鄂西泥盆纪沉积铁矿含矿建造分析

秦元奎, 姚敬劬

(中南冶金地质研究所,湖北 宜昌　443003)

0　引言

鄂西铁矿沉积学研究已有诸多成果(傅家谟1961,廖士范1964,徐安武1992,曾允孚1993,赵一鸣2000,秦元奎2011等),内容集中对铁矿成矿的岩相古地理条件进行了分析,涉及含矿建造的文献很少。笔者目前所见的主要研究成果有：孟祥化1993年[1]在其《沉积盆地与建造层序》专著中对“南方泥盆纪铁矿”含矿建造的一段论述,以及2011年湖北省地质调查院对鄂西宁乡式铁矿建造类型的划分。

沉积建造作为地层岩石共生组合的概念引入沉积学研究已有悠久历史,并且至今仍在沿用。但是近几十年来,沉积建造的概念、理论和研究方法已发生了重大改变,建造分析已由单一的地层岩石组合分析发展成为研究共生岩石的物源、沉积环境和能量平衡的专门学科[2-3]。本文根据鄂西铁矿整装勘查的成果拟从上述方面对本区铁矿含矿建造作进一步的探讨。

1　建造格架及地层层序

1.1　建造格架

含矿建造由泥盆系碎屑岩、泥质岩、碳酸盐岩、铁质岩构成,上下界面为两个平行不整合面(图1)。下界面为志留系与泥盆系的平行不整合面,缺失早泥盆世地层,志留系顶部见古风化壳,中泥盆统底部含底砾岩;上界面为泥盆系与石炭系的平行不整合面,中石炭统直接覆盖于泥盆系之上,缺失早石炭统[4]。两个界面不间断的延伸数百平方千米,平滑、连续、性质稳定。建造内层序构成一个完整的海进海退旋回(Ⅲ级旋回)。

图1　鄂西含矿沉积建造格架示意图

1.2　地层层序及铁矿赋存层位

含矿建造地层层序如下：

上覆地层：中石炭统黄龙组,厚层白云质灰岩

----------平行不整合----------

上泥盆统上组(写经寺组D3x)：上部,黄绿色灰绿色页岩、碳质页岩、粉砂岩、夹鲕绿泥石菱铁矿层(Fe4);

中部,灰—深灰色中—厚层灰岩、泥灰岩、白云质灰岩;

下部,黄绿色黄灰色页岩、砂岩、夹鲕状赤铁矿层(Fe3)。

全组平均厚61.29 m,含孢子、古植物、腕足类、珊瑚及遗迹化石。

上泥盆统下组(黄家磴组D3h)：上部,灰绿色黄灰色页岩夹砂岩,夹薄层鲕状赤铁矿层(Fe2);

下部,灰色细砂岩夹页岩,含透镜状赤铁矿层(Fe1)。

全组平均厚29.91 m,含古植物、腕足类、珊瑚、鱼类化石。

中泥盆统云台观组D2y：灰白色厚层石英砂岩,底部见石英砾石。全组平均厚35.57 m,含孢子、古植物及遗迹化石。

----------平行不整合----------

上志留统砂帽组：黄绿色页岩、粉砂岩、砂岩。

本区下泥盆统缺失,中泥盆统云台观组与志留统砂帽组平行不整合接触。下石炭统只在局部地区可见,大部分地区中石炭统黄龙组平行不整合覆盖于写经寺组之上。

铁矿多层产出,按产出层位自下而上分为Fe1、Fe2、Fe3、Fe4四个矿层：Fe1矿层位于黄家磴组下部,不稳定,透镜状,常相变为含铁矿岩,一般无工业价值;Fe2矿层产于黄家磴组上部,厚度小、品位低,除在少数矿区形成工业矿层外,多数地区无工业价值;Fe3赋存于写经寺组下部,为本区最主要的工业矿层,厚度稳定,品位高,形成一批中大型矿床;Fe4矿层位于写经寺组上部,在区内不十分发育,仅在龙角坝、瓦屋场、仙人岩、太平口等矿区能构成工业矿层,且矿石类型以鲕绿泥石菱铁矿石为主,不同于其他矿层以鲕状赤铁矿为主。

2　共生岩石组合

含铁建造共生岩石组合见表1。

表1　鄂西泥盆纪沉积铁矿含矿建造岩石组合

2.1　云台观组岩石组合

由单一的厚层—中厚层石英砂岩组成,个别剖面可见到少量砂质页岩或泥质砂岩。在长潭河、火烧坪、王儿荒、官庄等地底部可见石英砾石,粒径0.2～5.0 cm。砂岩的成熟度高,杂基含量很少,为净砂岩或纯砂岩(据官庄样品分析：含SiO298.06%,含Al2O30.78%,含CaO 0.065%～0.068%,含P2O50.012%)。碎屑中石英含量>95%,未见长石碎屑。石英碎屑次棱角状—次圆状,常见粒度0.125～0.25 mm,分选性良好。碎屑颗粒呈接触式或镶嵌式胶结,石英碎屑次生加大填满孔隙,使石英砂岩呈石英岩状。岩石中可见粒状海绿石以及锆英石、磷灰石等重砂物(图2-a)。

2.2　黄家磴组岩石组合

黄家磴组岩石组合以碎屑岩和泥质岩为主,两类岩石岩性比例分别为53.92%和44.90%,仅在川箭河等地见到少量泥灰岩。碎屑岩的种类有中细粒石英砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩。岩石中杂基的含量较多,碎屑颗粒变细,常和泥质岩形成过渡。泥质岩有页岩、粉砂质泥岩,其中黏土矿物以高岭石为主,次为水白云母。

2.3　写经寺组岩石组合

写经寺组岩石组合：碳酸盐岩占44.06%,泥质岩占39.75%,碎屑岩占16.14%,其特征是以碳酸盐岩为主,次为泥质岩,碎屑岩已降为次要地位。

碳酸盐岩有泥晶灰岩、泥晶—亮晶灰岩、介壳灰岩、白云质灰岩、泥灰岩等(图2-c、图2-d)。

图2　含矿建造岩石组合

泥质岩多为水白云母页岩,微细鳞片状水白云母交错丛生,定向排列。泥质岩中有时含石英细碎屑,成为粉砂质泥岩(图2-b)。

碎屑岩为细砂岩、粉砂岩,泥质、钙质、铁质胶结,含铁高时成为铁质砂岩。

2.4　铁质岩岩性特征

铁质岩分为两类：鲕状赤铁岩和鲕绿泥石菱铁岩,前者由具有鲕状结构的赤铁矿和石英、玉髓、方解石、黏土矿物组成(图2-e),后者由鲕绿泥石、粒状菱铁矿及脉石矿物组成(图2-f)。

以上岩石组合中的碎屑岩和泥质岩的特征符合稳定型沉积建造中CQ、SQ、MQ的岩石组合(孟祥化,1979),碳酸盐及铁质岩符合“稳定型内源建造”的岩石组合。

3　沉积物物源

3.1　岩石的矿物组成

通过对比本区岩石和周围古陆岩石的物质组成是追索沉积建造物源的有效方法[5]。本区岩石的矿物组成见表2。

表2　鄂西泥盆系共生岩石矿物组成

表中的矿物组成按目前沉积岩一般的分类原则(刘宝珺1980,G.M.弗里德曼1978)可分成两大类,陆源矿物和内源自生矿物。陆源矿物据其粒度的大小又分为陆源碎屑物(d>0.004 mm)和陆源泥质物(d<0.004 mm)。陆源碎屑物中轻矿物主要为石英,有时可见白云母,经多片薄片观察未见长石,但可见少量硅质岩、石英岩或板岩的岩屑。重矿物有磁铁矿、钛铁矿、锆英石等十余种。生物碎屑常见的有古植物Lepidodendropsiscyclostigmatoides、Cyclostigmakiltorkense、Sublepidodendronmirabile等茎的残片,以及介壳碎片。

陆源泥质物主要为水白云母,其次是高岭石。

内源自生矿物是在沉积盆地内形成的,数量很大。方解石、白云石组成了中层或厚层状灰岩、白云质灰岩,广为分布。赤铁矿、菱铁矿、鲕绿泥石、胶磷矿、蛋白石、玉髓、方解石构成了规模巨大的铁矿层。

3.2　周围古陆的岩石类型

鄂西铁矿沉积盆地为武当淮阳古陆、上扬子古陆及江南古陆所包围,这些古陆及古岛(黄陵古岛)[6]在泥盆纪时暴露于地表接受风化剥蚀的地层及岩石类型(见表3)。其中出露面积最大的当为各类结晶片岩,其次为中基性—中酸性岩浆岩及各种成分的浅变质岩。

表3　物源区泥盆纪暴露于地表岩石类型

3.3　陆源矿物的物源

3.3.1陆源碎屑矿物

陆源碎屑物与周围古陆岩石的矿物组成和矿物性质有明显的亲缘关系。石英碎屑洁净透明,大多数出现波状消光,常含副矿物和气液包裹体,具有结晶片岩和岩浆岩中石英的特征。白云母碎屑结晶也较完整,与结晶片岩和岩浆岩中的白云母相似。

当锆英石、磷灰石、榍石、磁铁矿、钛铁矿、金红石、电气石等重矿物被石英包裹时,结晶形态、颗粒大小与岩浆岩中的一致,当作为碎屑时,矿物性质没有改变,只是有不同程度的磨圆。部分含碳质包体的电气石、金红石、板钛矿及铁铝榴石则来自变质岩。

3.3.2陆源泥质物

含铁建造中泥质岩占的比例很大,在黄家磴组和写经寺组中泥质岩都是主要岩类,因此应有丰富的陆源泥质物的供给。古陆上变质岩和岩浆岩的主要组成为硅酸盐矿物和硅铝酸盐矿物,在风化作用中易分解成为黏土矿物,随着风化进程,大量水白云母(碱性阶段)和高岭石(酸性阶段)可源源不断地生成并输入本区。

3.4　内源矿物的物源

内源矿物是在沉积盆地内通过不同方式沉淀形成的,最主要的内源矿物是构成灰岩、白云岩的方解石、白云石和构成铁质岩的铁的氧化物、铁的层状硅酸盐矿物及铁的碳酸盐。在本区,组成内源矿物的胶体颗粒、离子、络离子归根结底仍然来自古陆,因为在盆地中未发现火山活动,也不存在与深部沟通的同沉积断裂和热水喷溢活动。

根据刘宝珺(1993)给出的南方扬子区古纬度数据：取自湖南洞口(东径110.53°、北纬27.08°)中泥盆统跳马涧组紫红色砂岩的样品,测得古纬度为-12.70°,可以推算得宜昌泥盆纪时古纬度为-9.20°,可见当时鄂西及周围的古陆都处于低纬度热带气候区。气候湿热,植物繁茂,进行着强烈的红土化作用。自志留纪末抬升成陆至云台观期开始接受沉积,古陆已经受了长达24 Ma的风化剥蚀,红土化作用十分透彻。铝硅酸盐矿物被彻底分解,其中钾、钠、镁等碱金属和碱土金属全部游离,以可溶盐的形式带入海盆,最后在盆内形成碳酸盐岩。硅、铝、铁等稳定元素除残留在风化壳中之外,有相当部分以胶体、离子、络离子的形式输入海盆,形成赤铁矿、菱铁矿、鲕绿泥石、海绿石、玉髓、蛋白石等,组成铁矿层。

鄂西沉积盆地面积较小,约3 km2,而作为源区的古陆面积约有15万km2。如果源区岩石中平均含铁(TFe)以3.5%计(上陆壳铁的丰度值—Taylor 1985),并且根据张丽萍等(2003)[7]对长江三峡黄陵背斜段地质时期结晶岩风化剥蚀速度的研究,平均剥蚀速度为每千年16.97 mm,那么源区15万km2、24 Ma剥蚀产生的铁质约为5.98×104亿t,只要其中有1/1 000的铁质成矿,就能形成59.8亿t铁矿,与本区铁矿远景资源量相当。

综上所述,本区含矿建造中的所有岩石,不论是“陆源”抑或“内源”,物质均来自周围古陆,属于广义“陆源”。

4　沉积环境

4.1　构造环境

4.1.1大地构造环境

本区大地构造位置处于扬子陆块上扬子凹陷的东北部。铁矿成矿作用发生在加里东运动以后,当时扬子陆块与华夏褶皱区已碰撞叠接形成统一的南方板块。自泥盆纪开始,南方板块进入了板内活动阶段。根据泥盆纪古构造格局、断裂带分布及构造发育的差异,中国南方泥盆纪时期划分若干个构造单元,本区属“鄂西拗陷带”(曾允孚等,1993),实际上为一陆缘浅海盆地。

4.1.2沉积盆地构造环境

该浅海盆地由陆内拉伸断陷作用形成,盆地四周分别为襄广断裂、江南断裂、武陵断裂所控制,属断陷盆地。盆地近似不对称椭圆形,西部宽大,东部窄小,由西向东逐渐收敛。盆地中心位于西部,较陡深,向东变浅而平缓。盆地底部地形起伏不大,总体平缓,分布有相对高差不大的水下高地和洼地。

盆地沉积中心与拗陷中心是一致的,拗陷幅度小,不超过200 m;盆内未见深水沉积。地层厚度稳定,岩相相变呈渐变式,未出现因同沉积断裂造成的岩相突变的情况。

4.2　古地理环境

鄂西铁矿集中分布于盆地西部,属无障壁海岸沉积。自中泥盆世开始,随着盆地拗陷加大,水体加深,鄂西地区沉积环境自泥盆世中期—晚期依次由前滨演变为近滨和远滨,云台观期、黄家磴期和云台观期分别形成了前滨相、近滨相和远滨相沉积,岩相特征的变化见表4。铁矿赋存于近滨相和远滨相,尤以产在远滨相中的铁矿规模最大,质量最好。

5　能量平衡关系

沉积建造分析中的能量平衡是指沉积堆积速率与地壳沉降速率两者之间的平衡关系、补偿状况和其变化趋势,实质为内力和外力地质作用能量的平衡,沉积盆地海平面的升降综合体现了这一关系。本区泥盆纪海平面的变化见图3。

自云台观期开始至写经寺期结束的32 Ma间,本区海平面经历了上升—下降的过程。自386 Ma开始,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,沉积了稳定而单调的净砂岩,由于盆地沉降速率与沉积速率相近,因此在整个云台观期海平面上升速率很慢。至372 Ma黄家磴期,拗陷速率超过沉积速率,使海平面上升,沉积区由前滨环境演变为近滨环境,沉积物中泥质含量明显增加,形成了砂岩夹页岩组合。云台观组和黄家磴组构成了海侵体系域。写经寺期海平面继续上升,沉积区变成了远滨环境和碳酸盐缓坡环境,沉积了泥质岩和碳酸盐岩。这一时期海平面上升到最高位置,而后转为下降,构成了高水位体系域。Fe1和Fe2矿层产于海侵体系域的中部和上部,Fe3、Fe4矿层产于高水位体系域的下部和上部。

表4　岩相特征变化

总体上本区在能量平衡方面表现为地壳沉积速率和物源补偿速率的低速率共生模式。

图3　鄂西地区泥盆系沉积层序和海平面变化图

6　结论

(1) 鄂西铁矿含矿沉积建造由泥盆系碎屑岩、泥质岩、碳酸盐岩及铁质岩组成,建造体在空间上为宽广薄的楔状体,建造界面不间断延展数百千米,平滑、连续，性质稳定。建造地层层序结构清楚,构成一个完整的海进—海退旋回。

(2) 建造共生岩石组合具有明显的稳定型沉积特点：纯净的石英砂岩、高岭石及水白云母泥岩、泥晶灰岩、具有鲕状结构的铁质岩均产于构造稳定的陆块环境,相当于沉积建造分析中CQ、SQ、MQ岩石组合和“稳定型内源建造”中的岩石组合。

(3) 建造内未发现火山沉积或热水沉积,建造物源均来自于周围古陆。湿热气候条件下长期“红土化”风化剥蚀作用,为建造提供了丰富的陆源碎屑物、陆源泥质物,以及生成碳酸盐岩、铁质岩的原料。

(4) 建造形成过程中沉积盆地拗陷幅度小,沉积物厚度薄,为地壳沉降和物源补偿低速率共生模式。海平面升降和缓,盆底地形平坦,形成开阔滨海环境。岩相纵向变化旋回结构清楚,横向变化缓慢,呈渐变式,未见因同沉积断裂造成的岩相突变的情况。

(5) 根据上述,本区含矿建造形成于稳定陆块内部局限浅海盆地中,由陆源物质构成,因此宜将其称为：“稳定型陆源碎屑碳酸盐岩含铁建造”。曾有人将本区建造称为“单陆屑铁质建造”和“含铁碎屑(灰岩)建造”,笔者认为,前一名称没有反映建造中主要组成碳酸盐岩的存在;后一名称注意到“灰岩”不可忽略,但未反映建造的性质,就建造术语的内涵而言,在名称中同时标明建造的构造和物源特性似乎更好一些。

参考文献：

[1]孟祥化,葛铭.沉积盆地与建造层序[M].北京:地质出版社,1993.

[2]叶连俊.华北地台沉积建造[M].北京:科学出版社,1983.

[3]冯增昭,王英华,刘焕杰,沙庆安,王德发.中国沉积学[M].北京:石油工业出版社,1994.

[4]湖北省地质矿产局.湖北省区域地质志[M].北京:地质出版社,1990.

[5]G.M.弗里德曼，J.E桑德斯.沉积学原理[M].北京:科学出版社,1987.

[6]张汉金,李正华,龚志愚,田望学.湖北省泥盆纪古地理基本模式[J].资源环境与工程,2006,20(5):493-496.

[7]张丽萍,杨达源,朱大奎.长江三峡黄陵背斜段地质时期结晶岩风化剥蚀速率研究[J].中国科学：D辑,2003,33(1):82-87.