、較高的普通Pb含量等(吳元保和鄭永飛, 2004; Schaltegger, 2007;畢詩健等, 2008; 俞軍真等, 2020), 將其劃分為熱液鋯石。

廣元地區(qū)楊家?guī)r剖面輝綠巖及茅口組圍巖中常見以杏仁體、晶洞充填物以及脈體形式產(chǎn)出的晶粒大小不等的石英(圖5a～c), 其斷層破碎帶構(gòu)造角礫巖中也見二次破碎(具隱爆特征)的角礫被石英充填的現(xiàn)象(圖2i、j)。熱液鋯石的形成極大可能與深部含硅熱液流體沿?cái)鄬悠扑閹У淖⑷胗嘘P(guān), 此時(shí), 流體中存在足夠的SiO2, 具備形成鋯石的能力(羅照華等, 2006); 而熱液體系的減壓擴(kuò)容、流體的沸騰和去氣作用等使狹小的空間中引發(fā)局部的隱爆, 導(dǎo)致充填物的再次角礫化及石英的沉淀(唐菊興, 1995; Feng et al., 2019)。根據(jù)顯微鏡下薄片詳細(xì)觀察, 輝綠巖局部發(fā)育的晶洞邊緣依次發(fā)育微晶石英、纖維狀玉髓及細(xì)–中晶石英(圖5b), 而原生流體包裹體欠發(fā)育, 暗示相對封閉體系及中、低溫?zé)嵋簵l件下高濃度SiO2快速沉淀(劉小洪等, 2021)。

4.3 地質(zhì)意義

熱液鋯石年齡(112.02±0.90 Ma)結(jié)果指示其形成于早白堊世末期, 結(jié)合前人區(qū)域構(gòu)造系統(tǒng)分析結(jié)果(董樹文等, 2007; 何治亮等, 2011), 該起熱事件屬于燕山Ⅲ幕構(gòu)造運(yùn)動對龍門山地區(qū)的影響。四川盆地西部燕山期中酸性巖漿活動強(qiáng)烈, 表現(xiàn)出多期次特點(diǎn)。其中, 燕山Ⅲ幕發(fā)生于早白堊世末期–晚白堊世初期, 具體表現(xiàn)為地層間的平行不整合與微角度不整合接觸, 其影響范圍有限, 在龍門山南段與川南地區(qū)表現(xiàn)較為明顯(何治亮等, 2011)。本研究斷層破碎帶中熱液鋯石的發(fā)現(xiàn), 說明燕山Ⅲ幕構(gòu)造運(yùn)動可能已影響到龍門山北段(川西北地區(qū))。此外, 本研究測年結(jié)果與劉樹根等(2001)指出的龍門山逆沖推覆構(gòu)造帶在距今110±1 Ma左右的構(gòu)造事件相吻合, 該期構(gòu)造推覆變形事件引起了較強(qiáng)的巖漿作用和變質(zhì)作用, 并產(chǎn)生了由北向南遞進(jìn)式的左旋剪切走滑作用。由此看來, 燕山Ⅲ幕推覆擠壓構(gòu)造運(yùn)動及其伴生流體活動對龍門山北段乃至米倉山一帶均有較大影響。

楊家?guī)r剖面輝綠巖為超淺成侵入相(侵入深度小于500 m), 結(jié)合埋藏史及熱演化史模擬結(jié)果, 川西北地區(qū)輝綠巖的形成時(shí)間與峨眉山玄武巖大規(guī)模噴發(fā)時(shí)間接近, 是峨眉山地幔柱活動的部分產(chǎn)物(圖5d、6a)。此外, 白堊紀(jì)亦是川西北地區(qū)下志留統(tǒng)、下二疊統(tǒng)烴源巖氣態(tài)烴大量形成的時(shí)間(圖5d)。對茅口組圍巖方解石脈進(jìn)行流體包裹體研究時(shí), 發(fā)現(xiàn)了大量烴類包裹體及含烴氣–液兩相包裹體(圖5c～h), 并獲得了60～80 ℃、120～140 ℃、>200 ℃三期流體包裹體均一溫度, 以及超過?30 ℃的冰點(diǎn)溫度; 此外, 方解石脈中均一溫度低的包裹體熒光發(fā)光較強(qiáng), 而均一溫度高的包裹體總體熒光發(fā)光較弱, 說明烴源巖成熟期釋放的氣態(tài)烴混合了深部熱液流體并共同對二疊系儲層的孔隙演化及油氣保存產(chǎn)生了影響。一方面, 攜帶SiO2等物質(zhì)、具較高溫度的深部熱液流體沿?cái)鄬訋нM(jìn)入二疊系(圖6b), 與Zr4+結(jié)合形成熱液鋯石, 熱液與含氣態(tài)烴流體的混合加速了不穩(wěn)定礦物的溶解, 溶解作用形成的部分次生溶孔在一定程度上改善了儲層儲集性能, 同時(shí)深部熱液加速了烴類裂解并于孔洞邊緣沉淀出瀝青; 另一方面, 在封閉性較好的區(qū)域, 由于壓力釋放及溫度降低, 過飽和的SiO2迅速晶出并充填孔隙及裂縫, 使巖石孔隙度急劇降低。隨著成巖環(huán)境的轉(zhuǎn)變, 晚期方解石的沉淀進(jìn)一步降低了巖石的儲集空間, 從而導(dǎo)致儲層致密化明顯(圖6c)。Bons and Milligen (2001)指出在脆韌性地殼應(yīng)力場約2～3 kPa及200～350 ℃條件下, 同構(gòu)造期或構(gòu)造后期富硅流體可快速運(yùn)移, 硅質(zhì)熱液溶解度隨溫度下降快速降低而沉淀, 并優(yōu)先在脆–韌性轉(zhuǎn)折區(qū)等形成石英脈體或充填物, 而后才形成方解石膠結(jié)物。然而, 區(qū)內(nèi)火山巖侵入體斷層破碎帶多因流體充填而導(dǎo)致滲透性明顯降低, 這與碳酸鹽巖斷層破碎帶因巖石顆粒旋轉(zhuǎn)和破碎——有利于流體通過斷層巖體運(yùn)移及斷層帶具有較高的滲透率分區(qū)性(Billi et al., 2003)——有較大差異; 且就巖漿作用、深部熱液對巖漿巖及二疊系碳酸鹽巖的對比作用來看, 深部熱液流體對碳酸鹽巖圍巖的改造可能更明顯。

(a) 輝綠巖中部石英晶洞及石英脈; (b) 輝綠巖晶洞中充填粒度不等的石英, 正交偏光; (c) 茅口組泥晶灰?guī)r圍巖中方解石脈; (d) 區(qū)域埋藏史圖(河深1井); (e～f) 茅口組圍巖方解石脈中流體包裹體, 包裹體溫度低, 發(fā)光較強(qiáng), 單偏光/熒光; (g～h) 茅口組圍巖中方解石脈流體包裹體, 包裹體溫度高, 發(fā)光較弱, 單偏光/熒光。

5 結(jié) 論

(1) 廣元地區(qū)楊家?guī)r剖面輝綠巖斷層破碎帶泥質(zhì)–角礫狀充填物中的鋯石具典型熱液鋯石形態(tài)、結(jié)構(gòu)及微量元素特征, 其206Pb/238U表面年齡為110～114 Ma, 加權(quán)平均年齡為112.0±0.9 Ma, 指示早白堊世末期燕山Ⅲ幕構(gòu)造運(yùn)動及流體活動已明顯影響到龍門山北段。

(2) 熱液鋯石為攜帶SiO2、具較高溫度的深部熱液流體與烴類流體混合并沿?cái)鄬訋нM(jìn)入二疊系所致。斷層破碎帶中雖因酸性流體改造見少量次生溶孔, 但多數(shù)石英、瀝青及晚期方解石充填孔縫后導(dǎo)致地層致密化嚴(yán)重。

圖6 斷層破碎帶中熱液鋯石發(fā)育及形成模式圖

致謝:感謝西北大學(xué)羅靜蘭教授和李紅副教授提出寶貴修改意見。

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Characteristics and implications of hydrothermal zircon in a fault damage zone from the Permian diabase vein in Northwestern Sichuan, Southwestern China

LIU Xiaohong1, 2, CHEN Junlang1, FENG Mingyou1*, ZHUO Yiqian1, WANG Weiwei1, SHANG Junxin1

(1. School of Geoscience and Technology, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan, China; 2. Sichuan Provincial Key Laboratory of Natural Gas Geology, Chengdu 610500, Sichuan, China)

Hydrothermal zircons within fault damage zones filled with diabase veins in the Lower Permian Maokou Formation have been identified in the Guangyuan area (northwestern Sichuan, Southwestern China). This study elucidates the features, origin, and timing of the zircons in the fault damage zone through a combination of petrographic descriptions, coupled with SEM, cathodoluminescence, fluid inclusion, geochemical, LA-ICP-MS isotopic data of the zircon, and evidence from burial history. The zircons exhibit similar characteristics in terms of type, texture, and trace elements to typical hydrothermal zircons, primarily occurring in the fault gouge and fault breccia. The obtained apparent and weighted mean207Pb/206Pb ages of 110 Ma to 114 Ma and 112.0±0.9 Ma suggest a significant influence of the Yanshanian Episode Ⅲ tectonic movement (Late Early Cretaceous) and fluid events on the Northern Longmen Mountains (NorthwesternSichuan Basin). The study reveals that deep hydrothermal fluid, characterized by high temperature and enriched in SiO2, mixed with hydrocarbon fluid, was injected into the Permian strata along the fault zone. This process led to the formation of hydrothermal zircon containing Zr4+in the fault damage zone, accompanied by the creation of partial secondary dissolved pores. In the sealing areas, supersaturated SiO2precipitated rapidly and filled the pores and fractures due to pressure release and temperature reduction. This resulted in a substantial decrease in porosity, leading to a dramatic reduction in rock reservoir space and, consequently, a significant densification of the reservoir performance.

Sichuan basin; Permian; diabase; fault damage zone; hydrothermal zircon

P588.245; P597.2

A

0379-1726(2023)06-0746-13

10.19700/j.0379-1726.2023.06.009

2021-11-30;

2022-07-10

國家科技重大專項(xiàng)(2016ZX05007004-001)、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41202109)和四川省創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(S202010615134)聯(lián)合資助。

劉小洪(1980–), 女, 副教授, 主要從事儲層成巖作用研究。E-mail: liuxiaohong_swpu@163.com

馮明友(1981–), 男, 副教授, 主要從事儲層地質(zhì)學(xué)研究。E-mail: fmyswpu@163.com