西藏南部极低级变质岩及其地质与资源意义

Very low-grade metamorphic rocks in southern Tibet and their significance on geological processes and resources

摘要

极低级变质作用(very low-grade metamorphism)是当代地球科学的前沿研究课题之一。极低级变质岩(very low-grade metamorphic rocks)既是地质过程的记录,又在资源环境方面有实用意义。西藏南部广泛分布着处于成岩-极低级变质-低级变质阶段的岩石。它们记录了从新特提斯到青藏高原形成发展的诸多信息,并为在西藏南部寻找油气资源提供了有用的线索。本文对采自西藏南部不同地点和构造单元的71件珍贵的富含黏土矿物的岩石样品进行了XRD分析,获得了71套以伊利石结晶度(Ic)为主的黏土矿物数据。数据表明,这些岩石的伊利石结晶度(Ic)在0.21°~1.61°(Δ2θ)范围内,分别落在低级成岩区、高级成岩区、极低级变质区、低级变质区。不同构造单元显示不同的变质特点。北喜马拉雅碳酸盐台地P₂,J-K,K₂均属极低级变质,N显示早期成岩阶段特征。拉轨岗日被动陆缘盆地发育P₁,T₁,T₂,T₃,J₁,J-K,K₁,K₂地层,绝大多数均遭受极低级变质,总的趋势是随着时代变新变质程度逐渐降低,具有埋藏变质的特点。也有部分样品的Ic落在成岩带内,提供了寻找油气的线索。从雅鲁藏布蛇绿(混杂)岩带中的沉积岩样品获得两组数据:一组相当于成岩阶段;另一组相当于极低级变质。初步解释,前者可能反映蛇绿岩形成时的古环境条件,后者可能代表蛇绿岩碰撞定位阶段的记录。日喀则弧前盆地中K₂(日喀则群)虽然有较强的褶皱变形,但变质程度不高,属高级成岩带,可能说明晚白垩世弧前盆地沉积并未卷入俯冲作用。冈底斯岩浆弧中侵入岩、火山岩、沉积岩均发育,沉积岩的伊利石结晶度(Ic),落入低级变质-极低级变质-成岩作用带的较宽范围,并显示埋藏变质与岩浆作用叠加的特点。西藏南部成岩阶段沉积岩-极低级变质岩中还蕴藏着有关石油天然气的信息。特别是,白垩纪中期发生的全球性的缺氧事件,也影响了西藏南部地区,已经在岗巴-定日盆地发现典型的黑色页岩,厚度巨大。前人研究还认为,定日-岗巴被动大陆边缘、羌塘周缘前陆盆地、冈底斯弧背盆地具有良好含油气前景。本文对西藏南部极低级变质作用和极低级变质岩做了初步研究,期望今后有更深入的研究。

Abstract

Very low-grade metamorphism is one of the contemporary topics of frontier research since very low-grade metamorphic rocks contain important information on the geological processes related to oil and gas resources. Diagenetic sedimentary rocks, very low-grade metamorphic rocks and low-grade metamorphic rocks are widely distributed in southern Tibet, and these rocks preserve critical information on the evolution of the Neotethys and the Tibetan Plateau, as well useful clues for the exploration of oil and gas resources. This paper presents 71 data sets on illite crystallinity (Ic) and other parameters of clay mineral-bearing rock samples collected from different locations and tectonic units in southern Tibet. The illite crystallinity (Ic) of these rocks is in the range of 0.21°-1.61°(Δ2θ), and falls in the lower diagenetic, higher diagenetic, very low-grade metamorphic and low-grade metamorphic zones respectively. The different tectonic units display diverse metamorphic characteristics. Strata of P₂, J-K, K₂ in the North Himalayan carbonate platform all underwent very low-grade metamorphism, but N strata show the characteristics of early diagenetic stage. Strata of P₁, T₁, T₂, T₃, J₁, J-K, K₁ and K₂ are developed in the Laguigangri passive marginal basin, most of which experienced low-grade metamorphism, and show patterns of normal burial with increasing metamorphism from younger to older strata. The Ic of some samples also falls in the diagenetic zone, which provides clues for finding oil and gas. Two sets of data were obtained from sedimentary rock samples in the Yarlung Zangbo ophiolites. One is in the diagenetic stage, and another group corresponds to very low grade metamorphism. Preliminary interpretation suggests that the former may reflect the paleo-environmental conditions at the time of ophiolite formation, whereas the latter may represent the tectonic position of the ophiolite during collision. The strata of K₂ in Xigaze fore-arc basin are only in the high diagenetic grade, presumably indicating that Late Cretaceous strata in the fore-arc basin were not involved in subduction. Intrusive rocks, volcanic rocks and sedimentary rocks are all developed in the Gangdisê magmatic arc. The illite crystallinity (Ic) of the sedimentary rocks falls within a wide range of low-grade metamorphic-very low-grade metamorphic-diagenetic zone, and shows the characteristics of burial metamorphism superimposed by magmatism. Also, the very low-grade metamorphic rocks and diagenetic sedimentary rocks in southern Tibet contain information about oil and gas. In particular, the worldwide oceanic anoxic event that took place in the middle of the Cretaceous also affected southern Tibet, and very thick beds of typical black shale were found in the Gamba-Tingri basin. Previous studies also suggested that the Tingri-Gamba passive continental margin, Qiangtang peripheral foreland basin and Gangdese back-arc basin have good prospects for oil and gas exploration. The preliminary study on very low-grade metamorphism and very low-grade metamorphic rocks in southern Tibet in this paper opens scope for further detailed studies in future.

关键词

极低级变质作用 / 极低级变质岩 / 西藏南部 / 伊利石结晶度(Ic) / 地质与资源意义

Key words

very low-grade metamorphism / very low-grade metamorphic rocks / southern Tibet / illite crystallinity (Ic) / geological and resource significance

0 引言

极低级变质作用(very low-grade metamorphism)和极低级变质岩(very low-grade metamorphic rocks)是当代地球科学的前沿研究课题之一。它们在地质构造研究和盆地分析,中低温矿床的形成条件和找矿,煤、石油与天然气的成盆历史、条件、聚集规律和成熟度的研究,以及在工程地质稳定性、环境保护等方面都有重要作用^[1-2]。

在20世纪60年代初,国际上开始了对变质作用与成岩作用分界的研究。20世纪80年代初IGCP-235项目(变质带演化)首次将低级变质作用列为研究内容。1984年在Bristol大学召开了“成岩作用和低温变质作用”国际会议。1989年设立了由R.E. Bevins和D. Robinson 领导的IGCP-294项目(极低级变质作用),其中专门成立了以Kisch为主席的伊利石结晶度测定分工作组。1990年、1991年先后在英国曼彻斯特、美国休斯顿召开了“作为低级变质作用和成岩作用标志的层状硅酸盐矿物”及“用黏土矿物作地质温度计和地质年代学”国际会议。1994年在我国西安召开了IGCP-294项目“极低级变质作用机理和地质应用”国际会议。这些国际学术会议对推动极低级变质作用研究的发展发挥了重要作用。这一时期发表的一些重要文章为极低级变质作用和极低级变质岩研究奠定了理论和方法学基础^{[3⇓⇓⇓⇓⇓-9]}。

我国关注极低级变质作用始于20世纪80年代初,最早在文章及第一代变质地质图中讨论极低级变质岩的学者有赵宗溥^[10]、董申保^[11]、董申保等^[12]、任磊夫等^[13]。早期的研究者还有张立飞^[14]、赵孟为^[15]、朱光等^[16]、索书田等^[17⇓-19]、毕先梅等^[20]、张继军与毕先梅^[21]、燕守勋等^[22]、王河锦^[23]、Shan与Yang^[24]、Yang等^[25]和Chen^[26]等。特别应当提到1994年在我国西安召开的IGCP-294国际会议,对推动我国极低级变质作用的研究起到了重要的作用。

进入21世纪后,国内外关于极低级变质作用和极低级变质岩的研究仍然方兴未艾。其进展主要包括以下3个方面:(1)关于成岩-极低级变质岩各种参数的测试方法和成岩作用-极低级变质作用-低级变质作用的划分方案及界限标志。几十年来,由Kübler等^[3]先驱者开始,逐渐完善了一套获取成岩-极低级变质岩关键参数并确定其变质程度的分析测试方法,包括确定伊利石结晶度(Ic)、晶层厚度(λ)与b_o值、绿泥石的结晶度(Chc)和绿泥石/黑云母的堆垛特征、镜质体反射率(R_o)、拉曼光谱特征、笔石反射率、牙形刺颜色蚀变指数、孢子颜色、流体包裹体参数、黏土矿物组合及其中各种黏土矿物的相对含量和混层比,以及岩石组构、孔隙度、渗透率等。最近,一些学者还在探索变质程度参数与年龄的结合^[27]、矿物学与地质构造研究结合^[28]、晶体化学指标与地质温压计估算低级变质的p-T条件结合^[29]。在此基础上,建立了成岩作用-极低级变质作用-低级变质作用的划分方案及界限标志^[9,22,30-31]。绝大多数研究者都趋向于把伊利石结晶度(Ic)当作主要标准,辅以其他参数来划分变质级别,并提出:Ic=0.40°~0.42°(Δ2θ)为高级成岩带-极低级变质带的分界;Ic=0.25°(Δ2θ)为极低级变质带-低级变质带的分界;极低级变质带又分为A带和B带,以Ic=0.30°(Δ2θ)为界线。(2)关于极低级变质作用运用于地质构造和大地构造研究。如同所有岩石一样,极低级变质岩也是地质构造事件和热事件记录。国内外学者运用极低级变质岩与组成矿物给出的各种条件参数,研究极低级变质岩发育地区(如低级-极低级变质带、造山带和各种盆地)的温压条件、构造-热演化过程和地球动力学背景。首先要提到Merriman和Frey^[9]的工作,他们根据埋藏深度、地热梯度、地层层序、构造等要素识别出不同的极低级变质型式(Pattern),进而研究特定的极低级变质型式的构造环境,如阿尔卑斯型碰撞环境、增生型碰撞环境和拉张盆地环境。这些理念和方法被研究者广泛应用和发展^{[32⇓⇓⇓-36]}。(3)极低级变质作用研究还应用于解决资源、环境与工程稳定性问题方面。极低级变质作用研究已被广泛地用于对金属和非金属矿产^[37⇓-39]及油气^[21,40-41]的寻找和潜力评价,以及解决环境问题^[42]、工程地质如边坡稳定性问题^[43]。

我国的极低级变质作用和岩石的研究与调查,从地区来说,也从原来的对陕北鄂尔多斯盆地、右江地区、新疆准噶尔盆地等扩展到更多的地区,如内蒙古锡林格勒^[44],青海可可西里^[45-46],青海达卡、牙扎康地区巴颜喀拉群^[47-48],西藏也有少量研究工作^[49]。

本文在这些工作的基础上,进一步研究西藏南部地区的极低级变质岩的分布、成岩-极低级变质-低级变质的特征与标志、构造环境,以及所蕴含的有关石油与天然气信息。

1 研究区的区域地质背景

青藏高原是地球上面积最大(约250万km²)、最高(平均海拔约4 500 m)、最独特的高原,是特提斯演化和印度-亚洲大陆碰撞汇聚、多阶段隆升的结果。在青藏高原形成演化的过程中,每个阶段都会留下岩石记录。极低级变质岩也是这些地质记录的的一部分。

我国特提斯构造域在地理上主要包括青藏高原及其邻区。相对来说,“三江”地区(滇西、川西、青南、藏东)是我国古特提斯记录最完整的地区, 而西藏则是新特提斯记录得最好的地区。从特提斯洋到青藏高原的形成,经历了一个漫长复杂的过程。古特提斯洋自早石炭世开始打开,形成3个主支(修沟-玛沁洋、金沙江-哀牢山洋和澜沧江-昌宁-孟连洋),至早二叠世扩张到最大规模后开始俯冲消减,逐渐缩小,到晚三叠世末—早侏罗世初洋盆闭合,使冈瓦纳古陆的前缘与劳亚古陆的前缘碰撞拼合。大致与此同时或略早,古特提斯以南的新特提斯洋两支同时打开,并大致于早、中侏罗世之交扩张到最大规模, 然后开始削减、缩小。北支班公湖-怒江洋的闭合可能自晚侏罗世(约159 Ma)开始,到早白垩世末(约100 Ma)完成拉萨地块与羌塘地块的碰撞。南支雅鲁藏布洋闭合较晚,在白垩纪、古近纪之交(65 Ma左右)印度大陆开始与拉萨地块(即欧亚大陆南缘)碰撞,用了约20 Ma时间(即到40~45 Ma)完成碰撞过程。在这样漫长复杂的过程中,总的趋势是冈瓦纳大陆的北缘不断裂离, 增生到欧亚大陆的南缘^[50]。

本次研究地区范围为东经85°~94°和北纬28°~31°(图1),从南至北跨越以下构造单元^[51⇓-53]:(1)高喜马拉雅基底杂岩带;(2)北喜马拉雅碳酸盐台地;(3)拉轨岗日被动陆缘盆地;(4)雅鲁藏布蛇绿混杂岩带带;(5)日喀则弧前盆地;(6)拉达克—冈底斯—下察隅岩浆弧;(7)措勤—申扎岛弧。其更主要集中在北喜马拉雅碳酸盐台地、拉轨岗日被动陆缘盆地、雅鲁藏布蛇绿混杂岩带、日喀则弧前盆地和冈底斯岩浆弧。

2 样品采集及实验结果

本文共采集西藏南部地区71件样品进行伊利石结晶度测试(采样位置见图1b),样品时代主要为中晚三叠世和早白垩世,岩性主要以灰-黑色板岩、紫色泥岩和灰色泥质砂岩为主,另有少量石炭-二叠纪、侏罗纪灰色片岩和古近纪早期灰色凝灰岩,矿物组成主要为长石、伊利石、绿泥石和石英及少量碳酸盐矿物,包括研究区北部拉达克—冈底斯—下察隅岩浆弧33件,中上部日喀则弧前盆地7件,中部雅鲁藏布蛇绿混杂岩5件,中下部拉轨岗日被动陆缘盆地20件,西南部北喜马拉雅碳酸盐台地6件(表1)。

X射线衍射分析(XRD)得到的样品伊利石结晶度Kübler指数及相关参数结果详见表1和图2。结果表明:拉达克—冈底斯—下察隅岩浆弧33件样品,其中3件含铜斑岩样品伊利石结晶度值大部分落在图2新生代成岩阶段区域中,进一步佐证了西藏南部受到印度-亚洲大陆碰撞事件的影响,其余30件样品伊利石结晶度为0.2°~0.68°(Δ2θ),主要集中在0.25°~0.4°(Δ2θ),平均值为0.36°(Δ2θ),属极低级变质与成岩阶段(成岩温度小于170°)区域,显示白垩纪之前主要以极低级变质作用为主,白垩纪之后极低级变质作用发生可能与岩浆作用中岩体侵位导致的地热梯度增加有关;日喀则弧前盆地7件上白垩统样品中,除样品BX3伊利石结晶度为0.29°(Δ2θ),其余主要集中在0.72°~1.58°(Δ2θ)之间,具有明显的成岩作用特征;雅鲁藏布蛇绿混杂岩5件样品中,有2件早期样品伊利石结晶度分别为0.24°和0.28°(Δ2θ),3件晚期样品伊利石结晶度分别为0.62°、0.69°和0.78°(Δ2θ),图2显示样品落入早期极低级近变质-晚期成岩阶段区域,说明该混杂岩带中可能同时连续经历了极低级变质作用与成岩作用;拉轨岗日被动陆缘盆地20件样品伊利石结晶度为0.12°~0.68°(Δ2θ),其中14件样品集中在0.23°~0.33°(Δ2θ),图2显示具有明显的极低级变质特征,说明该区内早中生代地层主要经历了极低级变质作用;北喜马拉雅碳酸盐台地6件样品伊利石结晶度为0.25°~1.61°(Δ2θ),图2显示样品值主要集中在晚中生代极低级变质-成岩作用区域,说明该地区当时处于成岩-极低级变质环境。

3 讨论

3.1 西藏南部极低级变质岩的特征

(1)北喜马拉雅碳酸盐台地。从P₂,J₃,J-K,K₂,N地层样品中测得伊利石结晶度为0.25°~1.61°(Δ2θ)。其中,P₂,J-K,K₂均为极低级变质岩,N显示早期成岩阶段特征(Ic为1.61°(Δ2θ)),与古生代和中生代地层变质程度相差很大。

(2)拉轨岗日被动陆缘盆地。本次工作从采自P₁,T₁,T₂,T₃,J₁,J-K,K₁,K₂地层的20件样品测得伊利石结晶度(Ic)为0.12°~0.68°(Δ2θ),其中13件样品的Ic值集中在0.23°~0.33°(Δ2θ)之间,即极低级变质带内。有2个样品(P₁,T₃各1个样品)的Ic落入低级变质带(<0.25°(Δ2θ),分别为0.12°(Δ2θ)和0.19°(Δ2θ))。总的趋势是随着时代变新变质程度逐渐降低,具有埋藏变质的特点。但是,有4个样品(均为黑色-灰黑色泥岩)的Ic落在成岩带内:2个(K₂)的Ic为0.52°(Δ2θ),在羊卓雍错—浪卡子一带;另2个侏罗纪—白垩纪样品Ic分别为0.66°(Δ2θ)和0.68°(Δ2θ),位于日喀则以南。它们的岩性和变质程度提供了寻找油气的某些线索。

(3)雅鲁藏布蛇绿(混杂)岩带。其在西藏境内长达1 500余km,沿走向可分成3段:西段(从岩带西端至萨嘎),又分为南、北两个分支,南支出露于扎达、仲巴到萨嘎,岩体一般较大,北支沿马攸木拉、冈仁波齐和阿依拉山主脊一线断续出露,岩体规模不大。中段(指萨噶至仁布之间),主要由桑桑-昂仁和日喀则-大竹卡两个岩体群组成,规模大,蛇绿岩各岩石单元出露最全。东段(包括仁布及其以东岩体),常赋存工业铬铁矿床。

本次工作在该带不同地点采取了5件蛇绿(混杂)岩中的沉积岩(硅质岩、页岩、板岩)样品,经过XRD测定得到了两组伊利石结晶度(Ic)数据:一组为0.62°、0.69°和0.78°(Δ2θ),相当于成岩阶段;另一组为0.24°和0.28°(Δ2θ),相当于极低级变质。初步解释,前者可能反映蛇绿岩形成时的古环境条件,后者可能代表蛇绿岩碰撞定位阶段的记录。

(4)日则喀则弧前盆地。K₂(日喀则群)虽然有较强的褶皱变形,但变质程度不高,属高级成岩带,黏土矿物以伊/蒙混层矿物为主,其伊利石结晶度为1.58°~0.72°(Δ2θ)。这可能说明,晚白垩世弧前盆地沉积并未卷入俯冲作用。

(5)拉达克—冈底斯—下察隅岩浆弧(以下简称冈底斯岩浆弧)。冈底斯弧是一个巨型岩浆岩带,南以印度河-雅鲁藏布结合带、北以班公湖-怒江结合带为界,以发育巨大的花岗岩基和中、新生代火山-沉积盆地为特征, 还出露有少量古生界沉积岩(C,C-P)和大量中-新生界沉积岩(T₂,T₃,J₂,J-K,K₁,K₂,E₁-E₂,E₂,Q)。其自南向北大致可以分为南、中、北3个亚带。

本次工作沿当雄—拉萨剖面采样,除3件含铜斑岩样品外,经XRD测定得到30件样品的伊利石结晶度(Ic)为0.2°~0.68°(Δ2θ)(低级变质-成岩作用带),主要集中在0.25°~0.4°(Δ2θ)之间(极低级变质带),显示埋藏变质与岩浆作用叠加的特点。

3.2 成岩-极低级变质岩石所蕴含的油气信息

石油、天然气的生成需要两个基本条件:(1)足够丰富的有机质;(2)适宜的温度、压力。Merriman和Frey^[9]根据镜质体反射率(R_o)将油气的形成划分为三个阶段:成岩阶段(R_o < 0.5%)形成干酪根;后生作用阶段(0.5% < R_o< 2.0%)是成油的主要阶段,在后生作用晚期,油裂解产生湿气;深变阶段2.0%<R_o<4.0%,产生干气,主要为甲烷。相应地,黏土矿物(蒙脱石-伊蒙混层I/S-伊利石-白云母系列)在早期成岩阶段产生干酪根时,形成自生蒙脱石或高岭石。在早期成岩阶段向晚期成岩阶段转变时,黏土矿物以I/S(伊蒙混层)中含60%~80%伊利石为标志,对应于前述的成岩→后生作用转变,干酪根开始变为石油,即“石油窗”开启。在很多盆地中,上述这些转变发生在3~4 km深度、100 ℃温度条件下。在晚期成岩阶段,黏土矿物发生了区域尺度的重结晶,伊利石晶层开始显著增厚,I/S中伊利石>85%,但还没有产生构造组构。这大致相当于埋藏成岩作用和埋藏变质作用,也相当于R_o=2.0%深变作用的开始,产生干气。在极低级变质带,由于构造作用伊利石晶层加速增厚,蒙脱石几乎消失。当Ic=0.3°(Δ2θ)时,岩石普遍发育透入性板劈理,R_o=3.0%时干气终止,R_o=4.0%时,达到过成熟阶段。在极低级变质→低级变质转变时,Kc=0.25°(Δ2θ),伊利石晶层平均厚度达520 Å,转变为多硅白云母或白云母;此时温度约为300 ℃。

在本研究区内,有许多层位和区段是符合上述生成油气的温压条件的(见前述)。另一个重要的方面是,研究区内地层有不少是含有机质的黑色-灰黑色页岩。特别要指出,白垩纪中期发生了全球性的缺氧事件,在世界主要海洋盆地产生了大规模富有机碳的沉积。西藏位于特提斯海域的东部,与世界其他海域相通,也产生了富含有机碳的沉积,成为烃源岩的重要来源。万晓樵等^[54]指出,海相白垩系在西藏南部出露良好,白垩纪中期Aptian-Albian和Cenomanian-Turonian两个阶段均有黑色页岩沉积,已经在岗巴-定日盆地发现典型的黑色页岩,厚度巨大。李祥辉等^[55]和王成善等^[56]归纳了青藏特提斯活动时期环特提斯演化和盆地类型,类比了东-西特提斯含油气盆地,认为定日-岗巴被动大陆边缘、羌塘周缘前陆盆地、冈底斯弧背盆地具有良好含油气前景。这些都为在西藏南部寻找油气提供了重要线索。

4 结论

西藏南部广泛分布着处于成岩-极低级变质-低级变质阶段的岩石。它们记录了从新特提斯到青藏高原形成发展的诸多信息,并为在西藏南部寻找油气资源提供了有用的线索。然而,对这样一个广袤的地区来说,样品的数量是远远不足的,采样地点的设计还不够合理,因而所得到的认识还是初步的,但愿本文能够起到抛砖引玉为今后更深入的研究铺路的作用。

感谢《地学前缘》主编邓军院士、副主编王小龙教授的邀请和鼓励,得以在《地学前缘》创刊30周年特刊上提交本文。感谢万晓樵教授、耿元生研究员在本文撰写中给予的指导和帮助。感谢董国臣教授、朱弟成教授、廖忠礼研究员在极困难的自然条件下帮助采集样品,感谢L.N.Warr教授提供黏土矿物标样,感谢所有在极低级变质变质岩研究中曾对我们给予过指导和帮助的专家。

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