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《中国地质大学》 2015年
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塘沽地区沙河街组含方沸石白云岩沉积环境及成因探讨

李乐  
【摘要】:含方沸石白云岩为一类极为罕见的岩石类型,有限的报道中显示该类岩石多出现于湖泊环境之中,其成因机制复杂,国内外认识差异极大。塘沽地区沙河街组下部发育这一类“特殊岩性”,基于岩心、薄片、X衍射全岩分析、阴极发光、扫描电镜、能谱分析、地球化学分析、微体古生物分析等资料,本论文在沉积学、岩石矿物学、元素地球化学、同位素地质学及微体古生物学等多学科理论指导下,从归纳岩心岩石矿物学、地球化学及微体古生物特征着手,以此还原了该类岩石沉积期的古物源及古沉积环境条件,进而分析了岩石形成与热水沉积、火山喷发、母岩风化、微生物参与、干旱蒸发等多种地质作用之间的关系,并抽取总结出方沸石化及白云石化机理、二者相关关系以及纹层组合形成机理,最终对目的层含方沸石白云岩的形成过程进行了“重现”。本论文的研究成果及主要认识如下:通过岩心观察,在重点井塘12C井的77.45m岩心识别出了白云岩、泥质白云岩、白云质泥岩、泥岩及灰质粉砂岩几类岩性,白云岩类(白云岩及泥质白云岩)及泥岩类(白云质泥岩及泥岩)为岩心中主要岩性,二者间在空间中呈现出一种“泥夹云”的分布规律。水平纹理构造在各类岩性中极为发育,块状层理构造在白云岩中较为发育,揉皱层理相对少见且主要出现于泥质白云岩之中。根据各类岩石相在垂向上交替出现的关系,划分出了10类岩石相垂向组合,其中,代表相对深水沉积向相对浅水沉积过渡的水平纹理泥岩-水平纹理白云质泥岩-水平纹理泥质白云岩组合、代表相对浅水沉积的水平纹理白云岩-块状层理白云岩-水平纹理白云岩组合以及代表相对深水沉积的水平纹理泥岩-块状层理白云质泥岩为目的层几类常见岩石相组合。基于薄片、阴极发光、X衍射全岩矿物分析、扫描电镜观察及能谱分析,研究区沙三5亚段白云岩类岩石的矿物学特征得以全面揭示。白云岩类岩石中共识别出了白云石、方沸石、石英、长石(正长石及钠长石)、粘土矿物(伊利石)、黄铁矿以及重晶石几类矿物,其中,白云石、方沸石、石英及长石为主要矿物类型。该类岩石实为一类“含方沸石白云岩”。目的层的白云石为一类铁白云石,白云岩中其含量介于8%-40%,泥质白云岩中介于25%-52%,主要以泥晶级(4μm)晶粒(亦见粉晶)呈均匀分散状及纹层富集状产出,自形程度不高,有序度低(0.21-0.64);方沸石含量在白云岩中介于25%-65%,在泥质白云岩中介于26%-38%,主要以泥晶级晶粒纹层富集和均匀分散状,以及以粉晶级晶粒呈孔缝充填状产出。泥晶级方沸石自形程度低,属于DS Coombs及T Whetten划分出的C组贫硅方沸石,粉晶级方沸石自形程度高,且具典型四角三八面体晶形,属于A组富硅方沸石一类。石英及长石含量亦较高,白云岩中石英含量介于6%-17%,长石总含量介于9%-18%;泥质白云岩中石英含量介于10%~14%,长石总含量介于6%~17%。二者常呈纹层富集状及均匀分散状产出,颗粒多为粉砂级大小,次棱-次圆状。粘土矿物含量在白云岩中介于3%~13%,泥质白云岩中介于7%~11%,主要为伊利石一类,但亦观察到伊蒙混层这类粘土矿物。黄铁矿产状多样,具有颗粒型、纹层型、条带型以及斑块型几类。根据各纹层在垂向上的交替变化,5类纹层组合在水平纹理的白云岩类中得以归纳,其中,代表相对深水沉积的富泥纹层-(富干酪根纹层)-富方沸石纹层组合及代表相对浅水沉积的富铁白云石纹层-(富粉砂纹层)-富方沸石纹层组合为常见纹层组合。基于元素地球化学、碳氧同位素及锶同位素分析,岩石的地球化学特征得以获取。元素地球化学方面,研究区沙三5亚段白云岩类的主量元素相对于UCC(平均大陆上地壳)整体富集Na、Mg、P及Ca几类元素,而Si、Ti、Fe及Mn则在一定程度上存在亏损;泥岩类则普遍富集Mg、P及Ca几类元素,岩石中的Na、Si及Mn存在着一定的亏损现象;白云岩类中微量元素相对于UCC整体富集B、Sr两种元素,Ni及U元素含量变化较大,呈部分富集部分亏损,Ba元素含量整体和UCC中接近,但在个别样品中极度富集,Sc、Cr、Co、Cu、Mo、Ho等元素的含量亦较UCC的为低。泥岩类中微量元素富集亏损规律与白云岩类中较一致,但其中的B元素更为富集。白云岩类及泥岩类中的稀土元素总量较高,均高于UCC稀土元素总量(146.37× 10-6),略低于PAAS稀土元素总量(184.77×10-6)。两大类岩石均富集轻稀土、亏损重稀土,且泥岩类中更为富集轻稀土,岩石配分模式中均呈现出了中等强度的Eu负异常及轻微的Ce负异常。同位素地球化学方面,各岩性内白云石氧同位素组成整体偏负,其中,白云岩类中该值介于-7‰~-1.7‰,平均为-4.7‰;泥岩类中介于-8.6‰~-4.5‰,平均为-6.58‰。粉晶级白云石的氧同位素较泥晶级白云石的氧同位素更为偏负。碳同位素中除一个样品碳同位素组成偏负外则整体偏正,其中,白云岩类中对应值介于4.6‰~8.7‰,平均6‰。;泥岩类中则介于-2.5‰~5.4‰,平均2.1‰,数值分布范围与东营凹陷沙四段上部(对应研究区沙三段下部)及辽东湾盆地沙三段白云岩差别明显。各岩性中锶同位素组成较低,介于0.70863784~0.70896268,平均0,708865048。白云岩类中锶同位素组成与泥岩类中的锶同位素组成差别并不明显。目的层该值低于歧口凹陷齐家务地区旺35井沙三段中白云岩的锶同位素组成以及车镇和沾化凹陷沙三段中下部灰岩及白云岩的锶同位素组成。基于微体古生物分析,沙三5亚段的微体古生物特征得以归纳总结。研究区沙三5亚段各岩性内孢子花粉中,被子类花粉含量(47.2%~57.0%,平均52.1%)居三大类之首,裸子类花粉(40.0%~49.6%,平均44.5%)列第二,蕨类孢子(2.8%~4.6%,平均3.4%)排第三。被子类花粉中栎粉属Quercoidites(16.4%~19.4%)含量最高,裸子类花粉中具双气囊的松科Pinaceae组分占优势。蕨类植被以水龙骨单缝孢属Polypodiaceaesporites为主。孢粉类型组合整体上类似于渤海湾盆地沙三段的Quercoidites microhenrici-Ulmipollenites minor孢粉组合。藻类化石属种较单调,未出现沙河街组三段标志性渤海藻和副渤海藻。组合中以疑源类出现频次最高,甲藻门和绿藻门相近。根据目的层岩石中稀土元素中的Eu负异常,Y/Ho比(白云岩类25.4-29.7)接近上地壳(27.5),薄片及X衍射全岩分析中见到的石英及长石等特征,研究认为沙三5亚段白云岩类沉积期接受了大量碎屑物质供给。根据Al2O3/TiO2比值(白云岩类平均25.36,泥岩类平均24.8)、K-Rb双变量差别图解、La/Th-Hf双变量判别图解确定了碎屑物质的源于酸性岩一类。根据Th/Sc-Zr/Sc双变量图解显示的碎屑非再旋回属性,研究中重新确定燕山褶皱带的酸性岩一类母岩为沉积期碎屑主要供给源,西侧沧县隆起影响较小由孢粉组合对沉积期的孢粉植被类型、气温带及干湿度带进行了恢复,其中孢粉植被类型为针阔叶林混交林类型,气温带则属于北亚热带类型,干温度带划归归为一种半干旱-半湿润类型。由氧同位素恢复温度(最高温度)中,粉晶白云对应温度为52.5℃~81.3℃,平均65.9℃;泥晶白云石则介于34.6℃~56.5℃之间,平均49.3℃。研究认为该数据总体上指示一种干旱炎热条件。根据方沸石富集、m值(白云岩类平均31.21,泥岩类平均22.66)、Sr/ba比值(白云岩类平均1.2,泥岩类平均1.07)、Z值(白云岩类平均137.2,泥岩类平均128.3)以及藻类组合等共同确定研究区白云岩类及泥岩类沉积期水介质均为一种咸水类型,且白云岩类形成时水体盐度更高,此外研究认为B元素这一经典指标不适用于目的层古盐度的研究。综合U/Th(白云岩类平均0.32,泥岩类平均0.29)、自生U(白云岩类平均0.96,泥岩类平均0.89)以及稀土元素中Ce负异常的现象,研究认为目的层白云岩类及泥岩类形成时水介质为一种常氧条件。根据研究区目的层岩石稀土元素配分模式与沙三段玄武岩稀土配分模式差异较大而却与燕山期花岗岩稀土配分模式较为接近、元素相关分析中显示方沸石为岩石中稀土元素的良好载体、基性火山玻璃难以提供大量稀土元素、岩石中缺乏典型火山玻屑结构、富粉砂纹层难见方沸石而富方沸石纹层难见石英及长石碎屑以及泥晶方沸石Si/Al比值介于2.09~2.36等,研究认为白云岩类中的方沸石与火山作用产物关联并不紧密。同时,结合蒙脱石伊利石矿物的赋存以及方沸石近球型晶的出现,研究认为基质中的方沸石很可能是由母岩风化作用产生的粘土矿物(蒙脱石)转化形成,但不排除铝硅酸盐转化为胶体后再形成方沸石的可能。此外,对于呈充填型产状的方沸石,结合其Si/Al比研究认为其可能与热液作用相关。根据岩石中微生物席的出现、近似球粒晶型、泥质白云岩中较高的δ13C(7.2‰~8.7‰)以及白云质泥岩中δ13C变化较大(-2.5‰5.4‰)等特征,研究认为泥质白云岩及白云质泥岩中白云石的形成可能存在微生物作用的介入,但两类岩石中白云石形成时起主要作用的微生物类型及机制均有不同。根据半干旱-半湿润的古气候、沉积水体温度与古盐度对应关系良好以及在块状白云岩中观察至的盐类化学结核溶孔,研究认为沙三5亚段沉积期水体盐度由温度所控制,即干旱条件带来盐度的增高。依据研究区沙三5亚段白云石晶粒普遍细小(泥晶)、整体缺乏石膏结核或石膏层、缺乏铸模孔、早期等厚方解石亮晶胶结物及渗流带胶结物等特征,研究认为萨布哈、回流渗透以及混合水白云岩化模式均不适用于研究区白云石的形成。而根据方沸石在空间中与白云石紧密伴生关系、方沸石可能的前体物质类型以及前人研究认识,本次研究提出了目的层白云石化主要机理:蒸发作用导致盐度增高,促使蒙脱石一类粘土矿物向方沸石转化中,过程中释放的Mg2+与文石/镁方解石结合形成白云石。根据现代白云石及方沸石形成的空间位置,结合方沸石化提供白云石化所需要Mg2+机理的认识,研究认为方沸石的形成时间与白云石形成时间接近,为同时形成或略晚于白云石形成。根据古-现代湖泊沉积物中普遍存在的韵律性纹层组合与气候变化关系紧密的认识,研究认为研究区沙三5亚段岩石中的纹层类型亦因气候变化所带来的湖平面升降而发生变化,其中,湖平面较高时的湿润期形成富泥纹层或富铁白云石纹层,干旱期则主要形成富方沸石纹层;湖平面较低时的湿润期形成富方沸石纹层,干旱期则主要形成富铁白云石纹层。沉积期中的洪水泛滥可带来富粉砂纹层的形成。富干酪根纹层(微生物席)可在干旱或湿润时期水体环境合适情况下形成。根据铁白云石纹层形成机制,研究认为白云岩类中块状层理的形成与长期干旱条件带来的强蒸发作用相关。综合以上分析,研究提出沙三5亚段含方沸石白云岩为风化、蒸发及后续连锁成岩作用等地质作用的综合产物,风化作用输入大量粘土碎屑(蒙脱石),蒸发作用使水体盐度增高的同时促使文石/镁方解石的生成及方沸石化的发生,方沸石形成过程中提供的大量Mg2+与文石/镁方解石结合形成白云石,岩石进入浅埋藏阶段后与粘土矿物中释放出的Fe2+结合形成铁白云石。
【学位授予单位】:中国地质大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:P588.245

【参考文献】
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4 王磊;鄂尔多斯盆地天环北段奥陶系桌子山组白云岩成因分析[D];成都理工大学;2013年
5 郭甲一;河南省郏县马武寨白云岩矿区矿床地质特征及经济意义概略研究[D];中国地质大学(北京);2013年
6 熊绍云;西藏措勤盆地下白垩统郎山组白云岩类型、成因及储集性[D];中国地质大学(北京);2008年
7 彭少南;西藏革吉白垩系郎山组白云岩成因及储集性研究[D];中国地质大学(北京);2010年
8 黄华谷;羌塘盆地双湖地区布曲组含油白云岩发光性研究[D];成都理工大学;2008年
9 罗香建;大牛地奥陶系马家沟组马五段沉积演化及白云岩成因研究[D];成都理工大学;2013年
10 梁定勇;西藏羌塘盆地南部中侏罗统布曲组白云岩成因及储层特征研究[D];成都理工大学;2014年
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