鹤庆—松桂地区上三叠统中窝组含矿岩系沉积相特征及演化

董 振 杨海林 杨 洋

(昆明理工大学国土资源工程学院 昆明 650093)

0 引言

鹤庆—松桂地区属于区域性非均衡升降背景下发育的三叠纪浅海相盆地，广泛产出中三叠统北衙组(T2b5)灰岩之上的晚三叠世沉积型铝土矿床［1］。据《中国矿床》［2］，中国铝土矿矿床成因分类为古风化壳沉积型和红土型铝土矿两大类，两种成因划分都认为铝土矿的形成与沉积相研究是密不可分的。所以本文以鹤庆—松桂盆地上三叠统中窝组含矿岩系为主要研究对象，运用沉积学、古生物学、地层学、岩相古地理学及沉积地球化学等理论作为指导，系统开展“鹤庆—松桂地区上三叠统中窝组沉积相及演化规律”研究，重点是沉积相机制研究，以期建立含矿岩系沉积模式，并为今后进一步对研究区内铝土矿的勘探提供重要理论指导意义。

1 区域构造背景

图1 鹤庆—松桂地区区域构造位置图Fig.1 The regional structural location of Heqing-Songgui area

鹤庆—松桂地区处于扬子准地台与三江褶皱带的过渡带，属丽江台缘拗褶区之鹤庆—洱海褶皱束，位于程海大断裂西侧，西侧紧邻洱海—哀牢山—红河大断裂［3，4］(图1)。本区自古生代至三叠纪均以浅海—滨海相沉积建造为主，燕山运动可能使地槽褶皱回返，古近纪为类磨拉石建造。华力西期有大规模的海底基性岩浆喷发，表现为玄武岩及凝灰岩等，占该区沉积建造总厚的1/3以上。燕山期有酸、碱性岩侵入，喜马拉雅期又有富碱斑岩及基性岩喷溢，具多旋迥性［5，6］。

2 沉积相划分及特征

通过剖面对比及镜下分析，本区含矿岩系主要由含铁系(含铁黏土岩夹赤铁矿或黄铁矿、菱铁矿)、含铝系(铝土岩或黏土矿、铝土矿、铝土岩或黏土矿或铁铝岩)、含砂及炭(煤)岩系(粉砂岩、薄煤层、炭质页岩或杂色黏土页岩)组成。据岩性组合、沉积构造和微量元素特征将研究区分为两个相组、三个相、四个微相(表1)。各微相沉积特征如下。

表1 鹤庆—松桂地区沉积相分类表Table1 The sedimentary facies classification of Heqing-Songgui area

2.1 障壁海湾

研究区内西部存在北东向线性高地构成障壁，致使西部沉积(主要为碳酸盐沉积，几乎缺少陆源泥物质)与中、东部沉积(陆源碎屑沉积及铝土矿沉积)产生显著不同。其形成线性障壁的主要原因为规模不大张性断裂。沉积物的粒度大致呈现NE-SW碎屑颗粒由大至小的分布趋势。

障壁后侧沉积微相为潮下带上部、潮间带、潮上带及潮上沼泽。

(1)潮下带上部—潮间带:在研究区内呈近南北向分布。为鲕状、豆状含矿岩系所代表的沉积相。颜色以灰白—深灰色为主，矿物成分较为简单，以硬水铝石为主，此为高岭石及少量黄铁矿(部分被氧化为赤铁矿、褐铁矿)。在其底部常见较稳定似层状的铁质层。其主要特征(图2):

①沉积物中粒度较细，多在2～0.01 mm之间，具鲕状豆状构造。鲕粒多为次浑圆状，少见压扁现象。

②核心由铝土矿或少量黏土质、黄铁矿(多被氧化成褐铁矿)组成。都见缩水裂隙，充填后期的水铝石。

③鲕粒同心层以2～3层为多，由细小的水铝石组成，暗色矿物如铁和钛的矿物组成暗色环边。

④底部铁质层多发育不连续的波状层理及透镜状层理。

以上沉积物特征表明为水动力条件低能的半封闭澙湖或半局限海湾。多数处于波基面以下。从邻近高地搬运来的铝土矿物质以细粒为主，及部分Al2O3胶体溶液由于絮凝作用形成胶状铝土矿。沉积速率较快。由于为半封闭环境，并与无障壁浅海连通，潮汐作用及水下径流使海水不时进入体系内，加之地表径流，使得体系内的水动力条件不断改变，铝土矿矿物质进行了有效的分选与去害，同生沉积的豆鲕(主要是胶体沉积的鲕粒)，在成岩作用中由于在长期极其缓慢的挤压作用下脱胶体水而固结成岩，最终形成质量高的鲕状铝土矿［7，8］。

在本相带内北部大黑山局部地区，中南部鲍家崖地区的局部地段见纤维状石膏，多在含矿岩系上部。在镜下的观察中发现少量纤维状石膏充填到鲕粒的缩水裂隙中(图2)。代表了当地的水体盐度、深度的不正常。表明环境为干旱气候下的小型澙湖洼地末期的蒸发环境。

(2)潮上带:位于鹤庆—松桂地区的近盆地边缘。出现在含矿岩系的上部—顶部。在大黑山北东—和乐东部以灰白色含炭屑泥质粉砂岩、灰色夹紫色长石石英砂岩为特征。

(3)潮上沼泽:主要分布于研究区东部和乐地区。此微相见于含矿岩系顶部，以黑色—深灰色炭质泥岩或局部为褐煤线为特征，常成松散土状。厚度变化较大。见植物化石碎片，为湿热气候下的沼泽环境沉积。

2.2 无障壁浅海潮坪相(障壁外侧)

潮坪相主要位于研究区西部线性障壁高地外侧倒流阱—段家箐地区以西与开阔浅海一体。以连续或近乎连续的碳酸盐岩沉积为特征，远离剥蚀区，几乎缺少陆源泥物质。

3 沉积环境解析

在沉积相变化分析的基础上，集合沉积建造的产出特征及微量元素的统计分析结果，鹤庆—松桂地区上三叠统中窝组是局限海湾、澙湖、潮坪环境的沉积产物。

图2 鹤庆—松桂盆地铝土矿镜下特征Fig.2 The microscopic characteristics of Bauxite of Heqing-Songgui Basin

图3 鹤庆—松桂地区含矿岩系沉积相综合剖面图Fig.3 The comprehensive profile of sedimentary facies of ore-bearing rock series from Heqing-Songgui area

3.1 沉积建造的产出特征

鹤庆—松桂地区中窝组早期(特别是含铝岩系沉积时期)沉积严格受古地形的制约。在古岩溶风化侵蚀面上起来洼地填平、平原化的作用，呈上平(T3z3以上)下凹(T2b5～T3z2)的特征。

表2 鹤庆—松桂地区铝土矿微量元素定量分析表Table 2 The quantitative microelement analysis of Bauxite of Heqing-Songgui area

3.2 古生物化石特征

在研究区中窝组含矿岩系(T3z1～T3z2)中罕见生物化石，只在东部部分地区含矿岩系顶部泥岩中含少量腕足类Rhaetina caucasica化石。在其上覆其它中窝组岩层中(T3z3～T3z5)含大量生物化石，Clionnites cf.Angulousus，Thisbites sp.Cyrtopleurites sp.，Gervillia(Angustell)angusta，Rhaetina caucasica，种类较为单一(图3)。

3.3 微量元素特征

对鹤庆—松桂地区的含矿岩系按铁质岩、铝土矿、炭质泥岩、黏土岩分别取样，进行了 Sr、Ba、Ga、V、Zr、Cr等微量元素的定量分析(表2)。

以下就几个具有明显环境与相标志意义的元素及比值作分析:

(1)Sr/Ba参数:Sr和Ba同是地壳中分布较高的微量元素，其比值常常用来做区分淡水和咸水沉积物的参数。从淡水沉积至海水沉积过程中，Sr/Ba值也随着远离海洋而逐渐增大，淡水沉积的Sr/Ba值多明显低于海水沉积。通过大量统计分析，一般认为:淡水沉积物为Sr/Ba＜1，海水的沉积物中Sr/Ba大于1，半咸水沉积物为 0.6＜Sr/Ba＜1［9］。

在鹤庆—松桂地区中窝组含矿岩系中，除个别地区外小于0.4外，绝大多数都大于0.6，呈现海相沉积环境特点。白水塘局部地段可能因为在含矿岩系沉积过程中为水上高地或为近岸环境淡水进入引起了局部海水淡化，和乐东部可能因为近岸，淡水及陆源碎屑影响较大引起的局部淡化所致，这两个地段出现了小于0.4的现象。

在Ba-Sr图解上(图4)，除个别样品在淡水区外，大部分样品在半咸水—咸水区内。表现为局限海岸—澙湖环境，海相沉积物特征，且地表水的进入影响较大。这也说明局部地区为近岸环境。

图4 含矿岩系Ba-Sr图解(底图据朱立华［10］等，1998)Ⅰ.淡水区;Ⅱ.半咸水区;Ⅲ.咸水区Fig.4 The Ba-Sr diagram of ore-bearing rock series(the base map according to Zhu Lihua［10］，et al.，1998)Ⅰ:freshwater area;Ⅱ.brackish water area;Ⅲ.salt water area

(2)V/Zr参数:据国内外数据所知，陆相岩石(以俄罗斯高加索陆相岩石为例)的V/Zr一般0.12～0.41，海相岩石 0.25～4.00［11］。

在Zr-V图解上(图5)，绝大多数样品落入海相岩石区范围内，呈现的是海相沉积物特点。个别样品表现陆相沉积物特点，此点有待进一步研究。

(3)其他痕量元素特征:如 Cr、Cu、Ni、V、Ga 等。在海相沉积物中比陆相要高。本区全部元素均超过海相沉积物的含量(见表3)。

3.4 古氧相特征分析

古氧相地球化学表明，地层的岩石地球化学特征是判断其形成环境氧化还原条件的重要手段之一。Jones B J［12］指出在判别古氧相地球化学时微量元素比值(U/Th，V/Ni，Ni/Co等)最可靠，在沉积环境的判别上取得良好的效果，被广为引用。本文选取Ni/Co比值对通过选取研究区北部大黑山、东部依其磨、中南部白水塘、西部段家箐含矿岩系综合剖面建立数值变化关系(表4)。Ni/Co＞7为厌氧环境;Ni/Co介于7.00～5.00之间为贫氧环境;Ni/Co＜5为富氧环境。

这种关系的确立不仅对研究区古环境有良好的判别效果，对含矿岩系的横纵向演化及矿体分带也有良好的效果。

图5 含矿岩系Zr-V图解Ⅰ.海相岩石区;Ⅱ.陆相岩石区Fig.5 The Zr-V diagram of ore-bearing rock seriesⅠ.marine rocks zone;Ⅱ.continental rocks zone

表3 鹤庆—松桂地区含矿岩系主要痕量元素对比表(表中本区之外数据自Potter等，1963)Table 3 The main microelements comparison of ore-bearing rock series from Heqing-Songgui area(the outside data in this area from Potter，et al.，1963)

表4 缺氧环境和富氧环境的基本特征和相关判别指标(据吴朝东［13］，1999 年改)Table 4 The basic characteristics and related indexes of hypoxia and oxygen enriched environment(according to Wu Chaodong［13］，modified in 1999)

表5 鹤庆—松桂盆地北部大黑山地区含矿岩系古氧相判别参数表Table 5 Paleoxygenation facies discriminant parameter of ore-bearing rock series on Daheishan area in Heqing-Songgui basin

从表5中可以看出大黑山地区含矿岩系的Ni/Co值介于3.22～7.42之间，曲线走势平缓。分析结果表明含矿岩系沉积时的海泛过程表现为缓慢、局限、低能、滞流特点。古氧相总体表现为贫氧—富氧过渡。在含矿岩系沉积伊始海泛在局限环境下进行絮凝沉积了赤/褐铁矿层;环境逐渐变得更为封闭、局限，铝质胶溶质开始沉淀、成岩，古氧相也达到最大值。随着泥岩、铁质泥岩的沉积，海水逐渐变浅，古氧相向富氧过渡;至含矿岩系上覆生物碎屑灰岩的沉积，古氧相达到最小，其环境变得开阔，水体为高能循环，为碳酸盐岩沉积一体化的过程，其最后沉积相为碳酸盐台地。

表6 鹤庆—松桂盆地东部依其磨地区含矿岩系古氧相判别参数表Table 6 Paleoxygenation facies discriminant parameter of ore-bearing rock series on Yiqimo area in Heqing-Songgui basin

表6为鹤庆—松桂盆地东部依其磨地区的古氧相判别参数。从分析数据中可以看出该地区Ni/Co值为15.62～43.40，其值均远高于7，均为厌氧环境。含矿岩系沉积期海泛缓慢，水体较深几近静止;第二次海泛过程顶部铁质层絮凝沉积后，古氧相明显减小，水动力逐渐加强，水体变浅，陆源泥及碎屑增多;至含矿岩系上覆泥质灰岩、生物碎屑灰岩沉积，沉积环境变得较为开阔，水循环良好，为富氧环境。

鹤庆—松桂盆地中南部地区的古氧相特征从表7中可以看出该地区Ni/Co值1.69～28.67之间。中窝期沉积初期古氧相值较小，其岩性的表现为薄—中层的含铝质黏土矿层，可判定本地区在第一次海泛时为水上高地，周围的水动力条件较弱，海水缓慢但时常漫过;随着铁质层的沉积，海水逐渐加深，水体局限、滞流，古氧相逐渐增高;水体的不断加深使得水循环变得更为滞流，环境更为封闭，古氧相达到最大值，在厌氧环境下，铝质胶溶质快速沉积，形成了较厚，品质较好的铝土矿;至泥岩、含炭质泥岩的沉积过程，水体变浅，水动力增强，水循环良好，古氧相变小，环境变得开阔，为富氧环境。

从表8中可以看出鹤庆—松桂盆地西部段家箐—干河北地区Ni/Co值介于3.11～13.83之间。其古氧相演化过程为贫氧—厌氧—富氧。水体逐渐加深，水动力条件逐渐减弱，含铝胶溶质沉积，形成中—厚层铝土矿;随着环境的逐渐开阔，水循环改善，水动力条件增强，古氧相降低，达到富氧环境;至中窝期生物碎屑灰岩沉积，为沉积一体化的过程。

3.5 沉积岩粒度特征

纵向上，从含矿岩系由下到上粒度由细至粗(鲕状、豆状、碎屑构造)至出现沼泽相炭质泥岩再到出现泥质灰岩、生物碎屑灰岩;横向上，经过大量的镜下观察与鉴定，研究区北东东至南西西向碎屑颗粒大致呈由大到小的趋势。在物质组成上，北东东向地区沉积岩中陆源泥及碎屑含量较高，部分地区在含矿岩系中可见石英砂岩;而向南西西部过渡中，陆源泥及碎屑几乎少见。这反映了东部地区为近岸环境，近陆源区;西部地区为远岸环境，远离陆源区。

4 沉积相演化

本文通过北西—南东、南南西—北北东、南西西—北东东向三条联合剖面进行对比分析，以期了解研究区含矿岩系沉积相的分布与演化。

4.1 北西—南东向

该剖面纵贯研究区北东部，由北西向南东依次为吉地坪2剖面、吉地坪1剖面、大黑山1剖面、大黑山2剖面、英歌铺1剖面、阿最米1剖面、依其磨1剖面(图6)。含矿岩系较为完整，几乎包括区内含矿岩系发育的全部沉积相。

总体来看，研究区为有障壁海湾—澙湖沉积环境，但研究区边缘与中部地区有着显著的不同，吉地坪2剖面所在地区由于受线性障壁阻隔，表现为潮下沉积特征，与上覆碳酸盐岩近于一体化沉积。向南西大黑山—英歌铺以潮下带褐铁矿层—潮间鲕状铝土矿—潮上铁质泥岩、砂岩的沉积演化特征，而在研究区东部则表现为潮上沼泽炭质泥岩、含炭质铁质石英砂岩的沉积特征，表明北西跟南东沉积分异明显，沉积环境略有不同。

从该剖面对比图可看出，研究区中部含矿岩系沉积环境较为稳定，海侵海退旋回对该地区的沉积没有太大的影响，发育稳定潮间—潮上带沉积环境。而西部和东部沉积差异较大，当时海平面的波动、离岸的远近、地势的高低不平对该地区的沉积相发育具有重要影响。

表8 鹤庆—松桂盆地西部段家箐—干河北地区含矿岩系古氧相判别参数表Table 8 Paleoxygenation facies discriminant parameter of ore-bearing rock series on Duanjiajing-Ganhebei area in Heqing-Songgui basin

图6 鹤庆—松桂地区吉地坪—依其磨含矿岩系沉积相对比Fig.6 The ore-bearing rock series of sedimentary facies correlation of Jidiping-Yiqimo in Heqing-Songgui area

4.2 南南西—北北东

该剖面位于研究区中部，贯穿研究区南北。由南向北依次为水井、白脸石、鲍家崖、英歌铺、大黑山剖面(图7)。除南部水井地区含矿岩系顶部被部风化剥蚀外，其余地区含矿岩系保存完好。

总体上，沉积环境较为稳定，沉积相在纵向上的演化为潮下带顶部褐铁矿层、潮间带鲕状铝土矿层、潮上带含铁质泥岩/黏土岩/砂岩。但在松六公路剖面地区在潮下带褐铁矿层下部沉积—中层致密块状铝土矿，可以判断在含矿岩系沉积伊始，海水自北西、西部泛入在鲍家崖遇水上隆起，而松六剖面地区在古地貌上为溶蚀洼地或为一断层凹陷，水体较深，动力条件较为闭塞，沉积了致密块状铝土矿。

图7 鹤庆—松桂地区水井—大黑山含矿岩系沉积相对比Fig.7 The ore-bearing rock series of sedimentary facies correlation of Shuijing-Daheishan in Heqing-Songgui area

从沉积相对比剖面上来看，研究区南部含矿岩系经历了水体由浅至深再变浅的过程，至含矿岩系上覆地层碳酸盐岩的出现，海水再次加深，沉积环境也变得相对开阔，水循环较好。

图8 鹤庆—松桂地区段家箐—依其磨含矿岩系沉积相对比Fig.8 The ore-bearing rock series of sedimentary facies correlation of Duanjiajing-Yiqimo in Heqing-Songgui area

表9 鹤庆—松桂地区沉积相纵向特征Table 9 The longitudinal characteristics of sedimentary facies from Heqing-Songgui area

4.3 南西西—北东东向

该剖面位于鹤庆—松桂地区中南部，横贯了研究区东西。自西向东依次为段家箐、西庆、南山、鲍家崖、松六公路、依其磨剖面(图8)。

从剖面沉积相对比图上看，西部跟东部地区含矿岩系沉积岩相差异较大。西部段家箐、西庆一带未沉积铁质层，其含矿层变化大。由于古地势高的原因，海水在北西、西方侵入，水体缓慢淹没此处高地，沉积了变化较大的铝土质泥岩。向东至中部，其沉积相变化较小，纵向演化过程为潮下带褐铁矿/含铁质、铝质泥岩层—潮间带鲕状铝土岩—潮上带褐铁矿层、泥岩、黏土岩层。东部依其磨地区沉积相又发生明显变化，水体相对滞流，水体较深，沉积环境较为封闭，含矿层不稳定局部尖灭、质量较差且出现炭质层，表现为近岸趋势。其沉积相为潮下带—潮间带—潮上沼泽。

图9 鹤庆—松桂地区沉积古地理框架Fig.9 The sedimentary palaeogeographic framework in Heqing-Songgui area

通过对研究区上述三个不同方向的联合剖面对比，对其含矿岩系沉积相在横向及纵向上的变化规律进行了分析与总结(表9、图9)。

5 结论

(1)鹤庆—松桂地区上三叠世中窝期的沉积环境经历了有障壁海湾、陆表海，澙湖、沼泽、潮坪的不同阶段。从岩矿组合、沉积构造、微量元素特征反映了水介质多数属于咸水相，部分近岸及水上高地区呈现淡化特点。在含矿岩系沉积过程中发生了一次海侵(其中包括三次海泛)过程，上三叠世中窝期初期的海侵是水体的主要来源，并形成了局限、半封闭特点的沉积环境。

(2)含矿岩系均呈层状、似层状、透镜状产于中三叠统北衙组碳酸盐岩形成的溶坑、溶洼及溶槽中，其岩性组合、沉积构造等层序变化明显。研究区内的沉积相严格受古地理、古构造格局及海水泛入过程强度及离岸远近条件，西部线性障壁外侧为近碳酸盐一体化沉积;线性障壁内侧为局限海湾—澙湖沉积，在第三次海泛时，为碳酸盐一体化沉积。这也表明，含矿岩系是在特定的古地理及沉积相下沉积形成。

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