鄂西沉积铁矿含矿盆地分析

2013-10-16秦元奎杨宏伟吴义松姚敬劬

资源环境与工程 2013年6期

秦元奎，杨宏伟，吴义松，姚敬劬

(中南冶金地质研究所，湖北宜昌 443003)

0 引言

鄂南—湘西沉积盆地是孕育、聚积、容纳和保存鄂西宁乡式铁矿的场所，研究该种铁矿的成矿条件必须首先进行沉积盆地分析。盆地分析兴盛于20世纪80年代，主要是由于寻找石油的推动，有所谓“没有盆地就没有石油”之说(Perrodon A.，1983)[1－2]。随后在煤、砂岩型铀矿等矿产的勘查中发挥了作用。国内冶金地质系统近20年采用盆地分析的方法研究沉积锰矿取得了一系列成果(侯宗林等，1997;姚敬劬等，1998;骆华宝等，2011)[3－4]。

鄂西铁矿沉积学研究，早期有廖士范(1964)[5]、傅家谟(1961)[6]对铁矿形成的岩相古地理条件进行过研究，并对成因作了探讨。近期有徐安武等(1992)[7]、曾允孚等(1993)[8]、赵一鸣等(2000)[9]、秦元奎等(2007、2011)[10－12]对铁矿的时空分布规模、矿床地质特征和鄂西泥盆纪岩相古地理做过研究。本文试图应用盆地分析的原理和方法，对鄂西铁矿的形成条件作进一步探讨。

1 鄂南—湘西沉积盆地形成的古构造背景

1.1 区域构造背景

志留纪末，加里东运动使华南造山带最终形成，扬子陆块与华夏板块碰撞叠接形成统一的中国南方板块。海西期中国南方各沉积盆地的演化与古特提斯构造域、古西太平洋构造域的发展密切相关。海西早期，从早泥盆世开始，随着古特提斯裂谷作用的产生和扩张，南方板块向北漂移，而扬子陆块仍按逆时针方向旋转，引起南方板块南缘活化，钦防海槽沿地壳活动带向板内发展，形成三支北东向拉张型裂谷(图1)。其中东支裂谷(L1)沿吴川—韶关断裂进入广州—韶关一带，且与湘东南地区贯通;中支裂谷(L2)沿钦州—衡阳断裂与郴州—茶陵断裂进入湘中地区;西支裂谷(L3)沿象州—冷水江断裂经桂东北龙胜进入湘西南城步—冷水江一带。古特提斯海海水经由裂谷由南向北侵漫，至中泥盆世早期，海侵扩大，湘、桂、粤、赣广大地区被海水淹没，形成了华南海(图2)。

图1 华南泥盆纪古构造图Fig.1 Palaeotectonic map during Devonian south China(据曾允孚，1993，有修改)

图2 华南晚泥盆世古地理及沉积铁矿的分布( 据赵一鸣， 2000)Fig. 2 Palaeogeography map of Late Devonian south China and distribution of sedimentary iron deposits( 古地理图据王鸿桢等， 1985，修改)

根据泥盆纪古构造格局、断裂带分布及构造发育的差异，可将华南泥盆纪时期的古构造划分为若干个构造单元，鄂西属“鄂西拗陷带”，该单元包括鄂西、渝东南及鄂东地区，东部与下扬子断陷带相接。

1.2 鄂西泥盆纪古构造格局

鄂西地区泥盆纪古构造基本格局是:周围为深大断裂所限的拗陷带，形成沉积盆地，坐落在南方陆板块中北部(图3)。

图3 沉积盆地构造及地层分区( 据徐安武， 1992，有修改)Fig. 3 Tectonic map of sedimentary basin and stratigraphic division areas

北部襄樊—广济断裂(扬子北缘断裂)是分隔秦岭褶皱系和扬子陆块的规模宏大的区域性大断裂。该断裂具有长期活动的历史，古生代它是两侧岩相、古生物的转变带，北为秦岭再生地槽，南为扬子陆块稳定区。泥盆纪时，成为鄂西拗陷带的北界。断裂以北为南秦岭印支地槽褶皱带和桐柏—大别中间隆起，其古地貌形态为武当淮阳古陆，断裂以南为拗陷区，是接受沉积的盆地。

南部江南断裂，沿着江南隆起北部边界伸展，自西向东经吉首、常德、临湘、瑞昌构成了鄂西拗陷带南部边界。断裂具多时代活动特点，前燕山期为非造山性质的沉积相突变带。泥盆纪时，其北部为拗陷区;南部为隆起区，即江南古陆。

西部武陵断裂系，北东向展布于鄂西与重庆边界地区，南延至武陵山地。诚然武陵断裂系主要活动时间应在燕山期，但通过对该断裂系的活动历史的深入研究，查明该断裂可能是基底断裂在中生代后复活的断裂带，实际上在前泥盆纪已经存在。因为震旦纪和早古生代沉积在断裂两侧发生相变。断裂西部震旦系灯影组为藻礁白云岩，下寒武统为页岩相沉积，下奥陶统岩石组合、古生物群与黔北相似;断裂东侧灯影组为白云岩夹灰岩，下寒武统为硅质页岩相，下奥陶统岩石组合、古生物面貌与鄂西相似。这种东西两侧的岩相差别一直延续到二叠纪。因此有理由认为武陵断裂在泥盆纪时是控制鄂西拗陷西部边界的断裂带，断裂西部为上扬子古陆，东部为鄂西拗陷。

中泥盆世鄂西拗陷带在周缘断裂的控制下下陷，形成盆底地形起伏不大的椭圆形陆内浅海盆地，基底为扬子陆块下古生界稳定沉积。沉积盆地的形成为鄂西铁矿的聚积准备了空间条件。

2 鄂西泥盆纪含矿沉积盆地分析

盆地分析包括盆地类型、构造特征、盆内充填及演化历史等项研究内容，主要研究结果见表1。

2.1 盆地类型

根据盆地的构造位置、边界特征、动力学成因及周边环境，盆地类型应属陆内断陷盆地。前人曾认为是“陆内拗陷盆地”，拗陷是由于热沉降及沉积负荷作用引起。经本次研究，根据盆地周缘被深大断裂控制，断裂的外侧均为隆起区，泥盆纪时为古陆;断裂内侧为沉降区接受沉积的事实，认为盆地的形成是由周边断裂断陷作用所造成，因此有理由认为是陆内断陷盆地。

表1 鄂西泥盆纪含矿沉积盆地分析结果Table 1 Results of Devonian sedimentary basin analysis in West Hubei

2.2 构造分析

盆地的构造位置为加里东运动形成的南方板块的中北部，应处于陆壳内部。鄂西盆地四周分别为武当淮阳古陆、上扬子古陆、江南古陆所包围，仅在盆地南侧江南古陆中段有一“海峡”式豁口，与华南海相通。因此鄂西盆地实际上是一个面积不大的(约3万km2)半封闭陆内海盆地。

盆地的基底为发育于扬子陆块基底上的早古生代稳定沉积，由于加里东运动为升降运动，并未使早古生代地层产状发生改变，因此盆底覆盖的是志留系最上部的砂页岩层。在整个加里东—海西阶段鄂西都处于稳定的陆壳背景之下，导致鄂西沉积盆地成为一个沉积厚度小、无深水沉积、无火山活动、无明显同沉积断裂作用的“三无”盆地。

盆地地理位置横跨湖北南部和湖南西北部，故可称鄂南—湘西盆地。盆地占居湖南永顺、石门，湖北恩施、宜昌、荆州、武汉、黄石等地区，平面形态类似一个不对称的椭圆形:西端宽大，东端窄小，自西向东逐渐收敛。盆地的北部边界自西向东大致沿万州、襄樊、京山、安陆、孝昌、浠水一线;东南边界自汉寿、岳阳至瑞昌;西南边界自重庆石柱经湖南花垣、吉首。在剖面上盆地东西不对称，为一箕状盆地:西部拗陷较深，且边界比较陡峻，盆地沉降中心靠近西部;自盆地中心向东，拗陷逐渐变浅，整个盆地底部地形平缓，为向东逐渐升高的缓坡，但有波状起伏，出现高差不大的潜丘和洼地。

2.3 盆内充填分析

2.3.1 沉积相及沉积相组合

沉积盆地东部和西部处于不同的古地理环境，东部为河流三角洲沉积环境，西部为无障壁海岸沉积环境。东部河流自东向西注入盆地，由于河流携带泥沙量大，分别形成河流相、三角洲前缘相、前三角洲相沉积。盆地西部为无障壁滨岸沉积环境，依次形成了前滨相、近滨相、远滨相、碳酸盐缓坡相沉积(图4、5，表2)。

盆地东部黄石、大冶一带河流相沉积，上部由浅黄色薄层粉砂质细砂岩、粉砂岩、粘土岩类等构成，含植物化石及小个体双壳类化石。河流相的下部则以灰白、肉红色中—厚层或块状石英岩状砂岩、石英砂岩或含铁砂岩为特征，具有楔状层理和板状斜层理。

河流相以西，自武汉美娘山至仙桃、孝感一带分布三角洲前缘相，主要由粉砂质粘土岩、砂岩等组成，发育有水平层理和交错层理。在三角洲前缘相的外侧，为前三角洲相分布区，位于荆门、沙市一带。前三角洲已属滨外沉积，水深大部分处于浪基面以下，由河流搬运来的最细粘土悬浮物质、细碎屑和胶体溶液沉积而成，主要由粘土岩、粉砂质粘土岩等组成，常常富含有机质，呈黑色，具细纹理。

盆地西部宜昌恩施地区为无障壁滨岸沉积，随着盆地拗陷加大，水体加深，依次形成前滨相、近滨相、远滨相及碳酸盐缓坡相。前滨相形成于中泥盆世晚期，主要由中厚层状中—细粒石英岩状砂岩、残余砂状石英岩组成，偶夹石英粉砂岩和水云母质石英砂岩。在岩比图上(图6)，投影点集中在碎屑岩端元，碎屑岩岩比都接近100%。前滨位于海滩下部平均高潮线和平均低潮线之间，地形较为平坦，是海滩下部逐渐向海倾斜的平缓斜坡地带。前滨带以波浪的冲洗为特征，岩石的成熟度高，碎屑物以石英为主，磨圆度和分选性都良好。

近滨相叠覆在前滨相之上，近滨环境处于平均低潮线与正常浪基面之间，是海滩的水下部分。鄂西近滨相发育于晚泥盆世早期，主要由不同比例的页岩(泥岩)、砂岩、粉砂岩交替组成，除个别地区外基本上无碳酸盐岩出现。在岩比图上，投影点均落在碎屑岩和泥质岩这一边。泥质岩和碎屑岩的比例变化很大，泥质岩/碎屑岩可由15/1～1/9。近滨带主要的水动力作用是波浪对海底的扰动，因此近滨带上部出现大型楔状或板状交错层理，下部以水平层理为主。

图4 盆地晚泥盆世晚期岩相古地理示意图(据徐安武，1992，有修改)Fig.4 Sedimentary facies and palaeogeography map in the basin during the late Devonian

图5 含铁沉积盆地沉积相分布模式示意图Fig.5 Distribution model of sedimentary facies of sedimentary basin bearing iron deposits

表2 盆地晚泥盆世岩相分布Table 2 Sedimentary facies distribution in the basin during Late Devonian

图6 鄂西中上泥盆统地层各类岩石岩比图Fig.6 Rate diagrams of different type rocks thickness of the Middle and Upper Devonian system in west Hubei

远滨相和碳酸盐缓坡相连续叠置在近滨相之上，形成于晚泥盆世晚期。当时水体加深至沉积区已处于浪基面之下，实际为浅海陆棚与滨岸的过渡地带。发育了一套由碎屑岩、泥质岩及碳酸盐岩交替的陆源碎屑和碳酸盐混合沉积，其中又以泥质岩和碳酸盐岩为主，夹有碎屑岩。三类岩石的岩比有变化，其中碳酸盐岩的比例10% ～82%，多数介于30% ～60%;泥质岩的比例15.5% ～63.25%，一般为30% ～60%;碎屑岩的比例3% ～51.72%，一般为5% ～20%。是否有碳酸盐岩石出现是判别近滨相抑或远滨相、碳酸盐缓坡相的重要标志:近滨相一般无碳酸盐岩出现，远滨相和碳酸盐缓坡相则必定有碳酸盐岩石出现，并占有相当的比例。

2.3.2 盆地地层格架和层序地层

(1)盆地地层格架根据沉积物岩性、地层接触关系、古生物化石特征，盆地泥盆纪地层等时格架应分东西两区分别建立，两者相互关系见表3。

盆地东部泥盆纪地层仅发育有上统五通组，分布于京山、洪湖以东，安陆—黄梅一线以南地区。岩性大致可分为上、下两段，上段以浅黄、灰白等杂色粉砂质细砂岩、粉砂质页岩、粘土岩为主，时夹石英岩状砂岩;下段以灰白、肉红色中—厚层状或块状石英岩状砂岩、石英砂岩或含铁砂岩为特征，时夹细砂岩、粉砂岩、页岩或砂砾岩，底部常见石英砾岩或含砾石英砂岩。五通组古生物以含斜方薄片木(Leptophloeum rhombicum Dawson)组合为特征，其中斜方薄片木(L.rhombicum)，亚鳞木(Sublepidodendron wusihense(Sze))，羊齿(Sphenoteris recurva Dawson)，基尔托克圆印木(Cyclostigma Kiltorkense Haughton)等均为中国晚泥盆世标准分子或重要分子，因此可确认五通组的时代属晚泥盆世，与鄂西黄家磴组和写经寺组为同期沉积。

表3 沉积盆地地层格架Table 3 Stratigraphic division of sedimentary basin

盆地西部泥盆纪地层格架见图7，其中下泥盆统缺失，中泥盆统云台观组平行不整合于上志留统纱帽组之上。上泥盆统与中泥盆统为连续沉积，根据岩性岩相又可分为下部黄家磴组与上部写经寺组，均为含矿岩系。

云台观组(D2y)岩性单一，以灰白、浅灰色中厚层—块状石英岩状砂岩、石英细砂岩为主，时夹页岩、泥质粉砂岩或细砂岩。底部时见含砾石英砂岩及粘土质风化壳。云台观组含植物化石，在长阳、兴山、宜都等地发现多种植物化石及孢子，其中夏丽安原始鳞木(protolepidodendron scharyanum)是中泥盆世的世界性标志植物之一。

上泥盆统黄家磴组(D3h)岩性以黄绿、灰绿、褐黄、黄灰及紫红等杂色页岩、石英砂岩、粉砂岩为主，个别剖面见夹有少量泥灰岩、灰岩(川箭河、火烧坪、谢家坪)。上下含两层鲕状赤铁矿，但一般薄而不稳定。全组岩石具水平层理，时具交错层理、斜层理及波痕构造。黄家磴组含腕足类、珊瑚及多种植物化石，其中斜方薄片木(Leptophloeum rhombicum)，基尔托克圆印木(Cyclostigma Kiltorkense)为晚泥盆世标准分子或标准化石。

图7 盆地西部泥盆纪地层层序图(火烧坪剖面)Fig.7 Devonian stratigraphic division in the west basin

上泥盆统上部写经寺组上段主要为黄灰、灰绿、灰黑色碳质页岩、砂质页岩、石英砂岩，夹粉砂岩、鲕绿泥石菱铁矿;下段即灰岩段，以灰、深灰色中—厚层状灰岩、泥质灰岩、泥灰岩为主，时夹页岩、钙质页岩，底部为砂页岩夹鲕状赤铁矿。写经寺组含腕足类、珊瑚、介形虫、双壳类、牙形石及多种植物化石，其中以云南贝—准云南贝(Yunnanella-Yunnanellina)动物群为代表的生物组合，表明其应属上泥盆统上部(大致相当于法门阶)。(2)层序地层鄂西泥盆纪地层为上、下两个平行不整合面限定，因此是一个层序地层学研究单位。①层序界面。层序界面是不整合面或与之对应的等时整合面。沿着这个面存在陆上侵蚀的证据，或者存在明显的重要沉积间断。本区中泥盆统与上志留统之间的不整合面即为层序的下界面(时间386 Ma)。上泥盆统与石炭系之间的不整合面即为层序的上界面(时间为354 Ma)。下界面的依据是存在志留纪末期成陆、志留纪地层遭受剥蚀的证据。本区下泥盆统缺失，中泥盆统云台观组底部见含砾石英岩状砂岩及粘土质风化壳。上界面的依据是多处可见石炭系下统缺失，中石炭统黄龙组与上泥盆统直接平行不整合接触，在黄龙组的底部见到底砾岩。②海平面的升降与沉积层序。地层层序时限为354～386 Ma，历时32 Ma，相当于维尔划定的Ⅱ级旋回的时间。在这32 Ma间本区海平面经历了上升—下降的过程(图8)。自386～372 Ma，海平面缓慢稳步上升，淹没鄂西地区使之成为沉积区，初期水体较浅形成前滨环境，沉积了岩性稳定而单调的前滨相沉积;至372 Ma，海平面上升速率加快，迅速由前滨环境演变为近滨环境，沉积物岩性也发生明显改变，主要特征是泥质含量明显增加，沉积物颜色发生改变，导致云台观组与黄家磴组的界面十分清楚。云台观组与黄家磴组的沉积体系属海侵体系域(TST)。

363 Ma开始海平面继续上升，沉积区演变为远滨环境和碳酸盐缓坡环境，沉积了写经寺组下部地层，由泥质岩和碳酸盐岩组成，这一时期海平面上升到最高位置，而后转为下降。在海平面下降期间沉积了写经寺组上部的碎屑岩和泥质岩。写经寺沉积期，海平面经历了由相对上升转为相对下降的过程，因此沉积体系属高位体系域(HST)。

③沉积速率和物源输入量。鄂西盆地为相对封闭、面积不大、拗陷不深的陆内盆地，盆地周围为古陆所包围。古陆已经受24 Ma的剥蚀，积蓄了丰富的风化产物，并不断搬运入海，因此盆地中物源的输入量充分。沉积速率与地壳下陷速度相比，各个时段不一。中泥盆世基底沉降速率略大于沉积速率，使盆中水体逐渐加深，自晚泥盆世黄家磴期—写经寺期早阶段，盆地拗陷速率明显大于沉积充填速率，使水体不断加深。写经寺期晚阶段盆地拗陷速率变缓，沉积物充填速率超过了基底沉降速率，盆地逐渐填平，水体深度不断减小。

图8 鄂西地区泥盆系沉积层序Fig.8 Sedimentary sequence of Devonian system in west Hubei

写经寺期末期盆地基底缓慢抬升，沉积速率变化不大，盆地被逐渐填平补齐，当达到沉积基准面后，出现了层序顶部的不整合面。

2.3.3 含矿性

鄂南—湘西泥盆纪沉积盆地是一个含矿盆地，铁质岩多次沉积，铁矿层多层产出，形成一批中大型铁矿床，特别集中分布于鄂西地区。铁矿资源储量丰富，成为中国沉积铁矿的重要矿集区。

盆地中共有4层铁矿产出，自下而上命名为Fe1、Fe2、Fe3、Fe4。每一层铁矿在不同地段柱状图上的上下位置有差异，但在总体上规律性强，每一层铁矿都可视为一个等时面。

Fe1矿层:赋存在上泥盆统黄家磴组中部或下部的页岩中，主要分布于恩施铁厂坝、建始太平口、十八格、巴东仙人岩、瓦屋场和秭归杨柳池一带，矿层薄而不稳定，厚度约0.7 m左右，透镜状产出，主要由砂质鲕状赤铁矿石组成，横向上常相变成含铁砂岩。

Fe2矿层:赋存在黄家磴组上部或靠近顶部的页岩夹砂岩或砂岩夹页岩中。主要分布于宜昌、长阳、巴东、秭归一带。矿体似层状或透镜状产出，厚1～2 m，稳定性较Fe1好，矿石主要由砂质鲕状赤铁矿组成。有的矿区有工业价值，例如黑石板铁矿Fe2具备工业储量。

Fe3矿层:赋存在写经寺组下段，靠近底部，在多数情况下，底板为石英砂岩，顶板为页岩或泥灰岩。矿层遍布于全区极大多数矿区，且属主矿层。矿层在一些大型铁矿床中呈层状分布，面积可达近百平方千米，厚度一般为1.5～3.5 m，矿石主要为钙质鲕状赤铁矿或砂质鲕状赤铁矿，多数情况下含铁量随矿体厚度变大而递增，并常有富铁矿产出。

Fe4矿层:赋存在写经寺组上段底部页岩夹灰岩中，主要分布在建始、巴东、长阳、五峰一带。在建始太平口、巴东仙人岩和瓦屋场、五峰龙角坝矿区，Fe4属于主矿层。矿体大多数呈薄层状或透镜状，矿石主要由菱铁矿、鲕绿泥石和鲕状赤铁矿组成。

上泥盆统铁矿的层数和厚度变化较大，一般可见一到二层，完整的应为四层。许多矿区见不到明显Fe1、Fe2矿层，但仍有矿化现象:出现铁质砂岩，或很薄层的铁矿。自官店、伍家河铁矿向西南在矿层数及厚度上有渐减的趋势，至宣恩川箭河、咸丰白岩等地铁矿层完全尖灭。

4层铁矿分别产在地层的不同层序中(图8):Fe1、Fe2产于海侵体系域(TST)的中部和上部，Fe3、Fe4产于高位体系域(HST)的下部和上部。

2.4 盆地演化历史

鄂西沉积盆地的演化历史短暂，仅经历中泥盆世—晚泥盆世约32个百万年的时间。志留纪末本区尚为陆地，经受风化剥蚀24个百万年后，在中泥盆世拗陷下沉成为盆地区。盆地东部有河流自东向西注入，形成河流冲积相(包括三角洲相)沉积。盆地的西部为无障壁海岸，接受了前滨相的沉积。至晚泥盆世早期拗陷加深，沉积区演变为近滨环境，形成了由碎屑岩和泥质岩组成的近滨相沉积，到晚泥盆世晚期拗陷进一步加深，沉积区又演变为远滨和碳酸盐缓坡环境，沉积了一套陆源碎屑和碳酸盐混合沉积，由碎屑岩、泥质岩和碳酸盐岩相互交替组成。晚泥盆世末期盆地基底开始抬升，海水变浅，沉积物已逐渐将盆地“填平补齐”，有的部分已抬升成陆，盆地演化历史结束。早石炭世残留盆地一部分地区覆盖有海陆交互相沉积，其余地区早石炭世缺失，上泥盆统直接为中石炭统灰岩白云岩地层覆盖。