黔北地區(qū)晚石炭世至早二疊世碳酸鹽巖沉積特征及其對鋁土礦的影響

黔北地區(qū)晚石炭世至早二疊世碳酸鹽巖沉積特征及其對鋁土礦的影響

鋁土礦沉積的紅色和神圣沉積物約占99%，主要是地表沉積或沉積。分布受物源、古氣候、構(gòu)造、幾乎平原化、排水條件和長期沉積時間等條件的控制，通常分布在古陸或高距離邊緣。例如，分布在秦嶺-大別古陸和中條古陸之間的河南西部玉山鋁土礦，以及分布在貴州-中古陸東北緣的貴州北路正下方的鋁土礦。海平面變化往往會對這類鋁土礦的成礦產(chǎn)生重要的影響。華北晚石炭世的3期海侵到海退的沉積演化旋回形成了豫西郁山的3個鋁土礦層,而尼韋奈地區(qū)侏羅紀海侵期形成的碳酸鹽巖沉積更是直接為后期因海退形成的鋁土礦提供了物源。由于海退造成的沉積間斷時間越長,越有利于含鋁殘積物的風化淋濾,越有利于形成如華北“G層”鋁土礦這樣的質(zhì)優(yōu)量大的礦床。海平面升降可造成古地理格局的變化,會直接影響到鋁土礦的分布,此外,海退期形成的古巖溶地形通常也是鋁土礦貯存的理想場所。由此可見,海平面變化對該類鋁土礦的形成具有一定的控制作用。地處上揚子板塊黔中古陸東北緣的務(wù)正道地區(qū),鋁土礦資源豐富,主要分布在中下志留統(tǒng)韓家店組或上石炭統(tǒng)黃龍組之上、中二疊統(tǒng)梁山組之下,其成礦時代一直爭論不止。目前,比較統(tǒng)一的觀點是該區(qū)鋁土礦的成礦時代晚于晚石炭世馬平期,早于中二疊世棲霞期。而晚石炭世-早二疊世是晚古生代全球冰期的鼎盛時期。Joachimski等認為該時期全球海平面的變動幅度可達到120m左右,這樣規(guī)模的海平面變化可為該地區(qū)鋁土礦的形成提供時間和空間上的保障。筆者選取華南地區(qū)晚石炭世至早二疊世不同水深環(huán)境下的地層剖面,如遠岸淺水沉積型的廣西隆安都結(jié)剖面、近岸濱淺海的黔南獨山剖面和湖南田心坪剖面、古陸邊緣的沅陵馬底驛剖面進行研究,分析晚石炭世至早二疊世期間華南地區(qū)的海平面變化規(guī)律,確定該時期主要的海侵期和海退期,尤其是區(qū)域最大海退期,進而了解該時期黔北及其鄰區(qū)不同階段的古地理格局,結(jié)合古氣候資料來討論和進一步限定黔北地區(qū)鋁土礦形成的時代。1代冰期研究中的成巖改造石炭紀至早二疊世華南地區(qū)位于赤道附近,發(fā)育了大量的碳酸鹽巖沉積和豐富的暖水型底棲動物,其沉積受到由成冰事件所帶來的海平面變化的影響。對晚古生代冰期的研究認為共有3個主要的冰期,包括泥盆紀末期-杜內(nèi)期(GlacialI),維憲期晚期-謝爾普霍夫期-巴什基爾期(GlacialII)和晚石炭世末期-早二疊世亞丁斯克期(GlacialIII),其中,第3次冰期影響最大,在華南地區(qū)表現(xiàn)為相當一部分地區(qū)紫松階和隆林階中上部的缺失,同時出現(xiàn)海陸交互相的沉積,如煤等?？傮w上,華南地區(qū)這段時期的海平面變化規(guī)律明顯,其地層層序可與北美大陸及世界其他地區(qū)進行很好的對比。1.1不同層序地層結(jié)構(gòu)華南地區(qū)晚石炭世至早二疊世除盆地相區(qū)外,具有較連續(xù)沉積的當屬遠岸碳酸鹽巖臺地相區(qū),廣西隆安都結(jié)剖面為其典型代表,其晚石炭世至早二疊世地層發(fā)育完整,厚800余米,自下而上分別為黃龍組、馬平組(圖1)。黃龍組自下而上可劃分為2個三級層序,下層序凝縮段為灰色中層含生屑泥晶灰?guī)r;上層序凝縮段為深灰色中薄層泥晶灰?guī)r及含生屑泥晶灰?guī)r,高位體系域為厚層生屑灰?guī)r,屬晚石炭世至早二疊世海水最深時的沉積,代表了當時最大的海侵。馬平組可劃分出3個三級層序,下層序凝縮段為灰色中層含生屑泥晶灰?guī)r。中、上層序凝縮段為淺灰色中厚層生屑灰?guī)r,其高位體系域主要為白云巖及含藻紋層白云巖等,屬晚石炭世至早二疊世海水最淺時的沉積,代表了當時最大的海退。1.2海侵期3個月的沉積特征晚石炭世至早二疊世時期,貴州獨山位于近岸濱淺海沉積區(qū),其沉積特征前人研究較多,主要為一套緩坡-臺地相的沉積。本區(qū)晚石炭世至早二疊世沉積厚度略小于都結(jié)剖面,自下而上可劃分為滑石板組、達拉組、馬平組和包磨山組(圖2)?；褰M和達拉組各構(gòu)成一個三級層序,海侵體系域由灰色中厚層生屑灰?guī)r組成,含腕足、珊瑚等化石;凝縮段為深灰色-灰色中層生屑泥晶灰?guī)r;而高水位體系域主要由白云巖組成,常發(fā)育淋濾構(gòu)造,代表海平面的波動,但總體上表現(xiàn)為逐漸海侵的過程。本區(qū)馬平組可劃分出3個三級層序,下層序凝縮段為深灰色薄-中層泥晶灰?guī)r,生屑較少,代表區(qū)域最大的海侵;上層序凝縮段為淺灰色中層泥晶-亮晶灰?guī)r,含單體珊瑚。從巖性和生物組合的特征上反映了該基本層序是由開闊臺地潮下到潮坪環(huán)境的轉(zhuǎn)變過程,代表了最大的海退。此外,田心坪地區(qū)也是比較典型的近岸濱淺海沉積,相比獨山地區(qū),其巖性變化單一,為灰?guī)r和白云巖互層,下部黃龍組白云巖發(fā)育,總的沉積厚度小于獨山地區(qū)(圖3)。田心坪剖面下部黃龍組可劃分出2個三級層序,上部船山組可劃分出3個三級層序,沉積特征與獨山地區(qū)類似,凝縮段表現(xiàn)為灰色中層生屑灰?guī)r,含化石,最大海侵期發(fā)生在小獨山階的Triticites帶;而最大海退期始于紫松期,Pseudoschwagerina帶至Sphaeroschwagerina帶海水較淺,呈現(xiàn)明顯的海退趨勢,上部缺失隆林階地層。1.3晚石炭世至早二疊世最大的海退事件的地層格局華南地區(qū)晚石炭世至早二疊世古陸邊緣碳酸鹽巖臺地具2個重要的特點:①由于靠近古陸,海水較淺,具多期次的古暴露、古巖溶標志;②發(fā)育有從古陸上沖下來的泥石流、碎屑流沉積。湖南沅陵馬底驛剖面為一典型代表(圖4),剖面厚度不大,下部大埔組為白云巖、灰?guī)r和礫巖互層;上部馬平組為灰?guī)r和砂巖及少量礫巖互層,總體上表現(xiàn)為濱淺海碳酸鹽巖和碎屑巖沉積互層,普遍發(fā)育古巖溶及紅土。該區(qū)層序易于識別,每個層序頂部發(fā)育砂巖、礫巖,代表了海退事件,在馬平組表現(xiàn)尤為明顯。剖面上共識別出5個層序,其中,大埔組2個三級層序,馬平組3個三級層序。馬平組下、中層序的凝縮段巖性為深灰色薄-中層泥晶灰?guī)r,屬潮下低能環(huán)境,為晚石炭世至早二疊世最大海侵的產(chǎn)物。而上部層序凝縮段為灰色、淺灰色中厚層生屑灰?guī)r、含生屑泥晶灰?guī)r,高水位體系域主要為厚層-塊狀生屑灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r,頂部具一個規(guī)模很大的巖溶面,缺失紫松階中上部和隆林階地層,代表了晚石炭世至早二疊世最大的海退。以上分析可見,晚石炭世至早二疊世期間出現(xiàn)過2次明顯的海侵事件,分別發(fā)生在滑石板期和小獨山期,其中最大海侵期出現(xiàn)在達拉期末至小獨山期。因此,當?shù)貙又袃H殘留有滑石板期及達拉期的地層時,不難推斷其上應(yīng)該也沉積了最大海侵期的沉積,目前的缺失應(yīng)該是由于其后隨之而來的最大海退造成的。該時期最大的海退出現(xiàn)在紫松期晚期至隆林期。在盆地相區(qū)和遠岸碳酸鹽巖臺地地區(qū),紫松期晚期至隆林期的地層基本沒有缺失;在近岸碳酸鹽臺地地區(qū),由于受紫松期-隆林期最大海退事件的影響,大部分地區(qū)缺失隆林期及紫松期部分地層,如貴州獨山和湖南漣源田心坪;而在古陸邊緣及古地勢高的地區(qū),由于海水較淺,受到最大海退事件的影響最大,這些地區(qū)往往缺失隆林期及紫松期的大部分地層,有些地區(qū)甚至缺失紫松期全部地層,在此基礎(chǔ)上,早期沉積的地層也會被剝蝕,如湖南沅陵馬底驛和貴州務(wù)正道地區(qū),尤其是后者(表1)。因此,筆者認為貴州務(wù)正道地區(qū)石炭紀沉積可能持續(xù)到晚石炭世小獨山期,之后出現(xiàn)沉積間斷,開始沉積含鋁殘積物,進而形成鋁土礦應(yīng)發(fā)生在早二疊世紫松期至隆林期期間,即最大海退期的時間段。2晚石炭世至早二疊世古地理黔北及鄰區(qū)晚石炭世至早二疊世古地理變化與該時期海平面變化密切相關(guān)。前人對貴州地區(qū)古地理研究多集中在黔南地區(qū),對黔北地區(qū)研究較少,主要由于黔北地區(qū)石炭紀地層很不穩(wěn)定,分布零星,最厚處僅15m左右,這為該區(qū)石炭紀古地理研究帶來很大困擾。筆者通過對貴州務(wù)正道地區(qū)野外的踏勘,搜集了約60口鉆孔和30條探槽的資料,經(jīng)分析認為黔北地區(qū)石炭紀地層主要為殘余的黃龍組,時期為滑石板期至達拉期,以局限臺地相沉積為主;往北至渝南、川東等地也分布著厚度較厚的殘余的黃龍組,并可見大量的暴露標志,如喀斯特化、紅土化等;鄂西一帶石炭紀地層較厚,發(fā)育有黃龍組和船山組,其中,船山組為殘余地層,其分布有限。結(jié)合此前對華南地區(qū)晚石炭世至早二疊世海平面變化的分析,繪制出該區(qū)晚石炭世至早二疊世古地理變化簡圖(圖5)。達拉期,黔北、渝南和川東等地靠近古陸,黔北地區(qū)為一個開口向北的海灣,主要發(fā)育局限臺地相的濱海沉積,川東等地白云巖較發(fā)育,厚度較小。而到了海侵規(guī)模較大的小獨山期,黔北-渝南-川東大部分地區(qū)的沉積由局限臺地相過渡到開闊臺地相[33,35,36,37,39,40],這一時期沉積了大套碳酸鹽巖。小獨山期晚期,在靠近古陸邊緣的地區(qū)出現(xiàn)了灰?guī)r和白云巖交替沉積,層序頂部常常出現(xiàn)暴露標志,潮坪相的沉積普遍發(fā)育。紫松期由于區(qū)內(nèi)迎來大規(guī)模的海退事件,剝蝕區(qū)域增大,黔北-川東一帶表現(xiàn)顯著,這一地區(qū)石炭系廣泛暴露,遭受風化剝蝕,川渝交界至鄂西一帶的部分地區(qū)殘余石炭系頂部的沉積,往西至渝南、黔北一帶,石炭系遭受剝蝕更加嚴重。隆林期早期,這一地區(qū)的古地理格局基本上繼承了紫松期的面貌,黔北-渝南-川東等大范圍暴露,此前的沉積進一步遭受風化,渝南、黔北地區(qū)僅剩達拉期的沉積。該時期研究區(qū)從陸表淺海過渡到陸相,由于大部分時期為一個有淡水輸入局限的海灣環(huán)境,期間可能會出現(xiàn)間歇性與海連通的咸化湖泊。但到了隆林期中后期,尤其后期,突發(fā)海侵和緩慢海退的變化使得黔北地區(qū)出現(xiàn)海陸交互的沉積環(huán)境,如濱海沼澤等?？傮w上海洋對沉積的控制逐漸加強,而陸地的控制漸漸減弱。對于本地區(qū)鋁土礦的沉積十分有利。3晚石炭世至早二疊世鋁土礦的代際變化志留紀末的加里東運動使得中上揚子區(qū)地殼上升為陸,黔北地區(qū)早期沉積的泥頁巖遭受風化剝蝕,積累了大量的紅土化風化作用形成的鐵鋁殘留物,為后期鋁土礦的成礦提供了豐富的物源。在晚石炭世早期,由于海侵作用,海水沿海灣自北向南進侵,在黔北、渝南等地的低洼處普遍沉積了碳酸鹽巖。直到石炭紀末迎來最大海退期,海水逐漸撤出該區(qū),而晚石炭世至早二疊世,貴州地區(qū)古緯度正位于8°～14°之間,屬于熱帶-亞熱帶地區(qū),氣候炎熱潮濕,降雨豐富,有利于鐵鋁殘留物的脫硅、排鐵、富鋁作用的進行,同時這種環(huán)境下碳酸鹽巖沉積極易出現(xiàn)巖溶化,而地形較高處的碳酸鹽巖則被風化剝蝕,可為鋁土礦提供部分物源。那些分布在陸地或高地上的鐵鋁殘留物由地表徑流水或突發(fā)性海侵搬運至地形低洼處沉積下來,由于碳酸鹽巖排水條件相對泥頁巖較好,沉積在其中的鋁土礦品位往往較高,是該地區(qū)鋁土礦沉積的良好場所。對于近海處,海水的搬運和再沉積作用等使得鐵鋁殘留物在相對局限的海灣環(huán)境下能夠形成了一些分布多樣的富鋁泥質(zhì)潮坪。同時,這種突發(fā)性的海侵也有利于富鋁殘留物發(fā)生分異作用,最終形成現(xiàn)今致密狀和半土狀鋁土礦北部厚、南部薄,而碎屑狀和豆鮞狀鋁土礦南部厚、北部薄的變化特征。黔北地區(qū)晚石炭世至早二疊世海平面升降所帶來的古地理格局的變化嚴格控制了該區(qū)鋁土礦的分布;而最大海退期,隆林期-紫松期約25Ma的沉積間斷使得富鋁殘留物充分礦化,在海灣相中形成了規(guī)模大、質(zhì)量好的鋁土礦礦床,并在隨后大規(guī)模的海侵過程中形成了共同的頂板。4海退期為鋁土礦的形成提供了時間和空間保證(1)晚石炭世至早二疊世,黔北地區(qū)是一個開口向北半封閉的淺水海灣,周圍有高地發(fā)育,其上有大量泥頁巖風化后形成的鐵鋁殘留物,海灣的沉積極易受到海平面變化的影響。(2)晚石炭世達拉期至小獨山期,由于海侵,黔北海灣與外海連通,普遍沉積一套碳酸鹽巖;到了早二疊世紫松期至隆林期,區(qū)域上發(fā)生大規(guī)模海退,黔北海灣逐漸與外海隔開,形成咸