0 引言

随着现代深水探测技术的发展，越来越多的湖/海底的火山活动及其相关的热液活动被发现，并被逐步研究^[1-5]。不同于地表环境，水下火山喷发所受到的环境影响因素(高水压、高温差)更为复杂^{[3, 6]}。由此产生的沉积作用，包括碎屑形成机理、搬运流体特征、沉积方式、沉积物特征^{[1-3, 6-9]}及其与湖/海水间相互作用^[10]近年来得到广泛关注。同时，与火山活动相关的热液喷流沉积既见于全球不同大洋，直接表现为洋底、湖底的黑、白烟囱^[11-12]，也见于大陆环境，如东非裂谷^[13]和美国黄石公园^[14]。热液活动所形成的沉积产物最先由White^[15]定义为喷流岩(exhalite)，后经Ridlers^[16]重新评述，其后被广泛使用。但由于受到采样限制以及与正常湖/海水沉积物的混合，这类沉积作用所产生的远端沉积物难以得到较好的观察与研究。目前，国内仅有新疆三塘湖^[17-18]、青藏酒西^[19-20]和内蒙古二连盆地^[21]发现了热液沉淀成因的白云石。而地质时期详细的水下岩浆—热液喷发、喷流沉积岩则被较少报道与研究。

近年来，课题组在研究新疆三塘湖盆地二叠系芦草沟组的黑色含油气页岩的过程中，发现了一套以夹层形式出现，并以岩浆矿物、热液矿物及正常湖水沉积物混合形成的特殊沉积岩，初步定名为岩浆—热液喷流沉积岩(简称喷积岩)^[17-18]。本文选择其中一类特殊的白云质喷积岩为研究对象，通过精细的岩石学、矿物学以及地球化学方法探讨其形成机理。认为该岩石为一类罕见的白云碳酸岩岩浆在水下喷发的沉积产物，指示了研究区在该时期的裂谷构造背景下可能存在碳酸岩火山活动。

1 地质背景

新疆博格达山北缘三塘湖盆地为一在晚石炭基底之上形成的山间盆地(图 1)。综合前人资料表明，该盆地自前晚石炭世形成基底以后，进入盆地充填阶段^[22-23]。晚石炭世三塘湖盆地进入板内裂谷演化阶段，形成一系列受正断层控制的断陷—裂谷盆地。在此构造背景下，二叠系形成一套半深—深湖相纹层状沉积岩^[22-25]。

三塘湖盆内及南缘造山带上石炭统至下三叠统(图 2)可划分为：1)上石炭统哈尔加乌组，厚1 000~ 6 000 m，主要由基性及酸性火山岩构成，夹少量泥岩。2)下二叠统卡拉岗组厚2 500~4 000 m，由中酸性火山岩组成，井下难以与哈尔加乌组区分。3)中二叠统芦草沟组厚度为0~600 m，平均200 m，在北疆地区广泛发育，与卡拉岗组呈不整合接触，主要由极细的纹层状深灰色—黑色凝灰质泥岩，浅灰色白云岩或灰岩夹凝灰岩组成^{[18, 26]}，盆地边缘偶见少量砂岩和砾岩。4)中二叠统条湖组主要由厚度可达2 000 m的玄武岩夹少量凝灰质泥岩组成，局部可见苦橄质玄武岩^[27]，上二叠统在盆内缺失，指示区内主要的构造抬升运动。5)中侏罗统西山窑组主要由200~400 m的砂岩，泥岩及少量煤层组成，不整合于条湖组之上。综上，芦草沟组上覆及下伏地层以火山岩为主，且区内存在的2个不整合(图 2)，共同指示出芦草沟组邻近的上下地层沉积时期属于火山活动相对剧烈的构造背景；而由湖相沉淀及凝灰质沉积为主的芦草沟组则代表了相对稳定的构造背景。

2 实验方法

所有岩石样品均采于盆内马朗凹陷ML1井(图 1)。详细观察手标本的沉积结构及与围岩接触关系后，选择46件磨制成0.03 mm厚度的薄片在偏光显微镜下进行初步的观察鉴定以及分类。选择粒度过于细小难以观察或结构特征具有代表性的样品磨制成电子探针薄片，观察其矿物组合与微观矿物构造特征。该实验在西安地质研究所实验测试中心完成，仪器型号：JXA-8100电子探针仪(15Kv，束流1×10^-8A，束斑1~5 μm)。

由于该样品产状多呈纹层状或薄层状，为保证地球化学数据准确性，共选择6件样品采用微钻进行局部取样。将钻取的粉末粉碎至200目以下，进行主、微量和稀土元素及Sr-Nd同位素分析，所选样品均经过X衍射测试，其碳酸盐矿物含量大于50%。地球化学测试在西北大学大陆动力学国家重点实验室完成。其中主量元素分析使用RIX—2100型X射线荧光光谱仪，其精度一般优于5%；微量、稀土元素成分分析使用Elan6100DRC型ICP-MS，测试精度介于5%~10%。Sr-Nd同位素测试使用Nu Plasma HR型MC-ICP-MS，并分别用⁸⁶Sr/⁸⁸Sr=0.119 4和¹⁴⁶Nd/¹⁴⁴Nd=0.721 9加以校正。

3 实验结果

研究样品以白云石含量大于50%为特征，由于样品兼具沉积岩与岩浆岩特征，本文按照柳益群等^[18]对这类特殊岩石类型的定名方案，将该样品称为白云质喷积岩。

3.1 岩石学及矿物学特征

共有15层白云质喷积岩集中出现在ML1井芦草沟组上半段约30 m的岩芯中(图 3A)。其单层厚度主要介于30~80 mm，并作为夹层夹于灰白色凝灰质泥岩中。二者呈明显的突变接触，部分接触面具有凹凸不平的剥蚀面特征(图 3B)。并且在接近该岩石时，本身平行于水平面的凝灰质泥岩岩层多呈现大角度倾斜，甚至直立于地层(图 3A)。手标本上该岩石呈浅红褐色，极疏松，多显示类似火山岩的斑状结构的块状，无明显纹层结构。仅有少量该岩石具有纹层结构(图 3C)。值得注意的是，在部分块状样品中可见大致垂直于岩层的由更加密集的斑晶构成的不规则脉体(图 3C)，可能为泄水构造。

白云质喷积岩主要由白云石(~70%)，蒙脱石(~23%)，碱性长石(~6%)以及少量黄铁矿(表 1)组成。白云石主要富集于斑状结构的斑晶内，而蒙脱石则富集于基质中(图 4A)。这些斑晶粒度介于0.2~3 mm，分选中等(图 4A，B)。但该斑晶并非喷出岩一般由单矿物组成，而是主要由大量的白云石，少量的碱性长石和黄铁矿构成骨架颗粒，并以蒙脱石作为基质的团块(图 4C)。团块中的白云石粒度介于10~ 50 μm，呈次棱角状至次圆状，因其晶体边界部分自形平直，部分呈光滑的凹凸不平状(图 4C)，可能指示了熔结或溶蚀作用，而非机械搬运的磨圆作用造成。一些白云石与碱性长石镶嵌在一起，可能代表了岩浆结晶过程中的交生关系(图 4C，D)。黄铁矿呈不规则粒状形态分布于骨架颗粒之间(图 4C)。

团块之间的基质主要由分散的白云石和碱性长石组成，并杂乱分布于蒙脱石之间(图 4D)。相对于团块中的颗粒，基质中的颗粒普遍较小(< 20 μm)。白云石同样为半自形至自形，部分具有熔蚀或溶蚀作用造成的光滑的凹凸不平的边部。部分白云石与长石同样存在镶嵌的交生关系。

值得注意的是，有一件样品中的部分团块为蛇纹石的集合体，其中还有粒度介于50~90 μm的正方体形黄铁矿(图 4E)。少量具有纹层状结构的该样品，其临近的不同纹层具有平行的起伏形态(图 3A)，可能指示了同沉积时期的软变形。该纹层主要由它形至半自形，粒度介于0.1~0.5 mm的白云石组成。白云石之间彼此镶嵌，且晶体边部均发生了蛇纹石化作用(图 4F)。

3.2 地球化学特征

由于该岩石均以纹层—薄层状产出，很难获得成分较为纯净的岩石样品，因此本文仅选择6件厚度较大的白云质喷积岩进行地球化学测试，结果详见(表 2，3，4，5)。6个样品的SiO₂含量均小于34%；K₂O+Na₂O极低，普遍小于4%；CaO、FeO+Fe₂O₃、MgO的总和介于32.98%~37.23%；TFeO含量为1.49%~2.8%；MgO平均含量为20.72%；Al₂O₃的平均含量为4.7%；K₂O/Na₂O几乎均小于1.2；SiO₂/Na₂O均小于15；Al₂O₃/Na₂O均小于2.4。

白云质喷积岩微量元素(图 5)显示富集大离子亲石元素(Rb、Ba、Th、U)，而亏损高场强元素(Nb、Ta、Zr、Hf)的特征，Pb和Sr明显正异常。分析结果显示(表 3)Ba/La值介于14.86~33.85，平均值为23.83；Rb/Sr值介于0.01~0.05，平均值为0.03；Th/U值介于0.72~1.66，平均1.12；Sm/Nd值介于0.18~0.22，平均值为0.2。

白云质喷积岩样品的∑REE(表 4)介于39.61×10^-6~66.19×10^-6(平均为51.70×10^-6)，∑LREE/∑HRRE在7.1~9.04(平均为7.99)；δEu值为0.57~0.86(平均为0.68)，δCe值为0.81~1.34(平均为1.05)，表现出明显的Eu负异常，Ce异常不明显。球粒陨石标准化稀土元素配分图解(图 6)显示，白云质喷积岩呈现轻稀土富集的右倾型稀土配分型模式，重稀土分布曲线较为平坦，该特征与二叠纪玄武岩^[22]类似。

6个样品的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr(表 5)初始比值介于0.705 058±0.000 010至0.705 382±0.000 009，低于同时期全球海水⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值(0.706 854~0.707 355，时代260.5~272.5 Ma^[30])以及中上二叠统海相碳酸盐的最低值(0.706 914±0.000 012，时代265.8~260.4 Ma^[31])，表明可能有深源的、具亏损特征的Sr的加入。¹⁴³Nd/¹⁴⁴Nd初始比值介于0.512 337±0.000 008至0.512 634±0.000 027，εNd值介于-3.74~2.48(平均-0.39)。

4 讨论

综合岩石学、矿物学以及地球化学特征，推测白云质喷积岩为水下火山—热液喷发作用形成的高密度碎屑流沉积而成，并且被同期或较晚期热液改造后形成的一类特殊沉积岩。

4.1 物源探讨

根据岩石矿物组合推测白云质喷积岩可能源于白云质岩浆碳酸岩。其一，白云石整体具有较为自形的平直边缘，表明较为充分的结晶过程，且未经过长距离的机械搬运，否则白云石应整体磨圆，其各个方位的菱形角形态均难以保存。其二，部分白云石所具有的平滑的凹凸不平的边部形态(图 4C)，则有流体溶蚀或高温熔蚀两种可能。但前者也理应与机械搬运作用一致，对颗粒各个方位均发生改造作用。而后者则常见于火山喷出岩中的矿物，其整体保持了较自形的矿物晶形，而局部由于高温形成类似于港湾状凹凸不平的形态。因此，笔者认为白云石的晶体形态更接近于熔蚀作用造成。其三，白云石彼此之间或是与长石之间的镶嵌的交生结构(图 4C，D)代表了岩浆矿物的特征。其四，作为次要造岩矿物的蒙脱石，其主要成因便是基性火成岩受碱性环境影响形成，也可以是海底沉积的火山灰分解后的产物^[32]。最后，在临近白云质喷积岩的地层多数发生了地层大角度倾斜(图 3A)，可能代表了火山活动造成的局部隆起。

地球化学特征也显示了该岩石物质主要来自深部，并有浅部物质混杂的特征。样品的Ba/La值(平均23.83)与该区二叠纪玄武岩^[22]的Ba/La值(平均17.42)相似。而其Rb/Sr值(平均0.03)，又与原始地幔值^[28](平均0.03)一致，但Th/U比值(平均1.12)则远远低于原始地幔值^[28](平均4.00)和上地壳值^[29](平均4.20)，Sm/Nd值(平均0.20)则介于原始地幔值^[28](平均0.33)和上地壳值^[29](平均0.18)之间。以上对比结果表明，喷积岩的特征微量元素比值均反映原始地幔与上地壳混合的特征，以及与该区二叠纪玄武岩类似的特征。样品的⁸⁷Sr/⁸⁶Sr比值较低，代表了幔源物质组成特征，而其εSr值则偏高，表明了壳源Sr的混入。此外，本样品εNd正负只均有，同样可能代表了喷积岩源区的混杂性。

4.2 形成过程探讨

根据岩石矿物结构特征以及地球化学特征推测白云质喷积岩形成于水下碳酸岩喷发后形成的高密度碎屑流体沉积而成。原因如下：1)主要造岩矿物粒度介于粉砂级—泥级，说明碎屑经过了长距离搬运，但这与颗粒普遍具有的成分成熟度低(颗粒以白云石和碱性长石等相对不稳定矿物为主，而缺乏稳定的石英)的特征相互矛盾。推测形成该岩石的碎屑流体密度较大，含水量较少，类似于泥石流，颗粒之间彼此摩擦作用少，并以混杂的方式快速堆积。2)在对现今水下火山喷发所产生的水—岩反应的观察后，学者们发现除了岩浆瞬间减压而造成的破碎过程外，还存在着更为强烈的二次破碎。由于水体与极高温的岩浆接触后瞬间产生出大量水蒸气，在此气化过程中释放了大量的能量，使原本已破碎的颗粒变得更加细小。因此，相较于水上火山喷发，其碎屑颗粒更为细小^{[3, 6]}，这一过程产生的沉积物具有粒度极小、磨圆差、分选差的特征^[33]。因此该岩石物源来源较为单一，很可能以水下岩浆活动为主提供物源，而并非是由周围造山带母岩经风化、剥蚀、搬运再沉积过程形成。3)由于水下火山受高水压的影响，其喷发量往往很小，并且呈脉动式喷发，形成周期性的沉积事件^{[1, 7]}。白云质喷积岩在纵向上连续15次的出现也恰好符合这一沉积特征。4)该岩石具有的斑状结构，其斑晶为矿物集合体团块(白云石—蒙脱石的组合)，基质除多了碱性长石外，其余成分与斑晶一致。然而，斑状结构是熔浆在快速冷凝过程中由于结晶习性的不同，造成的分异现象。其斑晶多为早期结晶的矿物单晶，而基质则为细小的矿物晶体及未结晶的火山玻璃^[32]。本次样品虽然在“斑晶”与基质的成分上反映了一定的分异现象，但“斑晶”本身并非矿物单体。因此，推测本次研究的斑状结构可能为已固结岩石经破碎、搬运后，以岩屑形式作为碎屑沉积；也有研究表明，火山喷发产生的碎屑颗粒在高密度碎屑流体中，由于彼此发生碰撞，从而聚集形成团块状的增生火山泥粒^[34]，同样可形成标本中的斑晶状团块。由于，该团块无明显破碎形态，笔者认为增生火山泥粒的成因更可靠。5)偶见的泄水构造(图 3C)表明沉积物中存在少量的水，但层内无明显成层性以及颗粒混杂、无定向性(图 4C，D)的特征则表明碎屑流密度较大，含水量不高，因此无明显的牵引流作用，使得颗粒定向排列。

地球化学以及特殊矿物的出现，表明该岩石受到同期或后期与火山活动相关的热液改造。1)Eu负异常明显，已有研究认为，Eu负异常是由于在流体作用下，Eu²⁺被带走致使剩下Eu³⁺，表明该区高温碳酸岩熔浆在结晶成岩过程中遭受到具还原性质流体的交代改造。2)研究表明蛇纹石可形成于酸性流体对白云石的蚀变作用^[32]。岩石中部分团块以及粗晶白云石边部的蛇纹石化现象(图 4E，F)均指示了热液的蚀变作用。3)自形的黄铁矿的结晶形态可反映热液作用温度，如正方体对应90℃~280℃，八面体对应250℃~350℃，五角十二面体对应300℃~350℃^[35-36]。白云石团块中的黄铁矿粒度小且自形程度低，而蛇纹石团块中的黄铁矿粒度大且呈现自形的正方体形态(图 4E)，表明了高温热液对白云石团块的蚀变与改造。

4.3 形成机理推测

综合以上讨论结果表明，该岩石是由富含幔源物质的岩浆在湖底喷发并与湖水反应后，形成的以岩浆矿物为主要成分，并保留部分岩浆岩特征的一类特殊的沉积岩。其形成过程如下。首先，在深大裂谷的拉张构造背景下，来自幔源的岩浆沿裂缝上涌，并在此过程中逐步发生结晶分异，形成气相、液相以及固相共存的混合物。在该混合物上升至湖水底部时，由于压力减小随即发生爆炸破碎作用。但由于水体压力的存在，压力差较小，导致破碎作用没有陆地火山喷发时的破碎作用强烈。造成此时的喷发虽然强度降低，但次数频繁，呈脉动式^{[1, 7]}。其次，当岩浆与水接触后造成的气化作用所释放的巨大能量造成的强烈的二次破碎，形成了粒度更为细小的火山碎屑物质，包括粉砂级—黏土级的白云石、碱性长石等碎屑和火山玻璃，并形成高密度的碎屑流。部分早期结晶的晶体在高密度流体中彼此碰撞，从而聚集形成类似增生火山泥粒^[34]的团块，即标本中的斑晶状团块。在火山运动造成隆起形成的高差以及频繁的震动作用下，这一碎屑流在重力作用下发生搬运从而逐渐远离火山口。在搬运过程中，这一碎屑流体逐渐释放热量，湖水慢慢混入其中，流体性质逐渐从以碎屑搬运碎屑，受重力控制的碎屑流变为由水体搬运碎屑的牵引流，并不断发生沉积，形成这类特殊的层状沉积岩。最后，由于火山作用造成了大量的裂缝，湖水沿裂缝下渗后逐渐接近岩浆房，从而温度升高，部分气化，由此产生压力向上回流。在此过程中，水体酸化并在上升过程中与围岩反应，携带部分阳离子^[10]参与成岩作用。该酸性流体溶解火山玻璃并形成蒙脱石，同时使得部分白云石发生蛇纹石化作用。而热液所携带的深部化学元素以及本身具有的正常湖水的化学特征，使得该岩石的地球化学特征具有混杂幔源与壳源的复杂特征。

5 结论

三塘湖地区二叠系芦草沟组幔源白云质喷积岩是一特殊的沉积岩类。形成于一个以深源岩浆和地幔热液不断喷爆、喷流为特征的陆内裂谷型湖盆内。在火山活动期，岩浆以不间断的小规模的喷爆、溢流方式进入湖泊沉积体系中，并且受到与岩浆相关的热液改造，形成具有原始岩浆岩特征的喷积岩。该岩石的发现不但为地质时期的岩浆—热液—湖水混合沉积作用提供了研究资料，同时由于深部物质的发现，为该区的构造背景示踪也能提供部分岩石学依据。然而，对于该类岩石的火山—热液水下喷流沉积的解释还存在许多问题：如缺乏现代实例支持，并且由于粒度过细造成的研究困难。但这一特殊现象很难用以往的沉积模式加以解释。因此，作者希望此文章能引起广大学者的注意，从而共同参与这项研究。

致谢: 感谢评审专家中肯的修改意见，对本论文的改进有很大的帮助。感谢中国地质调查局西安地质调查中心的汪双双、魏小燕以及周宁超工程师在实验测试过程中给予的帮助。