自生伊利石同位素年代学在钾盐矿床中的应用展望.pdf
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1、Doi:10.W.2023.0507Sep.,2023ETMINERALOGICAACTAPETROLOGICA2023年9 月石Vol.42,No.5:691700志心杂矿学物岩第42 卷第5期自生伊利石同位素年代学在钾盐矿床中的应用展望沈立建(中国地质科学院矿产资源研究所,自然资源部成矿作用与资源评价重点实验室,北京100037)摘要:伊利石是一种层状硅酸盐矿物,层间主要为钾离子,可利用K-Ar法、Ar-Ar法和Rb-Sr法等相关的测年方法来分析和限定与自生伊利石有关的地质事件的时代,例如盆地演化历史、热液活动、构造活动和油气运移。本文讨论了利用钾盐矿床中自生伊利石进行蒸发岩地层年代学研究
2、的可能性。虽然多数研究表明温度是控制自生伊利石形成的主要控制因素,即自生伊利石一般形成于温度较高的条件下,但一些研究表明在地表温度的盐湖环境中也可形成自生伊利石,此种环境下控制自生伊利石形成的主要因素为流体成分。这构成了利用自生伊利石定年来研究蒸发岩地层时代的理论基础。然而在实际研究过程中仍存在很多问题,需进行进一步的研究。关键词:盐湖;自生伊利石;同位素测年;钾盐矿床年代学中图分类号:P578.959;P6 19.2 1*1文献标识码:A文章编号:10 0 0-6 52 4(2 0 2 3)0 5-0 6 91-10Prospects for the application of authi
3、genic illite geochronology in potashdepositsSHEN Li-jian(MNR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment,Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of GeologicalSciences,Beijing 100037,China)Abstract:As a phyllosilicate,illte could fix K*within interlayers.Thus K-Ar,Ar-Ar and Rb-Sr dati
4、ng methodscould be used to investigate and constrain the ages of different geologic events accompanying the formation of authi-genic illite.Currently,it is significant to utilize authigenic illite to study the thermal evolution history of sedimenta-ry basins,hydrothermal activities,tectonic movement
5、s,and hydrocarbon migration.This paper discusses the possi-bility of dating formation ages of evaporites by using isotope dating of illites from potash deposits.Although moststudies showed that the formation of authigenic illite is favoured in high temperature environment,some authigenicillites coul
6、d be formed in the salt lake environment of surface temperature.In this case,the controlling factor of theformation of illite is fluid composition.It is the theoretical basis for the study of evaporite formation age by usingisotope chronology of authigenic illite.However,many challenges remain in pr
7、actical research,requiring furtherinvestigation.Key words:salt lake;authigenic illite;isotope dating;chronology of potash depositFund support:National Natural Science Foundation of China(41802111,42272108);Central Research Institutesof Basic Research and Public Service Special Operations(KK2005);Geo
8、logical Survey Project(DD20190606);National Key Project for Basic Research of China(2011CB403007)收稿日期:2 0 2 0-0 8-13;接受日期:2 0 2 3-0 7-0 5;编辑:郝艳丽基金项目:国家自然科学基金项目(418 0 2 111,42 2 7 2 10 8);中央级公益性科研院所基本科研业务费专项(KK2005);地质调查局地质矿产调查评价专项项目(DD20190606);国家重点基础研究发展计划(97 3)项目(2 0 11CB403007)作者简介:沈立建(198 6-),男,
9、副研究员,主要从事盐类矿床相关工作,E-mail:s h e n l i j i a n 10 19 12 6.c o m。石692志杂矿岩第42 卷学物相对于火成岩和变质岩来说,沉积岩的年代学研究异常困难(Rasmussen,2 0 0 5)。除了利用地层中古生物和层状火山灰以外,很难利用其他方法进行沉积岩年代学研究(Granger and Muzikar,2 0 0 1)。利用放射性同位素对沉积岩进行定年技术有限,例如,利用Re-Os同位素对富含有机质的沉积岩定年(Se l b y e t a l.,2 0 15),利用地层中含K黏土(主要针对海绿石,Clauer and Chaudhur
10、i,1995;W a i g h t,2015)的K-Ar、A r-A r 和Rb-Sr同位素定年。此外还可利用磁性地层年代学来限定地层时代(Benammi etal.,2 0 0 2),但只能得到一个时间段而无法获得相对精确年龄(Rink and Thompson,2 0 15)。作为一种特殊的沉积岩,蒸发岩地层(包含钾盐层)在沉积过程中古生物种类和数量较少,基本只存在一些嗜盐的细菌(Rothschild and Mancinelli,2001),且蒸发岩沉积时多为氧化环境,不利于古生物化石的保存(袁秦等,2 0 13)。因此,如果想获得蒸发岩系的确切形成时代,在没有火山灰夹层的情况下,只能
11、寄希望于其他可用于定年的矿物和方法。这些矿物应该保持稳定,在形成以后不容易受到后期地质事件的影响,形成的时间相对短暂等。对这些矿物进行年代学分析,以期得到钾盐矿床形成的时代。钾盐矿床中盐类矿物的Rb-Sr同位素年代学研究表明,石盐、钾石盐和光卤石等易溶性盐类矿物极易受到各种地质事件的影响,其Rb-Sr点比较分散,不能得出可靠的等时线年龄(Baadsgaard,198 7;Hansen et al.,2 0 16;Sh e n e t a l.,2 0 17;沈立建等,2021)。相对于氯化物型盐类矿物来说,杂卤石和无水钾镁矾的抗后期改造能力要稍强,但目前普遍认为,在大多数情况下无水钾镁矾不是原
12、生矿物,而是其他盐类矿物经过后期改造形成的(Philippe andHaack,1995),无法保证形成之后一直保持稳定或封闭。因此,对于钾盐矿床来说,盐类矿物的放射性同位素年代学研究一般情况下只能用来限定蒸发岩矿物经历的后期改造和变化,而不能测定其形成年代(Lippolt and Raczek,1979)。相对于盐类矿物来说,钾盐矿床中的黏土矿物要稳定得多,抗后期改造能力也更强。如果钾盐矿床含有自生成因的伊利石,且是与蒸发岩同时形成的,那么则有希望对这些自生黏土矿物进行年代学研究,从而得到蒸发岩系的形成时代。Clauer(2016)将自生伊利石定义为在各种环境下,由流体作用在原地形成的新的伊
13、利石矿物,而不是由其他地方带来的。自生伊利石可以形成于陆地风化环境、海洋环境、热液环境、构造环境中,也可形成于埋藏沉积物和火山灰中。由于伊利石晶体中含钾,可以利用相关的测年方法(K-Ar、A r-A r 和Rb-Sr等)进行年代学研究。伊利石定年对于研究相关地质过程具有非常重要的意义,例如,油气在储层中充填时间、构造活动时间及期次、沉积盆地的热埋藏史及热液活动引起的成矿作用及时代等。理论上来讲,在盐湖沉积过程中会形成自生成因的伊利石。本文对钾盐矿床中的自生伊利石进行讨论,分析通过自生伊利石研究钾盐矿床成矿时代的可能性,为沉积岩定年提供新的方法和思路。1应用原理伊利石属于层状硅酸盐,是由四面体片
14、(T)和八面体片(0)组成的结构单元层(图1),基本层厚约为1nm,每个基本层之间由K连接。Grim等(1937)首次提出伊利石,认为它是一种与云母相似、非常细小的泥质沉积物,并以其产地美国伊利诺伊州命名(1-linois)。Sr o d o n 和Eberl(198 4)将伊利石命名为粒级较细(4 m)、具有非膨胀性、含Al和K的云母类矿物。一般来说,伊利石被认为是与云母相似的、K含量不足的二八面体层状硅酸盐(MeunierandVelde,2 0 13),其化学式为(K,H,O)(A l,M g,Fe)2(Si,Al)4O1o(O H)2,(H,O)(h t t p:/w e b m i
15、n e r a M、1M、1M.和3T几种多型(Clauer,198 1),其中前面的数字代表一个晶胞中的层数,后面的字母代表对称类型或晶型,例如2 M多型的伊利石中的2 表明其重复的晶胞中层数为2,M代表其具有单斜晶体特征(monoclin-ic);3T 多型代表单个晶胞为3层,为三方晶系(trigo-nal)。如果晶胞层数相同、晶型相同,但层与层之间堆垛方式不同,则用下标区分(图2)。2 M、1M、1M。这3种多型可发现于沉积物中。1M和1M。多型属于高度无序的伊利石,被认为形成于低温环境中,属于自生成因或由成岩作用形成的;2 M多型伊利石形成温度超过2 50,沉积物中2 M多型伊利石的出
16、现被认为是碎屑来源或由变质作用形成的(Clauer,198 1)。伊利石狭义上讲是由10 0%非膨胀层(伊利石层,层厚1nm)组成,但实际上自然界大部分的伊利石类矿物为伊蒙混层(Srodon,198 4)。根据伊蒙混层693第5期沈立建:自生伊利石同位素年代学在钾盐矿床中的应用展望0OHFe,Mg,AlKSi,AI(uu)斗70四面体T:t e t r a h e d r a l;八面体O:Octahedral图1伊利石晶体的基本结构(Fitz-Diazetal.,2 0 16)Fig.1Crystalline structure of illite(Fitz-Diaz et al.,2016
17、)四面体八面体IM八面体V四面体2M图2 伊利石1M和2 M多型堆列方式和对称特征(修改自MooreandReynolds,198 9)Fig.21M and 2M illite polytypes and symmetry characteristics(modified from Moore and Reynolds,1989)石志心694杂矿岩第42 卷学物中伊利石层和蒙脱石层不同含量和排列方式,可将伊蒙混层分为随机排列混层和有序排列混层。在埋藏成岩过程中,随着温度的增加,成岩作用的不断进行,伊蒙混层中伊利石层含量不断增加,有序度也在不断增加。因此,有序度可以用来判断成岩作用阶段并用作地
18、质温度计等(HoffmanandHower,1979)。伊利石晶体中含有K(图1),其中4K是放射性同位素,可衰变为4Ar。在低温条件下,4Ar*(放射性成因4Ar)经过在伊利石晶体结构中自然反冲,即在放射性4K自发进行放射性衰变过程中,会发生纳米级别的错位(Zimmermann and Odin,198 2;Sz c z e r-baetal.,2 0 15)。伊蒙混层黏土矿物层厚一般约为基本伊利石层厚度的2 n倍(Dudek et al.,2 0 0 2)。有学者认为当4K衰变为4Ar时,放射性成因的4Ar被认为占据了其母体K的位置,困在了伊利石或伊蒙混层的层间(Dongetal.,199
19、5;D a h l,1996;Sl e-ttenandOnstott,1998)。伊利石晶体中Ar逸出的活化能为 197 2 7 6 kJ/mol(Hassanipak and Wampler,1996),跟白云母相似(2 6 42 9kJ/mol,H a r r i s o n e tal.,2 0 0 9)。因此,4K衰变造成的4Ar反冲很难从伊利石晶体中逸出,使得伊利石晶体具有保存4Ar的能力(Hassanipak and Wampler,1996;Cl a u e r e tal.,1997;Sl e t t e n a n d O n s t o t t,1998)。伊利石在加热至2
20、 50 时仍可以保持晶体中的Ar不扩散。所以,在一般的中低温环境(30 0,Boleset al.,2018)下,自生伊利石形成以后仍会保持对Ar的封闭。同时,Rb常以类质同象的形式与K互存,可以利用Rb-Sr法(放射性8 7 Rb衰变为8 7 Sr)对伊利石进行测年。由于Ar是气体,在黏土矿物转化过程中的活动性相对于Sr要强。一般来说,自生伊利石形成以后,在中低温环境下Rb-Sr体系相对于K-Ar体系来说更稳定。总体来说,可以利用K-Ar、A r-A r 和Rb-Sr法对伊利石进行定年,从而获得与伊利石形成相关的地质事件的时代。2钾盐矿床中的自生伊利石相对于钾盐矿床中的盐类矿物,与钾盐矿层共
21、存的黏土矿物非常稳定,而伊利石在黏土矿物中普遍存在。Register(197 9)对美国新墨西哥Salado组钾盐矿床中黏土矿物进行了Rb-Sr年代学分析,其Rb-Sr等时线年龄为390 7 7 Ma。XR D 分析表明,这些伊利石多为2 M多型,为碎屑成因。因此,此年龄主要由碎屑伊利石所控制。若想得到钾盐矿床的形成年龄,必须获得与钾盐矿床同时期形成的自生伊利石,并对其进行年代学分析。由于在其他黏土矿物向伊利石转化过程中,黏土矿物的结构重新组合需要能量,因此,较高的温度是形成伊利石的重要条件之一(Harder,197 4)。但Harder(1974)通过实验表明,在特殊的环境下(溶液中K*和M
22、g2含量较高,且K*/Mg2值适当),在地表温度下也可形成伊利石。Singer和Stoffers(198 0)通过对东非两个盐湖沉积物中黏土矿物的研究表明,高盐度、高K/Na值的卤水环境可促进自生伊利石的形成。Deconinck等(198 8)通过对瑞士和法国Pur-beckian碳酸盐岩中黏土矿物的研究表明,地层中的伊利石是在高盐度、干湿交替的环境下形成的。Turner和Fishman(1991)通过对美国科罗拉多高原东部侏罗纪盐湖中凝灰岩层中黏土矿物研究表明,从盆地边缘至中心,随着盐度和碱度的增加,伊利石含量不断增加。Bauer和Velde(1999)将蒙脱石与高pH值、高K含量的溶液进行
23、反应实验,结果表明,在3580较低温度条件下反应一年,可以使蒙脱石转化为伊利石层占40%90%的伊蒙混层。Honty等(2 0 0 4)通过对东斯洛伐克盆地中斑脱土黏土矿物的研究表明,盐度是控制伊利石化的主要因素。以色列Turonian期(晚白垩世)浅海环境沉积物的研究表明其细粒黏土为自生伊利石,且其所经历的埋藏温度不超过45(SandlerandSaar,2 0 0 7)。海水不断蒸发浓缩造成卤水pH值和K含量不断增加,从而形成了自生伊利石(Sandler and Saar,2 0 0 7)。对于钾盐矿床来说,其成矿卤水已蒸发浓缩至晚期,盐度及K*含量异常高,更容易促进自生伊利石的形成。苗卫
24、良等(2 0 13)通过对中国思茅盆地勐野井钾盐矿床含盐系地层不同成盐阶段黏土矿物的研究表明,随着成盐阶段的不同,不同种类黏土矿物的相对含量也随之变化,并且两者有很好的对应关系。同时,随着盐度的增加,勐野井钾盐矿床中伊利石结晶程度越来越高。这表明黏土矿物的形成与成盐期的高盐度环境密切相关,可能是高盐度卤水中较高的K*含量促进了伊利石生长。曲懿华等(1998)认为勐野井钾盐矿床中伊利石有相当一部分属于自生成因。此外,美国新墨西哥Salado组钾盐矿床中黏土矿物的扫描电镜分析表明,虽然大部分伊利石是碎屑成因,但仍有部分伊利石属于自生成695沈立建:自生伊利石同位素床中的应用展望第5期因,是其他矿物
25、跟当时的卤水发生反应形成的(Reg-ister,197 9)。所以,对勐野井钾盐矿床和美国新墨西哥Salado组钾盐矿床中黏土矿物的研究表明,黏土矿物中的伊利石(至少有一部分)与钾盐矿床同时期形成,是在富含K*的高盐度卤水作用下形成的。以上研究表明,在高盐度的盐湖环境中,K+含量较高的情况下(提供蒙脱石向伊利石转化所需的K*),可形成自生成因的伊利石。通过分析这些在盐湖沉积过程中形成的自生伊利石的形成时代,可以得到钾盐矿床的形成时代。3样品处理及分析方法3.1黏土矿物的分离在对钾盐矿床中自生伊利石进行同位素和地球化学研究之前,要对黏土矿物中伊利石进行矿物学特征研究。首先要将自生伊利石从黏土矿物
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