宋 高, 苗忠英, 杜少榮, 李新民

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所 自然資源部鹽湖資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100037;2)云南省地質(zhì)調(diào)查院, 云南昆明 650051

思茅盆地發(fā)育了中國(guó)唯一的具有工業(yè)開(kāi)發(fā)價(jià)值的古代氯化物型固體鉀鹽礦床。鉀鹽是生產(chǎn)鉀肥的基礎(chǔ)原料, 全球約有 90%的鉀鹽產(chǎn)量用于生產(chǎn)鉀肥(鄭綿平等, 2015)。中國(guó)對(duì)鉀肥的需求量非常大(鄭綿平等, 2010), 但中國(guó)的鉀鹽資源卻嚴(yán)重匱乏。目前在思茅盆地發(fā)現(xiàn)的勐野井鉀鹽礦資源量?jī)H0.17億 t(李文光, 1994; 曲一華等, 1998; 鄭綿平等,2012), 遠(yuǎn)不能滿足國(guó)家對(duì)鉀鹽資源的需求。而與思茅盆地相近的呵叻盆地卻發(fā)育了世界大型鉀鹽礦床,鉀資源量達(dá)到420億t(顏茂都等, 2021)。諸多研究證明兩個(gè)盆地含鉀鹽建造具有類似的沉積特征、成鹽層位、鹽礦物組合以及母液鹵水來(lái)源等(曲懿華,1997; 陳躍昆等, 2004; 鐘曉勇等, 2012; 秦占杰等,2013; 苗忠英等, 2019a, b, 2020), 指示兩個(gè)盆地的鉀鹽礦可能存在密切的構(gòu)造和物源關(guān)系, 這對(duì)思茅盆地開(kāi)展鉀鹽勘探工作具有良好的借鑒作用。但巨型鉀鹽礦的形成是特定構(gòu)造、氣候和物源條件三種要素耦合的結(jié)果, 需要有大型封閉盆地、持續(xù)平衡的海水補(bǔ)給和長(zhǎng)期干旱的氣候(顏茂都等, 2021), 而目前對(duì)思茅盆地成鹽成鉀階段及其前后的精細(xì)古氣候研究尚不完善, 亟需建立精細(xì)的古氣候演化序列,用以支撐鹽類礦床成因機(jī)理的解析。本文對(duì)思茅盆地MK-3鉆孔成鹽期前后的29件碎屑沉積物樣品進(jìn)行了微量元素測(cè)試, 通過(guò)研究樣品的微量元素和稀土元素地球化學(xué)特征, 結(jié)合前人的研究成果, 探討了思茅盆地中生代成鹽期前后的氣候環(huán)境演化特征。

1 地質(zhì)背景

思茅盆地位于特提斯構(gòu)造域的東南端, 青藏高原的東南緣, 是印支地塊北延的部分(曲一華等,1998; Metcalfe, 2013), 構(gòu)造背景復(fù)雜。石炭紀(jì)之前其可能是揚(yáng)子地塊的一部分(李朋武等, 2005), 石炭紀(jì)之后由于古特提斯洋的俯沖作用, 導(dǎo)致印支地塊從揚(yáng)子地塊上分離(從柏林等, 1993; 王冬兵等,2012)。到晚三疊世, 思茅地塊東西兩側(cè)的古特提斯洋完全閉合, 進(jìn)入了以陸內(nèi)沉積環(huán)境為主的演化階段(李朋武等, 2005; 范蔚茗等, 2009)。而新生代以來(lái), 受印度板塊俯沖的影響, 蘭坪—思茅盆地發(fā)生了一系列走滑和逆沖推覆構(gòu)造(陳海泓等, 1993; 從柏林等, 1993; 李興振等, 1998), 使得盆地從近東西走向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)成現(xiàn)今的北北西走向。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育一套中生代沉積地層。其中, 下三疊統(tǒng)缺失, 中上三疊統(tǒng)主要為碎屑巖、碳酸鹽巖沉積(尹福光等,2006); 侏羅系發(fā)育一套典型紅層, 主要巖性為碎屑巖(曲一華等, 1998; 廖宗廷和陳躍昆, 2005; 鄭綿平等, 2014); 白堊系為一套典型河湖相砂巖、頁(yè)巖和礫巖, 且普遍缺失上統(tǒng)(陳躍昆等, 2004)。

2 材料與方法

MK-3 鉆孔(101°6′2″E, 24°2′47″N)位于思茅盆地東南部寶藏鄉(xiāng)境內(nèi), 距普洱市江城縣約26 km(圖1)。鉆孔周邊出露下白堊統(tǒng)南新組灰紫色細(xì)-中砂巖,與下伏景星組整合接觸, 與上覆虎頭寺組整合接觸,與上覆勐野井組和新近系斷層接觸。該區(qū)平均海拔約800 m, 降水充沛, 每年6—10月為雨季, 年降水量約2200 mm, 氣候溫暖, 年均氣溫約24℃。

圖1 MK-3鉆孔地理位置圖(地質(zhì)簡(jiǎn)圖據(jù)鄭智杰等, 2012修改)Fig. 1 Geographical position of MK-3 (modified from ZHENG et al., 2012)

MK-3鉆孔共鉆遇兩段鹽層, 本文主要研究上段鹽層成鹽期前、后的氣候環(huán)境變化特征。上段鹽層產(chǎn)出層位為2396.9-2442.5 m, 為一套巨厚層灰黑色、淺灰色夾淺灰紅色粗-細(xì)晶鹽巖, 夾薄層棕紅色含鹽泥條帶。成鹽期之前2449.2-2460 m, 主要為棕紅色泥巖與紫紅色粉砂巖互層, 臨近鹽層底部2442.5-2449.2 m為一層淺棕紅色石膏礫巖, 夾薄層灰黑色石膏層和泥巖層。成鹽期之后2318.5-2392.5 m,主要為灰紫色、淺灰紫色粉砂巖與棕紅色、紫紅色泥巖互層, 夾兩層粉砂質(zhì)泥巖和兩層泥質(zhì)粉砂巖,厚度為 2～5 m 不等, 其中, 2346.1-2349.9 m、2360.1-2361.4 m、2366.5-2383.7 m和 2384.7-2390.3 m四段為灰色、灰綠色膏質(zhì)泥巖; 臨近鹽層頂部 2392.5-2396.9 m為灰白色石膏礫巖, 含少量砂礫和泥礫, 泥質(zhì)膠結(jié)。本文采集了鹽層上部2318.5-2391.2 m和鹽層下部2448.5-2458.4 m的碎屑巖巖心樣品29件, 取樣間距1～5 m, 具體樣品編號(hào)及采樣深度見(jiàn)表1。

表1 MK-3鉆孔樣品編號(hào)、巖性及深度表Table 1 Sample number, lithology, and depth in MK-3

全巖化學(xué)前處理與微量元素測(cè)定在南京聚譜檢測(cè)科技有限公司完成。樣品消解流程如下: (1)稱取40 mg全巖粉末置于聚四氟乙烯溶樣彈中, 加入0.5 mL濃硝酸與1.0 mL濃氫氟酸, 溶樣彈經(jīng)鋼套密封后放入 195℃烘箱加熱 3天, 確保徹底消解。盛放消解液的溶樣彈在電熱板上蒸至濕鹽狀, 加入1 mL內(nèi)標(biāo)Rh, 再加入5 mL 15wt%硝酸, 重新密閉溶樣彈, 放入195℃烘箱過(guò)夜。(2)約6 mL消解液轉(zhuǎn)移至離心管中, 經(jīng)天平稱重, 取一部分適當(dāng)稀釋(相對(duì)于固體重量, 稀釋因子 2000倍), 以溶液霧化形式送入Agilent 7700x ICP-MS測(cè)定微量元素。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局(USGS)巖石類標(biāo)物(玄武巖 BHVO-2、BCR-2、安山巖AGV-2、流紋巖RGM-2、花崗閃長(zhǎng)巖GSP-2)作為微量元素的質(zhì)控盲樣。這些地質(zhì)標(biāo)物的實(shí)測(cè)值與德國(guó)馬普學(xué)會(huì)地質(zhì)與環(huán)境標(biāo)物數(shù)據(jù)庫(kù)GeoReM進(jìn)行對(duì)比(Jochum and Nohl, 2008)。

3 結(jié)果與討論

3.1 微量元素分布特征

微量元素中 Ti含量最高, 平均為 3693×10-6,其次為Mn, 平均含量為 831×10-6, V、Rb、Sr、Zr、Ba等微量元素的平均含量也較高, 分別為103×10-6、131×10-6、120×10-6、146×10-6和 307×10-6,其他微量元素含量均低于 70×10-6。圖2為 MK-3鉆孔上鹽段成鹽期前、后沉積物主要微量元素含量的變化特征圖。從圖中可以看出, 除Mn元素之外,各主要微量元素在成鹽期之前的含量均高于成鹽期之后, 元素富集為鹽礦及鉀鹽礦的形成奠定了必要的基礎(chǔ)。Mn是一種喜濕型元素(程涌等, 2019), 其在成鹽期之前的含量小于成鹽期之后應(yīng)指示成鹽期之前的氣候較成鹽期之后更加干旱, 滿足鹽礦形成的必要的氣候條件。

圖2 MK-3鉆孔沉積物主要微量元素含量分布圖Fig. 2 Distribution of the main trace elements in MK-3

利用上地殼微量元素平均值(鄢明才等, 1997)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理, 得到各微量元素的富集系數(shù)。圖3顯示了MK-3鉆孔沉積物各微量元素富集系數(shù)的變化趨勢(shì), 從圖中可以看出, B、Cr、Ni和Cs元素相對(duì)富集, 富集系數(shù)分別為2、2.05、1.75和1.71。Cu、Sr、Nb、Ba、Hf和Ta元素富集系數(shù)在 0.35～0.62, 呈現(xiàn)較明顯的虧損狀態(tài), 其他微量元素接近上地殼元素豐度。

圖3 微量元素UCC標(biāo)準(zhǔn)化蛛網(wǎng)圖(數(shù)據(jù)引自鄢明才等, 1997)Fig. 3 Spider diagram of UCC-normalized trace elements of samples (after YAN et al., 1997)

3.2 古鹽度

古鹽度是分析古沉積環(huán)境的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容, 通常作為地質(zhì)歷史時(shí)期海陸變遷的一個(gè)重要參數(shù)。判別古鹽度的指標(biāo)有很多(劉剛和周東升, 2007;范玉海等, 2012; 彭雪峰等, 2012), 本文主要采用Rb/K比值來(lái)進(jìn)行判斷。一般認(rèn)為, Rb/K＞0.006時(shí)指示咸水環(huán)境, Rb/K＜0.004時(shí)指示淡水環(huán)境, 0.004＜Rb/K＜0.006時(shí)為半咸水環(huán)境(王益友等, 1979)。圖4顯示了MK-3鉆孔沉積物的Rb/K比值變化趨勢(shì)。從圖中可以看出, 在成鹽期之前, Rb/K比值變化于0.004 6～0.005 1, 表明此時(shí)該區(qū)主要為半咸水相沉積。成鹽期之后, 古鹽度變化較大, 以Rb/K比值在2 389.4 m、2 377.4 m和2 326.5 m處的三個(gè)峰值(0.007 8、0.009和0.009)以及在2 381.2 m、2 350.4 m和 2 318.5 m 處的三個(gè)谷值(0.002 1、0.000 7和0.000 7)可將沉積環(huán)境分為六個(gè)階段。第一階段從2 391.2-2 389.4 m, Rb/K比值呈明顯上升趨勢(shì), 最高達(dá)到 0.007 8, 高于邊界值 0.006, 指示咸水相沉積, 表明成鹽期之后較短的一段時(shí)間內(nèi)古水體的鹽度仍然較高。第二階段從2 389.4-2 381.2 m, Rb/K比值迅速下降, 低于0.004, 指示此階段古鹽度逐漸下降, 古水體由咸水轉(zhuǎn)變?yōu)榈h(huán)境; 第三階段從2 381.2-2 377.4 m, Rb/K比值從谷值迅速上升至峰值, 指示了極端的氣候變化, 表明沉積環(huán)境由淡水相迅速轉(zhuǎn)變?yōu)橄趟? 第四階段從 2 377.4-2 350.4 m, Rb/K比值再次下降, 指示古鹽度再次下降, 但中間經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的半咸水相沉積環(huán)境,最后達(dá)到淡水相沉積; 第五階段從2 350.4-2 326.5 m,平穩(wěn)上升的 Rb/K比值指示古水體鹽度逐漸上升,經(jīng)過(guò)一段較平穩(wěn)的半咸水環(huán)境后最終變?yōu)橄趟h(huán)境;第六階段從2 326.5-2 318.5 m, Rb/K比值直線下降直到 0.000 7, 遠(yuǎn)小于邊界值 0.004, 指示大量淡水匯入, 古水體再次由咸水環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)榈h(huán)境。

圖4 MK-3鉆孔沉積物Rb/K比值分布Fig. 4 Rb/K ratios of sediments in MK-3

3.3 古氣候

Sr是典型的喜干型元素, 低含量指示潮濕氣候,高含量代表干旱氣候(張?zhí)旄５? 2016)。而Cu是喜濕型元素, 其對(duì)環(huán)境的指示意義與Sr元素相反, 因此 Sr/Cu比值對(duì)古氣候具有靈敏的指示(王峰等,2017)。當(dāng)Sr/Cu比值分布于1.3～5.0時(shí)表明具有溫暖潮濕的古氣候, 當(dāng)其比值分布于 5.0～10.0時(shí)指示半潮濕-半干旱的古氣候, 而當(dāng)其比值大于 10.0時(shí)則代表相當(dāng)炎熱干旱的古氣候(Lerman and Baccini,1978)。圖5展示了MK-3鉆孔沉積物Sr/Cu比值的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出, 成鹽期之前, 2 458.4 m深度處 Sr/Cu比值大于 10, 指示氣候炎熱干旱, 而在2 450.9-2 456.9 m階段Sr/Cu比值均大于5而小于 10, 表明此階段氣候處于半潮濕-半干旱狀態(tài),到2 448.5 m深處Sr/Cu比值再次大于10, 表明氣候逐漸向干熱化發(fā)展, 而后形成鹽類沉積。這與Rb/K指示的此階段處于半咸水相沉積環(huán)境相一致。成鹽期之后, 除2 350.4 m、2 373.6 m和2 381.2 m三點(diǎn)之外, 所有深度樣品的 Sr/Cu比值均大于 10, 表明該區(qū)在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)氣候一直處于炎熱干旱階段, 與 Rb/K指示的古鹽度變化具有良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。2 391.2-2 389.4 m, Sr/Cu比值顯著增加, 指示氣候炎熱并逐漸干旱化, 與 Rb/K指示的咸水相沉積環(huán)境相一致; 2 389.4-2 381.2 m, Sr/Cu比值下降至5以下, 表明古氣候由炎熱干旱逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闇嘏瘽駶?rùn),與 Rb/K 指示的淡水相沉積環(huán)境相對(duì)應(yīng);2 381.2-2 377.4 m, Sr/Cu比值從谷值迅速到達(dá)峰值,與 Rb/K比值變化趨勢(shì)一致, 再次證明氣候由溫暖濕潤(rùn)向炎熱干旱轉(zhuǎn)變, 古水體鹽度上升; 從2 377.4-2 350.4 m, Sr/Cu比值變化趨勢(shì)與Rb/K略有差異。Sr/Cu比值變化特征指示氣候從2 377.4 m開(kāi)始向溫暖潮濕方向發(fā)展直到 2 373.6 m, 從2 373.6-2 370.6 m, Sr/Cu比值增加, 氣候再次轉(zhuǎn)向炎熱干旱直到 2 354.8 m, 從 2 354.8-2 350.4 m,Sr/Cu比值降低, 指示氣候由炎熱干旱轉(zhuǎn)向溫暖潮濕, 該階段的古氣候變化特征與 Rb/K指示的古鹽度變化特征基本吻合, 只是 Rb/K比值在此階段除指示古水體在2 373.6 m處呈現(xiàn)淡水環(huán)境外, 其在2 360.8 m處也為淡水環(huán)境。從圖5中可以看出,2 360.8 m處Sr/Cu比值雖大于10.0, 但相較于該階段的其他樣品仍處于低值, 表明該點(diǎn)氣候干旱程度應(yīng)有所下降, 可能是造成Rb/K比值較低的原因。從2 350.4-2 342.4 m, Sr/Cu比值逐漸增加, 氣候炎熱干旱, Rb/K比值曲線變化規(guī)律指示古水體也由淡水環(huán)境逐漸過(guò)渡至半咸水環(huán)境; 從2 342.4-2 335.9 m,Sr/Cu比值雖大于 10, 但呈顯著下降趨勢(shì), 表明干旱程度有所下降, Rb/K指示的古水體鹽度也隨之下降并出現(xiàn)短期的淡水沉積階段; 從2 335.9-2 330.2 m,Sr/Cu比值迅速增加并達(dá)到最大值, Rb/K比值緊隨其后迅速上升也達(dá)到了最大值, 表明此階段經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)期的極端干旱氣候, 古水體鹽度顯著上升;從2 330.2-2 318.5 m, Sr/Cu和Rb/K比值均呈顯著下降趨勢(shì), 表明氣候逐漸由熱干向暖濕轉(zhuǎn)變, 古水體由咸變淡, 最終呈現(xiàn)淡水沉積環(huán)境。

圖5 MK-3鉆孔沉積物Sr/Cu比值分布Fig. 5 Sr/Cu ratios of sediments in MK-3

3.4 稀土元素分布特征

本文所分析樣品的稀土元素總量變化于32.8～237.0 μg/g 之間, 平均 175.0 μg/g, 在全球沉積物稀土元素含量平均值(150～300 μg/g)范圍內(nèi), 高于上地殼(146.4 μg/g)和北美頁(yè)巖(164 μg/g)稀土元素平均值。輕稀土元素總量變化于(29.3～219.6)×10-6,平均 158.4×10-6, 相對(duì)富集, 約占總稀土含量的90.5%。重稀土元素含量較低, 為(3.6～21.2)×10-6,平均 16.6×10-6, 約占稀土元素總量的 9.5%。LREE/HREE比值變化于 4.4～12.7之間, 平均 9.6,高于北美頁(yè)巖平均值(7.44)。(La/Yb)N的值為9.3～14.7, 說(shuō)明樣品的輕重稀土分餾程度高, 而(La/Sm)N的值為 3.3～5.3, (Gd/Yb)N的值為 1.2～2.2,顯示了樣品輕稀土元素明顯富集, 重稀土元素虧損的模式。以球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)值(Boynton, 1984)對(duì)MK-3鉆孔沉積物稀土元素進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化(圖6), 可以看出除 MK-3-30、MK-3-40、MK-3-41、MK-3-47和MK-3-50五個(gè)樣品外, 其余樣品的稀土元素配分模式基本一致, 均表現(xiàn)為左高右低的 L型曲線, 表明其物質(zhì)來(lái)源主體為陸源。而MK-3-30等5個(gè)層位稀土元素豐度的分異可能與物源的差別有關(guān)。

圖6 MK-3沉積物稀土元素球粒隕石標(biāo)準(zhǔn)化曲線(據(jù)Boynton, 1984)Fig. 6 Chondrite-normalized REE distribution pattern of sediments in MK-3 (after Boynton, 1984)

從圖6可以看出, 各樣品Eu虧損明顯。δEu變化范圍為0.5～0.8, 平均0.7, 呈現(xiàn)明顯的負(fù)異常。而δCe均大于0.9, 平均約為1.0。雖然在一般情況下,Eu3+會(huì)在缺氧環(huán)境中還原成 Eu2+, 造成 Eu虧損(孔凡翠等, 2011), 但Eu對(duì)氧化還原環(huán)境的指示意義更易受物源的影響。MK-3鉆孔巖心樣品δEu呈現(xiàn)負(fù)異常更有可能與物源補(bǔ)給為酸性巖類有關(guān)。δCe可以作為湖泊及流域的風(fēng)化強(qiáng)度、氧化-還原狀態(tài)和氣候變化情況的指示(謝周清等, 2002), REE在自然界中主要以+3價(jià)存在, 但Ce元素具有不穩(wěn)定的4d亞層結(jié)構(gòu), 在強(qiáng)堿性條件下, 含 Ce3+的化合物會(huì)被氧化成溶解性較弱的CeO2而沉淀, 因此Ce元素正異常通常指示氧化環(huán)境。MK-3鉆孔上鹽段成鹽期前后樣品的δCe均值約為1.0, 結(jié)合巖芯樣品主體呈現(xiàn)棕紅色, 指示本階段應(yīng)處于一種弱氧化的環(huán)境中。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)MK-3鉆孔上鹽段成鹽期前后沉積物微量元素分析可以看出, 鹽類沉積階段之前, 該區(qū)主要處于半咸水沉積環(huán)境, 微量元素相對(duì)富集, 氣候炎熱干旱, 蒸發(fā)強(qiáng)烈, 為鹽類沉積提供了必要的古氣候、物源、環(huán)境條件。成鹽期之后, 古氣候條件波動(dòng)較大, Rb/K和Sr/Cu比值共同指示的三個(gè)溫暖濕潤(rùn)期分別出現(xiàn)在2 350.4 m、2 373.6 m和2 381.2 m,三個(gè)階段的古水體鹽度呈現(xiàn)明顯的淡水環(huán)境特征。三個(gè)明顯的咸水環(huán)境沉積階段分別出現(xiàn)在2 326.5 m、2 377.4 m和2 389.4 m, 對(duì)應(yīng)的三個(gè)時(shí)期的Sr/Cu比值也相對(duì)較高, 表明氣候炎熱干旱, 其中2 377.4 m處古鹽度及古氣候的迅速轉(zhuǎn)變應(yīng)指示此階段發(fā)生過(guò)一次極端氣候事件。綜合分析, MK-3鉆孔周緣在成鹽期之后可能處于淡水-咸水交替變化的弱氧化沉積環(huán)境, 且后期淡水補(bǔ)給持續(xù)增強(qiáng), 導(dǎo)致沉積盆地內(nèi)在析鹽階段之后只發(fā)育碎屑巖。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No. DD20201115).