神农架隆起南缘石槽河组白云岩地球化学特征及其成因分析

刘 力, 陈小龙, 潘龙克, 龚志愚

(1.湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034; 2.湖北省地质科学研究院,湖北 武汉 430034)

神农架隆起南缘石槽河组白云岩地球化学特征及其成因分析

刘 力1, 陈小龙2, 潘龙克1, 龚志愚1

(1.湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034; 2.湖北省地质科学研究院,湖北 武汉 430034)

前人对神农架群巨厚层白云岩的成因尚存争议,笔者从沉积岩地球化学入手,探讨神农架隆起南缘神农架群石槽河组白云岩的成因。石槽河组白云岩的岩石学特征显示以泥—粉晶白云岩为主,多具纹层状。地球化学上,V/Cr、Ni/Co及V/(V+Ni)值表明了其沉积环境具有氧化性,稀土元素基本保留了海水来源REE特点,同时在成岩改造中可能是受到热液作用的影响。岩石学和地球化学特征表明石槽河组白云岩可能是在潮坪环境下强烈蒸发作用形成的。

石槽河组;白云岩;地球化学;神农架群

白云岩成因在目前沉积学领域尚存争论。由于现代海水不能直接沉淀白云石,人们普遍认为至少寒武纪以后的白云岩主要是碳酸盐沉积物或石灰岩的白云石化产物。但关于前寒武纪和某些显生宙形成的白云岩成因一直存在着两种绝然不同的看法[1]:一种认为是直接的化学沉淀;另一种认为是刚刚沉淀的文石立即被交代或沉积后才被交代的。大多数学者认为白云岩主要是交代成因[2-3],先后建立了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[4],力求解释白云岩的成因。

神农架群由江涛、华媚春(1962)[5]创名于神农架地区(图1)。主体为一套碳酸盐岩为主的沉积地层,夹多层火山岩和碎屑岩层,总厚度>12 680 m。区内无结晶基底岩系出露。目前关于神农架群的地层层序划分主要由两种方案:《湖北省岩石地层》(1996)[6]将神农架群自下而上划分为鹰窝洞组、大岩坪组、乱石沟组、大窝坑组、矿石山组、台子组、野马河组、温水河组、石槽河组、送子园组、瓦岗溪组共11个组;刘成新等(2004)[7]将11个组合并为4个组,并对地层层序进行了重新划分,自下而上为:郑家垭组、石槽河组、大窝坑组、矿石山组。笔者在神农架隆起南缘进行区域地质调查时,发现恩施巴东沿渡河自下而上依次出露有神农架群石槽河组、大窝坑组和矿石山组,其上被南华系莲沱组角度不整合覆盖。本文拟从神农架群白云岩的岩石学、地球化学入手,为探讨神农架群巨厚层白云岩成因提供地质依据。

1 地质背景及岩相学特征

调查区大地构造位置属于扬子板块北缘神农架隆起南缘,出露的最老地层为中元古代神农架群,其上被南华系角度不整合覆盖。依据1∶25万神农架幅划分方案将区内神农架群自下而上划分为石槽河组、大窝坑组、矿石山组,其中石槽河组在调查区内未见底。石槽河组表现为一套碳酸盐岩夹火山碎屑岩的岩石组合,区内厚度>1 625 m。本次调查中在1∶5万平阳坝幅赵家河—石龙坡一带测制了神农架群剖面,于石槽河组内采集了碳酸盐岩样品,镜下鉴定分别为灰白色纹层状微—粉晶白云岩(PM202/5-b1)、浅灰色纹层状微—粉晶白云岩(PM202/15-b1)、灰色中层状含藻纹粉晶灰岩(PM202/30-b1)、灰色块状碎裂硅化微晶白云岩(PM202/106-b1)和灰色纹层状泥—微晶白云岩(PM202/136-b1)。

灰白色纹层状微—粉晶白云岩(PM202/5-b1):主要由半自形粒状或菱面体的粉晶白云石组成,含一定量的微晶白云石和少量的褐铁矿,显示微—粉晶结构。微晶白云石多数相对集中并呈条纹状分布组成纹层状构造,纹层宽0.2～2.5 mm,呈断开微波状(图2-a)。

图1 神农架隆起构造简图及采样位置(据邱啸飞[8]等修改)

浅灰色纹层状微—粉晶白云岩(PM202/15-b1):岩石成分十分简单,由粉晶白云石和微晶白云石组成,前者含量多于后者,两者分别相对集中并相间分布组成纹层状构造,纹层呈水平状即水平层理,该纹层是由于不同速度的水流和周期性的化学沉积而形成的。粉晶白云石所组成的纹层宽0.3～2.5 mm。微晶白云石表面被隐晶质集合体的有机质渲染呈深色,使纹层更为清晰,所组成的纹层宽0.2～1.6 mm。

图2 石槽河组白云岩显微结构(+)Fig.2 Microscopic of dolomites from Shicaohe Formation

灰色中层状含藻纹粉晶灰岩(PM202/30-b1):方解石是该岩的主要成分,其粒度主要是粉晶级,含少量的细晶级,含5%的藻迹,显示含藻纹粉晶结构(图2-b)。藻迹颗粒成分由蓝藻类粘结泥晶方解石组成,色暗富含有机质,外形仅见呈藻纹状。

灰色块状碎裂硅化微晶白云岩(PM202/106-b1):岩石原岩为微晶白云岩,在成岩后生阶段经脆性变形破碎而形成,沿破碎的细小裂隙内充填着大量的硅质和少量的白云石(图2-c),两者呈粒状、梳状排列,并纵横交错呈网状分布,显示碎裂结构。岩石主要成分为微晶白云石,部分表面被隐晶质集合体的有机质渲染显深色,部分具明显的硅化现象,即微粒状集合体的石英呈斑块状、团块状不均匀分布。

灰色纹层状泥—微晶白云岩(PM202/136-b1):岩石主要成分为微晶白云石和泥晶白云石,微晶含量稍多些,显示泥—微晶结构,两者分别相对集中并相间分布形成纹层状构造(图2-d),纹层呈水平状即水平层理,该纹层是由于不同速度的水流和周期性的化学沉积而形成的。两者所组成的纹层宽相差不大,约0.1～0.8 mm。泥晶白云石表面被隐晶质集合体的有机质渲染呈深色,使纹层更为清晰。

2 地球化学特征

测试方法:样品的主量、稀土、微量元素分析均在国土资源部武汉矿产资源监督检测中心完成。其中主量元素测试采用RIX2100型X射线荧光光谱分析仪进行分析,分析精度优于5%。稀土、微量元素测试采用Agilent7500a ICP-MS分析完成,分析精度优于5%～10%。

2.1 主量元素特征

石槽河组白云岩样品的主量元素含量可见表1,样品烧失量所占比例较大(31.69%～45.53%),CaO为24.89%～32.27%,均值28.66%;MgO为13.64%～18.46%,均值17.00%;SiO2为2.84%～24.04%;CaO/MgO比值为1.43～1.82,与纯白云石的理论值(CaO=30.4%,MgO=21.8%,CaO/MgO=1.39)[9]存在显著差异,所以直接沉淀形成白云岩的可能性不大。Al2O3、K2O、Fe2O3、TiO2主要赋存于陆源泥质中,可作为陆源组分的代表。碳酸岩中Al2O3、K2O、Fe2O3、TiO2含量高,表明受陆源组分影响大,反之亦然[10-11]。由表1可见,石槽河组白云岩Al2O3为0.06%～3.01%,K2O为0.03%～0.37%,Fe2O3为0.01%～0.54%,TiO2为0.02%～0.23%。基本都在1%以下(仅有PM202/106-1样Al2O3达到3.01%),表明样品基本不受陆源组分的影响。

表1 石槽河组白云岩部分主量(%)、微量元素(μg/g)分析结果及特征值表

2.2 微量元素特征

微量元素Sc、Th、Hf、Zr分别小于或远小于上地壳对应元素含量[12](Sc为15×10-6,Th为8.95×10-6,Hf为5.12×10-6,Zr为188×10-6)。海水的Y/Ho比值为44～74[13],调查区石槽河组白云岩的Y/Ho介于31.4～59.2之间,均值47.6,与海水一致。表明样品未受陆源组分的影响。另外,海相碳酸盐岩样品Mn/Sr值<10,说明其受成岩作用的改造和蚀变作用的影响较弱。进一步约束,白云岩样品中Mn/Sr值<3,则认为样品基本不受成岩改造的影响,即保留了其形成流体的地球化学信息[14]。石槽河组白云岩Mn/Sr均在10以下,均值为2.52,表明其形成受成岩改造影响较弱,基本可以反映其形成流体的地球化学特征。

原生的碳酸钙(高镁方解石、文石、原生白云石)Sr含量均较高，但是白云岩化作用和成岩作用使Sr明显降低。石槽河组白云岩Sr含量介于58.67×10-6～118.3×10-6,明显低于原生白云石Sr的平均含量245×10-6～600×10-6,这是相对稳定的海相碳酸盐(由成岩低镁方解石组成)的晚期白云石化的结果[15]。一般认为,海相沉积物中Sr/Ba>1,淡水沉积物中Sr/Ba<1[16-18],石槽河组白云岩中Sr/Ba介于1.28～9.21之间,表明其海相成因基本不存在淡水介入影响。

参数V/Cr、Ni/Co及V/(V+Ni)能够反映古环境的氧化—还原状态,U/Th值能反映热水沉积的影响。石槽河组白云岩V/Cr介于0.34～1.81之间,Ni/Co介于0.55～1.53,指示沉积时沉积物界面处于氧化环境(V/Cr<2,Ni/Co<5则指示为氧化状态)[11]。V/(V+Ni)介于0.66～0.82,同样也指示氧化环境特征(V/(V+Ni)>0.83为极为缺氧环境)。石槽河组白云岩U/Th值介于0.27～1.63,较低的U/Th值暗示沉积时底层水体基本不存在海底喷流热卤水的参与(当U/Th≫1,为热水沉积;而在水成沉积岩中,U/Th<1)[19]。样品PM202/30-b1灰岩U/Th值15.14,表明可能受到热水作用的影响。另外,高含量的Na、K值可能反映了石槽河组白云岩形成时的高盐度环境。

2.3 稀土元素特征

稀土元素(REE)配分模式能提供物质来源信息,可用来探索白云岩化流体性质。前人对白云岩稀土元素的分析,大多是利用球粒陨石或页岩的REE测试数据进行标准化处理;然而,白云岩的形成与陨石没有任何内在联系,与碎屑岩也无成因关联,而与海水的成分有着直接或间接的关系。胡文瑄等(2010)[20]认为利用海水(由于海水的REE含量非常低,标准化前需将海水的REE浓度放大1 000倍)对REE数据进行标准化处理,取得的效果较好，并给出了海水来源白云岩的REE判别模式,全岩REE含量低(一般<20 μg/g),除一定程度的正Ce异常外,轻稀土元素(LREE)稍富集,重稀土元素(HREE)的配分曲线较为平坦。石槽河组白云岩稀土元素及特征值见表2,ΣREE多在35以下(仅PM202/106-1达到56.36),LREE/HREE介于3.97～14.24之间,显示LREE富集的特点;δEu都>1,显示正Eu异常;δCe在2.10～4.13之间,同样显示正异常特征。从稀土元素/海水标准化配分模式图(图3)上可以看出,石槽河组白云岩曲线起伏变化基本一致,表现出同源的特征,基本保留了海水来源REE特点。样品中出现弱的正Eu异常以及HREE表现轻微的波动,表明白云岩在成岩改造中可能是受到热液作用的影响[20,22]。

表2 石槽河组白云岩稀土元素(μg/g)及特征值表

注:δEu=2(Eu样品/Eu1000海水)/(Sm样品/Sm+Tb样品/Tb1000海水);δCe=2(Ce样品/Ce1000海水)/(La样品/La1000海水+Nd样品/Nd1000海水)。

图3 石槽河组白云岩稀土元素/海水标准化配分模式图(海水稀土含量值见Kawabe,et al.,1998[21])Fig.3 Seawater-normalized REE patterns for Shicaohe dolomites

3 讨论

前人已对神农架群的沉积环境作过一些分析,胡正祥等(2012)[23]根据扬子北缘神农架群沉积特点,推断神农架群在黄陵地区为被动大陆边缘盆地沉积,往神农架地区向被动大陆边缘裂谷盆地沉积过渡。刘成新等(2004)初步建立了神农架群岩石地层格架,认为神农架群沉积于中元古代全球的拉张作用背景下,区内陆缘陆表海发生裂陷,出现火山碎屑岩与石槽河组台相碳酸盐岩沉积。胡宁(1997)[24]对神农架地区石槽河组岩石特征进行了总结,认为石槽河组沉积期表现为南高北低的地势,海水由北向南侵入,由南向北可划分为四个沉积相带:潮坪相带、潮下低能相带、浅滩相带和浅海陆棚相带。结合本次调查中对石槽河组的认识,神农架隆起南缘石槽河组应形成于潮下低能—潮间带沉积环境。

白云岩化作用的核心是白云岩化流体性质及这种流体来源的动力学机制。通过岩石学、地球化学特征分析可以看出:石槽河组白云岩形成基本不受陆源组分的影响,形成于氧化高盐度的海水环境,可能存在热水作用的影响。据此可分为准同生白云岩和准同生后白云岩两种类型。其中准同生白云岩化的产物主要是泥—微—粉晶白云岩和藻纹层白云岩。准同生后白云岩化的产物为碎裂硅化微晶白云岩。

准同生白云岩的形成可用蒸发泵白云岩化模式[25-26]来解释:在干热的潮坪环境中,早先沉积的碳酸钙沉积物饱含孔隙水,在地表强烈蒸发作用下,孔隙水沿毛细管上升,并从侧向相邻的泻湖或潮下海中源源不断地获得海水的补给,或者由周期性的大潮和风暴潮为潮上带补给海水。由于强烈的蒸发作用以及文石、高镁方解石、石膏等的沉淀,导致孔隙水的Mg/Ca比值升高。这种由海水蒸发浓缩的、富含Mg2+的超咸水可导致白云石的沉淀，并交代潮坪中原始的碳酸钙沉积物。其形成的白云岩具有晶粒细小,水的盐度较高,海水成因明显,其形成环境是氧化性的,具有纹层状、连续性和成层性均较好、横向分布较稳定等特征,基本符合石槽河组白云岩的产出特点。

对于碎裂硅化微晶白云岩,从稀土元素特征可以看出,可能受到热液作用的影响,结合调查在石槽河组中发现的火山碎屑岩[27]可以推断:热液作用可能是受同沉积的火山碎屑的影响。

4 结论

神农架隆起南缘石槽河组白云岩以泥—粉晶白云岩为主,多具纹层状。地球化学特征显示:其形成基本不受陆源碎屑的影响,V/Cr、Ni/Co及V/(V+Ni)值表明了其沉积环境具有氧化性,稀土元素基本保留了海水来源REE特点,同时在成岩改造中可能是受到热液作用的影响。石槽河组白云岩的成因可用蒸发泵白云岩化模式来解释。其中碎裂硅化微晶白云岩的形成可能受到构造及热液作用的影响。

致谢:野外工作期间,得到了湖北省地质调查院张汉金教授级高级工程师的悉心指导,参加野外工作的还有罗红、罗凡、杜翌超、曹明等,在此对他们的帮助表示衷心的感谢。

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(责任编辑：于继红)

Geochemical Characteristics and Petrogenesis of Dolomites from the ShicaoheFormation at Southern Shennongjia Uplift

LIU Li1, CHEN Xiaolong2, PAN Longke1, GONG Zhiyu1

(1.HubeiGeologicalSurvey,Wuhan,Hubei430034; 2.HubeiInstituteofGeosciences,Wuhan,Hubei430034)

The origin of thick dolomites from Shennongjia Group is quite difficult to solve in long term,and the research on dolomite genesis is in postulation at present. Based on the study of geochemistry of sedimentary rocks,the paper discusses the origin of Shicaohe dolomite from Shennongjia Group at southern Shennongjia uplift. The types of dolomites include putty crystal dolomite and powder crystal dolomite primarily,and they possess the characteristic of laminated structure. The ratios of V/Cr,Ni/Co,V/(V+Ni) of Shicaohe dolomite show that it formed in an oxidation environment. REES have the basic characters of the rock from seawater. Besides that,it can be influenced by hydrothermal fluid on the later diagenesis. Based on petrological and geochemical characters,intense evaporation in tidal flat environment may form Shicaohe dolomite.

Shicaohe formation; dolomite; geochemistry; Shennongjia Group

2016-04-08;改回日期:2016-05-11

中国地质调查局基础地质调查项目(编号:1212011220509)资助。

刘力(1986-),男,工程师,地质学专业,从事岩浆岩岩石学及区域地质调查研究工作。E-mail:505651703@qq.com

P619.23+4; P595

A

1671-1211(2016)04-0551-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.04.002

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160707.1528.046.html 数字出版日期:2016-07-07 15:28