زمین¬شیمی شیل¬های سیاه و سازوکار رخداد کانی¬های کمیاب سولفاته منطقه قروقچی، استان اصفهان

 

فهرست مطالب

 

 

عنوان                                                                                                         صفحه

 

فصل اول: مقدمه                                                                                         2

1-1 شیل سیاه                                                                           2

1-1-1 کانی­شناسی شیل سیاه                                                                   3

1-1-2 زمین­شیمی شیل سیاه                                                                   3

1-1- 3 توزیع زمانی مکانی و کنترل کننده­های تشکیل شیل­های سیاه            3

1-1-3-1 کنترل کننده­های تشکیل شیل­های سیاه                                  4

1-1-3-1-1 موقعیت زمین­ساختی                                                    4

1-1-3-1-2 تولید اولیه ماده آلی                                                      5

1-1-3-1-2-1 توالی اکسید­شدن ماده آلی در ستون آب                                      6

1-1-4 مدل­های نهشت شیل­های سیاه                                                  7

1-1-4-1 مدل چرخه محدودیا جدا مانده                                             7

1-1-4-2 مدل اقیانوس آزاد                                                            9

1-1-4-3 مدل کران قاره­ای                                                            10

1-1-5 مسیرهای ورود عناصر به یک سنگ رسوبی آواری (منشاء عناصر)                   10

1-1-6 تشکیل پیریت                                                                             21

1-1-6-1 نقش ریزاندامگان­ها در کاهیدگی سولفات و تشکیل پیریت               22

1-2 هوازدگی شیل­های سیاه                                                            23

1-2-1 تخریب ماده آلی                                                                 23

1-2-2 تجزیه پیریت                                                                     23

1-2-3 خنثی­کننده­های در یک سامانه­ی اسیدی                                      27

1-2-3-1 انحلال کربنات                                                               27

1-2-3-2 انحلال سیلیکات                                                              27

1-2-3-3 تشکیل کانی­های ثانویه                                                      28

1-3 کانی­های سولفاتی                                                                  28

1-3-1 توالی تبخیر                                                                       29

1-3-1-1 توالی تبخیر برای یک سامانه داخل خشکی                                30

1-3-1-2 تفاوت توالی تبخیردریاچه با تبخیر آب دریا                               31

1-3-2 سامانه اسید سولفاتی (زهاب اسیدی)                                          32

1-3-2-1 کنترل کننده­های تشکیل کانی­های سولفاتی                               34

1-3-2-1-1 شرایط زمین­شیمیایی                                                    35

1-3-2-1-2 کنترل کننده­های اقلیمی                                                 36

1-3-3 تبخیری­ها در ایران                                                            42

1-3-4 اهمیت کانی­های سولفاتی                                                      43

1-3-5 اهمیت و اهداف تحقیق                                                         44

1-3-6 روش تحقیق                                                                     44

1-3-7 پیشینه تحقیق                                                                  44

فصل دوم: زمین­شناسی منطقه­ی مورد مطالعه                                            45

2-1 زمین­شناسی ایران                                                                 45

2-1-1 مقدمه                                                                            45

2-1-2 پهنه زمین­ساختاری ایران مرکزی                                             45

2-1-3 پهنه ساختاری سنندج –سیرجان                                             49

2-2 دوره تریاس                                                                         50

2-2-1 جغرافیای دیرینه­ی تریاس                                                      50

2-2-2 آب و هوای تریاس                                                               51

2-2-3 جانداران تریاس                                                                  51

2-3 ترياس پسين در ايران مركزي                                                     52

2-3-2 سازند نایبند                                                                      55

2-3-2-1 هم ارزي و گسترش جغرافيايي                                             57

2-3-2-2 محیط­های رسوبی سازند نایبند                                             57

2-4 منطقه­ی قورقچی                                                                   60

2-4-1 موقعیت جغرافیای منطقه                                                       60

2-4-2 زمین­شناسی منطقه­ی قورقچی                                                          60

2-4-3 روابط صحرایی و بافتی شیل سیاه قروقچی                                  65

2-4-3-1 مقدمه                                                                         65

2-4-3-2 روابط صحرایی                                                               66

2-4-3-2-1 واحدهای هوانزده                                                                   66

2-4-3-2-2 واحدهای هوازده                                                          67

2-4-3-3 روابط بافتی                                                                   72

 

فصل سوم: زمین­شیمی شیل سیاه منطقه قروقچی                                     78

3-1 روش مطالعه شیل­های سیاه                                                      78

3-2 زمین­شیمی شیل هوانزده                                                                    81

3-2-1 توزیع عناصر در شیل­های سیاه قروقچی (نمونه­های هوانزده)                82

3-2-1-1 نتایج تجزیه نمونه­های هوانزده                                              82

3-2-1-2 غنی­شدگی – تهی­شدگی عناصر                                           85

3-2-1-2-1 تهی­شدگی–غنی­شدگی براساس شیل میانگین (AS)                 86

3-2-1-2-2 تهی­شدگی – غنی­شدگی براساس ترکیب شیل آمریکای شمالی     87

3-2-1-2-3 تهی­شدگی-غنی­شدگی براساس میانگین شیل سیاه (ABS)                   89

3-2-1-3 تعیین منشاء ورود عناصر به کمک همبستگی                                       90

3-2-1-4 زمین­شیمی عناصر نادر خاکی در شیل­های هوانزده                      94

3-2-2 تحلیل شرایط تشکیل شیل سیاه قروقچی (نمونه­های هوانزده)              98

3-2-2-1منشاء شیل سیاه قروقچی                                                    98

3-2-2-2 موقعیت زمین­ساختاری تشکیل شیل­های سیاه قروقچی                 103

3-2-2-3 شاخص بلوغ شیمیایی                                                       106

3-2-2-4 محیط رسوبی تشکیل شیل سیاه قروقچی                                 107

3-2-2-5 شرایط اکسایشی دیرینه شیل سیاه قروقچی                               107

3-2-2-5-1نشانگرهای اورانیوم                                                        108

3-2-2-5-2 نشانگر Fe-Mn-V                                                        109

3-2-2-5-3 نشانگرهای نسبتی V/Cr، Ni/Co                                        111

3-3 زمین­شیمی شیل هوازده                                                            112

3-3-1 توزیع عناصردر شیل سیاه هوازده                                              114

3-3-1-1 نتایج تجزیه                                                                   114

3-3-1-2 تهی­شدگی–غنی­شدگی عناصر در نمونه­های هوازده                       114

3-3-1-3 همبستگی عناصر در شیل سیاه هوازده                                    116

3-4 بررسی هوازدگی دیرینه و کنونی شیل­های سیاه قروقچی                      117

3-4-1 تعیین شاخص­های هوازدگیCIA، CIW و WIP                                       118

3-5 رفتار عناصر شیل سیاه در برابر شرایط اسیدی زهاب سنگ                              121

فصل چهارم: سازوکار تشکیل کانی­های ثانویه سولفاتی در منطقه قروقچی

4-1 مقدمه                                                                               126

4-2 کانی­های سولفاتی منطقه قروقچی                                                          128

4-2-1 کانی­شناسی کانی­های سولفاتی منطقه قروقچی                               128

4-2-1-1 تاماروگایت                                                                    131

4-2-1-2 فریکوپیاپیت                                                                  133

4-3 بررسی شرایط تشکیل کانی­های سولفاتی                                         142

4-3-1 زمین­شیمی منطقه قروقچی                                                    142

4-3-2 شرایط اقلیمی منطقه قروقچی                                                 154

4-4 تفسیر رخداد کانی­های سولفاتی                                                   158

4-4-1 سیستم سدیم–سولفات–دما                                                   158

4-4-2 سیستم منیزیم – سولفات – دما                                              159

4-4-2 سیستم آهن –سولفات–دما-رطوبتنسبی                                     161

4-5 نتایج سازوکار تشکیل کانی­های سولفاتی                                          161

فصل پنجم: نتیجه­گیری  و پیشنهادات                                                       164

مراجع و منابع

منابع فارسی                                                                                                168

ENGLISH REFERENCES                                                   169

–پیوست­ ها

-چکیده به زبان انگلیسی

 

 

فهرست جداول

عنوان                                                                                                               صفحه

جدول ‏1-1: توزیع شیل­های سیاه در مکان و زمان.                                        4

جدول ‏1-2: تقسیم­بندی کانی­های ثانویه سولفاتی فلزات سنگین                        29

جدول ‏3-1: میانگین غلظت عناصر در نمونه­های هوانزده شیل سیاه قروقچی           85

جدول3-2:  نمودار همبستگی عناصر منتخب اصلی و فرعی با عناصر دسته­بندی شده در گروه­های وابسته به آواری، ماده آلی و حساس به شرایط اکسایشی                        92-93

جدول‏3-3: نتایج تجزیه عناصر نادر خاکی نمونه­های هوانزده (GH_F) نمونه­های شیل سیاه قروقچی. مقادیر شیل میانگین (AS)  نیز  آورده شده­است.                                    95

جدول ‏3-4: محاسبه مقادیر نسبت تفکیک عناصر نادر خاکی برای شیل­های سیاه منطقه قورقچی                                                                                             98

جدول ‏3-5: محاسبه ناهنجاریEu و Ce برای نمونه­های قروقچی و شیل میانگین (AS).                                                                                                        98

جدول 3‑6:  مقادیر محاسبه شده Th/U، U/Th و U_aoutogenic برای شیل­ سیاه منطقه قروقچی

                                                                                                 108

جدول 3-7: مقادیر سه عنصر  Fe-Mn-V برای نمونه­های هوانزده شیل­های سیاه قروقچی109

جدول‏3‑8:  رد­ه­بندی زون­های شیل سیاه  بر اساس غلظت­های سه عنصرV، Fe، Mn 110

جدول‏3‑9:  میانگین غلظت عناصر اصلی و فرعی در نمونه­های هوازده قروقچی                  114

جدول3-10: همبستگی عناصر در نمونه­های شیل هوازده.                                116

جدول‏3‑11: مقادیرشاخص­های هوازدگی محاسبه­شده برای نمونه­های منطقه قروقچی و سه استاندارد مورد بررسی.                                                                         118

جدول ‏4-1: کانی­های ثانویه تشخیص داده شده در منطقه قروقچی به روش  XRD  128

جدول ‏4-2: ترکیب سازنده­های اصلی تاماروگایت                                         132

جدول‏4-3: ترکیب شیمیایی فریکوپیاپیت.                                                  134

جدول ‏4-4: واکنش انحلال فریکوپیاپیت، به همراه ثابت انحلال و مقدار گرما. شامل فرمول ایدآل (الف) و فرمول مجزلان و همکاران (2006) (ب).                                 137

جدول ‏4-5: مقادیر رطوبت نسبی و دماهای انحلال فریکوپیاپیت                         139

جدول ‏4-6: تعریف ترکیب محلول ورودی برنامه PHREEQCبه عنوان ترکیب تجزیه شده آب زهاب اسیدی منطقه قروقچی                                                           144-143

جدول ‏4-7: توزیع گونه­های سولفاتی و عناصر براساس پیش­بینی در برنامه PHREEQC 145

جدول ‏4‑8: واکنش­های تجزیه انجام شونده در سیستم زهاب اسیدی                            152

جدول4‑9: واکنش­های تشکیل و انحلال در یک سیستم زهاب اسیدی        151-152

جدول4‑10: مقادیر فاکتورهای اقلیمی برای منطقه قورقچی براساس ایستگاه سینوپتیک میمه.                                                                                                          155

جدول ‏4‑11: محاسبه تبخیر و تعرق برای منطقه قورقچی                               156

 

 

 

 

فهرست شکل­ها

 

عنوان                                                                                                               صفحه

شکل ‏1-1: موقعیت­های زمین­ساختی مناسب برای  تشکیل شیل­های سیاه.            5

شکل 1-2: مدل شماتیک از تجزیه و تخریب ماده­آلی در ستون آب                     6

شکل ‏1-3: شکل حوضه کاریاکو در شمال کشور ونزوئلا به عنوان یکی از مناطق تشکیل شیل سیاه در حال حاضر.                                                                         8

شکل ‏1-4: نمایش مدل چرخه محدود برای تشکیل شیل­های سیاه.                     8

شکل ‏1-5: مدل اقیانوس آزاد، اکسیژن در تمام مقاطع ستون آب حضور دارد.                   9

شکل ‏1-6: مدل کران قاره­ای، این مدل تفاوت چندانی با مدل اقیانوس آزاد ندارد، تنها عمق ستون آب در آن کمتر  می­باشد.                                                                     10

شکل1-7: شکل شماتیک تغییرات نسبی عناصر آواری در طول حوضه رسوبی                   15

شکل 1-8: ناحیه­های واکنش­های اکسایش ماده آلی در ستون آب                       19

شکل 1-9: توالی واکنش­های اکسایش ماده آلی به همراه حوضه­های پایداری و ناپایداری برخی از گونه­های عناصر مهم در ستون آب.                                                       20

شکل ‏1-10: محدوده پایداری پیریت به همراه مرزهای گونه­های فسفر، سولفات و آهن.         25

شکل ‏1-11: محدوده پایداری پیریت به همراه محدوه تشکیل کانی­های ثانویه.                   26

شکل ‏1-12: توالی ته­نشست کانی­های تبخیری از یک آب دریای استاندارد.            30

شکل ‏1-13: توالی کانی­های تبخیری در یک سامانه تبخیری قاره­ای.                     31

شکل ‏1-14: مقایسه ترتیب و نوع کانی­های تشکیل شونده از تبخیر در دو سیستم دریاچه­ای (قاره­ای) و دریایی.                                                                             31

شکل ‏1-15: گسترش  رسوبات تبخیری عهد حاضر ­در ایران.                                       42

شکل ‏2-1: پهنه­های زمین ساختاری ایران.                                                 48

شکل ‏2-2: زیر پهنه­های ایران مرکزی                                                      49

شکل ‏2-3: موقعیت جغرافیای و نقشه زمین­شناسی منطقه قروقچی.                     62

شکل ‏2-4: شیل­های سیاه با یک ناپیوستگی در زیر تراورتن­های کواترنری              64

شکل ‏2-5: رخداد صحرایی از شیل­های سیاه قروقچی به سن تریاس بالایی در مرز با ژوراسیک.                                                                                                        65

شکل ‏2-6: شیل کربناتی در شرق منطقه مورد مطالعه به همراه بخش خاکستری رنگ.        68

شکل ‏2-7: نمونه­ی دستی شیل کربناتی. در این نمونه بافت ریز دانه، لامینه­های حاوی اکسیدآهن و درزه­های پرشده از اکسیدآهن را می­توان مشاهده کرد.                            68

شکل ‏2-8: شیل کربناتی متورق که به صورت گسله بر روی بخش­های خاکستری هوازده قرار گرفته است.                                                                                   69

شکل ‏2-9: نمونه دستی از شیل خاکستری با تورق ریز                                   69

شکل ‏2-10: نمونه دستی میان لایه سیلتی از شیل خاکستری                           70

شکل ‏2-11: تشکیل حوضچه اسید سولفاتی در بستری از شیل سیاه                             70

شکل ‏2-12: رخنمون شیل­های سیاه هوازده در کنار حوضچه اسید سولفاتی          71

شکل ‏2-13: نمونه دستی شیل سیاه هوانزده، که کانی­های ثانویه بر روی آن رشد کرده­اند.71

شکل ‏2-14: نمونه­های دستی از شیل سیاه قروقچی. در این نمونه اکسید- هیدروکسیدهای آهن و سولفاتی­ها به وضوح قابل مشاهده می­باشند.                                               72

شکل ‏2-15: تصاویر پتروگرافی از شیل سیاه منطقه قروقچی. لامینه ماده آلی و رس تیره به همراه دانه­های آواری کوارتز شناور در زمینه.                                               74

شکل ‏2-16: تصویر پتروگرافی از بخش شیل سیاه منطقه قروقچی. در این تصویر می­توان کانی پیریت را در ارتباط با لامینه­های ماده آلی مشاهده کرد.                                 74

شکل ‏2-17: تصویر پتروگرافی از شیل خاکستری قروقچی. در این بخش نیز مواد تخریبی در گستره متفاوتی از اندازه و مقدار فراوانی حضور دارند.                                    75

شکل ‏2-18: تصویر پتروگرافی از یک رگه سیلیسی در میان لایه سیلتی شیل خاکستری منطقه قروقچی.                                                                                              75

شکل ‏2-19: تصاویر پتروگرافی از شیل کربناتی منطقه قروقچی.                        75

شکل 2-20: تصاویر پتروگرافی ار نمونه­های هوازده از شیل سیاه و خاکستری منطقه قروقچی.                                                                                                          76

شکل3-1:غنی­شدگی و تهی­شدگی عناصر اصلی نسبت به استاندارد AS (شیل میانگین). برای نمونه­های هوانزده.                                                                          87

شکل ‏3-2: نمودارتهی­شدگی و غنی­شدگی عناصر جزئی نسبت به شیل میانگین (AS). برای نمونه­های هوانزده                                                                    87

شکل3-3: الگوهای تهی­شدگی–غنی­شدگی عناصر اصلی در نمونه­های هوانزده منطقه قروقچی نسبت به میانگین شیل آمریکای شمالی (NASC).                                                 88

شکل ‏3-4: الگوهای تهی­شدگی–غنی­شدگی عناصر فرعی تجزیه­شده در نمونه­های هوانزده منطقه قروقچی نسبت به میانگین شیل آمریکای شمالی (NASC)                      89

شکل ‏3-5: تهی­شدگی و غنی­شدگی عناصر اصلی و فرعی نسبت به شیل سیاه میانگین       90

شکل3-‏6: بهنجارش مقادیر عناصر نادرخاکی شیل­های سیاه قروقچی نسبت به کندریتC1                                                                                                    96

شکل ‏3-7: بهنجارکردن مقادیر عناصر نادرخاکی نسبت به شیل میانگین آمریکای شمالی                                                                                                        97

شکل ‏3-8: تعیین منشاءمواد آواری شیل سیاه قروقچی براساس فاکتورهایF1 وF2                                                                                                             100

شکل3-9: منشاء شیل سیاه قروقچی براساس عناصرLa-Th-Sc                         100

شکل3-‏10: الف) نمایش محدوده گرانیت­ها بر اساس (Rb)log در برابر (Ta+Yb) Log و قرارگیری گرانیت­های منشاء شیل سیاه قروقچی در مرز گرانیت­های همزمان با کوهزایی و کمانی. ب) نمایش محدوده گرانیت­ها بر اساس (Ta) log در برابر (Yb) Log و قرارگیری گرانیت­های منشاء شیل سیاه قروقچی در محدوده گرانیت­های مرتبط با کمان آتشفشانی                                                                                                       101

شکل3-‏11: منشاء اسیدی برای شیل­های سیاه قروقچی براساس مقادیر Ni  و TiO₂                                                                                                           102

شکل3-‏12: تعیین ترکیب منشاء و موقعیت زمین­ساختاری برای شیل سیاه قروقچی (GH)، ترکیب میانگین شیلی (NASC) و ترکیب پوسته بالایی (UCC) به کمکLa/Th-Hf                                                                                                        103

شکل3-‏13: تعیین موقعیت زمین­ساختاری شیل سیاه قروقچی (GH) به کمک SiO₂ در مقابلK₂O/Na₂O                                                                       103

شکل3-‏14: نمایش موقعیت زمین­ساختاری شیل­سیاه قروقچی به کمک La/Yb-Th/Yb                                                                                                     104

شکل3-‏15: تعیین موقعیت زمین­ساختاری نمونه­های قروقچی براساس La-Th-Sc  105

شکل ‏3-16: تعیین موقعیت زمین­ساختاری نمونه­های قروقچی بر اساس Co-Th-Zr/10105

شکل3-‏17: نمودار بلوغ زمین­شیمیایی شیل سیاه قروقچی به کمک اکسید عناصر قلیایی و سیلیسیم                                                                              106

شکل ‏3-18: برآورد شرایط تشکیل دیرینه برای شیل سیاه قروقچی به کمک V/Cr، Ni/Co و Th/U و مقادیر مولیبدن                                                                              111

شکل ‏3-19: تهی­شدگی و غنی­شدگی عناصر اصلی در نمونه­های هوازده نسبت به شیل میانگین (AS).                                                                                                 115

شکل3-20: غنی­شدگی و تهی­شدگی عناصر اصلی در نمونه­های هوازده نسبت به NASC                                                                                                    115

شکل3-21: تهی­شدگی و غنی­شدگی عناصر فرعی در نمونه­های هوازده نسبت به شیل میانگین (AS).                                                                                                 115

شکل3-22: غنی­شدگی و تهی­شدگی عناصر فرعی در نمونه­های هوازده نسبت به NASC                                                                                                    115

شکل 3-23: نمایش مقادیر دو شاخص هوازدگیCIA در مقابل WIP برای نمونه­های هوانزده و هوازده شیل­های سیاه قروقچی به همراه موقعیتAS، UCC و NASC            119

شکل3-‏24: نمودار A-CN-K برای بررسی روند هوازدگی در سنگ­های آواری        119

شکل ‏3-25: بررسی روند هوازدگی و کیفیت هوازدگی بر اساس A-CNK-FM      121

شکل ‏3-26: نمایش رفتار عناصر در نمونه­های شیل سیاه قروقچی در برابر اسیدشویی (ARD).  عناصر با مقادیر بیشتر از یک در نمونه­های هوازده ماندگار شده­اند، در حالی­که عناصر با مقادیر کمتر از یک در شرایط اسیدی تحرک یافته­اند (عناصر مرجع: Nb, Ti).                 123

شکل ‏4-1: تصویر حوضچه زهاب اسیدی منطقه قروقچی. کانی­های سولفاتی سفید و زرد رنگ در بازدید مهر ماه                                                                             129

شکل ‏4-2: تصاویر کانی­های سولفاتی ثانویه. الف: کانی­های سفید رنگ سولفاتی آهن. ب) رشد کانی­ها در داخل رسوبات که به سبب مناسب بودن شرایط و  بالاتر بودن رطوبت پیرامون نسبت به مهر ماه می­باشد.                                                            129

شکل ‏4-3: تصاویر نمونه­های دستی کانی­های سولفاتی از منطقه قروقچی. الف) مشاهده تولی همیافتی کانی­های سولفاتی در محیط کنار حوضچه اسیدی، در زمینه بلورهای ژیپس و سپس کانی­های سفید رنگ  سولفاتی آهن تا کانی­های زرد رنگ فریکوپیاپیت ب) نمونه­ی دستی عمدتاً متشکل از فریکوپیاپیت .                                                               129

شکل ‏4-4: الگوهایXRD نمونه­های کانی­های سولفاتی قروقچی. نمونه­های سبز رنگ و زرد رنگ.                                                                                             131

شکل‏4-5: ساختار اتمی کانی­های مندوزایت (الف و د) و تاماروگایت (ب و ج)                   132

شکل ‏4-6: ساختار اتمی فریکوپیاپیت. ساختارهای هشت وجهی آهن به صورت هاشورزده و چهار وجهی­های سولفات به رنگ خاکستری نشان داده شده­اند. اتم­های اکسیژن به صورت دایره­های سیاه رنگ نمایش داده شده­اند. مولکول­های آب در این نمایش وجود ندارند.      134

شکل ‏4-7:  الگویXRD نمونه حاوی فریکوپیاپیت، منطقه قروقچی                     135

شکل ‏4-8: محدوده پایداری فریکوپیاپیت، ملانتریت، رومبوکلاز و ژاروسیت- هیدرونیم به همراه گوتیت                                                                                                139

شکل ‏4-9: محدوده پایداری فریکوپیاپیت در رطوبت نسبی برای دماهای 2 درجه و 25 درجه سانتی­گراد                                                                                      140

شکل ‏4-10: تعیین نوع آب حوضچه اسید سولفات قروقچی به عنوان آب نوع کلر –سدیم                                                                                                     142

شکل ‏4-11:شاخص اشباع شدگی برای فازهای کانیایی محاسبه شده از زهاب اسیدی منطقه قروقچی، به کمک نرم­افزار PHREEQC.                                                   146

شکل ‏4-12: مسیرهای واکنشی تجزیه کانی­های سولفیدی تا تشکیل کانی­های        152

شکل 4-13: مقایسه تغییرات بارش ایستگاه باران­سنجی قروقچی با ایستگاه سینوپتیک میمه.                                                                                                 154

شکل ‏4-14: سیستمNa-SO₄-T برای منطقه قروقچی                                  157

شکل ‏4-15: سیستمMg-SO₄-T برای منطقه قروقچی                                  158

شکل ‏4-16: سیستمNa-Mg-T-SO₄ برای منطقه قروقچی                                     158

شکل ‏4-17: سیستمFe-SO₄-T-RHبه همراه مقادیر رطوبت نسبی میانگین ساعت 3 و میانگین ماهانه و میانگین بارش پنج ساله برای منطقه قروقچی                            159