囊谦古近纪盆地贡觉组膏盐岩及其硫同位素特征

杜后发， 江媛媛， 姜勇彪， 严兆彬

(1. 放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室，江西 南昌 330013；2.东华理工大学地球科学院，江西南昌 330013；3.江西省核工业地质局267大队，江西 九江 332000)

囊谦古近纪盆地贡觉组膏盐岩及其硫同位素特征

杜后发1，2， 江媛媛3， 姜勇彪2， 严兆彬2

(1. 放射性地质与勘探技术国防重点学科实验室，江西 南昌 330013；2.东华理工大学地球科学院，江西南昌 330013；3.江西省核工业地质局267大队，江西 九江 332000)

囊谦古近纪盆地贡觉组沉积充填系列中的第三层段为一套盐湖相暗紫红色泥岩、粉砂质泥岩和膏盐岩为主交互产出的地层，沉积厚度显示南北厚而中部薄的特点。通过野外地质路线调查和室内综合研究，系统分析了贡觉组第三层段膏盐岩分布特征、膏盐岩类型及石膏的晶体形态，该套膏盐岩层自下而上逐渐增厚，以块状石膏岩、膏灰岩和泥膏岩为主，并发育多个蒸发岩沉积序列。选取贡觉组第三层段不同地区的蒸发岩硫同位素组成进行分析，结果表明其δ34S的变化幅度为14.7‰～22.6‰，平均值为16.8‰，位于古近纪海相蒸发岩中硫酸盐的δ34S值范围内且显著区别于缺氧环境中的δ34S值，认为该层段时期湖盆为封闭的陆相盐湖，细菌的还原作用微弱，其对石膏硫同位素的分馏作用贡献甚微。通过对贡觉组第三层的膏盐岩和硫同位素特征分析，并结合现有的盐泉水化学分析资料，推测囊谦盆地具备探盐找钾、硼和锂的理想条件。

膏盐；硫同位素；沉积系列；囊谦盆地；贡觉组

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囊谦盆地在大地构造上属于三江特提斯构造域中部，是沿藏东北缘横断山-金沙江-红河构造分带的一系列呈NNW向展布的中小型古近纪盆地的典型代表(潘桂棠等，1990；朱丽等，2006；张克信等，2007)。已有年代学和微体古生物研究表明，囊谦盆地贡觉组红层形成于早第三纪(卫民，1985；邓万明，1999；朱丽等，2006；许岳等，2015；Spurlin et al.,2005)，接受沉积较晚，沉积连续且出露完整。贡觉组为一套近源快速堆积的厚层或巨厚层状的紫红色陆相碎屑岩建造(王世锋等，2002；周江羽等，2003；Horton et al.,2002)，并伴有大规模的岩浆活动，且与红层多为侵入接触关系，少数呈顺层产出(邓万明，2001；朱丽等，2006)。盆地沉积序列自下而上可划分五个层段，其中第三层段(Eg3)为一套封闭的盐湖相沉积，盆地西北、北部继续遭受强烈剥蚀，东部、南部则下降接受沉积，湖泊层序发育达到顶峰，具有南北厚中部薄的特点(杜后发等，2011a；姜勇彪等，2011)。囊谦盆地陆相含膏盐建造发育，食盐矿泉分布广泛(如多伦多、白扎、苏尔莽和日阿忠等盐泉)，多以晒制食盐或生产芒硝为主，其东南部含钾量较高，可达0.12%(金玉声等，1984)。前人对该盆地地层、沉积特征、物源分析、盆地成因类型(王世锋等，2002；周江羽等，2003；杜后发等，2011a，2011b；Horton et al.,2000)、盆地构造演化(潘桂棠等，1990；张克信等，2007；姜勇彪等，2009；Spurlin et al.,2005)和岩浆活动及其黑云母单矿物40Ar/39Ar定年(杨大雄，1988；朱丽等，2006；Spurlin et al.,2005)、全岩或黑云母单矿物K-Ar同位素定年(邓万明，2001)、锆石U-Pb年龄(许岳等，2015) 等开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果。但该盆地沉积充填的膏盐岩及其硫同位素特征研究尚缺，本次旨在研究膏盐岩分布特征、膏盐岩类型、石膏的晶体形态，以及石膏、硬石膏硫同位素组成特点，并探讨沉积盆地封闭蒸发条件、氧化还原特性和蒸发岩沉积环境，为进一步寻找固体盐类矿产打下理论基础。

1 地层特征

囊谦盆地隶属于青海省南部玉树地区，是在印度与欧亚板块碰撞以及中生代基底经历长期隆升剥蚀的基础上，经早期逆冲推覆和晚期走滑-拉分作用形成的(潘裕生等，1998；孙鸿烈，1998；莫宣学等，2003；张克信等，2007；Yin et al.,2003；Horton et al.,2002；Spurlin et al.,2005)。盆地沿NW-SE向展布，为一个基底向东倾斜呈不对称条状，长约55 km，东西宽8～15 km，最宽达18 km，长宽比率近似于3，沉积厚度约为3 300 m，其最厚处位于近盆缘走滑断层一侧。盆地东侧为晚三叠世灰岩地层逆冲其上；西侧为侵蚀边界，石炭-二叠系生物碎屑灰岩呈角度不整合伏于其下；南部为侏罗系紫红色粉砂岩、泥岩夹灰岩；西北部为石炭系灰色结晶(泥晶)灰岩和生物碎屑灰岩；三叠系在盆内分布广泛，由灰色板岩夹泥质粉砂岩、泥质粉砂岩和灰岩。囊谦盆地贡觉组的沉积序列自下而上为Eg1～Eg5(杜后发等，2011a)：Eg1为湖相粉砂岩、 粉砂质泥岩与灰岩互层以及紫红色泥岩夹粉砂质泥岩；Eg2为冲积扇河流相砾岩、砂砾岩及少量的粉砂岩和泥岩；Eg3为湖泊相紫红色粉砂质泥岩、蒸发岩、灰岩；Eg4下部为以河流相为主的紫红色、红色砂岩、粉砂质泥岩和泥岩，上部为以冲积扇为主的砾岩、砂砾岩；Eg5为一套以冲积扇 河流 三角洲相为主的红色巨厚层砾岩、砂砾岩，垂向上见薄层状砾岩与砂岩互层。

2 膏盐岩分布特征

玉树地区古近纪盆地中有多处食盐矿泉，主要分布于囊谦盆地、查然宁盆地和多伦多盆地，其中以囊谦盆地食盐矿泉分布最广。囊谦盆地的膏盐岩层赋存于贡觉组第三层段，是经过第2层段长期的侵蚀作用后，囊谦地区地势较为平坦，气候干旱且蒸发强烈，沉积了一套盐湖相含膏盐碎屑岩建造。由于湖盆的不对称性及所处沉积环境的差异，横向同层位的沉积厚度变化较大，且显示南北厚中部薄的特点，最厚处约3 400 m；在盆地的中北部，该岩性段整合于第2层段之上，南部则直接不整合于石炭-侏罗系构成的盆地基底之上。按地层剖面厚度计算(杜后发等，2011c)，膏盐岩约占总岩石的5%。在纵向上随着盐度增加，膏盐岩层自下而上逐渐增厚，并发育多个蒸发岩沉积序列，紫红色粉砂质泥岩—石膏、硬石膏、灰岩和少量的碎屑物构成的混积岩层—紫红色泥岩、粉砂岩，也表明了在成盐期间存在气候干湿交替。在盆地西北的如巴塘地区，下部为紫红色粉砂质泥岩夹石膏层，层厚从0.4 cm的纹层至15 cm的中薄层不等。由于石膏在地表很不稳定，易受淋滤，在紫红色粉砂质泥岩中的裂隙常被石膏、硬石膏充填(图1A)；上部沉积厚度达800 m，以厚约50 cm的石膏、硬石膏、灰岩及少量碎屑岩构成的混积岩层与白色纤维状石膏、硬石膏互层为特点。在如巴塘东南方向约4.6 km处，以厚层块状紫红色泥岩与膏灰岩及少量的碎屑岩构成的混积岩互层为特点。由于压实作用，细小的硬石膏晶体聚积成次球状的结核紧密地堆积在一起，每个结核被泥质薄膜包裹(图1B)。盆地北部的蒸发岩沉积序列厚度达30 m，见5层膏盐岩与灰岩、紫红色泥质岩互层。在囊谦县南东方向1.07 km处国道旁，发育紫红色粉砂质泥岩和泥岩，夹9层石膏、硬石膏层，沉积厚度约450 m(图1C)。在盆地的中部东日尕地区，见厚度约102 m的紫红色泥膏岩、石膏质泥岩和石膏质灰岩混积岩层(图1D)，向南该岩性段厚度减小，至东日尕以南3 km的山脊处减薄至几十米厚。在盆地南部的癿扎乡见有食盐矿泉，盐泉水引入池内蒸晒可得食盐(图1E)，该岩性段直接不整合于上三叠统波里拉组之上，向上至硬下寺，出露紫红色粉砂质泥岩夹薄层膏盐层(图1F)，主要为薄层晶粒状石膏，厚达3 400 m，向上石膏层增厚。向南该岩性段出露至盆地的南部边界。

图1 贡觉组第三层段沉积的膏盐岩照片Fig.1 The gypsum-salt photo in the third lithology of Gonjo formation A.紫红色粉砂质泥岩夹膏岩层 (如巴塘)；B.蒸发岩沉积序列(如巴塘东南约4.6 km)；C.紫红色粉砂质泥岩、泥岩夹膏岩层 (囊谦县东南方向1.07 km国道G214路旁)；D.薄层紫红色泥岩与膏岩层(东日尕)；E.癿扎盐厂(盆地西南边缘)； F.紫红色泥岩夹膏岩(硬下寺)；G.透石膏和雪花石膏；H.石膏燕尾双晶(+)

3 膏盐岩岩石学特征

根据野外地质观察和实测地质剖面，囊谦盆地贡觉组沉积充填序列中的第3层段发育膏盐层，包括膏灰岩、石膏质泥岩、泥膏岩、块状石膏岩、盐岩和含膏泥岩等岩性类型，其中以块状石膏岩、膏灰岩和泥膏岩为主，其次为石膏质泥岩、含膏泥岩、盐岩。

按石膏的晶体形态，石膏可以划分以下几种类型：

(1) 纤维状石膏。乳白色，丝绢光泽，硬度低，{010}极完全解理，晶体呈针状、纤维状垂直层面生长，单层厚0.4～15 cm(图1A)，主要见于岩石结构致密、质纯的块状石膏岩。在蒸发岩沉积序列旋回中，位于膏岩、碳酸盐岩及少量碎屑岩构成的混积岩层之上。该类纤维状石膏沉积时水体具有相对稳定的状态和较高的盐度，并维持化学平衡状态下石膏的持续析出。

(2)瘤状石膏。白色石膏呈瘤状富集，少数孤立呈瘤状构造，瘤状体石膏颗粒间被碳酸盐矿物、泥质等基质充填(图1A)，石膏含量75%～90%，主要见于蒸发岩、碳酸盐岩及少量碎屑要构成的混积层中，且该混积层中的沉积物特征与现代萨布哈沉积物很相似。在如巴塘见有块状石膏岩中夹有约厚25～40 cm的瘤状石膏岩体，该瘤状石膏可能是早期成岩阶段交代软泥沉积物而形成的。

(3)结核状石膏。呈团块状紧密堆积，团块形态不规则。团块在沉积物内呈石膏晶体产出，因经掩埋以后有利于大的石膏晶体转为许多细小的硬石膏晶体，体积有所减小；另因压实作用使得细小的硬石膏晶体聚积成球状的结核，每个结核周围被一层主沉积物的薄膜包裹(图1B)；通过镜下鉴定，晶形呈放射状集合体，见石膏燕尾双晶(图1H)，正低突起，干涉色可达三级蓝-绿，平行消光，负延性，为硬石膏。

(4)土状石膏。白色，土状光泽，由粉末状隐晶质矿物组合的较疏松的集合体(图1D)。

(5)雪化石膏。在蒸发岩沉积序列中偶见，主要见于硬下寺西南方向。白色，半透明，细粒状或片状集合体(图1G)，其颗粒比普通石膏、瘤状石膏等颗粒细小，说明在湖相沉积作用过程中，溶液中悬浮物质较少，卤水溶液接近于真溶液，此时细小结晶颗粒才能沉积。

(6)透石膏。质纯无色透明，玻璃光泽，晶体(010)面发育，极完全解理(图1G)，常结晶成板状，经烧后失去水分呈白色的不透明粉末状晶体，变为熟石膏。

4 蒸发岩中硫同位素地球化学

4.1 硫同位素及其在蒸发岩中的应用研究

沉积盆地水体和沉积物中硫同位素的组成受物源和生物细菌的还原作用控制，而生物细菌还原是硫同位素主要的分馏过程且其分馏结果与其形成环境及沉积体系的封闭程度等因素密切相关，δ34S值变化范围广(-40‰～+50‰)，其中δ34S值大于5‰，一般代表封闭的咸水条件 (郑永飞等，2000；刘刚，2007；Sakai,1968；Bottrell et al.,2000)。由显生宙海相蒸发岩中硫酸盐δ34S值的变化曲线(Claypool et al.,1980)可知第三纪海水的δ34S值为21‰左右。现代大洋中溶解的硫酸盐和海相成因蒸发岩的δ34S值变化范围为19.0‰～24.3‰，多在20‰左右，而陆源水体的δ34S值若没有细菌还原作用的扰动则明显低于20‰(郑永飞等，2000；史忠生等，2004)。陆源水体贫δ34S值是物源区岩石中硫化物因氧化成硫酸盐而导致的，河湖水的δ34S值一般为2‰～9‰，属于陆相咸化湖盆硫酸盐硫同位素值变化范围内，相对海水明显贫δ34S，但高于大气降水、雪的硫同位素值(刘行军等，2015；Grinenko et al.,1992)。在海陆交互环境下，由于淡水、海水的共同作用，石膏硫同位素往往兼有两者的特点，其δ34S值常为10‰～15‰(Tabakh et al.,1999)。海、陆相沉积的硫酸盐以及海陆交互环境下形成的硫酸盐的δ34S值均有着显著的区别，可作为研究蒸发岩矿床的成矿物质来源和判断蒸发岩形成的海、陆相环境(李任伟等，1989；林耀庭，2003；史忠生等，2004；刘刚，2007；陈林容，2010；王春连等，2013；Holser et al.,1966；Bottrell et al.,2000)。

前人分别利用蒸发岩的硫同位素分析了蒸发岩形成的物质来源和沉积环境，且各陆相湖盆中的硫酸盐硫同位素组成变化较大(表1，图2)。江陵凹陷古新统沙市组四段蒸发岩的δ34S为25.2‰～32.6‰，属于封闭的陆相盐湖，水体相对较深，为缺氧还原环境(王春连等，2013)；潜江凹陷潜江组蒸发岩的δ34S为31.7‰～39.8‰，属于封闭的较高盐度的陆相咸化湖泊沉积环境(刘刚，2007)；东濮盆地下第三系沙河街组蒸发岩的δ34S为13.0‰～44.6‰，属于封闭的陆相盐湖，不同时期的气候、沉积环境、构造沉降、水体封闭性等因素导致硫同位素的发育特征不同(李任伟等，1989；史忠生等，2004)；济阳坳陷沙河街组蒸发岩的δ34S为2.6‰～30.9‰，属于陆相成因，沙四上段硫同位素组成明显受到过海水影响，高δ34S值与硫酸盐还原菌密切相关，介于古近纪海相蒸发岩中硫酸盐的δ34S值受到海水影响(袁波等，2008)；云南勐野井组蒸发岩的δ34S为 3.9‰～15.5‰，以陆相沉积环境为主，在成岩过程中有海水补给，具有陆源水体或混合水体的硫同位素组成特征(许建新，2008)；云南兰坪盆地云龙组蒸发岩的δ34S为12.6‰～17.6‰，属于陆相成因，有别于缺氧环境中硫酸盐同位数值(王立成等，2014)；塔里木盆地古代蒸发岩的δ34S为9.3‰～20.1‰，成盐环境以开阔氧化条件为主，具有海陆混合水体特征(章振国等，2010)。上述研究表明，蒸发岩的硫同位素研究主要是分析成盐盆地的封闭蒸发条件及其氧化还原特性、判别盆地的海陆沉积类型、沉积环境。

表1 陆相盐湖蒸发岩的硫同位素值对比

图2 陆相盐湖蒸发岩的δ34S组成对比图(数据引用文献见表1)Fig.2 Comparison graph of the δ34S values of the continental brackish lakes evaporite

4.2 样品采集和测定方法

针对贡觉组第三层段采集了硫酸盐样品共计15块，主要由块状石膏岩、膏灰岩和泥膏岩等蒸发性岩类。样品用东华理工大学核资源与环境教育部重点实验室中的Flash-EA和MAT-253型稳定同位素质谱仪测定硫同位素组成。选择了其中具有代表性的10块样品于双目镜下挑选纯净的石膏晶体，进一步用去离子水冲洗掉矿物表明黏附的泥质等杂质。通过低温烘干后研磨至200目，并称取20～100 μg待测样品。用V2O5氧化法将BaSO4转化成SO2气体，再用SO2进行硫同位素测试分析，精度为±0.2‰，所得结果以国际标准(CDT)的δ34SCDT值表示(表2)。

4.3 硫同位素地球化学特征分析

囊谦盆地贡觉组第三层段不同位置所采集的10块样品的δ34S值范围为14.7‰～22.6‰，平均值为16.8‰，较现代大洋中溶解的硫酸盐和海相成因蒸发岩的δ34S值20‰要低。盆地西北如巴塘地区石膏的δ34S值为15.6‰～17.0‰，平均值为16.2‰，变化幅度为1.4‰。盆地南部硬下寺石膏的δ34S值为16.6‰～16.8‰，平均值为16.7‰，变化幅度为0.2‰。盆地南偏西都日哇地区石膏的δ34S值为22.6‰；盆地中北部囊谦县南东1.07 km处石膏的δ34S值为14.7‰。由上述膏岩稳定硫同位素δ34S值可知，在一个沉积盆内，同一建造中相同层段δ34S值很接近，横向变化幅度相对较小，分布较稳定。

根据石膏的硫同位素分析结果，贡觉组第三层段δ34S值显著区别于缺氧环境中的δ34S值(25.2‰～39.8‰)(刘 刚，2007；王春连等，2013)，且其中仅一个δ34S值超过20‰，表明贡觉组第三层段形成过程中，细菌的还原作用微弱，其对石膏硫同位素的分馏作用贡献甚微，与囊谦盆地贡觉组总体为氧化环境下的紫红色碎屑沉积相一致。贡觉组第三层段发育在陆相碎屑岩系中，且其δ34S值变化范围位于显生宙海相蒸发岩中δ34S值变化曲线中的古近纪海相蒸发岩中硫酸盐的δ34S值(15‰～24‰)范围内(Claypool et al.,1980)，并未遭受细菌还原作用的扰动，反映了囊谦盆地贡觉组第3层段膏盐层形成于一个较封闭的陆相盐湖，蚀源区岩石风化产物是盐类物质的来源，且沉积环境对硫酸盐是封闭的。

囊谦盆地位于三江特提斯构造域中部，在其东南部有云南兰坪-思茅盆地勐野井钾盐矿床和泰国坷叻高原钾盐矿床，西段有中亚钾盐矿床；而囊谦盆地贡觉组第三层段δ34S值范围与兰坪盆地云龙组蒸发岩(12.6‰～17.6‰)(王立成等，2014)、泰国坷叻盆地马哈萨拉堪组蒸发岩(14.3‰～17.0‰)(Tabakh et al.,1999)基本一致。同处于三江特提斯构造带的囊谦盆地盐泉分布广泛(如多伦多、白扎、牛日哇、日阿忠、达改和查然宁等盐泉)，是沿断层上升的溶滤卤水出露地表而形成的(金玉声等，1984；韩继龙等，2015)。针对上述盐泉卤水进行了化学分析(韩继龙等，2015)，盐泉卤水主要离子成分为Na+和Cl-离子，含有较高的K+，Li+，B2O3，其中Na+含量变化范围为56.28～126.73g/L，平均为88.02 g/L；盐泉卤水矿化度范围为148.24～332.29 g/L，平均为231.60 g/L；钠氯系数n(Na/Cl)变化范围为0.996～1.121，镁氯系数n(Mg/Cl)介于0.001～0.017之间，判断盐泉卤水的成因类型为溶滤卤水。结合地质特征及化学分析研究，囊谦盆地盐泉广泛出露，具备探盐找钾、硼和锂的理想条件。

表2 囊谦盆地贡觉组Eg3蒸发岩硫同位素分析数据

5 结论

囊谦盆地贡觉组第三层段沉积了一套盐湖相含膏盐碎屑岩建造，成盐期间气候干湿交替且蒸发强烈；膏盐层以块状石膏岩、膏灰岩和泥膏岩为主，其次为石膏质泥岩、含膏泥岩、盐岩。

贡觉组第三层段的硫酸盐矿物发育在陆相碎屑岩系中，其δ34S值范围为14.7‰～22.6‰，平均值为16.8‰，位于古近纪海相蒸发岩中硫酸盐的δ34S值范围内且显著区别于缺氧环境中的δ34S值，表明其形成于一个较封闭的陆相盐湖，细菌的还原作用微弱，其对石膏硫同位素的分馏作用贡献甚微，与囊谦盆地贡觉组总体为氧化环境下的紫红色碎屑沉积相一致。

囊谦盆地盐泉资源广布，盐泉卤水主要成分为NaCl，含有一定量的K+，Li+，B2O3，其物质来源主要是蚀源区岩石风化产物和来自深部地下卤水。囊谦盆地是探盐找钾、硼和锂的理想场所。

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Characteristics of Gypsum-salt and Sulfur Isotopes in the GonjoFormation of Nangqen Paleogene Basin

DU Hou-fa1,2, JIANG Yuan-yuan3, JIANG Yong-biao2, YAN Zhao-bin2

(1. Key Laboratory of Radioactive Geology and Exploration Technology Fundamental Science for Nation Defense,Nanchang, JX 330013,China; 2.School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang,JX 330013,China；3.No.267 Geological Team, Nuclear Industry Geological Bureauof Jiangxi Province, Jiujiang, JX 332000,China)

The Nangqen basin is a typical representative of the medium-mini-type Paleogene basins, which consist of basic cyclicity of alternating claret-colored detrital rocks and gypsum-salt rock of saline lacustrine facies in the member 3 of gonjo formation. The depositional thickness show that the characteristics of thicker in southern and northern area is higher than that of central area. The distributional features and rock types of gypsolyte and the crystalline morphology of gypsum in the member 3 of gonjo formation were studied by means of field geological observations and indoors research, suggest that the gypsolyte thickness becomes thicker from lower to upper, and that its lithology is characterized mainly by the massive gyprock, gypsum limestone and argillaceous gypsum, and that several evaporite sedimentary sequences were developed within the member 3 of gonjo formation. In order to determine the origin of evaporite, the evaporites in different areas of the member 3 of gonjo formation and measured sulfur isotopes in gypsum are analyzed. The results showed that the δ34S values of gypsum and anhydrite varied from 14.7‰ to 22.6‰, with a median of 16.8‰, which are in the scope of the δ34S curve in the Paleogene marine evaporites and are quite different to the δ34S values in the oxygen-deprived environments. The study identified that Nangqen salt-lake was a continental brackish lake and the depositional environment was closed to sulfate, and that there is a reducing action of bacteria with feeble that has little contributions to the fractionation of gypsum sulfur isotope. Based on the characteristic analysis of gyprock and sulfur isotopes, combined with the information of salt spring water chemical analysis, the Gonjo formation of Nangqen basin is favorable to explore potash, lithium and boron.

Gypsum-salt; sulfur isotopes; sedimentary sequence；Nangqen basin; Gonjo formation

2016-05-19

国家自然科学基金项目“青藏高原东-北缘新生代Pb-Zn-Cu-Ag成矿系统及发育机制”(U0933605)；江西省“赣鄱英才555工程”领军人才培养计划项目(赣才字〔2012〕1号)；东华理工大学科研基金“囊谦古近纪盆地沉积特征及沉积环境分析”(DHXK1202)

杜后发(1982—)，男，讲师，博士生，主要从事岩石学教学和研究工作。E-mail: dhf 915@126.com

10.3969/j.issn.1674-3504.2017.02.009

P588.2

A

1674-3504(2017)02-0165-08