云南会泽石炭系摆佐组白云岩地球化学特征及其成因分析①

马宏杰 张世涛 程先锋 眭素刚，4

(1.浙江省地质调查院 杭州 311203;2.昆明理工大学 昆明 650093;3.云南国土资源职业学院 昆明 650217;4.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院 昆明 650224)

白云岩成因一直以来都是沉积学领域经久不衰的话题，也是现代沉积岩石学研究的前缘和热点问题［1～6］，从国内外研究成果来看，白云岩根据成岩阶段的特征可将其划分为原生白云岩、同生白云岩、成岩白云岩和后生白云岩四种类型，白云岩化作用可能存在渗透回流、混合水、埋藏以及蒸发作用等多种类型，但目前全球对白云岩成因机制还存在各种不同的认识和观点［7～11］。随着各种新方法和新手段的不断增加，白云岩成因分析运用岩石学、同位素分析、微量元素分析等多种地球化学分析方法相结合进行研究已成为必然的趋势。

石炭系摆佐组白云岩作为云南会泽铅锌矿主要容矿层位之一，一直以来是许多学者研究的重点［12～17］。截止目前，针对石炭系摆佐组白云岩先后展开了岩相、古地理特征、沉积环境的研究和矿物质来源与白云岩关系的研究，但对白云岩成因的研究相对薄弱。会泽地区位于我国重要的铅锌矿成矿带，这一地区的铅锌矿的形成与白云岩的时空分布密切相关，因此，开展这一地区白云岩成因研究具有重要的理论和实际意义。为了解会泽石炭系摆佐组中、粗晶白云岩的地球化学特征及其成因，本文对该地区白云岩进行岩石学、岩石地球化学和同位素等分析、研究。

1 地质背景

研究区位于华南陆块群扬子微陆块滇中(昆明)中生代隆起带［18］(图1)。研究区地层由前震旦系组成基底，其上的上震旦统、古生界组成盖层，构成“两层式结构”。盖层主要发育中、上泥盆统、石炭系、二叠系。下石炭统摆佐组(C1b)是研究区最主要的赋矿地层，主要由灰白色、肉红色、米黄色中、粗晶白云岩、灰质白云岩和致密块状浅灰色灰岩、白云质灰岩夹硅质灰岩组成。本文讨论的白云岩位于会泽铅锌矿区，实测剖面为二道沟勘查区，实测剖面显示会泽地区白云岩主要位于摆佐组的中上部，其下部主要为浅灰色灰岩、白云质灰岩夹硅质灰岩，白云岩层在空间上呈北东南西向展布，地层厚约50～70 m，白云岩呈中厚层状—块状。

2 样品和实验方法

本研究共涉及下石炭系摆佐组实测剖面中、粗晶白云岩共9个样品(图2)，对所有样品均进行了岩石薄片鉴定，白云岩岩石学特征见3.1。

图1 区域地质构造分布图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)均在中国地质调查局武汉地质调查中心测定，分析精度优于5%。实验过程如下:将所采的每件样品加工成200目，并置于烘烤箱中，在105℃的温度下烘干2小时，然后将从烘箱中取出样品称取50±1 mg置于高压密闭的Teflon溶样器中，再缓慢加入1 mL的高纯氢氟酸，并将其放在电热板上于140℃将样品蒸至小体积，然后缓慢加入1.5 mL的高纯氢氟酸、1.5 mL的高纯硝酸，加盖并旋紧溶样器钢套，将装有样品的溶样器放入烘箱中，在190℃保温温度下加热48 h，待溶样器凉冷，开盖，然后在电热板上保持140℃将溶液蒸至湿盐状，再缓慢加入2～3 mL、40%的高纯硝酸，把其再次置于烘箱中140℃恒温过夜，重复上述过程，提取盐类。等到溶样器凉冷后，将提取液用2%的硝酸稀释干净的PET瓶中，至80 g密闭保存，等待上机测定。

测试方法［19］:雾化器将溶液样品送入等离子体光源，在高温下汽化，解离出离子化气体，通过铜或镍取样锥收集的离子，在低真空约133.322 Pa压力下形成分子束，再通过1～2 mm直径的截取板进入四极质谱分析器，经滤质器质量分离后，到达离子探测器，根据探测器的计数与浓度的比例关系，可测出元素的含量。

C、O同位素由中国地质调查局武汉地质调查中心同位素室测试，使用的标准是GB6379-87，标准物质为 GBW-04416和 GBW-04417。测定方法［20］是将碳酸盐试样在真空条件下与100%磷酸进行恒温反应，用冷冻法分离生成的水，并收集纯净的CO2气体。利用德国产的MAT-251型质谱仪进行C、O同位素分析，获得δ13C和δ18O数据，二者均采用PDB标准，分析误差小于0.1‰。

图2 二道沟实测剖面图Fig.2 The measured cross-section in Erdaogou area

图3 云南会泽摆佐组粗晶白云岩手标本照片(A.肉红色粗晶白云岩;B.米黄色粗晶白云岩;比例尺为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)

图4 云南会泽摆佐组白云岩主要结构类型的显微照片(①:白云石;比例尺为0.5 mm)Fig.4 Photomicrographs of the dolomite in Baizuo Formation of Huize，Yunnan(①:dolomite;scale bar=0.5 mm)

3 白云岩地球化学特征

3.1 岩石学特征

通过野外和室内对会泽地区白云岩岩石学研究显示，该区白云岩岩石类型主要为中、粗晶白云岩(图3，4)。白云岩呈灰—灰白色、米黄色、肉红色，块状构造，呈中—粗晶晶粒结构，在野外刀砍状条纹发育明显，节理裂隙较发育，部分裂隙见石英脉充填。白云石粒度约0.25～1.00 mm，呈自形—半自形晶，含量一般大于95%，方解石多呈残余晶体零星分布于自形白云石晶粒间，含量3.5% ～5.5%，此外，还含有少量方铅矿、闪锌矿、褐铁矿和微粒金属矿物约0.4% ～1.0%。

3.2 地球化学特征

研究区白云岩主量、微量元素分析结果见表1。

3.2.1 主量元素

MgO含量位于29% ～32%之间，CaO含量位于17% ～22%之间;由 MgO—CaO交会图可以看出，MgO—CaO呈线性负相关，反映白云石是交代或重结晶成因而非沉积成因的［2］(图5)。

3.2.2 稀土元素

图5 MgO—CaO交会图Fig.5 Cross-plot of MgO—CaO

稀土元素(REE)中能够反映白云岩成因环境的主要是Eu异常和Ce异常。Eu的富集与亏损主要取决于含钙造岩矿物的聚集和迁移;Ce反映了表生作用的氧化条件，在氧化条件下亏损，在缺氧条件下富集［21，22］。本区白云岩稀土元素总量介于6.7～41.2 μg/g之间，平均值为24.35 μg/g，总体上处于正常海相碳酸盐岩ΣREE变化范围内(海相碳酸盐岩ΣREE值一般低于100 μg/g)［23］，轻稀土元素富集。白云岩稀土元素配分模式显示(图6)，Ce异常呈现弱负异常，Eu呈现弱负异常。

3.2.3 微量元素

元素Sr的含量往往反映介质的盐度，现代海水的 Sr含量大约为1 000 ～1 200 μg/g［21，24］。本区白云岩Sr含量主体介于39～135 μg/g之间，平均81.8 μg/g。考虑到摆佐组浅海相沉积背景和后期较强的改造作用，且Sr已大量流失，白云岩中较低的Sr含量可能说明了白云岩是后期埋藏成岩作用过程中形成的［21］，白云化时间较晚。白云岩中Ba含量集中在4 μg/g左右，略低于一般正常海相碳酸盐的标准;Sr/Ba比值介于7.7～70.2之间，平均值接近30左右，表明白云岩在深埋过程中所形成时水介质盐度较高［21，22］。

3.3 碳、氧同位素

碳酸盐岩中的稳定碳、氧同位素组成可以用来定量的恢复沉积环境的古盐度和古水温，确定成岩环境，查明沉积物形成后的大气淡水参与成岩作用的强度以及研究白云岩的形成机理［6］。研究区白云岩碳、氧同位素测试结果见表2。表2反映出白云岩δ13C最低值 -1.12‰，最高值 0.75‰，平均值为-0.28‰;δ18O最低值-8.24‰，最高值为-6.81‰，平均值为-7.51‰。根据Keith and Weber(1964)［25］利用δ18O、δ13C值导出经验公式Z=2.048×(δ13C+50)+0.498 ×(δ18O+50)，T=14.8-5.41 × δ18O，计算了白云岩形成的盐度和温度(表2)。表2显示本区白云岩Z值都在在121～125之间，平均为123，表明会泽地区白云岩可能形成于超咸浓缩海水以及较高的温度条件下，说明研究区的白云岩主要属于埋藏作用成因，其成岩流体可能代表了沉积物埋藏过程中古海水的浓缩。根据成岩温度计算结果，本区白云岩成岩温度在51.64℃ ～59.38℃之间，平均为55.42℃(表2)。假定白云岩形成时表面温度为25℃，地热梯度2.5℃/100 m［21］，推测该地区白云岩形成平均深度约为1 065～1 376 m，为中深埋藏环境，根据区域地层资料区域构造演化史推测，其白云岩化时间可能发生于二叠纪，属后生白云岩，诚然，这一认识需要进一步工作加以证明。在 Hird［11、21］等的白云岩碳—氧同位素比值判别图上(图6)会泽地区白云岩C、O同位素投点主要出现在埋藏成因(M1，M2)的区域内及其周围，反映了白云岩为埋藏成因，同时样品的碳—氧同位素比值接近线性排列的现象，表明研究区白云岩样品经历了非常长时间的、充分的成岩作用，与岩石埋藏作用成因的结论一致。

图6 会泽地区白云岩稀土元素配分模式Fig.6 REE distributions of dolomites in the Baizuo Formation of Huize area

表1 摆佐组白云岩微量元素含量(μg/g)Table 1 Trace element(μg/g)of dolomites in the Baizuo Formation of the Huize Basin

续表1 摆佐组白云岩微量元素含量(μg/g)Table 1 Trace element(μg/g)of dolomites in the Baizuo Formation of the Huize Basin

续表1 摆佐组白云岩微量元素含量(μg/g)Table 1 Trace element(μg/g)of dolomites in the Baizuo Formation of the Huize Basin

表2 白云岩C、O同位素组成及盐度和温度Table 2 Salinity and temperature reflected by the oxygen isotope of dolomite

图7 会泽盆地白云岩δ13C—δ18O变化关系和成因判别［6］(据 Hird，1987)Fig.7 Discrimination diagram showing the relationship of δ13C-δ18O and dolomites genesis of the Huize Basin

4 讨论与结论

(1)云南会泽石炭系摆佐组白云岩主要由中、粗晶白云岩组成;白云岩Sr含量较低，可能是后期埋藏成岩作用过程中形成的，且白云化时间较晚，Sr已经大量流失。

(2)云南会泽石炭系摆佐组白云岩轻稀土元素富集，这可能与埋藏期间流体活动对稀土元素的整体带入有关［6］。白云岩稀土元素配分模式显示Ce异常呈现弱负异常，主要是由于Ce3+将不断被氧化成相对易溶的Ce4+离子被迁移而贫化。同时Eu也呈现弱负异常，根据韩润生等［13］对会泽地区超大型铅锌(银、锗)矿床研究表明石炭系摆佐组地层稀土元素分布模式与矿石、方解石稀土模式差异甚大，显示成矿与摆佐组地层无直接的血缘关系。推测，摆佐组白云岩的Eu负异常可能为源区的白云岩产生化学风化作用，Eu在化学风化过程中被优先带出而造成的。

(3)碳、氧同位素表明白云岩经历了较长时间的、充分的成岩作用，成岩期间具有较高的盐度指数Z值和成岩温度，推测该地区白云岩为中深埋藏环境，根据区域地层资料、区域构造演化史推测其白云岩化时间可能发生于二叠纪，属后生白云岩，诚然，这一认识需要进一步工作加以证明。

(4)总体来看，本区白云岩在岩石学特征上具有半自形—自形结构，主量元素MgO—CaO呈线性负相关，表明了研究区白云石是交代或重结晶成因而非沉积成因的，同时碳、氧同位素结果显示其盐度指数和成岩温度较高，综合分析认为本区白云岩成因为埋藏成因，并且在后期可能受到了构造作用和地壳抬升作用的影响，使白云岩产生化学风化作用，造成Eu的负异常，这可能与滇东北地区印支—海西阶段所形成的拉张和垂直升降运动有关。

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