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文檔簡介
1、第40卷第4期東華理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol.40No.42017年12月JOURNALOFEASTCHINAUNIVERSITYOFTECHNOLOGYDec.2017doi:10.3969/j.issn.1674-3504.2017.04.008恩施剖面G-L界線自生石膏與鈉長石成因白瑪曲宗,韋恒葉,韋雪梅,江增光,張璇,耿梓傲(東華理I:大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院,江西南昌330013)摘要:為探討恩施剖面自生石膏和鈉長石的成因,對樣品開展了X射線熒光光譜、薄片鏡下觀察和能譜分析。采用Sr/Ba法和計算Al/(A1+Fe+Mn)及繪制Al-Fe-Mn三角圖,分析了恩施剖面GL界限中自生石膏與
2、鈉長石賦存的沉積環(huán)境中元素地球化學(xué)特征所指示的沉積構(gòu)造環(huán)境。研究表明,構(gòu)造背景主要為被動大陸邊緣,且沉積環(huán)境為典型的海相特征。吳家坪組底部的石膏為成巖作用成因,其形成過程主要由于黃鐵礦氧化產(chǎn)生硫酸根及酸性環(huán)境,后者引發(fā)火山物質(zhì)蝕變產(chǎn)生鈣離子,導(dǎo)致鈣離子和硫酸根離子濃度升高而生成石膏。吳家坪組泥質(zhì)灰?guī)r中的自生鈉長石是由于成巖過程中熱液流體丈代生物骨骼而成。關(guān)鍵詞:GL界限;自生石膏;自生鈉長石;成巖作用中圖分類號:P619.26+1;P578.968文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-3504(2017)04-0355-07白瑪曲宗,韋恒葉,韋雪梅,等.2017.恩施剖面G-L界線自生石膏與鈉長石
3、成因口.東華理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,40(4):355-361.BaiMA-qu-zong,WeiHeng-ye,WeiXue-mei,etal.2017.OriginofauthigenicgypsumandalbiteatG-LboundaryinEnshisectionJ.JournalofEastChinaUniversityofTechnology(NaturalScience),40(4):355-361.石(CaSO4-2H2O)在沉積巖中是一種常見的礦物,部分石膏中的硫來自黃鐵礦的氧化。而黃鐵礦的生成被認(rèn)為與細(xì)菌硫酸鹽還原作用有關(guān),這一還原作用在沉積過程中普遍存在,沉積有機(jī)質(zhì)
4、或沉積物中的硫在缺氧水體被微生物還原產(chǎn)生硫化氫,硫化氫再與水體中的鐵離子反應(yīng)生成以黃鐵礦為主的硫化物(Berneretal.,1983)O因此,黃鐵礦可以成為石膏等其他硫酸鹽中硫的主要來源。鈉K石(NaAlSi3O8)作為熱水沉積的標(biāo)志性礦物,頻現(xiàn)于海底熱液成巖作用中,是海底熱液與海水混合后的產(chǎn)物(李榮西等,2012)。自生鈉長石的出現(xiàn),一方面指示富鈉的堿性流體的加入,另一方面表示水巖反應(yīng)強(qiáng)烈(葉瑛等,1999)。海相環(huán)境以海水及巖漿水為主要熱水流體來源。通常鈉長石的形成與堿性巖漿水(特別是火山活動)密切相關(guān)(邵紅梅等,2015)o研究沉積巖中自生鈉長石和石膏的成因,有助于理解成巖作用過程中水
5、一巖反應(yīng)過程。收稿日期:2017-03-10基金項目:國家自然科學(xué)基金(41302021)作者簡介:白瑪曲宗()994-),女,碩士研究生,主要從事沉積地球化學(xué)研究。E-mail:baimaquzong2016在恩施剖面吳家坪組王坡頁巖段的下部凝灰質(zhì)砂巖中發(fā)育有自生石膏,其上泥質(zhì)石灰?guī)r中發(fā)育自生鈉長石。本文通過巖石薄片和掃描電鏡分析自生鈉長石和石膏的形態(tài)和成分,探討自生石膏及鈉長石的成因。1地質(zhì)背景恩施剖面位于恩施市團(tuán)堡鄉(xiāng)田鳳坪村。研究區(qū)在古地理上位于華南板塊。后者總體上是一個淺水臺地環(huán)境,被中部的江南盆地分為東部的華夏板塊和西部的揚子板塊。研究剖面位于揚子板塊北部的一個深水盆地鄂西盆地內(nèi)(馮
6、增昭等,1997),實際上是一個向北半開口的港灣莊深水環(huán)境。研究剖面自下而上出露瓜德普魯統(tǒng)孤峰組和樂平統(tǒng)吳家坪組(圖1),孤峰組主要為黑色硅質(zhì)巖夾黑色頁巖,富含方解石結(jié)核;而吳家坪組自下而上為王坡頁巖段和夏窯灰?guī)r段。王坡頁巖段底部為含煤的凝灰質(zhì)砂巖,向上為砂質(zhì)頁巖夾薄層泥質(zhì)石灰?guī)r,富含黃鐵礦。夏窯灰?guī)r為泥質(zhì)灰?guī)r夾頁巖,頂部為生物碎屑石灰?guī)r含條帶狀硅質(zhì)結(jié)核。石膏發(fā)育于吳家坪組王坡頁巖下部的凝灰質(zhì)砂巖中,鈉長石發(fā)育于王坡頁巖段和夏窯灰?guī)r段的泥質(zhì)石灰?guī)r中。32rm:30?28?26-24722720?TP63TP69TP68TP66TP75TP74TP73109665PPPTTT煤硅質(zhì)巖灰?guī)r有頁巖巨
7、目黏土巖毛TI泥質(zhì)灰?guī)r方解石結(jié)核硅質(zhì)結(jié)核圖1恩施剖面地層柱狀圖Fig.1StratigraphiccolumninEnshisection2實驗方法對研究區(qū)采集的巖石樣品進(jìn)行薄片磨制。在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察后,將薄片表面涂上石墨碳粉用于掃描電子顯微鏡(SEM)觀察。掃描電鏡所用儀器為牛津X-Max型能譜儀連接捷克有限公司(FEI)生產(chǎn)的NovaNanoSEM450型,電子束電壓為20kV,焦距為20mm。為鑒定礦物成份,在特定區(qū)域進(jìn)行了能譜分析。該實驗在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境教育重點實驗室完成。元素含量測試分析主要利用X射線熒光光譜(XRF)儀在東華理工大學(xué)核資源與環(huán)境重點實驗室完成。實驗過
8、程如下:稱取4g粉末樣品,利用壓片法,不加任何粘結(jié)劑,以硼酸墊底直接壓制成薄片。將薄片放入型號為Axios-MAX的XRF儀器中進(jìn)行測試分析。分析過程中主量元素的分析精度優(yōu)于5%,微量元素的分析精度優(yōu)于8%。3結(jié)果3.1主量及微量元素從表1中可以看出,該地區(qū)沉積巖樣品成分以SiO2,K2O,Na2O和A12O3為主,SiO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22.6%-75.4%,平均值為51.8%;匕0的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%-2.2%,平均值為1.2%;Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為04.1%,平均值為1.2%;A12O3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.7%29.3%,平均值為16.7%oAl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.6%15.5%;Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0
9、.45%29.26%;Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為01.65%。Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50.4x102168.6x10-6;Ba的含量為43.9Xi。241.1xlO”。Al/(Al+Fe+Mn)范圍為0.11-0.97o3.2自生礦物微觀特征鏡下觀察發(fā)現(xiàn),石膏層主要在凝灰質(zhì)砂巖中,礦物成分主要有石英、長石和石膏。除此之外,可見石英、黃鐵礦與石膏伴生。在偏光顯微鏡下,石膏礦物的形態(tài)為規(guī)則的自形長條狀(圖2a-b),具明顯的礦物邊界。掃描電子顯微鏡鑒定表明,石膏呈單晶,晶體邊界和解理面在鏡下清晰可辨,沿晶帶發(fā)育縱向紋(圖2c-d)。能譜分析結(jié)果如圖2e和2f所示,化學(xué)式為CaSO4-2H2O,進(jìn)一步確定為石膏。鈉長
10、石主要發(fā)育于泥質(zhì)石灰?guī)r中,在偏光顯微鏡下,該自生礦物具有典型的板條狀晶形,(圖3),為負(fù)延性,低負(fù)突起。I級灰白-黃白干涉色,正交偏光下呈現(xiàn)明暗交替的消光(圖3b)。自生鈉長石主要呈細(xì)小的自形晶交代腕足骨骼的形式出現(xiàn),反映其為成巖階段的產(chǎn)物。能譜成分分析如圖3ef顯示,譜圖62和譜圖58的鈉長石中氧原子(0)百分比分別為64.16%,63.39%,鈉原子(Na)百分比為3.89%,5.00%,鋁原子(A1)百分比為3.79%,4.68%,硅原子(Si)百分比為17.71%,14.03%,化學(xué)式為NaAlSi3O8,a一步確定為鈉長石。表1恩施吳家坪主及微元素數(shù)據(jù)表Table1Majorelem
11、ent,minorelementdatainWujiapingofEnshisection/IO-6樣品號TP59TP60TP61TP63TP66TP68TP69TP73TP74P364.08325.60550.901652.54651.93673.17897.171272.2442072.25s14171.7428848.1452275.7536793.49160477.201462.0420793.8115615.5715442.72Cl48.6821.2321.90778.272213.7550.7466.26126.9687.14Sc11.9414.0514.9416.9921.401
12、8.2619.5525.1415.43Ti17389.0520674.5215368.939105.7416176.1622245.959259.3714225.092511.80V336.37289.27242.60153.92247.70240.36111.67211.96133.48Cr135.47117.23103.3656.34101.26121.3793.385Mn16.220.00160.62141.52100.8811.219277.6212.1-17.8916574.89Co8.272.728.6628.4732.158.4452.330.0017.79
13、Ni4.5325.3429.5869.5897.8152.9055.3640.71Cu3.6215.1435.3872.063121.59122.8841.13Zn16.5067.90159.5271.6256.1313.96150.87212.90246.09Ga9.3154.1546.8018.6152.0056.6011.5539.2510.33Ge1.821.031.131.712.151.671.633.782.29As2.871.031.8742.943.651.661.710.002.02Se0.630.430.270.470.710.600.521.300
14、.90Br0.001.601.000.805.234.00Rb30.4441.2335.3817.500.0053.170.000.000.00Sr50.43319.53454.10359.62377.16258.71818.92214.752168.61Y7.9646.5031.1249.2447.27120.3429.9047.30276.10Zr82.38655.08519.77467.77523.111383.10287.35444.18199.36Nb10.59102.2373.6839.4484.39196.7234.2666.7423.61Mo0.001.
15、971.485.975.991.011.450.480.00Ag90.180.0000.02Cd0.3060.300.210.090.560.13Sn0.004.856.204.260.003.505.170.000.00Sb0.001.241.652.770.000.512.710.0024.20Cs13.5910.058.2011.9830.5511.239.2139.119.53Ba241.15213.68158.0943.86155.07236.0968.2056.17149.98La114.7290.6566.4514
16、3.0994.65250.1849.5789.5763.84Ce215.38175.57122.63298.54184.61344.3393.71224.65224.27Nd109.6680.1360.57142.4071.37162.3554.7440.52112.92Yb1.273.032.993.454.585.082.963.4712.27Hf4.0819.3814.4812.2918.0833.386.3315.973.19Ta0.007.854.572.457.8413.022.110.950.00W2.442.491.482.333.505.552.894.773.45Pb0.0
17、018.5713.5322.9581.547.709.452.428.29Bi3.900.000.000.630.670.780.000.000.37Th0.0019.0211.965.3921.8132.388.2710.290.00U0.004.012.681.324.406.241.800.010.00SiO2/%68.6360.6260.8575.4040.7764.1546.1127.3922.62AL2O3/%21.8224.8419.908.9516.5829.278.7714.875.00Fe2O3/%1.304.724.577.2320.710.6515.0241.8029.
18、82CaO/%0.721.050.2318.112.6628.89MgO2/%0.480.670.640.350.650.453.198.494.22Na2O/%1.800.851.341.330.310.264.150.001.02K20/%1.921.991.490.571.542.190.410.330.39Fe/%0.913.313.205.0614.500.4510.5129.2620.87Al/%11.5513.1510.544.748.7815.504.647.872.65Sr/Ba0.211.502.878.202.431.1012.013.8214.4
19、6V/(V+Ni)0.990.920.890.690.720.950.680.790.77Al/(A1+Fe+Mn)0.930.800.770.480.380.970.290.210.11電子1%1電子1%1400um200um電子圖*1元素重量百分比S字百分比輯金化學(xué)式C15.2922.0256.02CO,rTTT0.32AI/5技Si7SiO?10.745.8026.83so.Ca11.7016.37CaO061.8866.90總量100.003lTi324604461ct光標(biāo)0Q0C1012161821keV圖2恩施剖面吳家坪組底部凝灰?guī)r中石膏微觀特征圖Fig.2M
20、icrostructuresofGypsumatthebaseoftheWujiapingformationinEnshisectiona.發(fā)亮部分為石膏,單偏光;b.發(fā)亮部分為石膏,正交偏光e掃描電鏡下的石膏(背散射),圖譜8;d.掃描電鏡下的腕足中的石膏(背散射).圖譜21;e.c對應(yīng)石膏能譜分析;f.d對應(yīng)石膏能譜分析4討論4.1元素地球化學(xué)特征及意義不同構(gòu)造環(huán)境中的沉積巖具有不同的地球化學(xué)特征,因此利用沉積巖地球化學(xué)可以有效的判別構(gòu)造背景(杜利林等,2013),國外研究人員首次利用SiO2-K2O/NaO2提出了區(qū)分被動大陸邊緣(PM),主動大陸邊緣(ACM),大洋島弧(ACR)三種構(gòu)
21、造環(huán)境的判別圖解(楊江海等,2007)。在SiO2-K2O/NaO2圖中,研究區(qū)主要為被動大陸邊緣環(huán)境。樣品TP69和TP74落在大洋島弧和主動大陸邊緣上,可能與成巖后期熱液活動的影響有關(guān)。德銳比(Sr/Ba)法是常用的恢復(fù)古鹽度的方法之一(崔滔,2013),鯉和槌的化學(xué)性質(zhì)相似,由于地球化學(xué)行為的差異而發(fā)生分離。因此,德銳比值(Sr/Ba)可以作為古鹽度的標(biāo)志(史忠生等,2003)。之所以能指示環(huán)境是因為二者的地球化學(xué)性質(zhì)有差異,德的運移能力弱于鑰,在海陸過渡地帶,當(dāng)?shù)拖趟旌蠒r,根離子容易與海水中的硫酸根離子結(jié)合,形成硫酸釧沉淀(苗耀等,2009),但德離子卻不會沉淀而是繼續(xù)運移到深海
22、,這樣海相、陸相、過渡相的掘銳比值(Sr/Ba)便會產(chǎn)生差異。研究表1SB621SB62腐童程心1m光標(biāo)。順筒理程,L乎光懷coco圖3恩施剖面吳家坪組中部石灰?guī)r中鈉長石微觀特征圖Fig.3MicrostructuresofalbiteinlimestoneincentralWujiapingsectionofEnshisectiona,白色部分為鈉K石,單偏光;b.白色塊狀為鈉K石,正交偏光;c.掃描電鏡下的鈉K石(背散射),譜圖62;d,掃描電鏡下的腕足中的鈉長石(背散射),譜圖58;e.c對應(yīng)鈉長石能譜分析;f.d對應(yīng)鈉長石能譜分析化臺旬陽學(xué)式J-.”比C85912903147CO,Na
23、637500859Na;OAl70046S1323Al。ISi218314034671SiO,056206339100.00182(keV明Sr/Ba值是隨著遠(yuǎn)離海岸而逐漸增大的,依據(jù)其比值可以定性的反映古鹽度。大量統(tǒng)計表明,陸相沉積物中德銳比值(Sr/Ba)小于1,海相沉積物中鍥銳比值(Sr/Ba)大于1(馬恩國等,1991;崔滔,2013)。根據(jù)表1,樣品Sr/Ba的平均值為5.1,除樣品T59的Sr/Ba比值為0.2以外,其它皆大于1,且樣品TP69和TP74的Sr/Ba比值高達(dá)12和14,指示研究區(qū)沉積環(huán)境為典型的海相沉積特征。海洋沉積物中Fe、Mn的富集與熱水參與有關(guān),而A1的富集與
24、陸源物質(zhì)有關(guān),A1/(A1+Fe+Mn)比值可以作為判斷熱水組分參與沉積作用的指標(biāo),這一比值隨熱水沉積的減少而增加(楊海生等,2003;邱振等,2011)。對于正常海洋環(huán)境中的沉積物,Al/(Al+Fe+Mn)比值約為0.6,與熱水作用有關(guān)的沉積物的Al/(Al+Fe+Mn)比值一般比0.6小得多(姚林波等,2002)。Adachi等(1986)指出這一比值的變化由0.01(純熱水)到0.6(純遠(yuǎn)海生物成因)。恩施剖面G.L界線研究區(qū)的A1/(A1+Fe+Mn)比值相對較高,平均值為0.547,遠(yuǎn)大于0.01,但是樣品TP69,TP73,TP74的Al/(A1+Fe+Mn)比值分別為0.29,
25、0.21,0.11,遠(yuǎn)小于0.6,產(chǎn)生這種結(jié)果可能是因為在沉積過程中存在熱液活動。在Adachi等(1986)的Al-Fe-Mn圖版中,有一半樣品位于熱液成因區(qū)域內(nèi),說明研究區(qū)的沉積巖受到圖4構(gòu)造背景圖解(Yandokaetal.,2015)Fig.4TectonicbackgrounddiagramPM.被動大陸邊緣ACM.主動大陸邊緣ACR.大洋島弧了熱液作用的影響(邱振等,2010)c綜合以上的分析,可以得出恩施地區(qū)沉積巖屬于熱水和生物混合沉積,并且形成于離大陸(淺海)較近的環(huán)境之中。熱水沉積作用發(fā)生的同時,正常沉積作用仍然存在。AI圖5恩施剖面沉積巖Al-Fe-Mn圖解(Adachie
26、tal.,1986)Fig.5Al-Fe-MndiagramofsedimentaryrockinEnshisection.i.非熱液成因.熱液成因4.2自生石膏及鈉長石成因恩施剖面吳家坪組底部凝灰質(zhì)砂巖中石膏為規(guī)則的棱柱狀、長條狀,具有明顯的礦物邊界,同時常見包含石英砂顆?,F(xiàn)象,這說明這種石膏是早期成巖作用過程中形成的膠結(jié)物(Pirletetal.,2010)0恩施剖面中古海洋沉積水體的鈣離子和硫酸鹽離子濃度還不足以直接沉淀結(jié)晶形成石膏。在沉積物孔隙水中石膏的沉淀需要鈣和硫酸鹽離子達(dá)到過飽和的狀態(tài)。也即,在成巖過程中可能存在額外的鈣離子和硫酸根離子的輸入。在熱水沉積作用發(fā)生過程中,熱液中的S
27、或者h(yuǎn)2s形成硫酸鹽,這很可能是硫酸鹽濃度增加的一個重要因素。水體或沉積物的早期成巖作用過程中,細(xì)菌硫酸鹽還原作用利用硫酸鹽氧化有機(jī)質(zhì),產(chǎn)生硫化氫(反應(yīng)式),后者與鐵反應(yīng)生成黃鐵礦(反應(yīng)式2,Be.neretal.,1983)o鐵礦氧化過程產(chǎn)生H+和SO42(反應(yīng)式3),引起pH降低,酸化的成巖作用引起火山物質(zhì)如斜長石蝕變釋放出鈣離子(反應(yīng)式4),在升高的硫酸鹽濃度下,Ca2,和SO:-達(dá)到過飽和形成石膏(反應(yīng)式5,陳忠等,2007)o2CH2O+SO42-2HCO3+H2S(1)2H2S+Fe-FeS2+2H2(2)4FeS2+15O2+10H2O-4FeOOH+8SO42-+16H+(3)
28、IT+CaCO3Ca2+HCO3-(4)SO42-+Ca2+2H2O-CaSO42H2O(5)需要注意的是,在熱水沉積作用發(fā)生過程中,熱液中的S或者h(yuǎn)2s形成硫酸鹽,這很可能是硫酸鹽濃度增加的一個重要因素。對海底熱水沉積研究表明,鈉長石化作為熱水沉積的標(biāo)志性礦物在海底熱液成巖成礦作用中普遍見到,是海底熱液與海水混合后的沉淀物(Millsetal.,1995;肖榮閣等,2001,李榮西等,2012)。國內(nèi)外研究表明,鈉長石主要有噴流沉積成因和交代成因,其中噴流沉積成因的鈉長巖由熱水溶液等沿海盆中同生斷層噴溢到海底經(jīng)沉積交代等作用而形成(沈立成等,2002)。而交代成因的鈉長石是分布最多的一種鈉長
29、石,主要由富鈉質(zhì)的深部熱液侵入宿主巖層,經(jīng)填充、交代等作用形成鈉長石,交代過程中有大量的鈉帶入巖石中,而帶出K,Fe,Mg等(高魚偉等,2016)。恩施剖面吳家坪組下部地層存在熱液活動的證據(jù)。研究區(qū)的成巖環(huán)境為海相特征。在成巖過程中,這些熱液活動帶來含鈉長石的流體,交代生物骨骼而形成自生鈉長石。5結(jié)論對恩施剖面G.L界限的碳酸鹽巖進(jìn)行巖相學(xué)和能譜分析表明,剖面中存在自生石膏和自生鈉長石。石膏是發(fā)育于凝灰質(zhì)砂巖,石膏形成的原因為砂巖中細(xì)菌硫酸還原成因的黃鐵礦氧化形成硫酸鹽,而同時火山物質(zhì)成巖蝕變釋放出鈣離子,在升高的硫酸鹽濃度下,形成石膏沉淀。自生鈉長石發(fā)育于泥質(zhì)石灰?guī)r中,其形成為富鈉長石的熱液
30、交代生物骨骼而形成。參考文獻(xiàn)陳忠,顏文,陳木宏,等.2007.南沙海槽表層沉積自生石膏.黃鐵礦組合的成因及其對天然氣滲漏的指示意義J.海洋地質(zhì)與第四紀(jì)地質(zhì),27(2):91-100.崔滔.20】3.黔北地區(qū)鋁土礦成礦環(huán)境分析D.北京:中國地質(zhì)大學(xué).杜利林,郭敬輝,耿元生,等.2013.揚子西南緣鹽邊群時代及構(gòu)造環(huán)境:來自碎屑沉積巖的約束J.巖石學(xué)報,29(2):641-672.馮增昭,楊玉卿,金振奎1997.華南二疊系巖相古地理M北京:石油大學(xué)出版社:242.高魚偉,李國蓉,吳亞軍,等.2016.Jl|東北元壩地區(qū)長興組鈉長石的發(fā)現(xiàn)及地質(zhì)意義J.礦物巖石地球化學(xué)通報,35(5):917-924
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