نگرشی بر رخداد و زایش تراورتن برجلو واقع در نیر در استان اردبیل براساس یافته‌های ژئوشیمی و ایزوتوپ‌های پایدار

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

گروه زمین‌شناسی، دانشکده علوم، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران

چکیده

مقدمه: تراورتن به تمام رسوبات کربناتی غیر دریایی متشکل از کلسیت/ آراگونیت گفته می­شود که توسط سیالات کلسیم­دار غنی از CO2 در شرایط سطحی و فشار کم تشکیل می­شود. ترسیب تراورتن در اثر تجزیه بی­کربنات کلسیم و خروج گاز CO2 صورت می­گیرد. تراورتن­ها را براساس ژئوشیمی عنصری، منشأ گاز CO2 و ترکیب ایزوتوپ­های پایدار، به دو گروه گرمازاد و سطحی­زاد تقسیم می­کنند. مطالعات ایزوتوپ­های پایدار کربن و اکسیژن برای تعیین منشأ و نوع تراورتن نقش اساسی ایفا می­کنند. تراورتن­های گرمازاد که اغلب با مناطق آتشفشانی جوان مرتبط هستند از سیالات با دمای متوسط به بالا رسوب کرده و ترکیب ایزوتوپ کربن آنها سنگین است. در حالی که تراورتن­های سطحی­زاد از سیالات با دمای نسبتاً پایین تشکیل شده و ترکیب ایزوتوپ کربن آنها سبک است.
مواد و روش­ها: در این مطالعه به بررسی ویژگی‌های کانی‌شناسی، ژئوشیمیایی و ایزوتوپی تراورتن برجلو واقع در کمربند ماگمایی البرز-آذربایجان در شمال غرب ایران براساس مطالعات میدانی و آزمایشگاهی پرداخته شده است. در این تحقیق مطالعات پتروگرافی با استفاده از مقاطع نازک میکروسکوپی توسط میکروسکوپ پلاریزان صورت گرفته است. برای تعیین مقادیر Ba و Sr نمونه­ها به روش طیف سنجی پلاسمای جفت شده القایی (ICP-MS) تجزیه شدند. همچنین برای مطالعه کانی­شناسی نمونه­ها از آنالیز پراش پرتو ایکس (XRD) و تصویربرداری میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) استفاده شده است. آنالیز ایزوتوپ­های پایدار کربن و اکسیژن جهت تعیین ترکیب ایزوتوپی کانی­های کربناتی به روش طیف سنج جرمی (MS) انجام شده است.
نتایج و بحث: در تراورتن برجلو سه رخساره قشر متبلور به شکل تناوبی از لایه­های روشن و تیره، رخساره شناور به صورت لایه­های ناپیوسته و رخساره بوته­ای شامل ساختارهای انشعابی با انتهای گرد و دکمه­ای قابل مشاهده است. نتیجه آنالیز XRD نمونه ارسالی از قشر متبلور نشان دهنده تشکیل آنها از کلسیت خالص است. تصاویر SEM نشان دهنده حضور محدود تجمعات میکروبی بر روی سطح بلورهای کلسیت است. مطالعات پتروگرافی از بخش متبلور تراورتن نشان می­دهد که بلورهای کلسیت به سه شکل منشورهای تیغه­ای، الیافی و میکریتی رشد کرده­اند. برخی مقاطع نیز نشانگر رشد متناوب رخساره­های قشر متبلور و بوته­ای است. مقادیر متوسط Ba و Sr در نمونه­های تراورتن برجلو به ترتیب 22/40 و ppm 89/563 است. دامنه تغییرات مقادیر ایزوتوپ δ13C(VPDB)  و δ18O(VPDB) نمونه­ها به ترتیب از ‰44/1+ تا ‰19/2+ و ‰39/14- تا ‰51/16- است. مقادیر محاسبه شده δ18O(SMOW) و δ13C(CO2) برای نمونه­ها به ترتیب تغییراتی از ‰84/13+ تا ‰02/16+ و ‰87/7- تا ‰77/8- نشان می­دهند.
نتیجه گیری: مقایسه مقادیر Ba و Sr نشان دهنده منشأ گرمازادی تراورتن برجلو است. اگرچه مقادیر مثبت δ13C(VPDB) در تراورتن برجلو نشانگر گرمازاد بودن آن است اما مقادیر آن از تراورتن­های شاخص گرمازاد پایین­تر است. مقایسه مقادیر δ13C(VPDB) و δ18O(SMOW) نشان داد که نمونه­های تراورتن برجلو در محدوده تراورتن­های گرمازاد و سطحی­زاد قرار گرفته­اند که بیانگر اختلاط دو سیال با ترکیب ایزوتوپی سنگین و سبک است. مقادیر محاسبه شده δ13C(CO2) نشان دهنده منشأ غیر آلی و درونی CO2 در سیال تراورتن­سازاست. همچنین در نمودار ترکیب ایزوتوپ δ13C(VPDB) در مقابل δ18O(VPDB)، سنگ­های کربناتی به عنوان منشأ گاز CO2 برای تشکیل تراورتن برجلو نشان داده شده­اند. برخی شواهد میدانی نظیر تشکیل رخساره­های شناور و بوته­ای، وجود چشمه آبگرم با دمای نسبتاً بالا در پهنه مورد مطالعه و نیز اثبات حضور یک مخزن زمین­گرمایی در عمق منطقه نشانه­های فعال بودن محدوده از منظر پدیده­های گرمازادی و گرمابی هستند. تصور می­شود که حضور واحدهای آهکی در منطقه و همبری آنها با سیستم گسلی، امکان نفوذ و چرخش سیالات گرمابی حاوی CO2 در داخل آنها را فراهم نموده و با کربن­زدایی کربنات­ها یون بی­کربنات لازم برای تشکیل تراورتن­ها را تأمین کرده است. به نظر می­رسد که سیستم گسلی به عنوان مجرایی برای مهاجرت و صعود سیالات حاوی بی­کربنات کلسیم به سمت سطح زمین عمل کرده است. اختلاط این سیال با آب­های جوی در نزدیکی سطح سبب سبک­تر شدن ترکیب ایزوتوپی سیال صعود کننده شده است. دمای سیال خروجی براساس ترکیب ایزوتوپی نمونه­های تراورتن در حدود 70 درجه سانتی­گراد برآورد شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Occurrence and genesis of Borjlu travertine located in Nair in Ardabil province based on the geochemical and stable isotopes findings

نویسنده [English]

  • Ali Lotfi Bakhsh
Occurrence and genesis of Borjlu travertine located in Nair in Ardabil province based on the geochemical and stable isotopes findings
چکیده [English]

Introduction: Travertine refers to all non-marine carbonate sediments consisting of calcite/aragonite formed by calcium and CO2-rich fluids under surface conditions and low pressure. Travertine deposition takes place as a result of the decomposition of calcium bicarbonate and the release of CO2 gas. Based on elemental geochemistry, origin of carbon dioxide gas and composition of stable isotopes, travertines are divided into two groups: thermogenic and meteogenic. Studies of stable isotopes of carbon and oxygen play a fundamental role in determining the origin and type of travertine. Thermogenic travertines, which are often associated with young volcanic areas, were deposited from medium to high temperature fluids and their carbon isotope composition is heavy. While meteogenic travertines are formed from relatively low temperature fluids and their carbon isotope composition is light.
Materials and methods: In this study, the mineralogical, geochemical and isotopic characteristics of Borjlu travertine located in the Alborz-Azerbaijan magmatic belt in the northwest of Iran have been investigated based on field and laboratory studies. In this research, petrographic studies were done using microscopic thin sections by polarizing microscope. The samples were analyzed by inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP-MS) to determine Ba and Sr contents. X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM) imaging have also been used to study the mineralogy of the samples. The analysis of stable isotopes of carbon and oxygen has been done to determine the isotopic composition of carbonate minerals by mass spectrometer (MS) method.
Results and discussion: Three facies including crystalline crust in the form of alternating light and dark layers, raft in the form of discontinuous layers, and shrub consisting of branching structures with rounded and buttons ends can be seen in Barjelo travertine. The result of XRD analysis from the crystalline crust shows that they are formed from pure calcite. SEM image shows the limited presence of microbial accumulations on the surface of calcite crystals. Petrographic studies of the crystalline crust part of travertine show that calcite crystals have grown in three forms of lamellar prisms, fibrous crystals and micrite grains. Some sections also indicate the alternating growth of crystalline crust and shrub facies. The average values of Ba and Sr in the travertine samples are 40.22 and 563.89 ppm, respectively. The values of δ13C(VPDB) and δ18O(VPDB) isotopes of the samples range from +1.44‰ to +2.19‰ and -14.39 to -16.51‰, respectively. The calculated values of δ18O(SMOW) and δ13C(CO2) for the samples show changes from +13.84‰ to +16.02‰ and -7.87 to -8.77‰ respectively.
Conclusion: The comparison of Ba and Sr contents indicates the thermogenic origin of Borjlu travertine. Although the δ13C(VPDB) positive values in Borjlu travertine indicate its thermogenic origin, its values are lower than typical thermogene travertines. Comparison of δ13C(VPDB) and δ18O(SMOW) values showed that Borjlu travertine samples located in the field of thermogene and meteogene travertines, which indicates the mixing of two fluids with heavy and light isotopic composition. The calculated values of δ13C(CO2) indicate the inorganic and internal origin of CO2 in the travertine-forming fluid. Also, in the isotope composition diagram of δ13C(VPDB) versus δ18O(VPDB), carbonate rocks are shown as the source of CO2 gas for the formation of Borjlu travertine. Some field evidences, such as the formation of crystalline crust and shrub facies, the presence of a hot spring with a relatively high temperature in the studied area, and the presence of a geothermal reservoir in the depth are signs of active hydrothermal phenomena in the area. It is thought that the presence of limestone units in the region and their contact with the fault system has provided the possibility of infiltration and circulation of hydrothermal fluids containing CO2 inside them. In this way, the bicarbonate ions necessary for the formation of travertine has been provided by decarbonation and dissolution of these carbonates. It seems that the fault system acted as a conduit for the migration and ascent of fluids containing calcium bicarbonate towards the surface. The mixing of this fluid with meteoric waters near the surface caused lighter isotopic composition of the ascending fluid. Based on isotope composition of travertine samples, the temperature of outflowing fluid is estimated about 70 °C.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Stable isotope
  • Borjlu
  • Travertine
  • Thermogene

مراجع

-Adabi, M.H., 2018. Sedimentary geochemistry, Arian Zamin Publications, second edition, 476 p (in Persian).
-Aghanabati, S.A., 1383. Geology of Iran. Publications of the Organization of Geology and Mineral Explorations of Iran, 586 p (in Persian).
-Anderson, T.F. and Arthur, M.A., 1983. Stable isotopes of oxygen and carbon and their application to sedimentologic and paleoenvironmental problems, In: Arthur, M.A., Anderson, T.F., Kaplan, I.R., Veizer, J., Land, L.S. (Eds.), Stable Isotopes in Sedimentary Geology: SEPM Short Course, v. 10, p. 1-151.
-Amini, B., 1373. Geological map report 1:100000 of Meshgin Shahr. Organization of Geology and Mineral Exploration of the country (in Persian).
-Berardi, G., Vignaroli, G., Billi, A., Rossetti, F., Soligo, M., Kele, S., Baykara, M., Bernasconi, S.M., Castorina, F., Tecce, F. and Shen, C., 2016. Growth of a Pleistocene giant carbonate vein and nearby thermogene travertine deposits at Semproniano, southern Tuscany, Italy: Estimate of CO2 leakage, Tectonophysics, v. 690, p. 219-239.
-Bolboli, L., 2015. Physiological benefits of warm mineral waters (for athletes), Sanaye Sorekh Publications, 105 p (in Persian).
-Brogi, A. and Capezzuolli, E., 2009. Travertine deposition and faulting: the fault-related travertine fissureridge at Terme S. Giovanni, Rapolano Terme (Italy), International Journal of Earth Sciences, v. 98, p. 931-947.
-Castro, A., Aghazadeh, M., Badrzadeh, Z. and Chichorro, M., 2013. Late Eocene–Oligocene post-collisional monzonitic intrusions from the Alborz magmatic belt, NW Iran. An example of monzonite magma generation from a metasomatized mantle source, Lithos, v. 180-181, p. 109-127.
-Caracausi, A., Paternoster, M. and Nuccio, P.M., 2015. Mantle CO2 degassing at Mt. Vulture Volcano (Italy): relationship between CO2 outgassing of volcanoes and the time of their last eruption, Earth and Planetary Science Letter, v. 411, p. 268-280.
-Ebrahimzadeh, B., Jafarzadeh, M., Bagheri, R. and Salehi, M.A., 2018. Geochemistry and origin of constituent elements of Azarshahr travertine deposits (East Azerbaijan). Stratigraphy and Sedimentology Research, v. 35, p. 55-76 (in Persian).
-Friedman, I. and O’Neil, J.R., 1977. Compilation of stable isotope fractionation factors of geochemical interest. U.S. Geological Survey Professional Paper 440-KK, p. 1-12.
-Fouke, B.W., 2011. Hot-spring systems geobiology: Abiotic and biotic influences on travertine formation at Mammoth hot springs, Yellowstone National Park, USA. Sedimentology, v. 58, p. 170-219.
-Dreybrodt, W., Buhmann, D., Michaelis, J. and Usdowski, E., 1992. Geochemically controlled calcite precipitation by CO2 outgassing: Field measurements of precipitation rates in comparison to theoretical predictions. Chemical Geology, v. 97(3-4), p. 285-294.
-Fouke, B.W., Farmer, J.D., Des Marais, D.J., Pratt, L., Sturchio, N.C., Burns, P.C. and Discipulo, M.K., 2000. Depositional facies and aqueous-solid geochemistry of travertine-depositing hot springs (Angel Terrace, Mammoth Hot Springs, Yellowstone National Park, USA), Sedimentary Research, v. 70, p. 565-585.
-Fritz, P., 1968. Der Isotopengehalt der Mineralwasserquellen von Stuttgart und Umgebung und ihrer ittel pleistozaenen Travertin-Ablagerungen, Jahresberichte und Mitteilungen des Oberrheinischen Geologischen Vereins, v. 50, p. 53-69.
-Hoefs, J., 2009. Stable Isotope Geochemistry, 6th Edition, Berlin, Germany: Springer-Verlag, 286 p.
-Hoefs, J., 2004. Stable Isotope Geochemistry, 5th Edition. Berlin, Germany: Springer-Verlag, 244 p.
-Hu, R., Fu, S., Huang, Y., Zhou, M.F., Fu, S., Zhao, C., Wang, Y., Bi, X. and Xiao, J., 2017. The giant South China Mesozoic low-temperature metallogenic domain: Reviews and a new geodynamic model, Journal of Asian Earth Science, v. 137, p. 9-34.
-Huang, C.M., Wang, C.S. and Tang, Y., 2005. Stable carbon and oxygen isotopes of pedogenic carbonates in Ustic Vertisols: implications for paleoenvironmental change, Pedosphere, v. 15, p. 539-544.
-Ibrahim, K.M., Makhlouf, I.M., El Naqah, A.R. and Al-Thawabteh, S.M., 2017. Geochemistry and stable isotopes of travertine from Jordan Valley and Dead Sea areas, Minerals, v. 7(5), p. 82-98.
-Jamtveit, B., Hammer, O., Andersson, C., Dysthe, D.K., Heldmann, J. and Vogel, M.L., 2006. Travertines from the Troll thermal springs, Svalbard. Norwegian Journal of Geology, v. 86, p. 387-395.
-Karaisaoglu, S. and Orhan, H., 2018. Sedimentology and geochemistry of the Kavakköy Travertine (Konya, central Turkey), Carbonates and Evaporites, v. 33(3), p. 783-800.
-Kele, S., Demeny, A., Siklosy, Z., Nemeth, T., Toth, M. and Kovacs, M.B., 2008. Chemical and stable isotope compositions of recent hot-water travertines and associated thermal waters, from Egerszalók, Hungary: depositional facies and non-equilibrium fractionations, Sedimentary Geology, v. 211(3-4), p. 53-72.
-Kele, S., Ozkul, M. and Forizs I., 2011. Stable isotope geochemical study of Pamukkale travertines: New evidences of low- temperature non-equilibrium calcite-water fractionation. Sedimentary Geology, v. 238(1-2), p. 191-212.
-Kele, S., Vaselli O., Szabo, C. and Minissale, A., 2003. Stable isotope geochemistry of Pleistocene travertine from Budakalász (Buda Mts, Hungary), Acta Geologica Hungarica, v. 46(2), p. 161-175.
-Kim, S.T. and O’Neil, J.R., 1997. Equilibrium and nonequilibrium oxygen isotope effects in synthetic carbonates, Geochimica et Cosmochimica Acta, v. 61, p. 3461-3475.
-Kitano, Y., 1963. Geochemistry of calcareous deposits found in hot springs, Journal of Earth Sciences, Nagoya Univ, v. 11, p. 68-100.
-Li, X., Xu, W., Liu, W., Zhou, Y., Wang, Y., Sun, Y. and Liu, L., 2013. Climatic and environmental indications of carbon and oxygen isotopes from the lower cretaceous calcrete and lacustrine carbonates in Southeast and Northwest China. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, v. 385, p. 171-189.
-Lotfi Bakhsh, A., 1401. Study of stable isotopes of carbon and oxygen in Mejdar travertine deposit in the southeast of Ardabil, Geology of Iran, v. 63, p. 81-94 (in Persian).
-Lu, H.Y., Linb, C.K., Linb, W., Lioua, T.S., Chenc, W.F. and Changd, P.Y., 2011. A natural analogue for CO2 mineral sequestration in Miocene basalt in the Kuanhsi-Chutung area, Northwestern Taiwan, International Journal of Greenhouse Gas Control, v. 5, p. 1329-1338.
-Minissale, A.D., Kerrick, M., Magro, G., Murrell, M.T., Paladini, M., Rihs, S., Sturchio, N.C., Tassi, F. and Vaselli, O., 2002. Geochemistry of Quaternary travertines in the region north of Rome (Italy): structural, hydrologic and paleoclimatic implications, Earth and Planetary Science Letters, v. 203, p. 709-728.
-Mohammadi, Z., Claes, H., Capezzuoli, E., Mozafari, M., Soete, J., Aratman, C. and Swennen, R., 2020. Lateral and vertical variations in sedimentology and geochemistry of sub-horizontal laminated travertines (Çakmak quarry, Denizli Basin, Turkey), Quaternary International, v. 540, p. 146-168.
-Pedley, M., 2009. Tufas and travertines of the Mediterranean region: a testing ground for freshwater carbonate concepts and developments, Sedimentology, v. 56(1), p. 221-246.
-Pentecost, A., 2005. Travertine. Springer, 445 p.
-Rahmani Jovanmard, S., Tuti, F., Omidian, S. and Ranjbaran, M., 2013. Mineralogy and genesis of the fissure-ridge and vein-type travertines of Ab-Ask based on petrographic studies and isotopic analysis. Carbon and oxygen, Geology of Iran, v. 6, p. 51-61 (in Persian).
-Rodrigo-Naharro, J., Delgado, A., Herrero, M.J., Granados, A. and Perez del Villar, L., 2013. Current travertines precipitation from CO2-rich groundwaters as an alert of CO2 leakages from a natural CO2 storage at Gañuelas-Mazarrón Tertiary Basin (Murcia, Spain), Informs Técnicos Ciemat, v. 1279, p. 1–53.
-Roshank, R., Mor, F., Keshavarzi, B. and Omidian, S., 2016. Petrography and classification of Qorveh-Takab travertines based on isotopic analyzes and SEM images. Earth Science Research, v. 8, p. 136-151 (in Persian).
-Rollinson, H.R., 1993. Using Geochemical Data, Longman Scientific and Technical, 420 p.
-Salehi, L. and Mohammadi Siyani, M., 2013. Geochemical studies of carbon and oxygen stable isotopes in travertine deposits of Mahallat (southeast of Arak), Geology of Iran, v. 7, p. 31-40 (in Persian).
-Siani, M., Mehrabi, B., Azizi, H., Wilkinson, C.M. and Ganerod, M., 2015. Geochemistry and geochronology of the volcano-plutonic rocks associated with the Glojeh epithermal gold mineralization, NW Iran. Open Geosciences, v. 7, p. 207-222.
-Sinisi, S., Vita Petrullo, A., Agosta, F., Paternoster, M., Belviso, C. and Grassa, F., 2016. Contrasting fault fluids along high-angle faults: a case study from Southern Apennines (Italy), Tectonophysics, v. 690, p. 206-218.
-Stocklin, J., 1977. Structural correlation of the Alpine ranges between Iran and central Asia, Mem. Ser. Society of Geology of France, v. 8, p. 333-353.
-Taghipour, K., Khatib, M.M., Hihat, M.R., Vaezi hir, A. and Shabanian, A., 2018. The role of structural controls in the hydrogeochemistry of travertine-forming springs in Azarshahr region, Azarbaijan, Northwestern Iran. Geology of Iran, v. 13, p. 105-121 (in Persian).
-Taghipour, K. and Mohajel, M., 2012. The structure and formation of travertine ridges in Azarshahr region, Azarbaijan, Northwestern Iran, Geology of Iran, v. 7, p. 15-33 (in Persian).
-Teboul, P.A., Durlet, C., Gaucher, E.C., Virgone, A., Girard, J.P., Curie, J., Lopez, B. and Camoin, G.F., 2016. Origins of elements building travertine and tufa: new perspectives provided by isotopic and geochemical tracers, Sedimentary Geology, v. 334, p. 97-114.
-Torok, A., Mindszenty, A., Claes, H., Kele, S., Fodor, L. and Swennen, R., 2017. Geobody architecture of continental carbonates: “Gazda” travertine quarry (Sütt}o, Gerecse Hills, Hungary), Quaternary International, v. 437, p. 164-185.
-Turi, B., 1986. Stable Isotope Geochemistry of Travertine. Handbook of Environmental Isotopic Geochemistry, Elsevier Science Publishers, Amsterdam, p. 207-208.
-Wang, N., Dai, S., Nechaev, V.P., French, D., Graham, I.T., Zhao, F. and Zuo, J., 2022. Isotopes of carbon and oxygen of siderite and their genetic indications for the Late Permian critical-metal tuffaceous deposits (Nb-Zr-REY-Ga) from Yunnan, southwestern China. Chemical Geology, v. 592, p. 1-18.
-Zainalpour, A., Quaed Rahmati, R., Moradzadeh, A. and Rahmani, M.R., 2017. Exploration of geothermal reserves in the Bushli-Sablan region using magnetotelluric data, Applied Geophysics Research, v. 4, p. 171-186 (in Persian).
 
پژوهشهای دانش زمین
دوره 14، شماره 4 - شماره پیاپی 56
پژوهشی
آذر 1402
صفحه 78-96

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار