張 帥 柳益群 李 紅 焦 鑫 周鼎武

1西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室，西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西西安 710069 2中國科學(xué)院青藏高原研究所，高寒生態(tài)與生物多樣性重點實驗室，北京 100101 3中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

a—準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷地質(zhì)簡圖；b—石炭系—三疊系地層簡表圖 1 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷地質(zhì)概況圖(據(jù)匡立春等，2013；有修改)Fig.1 Geological outline of Jimusar sag，Junggar Basin(modified from Kuang et al.， 2013)

可能由于缺乏較好的白云化作用的物質(zhì)基礎(chǔ)或白云石沉淀的條件，關(guān)于現(xiàn)代白煙囪中的白云石少有報道(Shanks Ⅲ，2001)，且無成因機理研究。而對地質(zhì)歷史時期的熱液沉積白云石的研究有一定的基礎(chǔ)。Ilich(1974)對南斯拉夫Inner Dinarides地區(qū)中新統(tǒng)紋層狀白云巖的研究，表明其為熱液進入湖盆后直接沉淀形成，首次提出“熱液沉積白云巖”(Hydrothermal-Sedimentary Dolomite)，白云石呈微晶與菱鎂礦共生，湖盆基底為大型橄欖巖—蛇紋巖體，為白云石和菱鎂礦提供了充足的鎂鐵離子。該研究是世界首例同沉積環(huán)境中形成的熱液白云巖，但一直未受到關(guān)注。時隔近30年后，鄭榮才等(2003)研究認(rèn)為，中國酒西盆地下白堊統(tǒng)中存在類似成因的熱液噴流沉積白云巖，認(rèn)為其屬于“湖相白煙型噴流巖”(鄭榮才等，2006)。自此，在中國多個沉積盆地中發(fā)現(xiàn)了熱液沉積成因的白云巖/白云石(戴朝成等，2008；Zhangetal.， 2010；柳益群等，2010；Liuetal.， 2012；郭強等，2012；Wenetal.， 2013；鐘大康等，2015，2018；傅饒等，2015；常海亮等，2016；陶剛等，2016；李紅等，2017；焦鑫等，2017a；陳志鵬等，2018;Jiaoetal.， 2018)。熱液沉積白云巖多由微晶鐵白云石組成，與沸石類、鈉長石、重晶石、石英等低溫?zé)嵋旱V物以及少量黃鐵礦、閃鋅礦、方鉛礦等共生，以發(fā)育紋層狀、網(wǎng)脈狀構(gòu)造、同生變形構(gòu)造和熱水內(nèi)碎屑結(jié)構(gòu)為特征。

上述研究判別熱液沉積白云巖的主要依據(jù)為礦物組合、宏觀結(jié)構(gòu)構(gòu)造和地球化學(xué)特征。熱液沉積白云石多呈微泥晶，其微觀特征及其與共生礦物之間的結(jié)構(gòu)特征應(yīng)為成因判別的直接證據(jù)，然而已有研究均忽略了這一點?？紤]到現(xiàn)代環(huán)境中缺乏熱液沉積白云巖，且白云石可形成于沉積成巖的各個階段，其成因具有一定的復(fù)雜性，因此很有必要從微觀尺度上對熱液沉積白云巖進行剖析，結(jié)合地球化學(xué)特征，進一步揭示其形成機制。

本研究在中國準(zhǔn)噶爾盆地東部吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組中發(fā)現(xiàn)了與幔源流體相關(guān)的熱液噴流沉積白云巖。對該類新型的白云巖進行微米尺度的巖相學(xué)研究，結(jié)合同位素地球化學(xué)研究，并與同層位云質(zhì)巖進行對比研究，闡明其微觀特征并探討成礦流體性質(zhì)與形成機理，促使這一新型的白云巖成因類型為更多人所認(rèn)知。

1 研究區(qū)概況

準(zhǔn)噶爾盆地位于中國新疆維吾爾自治區(qū)北部(圖 1-a)。盆地周邊被山系圍限，基底由石炭系及其以前的微陸塊、洋盆及島弧組成(Bianetal.， 2010)。晚石炭世，準(zhǔn)噶爾地塊與北部西伯利亞板塊和南部塔里木—中天山板塊之間的古洋盆分別閉合(李錦軼等，1990；Carrolletal.， 1995)，受此影響，早二疊世海水從盆地退出，僅殘存東南部博格達裂谷海水伸入盆地并與外海溝通(Wartesetal.， 2002)。包括準(zhǔn)噶爾盆地在內(nèi)的北疆地區(qū)進入板內(nèi)伸展階段(Zhouetal.， 2006；方世虎等，2006；盧苗安，2007)，準(zhǔn)東地區(qū)進入裂陷盆地演化階段(方世虎等，2006)。中晚二疊世，準(zhǔn)噶爾盆地與吐哈盆地發(fā)育單個大型湖泊(Wartesetal.， 2002)，沉積了一套近2000-m厚、總有機碳含量超過20%的富有機質(zhì)細(xì)粒湖相沉積巖(Grahametal.， 1990；Carrolletal.， 1992)。盆地東部的吉木薩爾凹陷(圖 1-b)二疊系在此背景下形成，為一套半深湖—深湖相紋層狀沉積巖。

吉木薩爾凹陷自下而上發(fā)育下石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組、中二疊統(tǒng)將軍廟組和蘆草溝組及上二疊統(tǒng)梧桐溝組(圖 1-c)。蘆草溝組是一套受機械沉積作用、化學(xué)沉積作用、火山作用(邵雨等，2015；葸克來等，2015；宋永等，2017)及巖漿—熱液噴流沉積作用(Jiangetal.， 2015；李紅等，2017；柳益群等，2018)綜合影響的細(xì)粒湖相沉積巖系。巖性以云質(zhì)巖類和沉凝灰?guī)r類為主。云質(zhì)巖中的白云石為準(zhǔn)同生白云石，主要呈微晶與凝灰碎屑或陸源碎屑混合，同位素地球化學(xué)特征顯示其可能受到幔源熱液活動影響(張帥等，2018)。除正常沉積成因的物質(zhì)組分外，蘆草溝組中還發(fā)育有大量巖漿—熱液沉積巖，表現(xiàn)為粗粒棱角狀的方解石礦物或集合體呈“斑狀”產(chǎn)出于細(xì)粒的基質(zhì)中，方解石的流體包裹體均一溫度高達400-℃(李紅等，2017；柳益群等，2018)。

2 樣品與實驗方法

本研究通過手標(biāo)本觀察和薄片鏡下鑒定，在吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組J37井巖心中發(fā)現(xiàn)一處特征區(qū)別于云質(zhì)巖的方沸鈉長白云巖(深度2849.3-m)以及一處硅質(zhì)白云巖(深度2863.6-m)。另外，在J174井深處發(fā)現(xiàn)一處含水銨長石鈉長白云巖(深度3126.5-m)。選擇方沸鈉長白云巖、硅質(zhì)白云巖與含水銨長石鈉長白云巖各一套樣品進行全巖X衍射分析、電子探針分析、電子探針背散射圖像與掃描電鏡二次離子圖像觀察、白云石有序度分析、碳、氧同位素分析及鍶同位素分析。為了對比研究，結(jié)合薄片鏡下鑒定，在J174井選取準(zhǔn)同生成因(張帥等，2018)的自形—半自形微晶白云巖共3個樣品進行鍶同位素和碳氧同位素分析。為了保證樣品純度和數(shù)據(jù)可靠性，所有樣品均取新鮮部分。用于白云石有序度分析的樣品白云石含量大于40%、且不含黏土礦物，用于碳、氧同位素測試的樣品白云石含量大于35%、且不含其他碳酸鹽礦物，用于鍶同位素測試的樣品白云石含量大于90%、且不含其他碳酸鹽礦物。由于本研究發(fā)現(xiàn)的上述各類白云巖礦物組成較復(fù)雜，全巖樣品中的白云石含量通常難以達到實驗要求，因此結(jié)合偏光顯微鏡與背散射圖像研究，使用微鉆鉆取白云石富集的部位，用于各項測試。

X衍射分析、電子探針分析和白云石有序度分析在西安地質(zhì)研究所實驗測試中心完成，X衍射分析和白云石有序度分析的儀器型號為D/max-2500 X射線衍射儀；電子探針分析儀器型號為JXA-8100電子探針儀，實驗電子束加速電壓為15 kV，電流為10nA，電子束斑直徑為2～5-μm。掃描電鏡分析和鍶同位素分析在西北大學(xué)大陸動力學(xué)國家重點實驗室完成，掃描電子顯微鏡型號為FEI Quanta 400 FEG，電鏡像散小于等于50-μm，放大倍數(shù)7～1000000倍，圖像分辨率小于等于3.5-nm；鍶同位素分析的儀器為英國Nu Instrument公司生產(chǎn)的多離子等離子體質(zhì)譜儀Nu Plasma。碳、氧同位素分析在中國科學(xué)院地球環(huán)境研究所完成，儀器型號為MAT252氣體穩(wěn)定同位素質(zhì)譜儀，國家標(biāo)準(zhǔn)TTB1(GBW04405)樣品的分析精度，碳同位素優(yōu)于±0.06‰，氧同位素優(yōu)于±0.08‰。

3 實驗結(jié)果

3.1 巖石學(xué)與礦物學(xué)特征

方沸鈉長白云巖、硅質(zhì)白云巖和含水銨長石鈉長白云巖的礦物組成及含量見表 1。其中方沸鈉長白云巖含水銨長石鈉長白云巖隨深度增加白云石含量逐漸減少，過渡為云質(zhì)鈉長水銨長石巖，本研究重點關(guān)注上部的含水銨長石鈉長白云巖。

表 1 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng) 蘆草溝組白云巖X衍射分析結(jié)果Table1 XRD analysis results of dolostones in the Middle- Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

方沸鈉長白云巖由下部方沸石—長石—白云石透鏡體和上部白云石層組成(圖 2-e)，二者間以一薄層灰黑色含凝灰質(zhì)白云巖(圖 2-a)為界；底部與凝灰質(zhì)白云巖(圖 2-h)接觸，界線不規(guī)則(圖 2-g)，邊界附近的凝灰質(zhì)白云巖紋層圍繞邊界變形(圖 2-e)，表明方沸鈉長白云巖于沉積期形成。

硅質(zhì)白云巖(圖 3)與含水銨長石鈉長白云巖(圖 4)巖石宏觀特征與普通沉積巖無顯著差異，X衍射分析與微米尺度的巖相學(xué)特征表明其具有特殊的礦物組成(表1)與結(jié)構(gòu)構(gòu)造，表明具有不同于正常湖相沉積物的成因。

3.1.1 方沸鈉長白云巖

方沸鈉長白云巖中，方沸石呈自形—半自形晶體，正交鏡下方沸石部分消光(圖 2-a，2-c，2-d)；電子探針分析表明部分消光是由于方沸石被鉀長石和水銨長石部分交代(圖 2-i)；方沸石被鉀長石、水銨長石和自形板狀鈉長石膠結(jié)(圖 2-a，2-c，2-d，2-f，2-i)。白云石主要呈團塊狀集合體，包繞方沸石—長石集合體(圖 2-c，2-d)。單個白云石呈球狀或葡萄狀微粉晶顆粒，粒度為5～15-μm(圖 2-f)。掃描電鏡下的球狀白云石(圖 2-n)明顯區(qū)別于同層位正常沉積巖中自形菱面體的白云石(圖 2-o)。

方沸鈉長白云巖向上礦物組合明顯單一化，以白云石為主(圖 2-b，2-j)，石英和長石陸源碎屑(圖 2-k)或晶屑(圖 2-l，2-m)散布于基質(zhì)的白云石中。有2個特殊現(xiàn)象應(yīng)該被關(guān)注，其一，被白云石膠結(jié)的鉀長石碎屑邊緣為“浸染狀”水銨長石環(huán)帶(圖 2-k)；其二，被白云石膠結(jié)的鈉長石晶屑被白云石交代，殘留下不規(guī)則的鈉長石，背散射圖像下晶屑原有邊緣仍清晰可見(圖 2-m，紅色虛線)，部分顆粒完全被白云石交代(圖 2-l，2-m)。

3.1.2 硅質(zhì)白云巖

硅質(zhì)白云巖僅由白云石和玉髓組成(表 1)。單偏光下，白云石呈灰黑色球粒，粒徑10～50-μm，邊界不規(guī)則(圖 3-d，3-e，3-f)。球粒從外向內(nèi)FeO含量先降低后增加，在背散射圖像下顯示環(huán)帶結(jié)構(gòu)(圖 3-f)。球粒組成團簇狀集合體，集合體之間充填有玉髓(圖 3-b，3-c)。

圖 2 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組方沸鈉長白云巖特征Fig.2 Characteristics of analcime-albite dolostone in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

圖2說明： a—方沸鈉長白云巖中間薄層暗色粉砂質(zhì)白云巖，正交光，J37井，2849.3-m；b—方沸鈉長白云巖上部，正交光，J37井，2849.3-m；c—方沸鈉長白云巖，白云石與方沸石、鈉長石等礦物鑲嵌結(jié)晶，或呈層狀或團簇狀集合體產(chǎn)出，正交光，J37井，2849.3-m；d—方沸鈉長白云巖，白云石集合體包繞方沸石和鈉長石，正交光，J37井，2849.3-m；e—方沸鈉長白云巖及其下部的凝灰質(zhì)白云巖(下部灰黑色巖層)，J37井，2849.3-m；f—圖d的f區(qū)域，方沸鈉長白云巖，白云石呈球狀、葡萄狀產(chǎn)出，與方沸石、鈉長石、鉀長石及水銨長石共生，背散射圖像，J37井，2849.3-m；g—方沸鈉長白云巖與下部凝灰質(zhì)白云巖的界線，正交光，J37井，2849.3-m；h—圖e中的h區(qū)域，方沸鈉長白云巖下部的含凝灰質(zhì)白云巖，正交光，J37井，2849.3-m；i—圖d中的i區(qū)域，方沸鈉長白云巖，方沸石內(nèi)部和粒間存在鉀長石與水銨長石的交生體，背散射圖像，J37井，2849.3-m；j—圖b中的j區(qū)域，方沸鈉長白云巖上部，背散射圖像，J37井，2848.8-m；k—方沸鈉長白云巖上部的白云巖，白云石膠結(jié)鉀長石，鉀長石邊緣形成水銨長石，背散射圖像，J37井，2848.8-m；l—方沸鈉長白云巖上部的白云巖，白云石膠結(jié)并交代鈉長石晶屑，背散射圖像，J37井，2848.5-m；m—同l，白云石交代鈉長石，背散射圖像，J37井，2848.5-m；n—他形微粉晶白云石，掃描電鏡二次離子圖像2848.5-m；o—同層位正常沉積巖中的自形白云石，掃描電鏡二次離子圖像，J37井，2783.5-m。 (紅點為電子探針分析點；Dol： 白云石；Ab： 鈉長石；Kf： 鉀長石；Bdt： 水銨長石；Q： 石英；Ana： 方沸石)

a—硅質(zhì)白云巖手標(biāo)本，J37井，2863.6-m；b—硅質(zhì)白云巖，白云石呈暗褐色球粒，球粒間為玉髓，正交光，J37井，2863.6-m；c—同b，正交光；d—硅質(zhì)白云巖，背散射圖像，J37井，2863.6-m；e—同d，背散射圖像；f—硅質(zhì)白云巖，白云石呈球粒狀，球粒自內(nèi)向外由于含鐵量不同而呈環(huán)帶，背散射圖像，J37井，2863.6-m。紅點為電子探針分析點；Dol： 白云石；Q： 石英圖 3 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組硅質(zhì)白云巖特征Fig.3 Characteristics of silicic dolostone in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

3.1.3 含水銨長石鈉長白云巖

含水銨長石鈉長白云巖隨深度增加白云石含量減少，水銨長石含量增加，逐漸過渡為云質(zhì)鈉長水銨長石巖。含水銨長石鈉長白云巖中(圖 4-b)，白云石呈小于10-μm的球?；虿灰?guī)則他形顆粒，被鈉長石所膠結(jié)，背散射圖像顯示晶體核部FeO含量較邊緣低(圖 4-e)；局部可見自生板條狀鈉長石(圖 4-g，4-h)。

含水銨長石鈉長白云巖樣品下部出現(xiàn)黑色球粒，且粒徑隨深度逐漸增加，由50-μm增加到下部的200-μm(圖 4-c，4-d)；球粒的正粒序結(jié)構(gòu)表明其在形成后曾經(jīng)歷過一定的沉積作用。電子探針分析表明黑色球粒內(nèi)含有水銨長石集合體，其余部分不含物質(zhì)而呈黑色孔洞，球粒間仍為白云石和鈉長石，且白云石被鈉長石膠結(jié)(圖 4-f)。

a—含水銨長石鈉長白云巖手標(biāo)本，J174井，3126.5-m；b—頂部含水銨長石鈉長白云巖，主要由微晶白云石和鈉長石組成，局部有自生板條狀鈉長石，正交光，J174井，3126.5-m；c—云質(zhì)鈉長水銨長石巖，黑色球粒之間為白云石和鈉長石，正交光，J174井，3126.5-m；d—云質(zhì)鈉長水銨長石巖，向下黑色球粒粒徑增大，正交光，J174井，3126.5-m；e—含水銨長石鈉長白云巖中的白云石球粒被鈉長石膠結(jié)，背散射圖像，J174井，3126.5-m；f—云質(zhì)鈉長水銨長石巖中的黑色球粒，由水銨長石和空洞組成，球粒間為白云石和鈉長石，背散射圖像，J174井，3126.5-m；g—自生鈉長石，背散射圖像，J174井，3126.5-m；h—自生鈉長石，掃描電鏡二次離子圖像，J174井，3126.5-m。 紅點為電子探針分析點；Dol： 白云石；Ab： 鈉長石；Bdt： 水銨長石圖 4 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組含水銨長石鈉長白云巖特征Fig.4 Characteristics of buddingtonite-albite dolostone in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

表 2 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組白云石電子探針成分(mass%)Table2 Electron microprobe analysis of dolomites(mass%)in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

表 3 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng) 蘆草溝組白云巖的白云石有序度Table3 Degree of order of the dolomites in dolostones in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

3.1.4 白云石礦物元素特征與有序度

白云石的電子探針分析結(jié)果見表 2。白云石中普遍存在Fe和Mn對Mg的替代，Sr對Ca的替代。與理想白云石(CaO含量為30.41%，MgO含量為21.86%)相比，方沸鈉長白云巖中的白云石具有較低的(CaO+SrO)含量(平均為28.946%)和較高的(MgO+TFeO+MnO)含量(平均為22.577%)；硅質(zhì)白云巖中的白云石則相反，具有較高的(CaO+SrO)含量(平均為31.034%)和較低的(MgO+TFeO+MnO)含量(平均為20.752%)；含水銨長石鈉長白云巖中的白云石中的(CaO+SrO)含量和(MgO+TFeO+MnO)含量均接近于理想白云石。3種白云石均具有一定的有序度，其中含水銨長石鈉長白云巖中白云石的有序度最低(表 3)。雖然3種白云石的化學(xué)計量偏離理想白云石，但表現(xiàn)出的有序度表明其為嚴(yán)格意義上的白云石(Greggetal.， 2015)，屬于原白云石(Gaines，1977)。

3類白云石均顯著富集Fe，其中方沸鈉長白云巖和含水銨長石鈉長白云巖中的白云石以含鐵白云石為主(TFeO含量大于1.55%)(Tucker and Wright，1990)。

3.2 地球化學(xué)特征

3.2.1 鍶同位素

本研究獲取了方沸鈉長白云巖、硅質(zhì)白云巖、含水銨長石鈉長白云巖和微晶白云巖的鍶同位素組成，結(jié)果見 表 4 和圖 5。

4類白云巖的鍶同位素組成均較輕，介于殼源硅鋁質(zhì)巖石鍶同位素值0.720±0.005(Faure，1986)與幔源鍶同位素值0.70350(Palmer and Elderfield，1985)之間，相比于現(xiàn)代河流鍶同位素值0.712±0.001(Goldstein and Jacobsen，1987)和二疊紀(jì)海水鍶同位素值0.70685～0.70800(Korteetal.， 2006)，更接近于三塘湖盆地二疊系地幔熱液噴流沉積白云巖的鍶同位素平均值0.705-005(Liuetal.， 2012)。

3.2.2 碳、氧同位素

碳、氧同位素分析結(jié)果見 表 5 和圖 6。本研究的白云巖具有較重的δ13CPDB和較輕的δ18OPDB，與中國典型的2例熱液沉積白云巖，即酒泉盆地?zé)崴练e原生白云巖(Wenetal.， 2013)和三塘湖盆地?zé)崴练e原生白云巖(焦鑫，2017)類似。氧同位素值與酒泉盆地?zé)崴练e白云巖、意大利Sardinia地區(qū)熱液白云巖(Bonietal.， 2000)和加拿大西部盆地?zé)嵋喊自茙r(Al-Aasm，2003)的δ18OPDB落在相同的范圍內(nèi)。本研究的白云巖和研究區(qū)的云質(zhì)巖、三塘湖盆地?zé)崴练e白云巖的δ13CPDB相似，屬于區(qū)域特征。

4 討論

本研究的3類白云巖具有以下特征： (1)白云石與方沸石、鈉長石、水銨長石及玉髓共生，區(qū)別于普通化學(xué)沉積巖；(2)白云石多為微米級球粒，與實驗室高溫條件下直接從溶液中沉淀的白云石具有類似的形態(tài)(Rodriguez-Blancoetal.， 2015)，彎曲的晶面也可能反映出其具有比平直晶面的自形白云石更高的成礦溫度(Sibley and Gregg，1987)；(3)在方沸鈉長白云巖上部，發(fā)生了白云石對鈉長石的交代作用(圖 2-m)，指示異常高溫(如400-℃，Nishiyama，1990)。根據(jù)這些事實首先可推測3類白云巖為熱液成因。基于此，就白云巖的形成階段、白云石共生礦物的成因、白云巖地球化學(xué)特征與成礦流體性質(zhì)、成因機理進行討論。

4.1 白云巖形成階段

如前所述，方沸鈉長白云巖下部沉積巖的同沉積變形構(gòu)造的發(fā)育指示其形成于沉積期。硅質(zhì)白云巖和含水銨長石鈉長白云巖雖然產(chǎn)狀不明，但不難推測二者也形成于沉積期，原因如下： (1)白云石均呈微米級球粒，區(qū)別于成巖期交代成因的粒度較大的自形白云石，也區(qū)別于熱液交代的鞍狀白云石(Luczajetal.， 2006)；

表 4 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾中二疊統(tǒng)蘆草溝組白云巖鍶同位素87Sr/86Sr值Table4 87Sr/86Sr of strontium isotopes of dolostone in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

圖 5 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾中二疊統(tǒng) 蘆草溝組白云巖鍶同位素特征Fig.5 Characteristics of strontium isotopes of dolo-stone in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

表 5 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng) 蘆草溝組白云巖與云質(zhì)巖碳、氧同位素值Table5 Data of carbon and oxygen isotopes of dolostones and dolomitic rocks in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

圖 6 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng) 蘆草溝組白云巖與云質(zhì)巖碳、氧同位素特征Fig.6 Characteristics of carbon and oxygen isotopes of dolostones and dolomitic rocks in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

(2)二者宏觀構(gòu)造均勻，未見交代結(jié)構(gòu)；(3)含水銨長石鈉長白云巖中的粒序?qū)铀甘镜某练e作用難以在成巖環(huán)境中進行。另外，研究區(qū)西南部的烏魯木齊地區(qū)二疊系湖相白云石隨深度增加，有序度沒有增加，基本未受成巖作用改造(Lietal.， 2017)，表明研究區(qū)普遍缺乏成巖交代成因的白云石。

4.2 共生礦物

在本研究白云石的共生礦物中，方沸石(鄭榮才等，2003；柳益群等，2010；Liuetal.， 2012；Wenetal.， 2013)、鈉長石(鄭榮才等，2003；柳益群等，2010；Zhangetal.， 2010)和玉髓(陶剛等，2016)在熱水沉積巖中均有報道。由于方沸石有較多成因類型，水銨長石報道較少，因此對白云巖中的方沸石和水銨長石做進一步分析。

圖 7 方沸石成因類型判別圖 (修改自Coombs and Whetten，1967)Fig.7 Discrimination diagram of genetic types of analcime (modified from Coombs and Whetten，1967)

Coombs和Whetten(1967)通過總結(jié)前人研究、模擬實驗以及理論計算，將沉積巖中的方沸石分為3類(圖 7)，堿性流體與火山玻璃反應(yīng)形成的富硅方沸石(Na13Al13Si35O96·nH2O-Na14Al14Si34O96·nH2O)、埋藏交代成因的中硅方沸石(接近于Na14Al14Si34O96· nH2O)、高堿度流體直接沉淀形成的、且與化學(xué)沉淀白云石共生的低硅方沸石(Na15Al15Si33O96· nH2O-Na16Al16Si32O96· nH2O)。方沸石的Si/Al值介于2.153～2.494之間(表 6)，主體落在低硅方沸石的范圍(圖 7)，與白云石共生，也與低硅方沸石的特征一致；同時，方沸鈉長白云巖中的方沸石均為自形—半自形晶體(圖 2)，與中硅方沸石的膠結(jié)物產(chǎn)狀不同；方沸鈉長白云巖中未見與富硅方沸石伴生的石英或其他含硅礦物，而與白云石共生。因此方沸鈉長白云巖中的方沸石屬于低硅方沸石，由高堿度流體直接沉淀形成。

表 6 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組方沸石電子探針成分(mass%)Table6 Electron microprobe analysis of analcimes(mass%)in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

表 7 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組水銨長石電子探針成分(mass%)Table7 Electron microprobe analysis of buddingtonites(mass%)in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

4.3 同位素地球化學(xué)特征與成礦流體性質(zhì)

白云巖鍶同位素組成可用于示蹤成礦流體來源。對于熱液成因的白云巖來說，盡管熱液在向上運移過程中會與圍巖發(fā)生物質(zhì)交換，但鍶同位素交換發(fā)生非常緩慢，該過程不會影響鍶同位素的示蹤作用(Stettle，1977；Stettle and Allègre，1978；Norman and Landis，1983)。此次研究的白云巖的鍶同位素值接近于幔源鍶同位素值，與三塘湖盆地地幔熱液噴流沉積白云巖鍶同位素組成相近(圖 5)，表明成礦流體有大量幔源物質(zhì)的參與。

研究區(qū)的白云巖和云質(zhì)巖的碳氧同位素值無明顯相關(guān)關(guān)系(圖 6)，表明其基本未受成巖作用影響(Qing and Mountjoy，1994；Veizeretal.， 1999)。同時，研究區(qū)西南部的中二疊統(tǒng)白云巖也普遍未受成巖作用顯著影響(Lietal.， 2017)，表明這一現(xiàn)象可能具有區(qū)域性。

白云巖較輕的δ18OPDB往往與高溫有關(guān)(Allan and Wiggins，1993)，此次研究的白云巖δ18OPDB顯著較輕，與酒泉盆地?zé)嵋撼练e白云巖、意大利和加拿大典型熱液白云巖的δ18O 落在了同樣的范圍，低于蘆草溝組云質(zhì)巖和同期海相碳酸鹽巖(圖 6)，暗示了該白云巖同樣具有較高的形成溫度。

通過白云石形成時白云石—流體系統(tǒng)氧同位素分餾系數(shù)與溫度的函數(shù)關(guān)系1000×lnα=3.14×106×T-2-2(Land，1983)，可推算白云石沉淀溫度的計算公式：T=[3.14×106/(1000×lnα+2)]1/2，其中α=(1+δ18O白云石/1000)/(1+δ18O流體/1000)(α為分餾系數(shù)，T為熱力學(xué)溫度)。由該式可知，白云石的氧同位素組成同時是溫度和成礦流體氧同位素組成的函數(shù)。由于本研究中的白云石多為微晶，缺乏流體包裹體，溫度和流體氧同位素均未知，但可對成礦流體氧同位素組成進行假設(shè)，以對成礦溫度進行估計。由白云巖鍶同位素特征可知，成礦流體為幔源熱液流體或湖水與幔源熱液的混合流體。選取與研究區(qū)湖盆古環(huán)境(張帥等，2018)相似的塔里木盆地察爾汗鹽湖湖底淤泥水的δ18OSMOW，0.82‰(肖云，1995)作為研究區(qū)湖盆古湖水氧同位素假設(shè)值，而幔源熱液的δ18OSMOW為6.0‰～10.0‰(Valleyetal.， 1986)。利用0.82‰和10.0‰計算成礦流體分別為湖水和幔源熱液時白云石的形成溫度，作為溫度的最小和最大值(表 8)。

表 8 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng) 蘆草溝組白云石形成溫度估算Table8 Calculation of formation temperature of dolomites in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

結(jié)果表明，當(dāng)成礦流體氧同位素值相同且在假設(shè)值范圍內(nèi)，此次研究的白云巖成礦溫度較蘆草溝組云質(zhì)巖中白云石的成礦流體溫度高25～50-℃。值得注意的是，由于湖水氧同位素值隨季節(jié)、入湖徑流和降水的源地的變化而變化多端(Cohen，2003)，該結(jié)果僅用于定量評估成礦溫度差異，不能代表白云石的真實成礦溫度。

吉木薩爾凹陷云質(zhì)巖具有較重的δ13CPDB，這是由于地層中的高有機質(zhì)埋藏量所反映的較高的生物生產(chǎn)量造成同期湖水貧12C(張曉寶等，2000；張帥等，2018)。本研究的白云巖同樣具有較重的δ13CPDB，可能由于湖水也參與進入成礦流體。相比之下2類熱液白云巖均具有較輕的δ13CPDB，這與原巖碳同位素組成(Bonietal.， 2000)和成巖期碳同位素偏負(fù)的流體(Al-Aasm，2003)有關(guān)。

4.4 成因機理

a—湖底準(zhǔn)同生云質(zhì)巖；b—熱液流體噴涌至湖底，白云石及其共生礦物結(jié)晶； c—熱液沉積白云巖結(jié)晶成巖，熱液活動間歇期；d—熱液活動再次活躍圖 8 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組方沸鈉長白云巖成因模式Fig.8 Genetic model of analcime-albite dolostone in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

在熱液噴出湖底之前，在湖盆底部沉積物粒間微生物的調(diào)節(jié)作用下形成高鎂方解石微粒，在此基礎(chǔ)上交代形成準(zhǔn)同生白云石(張帥等，2018)(圖 8-a)。高溫的幔源熱液噴出后，驟降的溫度和壓力使得流體的物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生急劇變化，并在熱液與湖水界面處形成一層水蒸氣膜，對熱液的溫度具有保持作用(Kokelaar，1982；White，2000；焦鑫等，2017b)，在此條件下，自形—半自形方沸石顆粒率先結(jié)晶沉淀，隨著溫度的下降，在方沸石粒間沉淀形成鈉長石和鉀長石，膠結(jié)了方沸石顆粒，后續(xù)熱液中的銨根離子進入部分鉀長石晶格替代鉀離子，形成水銨長石。同時，流體可能進一步交代方沸石顆粒，在其邊部形成鉀長石和水銨長石(圖 2-c，2-d，2-i)。后期熱液流體繼續(xù)噴出湖底，湖底沉積物中的大量高鎂方解石晶體微粒被卷入流體中，當(dāng)流體堿度足夠高時，可能首先發(fā)生對高鎂方解石微粒的白云石化，隨后在微粒表面形成先驅(qū)貧鎂鈣碳酸鹽納米顆粒，納米顆粒發(fā)生溶解，開始通過生長陣面成核機制(Grnsyetal.， 2005)以球狀生長的方式形成原白云石(Rodriguez-Blancoetal.， 2015)(圖 8-b)，并圍繞方沸石—長石集合體結(jié)晶形成集合體(圖 2-d，2-f，2-i)。因此方沸鈉長白云巖的礦物結(jié)晶序列為： 方沸石→鈉長石+鉀長石→水銨長石→白云石。由于受到水壓的影響，水下熱液噴發(fā)多呈脈動式的多期次噴發(fā)(Fisher and Schmincke，1984)，在間歇期時，方沸鈉長白云巖頂部沉積了薄層的暗色碎屑層(圖 2-a；圖8-c)，之后相對低溫的白云石的結(jié)晶又占優(yōu)勢，在方沸鈉長白云巖層上形成白云巖(圖 2-b；圖8-d)。當(dāng)鉀長石碎屑被卷入熱液時，被白云石膠結(jié)(圖 2-b)，并在其邊緣形成水銨長石，呈“浸染”狀產(chǎn)出(圖 2-k)；當(dāng)熱液裹挾了鈉長石時，在高溫作用下發(fā)生了白云石對鈉長石的交代作用(圖 2-l，2-m)。

當(dāng)熱液富硅質(zhì)時，隨著降溫，流體從液體狀態(tài)逐漸變?yōu)槟z體。溫度繼續(xù)降低，白云石先沉淀結(jié)晶，形成球粒狀集合體，而后玉髓在球粒之間結(jié)晶，形成硅質(zhì)白云巖(圖 3)。硅質(zhì)白云巖的礦物結(jié)晶序列為： 白云石→玉髓。

a—熱液流體中卷入長石碎屑，發(fā)生水銨長石化作用；b—水銨長石球粒形成并發(fā)生沉降分選，白云石沉淀； c—鈉長石沉淀，含水銨長石鈉長白云巖形成圖 9 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組含水銨長石鈉長白云巖成因模式Fig.9 Genetic model of buddingtonite-albite dolostone in the Middle Permian Lucaogou Formation in Jimusar sag，Junggar Basin

當(dāng)熱液攜帶大量來自于下部沉積層有機質(zhì)的NH4+時，被熱液卷入的鉀長石晶屑或陸源碎屑轉(zhuǎn)變?yōu)樗@長石(圖 9-a)，形成由水銨長石集合體組成的球粒(圖 4-c，4-d，4-f；圖9-b)(具體機制還需進一步研究)。水銨長石球粒在溶液環(huán)境中發(fā)生了沉降分選作用，形成正粒序結(jié)構(gòu)(圖 4-c，4-d；圖9-c)。同時溶液中發(fā)生著白云石的結(jié)晶，在高鎂方解石微粒表面形成白云石微球粒，隨后鈉長石結(jié)晶，膠結(jié)水銨長石球粒和白云石微球粒(圖 4-e；圖9-b，9-c)。由于流體成分的不均勻性，局部結(jié)晶較大的自生鈉長石(圖 4-g，4-h)。含水銨長石鈉長白云巖的礦物結(jié)晶序列為： 水銨長石→白云石→鈉長石。

4.5 地質(zhì)意義

由于封閉鹽湖湖水的高堿度和微生物的誘導(dǎo)作用，湖水環(huán)境往往較海相環(huán)境更有利于形成接近于原生成因的白云石(Last，1990)，是研究“白云石問題”的天然實驗室，對于這類型的白云石已有較多報道(如Del Curaetal.， 2001)。另一方面，當(dāng)來自于盆地深部的富Mg2+熱液流體遇到厚層灰?guī)r時，由于具有極佳的白云石化的物質(zhì)基礎(chǔ)，熱液白云石也應(yīng)運而生(如Bonietal.， 2000)。但當(dāng)富Mg2+熱液流體噴涌至鹽湖湖底時會發(fā)生什么？熱液沉積白云巖將這個環(huán)節(jié)連接了起來。因此，熱液沉積白云巖應(yīng)當(dāng)是自然界白云石的一種不可或缺的成因類型。針對其成因機理的研究，對促進人們認(rèn)識該類巖石、理解白云石的形成規(guī)律以及推動完善成因巖石學(xué)理論均具有重要意義。

同時，湖底熱液活動能夠促進湖水循環(huán)，將底層營養(yǎng)物質(zhì)帶至湖盆上部，促進生物繁盛；熱液本身攜帶的P、N等營養(yǎng)元素為湖盆內(nèi)的生物提供了很好的營養(yǎng)源，從而顯著地增加了沉積層中的有機碳埋藏量，為高品質(zhì)的烴源巖提供物質(zhì)基礎(chǔ)(Zhangetal.， 2010；Youetal.， 2019)。準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組是全球最佳的烴源巖之一(Grahametal.， 1990；Carrolletal.， 1992)，高有機碳含量所反映的湖盆生物繁盛很可能與同期熱液活動有關(guān)。

目前已報道的熱液沉積白云巖多以特殊的礦物組合和宏觀的熱液沉積構(gòu)造為特征。相比之下，準(zhǔn)噶爾盆地東部中二疊世湖盆中的幔源熱液沉積白云巖的熱液沉積特征多表現(xiàn)在微觀尺度下，這暗示了在具有相似構(gòu)造背景和沉積環(huán)境的湖盆中，熱液沉積成因的白云巖或許比已報道的更多。

5 結(jié)論

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷中二疊統(tǒng)蘆草溝組中的方沸鈉長白云巖、硅質(zhì)白云巖和含水銨長石鈉長白云巖為一類形成于沉積期的幔源熱液沉積白云巖。白云石為有序度較低的原白云石，多呈微米級球狀或葡萄狀，與實驗室高溫合成白云石形態(tài)相似，與方沸石、水銨長石、鈉長石及玉髓等熱液礦物鑲嵌結(jié)晶，局部可見白云石交代鈉長石碎屑，反映熱液溫度較高。白云巖的87Sr/86Sr(平均0.705i687)表明熱液流體中幔源組分顯著；δ13CPDB較重(平均為6.94‰)，δ18OPDB較輕(平均為-8.12‰)，基于成礦流體由幔源熱液與湖水混合的假設(shè)，利用δ18OPDB計算估計，白云巖的形成溫度較研究區(qū)普通云質(zhì)巖高25～50-℃。白云石形成于近熱液噴口的高溫區(qū)，幔源熱液與湖水混合后直接沉淀結(jié)晶形成白云石及其共生礦物，高溫?zé)嵋捍蚱屏税自剖纬傻膭恿W(xué)障礙。熱液沉積白云巖應(yīng)當(dāng)是自然界白云石的一種不可或缺的成因類型。針對其成因機理的研究對促進人們理解白云石的形成規(guī)律和推動完善成因巖石學(xué)理論均具有重要意義。

致謝西安地質(zhì)研究所實驗測試中心的周寧超工程師在實驗過程中給予了充分的指導(dǎo)和協(xié)助，審稿專家對文章提出了建設(shè)性意見，在此一并表示衷心感謝!