鄂西泥盆纪沉积铁矿成矿岩相古地理条件分析

秦元奎, 边 敏, 杨宏伟, 姚敬劬

(中南冶金地质研究所,湖北 宜昌 443003)

鄂西泥盆纪沉积铁矿成矿岩相古地理条件分析

秦元奎, 边 敏, 杨宏伟, 姚敬劬

(中南冶金地质研究所,湖北 宜昌 443003)

鄂西泥盆系33个沉积相柱状剖面的地层层序、岩石组合、沉积构造、生物化石、自生矿物和微量元素研究结果表明：该区泥盆纪沉积铁矿形成于海洋远滨环境,铁矿主要沉积在远滨坡地,赋存于灰岩夹页岩砂岩微相。矿石的品位和酸碱性主要与Fe3成矿期的沉积微相有关：酸性矿石产于铁质岩页岩夹砂岩微相;自熔性和碱性矿石产于铁质岩页岩夹灰岩微相。矿石品位以产于铁质岩页岩夹砂岩微相中的最高。

泥盆纪;沉积铁矿;岩相古地理;鄂西

对鄂西泥盆纪沉积铁矿(宁乡式铁矿)岩相古地理进行研究的人中,早期有廖士范(1964)[1]、傅家谟(1961)[2];20世纪90年代有徐安武(1992)[3]、曾允孚(1993)[4]、胡宁(1998)[5];近期有湖北省地质调查院(2011)。通过以上工作，确定铁矿含矿岩系为晚泥盆世黄家磴组(Fe1、Fe2)和写经寺组(Fe3、Fe4)。区内绝大多数铁矿均赋存在写经寺组中,其成矿环境为滨海远滨带。笔者自2012年以来通过对33个沉积相柱状剖面的地层层序、岩石组合、沉积构造、生物化石、自生矿物和微量元素的研究,重点分析写经寺期的岩相古地理特征，划分远滨带的次级地貌单元，圈定沉积微相,对铁矿成矿的岩相古地理条件有了新的认识。

1 写经寺期岩相古地理

1.1 岩相

1.1.1 岩石组合和厚度变化

写经寺组岩石组合较为复杂,由碎屑岩、泥质岩、碳酸盐、铁质岩组成。碎屑岩、泥质岩和碳酸盐岩三类岩石的相对比例为：碎屑岩16.14%、泥质岩39.75%、碳酸盐岩44.06%。

写经寺组的厚度全区平均为61.29 m,最厚处可超过百米,最薄处不足十米。厚度分布图(图1)显示：中部厚、四周薄。最厚有南北两处：北部在白庙岭、西古池、仙人岩一带;南部在上牛庄、五峰、板桥溪一带,厚度均在90 m以上。最薄处在罗惹坪、官庄及十八格、邓家乡一带,厚度均<20 m。全区厚度变化特征反映了沉积盆地基底并非十分平坦,而存在相对的拗陷和隆起。

1.1.2 沉积相岩性特征及结构构造

组成写经寺组的岩石种类有：砂岩、粉砂岩、页岩、泥岩、钙质页岩、炭质页岩、粉砂质页岩、白云岩、泥质灰岩、灰岩、介壳灰岩、鲕绿泥石铁质岩、鲕绿泥石菱铁岩等。岩石的颜色复杂,有灰白色、深灰色、黄灰色、黄绿色、黄褐色、蓝绿色、紫红色、灰黑色、灰褐色等,反映了岩石化学组成的多样性及形成条件的变化。

泥质岩多为水白云母泥岩,有时含石英碎屑,变成粉砂质泥岩。砂岩一般为石英砂岩,含铁较高时,铁质作为石英碎屑的胶结物。灰岩常见泥晶灰岩、泥晶亮晶灰岩。铁质岩分别夹于碳酸盐岩下方或上方的页岩中,前者多为赤铁岩,后者多为鲕绿泥石菱铁岩。

岩石中自生矿物有水白云母、高岭石、方解石、白云石、菱铁矿、赤铁矿、鲕绿泥石、胶磷矿等。

岩石层理类型：在砂岩和泥岩中常见水平层理和微波水平层理。灰岩中层理不明显。在铁质岩中粗细不同颗粒组成的水平层理或波状水平层理清晰可见(胡宁,1998),形成纹层状或条带状构造。

1.1.3 生物化石

写经寺组化石丰富、种类多样(表1)。主要种属有：云南贝、中国石燕、小长身贝、朗士德珊瑚、分珊瑚、圆印木型拟鳞木、基尔托克圆印木以及遗迹化石根珊瑚迹、均分潜迹等。

根据古生物生态习性推测,沉积区属于温暖,清澈，水深数十米至100 m的远滨环境。

图1 鄂西地区上泥盆统写经寺组厚度等值线图Fig.1 Depth isoline map of Xiejingsi Formation of Upper Devonian series in Western Hubei

1.1.4 元素地球化学特征

写经寺组常量元素组合为：Ca、Mg、Si、Al、Fe,其次有K、P。常量元素组合中Ca、Mg占有重要地位,与远滨相发育过程中有一阶段处于碳酸盐缓坡环境有关(曾允孚,1993)。P的高含量可能是繁盛的生物活动的结果。微量元素Ba、Sr/Ba、B等含量特征为分析古地理环境提供了重要信息(表2)。

1.1.5 微相划分

全区各剖面写经寺组厚度、岩性比例见表3,图2。

根据岩性比例不同，可划分3个微相(图3)：

(1) 砂岩夹页岩灰岩微相(SYH)：以砂岩为主的微相,夹页岩及少量灰岩,岩比三角形投影靠近砂岩端。砂岩的含量>50%;页岩的含量20%～50%;灰岩的含量1%～20%。主要分布在西北部十八格、绿葱坡、野花坪一带,为当时的水下高地或坪地区。

(2) 页岩夹灰岩砂岩微相(YHS)：岩比三角图投影点靠近页岩端元。页岩占主要地位,含量40%～80%;次为灰岩,含量10%～40%;再次为砂岩,含量0～30%。主要分布于东北部及东部的广大区域,当时亦为水下高地与坪地区。

(3) 灰岩夹页岩砂岩微相区(HYS)：岩比三角图投影点靠近灰岩端元。灰岩占主要地位,含量40%～80%;次为页岩,含量10%～40%;再次为砂岩,含量0～30%。微相分布于中部及西部的广大区域,为当时的洼地和坡地区。

图2 写经寺组岩性比例三角图Fig.2 Triangular diagram of lithologic ratio of Xiejingsi FormationSYH.砂岩夹页岩灰岩微相;YHS.页岩夹灰岩砂岩微相;HYS.灰岩夹页岩砂岩微相。

1.2 古地理

1.2.1 古地貌

本区写经寺期古地貌总体为较平坦的远滨带,但存在着相对的水下隆拗,可以进一步划分为4个次级地貌单元(图3)：

表1 鄂西泥盆纪写经寺组所含化石一览表Table 1 Schedule of fossils in Devonian Xiejingsi Group,Western Hubei

注：化石鉴定据湖北省地质科学研究所。

表2 写经寺组微量元素特征表Table 2 Feature table of microelement character of Xiejingsi Group

远滨高地 远滨带中相对隆起的水下高地;

远滨坪地 远滨高地与远滨坡地之间的开阔平坦地带;

远滨坡地 远滨带中向洼地倾斜的坡地;

远滨洼地 远滨带中相对拗陷的洼地。

远滨洼地有南北两处：北部在白庙岭、仙人岩、西古池一带;南部位于上牛庄、五峰、板桥溪一带,近东西向分布。两个洼地之间夹一小的高地(茅坪高地)。洼地拗陷较深,水体也相对较深,沉积厚度可达90 m以上。

洼地四周为远滨坡地,宽度很大,达10～40 km,坡度缓,沉积物厚度向洼地方向逐渐加大,由50～90 m。洼地西边的坡地为磨坪—湾潭坡地;东边的为贺家坪渔洋关坡地。另外,在西南部还有一个建始—宣恩坡地。

西北部十八格—重庆巫山桃花一带及东北部官庄、宜都一带为远滨高地区,相对隆起,沉积物的厚度为5～40 m。

图3 鄂西地区晚泥盆世写经寺期岩相古地理图Fig.3 Lithofacies paleogeographic map of Late Devonian in Xiejingsi Stage,Western Hubei1.古地貌单元界线;2.远滨高地;3.远滨坪地;4.远滨洼地;5.远滨坡地;6.微相界线;7.地层厚度等值线(m);8.砂岩夹页岩灰岩微相(SYH);9.页岩夹灰岩砂岩微相(YHS);10.灰岩夹页岩砂岩微相(HYS);11.植物化石;12.腕足类化石;13.珊瑚化石;14.遗迹化石;15.碎屑岩;16.泥质岩;17.碳酸盐岩;18.铁质岩;19.海侵方向;20.物源方向;21.铁矿(数字为写经寺组厚度,m)；22.大型铁矿区；23.中型铁矿区；24.小型铁矿区；25.铁矿点。

表3 写经寺组厚度及岩性比例表Table 3 Thickness and rocks ratio of Xiejingsi Group

在远滨高地和远滨坡地之间有一平坦的过渡地带为远滨坪地,沉积物厚度变化小,介于高地和洼地之间,一般为40～50 m。西部为巴东—沙园坪地;东部为秭归—长阳坪地。

1.2.2 海水深度、盐度、Eh-pH

海水深度：根据沉积物主要为碳酸盐岩、泥质岩,碎屑岩居次要地位;岩层具水平层理和波状水平层理;遗迹化石及滨浅海的腕足类、珊瑚繁盛;自生赤铁矿、鲕绿泥石、胶磷矿发育。推测应为数十米至100 m左右。另外,本区泥质岩中B和Ba的含量(徐安武,1992)与深海粘土迥然相异,排除了深海沉积的可能。

海水盐度：据粘土岩中硼的含量(27.3×10-6～77×10-6)、铁质岩和碳酸盐岩中Sr/Ba=1.56～5.79,推测应属正常盐度。海水pH值根据自生矿物形成的酸碱条件进行判断,伊利石(水白云母)形成于中性—弱碱性环境;白云石、铁白云石形成于弱碱性环境;方解石形成于碱性环境。因此海水pH值应为7～9。海水Eh值，由于本区主要铁矿物为赤铁矿,据铁的Eh-pH相图,Fe2O3稳定场pH=8时,Eh=-0.1～0.7 v。

1.2.3 古气候

据刘宝珺(1993)[6]发表的南方扬子区古地磁测量数据推算,宜昌地区晚泥盆世的古纬度为-9.20°和-15.22°,处于低纬度热带气候区。

写经寺组中鲕绿泥石岩多层产出,其水温应超过20℃(Taylor,1967)。鳞木等植物化石大量出现,也印证了当时的湿热气候。

2 Fe3成矿期微相分布

写经寺期岩相古地理分析以“期”为单元,其时限为11 Ma,尚不能精细地反映矿层形成时期的岩相特征。笔者以写经寺期最重要的Fe3矿层形成期(1～2 Ma)作为作图单元,即以Fe3矿层作为“等时面”,试图反映“瞬时”的岩相分布特征,以便更清晰地阐明成矿时岩相古地理条件。

Fe3成矿期岩相划分的依据是Fe3矿层及其直接顶底板及夹层的岩石组合体,总厚度一般不超过10 m。

2.1 Fe3成矿期微相划分

区内各剖面Fe3矿层岩性组合及微相划分见表4、图4。

根据岩性组合划分为4个微相：

(1) 铁质岩砂岩微相(TS) 铁质岩的直接顶底板和夹层为砂岩；

(2) 铁质岩砂岩夹页岩微相(TSY) 铁质岩的直接顶底板和夹层以砂岩为主,夹页岩;

(3) 铁质岩页岩夹砂岩微相(TYS) 矿层的直接顶底板和夹层以页岩为主,夹砂岩;

(4) 铁质岩页岩夹灰岩微相(TYH) 矿层的直接顶底板和夹层以页岩为主,夹灰岩或介壳灰岩。

2.2 微相分布

(1) 铁质岩页岩夹砂岩微相(TYS) 分布于西部恩施、建始、巴东地区,包含了铁厂坝、太平口、长潭河、官店、黑石板等一批矿区。岩相形成时,地处建始—宣恩远滨坡地、巴东沙园远滨坪地及磨坪—湾潭远滨坡地。

(2) 铁质岩页岩夹灰岩微相(TYH) 分布于东部宜昌地区,包括长阳及兴山、秭归的南部、宜都北部,包含了火烧坪、青岗坪、田家坪、官庄、马鞍山、松木坪等一批矿区。岩相形成时,地处贺家坪—渔洋关远滨坡地、秭归—长阳远滨坪地及宜昌—宜都高地的一部分。

表4 Fe3矿层岩性组合及微相划分表Table 4 Lithologic association and microfacies of Fe3 ore bed

图4 鄂西地区晚泥盆世Fe3成矿期岩相分布图Fig.4 Lithofacies map of Fe3 mineralization period of Late Devonian,Western Hubei1.微相界线;2.铁质岩砂岩微相(TS);3.铁质岩页岩夹砂岩微相(TYS);4.铁质岩砂岩夹页岩微相(TSY);5.铁质岩页岩夹灰岩微相(TYH);6.植物化石;7.腕足类化石;8.珊瑚化石;9.铁质岩;10.砂岩;11.页岩;12.灰岩;13.介壳灰岩;14.铁矿(数字表示Fe3矿层平均厚度m);15.Fe3矿层平均厚度≥2.0 m分布区;16.大型铁矿区；17.中型铁矿区；18.小型铁矿区；19.铁矿点。

(3) 铁质岩砂岩夹页岩微相(TSY) 分布于南部五峰地区,包含了龙角坝铁矿、阮家湾铁矿。成矿时地处五峰远滨洼地和洼地南的远滨坡地。

(4) 铁质岩砂岩微相(TS) 分布于南部鹤峰背塔荒、分水岭、走马坪一带,包含红莲池、清水湄等矿区以及北部秭归、巴东一带,包含朱家坪等矿区。微相形成时主要地处远滨坪地区。

3 铁矿形成的岩相古地理条件

3.1 红土型风化作用提供丰富物源

鄂西晚泥盆世时地处低纬度带,气候湿热,周围古陆植物繁茂,化学风化和生物化学风化作用强烈,表生作用进入了红土化阶段,原岩中的K2O、CaO、MgO大量析离入海,Al2O3、Fe2O3、SiO2除部分残留外,很大部分以胶体形式带入海盆(廖士范1964,傅家谟1961),为铁矿形成提供了丰富物源。

3.2 封闭环境促使铁质聚集

鄂西盆地周围为武当淮阳古陆、上扬子古陆、江南古陆所包围,仅南部有一海峡式豁口与华南海相连。当时海侵是由华南海向鄂西海盆方向,因此海水主要由外向内推进。这种封闭、半封闭的古地理环境,使盆地海水中的铁质可长期保存、积聚、沉淀。

3.3 稳定的构造环境为矿层发育提供良好条件

加里东运动后本区构造环境稳定,整个泥盆纪并未遭受强烈构造作用。自中泥盆世—晚泥盆世,构造活动只是盆地基底缓慢的、幅度不大的升降。盆内没有出现同沉积断裂,没有形成断陷槽和深海沉积区,无火山活动。铁矿沉积时远滨带在很长一段时间保持稳定,为铁矿层持续发育提供了良好的条件,形成厚大矿体。

3.4铁矿大部分形成于远滨坡地,次为远滨洼地,少部分产于远滨坪地和远滨高地

铁矿分布与沉积环境的关系见表5,铁矿定位对沉积环境的选择性明显。

表5 写经寺期古地理环境与铁矿分布关系一览表Table 5 Schedule of relation of paleogeography and iron ore in Xiejingsi period

74.10%的铁矿分布于远滨坡地区,本区最主要的大中型铁矿均分布于该地区,表明远滨坡地环境是最有利于铁质聚集和沉积的古地理环境。12.12%的铁矿分布于远滨洼地中。分布于远滨坪地区的铁矿只占8.12%,以中小型铁矿为主,成矿有利性不及远滨坡地和洼地。

分布于远滨高地中的铁矿只有个别矿区(5.55%),如官庄铁矿、十八格铁矿。虽然成矿条件比其他环境差,但不是空白区,尚不能将其排除在找矿范围之外。

3.5 灰岩夹页岩砂岩微相(HYS)是最主要的成矿微相,次为页岩夹灰岩砂岩微相(表6)

表6 铁矿与沉积微相关系一览表Table 6 Schedule of relation of iron ore and sedimentary microfacies

灰岩夹页岩砂岩微相(HYS)是成矿最有利的微相,按资源储量计算,82.21%的铁矿分布于这一微相区。页岩夹灰岩砂岩微相(YHS)中也有许多重要的铁矿产出,但数量不及灰岩夹页岩砂岩微相,占资源总量的16.60%。砂岩夹页岩灰岩微相(SYH)铁矿分布少,规模也小,仅占资源总量的1.19%。

3.6 Fe3成矿期微相与铁矿品位和酸碱度密切相关

其关系见表7。

表7 微相与矿石品位及酸碱性关系一览表Table 7 Schedule of relation of microfacies, tenor and acid alkali properties of iron ore

Fe3成矿期微相与矿石酸碱性的关系密切,规律性强：铁质岩页岩夹砂岩微相中的诸多铁矿均为酸性矿石,无一例外;铁质岩页岩夹灰岩微相中的铁矿均以自熔性矿石、碱性矿石为主,也无一例外。

其他两个微相中因无灰岩出现,所以也为酸性矿石,尤其是铁质岩砂岩微相,酸度很高。

Fe3成矿期微相与矿石品位的关系：产于铁质岩页岩夹砂岩(TYS)微相中的铁矿品位较高,一般都超过40%;产于铁质岩页岩夹灰岩微相(TYH)中的铁矿品位变化较大,以37%～40%为常见,少部分>40%;产于铁质岩砂岩页岩微相(TSY)的铁矿品位也较高;产于铁质岩砂岩微相(TS)中的铁矿品位最低,一般只有30%～38%。

[1] 廖士范.中国宁乡式铁矿的岩相古地理条件及其成矿规律的探讨[J].地质学报,1964,44(1):68-80.

[2] 傅家谟.鄂西宁乡式铁矿的相与成因[J].地质学报,1961,41(2):110-118.

[3] 徐安武,胡宁，曾波夫.岩相古地理文集[M].北京:地质出版社,1992:127-172.

[4] 曾允孚,张锦泉，刘文均，等.中国南方泥盆纪岩相古地理与成矿作用[M].北京:地质出版社,1993:1-6.

[5] 胡宁,徐安武.鄂西宁乡式铁矿分布层位岩相特征与成因探讨[J].地质找矿论丛,1998,13(1):40-47.

[6] 刘宝珺,许效松，潘杏南，等.中国南方古大陆沉积地壳演化与成矿[M].北京:科学出版社,1993:121-124.

(责任编辑：于继红)

QIN Yuankui, BIAN Min, YANG Hongwei, YAO Jingqu
(CentralSouthInstituteofGeologyandMetallurgy,Yichang,Hubei443003)

Analysis of Lithofacies Paleogeography Forming Devonian Sedimentary Iron Ore,Western Hubei

The study of stratigraphic sequence,rock assemblage,sedimentary structure,biological fossil ,authigenic minerals and trace elements of 33 columnar sections of sedimentary facies in this area were suggested.Devonian sedimentary iron ores of west Hubei occurred in marine offshore,and ore tended to deposit in slope zone of the offshore,main ores placed in microfacies of limestone interbeding shale,sand stone.The tenor and acid-alkali properties of ore related to the microfacies of Fe3bed forming stage:acid ores existed in the microfaies of chalybeate-shale interbeding sandstone,but self-melting and alkali ores in the microfaies of chalybeate-shale interbeding limestone.

Devonian; sedimentary iron ore; lithofacies paleogeography; western Hubei

2014-06-30;改回日期：2014-08-25

秦元奎(1970-)，男，正高职高级工程师，地质矿产勘查专业，从事地质矿产勘查及研究工作。E-mail:qyk710@126.com

P588.24+2

A

1671-1211(2015)02-0132-08

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150316.1129.001.html 数字出版日期:2015-03-16 11:29