巴颜喀拉盆地长石头山二叠纪-三叠纪碳酸盐岩丘的沉积岩石学和地球化学特征①

黄华谷 邸鹏飞 陈多福

(1.中国科学院广州地球化学研究所边缘海地质重点实验室 广州 510640;2.中国科学院研究生院 北京 100049)

巴颜喀拉盆地长石头山二叠纪-三叠纪碳酸盐岩丘的沉积岩石学和地球化学特征①

黄华谷1,2邸鹏飞1,2陈多福1

(1.中国科学院广州地球化学研究所边缘海地质重点实验室 广州 510640;2.中国科学院研究生院 北京 100049)

青海巴颜喀拉盆地长石头山二叠纪-三叠纪碳酸盐岩丘是由罕见的块状纯灰岩组成,灰岩具团块结构,由泥微晶方解石团块和栉状生长的泥微晶方解石胶结物组成,部分泥微晶方解石发生了重结晶作用。灰岩的矿物组成主要为方解石,平均含量达97%,化学成分除CaO外,其余均低于5‰。灰岩的5%HNO3可溶相(碳酸盐矿物)稀土元素页岩配分模式具有Ce负异常,与二叠纪海相灰岩、二叠纪海水和现代东太平洋海水基本一致。微量元素分析显示V/Cr比值极低,自生沉积的Uau仅为0.08～0.5μg/g,在还原环境中富集的元素U、V、Mo、Cr、Co、Cu和Zn含量偏低或缺失,表明碳酸盐岩可能是在开阔海氧化环境中的快速沉积产物。

碳酸盐岩丘 纯灰岩 沉积岩石学 地球化学 巴颜喀拉盆地

0 引言

巴颜喀拉沉积盆地位于青藏高原腹地的东北部,属于古特提斯构造带东段[1,2]。盆地面积逾70 X104km2,沉积主体由三叠纪浊积岩组成,其中发育有一些大小不一的碳酸盐台地[3,4]。

巴颜喀拉盆地长期以来是青藏高原大地构造和特提斯地质研究的热点和关键地区之一,但由于地质结构十分复杂和研究程度低,对于巴颜喀拉沉积盆地构造属性的认识,目前还没有统一的定论。任纪舜等[5]认为它是在劳亚大陆南缘形成的三叠纪巨型浊积岩沉积盆地。张国伟等[6,7]认为巴颜喀拉盆地是一个一直延续至中晚三叠纪的小洋盆。殷鸿福等[2,8]认为它是相当于现代印度-欧亚板块碰撞后形成的恒河孟加拉浊积扇,是昆仑造山后剥蚀搬运的“垃圾堆”。许志琴等[9]认为是主动大陆边缘的增生复理石楔。潘桂棠等[4]认为它属于是前陆盆地。张以茀等[10,11]将其划入华力西造山后的三叠纪裂陷盆地或活动型内陆海盆地。王永标等[12]认为早二叠世末在阿尼玛卿洋走向消亡和闭合的过程中,其南部的巴颜喀拉地块被引张、扩展,而最终形成巴颜喀拉海。张雪亭和朱迎堂等[3,13]认为是残留洋盆。

此外,杨欣德等[14]研究了巴颜喀拉山三叠系复理石沉积粒度概率累积曲线的特征,从早到晚平均粒径变粗、分选变好,认为巴颜喀拉山群为碎屑流复理石沉积。杜德勋等[15]研究了巴颜喀拉三叠纪沉积盆地砂岩的地球化学特征与物源区的构造背景,认为巴颜喀拉三叠纪沉积盆地物源区的大地构造背景在不同时期表现为被动大陆边缘,大陆岛弧,活动大陆边缘和大洋岛弧等。王永标等[16,17]研究了邻区的东昆仑早二叠世灰白色灰岩块体或灰岩山的沉积模式,认为它们是礁岛海沉积。但目前还没有对巴颜喀拉盆地中的台地相碳酸盐岩的沉积岩石学和地球化学特征开展研究。本文将对巴颜喀拉盆地长石头山二叠纪-三叠纪碳酸盐岩丘的沉积岩石学和地球化学特征进行研究,结果表明它们可能是开阔海氧化环境中快速沉积的碳酸盐岩。

1 区域地质与采样位置

研究区位于青海省果洛州花石峡镇长石头山的山口附近,在214国道北边,约距青海省果洛州玛多县60 km和花石峡镇20 km,距西宁近440 km(图1)。碳酸盐岩丘产于二叠系-三叠系的马尔争组(PT m)地层中。马尔争组是构造混杂岩,主要由碳酸盐岩岩片、复理石岩片、硅质岩和泥岩岩片、中基性火山岩和玄武岩岩片组成,与上覆地层三叠系巴颜喀拉山群(T B)整合接触。巴颜喀拉山群由灰绿色、紫灰色中厚层状具鲍马序列杂砂岩、灰黑色夹紫红色薄-中层泥质粉砂质板岩、含砾屑灰岩、生物碎屑灰岩和玄武岩岩块(片)组成[18](图1)。

样品采集于4个孤立的碳酸盐岩丘(图1),碳酸盐岩呈丘状发育于马尔争组产菊石的深灰色薄层状泥晶灰岩夹灰黑色板岩的地层中。由于第四系洪冲积物覆盖严重,无法观察到碳酸盐岩丘与围岩的接触关系(图2)。4个碳酸盐岩丘露头出露的宽度只有十几米到几十米,长度介于三十多米到一百多米之间。

2 实验方法

图1 区域地质图简图及采样位置[18]1.第四系;2.三叠系巴颜喀拉山群(T B);3.二叠系-三叠系马尔争组(PT m);4.二叠系-三叠系丘状灰岩;5.采样位置及碳酸盐岩丘编号;6.同位素年龄;7.断层.Fig.1 Simplified regional geologicalmap and sampling locations[18]

图2 碳酸盐岩丘的野外照片A.1号碳酸盐岩丘;B.2号碳酸盐岩丘;C.3号碳酸盐岩丘;D.4号碳酸盐岩丘Fig.2 The photos of carbonatemounds

野外采集的丘状灰岩样品在室内用蒸馏水冲洗,室温环境干燥,将部分样品制成光薄片,薄片在LEICA-DMR光学显微镜下观察,图像用高清晰数码相机LEICA DC500拍摄。部分样品破碎到1 cm大小的碎块,选取新鲜部分研磨至200目以下粉末,用于XRD和地球化学分析。

全岩粉末样品的物相分析(XRD)由中国科学院广州地球化学研究所的Rigaku DXR 3000完成,工作参数为Cu靶Kα射线,石墨单色器,测试电压为40 kV,电流为40 mA,扫描角度为5°～70°(2θ),步进扫描,步宽为0.02°,发散狭缝为0.5°,接受狭缝为0.15 mm,防散射狭缝为0.5°,矿物含量是依面积法进行半定量分析,结果由SIROQUANT程序分析完成[19]。

碳和氧同位素分析和全岩的常量元素分析在中国科学院广州地球化学研究所的同位素年代学与地球化学重点实验室完成,碳和氧同位素用 GV IsoPrime II型稳定同位素质谱(IRMS)分析,结果采用δ(‰)表示,相对标准为Vienna PeeDee Belemnite (VPDB),精度分别优于0.05‰和0.08‰,标准偏差均优于0.1%(2σ)[20]。常量元素用Varian Vista-PRO ICP-AES分析,使用外标法测定样品的常量元素含量,HF-HNO3法进行样品进行溶样,样品溶液加入中Lu-HNO3溶液作为内标用以矫正系统误差,标准偏差(RSD)小于1%[21]。

丘状灰岩的碳酸盐矿物相的微量元素和稀土元素分析在中国科学院地球化学研究所进行,分析流程为称取0.05 g样品,放入50 m l离心管中,加入5%的HNO3至22.5 ml和Rh内标500 ng,拧紧盖子,放平“溶样管”摇匀,半个小时摇一次,共6次。6 h后,加去离子水至50 ml,然后沉淀、离心。最后在Finnigan MAT公司ELEMENT型高分辨率ICP-MS上测定5%的HNO3可溶碳酸盐矿物相的稀土元素和微量元素含量。分析平均标准偏差小于10%,平均相对标准偏差优于5%[22]。

3 结果与讨论

3.1 岩石学

巴颜喀拉长石头山二叠纪-三叠纪的丘状灰岩是由浅灰色-深灰色无层理的块状灰岩组成,块状灰岩部分表面呈致密状,在1和2号岩丘可见微体古生物;部分节理发育二组和三组节理,使得灰岩显得极为破碎(图3A)。此外,在2号丘底部发育角砾灰岩,角砾呈球状或椭球状,粒径相差较大,2～10 cm(图3B)。说明碳酸盐岩丘形成于一个相对氧化环境,并受到明显的后期改造。

灰岩多由灰白色的泥微晶方解石团块和深灰色栉状方解石微细晶胶结物组成(图3C),主要有晶粒结构、团块结构、栉壳等厚边结构和纤状结构。晶粒结构可分为泥微晶结构、细晶结构、中晶结构和粗晶结构,泥微晶方解石部分重结晶形成细晶方解石、中晶方解石和粗晶方解石;泥微晶方解石标本上多呈深灰色和灰黑色,显微镜下为浊晶,细晶方解石、中晶方解石和粗晶方解石多为亮晶方解石。团块主要由微米级大小的泥微晶方解石组成(图3D),具不规则的形状,大小介于1 cm到几厘米之间。具栉壳等厚边结构的胶结物沿泥微晶团块呈梳状生长,显微镜下呈纤状结构(图3E)。

此外,显微镜观察到有钙质海绵骨针和藻类化石,钙质海绵骨针呈网格状排列(图3F和G)。碳酸盐岩丘中发育有多期次的方解石脉,大小不一,长介于几厘米到几米之间,最长达10 m以上,宽1 mm到10 mm,最宽可达5 cm以上(图3A和图3E)。1号和3号丘灰岩样品发育有少量的石英和重晶石。石英多为单个颗粒镶嵌在方解石中,部分呈集合体状产出,重晶石呈长条板状(图3H)。

3.2 地球化学

3.2.1 矿物与常量元素

巴颜喀拉长石头山二叠纪-三叠纪的丘状灰岩的XRD分析结果显示主要由方解石组成,含量为93%～98%,平均为97%,部分样品含少量的皂石、白云石、重晶石和石英(表1)。常量元素分析显示丘状灰岩的CaO含量介于51.33%～54.71%之间,平均值为53.38%,其CaO含量接近于方解石的理论值56.03%,而Al2O3、Fe2O3、K2O、MgO、MnO、Na2O、P2O5和TiO2等含量都低于5‰(表2),表明丘状灰岩非常纯,主要由方解石组成。

3.2.2 稀土元素

巴颜喀拉长石头山二叠纪-三叠纪的丘状灰岩的稀土元素总量(∑REE)偏低,7个样品的∑REE为7.69～24.68μg/g,平均值为14.35μg/g(表3).REE﹥MREE﹥HREE,具轻稀土元素相对富集的特征。碳酸盐矿物(5%HNO3可溶相)页岩标准化稀土元素配分模式具有极好的一致性(图4),均呈中稀土富集的上凸型,Ce/Ce*比值介于0.27～0.38之间(平均值为0.32),Ce呈明显的负异常,Eu/Eu*介于0.98～1.33之间(平均值为1.09),Eu呈正常或微正异常,这与二叠纪海相灰岩、二叠纪海水和现代东太平洋海水页岩标化准化模式一致(表3和图4)。此外,巴颜喀拉长石头山二叠纪-三叠纪的丘状灰岩的Pr/Pr*和Ce/Ce*与现代开放大洋海水相似[23]。表明丘状灰岩的REE保持原始沉积特征,丘状灰岩为开阔大洋沉积,巴颜喀拉海在晚二叠纪-三叠纪初是一个开阔海。

图3 巴颜喀拉盆地长石头山丘状灰岩沉积结构与构造A.无层理块状灰岩;B.箭头所指为灰岩角砾的横切面,呈椭圆状和近圆状;C.岩石标本照片,白色箭头所指为团块,黑色箭头所指为栉状胶结物,图中比例尺每格为1 cm;D.泥微晶方解石团块;E.箭头所指为胶结物呈纤状生长的方向;F.箭头所为藻类的横切面;G.网格状钙质海绵骨针;H.呈长条板状的重晶石.Fig.3 The sedimentary textures of limestone of Longstone Mountain in Bayan Har Basin

表1 巴颜喀拉盆地长石头山丘状灰岩的XRD分析结果Table1 XRD analysis ofmound limestone of Long Stone M ountain in Bayan Har Basin

表2 巴颜喀拉盆地长石头山丘状灰岩的常量元素含量Table2 M ajor elements ofmound limestone of Long Stone M ountain in Bayan Har Basin

表3 巴颜喀拉盆地长石头山丘状灰岩的稀土元素含量(μg/g)Table3 The rare elements ofmound limestone of Long Stone M ountain in Bayan Har Basin(μg/g)

图4 丘状灰岩与海水页岩标准化REE配分模式对比图A.巴颜喀拉长石头山7个丘状灰岩页岩标准化稀土元素配分模式;B.巴颜喀拉长石头山丘状灰岩平均值与二叠纪灰岩、二叠纪海水和现代东太平洋海水[23]的页岩标准化REE配分模式对比图Fig.4 The comparison chart ofmound limestone and seawater shale-normalized REE distribution pattern

在氧化环境的海水中,Ce3+可以被氧化成为难溶的Ce4+而沉淀,造成海水Ce亏损,因而Ce异常可以作为判别古海洋氧化-还原的指标[24,25].au和Nothdurft等[26,27]认为当Pr/Pr*>1.0,Ce/Ce*<1.0时,显示正常的Ce负异常。巴颜喀拉长石头山二叠纪-三叠纪丘状灰岩的Ce/Ce*为0.27～0.38,Pr/ Pr*为1.17～1.63,显示长石头山丘状灰岩形成于氧化的开阔海环境。

巴颜喀拉长石头山二叠纪-三叠纪的丘状灰岩稀土总量(∑REE)与Al、Cu、Zn、K和Ti之间的相关系数为0.81～0.90,呈明显的正相关,而与水成元素Ca、Mg和Mn的相关系数为0～0.33,没有相关性(表4),说明丘状灰岩的稀土元素主要与沉积环境背景值有关,与碳酸盐矿物没有关系。

3.2.3 微量元素

巴颜喀拉长石头山二叠纪-三叠纪的丘状灰岩中的Re、Cd、U、V、Mo、Cr、Co、Cu和Zn等氧化-还原敏感元素的含量偏低或缺失./Cr比值平均为0.09,远小于2.00。自生沉积的*Uau含量为0.08～ 0.5μg/g,平均为0.22μg/g,U含量明显高于Th,U/ Th比值的平均值为2.33(表5)。

一般认为Re、Cd、U、V、Mo、Cr、Co、Cu和Zn是氧化-还原敏感元素,容易在缺氧的沉积环境沉积物中富集,在氧化的沉积环境中易溶不富集,它们的含量低或缺失代表沉积物形成于氧化环境[31～35]。

虽然V和Cr在氧化环境中都是溶于水,在还原环境中易富集于沉积物中,但V的还原出现在反硝化作用界线的下部,Cr的还原出现在界线的上部[36]。因此,V/Cr比值可以作为判别古海洋的氧化还原环境的指标[37]。通常2.00﹤V/Cr﹤4.25代表次富氧环境,V/Cr﹤2.00代表富氧环境,V/Cr﹥4.25则代表贫氧或缺氧环境(表6)[31]。

表4 ∑REE与常量元素的相关系数Table4 Correlation between∑REE and major element contents

表5 巴颜喀拉盆地长石头山丘状灰岩的微量元素含量(μg/g)Table5 The trace element contents ofmound limestone of Long Stone M ountain in Bayan Har Basin(μg/g)

U在氧化环境中常以UO2(CO3存在,并具有高溶解度,在还原环境中UO2(CO3容易以扩散方式从海水进入沉积物,还原成UO2、U3O7或U3O8并固定在沉积物中,造成沉积物中U的富集[31,35]。因此,自生沉积的*Uau可以作为判别氧化还原条件的指标,*Uau﹦总U含量-Th/3。当*Uau<5.0μg/g时,代表富氧环境;当5.0μg/g<*Uau<12.0μg/g时,代表次富氧环境;当*Uau>12.0μg/g时,代表贫氧和缺氧环境(表6)[31]。

巴颜喀拉长石头山所分析的7个丘状灰岩的U、V、Mo、Cr、Co、Cu和Zn元素含量的偏低或缺失,V/Cr比值小于0.22,*Uau为0.08μg/g～0.5μg/g(表5),均指示丘状灰岩形成于富氧环境。

3.3 碳和氧同位素

巴颜喀拉长石头山二叠纪-三叠纪丘状灰岩的δ13CPDB为+4.30‰～ +5.93‰,δ18OPDB为-13.72‰～-11.27‰。不同颜色的泥微晶方解石、胶结物和脉状方解石的碳和氧同位素值基本一致(表7)。

表6 不同氧化-还原环境的微量元素判别参数Table6 Parameters of trace elements under different redox conditions

Derry等[38]认为当碳酸盐岩的δ18OPDB﹤-10‰X10-3时,岩石发生了强烈蚀变.aufman等[39]认为当碳酸盐岩的δ18OPDB﹤-11‰时,岩石发生强烈蚀变。本文分析的丘状碳酸盐岩δ18OPDB为-13.72‰～-11.27‰,显示了成岩后期的改造。

表7 巴颜喀拉盆地长石头山丘状灰岩碳、氧同位素测试结果Table7 Stab le carbon and oxygen isotopes ofm ound limestone of Long Stone M ountain in Bayan Har Basin

Bartley[40-42]等认为将 δ18OPDB与 δ13CPDB或δ18OPDB和Mn/Sr比值做相关性分析,如果两个因素之间没有任何相关性,则这两个因素不受同一成岩作用的控制。所采集丘状灰岩样品的碳同位素和氧同位素相关系数仅为0.22(图5),氧同位素和Mn/Sr比值的相关系数仅为0.01(图6),说明δ13CPDB和δ18OPDB不受同一成岩作用的控制.udson总结了一般海相碳酸盐岩的δ13CPDB均值为-5‰～+5‰[43]。巴颜喀拉长石头山二叠纪-三叠纪丘状灰岩的δ13CPDB为+4.30‰～+5.93‰之间,基本属于正常海相碳酸盐岩范围之内,与易受后期改造的δ18OPDB值不同,它的δ13CPDB受后期改造影响不大。

图5 碳同位素与氧同位素相关图Fig.5 The correlation diagram of stable carbon isotope and oxygen isotope

图6 氧同位素与Mn/Sr比值相关图Fig.6 The correlation diagram of stable oxygen isotope and Mn/Sr ratio

4 结论

青海巴颜喀拉长石头山二叠纪-三叠纪的碳酸盐岩丘是由罕见的块状纯灰岩组成,灰岩方解石含量高达93%～98%,平均含量达97%。此外,碳酸盐岩丘发育有钙质海绵骨针和藻类化石。碳酸盐矿物稀土元素总量为7.69～24.68μg/g,呈中稀土元素富集特征,页岩标准化配分模式与二叠纪海相灰岩、二叠纪海水和现代东太平洋海水基本一致。灰岩具有明显的负异常,V/Cr比值小于0.22,自生沉积的Uau为0.08～0.5μg/g,代表还原环境的U、V、Mo、Cr、Co、Cu和Zn元素含量偏低或缺失,表明丘状灰岩形成于相对氧化的环境。丘状灰岩δ13CPDB为+4.30‰～ +5.93‰,δ18OPDB为-13.72‰～-11.27‰,δ18OPDB值可能是受成岩后期的影响,而δ13CPDB基本上保持了原始沉积的特征。因此,这种几乎完全由方解石组成的碳酸盐岩可能是相对氧化的开阔海环境中快速沉积的产物。

致谢 感谢中国科学院广州地球化学研究所陈先沛老师对薄片观察和论文撰写提供的指导,海南地质勘查局朱迎堂教授级高工提供资料和在野外采样工作中提供车辆,中国科学院广州地球化学研究所王辅亚老师帮助完成XRD的半定量分析,中国科学院广州地球化学研究所邓文峰老师帮助完成碳氧同位素的测试,刘颖老师指导完成常量元素的测试,中国科学院地球化学研究所漆亮研究员指导完成微量元素和稀土元素的测试,青海西宁市的张云司机在野外采样的帮助,编辑部和审稿专家给予的建设性意见。笔者在此一并深表谢意。

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Sedimentary Petrology and Geochem istry of Perm ian-Triassic Carbonate M ounds in Long-Stone M ountain in Bayan Har Basin

HUANG Hua-gu1,2DIPeng-fei1,2CHEN Duo-fu1
(1.Key Laboratory of M arginal Sea Geology,Guangzhou Institute of Geochem istry,Chinese Academ y of Sciences,Guangzhou 510640,China; 2.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

The Bayan Har sedimentary basin has been a hotspot and key area in studying Qinghai-Tibet Plateau geotectonics and Tethys,which is located in the northeast of Qinghai-Tibet Plateau hinderland.The domination sedimention of Bayan Har basin which has some different sizes of limestone platforms or limestone mounds are composed of Triassic turbidite rocks.In this paper,we study the sedimentary environment of hummocky limestone by the way of sedimentary petrology and geochemistry.

Samples of this paper were collected from four isolated carbonatemounds on Long Stone Mountain of Bayan Har Basin,Qinghai province,which was developed in the Permian-Triassic Maerzheng Formation strata with Ammonoid that produced a dark gray thin-bedded micritic limestone and gray-black slate。

XRD analysis showed that the average calcite content of hummocky limestone from Permian-Triassic strata of Long Stone Mountain of Bayan Har Basin is up to 97%.ajor element analysis showed that the CaO average content of hummocky limestone is up to 53.38%,so the CaO content is close to the theoretical value of calcite 56.03%, while Al2O3,Fe2O3,K2O,MgO,MnO,Na2O,P2O5,TiO2and others content are below 5‰.hose indicate that the chemical and minerals composition of carbonate are very pure。

The shale-normalized REE patterns of 5%HNO3 soluble phase of limestone(carbonateminerals)showed total rare earth elements(ΣREE)were low,negative Ce anomaly,Eu was normal or slightly positive anomalies,Pr/Pr*was from 1.17 to 1.63.t is consistentwith those of Permian limestone,Permian sea water,and modern eastern Pacific sea water and illustrated that it formed in oxidation environment of the open sea。

The correlation coefficient between total rare earth(ΣREE)and Al,Cu,Zn,K and Tiwere from 0.81 to 0.90 and showed a positive correlation,and the correlation coefficient between total rare earth(ΣREE)and Ca,Mg,Mn were from 0 to 0.33 and illustrated there was no obvious relevance or relevance.It is said that rare earth elements of hummocky limestonemainly related to the background value of sedimentary environment and has nomatter with carbonateminerals。

Hummocky limestoneδ13CPDBwere from+4.30‰to+5.93‰andδ18OPDBwere from-13.72‰ to-11.27‰。δ13CPDBis basically consistent with the normalmarine carbonate scope and indicatingδ13CPDBremained the original sedimentary characteristics of hummocky limestone.Butδ18OPDBwas significantly affected by diagenesis and did not represent the original sedimentary features。

The V/Cr ratios of limestone are very low,*Uau values are only from 0.08μg/g to 0.5μg/g,and the contents of U,V,Mo,Cr,Co,Cu and Zn elements,thatwere enriched in anoxic environment,are low or absent.All instructed that limestone formed in oxygen-rich environment。

All above sedimentary rocks and geochemical characteristics show that the Permian-Triassic hummocky limestonemight be the product of rapid deposition in relatively oxic environment of open sea。

carbonatemounds,pure limestone,sedimentary petrology,geochemistry,Bayan Har Basin

黄华谷 男 1981年出生 博士研究生 地球化学 E-mail:huanghg@gig.ac.cn

陈多福 E-mail:cdf@gig.ac.cn

P588.24+5

A

1000-0550(2012)01-0054-12

①国家自然科学基金项目(批准号:40872079,40725011)资助。

2011-02-23;收修改稿日期:2011-04-21