鄂西泥盆紀沉積鐵礦含礦建造分析

秦元奎, 姚敬劬

(中南冶金地質(zhì)研究所,湖北 宜昌　443003)

0　引言

鄂西鐵礦沉積學研究已有諸多成果(傅家謨1961,廖士范1964,徐安武1992,曾允孚1993,趙一鳴2000,秦元奎2011等),內(nèi)容集中對鐵礦成礦的巖相古地理條件進行了分析,涉及含礦建造的文獻很少。筆者目前所見的主要研究成果有：孟祥化1993年[1]在其《沉積盆地與建造層序》專著中對“南方泥盆紀鐵礦”含礦建造的一段論述,以及2011年湖北省地質(zhì)調(diào)查院對鄂西寧鄉(xiāng)式鐵礦建造類型的劃分。

沉積建造作為地層巖石共生組合的概念引入沉積學研究已有悠久歷史,并且至今仍在沿用。但是近幾十年來,沉積建造的概念、理論和研究方法已發(fā)生了重大改變,建造分析已由單一的地層巖石組合分析發(fā)展成為研究共生巖石的物源、沉積環(huán)境和能量平衡的專門學科[2-3]。本文根據(jù)鄂西鐵礦整裝勘查的成果擬從上述方面對本區(qū)鐵礦含礦建造作進一步的探討。

1　建造格架及地層層序

1.1　建造格架

含礦建造由泥盆系碎屑巖、泥質(zhì)巖、碳酸鹽巖、鐵質(zhì)巖構(gòu)成,上下界面為兩個平行不整合面(圖1)。下界面為志留系與泥盆系的平行不整合面,缺失早泥盆世地層,志留系頂部見古風化殼,中泥盆統(tǒng)底部含底礫巖;上界面為泥盆系與石炭系的平行不整合面,中石炭統(tǒng)直接覆蓋于泥盆系之上,缺失早石炭統(tǒng)[4]。兩個界面不間斷的延伸數(shù)百平方千米,平滑、連續(xù)、性質(zhì)穩(wěn)定。建造內(nèi)層序構(gòu)成一個完整的海進海退旋回(Ⅲ級旋回)。

圖1　鄂西含礦沉積建造格架示意圖

1.2　地層層序及鐵礦賦存層位

含礦建造地層層序如下：

上覆地層：中石炭統(tǒng)黃龍組,厚層白云質(zhì)灰?guī)r

----------平行不整合----------

上泥盆統(tǒng)上組(寫經(jīng)寺組D3x)：上部,黃綠色灰綠色頁巖、碳質(zhì)頁巖、粉砂巖、夾鮞綠泥石菱鐵礦層(Fe4);

中部,灰—深灰色中—厚層灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r;

下部,黃綠色黃灰色頁巖、砂巖、夾鮞狀赤鐵礦層(Fe3)。

全組平均厚61.29 m,含孢子、古植物、腕足類、珊瑚及遺跡化石。

上泥盆統(tǒng)下組(黃家磴組D3h)：上部,灰綠色黃灰色頁巖夾砂巖,夾薄層鮞狀赤鐵礦層(Fe2);

下部,灰色細砂巖夾頁巖,含透鏡狀赤鐵礦層(Fe1)。

全組平均厚29.91 m,含古植物、腕足類、珊瑚、魚類化石。

中泥盆統(tǒng)云臺觀組D2y：灰白色厚層石英砂巖,底部見石英礫石。全組平均厚35.57 m,含孢子、古植物及遺跡化石。

----------平行不整合----------

上志留統(tǒng)砂帽組：黃綠色頁巖、粉砂巖、砂巖。

本區(qū)下泥盆統(tǒng)缺失,中泥盆統(tǒng)云臺觀組與志留統(tǒng)砂帽組平行不整合接觸。下石炭統(tǒng)只在局部地區(qū)可見,大部分地區(qū)中石炭統(tǒng)黃龍組平行不整合覆蓋于寫經(jīng)寺組之上。

鐵礦多層產(chǎn)出,按產(chǎn)出層位自下而上分為Fe1、Fe2、Fe3、Fe4四個礦層：Fe1礦層位于黃家磴組下部,不穩(wěn)定,透鏡狀,常相變?yōu)楹F礦巖,一般無工業(yè)價值;Fe2礦層產(chǎn)于黃家磴組上部,厚度小、品位低,除在少數(shù)礦區(qū)形成工業(yè)礦層外,多數(shù)地區(qū)無工業(yè)價值;Fe3賦存于寫經(jīng)寺組下部,為本區(qū)最主要的工業(yè)礦層,厚度穩(wěn)定,品位高,形成一批中大型礦床;Fe4礦層位于寫經(jīng)寺組上部,在區(qū)內(nèi)不十分發(fā)育,僅在龍角壩、瓦屋場、仙人巖、太平口等礦區(qū)能構(gòu)成工業(yè)礦層,且礦石類型以鮞綠泥石菱鐵礦石為主,不同于其他礦層以鮞狀赤鐵礦為主。

2　共生巖石組合

含鐵建造共生巖石組合見表1。

表1　鄂西泥盆紀沉積鐵礦含礦建造巖石組合

2.1　云臺觀組巖石組合

由單一的厚層—中厚層石英砂巖組成,個別剖面可見到少量砂質(zhì)頁巖或泥質(zhì)砂巖。在長潭河、火燒坪、王兒荒、官莊等地底部可見石英礫石,粒徑0.2～5.0 cm。砂巖的成熟度高,雜基含量很少,為凈砂巖或純砂巖(據(jù)官莊樣品分析：含SiO298.06%,含Al2O30.78%,含CaO 0.065%～0.068%,含P2O50.012%)。碎屑中石英含量>95%,未見長石碎屑。石英碎屑次棱角狀—次圓狀,常見粒度0.125～0.25 mm,分選性良好。碎屑顆粒呈接觸式或鑲嵌式膠結(jié),石英碎屑次生加大填滿孔隙,使石英砂巖呈石英巖狀。巖石中可見粒狀海綠石以及鋯英石、磷灰石等重砂物(圖2-a)。

2.2　黃家磴組巖石組合

黃家磴組巖石組合以碎屑巖和泥質(zhì)巖為主,兩類巖石巖性比例分別為53.92%和44.90%,僅在川箭河等地見到少量泥灰?guī)r。碎屑巖的種類有中細粒石英砂巖、粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。巖石中雜基的含量較多,碎屑顆粒變細,常和泥質(zhì)巖形成過渡。泥質(zhì)巖有頁巖、粉砂質(zhì)泥巖,其中黏土礦物以高嶺石為主,次為水白云母。

2.3　寫經(jīng)寺組巖石組合

寫經(jīng)寺組巖石組合：碳酸鹽巖占44.06%,泥質(zhì)巖占39.75%,碎屑巖占16.14%,其特征是以碳酸鹽巖為主,次為泥質(zhì)巖,碎屑巖已降為次要地位。

碳酸鹽巖有泥晶灰?guī)r、泥晶—亮晶灰?guī)r、介殼灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等(圖2-c、圖2-d)。

圖2　含礦建造巖石組合

泥質(zhì)巖多為水白云母頁巖,微細鱗片狀水白云母交錯叢生,定向排列。泥質(zhì)巖中有時含石英細碎屑,成為粉砂質(zhì)泥巖(圖2-b)。

碎屑巖為細砂巖、粉砂巖,泥質(zhì)、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié),含鐵高時成為鐵質(zhì)砂巖。

2.4　鐵質(zhì)巖巖性特征

鐵質(zhì)巖分為兩類：鮞狀赤鐵巖和鮞綠泥石菱鐵巖,前者由具有鮞狀結(jié)構(gòu)的赤鐵礦和石英、玉髓、方解石、黏土礦物組成(圖2-e),后者由鮞綠泥石、粒狀菱鐵礦及脈石礦物組成(圖2-f)。

以上巖石組合中的碎屑巖和泥質(zhì)巖的特征符合穩(wěn)定型沉積建造中CQ、SQ、MQ的巖石組合(孟祥化,1979),碳酸鹽及鐵質(zhì)巖符合“穩(wěn)定型內(nèi)源建造”的巖石組合。

3　沉積物物源

3.1　巖石的礦物組成

通過對比本區(qū)巖石和周圍古陸巖石的物質(zhì)組成是追索沉積建造物源的有效方法[5]。本區(qū)巖石的礦物組成見表2。

表2　鄂西泥盆系共生巖石礦物組成

表中的礦物組成按目前沉積巖一般的分類原則(劉寶珺1980,G.M.弗里德曼1978)可分成兩大類,陸源礦物和內(nèi)源自生礦物。陸源礦物據(jù)其粒度的大小又分為陸源碎屑物(d>0.004 mm)和陸源泥質(zhì)物(d<0.004 mm)。陸源碎屑物中輕礦物主要為石英,有時可見白云母,經(jīng)多片薄片觀察未見長石,但可見少量硅質(zhì)巖、石英巖或板巖的巖屑。重礦物有磁鐵礦、鈦鐵礦、鋯英石等十余種。生物碎屑常見的有古植物Lepidodendropsiscyclostigmatoides、Cyclostigmakiltorkense、Sublepidodendronmirabile等莖的殘片,以及介殼碎片。

陸源泥質(zhì)物主要為水白云母,其次是高嶺石。

內(nèi)源自生礦物是在沉積盆地內(nèi)形成的,數(shù)量很大。方解石、白云石組成了中層或厚層狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r,廣為分布。赤鐵礦、菱鐵礦、鮞綠泥石、膠磷礦、蛋白石、玉髓、方解石構(gòu)成了規(guī)模巨大的鐵礦層。

3.2　周圍古陸的巖石類型

鄂西鐵礦沉積盆地為武當淮陽古陸、上揚子古陸及江南古陸所包圍,這些古陸及古島(黃陵古島)[6]在泥盆紀時暴露于地表接受風化剝蝕的地層及巖石類型(見表3)。其中出露面積最大的當為各類結(jié)晶片巖,其次為中基性—中酸性巖漿巖及各種成分的淺變質(zhì)巖。

表3　物源區(qū)泥盆紀暴露于地表巖石類型

3.3　陸源礦物的物源

3.3.1陸源碎屑礦物

陸源碎屑物與周圍古陸巖石的礦物組成和礦物性質(zhì)有明顯的親緣關系。石英碎屑潔凈透明,大多數(shù)出現(xiàn)波狀消光,常含副礦物和氣液包裹體,具有結(jié)晶片巖和巖漿巖中石英的特征。白云母碎屑結(jié)晶也較完整,與結(jié)晶片巖和巖漿巖中的白云母相似。

當鋯英石、磷灰石、榍石、磁鐵礦、鈦鐵礦、金紅石、電氣石等重礦物被石英包裹時,結(jié)晶形態(tài)、顆粒大小與巖漿巖中的一致,當作為碎屑時,礦物性質(zhì)沒有改變,只是有不同程度的磨圓。部分含碳質(zhì)包體的電氣石、金紅石、板鈦礦及鐵鋁榴石則來自變質(zhì)巖。

3.3.2陸源泥質(zhì)物

含鐵建造中泥質(zhì)巖占的比例很大,在黃家磴組和寫經(jīng)寺組中泥質(zhì)巖都是主要巖類,因此應有豐富的陸源泥質(zhì)物的供給。古陸上變質(zhì)巖和巖漿巖的主要組成為硅酸鹽礦物和硅鋁酸鹽礦物,在風化作用中易分解成為黏土礦物,隨著風化進程,大量水白云母(堿性階段)和高嶺石(酸性階段)可源源不斷地生成并輸入本區(qū)。

3.4　內(nèi)源礦物的物源

內(nèi)源礦物是在沉積盆地內(nèi)通過不同方式沉淀形成的,最主要的內(nèi)源礦物是構(gòu)成灰?guī)r、白云巖的方解石、白云石和構(gòu)成鐵質(zhì)巖的鐵的氧化物、鐵的層狀硅酸鹽礦物及鐵的碳酸鹽。在本區(qū),組成內(nèi)源礦物的膠體顆粒、離子、絡離子歸根結(jié)底仍然來自古陸,因為在盆地中未發(fā)現(xiàn)火山活動,也不存在與深部溝通的同沉積斷裂和熱水噴溢活動。

根據(jù)劉寶珺(1993)給出的南方揚子區(qū)古緯度數(shù)據(jù)：取自湖南洞口(東徑110.53°、北緯27.08°)中泥盆統(tǒng)跳馬澗組紫紅色砂巖的樣品,測得古緯度為-12.70°,可以推算得宜昌泥盆紀時古緯度為-9.20°,可見當時鄂西及周圍的古陸都處于低緯度熱帶氣候區(qū)。氣候濕熱,植物繁茂,進行著強烈的紅土化作用。自志留紀末抬升成陸至云臺觀期開始接受沉積,古陸已經(jīng)受了長達24 Ma的風化剝蝕,紅土化作用十分透徹。鋁硅酸鹽礦物被徹底分解,其中鉀、鈉、鎂等堿金屬和堿土金屬全部游離,以可溶鹽的形式帶入海盆,最后在盆內(nèi)形成碳酸鹽巖。硅、鋁、鐵等穩(wěn)定元素除殘留在風化殼中之外,有相當部分以膠體、離子、絡離子的形式輸入海盆,形成赤鐵礦、菱鐵礦、鮞綠泥石、海綠石、玉髓、蛋白石等,組成鐵礦層。

鄂西沉積盆地面積較小,約3 km2,而作為源區(qū)的古陸面積約有15萬km2。如果源區(qū)巖石中平均含鐵(TFe)以3.5%計(上陸殼鐵的豐度值—Taylor 1985),并且根據(jù)張麗萍等(2003)[7]對長江三峽黃陵背斜段地質(zhì)時期結(jié)晶巖風化剝蝕速度的研究,平均剝蝕速度為每千年16.97 mm,那么源區(qū)15萬km2、24 Ma剝蝕產(chǎn)生的鐵質(zhì)約為5.98×104億t,只要其中有1/1 000的鐵質(zhì)成礦,就能形成59.8億t鐵礦,與本區(qū)鐵礦遠景資源量相當。

綜上所述,本區(qū)含礦建造中的所有巖石,不論是“陸源”抑或“內(nèi)源”,物質(zhì)均來自周圍古陸,屬于廣義“陸源”。

4　沉積環(huán)境

4.1　構(gòu)造環(huán)境

4.1.1大地構(gòu)造環(huán)境

本區(qū)大地構(gòu)造位置處于揚子陸塊上揚子凹陷的東北部。鐵礦成礦作用發(fā)生在加里東運動以后,當時揚子陸塊與華夏褶皺區(qū)已碰撞疊接形成統(tǒng)一的南方板塊。自泥盆紀開始,南方板塊進入了板內(nèi)活動階段。根據(jù)泥盆紀古構(gòu)造格局、斷裂帶分布及構(gòu)造發(fā)育的差異,中國南方泥盆紀時期劃分若干個構(gòu)造單元,本區(qū)屬“鄂西拗陷帶”(曾允孚等,1993),實際上為一陸緣淺海盆地。

4.1.2沉積盆地構(gòu)造環(huán)境

該淺海盆地由陸內(nèi)拉伸斷陷作用形成,盆地四周分別為襄廣斷裂、江南斷裂、武陵斷裂所控制,屬斷陷盆地。盆地近似不對稱橢圓形,西部寬大,東部窄小,由西向東逐漸收斂。盆地中心位于西部,較陡深,向東變淺而平緩。盆地底部地形起伏不大,總體平緩,分布有相對高差不大的水下高地和洼地。

盆地沉積中心與拗陷中心是一致的,拗陷幅度小,不超過200 m;盆內(nèi)未見深水沉積。地層厚度穩(wěn)定,巖相相變呈漸變式,未出現(xiàn)因同沉積斷裂造成的巖相突變的情況。

4.2　古地理環(huán)境

鄂西鐵礦集中分布于盆地西部,屬無障壁海岸沉積。自中泥盆世開始,隨著盆地拗陷加大,水體加深,鄂西地區(qū)沉積環(huán)境自泥盆世中期—晚期依次由前濱演變?yōu)榻鼮I和遠濱,云臺觀期、黃家磴期和云臺觀期分別形成了前濱相、近濱相和遠濱相沉積,巖相特征的變化見表4。鐵礦賦存于近濱相和遠濱相,尤以產(chǎn)在遠濱相中的鐵礦規(guī)模最大,質(zhì)量最好。

5　能量平衡關系

沉積建造分析中的能量平衡是指沉積堆積速率與地殼沉降速率兩者之間的平衡關系、補償狀況和其變化趨勢,實質(zhì)為內(nèi)力和外力地質(zhì)作用能量的平衡,沉積盆地海平面的升降綜合體現(xiàn)了這一關系。本區(qū)泥盆紀海平面的變化見圖3。

自云臺觀期開始至寫經(jīng)寺期結(jié)束的32 Ma間,本區(qū)海平面經(jīng)歷了上升—下降的過程。自386 Ma開始,海平面緩慢穩(wěn)步上升,淹沒鄂西地區(qū)使之成為沉積區(qū)。初期水體較淺,沉積了穩(wěn)定而單調(diào)的凈砂巖,由于盆地沉降速率與沉積速率相近,因此在整個云臺觀期海平面上升速率很慢。至372 Ma黃家磴期,拗陷速率超過沉積速率,使海平面上升,沉積區(qū)由前濱環(huán)境演變?yōu)榻鼮I環(huán)境,沉積物中泥質(zhì)含量明顯增加,形成了砂巖夾頁巖組合。云臺觀組和黃家磴組構(gòu)成了海侵體系域。寫經(jīng)寺期海平面繼續(xù)上升,沉積區(qū)變成了遠濱環(huán)境和碳酸鹽緩坡環(huán)境,沉積了泥質(zhì)巖和碳酸鹽巖。這一時期海平面上升到最高位置,而后轉(zhuǎn)為下降,構(gòu)成了高水位體系域。Fe1和Fe2礦層產(chǎn)于海侵體系域的中部和上部,Fe3、Fe4礦層產(chǎn)于高水位體系域的下部和上部。

表4　巖相特征變化

總體上本區(qū)在能量平衡方面表現(xiàn)為地殼沉積速率和物源補償速率的低速率共生模式。

圖3　鄂西地區(qū)泥盆系沉積層序和海平面變化圖

6　結(jié)論

(1) 鄂西鐵礦含礦沉積建造由泥盆系碎屑巖、泥質(zhì)巖、碳酸鹽巖及鐵質(zhì)巖組成,建造體在空間上為寬廣薄的楔狀體,建造界面不間斷延展數(shù)百千米,平滑、連續(xù)，性質(zhì)穩(wěn)定。建造地層層序結(jié)構(gòu)清楚,構(gòu)成一個完整的海進—海退旋回。

(2) 建造共生巖石組合具有明顯的穩(wěn)定型沉積特點：純凈的石英砂巖、高嶺石及水白云母泥巖、泥晶灰?guī)r、具有鮞狀結(jié)構(gòu)的鐵質(zhì)巖均產(chǎn)于構(gòu)造穩(wěn)定的陸塊環(huán)境,相當于沉積建造分析中CQ、SQ、MQ巖石組合和“穩(wěn)定型內(nèi)源建造”中的巖石組合。

(3) 建造內(nèi)未發(fā)現(xiàn)火山沉積或熱水沉積,建造物源均來自于周圍古陸。濕熱氣候條件下長期“紅土化”風化剝蝕作用,為建造提供了豐富的陸源碎屑物、陸源泥質(zhì)物,以及生成碳酸鹽巖、鐵質(zhì)巖的原料。

(4) 建造形成過程中沉積盆地拗陷幅度小,沉積物厚度薄,為地殼沉降和物源補償?shù)退俾使采Ｊ?。海平面升降和?盆底地形平坦,形成開闊濱海環(huán)境。巖相縱向變化旋回結(jié)構(gòu)清楚,橫向變化緩慢,呈漸變式,未見因同沉積斷裂造成的巖相突變的情況。

(5) 根據(jù)上述,本區(qū)含礦建造形成于穩(wěn)定陸塊內(nèi)部局限淺海盆地中,由陸源物質(zhì)構(gòu)成,因此宜將其稱為：“穩(wěn)定型陸源碎屑碳酸鹽巖含鐵建造”。曾有人將本區(qū)建造稱為“單陸屑鐵質(zhì)建造”和“含鐵碎屑(灰?guī)r)建造”,筆者認為,前一名稱沒有反映建造中主要組成碳酸鹽巖的存在;后一名稱注意到“灰?guī)r”不可忽略,但未反映建造的性質(zhì),就建造術語的內(nèi)涵而言,在名稱中同時標明建造的構(gòu)造和物源特性似乎更好一些。

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