中科院地质地球所热液碳酸盐岩定年研究获新进展

构造-岩浆活动背景下形成的热液碳酸盐岩一直是近些年国际上研究的前沿焦点，它挑战了碳酸盐岩储层内多种白云岩化机制的传统解释。构造-岩浆活动能促进热液流体沿着断裂和断层发生迁移，引起碳酸盐岩的热液蚀变。塔里木盆地内沉积了一大套早古生代（寒武纪和早奥陶世）白云岩。岩相学观察和地球化学证据表明这套白云岩经历了多幕、复杂的成岩过程，并且可能受到了早二叠世塔里木大火成岩省活动的影响，但是缺少直接的年龄证据。因此，限定这套白云岩内热液活动时间对于我们了解盆地内热液碳酸盐岩的形成时间和形成机制至关重要。

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方解石U-Pb地质年代学是近几年新兴的定年技术，广泛应用于沉积地质和石油地质领域，可用于测定沉积、成岩和流体迁移的绝对时间。随着原位分析技术的发展，传统溶液法方解石U-Pb定年技术逐渐被原位激光剥蚀U-Pb定年技术所取代，LA-ICP-MS能够快速寻找和分析高U/Pb区域，并且消耗的样品量远远小于溶液法。LA-ICP-MS分析速度快并且可以获得足够高的精度，因此逐渐成为方解石原位U-Pb定年的有效工具。

针对上述科学问题，中国科学院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室化学地球动力学学科组兰中伍副研究员、吴石头高级工程师和李献华院士联合国内其它高校应用多接受电感耦合等离子体质谱实验室的LA-ICP-MS仪器，对塔里木盆地早古生代白云岩中的方解石巨晶进行年龄测试，得到了两期年龄，分别为ca. 290 Ma和ca. 250 Ma（图1, 图2）。其中，早期热液活动时间对应于塔里木地区大火成岩省活动的时间（ca. 290 Ma），晚期热液活动时间对应于塔里木地区印支期岩浆-热液活动的时间。

图1 早期热液方解石Tera–Wasserburg年龄图（A）和阴极发光（B）以及微量元素成像（C）。Si和Pb呈现正相关关系，二者和Ca呈现负相关关系，说明Si和Pb以电价平衡的方式取代了方解石中的Ca。A图中粉色充填椭圆为离群点

图2 晚期热液方解石Tera–Wasserburg年龄图（A）和阴极发光（B）以及微量元素成像（C）。Si和Pb呈现正相关关系，二者和Ca呈现负相关关系，说明Si和Pb以电价平衡的方式取代了方解石中的Ca。A图中粉色充填椭圆为离群点

年龄证据加上前人的同位素证据一起证实这两期热液方解石是在塔里木地区构造岩浆活动背景下形成的热液碳酸盐岩。在两次热液活动中，方解石中的Si和Pb含量都表现出和Ca含量反相关关系，表明Si和Pb都进入了方解石的晶格，并且不同程度地替代了方解石中的Ca。方解石中细小石英包裹体的出现也指示热液活动的发生。

图3 两期热液方解石表现出不同的Th/U比值，指示岩浆流体和盆地流体不同程度的混合。早期热液活动中，盆地流体贡献多一些，而在晚期热液活动中，岩浆流体贡献多一些

Th/U比值可以有效区分流体来源，原理是Th和U为高度不相容元素，在岩浆活动中通常耦合在一起；而在表生过程中，二者表现出不同的地球化学行为，发生解耦。据此，可以用方解石中Th/U比值来判断岩浆流体和盆地内流体贡献的多少。两次热液活动中，岩浆流体和盆地流体（沉积岩内部流体）不同程度地混合，表现为两期方解石给出的Th/U比值不同（图3）。其中ca. 290 Ma热液活动中盆地流体贡献多一些，岩浆流体贡献相对少一些；而在ca. 250 Ma热液活动中岩浆流体贡献多一些，盆地流体贡献相对少一些。

鉴于方解石晶体容易受到流体活动的影响，在同一颗晶体上不同区域会给出不同的U-Pb年龄，建议在选择方解石晶体做U-Pb定年标样时尽量多测试一些区域，验证年龄和化学组成是否均一。

研究成果发表于石油地质领域国际学术期刊Marine and Petroleum Geology（兰中伍, 吴石头, 汪方跃, 刘波, 石开波, 孙晶, 曹熔, 李献华. A ca. 290 Ma hydrothermal calcite in Cambrian dolostone[J]. Marine and Petroleum Geology, 2023, 147: 106011. DOI: 10.1016/j.marpetgeo.2022.106011.）研究受国家重点研发项目（2018YFA0702600）、基金委面上基金项目（U19B6003, 41873034, 41673016）、中科院地质与地球物理研究所岩石圈演化国家重点实验室开放课题（SKL-Z202001）、中国地质大学（武汉）地质过程与矿产资源国家重点实验室开放课题（GPMR201902）、中科院南京地质古生物研究所古生物学和地层学国家重点实验室开放课题（193112）以及中石油开放基金（2022-KFKT-07）共同资助。