四川盆地东部地区早中三叠世蒸发岩的锶同位素特征及其地质意义

丁 婷 ,袁 苗,刘成林 ,赵艳军 ,朱志军,杨庆坤,5

(1． 东华理工大学 地球科学学院, 江西 南昌 330013; 2．中国地质调查局 乌鲁木齐自然资源综合调查中心, 新疆 乌鲁木齐 830057; 3. 中国地质大学(武汉), 湖北 武汉 430074; 4. 中国地质科学院 矿产资源研究所, 自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037; 5. 青海民族大学 旅游学院, 青海 西宁 810007)

锶元素在古海洋的研究中扮演着重要的角色(Wickman, 1948)。由于锶元素在海水中的残留时间长(约为106a),远远大于海水的混合时间(约为103a),所以在同一个时代,全球范围内锶的含量不存在区域差异,是均一的,锶同位素在地质历史时期的变化只与时间这一因素相关(Mcarthuretal., 2004; 沈立建等, 2021)。

锶同位素组成是海平面变化的灵敏指示剂(黄思静等, 2005, 2011; 胡作维等, 2008; Tripathiliuetal., 2013)。海水中的锶有两个主要的来源:壳源和幔源。大陆古老的风化壳提供了壳源的锶,这种壳源锶的87Sr/86Sr全球平均值为0.711 9(Palmer and Edmond, 1989),而幔源的锶同位素则由大洋中脊的热液提供,87Sr/86Sr的全球平均值为0.703 5(Palmer and Elderfield, 1985)。因来自于风化壳的87Sr/86Sr值比来自于幔源的87Sr/86Sr值要高,因此当87Sr/86Sr值增高时,则说明来自于大陆风化壳的物源增多,从而推断出当时海平面降低;相反当87Sr/86Sr值较低时,则说明地壳活动强烈(如全球构造活动、造山运动等),导致来自幔源的物质来源增多,从而推断当时海平面升高。因此,海相碳酸盐岩、硫酸盐岩等一些内源沉积物的锶同位素可以用来研究海平面的变化,进而还可以用来研究海水成分的变化(Clocchiattietal., 1994; Allègreetal., 1996; Denisonetal., 1998; Kato and Billinghurst, 1999)。

Verizer等(1999)分析了全球显生宙海相碳酸盐岩样品锶同位素的变化特征,发现三叠纪海相碳酸盐的锶同位素特征变化非常剧烈,在二叠纪末—早三叠世87Sr/86Sr值呈急剧上升趋势,早三叠世末到中三叠世早期,海水的87Sr/86Sr值则出现下降的趋势,这是因为在早三叠世晚期,生态得到了恢复,风化作用减小,同时全球发生了大量的地壳活动所致。而在中三叠世中期—晚三叠世早期,锶同位素特征则相对来说比较稳定,晚三叠世中期以后又出现了87Sr/86Sr值的增加。Warren(2010)、刘成林等(2016)通过对含盐沉积岩的锶同位素分析,判断蒸发岩沉积的流体来源及其沉积环境的变化特征。刘超飞等(2015)获得的川东地区海相碳酸盐岩的锶同位素演化曲线显示与全球锶同位素演化曲线一致,呈现上升的趋势,开始上升速率较慢,后来急剧上升,在早中三叠世分界处达到了最大值。

四川盆地海相三叠系一直都是中国找钾的重要层位(林耀庭, 1994)。长期以来,由于石油、天然气、富钾卤水矿、石膏、杂卤石和盐矿等资源的勘探开发,前人对四川盆地三叠系成盐条件进行了大量工作,取得了较深入的认识,从蒸发岩的生成模式和成盐机理(蔡克勤等, 1986; 林耀庭, 1994, 1995, 2003, 2009; 黄建国, 1998; 陈莉琼等, 2010; 李凌等, 2012)、古地理古环境(林耀庭等, 2005; 郭旭升, 2010)、盐盆地的分布(黄东等, 2013)、岩系剖面地球化学特征(胡作维等, 2007)、盐类矿物组合(廖林志等, 1984; 陈继洲, 1990)、盐卤水文地球化学特征及富钾卤水成因(林耀庭等, 1996, 2002, 2004; 李亚文等, 1998)等方面进行了分析,认为三叠系盐盆的形成环境为浅水蒸发成盐。作为中国重要的找钾盆地之一(蔡克勤等, 1986; 林耀庭,1994, 1995; 赵艳军等, 2015; 丁婷, 2017; 朱正杰等, 2021),四川盆地蒸发岩锶同位素的研究及其缺乏,大多都把重点放在碳酸盐岩的锶同位素研究上(黄思静等, 2006; 刘超飞等, 2015),鉴于此,本文重点对蒸发岩特别是硫酸盐(硬石膏)岩和石盐岩的锶同位素进行研究,从这一角度对四川盆地成钾条件进行分析和判断。

1 地质背景

四川盆地位于扬子地块的西部(图1),西以青藏高原东缘的松潘-甘孜褶皱带和龙门山冲断带为界,北以秦岭造山带南缘的米仓山穹隆和大巴山冲断带为界,东侧为华南造山带外缘的雪峰隆起和黔渝湘鄂褶皱带,它是上扬子准地台内通过北东向及北西向交叉的深断裂活动形成的菱形构造-沉积盆地(翟光明, 1989; 林良彪等, 2007; 孟昱璋, 2011),下中三叠统的蒸发沉积作用就在这个断拗式构造盆地中进行(林耀庭等, 2002)。

图1 四川盆地所处大地构造位置(孟昱璋, 2011)Fig. 1 The tectonic location of the Sichuan Basin (Meng Yuzhang, 2011)

四川盆地含盐地层主要出露于中下三叠统(朱正杰等, 2021)。下三叠统下部为飞仙关组(T1f),上部为嘉陵江组(T1j)。早三叠世初,整个四川盆地遭受海侵,飞仙关组为紫红色泥页岩夹泥灰岩、灰岩、鲕粒灰岩,属于滨浅海相沉积环境,不发育含盐层。嘉陵江组可分为5段: 嘉一段(T1j1)为大套灰-深灰色泥细粉晶灰岩,夹少量泥灰岩、薄层灰白色石膏;嘉二段(T1j2)以灰-深灰色白云岩、硬石膏、含膏盐岩、膏质云岩、泥质云岩为主;嘉三段(T1j3)以碳酸盐岩为主,为灰岩夹白云质灰岩,间或发育白云岩和硬石膏层;嘉四段(T1j4)以厚层硬石膏、盐岩、膏质云岩、灰岩、灰色白云岩、膏质云岩为主,部分层位见有菱镁矿和杂卤石;嘉五段(T1j5)下部以灰色泥细粉晶灰岩、鲕粒灰岩夹硬石膏层为主,上部为硬石膏、盐岩、膏质云岩(龚大兴等, 2015)。

2 样品采集及测试方法

本次研究的三叠系碳酸盐岩样品共有24个,主要来自于四川盆地东部的重庆合川剖面、四川华蓥山/领水县的仰天窝剖面、重庆韭菜坡剖面、重庆石柱剖面、重庆云阳剖面(图2)。采样时,考虑到干扰因素对测试结果的影响,只采取无后期蚀变、无方解石脉充填、无破碎现象的新鲜岩石。样品控制层位为飞仙关组、嘉陵江组和雷口坡组(在云阳和石柱地区中三叠统为巴东组)。硫酸盐岩样品主要来自于重庆忠县ZK01井(图3b),石盐岩样品主要来自重庆的长平3井(图3a)。

本次碳酸盐岩样品的锶同位素分析测试主要在中国科学院广州地球化学研究所完成,硫酸盐岩和石盐岩样品的锶同位素分析在澳大利亚昆士兰大学完成。锶同位素分析流程主要是加1 mL的2 mol/L的HNO3将样品溶解后蒸干,再用HNO3和HF将样品粉末溶解,用AG-50W-8X柱分离出Sr蒸干后稀释,在TheroFisher 公司的Nepture Plus 型的MC-ICP-MS上测试,测试采用NBS987的国际标准。

3 锶同位素分析结果

3.1 碳酸盐岩锶同位素特征

碳酸盐岩样品的锶同位素分析数据见表1。由表1可见,早中三叠世碳酸盐岩样品的87Sr/86Sr值分布范围为0.707 413～0.708 515,平均值为0.707 895,其中小于等于0.707 5的样品有7个,占整个样品数的29%; 0.707 5～0.708 0的样品数有5个,占整个样品数的21%; 0.708 0～0.708 5的样品数有11个,占46%;大于0.708 5的样品数的1个,占整个样品的4%。

表1 早中三叠世碳酸盐岩样品的锶同位素分析数据Table 1 Strontium isotopes of the carbonate rocks of the Early and Middle Triassic

不同层位样品的87Sr/86Sr值也不同。从图4可以看出,飞仙关组的87Sr/86Sr值最低,最小值为0.707 413,最大值为0.707 492,平均值为0.707 453;嘉陵江组的87Sr/86Sr最大值为0.708 314,最小值则为0.707 435,平均值为0.707 943;雷口坡组的87Sr/86Sr值的最小值为0.708 048,最大值为0.708 515,平均值为0.708 268。总体看来,从早三叠世到中三叠世早期,锶同位素呈快速增长的趋势,并随后下降。

图4 碳酸盐岩的锶同位素值在早中三叠世的分布图Fig. 4 Strontium isotopes diagram of carbonate rocks in Early and Middle Triassic

3.2 硫酸盐岩锶同位素特征

硫酸盐岩(硬石膏岩)样品来自重庆忠县的ZK01井,主要层位为中三叠统巴东组。总共测了76个样,其中有3个灰岩样品,73个硬石膏岩样品, 它们的87Sr/86Sr值比较稳定,最大值为0.708 307,最小值为0.708 149,平均值为0.708 174(表2)。

表2 ZK01井硫酸盐岩样品的锶同位素分析数据Table 2 The strontium isotopes of the sulfate rocks in ZK01

3.3 石盐岩锶同位素特征

石盐岩样品主要来自于重庆长寿的长平三井嘉陵江组四亚段橘红色石盐岩,属于强氧化环境下形成的石盐。它们的87Sr/86Sr最小值为0.708 151,最大值为0.708 257,平均值为0.708 177(表3)。

表3 长平3井石盐岩样品的锶同位素分析数据Table 3 Strontium isotopes of the halite rocks in well CP3

4 讨论

从图4可以看出碳酸盐岩的87Sr/86Sr值从飞仙关组期到雷口坡组期呈现一个逐渐增加的趋势,这与公布的全球三叠系锶同位素值(Verizeretal., 1999)有一定的一致性,即从二叠纪末到早三叠世末87Sr/86Sr值是逐渐增大的,到早三叠世末达到最大值,而中三叠世开始下降。前人(Verizeretal., 1999)认为在早三叠世末期达到最大值的这种现象与火山活动有关,上扬子板块上下三叠统广泛分布的绿豆岩(即水云母质粘土岩)证明其时本区与世界其他地区一样,火山活动比较频繁。

从图5中可以看出,随着深度的增加,硬石膏岩的87Sr/86Sr值不断变小,即从嘉陵江组到雷口坡组该值不断变小,这与全球三叠系和前文论述的碳酸盐岩的锶同位素组成从嘉陵江组到雷口坡组数值不断变小趋势是一致的。在本区钻孔内早中三叠世分界线附近有绿豆岩分布,而绿豆岩为喷发的酸性火山物质经过大气搬运、降落及蚀变而成(刘宝珺, 1981; 余子昭, 1992; 朱立军, 1995; 陈忠等, 1999),主要含有石英、长石和黏土矿物,其中黏土矿物成分主要是伊蒙混层,少量为伊利石(谢韬等, 2013; 孙艳等, 2017; 马圣钞等, 2019; 王宁祖等, 2019; 芦云飞等, 2020)或锂绿磷石-蒙脱石无序混合矿物(汤志凯, 1996)。这也说明在早三叠世锶的来源主要是壳源,而在早三叠世末期由于火山活动的影响,锶同位素的来源主要是幔源。

图5 忠县ZK01井硬石膏岩样品的87Sr/86Sr值分布图Fig. 5 Strontium isotope distribution of anhydrite rocksin well ZK01

图6中长平3井石盐岩的层位为嘉陵江组四亚段。从图6中可以看出,随着深度的增加,87Sr/86Sr值总体上是增大的,在沉积前期整个87Sr/86Sr值偏大,后期则偏小。

图6 长平3井石盐岩的87Sr/86Sr值分布图Fig. 6 Strontium isotope distribution of halite rocks in well CP3

综上所述,四川盆地东部地区碳酸盐岩的87Sr/86Sr值最小,硫酸盐岩其次,而石盐岩的87Sr/86Sr值最高。这3种岩石类型的87Sr/86Sr值都与已公布的其他地区三叠纪的87Sr/86Sr值(Verizeretal., 1999; 黄思静等, 2005, 2011; 胡作维等, 2008; Tripathiliuetal., 2013)基本一致,趋势一致。同时比较碳酸盐岩、硫酸盐岩、石盐岩,锶同位素随着蒸发浓缩,其87Sr/86Sr值相应地增加,这符合同位素的分馏规律。此地区在早中三叠世处在一个高温地区,同位素分馏明显。

早三叠世飞仙关组87Sr/86Sr值比较低,是因为在这一时期,生物处在一个生物复原期,全球古陆缺乏植被的保护、侵蚀作用和风化速率加快等(Korteetal., 2006; Sunetal., 2016),全球古陆的强烈侵蚀作用造成壳源放射性成因锶的增加,是全球海水锶同位素快速急剧上升的主要控制因素,而在早三叠世末达到了最大值。其后该值下降的速率快,这也证明当时在四川盆地早中三叠世时期有很频繁的火山活动,这与绿豆岩的出露相对应。

本次研究中碳酸盐岩、硫酸盐岩和石盐岩的锶同位素特征表明,四川盆地早中三叠世的成钾物质来源大部分为海水,沉积于海相的沉积环境,同时由于火山作用造成的温室效应也为钾盐沉积提供了气候条件。

5 结论

四川盆地早中三叠世蒸发岩的87Sr/86Sr值与世界其他地区的三叠纪蒸发岩的87Sr/86Sr值基本一致,基本上在早三叠世数值比较低,然后急剧上升,在早三叠世末达到最大值。这与世界上其他地区的锶同位素特征有着很强的一致性。四川盆地早中三叠世钾盐的物质来源主要是海水,同时火山作用也提供了部分的物质来源,成钾环境为海相沉积环境。

致谢感谢北京西城区办公室汪明泉博士在样品收集和实验过程中给予的帮助,感谢百色学院朱正杰教授在采样过程中给予的帮助,审稿专家提出了建设性修改意见,在此一并表示谢意。