蘭坪盆地古近系云龍組元素地球化學特征及其古環(huán)境的恢復

劉小康 ，張治波,2，朱志軍，吳川福，魏星星，劉海燕，金騰瑞，白瑪曲宗

(1.陜西省一九四煤田地質(zhì)有限公司，陜西 銅川 727000；2.中國礦業(yè)大學 資源與地球科學學院，江蘇徐州 221008；3.東華理工大學 地球科學學院，江西 南昌 330013；4.浙江省麗水市景寧畬族自治縣應急管理局，浙江 麗水 323500；5.江西省地質(zhì)調(diào)查研究院，江西 南昌 330013；6.新疆油田公司勘探開發(fā)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；7.中國地質(zhì)大學(北京) 地球科學與資源學院，北京 100083)

蘭坪盆地鉛鋅銀銅多金屬礦產(chǎn)資源豐富，同時石膏巖也達到工業(yè)開采規(guī)模，備受重視。沉積盆地中沉積環(huán)境的研究在尋找煤炭資源[1]和油氣資源的圈定[2]等方面起到重要作用；王海軍等[3-4]對陜北侏羅紀煤層頂板的沉積環(huán)境研究，為煤礦頂板穩(wěn)定性和礦井防治水提供依據(jù)；林中月等[5]通過沁水盆地古構(gòu)造和沉積環(huán)境，結(jié)合構(gòu)造應力場和沉降史恢復等手段，揭示煤系的形成規(guī)律；魯靜等[6]認為沉積環(huán)境分析是了解和認識煤系的重要方法和手段之一；余燁等[7]認為通過沉積環(huán)境分析，可為沉積相的判別提供依據(jù)；高德燚等[8]認為溫暖濕潤的氣候和較為還原的環(huán)境為有機質(zhì)的堆積和保存提供了有利條件，為頁巖氣的成藏提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；彭立才等[9]研究冷科1 井巖心元素地球化學特征，認為元素地球化學方法可作為層序界面識別的一種依據(jù)；宋立軍等[10]研究了淮北煤田二疊系沉積環(huán)境，認為沉積環(huán)境與聚煤關(guān)系密切。

因此，針對礦產(chǎn)資源豐富的蘭坪盆地，開展沉積環(huán)境研究具有重要意義。相關(guān)學者在蘭坪盆地內(nèi)已做了大量的工作。研究認為，蒸發(fā)巖建造中的易溶鹽類提供高鹽度含礦流體，而高鹽度含礦流體為鉛、鋅、鍶、鋇等金屬成礦提供來源，同時蒸發(fā)巖中的硫酸鹽類還是還原硫的源巖[11]；王安建等[12]提出金頂?shù)V床為構(gòu)造推覆-鹽丘穹窿-區(qū)域伸展-油氣聚集-流砂底辟-流體排泄-金屬沉淀的成礦模式；蘭坪盆地古近系的蒸發(fā)巖發(fā)育在低位體系域，低位的沉積充填與氣候有關(guān)，可能具有找鉀鹽的潛力[13]；在云龍組、景星組、麥初箐組和三合洞組灰?guī)r內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量鹽構(gòu)造，局部形成穿刺構(gòu)造，其中含有石膏、瀝青和巖鹽，同時含有強烈的硫酸鹽及金屬硫化物[14]；研究區(qū)鉛鋅礦床所需的大量H2S 是硫酸鹽的熱化學還原成因(TSR)形成的，礦區(qū)地層大量的膏鹽體是H2S 的主要來源，在成礦過程中可能提供了大量的NaCl，以作為Pb、Zn 等金屬離子長距離遷移的絡(luò)合劑[15]，金頂?shù)V區(qū)膏鹽主要來自于三疊紀的海相地層[16]；蘭坪盆地膏巖的形成環(huán)境、物質(zhì)來源與賤金屬礦密切相關(guān)[17]。綜合前人研究成果可以看出，針對古近系云龍組的膏泥、灰?guī)r、砂巖、泥巖和石膏的形成古氣候及沉積環(huán)境研究較少，而蘭坪盆地的銅銀鉛鋅多金屬礦多數(shù)在云龍組地層中，且含礦巖石多為砂巖型、角礫巖型礦石，同時又與膏泥、灰?guī)r、砂巖、泥巖和石膏伴生。這些巖石形成時的古水體環(huán)境能夠為金屬礦產(chǎn)的沉淀提供必要條件，有利于金屬陽離子與鹽類陰離子的結(jié)合沉淀成礦。為此，筆者通過對蘭坪盆地古近系云龍組的古溫度和環(huán)境進行探討，以恢復盆地在金屬成礦時期的古環(huán)境，為進一步挖掘盆地內(nèi)礦產(chǎn)資源潛力提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

蘭坪盆地處于歐亞板塊與印度板塊的縫合部位，在金沙江-哀牢山斷裂帶與瀾滄江斷裂帶之間，是三江褶皺帶的組成部分[17-18](圖1)。盆內(nèi)發(fā)育中-上三疊統(tǒng)、侏羅系、白堊系、古近系的大量石膏巖、泥巖、灰?guī)r、膏泥和砂巖建造。研究區(qū)內(nèi)的化學巖類和碎屑巖類分布在蘭坪縣、維西縣和云龍縣等地，集中在古近系云龍組。其云龍組下部在干旱的氣候條件下形成了含鹽地層，沉積了一套石鹽、石膏的蒸發(fā)巖建造[19-20]，之后云龍組上部沉積了一套含碳酸鹽巖的碎屑巖地層，記錄盆地由鹽湖—干鹽湖—淡水湖泊沉積的過程[21]；同時發(fā)現(xiàn)少量鉀鹽[22-23]，而鉀鹽礦物是鹵水演化到最終階段的產(chǎn)物，需要較長時間干旱的氣候條件[24-25]。這些化學巖和碎屑巖在古近系云龍組成層性較好，水體鹽度較高，處于干旱環(huán)境，形成了一套蒸發(fā)巖系建造[26]。

圖1 蘭坪盆地區(qū)域地質(zhì)圖(據(jù)文獻[27]修改)Fig.1 Regional geological map of Lanping basin

通過野外踏勘，云龍組由一套泥巖、膏泥巖、砂巖和石膏巖充填而成，其組構(gòu)特征為：石膏巖主要發(fā)育在底層，一般在紅色砂巖或者泥巖下部，以灰綠色、紫紅色膏泥的形式出現(xiàn)(圖2a—圖2c)，在斷裂附近則以含膏巖的角礫巖形式出現(xiàn)(圖 2d—圖2g)，在單偏光下，石膏為白色顆粒，與炭質(zhì)泥巖混合，并且能夠發(fā)現(xiàn)明顯的過渡現(xiàn)象(圖2j)，正交偏光下，石膏的顏色亮麗多色，以放射狀和混合顆粒狀出現(xiàn)(圖 2k—圖 2l)。砂巖以厚層、薄層和砂泥互層形式出現(xiàn)，砂巖和泥巖均為紫紅色，而云龍組底部由于沉積石膏巖和灰?guī)r，則出現(xiàn)還原環(huán)境下的灰綠色泥砂巖，且發(fā)育比較廣泛(圖2b)，均為灰綠色膏泥巖，此處位于沘江公路旁邊，且發(fā)育紫紅色和灰綠色砂巖的波痕構(gòu)造(圖2g—圖2i)。灰?guī)r角礫主要分布在斷層破碎帶附近，被泥巖和石膏膠結(jié)，角礫中含有方解石細脈(圖2e—圖2f)，膏泥和石膏可能是由于構(gòu)造運動將形成的灰?guī)r破碎后，與泥砂巖混合形成，方解石細脈可能是后期充填在灰?guī)r裂隙中而形成的。

2 樣品測試與分析

采集蘭坪盆地云龍組新鮮巖石樣品共13 件，均來自白洋廠及金頂銅銀鉛鋅賤金屬礦區(qū)，其中，泥巖1 件，膏泥巖5 件，灰?guī)r5 件，砂巖1 件，石膏1 件，取樣層位如圖3 所示。所有樣品均為新鮮巖石塊樣，在室內(nèi)破碎后，取其最新鮮部分，瑪瑙缽研磨至200 目(0.74 μm)，裝入樣品袋備用。所有測試由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院分析測試研究中心完成。采用電感耦合等離子質(zhì)譜儀，在室溫20℃、相對濕度30%的環(huán)境下，進行微量元素和稀土元素測試，相對誤差小于10%。

3 巖石地球化學特征

3.1 微量元素特征

圖2 蘭坪盆地典型巖石學特征Fig.2 Typical petrological features of Lanping basin

對砂巖、膏泥、灰?guī)r、石膏和泥巖樣品中Ga、Rb、Cd、In、Sb、Cs、W、Pb、Bi、Nb、Ta、Zr、Hf 等微量元素進行測試，結(jié)果見表1。

由表1 可知，膏泥中微量元素Ga、Cd、In、Cs、W、Pb、Zr、Hf 含量平均值均小于地殼值，Rb、Bi、Nb 和Ta 元素含量平均值均大于地殼值；砂巖中Ga、Rb、Cd、In、Cs、W、Ta、Zr、Hf 元素含量平均值均小于地殼值，而Sb、Pb、Bi、Nb 元素含量平均值均大于地殼值；灰?guī)r中Ga、Rb、Cd、In、Cs、W、Ta、Zr、Hf 元素含量平均值均小于地殼值，而Sb、Pb、Bi、Nb 元素值均大于地殼值；石膏中Ga、Rb、Cd、In、Sb、Cs、W、Pb、Bi、Nb、Ta、Zr、Hf元素含量平均值均小于地殼值；泥巖中Ga、Cd、In、W、Zr、Hf 元素含量平均值均小于地殼值，而Rb、Sb、Cs、Pb、Bi、Nb 元素含量平均值均大于地殼值，尤其是Pb 元素含量是地殼值的12.5 倍。所有巖樣中微量元素表現(xiàn)出明顯富集Rb、Pb、Zr；與地殼值相比巖樣中富集Rb、Pb；特殊的是地殼中富集W，而所有巖樣中均出現(xiàn)W 虧損的特征(圖4)。綜上所述，白洋廠和金頂銅銀鉛鋅多金屬礦區(qū)巖石具有相似的物質(zhì)來源，與地殼相比，其來源不僅僅是地殼，還可能有其他來源的多元混合成因；5 種巖樣相比，泥巖更富集金屬礦，其次是灰?guī)r和砂巖，同時也表明含礦巖石主要來自地殼。

圖3 蘭坪盆地地層巖性及采樣位置(據(jù)文獻[16]修改)Fig.3 Stratigraphic lithology and sampling location of Lanping basin(revised according to reference[16])

表1 蘭坪盆地巖石微量元素含量Table 1 Trace element content in rocks of Lanping basin

圖4 樣品微量元素平均含量蛛網(wǎng)圖(地殼值[18])Fig.4 Spider web diagram of the mean of the trace elements of samples(crustal value source[18])

3.2 指示元素特征

有些微量元素對環(huán)境變化敏感，具有指示氧化還原環(huán)境的特性，用以推斷其形成時的古環(huán)境；有些元素對溫度變化特別敏感，可以用來反映當時形成的溫度變化特征。目前，經(jīng)常用到的特征微量元素有Cu、Zn、Sr、Ba 等。本文選取13 件巖石樣品微量元素含量(表2)。其中，砂巖的Cu、Sr、Ba 含量明顯高于其他巖石，尤其是Ba 的含量異常高，可能受到天青石的影響，因為在礦區(qū)發(fā)現(xiàn)有天青石礦與其伴生，而天青石礦的主要成分為BaSO4。王安建等[12]在蘭坪盆地也發(fā)現(xiàn)石膏、天青石、重晶石等與賤金屬礦伴生，本文測試結(jié)果中Sr 和Ba 含量異常高，與其吻合，說明砂巖在成巖過程中受到這些礦物的影響。

利用m(Cu)/m(Zn)、m(Sr)/m(Cu)和m(Sr)/m(Ba)等特征參數(shù)值能夠很好地反映沉積時期的氧化-還原環(huán)境和古水體的鹽度[29-34]。其中，m(Cu/m(Zn)常被用來指示氧化-還原程度，田景春等[28]認為m(Cu)/m(Zn)＜0.21，為還原環(huán)境，在 0.21～0.35時為弱還原環(huán)境，在0.35～0.50 時為還原-氧化環(huán)境；m(Sr)/m(Cu)常被用來判斷氣候溫濕和干熱的重要指標，當m(Sr)/m(Cu)介于1～10 指示溫濕氣候[33-35]，大于10 時，指示干熱氣候；m(Sr)/m(Ba)常被用來反映古水體的鹽度，當m(Sr)/m(Ba)＞1.0 時，為海相咸水，介于0.6～1.0 為半咸水，小于0.6 時，為陸相淡水[32]。通常利用Sr 元素的質(zhì)量分數(shù)(y)和溫度(T)的關(guān)系來估算古水溫，即：y=2 578-80.8T[28]。基于前人的研究認識，本文采用m(Cu)/m(Zn)、m(Sr)/m(Cu)、m(Sr)/m(Ba)元素特征參數(shù)值和古水溫計算公式，對蘭坪盆地云龍組砂巖、膏泥、灰?guī)r、石膏和泥巖中相關(guān)元素比值進行計算(表2)，并推測古環(huán)境。

表2 蘭坪盆地巖石微量元素含量及特征值Table 2 Content of characteristic values of the trace elements in rocks of Lanping basin

由表2 可知，膏泥和石膏的m(Cu)/m(Zn)的平均值分別為0.28 和0.38，均處于0.21～0.35；灰?guī)r、砂巖和泥巖膏的m(Cu)/m(Zn)的平均值分別為0.93、1.49 和0.56，均大于0.35～0.50，指示膏泥和石膏形成于弱還原環(huán)境而灰?guī)r、砂巖和泥巖膏形成于氧化環(huán)境。膏泥、灰?guī)r和石膏的m(Sr)/m(Cu)平均值分別為18.92、66.20 和171.37，遠遠大于10，指示干熱氣候，而砂巖和泥巖的m(Sr)/m(Cu)平均值分別為8.42 和2.59，介于1～10，指示形成于溫濕氣候環(huán)境；膏泥、灰?guī)r和石膏的m(Sr)/m(Ba)平均值分別為1.09、23.06 和 59.42，均大于 1.0，而砂巖和泥巖的m(Sr)/m(Ba)平均值分別為0.14 和0.34，均小于0.6，指示膏泥、灰?guī)r和石膏形成于海相咸水環(huán)境，砂巖和泥巖形成于陸相淡水環(huán)境。通過Sr元素與古水溫法關(guān)系式[28]，計算得到膏泥形成時的古溫度為26.91～31.42℃，平均29.79℃；灰?guī)r形成時的古溫度為15.54～31.13℃，平均22.74℃；砂巖形成時的古溫度為17.83℃；泥巖形成時的古溫度為28.64℃；石膏形成時的古溫度為26.94℃。結(jié)合野外沉積特征，推斷研究區(qū)地層古溫度經(jīng)歷了升溫(石膏)—降溫(灰?guī)r)—升溫(膏泥)—降溫(砂巖)—升溫(泥巖)的過程。

4 討論

4.1 古環(huán)境

蘭坪盆地晚三疊世進入相對穩(wěn)定的環(huán)境，沉積區(qū)域較寬，形成了一套海相磨拉石沉積，侏羅紀和白堊紀沉積環(huán)境發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，由海盆沉積轉(zhuǎn)換為陸盆湖相沉積，發(fā)育一套河湖相沉積。古近紀時期，湖盆進一步萎縮，發(fā)育了濱-淺湖及半深湖相沉積和沖積扇及辮狀河沉積體系。而古近紀云龍期沉積了石膏、灰?guī)r、砂巖和泥巖沉積建造[35-36]，這些沉積巖的微量元素特征值能夠很好地恢復其沉積環(huán)境。由蘭坪盆地中各巖樣的m(Cu)/m(Zn)值得出，膏泥和石膏形成于弱還原環(huán)境，砂巖、灰?guī)r和泥巖形成于氧化環(huán)境。一般認為，還原環(huán)境主要形成于深湖相，沉積物在深水中缺氧沉積，而弱還原環(huán)境則表明云龍期盆地內(nèi)湖水開始蒸發(fā)濃縮，由缺氧環(huán)境向有氧環(huán)境轉(zhuǎn)化，湖水鹽度開始增大，形成化學巖類沉積物，這與沈立建等[37]利用碳氧同位素分析結(jié)果相吻合，也說明微量元素特征比值在沉積環(huán)境指示方面應用的可行性。盆地內(nèi)巖樣中m(Sr)/m(Cu)值表明，膏泥、灰?guī)r和石膏形成于干熱環(huán)境，而其沉積正是需要湖水鹽度的不斷增加，鹽類離子濃度增高到達結(jié)晶點，產(chǎn)生化學沉積，在湖盆底部形成一層化學沉積巖；砂巖和泥巖形成于溫濕氣候，說明化學巖類沉積之后，盆地云龍期的古氣候環(huán)境發(fā)生變化，開始由干熱轉(zhuǎn)向溫暖濕潤的環(huán)境，湖水的蒸發(fā)速率明顯降低，而石膏、灰?guī)r、砂巖和泥巖的m(Sr)/m(Ba)值表明膏泥、灰?guī)r和石膏形成于海相咸水環(huán)境，海水濃度相對較高，為化學巖類的沉積提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，有利于化學巖類的沉積。m(Sr)/m(Ba)值表明，砂巖和泥巖形成于陸相淡水環(huán)境，湖水鹽度降低。綜上分析認為，盆地內(nèi)古近紀云龍期石膏、灰?guī)r和膏泥形成于干熱的海相咸水環(huán)境，從野外沉積特征上看，石膏、灰?guī)r和膏泥沉積于云龍組的底部，向上逐漸開始以砂巖和泥巖沉積為主，氣候沉積環(huán)境演化則由有利于石膏、灰?guī)r和膏泥沉積的干熱海相咸水環(huán)境向有利于砂泥巖沉積的溫暖濕潤陸相淡水環(huán)境轉(zhuǎn)變。

4.2 古溫度

沈立建等[37]對灰?guī)r的碳氧同位素進行研究，認為古湖水的溫度為35.5～44.3℃，平均41.4℃，而云南地區(qū)湖水溫度為21.7～27.3℃，蘭坪地區(qū)海拔較高，湖水溫度略低于平均溫度[38]，結(jié)合云龍組的形成時代，懷疑云龍組初期，盆地處于古新世和始新世交接的極熱氣候環(huán)境。這一時期，溫室氣體增加、全球氣溫升高，短期內(nèi)極端干旱，碳酸鹽巖碳同位素發(fā)生負漂移，以及方解石的補償深度降低等[39-41]。本次利用巖樣中Sr 元素含量，計算出石膏、灰?guī)r、膏泥、砂巖和泥巖的形成溫度依次為26.94、22.74、29.79、17.83 和28.64℃，其中，灰?guī)r的形成溫度與沈立建等[37]利用碳氧同位素計算結(jié)果出現(xiàn)偏差，這可能由于云龍組形成初期湖水鹽度過高，在干熱的環(huán)境中開始沉積鹽類，到極熱的高溫時，湖水的鹽度已經(jīng)開始降低，轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴嗟?，泥巖和砂巖開始沉積，通過野外觀察也發(fā)現(xiàn)云龍組出現(xiàn)泥裂和波痕構(gòu)造，這也說明盆地古新世和始新世期間發(fā)生過極熱事件，并不是初期鹽類的沉積時期，而是后期的砂泥巖沉積時期，具體的熱事件發(fā)生時代，還需要采用年代學進一步考證。因此認為，蘭坪盆地云龍期的沉積初期湖水溫度并不高，可能是其濃度過高，鹽類開始沉積，到泥巖和砂巖沉積時期，溫度升高，但是湖水的鹽類沉積能力已經(jīng)明顯降低，轉(zhuǎn)變?yōu)殛懴嗟练e，這與王蘇民等[38]關(guān)于云南地區(qū)湖水溫度為21.7～27.3℃存在偏差，這可能是因為沉積過程中，氣溫的周期性變化所致，且此次得出的總體溫度變化范圍為15.54～31.42℃，明顯大于21.7～27.3℃，說明云龍期云南地區(qū)湖水溫度變化范圍明顯大于現(xiàn)代湖水的溫度變化范圍。

4.3 環(huán)境演化模式

蘭坪盆地云龍組沉積了一套由石膏、灰?guī)r、膏泥、砂巖和泥巖充填而成的厚層沉積物。張治波等[17]通過對云龍組碎屑巖的研究認為，盆地的沉積物主要來源于東西緣造山帶的陸源沉積物，其古環(huán)境主要經(jīng)歷了蒸發(fā)的海相咸水弱還原環(huán)境，古溫度比較高，形成了石膏、灰?guī)r和膏泥沉積物互層，其中，膏泥沉積階段盆地內(nèi)有少量陸源碎屑物加入。隨著溫度、古水體和含氧量的變化，東西緣造山帶剝蝕程度不斷增強，沉積了一套厚層砂巖沉積物，之后氣候溫暖濕潤，為陸相淡水氧化環(huán)境，沉積了1 層泥巖沉積物。按照蘭坪盆地古近系云龍組的沉積環(huán)境特征，可將其劃分為海相咸水弱還原環(huán)境和陸相淡水氧化環(huán)境2 個沉積環(huán)境階段(圖5)。

a.海相咸水弱還原環(huán)境 蘭坪盆地古近紀云龍期初期，古湖水溫度由26.94℃開始上升，沉積析出了1層石膏巖，之后溫度又降低為22.74℃，析出1層灰?guī)r沉積層，而后上升到29.79℃，陸相沉積物開始加入，沉積了1層膏泥巖(圖5a)，其陸源碎屑物主要來自盆地東西緣的造山帶，這指示了水體不斷變淺的過程。

b.陸相淡水氧化環(huán)境 蘭坪盆地古近紀云龍期后期，隨著陸源物質(zhì)的不斷加入，沉積環(huán)境由海相咸水向陸相淡水轉(zhuǎn)變，湖水濃度開始降低，沉積了1 層砂巖和泥巖，由缺氧的弱還原環(huán)境向富氧的氧化環(huán)境轉(zhuǎn)變，氣候溫暖濕潤，溫度由17.83℃上升至28.64℃，但總體還是沒有上升到鹽類沉積時的溫度(圖5b)，其陸源碎屑物主要來自盆地東西緣的造山帶。

整體來看，蘭坪盆地的碎屑巖主要來源于盆地東西緣的造山帶，化學巖類主要來自古海水的化學沉積，這些沉積過程都受到云龍期沉積環(huán)境的轉(zhuǎn)變，受到了升溫-降溫-升溫-降溫-升溫這一溫度變化過程的影響。

圖5 蘭坪盆地古近系云龍組沉積環(huán)境演化模式Fig.5 Evolutionary model of sedimentary environments of the Paleogene Yunlong Formation in Lanping basin

5 結(jié)論

a.蘭坪盆地古近系云龍組沉積一套由石膏、灰?guī)r、膏泥、砂巖和泥巖組成的巖系，巖石微量元素中m(Cu)/m(Zn)、m(Sr)/m(Cu)和m(Sr)/m(Ba)特征表明，盆地內(nèi)在古近紀云龍期氣候環(huán)境由缺氧的弱還原環(huán)境向富氧的氧化環(huán)境轉(zhuǎn)變。

b.依據(jù)巖樣微量元素 Sr 含量與溫度關(guān)系得出，盆地內(nèi)云龍期古溫度經(jīng)歷了升溫-降溫-升溫-降溫-升溫的過程；云龍組經(jīng)歷了2 個階段，第一階段為氣候干熱的弱還原海相咸水湖沉積環(huán)境，沉積出石膏、灰?guī)r和膏泥；第二階段為溫暖濕潤富氧的氧化陸相淡水環(huán)境，沉積出砂巖和泥巖。

c.蘭坪盆地內(nèi)氧化還原環(huán)境、高濃度的鹵水和干熱的氣候為盆地內(nèi)賤金屬成礦提供了有利條件，沉積環(huán)境與氣候環(huán)境分析對盆地的礦產(chǎn)勘探與開發(fā)具有指導意義。

請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進行交流

OSID 碼