英格兰和北海盆地侏罗和白垩纪地层中火山岩质粘土岩.doc
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1、英格兰和北海盆地侏罗及白垩纪地层中火山岩质粘土岩编译:王立群C.V.JEANS1 D.S.WRAY2 R.T.MERRIMAN3 M.J.FISHER41、 剑桥大学地球科学系;2、格林威治、彭布罗克、查塔姆海事地球科学学校;3、大英地球勘探;4、尼维斯联合有限公司。摘要:英格兰和北海的侏罗及白垩纪沉积岩中的自生粘土矿物和硅质胶结物的形成,与北海内部和其周围的准同生火山作用存在相互联系。包括新测试的REE(稀土元素)数据在内的证据表明在变化的成岩作用条件下,自生的粘土矿物分析中,发现火山灰的粘土化作用痕迹,火山灰极有可能是许多砂岩中早期硅质胶结物的物质来源。本文讨论了富蒙皂石、富海绿石、富磁绿
2、泥石和富高岭石火山岩质粘土岩的沉积作用。分析出两种模式的粘土矿物相。模式A与非海相和海相环境中的火山灰粘土化作用相关。模式B是由火山岛周围的海相环境中聚集到砂岩或粉砂岩相带中的火山灰粘土化作用发展而来。模式B的发展变化受到热穹窿和火山作用相关的退/进循环的影响。包括海底的热液流体释放。本文讨论了北海地区侏罗纪和早白垩世沉积岩中明显缺乏火山成因粘土沉积物的原因。关键词:火山岩质粘土岩,侏罗纪,白垩纪,粘土化作用,北海。侏罗纪和白垩纪的地下火山中心与北海及其相邻地区的区域裂谷系统相关(图1a)。目前的地层记录表明在侏罗和白垩纪期间至少存在间歇性的火山作用,但是它对北海沉积层序的影响是不足的,而且大
3、部分限制在中侏罗世的沉积层序中。相反,在我们对北海相邻地区的英格兰沿海的侏罗和下白垩沉积层序的研究中,缺少某些准同生时期的火山作用中心,表现出比北海地区更为连续和广泛的火山灰作用。本文认为在以下三个方面可分析这些特征。第一在处理火山岩质粘土岩的鉴定方面;第二是在英格兰和爱尔兰地区的各种侏罗纪和白垩纪沉积岩中,火山岩分布数据的证据,包括发表的数据,如这些沉积岩中分析的新REE数据;第三方面是在北海地区侏罗纪和下白垩纪沉积层序中,根据目前的预测,讨论火山灰物质是其主要成分的可能性,它在砂岩和泥岩的成岩作用中担当着重要的角色。研究方法:从广泛的侏罗纪、白垩纪沉积岩中,采集了大量的岩石和钙质岩脉样品进
4、行了广泛的化学分析(尤其是REE分析)。这些样品的地质和地理数据表示在表1和图1b中。本文所讨论的各种地层单位表示在图2中。按常规过程由Icp-OES所做的大量分析,在Wray和Wood的成果报告中做了描述。REE分析以cody页岩样品为标准。铈和銪异常使用下列方法进行计算: Ceanom Ceanom= (0.8La s/n) (0.2Sm s/n) Eu s/n Euanom= (Sm s/n) Gd s/n)/2 此处,s/n=cody页岩样品的标准值。 重粘土碳酸盐岩样品(中上阿尔泌阶)的Fe2+含量使用色度法测定,粘土矿物分析应用以Jeans等人(1997)的常规分析方法为基础的XR
5、D技术进行分析。粘土矿物鉴定一般达到组的级别。云母矿物(参考伊利石)用于确定云母粘土矿物组。蒙皂石被归类为蒙皂石和蒙皂石/云母混合层矿物组。海绿石被归类为绿色、富铁云母组和蒙皂石/云母混合层矿物组。磁绿泥石被归类为高岭-蛇纹石组中的绿色三八面体的富Fe2+矿物。高岭石被归类为高岭石-蛇纹石组中的二八面体矿物,该组矿物除了高岭石之外,还可以包括地开石和珍珠陶土。特殊的分离方法包括筛选、水中的差异沉淀(Stokes公式)、磁性及重力分析,这些方法由Jeans等人(1977,1997)发展。海绿石砂岩集合体的鉴定使用的是偏光显微镜鉴定方法。火山岩质粘土岩的认识 火山成因这个术语用于描述除了含有来自于
6、风化壳的普通碎屑组分(在后面的叙述中称为标准碎屑)之外,还含有较高比例火山灰或它的成岩变化组分的沉积岩石。尽管也可以形成长石、沸石和硅质矿物,但是火山灰主要形成粘土岩,而且在其变化之前是不稳定的。没有与火山成因相关的次生矿物,也可能在沉积岩和土壤中参与生成了自生矿物相。但是火山灰转化过程其产物所需的物质,尤其是许多沉积盆地的活性Si和Al的来源严重地受到限制。火山灰向沉积盆地的输入,提供活性Si和Al的物质来源,并且进一步地促进和发展了铝、硅矿物的成岩变化。 在确定火山成因沉积岩的类型方面存在问题。火山灰的结构,例如玻璃质结构很难保留下来,而且火山成因的岩性包括粘土岩、粘土质粉砂岩、粘土质砂岩
7、或泥质胶结砂岩,它们与非火山成因的这些岩石类型差别较小。因此火山成因岩石类型的特征分析要经过两个步骤,第一步根据由正常碎屑岩组分组成的相似沉积岩的结构,矿物特征和地球化学特征来区分上述火山成因的岩石类型;第二步要分析火山成因沉积岩形成所需的父火山物质来源的岩石类型。这两方面,熟悉同时代的正常碎屑沉积岩的特征和使用可比的矿物及地球化学参数进行分析是必要的。火山灰的赋存(岩性资料)玻璃质火山灰偶尔会完整地保存在早期的硅质或碳酸盐岩胶结物中(例如Jeans等,1977)。火山灰胶结的沉积物质,在薄片观察中,有时以原始火山灰颗粒的粘土假晶存在(Grim,1933,1935;Zimmerle,1982)
8、或者在非粒屑沉积岩中,以粉砂和砂粒级的粘土晶体存在(Jeans等,1977,图7)。矿物组成 经历了变化的火山灰层一般是由两部分组成。其主要成分是经过改造的物质,一般情况下是粘土矿物,而次要的物质成分是由未经过改造的火山碎屑组成,它们通常在总的组成中占有较低的含量。经历了改造的物质趋向于单矿物,并随成岩环境的物理、化学特征而变化。相同成分的火山灰在非海相条件下,可以形成富高岭石粘土,而在海相条件下,可能形成富蒙皂石粘土(例如,Waage,1961;spears&kanarissotiriou,1979)。 仅在特殊环境下,确定火山成因能够使用化学指纹。许多化学物质(例如:主要元素,次要元素和痕
9、量化学元素、REE)可被用于区分典型的主要碎屑成分而鉴定疑似的火山成因沉积物。根据颗粒粒径标准比较沉积岩的物质组成是一种重要的分析方法。沉积物之间的化学成分的差异,必须与矿物成分、岩性和成岩历史相关联,以便分析化学成分与后者之间的关系,一旦火山成因被确定,那么父火山灰类型的某些证据就可以从化学数据中获取。 从未经历变化的(或者是经历少量变化的)火山碎屑岩中,可以获得更为可靠的信息,但是这些信息也可以从其它岩石类型中获取而且也可能不是发生广泛的粘土化作用的火山灰的原始物质。在原始火山成因的易变成分可能在变化过程中不同程度地消失这方面还存在不明确的地方,因此对火山岩的分类进行修改,调整主要元素的比
10、率(SiO2,Na2O+K2O%)是很重要的做法(TAS系统,Le Maitte,1989)。根据稳定元素进行分类通常更有意义。当仅主要元素分析可用时,TAS系统至少会在火山成因方面提供证据,在火山灰物质组成完全保留在粘土化物质中的情况下,使用TAS系统就变得更为有利。在我们研究英国沿海的侏罗纪和下白垩纪沉积岩时,在我们研究的岩石类型中,纯火山成因的岩石是非常少的,单一成因的物质没有被发现。在搬运和沉积过程中以及因生物扰动而加入的正常碎屑或生物碎屑物质以不同的含量普遍存在。 我们分析了中生代的碎屑成因,自生成因和火山成因的粘土集合体的大量REE样品数据,用于帮助分析这些成因类型的特征(表2)。
11、每一种成因类型的许多样品,所表现出来的REE图都不能与标准的cody页岩相区别。某些样品可以展现出铈(Ce)和銪(Eu)异常,向我们传递了该地层条件下的某些信息。在这种条件下,铈/铈*(Ce/Ce*)和銪/銪*(Eu/Eu*)的正常比值为0.91.1被认为是标准的,而且在该范围之外的值,负值以及1.1的范围则被认为是非标准的。 富氧海水中的负铈/铈*(Ce/Ce*)值的变化模型被完整地建立起来,它是相对于在溶解到河流中的REE进入到高富氧的海水中时,因Ce元素的化合价状态从2+到4+的变化产生的从溶液中Ce的差异性迁移而建立起来的。由这些富氧海水的平衡状态形成的某些矿物很可能含有这些负的异常。
12、在次氧和缺氧条件下,铈的沉淀反应被相反,这表明在次氧或缺氧的孔隙水中沉淀形成的海相成因矿物会展现出一种很小的或非负的Ce异常,因氧化作用,从大洋海水中迁移出来的铈(Ce)很可能在海底就先形成锰结核,从而产生明显的正异常。相似的正异常可能在海底风化作用期间,与玄武岩质玻璃枕状熔岩的外缘的特征相关。 在硅酸盐熔融体或变质岩的差异熔融的微细结晶期间,负的銪(Eu)异常得到了发展。在早期形成的矿物,尤其是斜长石矿物的结晶过程中,因替换晶格中的钙离子而优先地在晶格中加入了銪离子,从而从残余的演化熔融物质中析出。正的Eu/Eu*比值的形成也与通过海底高温裂缝进入到海洋的热液流体有关。火成岩或火山岩的这种差
13、异熔融因演化的不同相会引起可变的Eu/Eu*值混合。我们认为Eu异常的存在可能是粘土矿物因火山岩的粘土化作用或热液参与下的沉淀作用形成。 没有REE图的少数几块样品一般类似于cody页岩的特征,表现出明显的LREE和HREE差异,特殊情况下与銪(Eu)和铈(Ce)异常存在某种联系。在大多数情况下,样品的火山成因类型是不确定的(根据其它线索),但异常的REE图则可识别出火山岩成因的迹象。 斑脱岩和钾斑脱岩一般情况下由它们的岩性特征或黑色泥岩层序中的白色特征来识别(Merriman & Roberts,1990)。但是,包含火山岩成因粘土矿物集合体的许多岩层,当它们的岩性由正常的硅酸盐碎屑或生物碎
14、屑物质作为主要成分时,就不可能被轻易地识别出来。因此,从粘土矿物岩相关系中得到的常规地质认识就更有利于识别这些地层。正如后面所讨论的,这些常规的地质认识对火山成因的某些粘土矿物提供了确凿的证据。非火山成因粘土岩和粉砂岩 英国沿海主要的侏罗纪和白垩纪粘土岩地层的矿物学研究表明其中含有在地层剖面中变化不明显的碎屑粘土矿物集合体。集合体中主要包含云母矿物以及少量的高岭石、蛭石和蒙皂石。粘土晶体的形态一般是它形的,表现出绝无仅有的自生矿物生长的证据。这些碎屑粘土岩的主要化学成分变化极小,除非在成岩过程中存在自生矿物的可识别增量。 表3表示两块下白垩统非海相碎屑成因粘土岩的主要和次要元素的组成;样品Co
15、o41(凡兰今阶)有富含高岭石和蒙皂石的粘土集合体,而样品Bp1776(巴雷姆阶/豪特里维阶)则富含蛭石和蒙皂石,而且还含有可鉴别数量的自生菱铁矿。在总硅碱图(TAS)(图3a)上,样品Coo41被标定在流纹岩区域,而菱铁矿含量导致Bp1776样品落在了TAS图的似长石的区域。当把这两块样品的数据标定在温彻斯特和弗洛伊德(1977)稳定元素图(图3b)上时,这两块样品点就紧密地标在了安山岩/英安岩流纹质英安岩的分界线附近。Coo41和Bp1776这两块样品都没有表现出任何火山成因的证据。侏罗纪和白垩纪碎屑粘土岩的REE图(图4)在与标准的Cody页岩相比较时,没有表现出系统的差异,来自于同一块
16、样品不同粒级组分的REE图没有表现出明显的差异。火山岩成因粘土集合体与岩性 我们认为由火山灰的粘土化作用形成的各种粘土矿物集合体可以被划分为四个组以供描述,这四个组用集合体中的主要粘土矿物命名,分别为蒙皂石组、海绿石组、磁绿泥石组和高岭石组。这些内容在后面详细叙述。这些火山岩成因的粘土集合体的大多数样品是由现在的地质作用聚集起来的火山灰的粘土化作用形成的,被称做次生堆积。仅少量样品是由火山灰的直接空落形成的未扰动堆积物组成,这些被称为原生堆积。与这些火山成因粘土矿物集合体有关的岩性存在许多种类。从纯的火山成因粘土岩到含有小比例火山成因粘土岩胶结物的砂岩或石灰岩的旋回大量发育。火山成因的粘土也可
17、能以砂或粉砂级集合体存在。这些物质由粘土矿物组成的原始火山灰颗粒、包在鲕核之外的粘土集合体或者包含粘土化火山灰或先于交代作用的火山灰的粪球粒有机物质的假性交代作用形成。 斑脱岩在本文中用于特定的意义,它仅与火山成因的富蒙皂石粘土堆积物有关。富蒙皂石堆积物它是原生堆积,它们的范围是从薄层的、富粘土层(斑脱岩),可能含有少量的残余火山碎屑,例如假形晶、棱角状的玻璃质和岩屑到细粒的泥灰和火山组分被生物碎屑方解石以及碳酸盐岩胶结物广泛取代所形成的斑状石灰岩。这些地层的硅酸盐矿物特征和化学特征与邻近的沉积岩不同。该富粘土地层因颜色、光滑的结构以及脱水和吸水性质而与其他地层有明显差别。其中的粘土矿物集合体
18、是富蒙皂石的,一般与正常相关粘土矿物集合体有明显的区别。有某些样品分析得到的不溶于酸的(IN的醋酸)颗粒的粒径分布图表明火山灰颗粒以粘土晶粒集合体的形式存在。这些富蒙皂石原生堆积物一般发现于细粒的沉积岩中,它们可能存在较大的侧向分布范围。我们认为这是空落火山灰进入到低能沉积环境所致,颗粒的分选粒径较小。这些火山灰层在埋藏过程中因压实而减薄到地层的80%,它们极有可能在混合及火山碎屑组分的分布上受生物扰动的影响。来自于该地层样品的REE图(图5)与标准的克沃迪(cody)页岩极其相似,显示出明显的负Eu及Ce异常,在LREE中表现明显。来自于下白垩统海相粘土沉积岩组成的SPEETON组(Knox
19、&Fletcher,1978;Knox,1991)的样品以及来自英格兰地区(Wray&Wood,1998)土伦科尼亚斯阶的白垩土(Welton和Burham组)的样品分析结果可能是最详细的。其中一块样品来自于Weald粘土层。德尔斯顿湾的Purbeek组中的各种泥灰岩和碎屑石灰岩(层号:91;样号:224、239)含有富蒙皂石的粘土矿物集合体并具有明显的富LREE特征(Fig.5)。我们暂时把这些地层解释为原生堆积物。次生堆积。中侏罗统和下白垩统浅海相环境出现的富蒙皂石斑脱岩得到了最广泛的研究并且对其认识也是最清楚的。单层厚度达到4米,具有透镜状的形态,侧向上延伸达到100米。其粘土矿物集合体
20、主要由蒙皂石组成,含有分散状的云母矿物。Morgan等人(1979)在早白垩统,戈德斯通地区的样品中,发现部分蒙皂石转化为高岭石。它们明显区别于原生斑脱岩,这主要是在小的交错层理及侧向上连续分布的粘土堆积上,这种特征表明堆积物存在地表火山爆发物质再造而成的火山灰(Teams等,1982)。因破碎作用,富粘土沉积物可能被分解为砂粒级粘土集合体,并存在粘土化作用改造的棱角状的矿物形态。早成岩阶段存在原始沉积岩的玻屑结构。少量的砂及粉砂级火山碎屑(斑晶、凝灰质、浮石和岩屑)存在。少数纯的样品含有可测试出的富石英砂或生物碎屑物质。这些蒙皂石次生斑脱岩的纯样品中的主要化学成分以及经历了早成岩阶段的相对稳
21、定的玻璃质成分的分析表明其主要物源来自于碱性粗面质火山灰。但是,在火山碎屑岩之间存在许多包括某些基性成分的熔岩类型。对Combe Hay地区巴通阶斑脱岩成岩作用的研究表明这种未经粘土化作用的玻璃质不一定是演化为粘土矿物的大量火山灰(Jeams等,1997)。总碱成分(K2O+Na2O)含量低,是否反映了其原始化学组成,或者在早成岩阶段堆积物固结之前损失了碱性成分。应用TAS图解下白垩统这些次生斑脱岩样品(Bur24,Sur44)的数据点标定在安山岩/英安岩区块,而在温彻斯特和弗洛伊德(1977)的稳定元素图解中它们落在粗面岩区域。多数样品的REE特征与0.2m分离组分的REE特征是相似的,展现
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