開陽磷礦沉積特征與沉積模式研究

2012-09-05 01:53:34戴玉皇余大龍

地下水 2012年5期

戴玉皇，余大龍

(貴州大學研究生院，貴州貴陽 550003)

開陽磷礦沉積特征與沉積模式研究

戴玉皇，余大龍

(貴州大學研究生院，貴州貴陽 550003)

開陽磷礦區位于揚子準地臺滇黔斷褶帶黔中隆起區。研究區廣泛沉積了一套數米厚的白云巖——碳酸鹽巖帽，顯示坪臺特征。隨后沉積大片黑色頁巖，硅質頁巖，有些地區則沉積頁巖夾白云巖，這種硅、灰、泥的剖面結構，是淺海陸棚的沉積特征。在開陽－息烽一帶屬中－高能的海灘環境，沉積了灰綠色含海綠石粉砂巖及砂巖。

開陽磷礦;巖相古地理;沉積特征;沉積模式

1 區域地質概況

開陽磷礦位于貴州省中部開陽縣境內，礦區屬切割劇烈的中山山岳地形，山勢走向呈NNE向，與礦區洋水背斜地質構造線方向一致，地形分三級:(1)東西兩翼為高山地形，尤以西翼狼雞嶺至孫家坡一帶最高，海拔一般在1 500 m以上，最高 1 702.6 m，坡度 30°～40°;(2)用沙壩、沙壩土丘陵地形，海拔1 100～1 300 m，坡度30°左右;(3)礦區中部的河流谷地，最低標高 700.00 m，切割劇烈，坡度陡，40°～60°。

開陽磷礦區位于揚子準地臺滇黔斷褶帶黔中隆起區(地質科學研究院，1965)。礦區區域地質構造為一系列 NNE向的短軸背向斜，背斜褶皺緊密，故形態窄小，向斜則顯得寬帶，致使背斜斷裂發育(核部尤甚)，而向斜斷裂簡單。由于受加里東運動影響，本區缺失奧陶紀、志留紀、泥盆紀和石炭紀地層。

開陽磷礦區地質構造為一短軸梭形背斜，稱洋水背斜，核部地層主要為前震旦紀板溪群變質砂頁巖、板巖，兩翼分別出露震旦系南沱組冰磧頁巖、紫紅色砂頁巖，陡山沱組含磷地層、燈影組藻白云巖和寒武紀、二疊紀地層。磷礦礦層產于背斜翼部陡山沱組地層之中。背斜軸向 NE25°，兩翼不對稱，東緩西陡，東翼傾角 25°～45°，西翼傾角 30°～60°，局部由于斷層影響，地層發生直立倒轉。由于背斜褶皺緊密，

在核部及兩端傾伏處發育許多斷層，核部斷層多為逆斷層，也有的為正斷層，走向與背斜軸向一致，轉折端斷層多為正斷層，走向垂直和斜交地層。斷層傾角都較陡，似高角度斷層，傾角為 50°～80°。

2 磷礦沉積環境和相

陡山沱期的貴州正處于上揚子古陸東南被動邊緣向前陸充填的活動期，中西部自晉寧運動以后長期隆起成陸，東部強烈下拗接受厚逾數千米的早震旦世沉積;氣候也由全球性大冰期轉入冰期后回春階段;隨之出現海平面上升，沉積域迅速擴大，沉積物由陸緣碎屑逐漸被碳酸鹽替代而形成混合沉積;代表海洋初始生產率的藻類植物蓬勃繁盛等，各種主要環境因素都在變動中，給相單元的建立和相術語的使用帶來了困難。

圖1 貴州開陽洋水礦區礦段劃分分布圖

該組系由圓柱狀疊層藻叢及其后方潮坪組成的障壁型海岸沉積，分布于開陽－息烽一帶。受疊層藻叢阻擋的潮坪顯得平坦、穩定，沒有發現較大規模的潮渠和瀉湖。陡山沱期

2.1 障壁型海岸相組

海平面不斷處于上升期，但由于新增加的沉積空間及時地被陸緣碎屑、白云石和磷灰石等沉積物充填，造成這一地區始終處于周期性的潮坪環境。分為以下三個亞相:(1)磷質混合坪，整個潮坪沉積物泥和砂組成，體現了能量中等的混合坪性質;(2)磷質白云巖坪，由白云巖和砂屑磷塊巖組成的潮坪，形成于前賓砂體之上。開陽洋水組的下部砂巖段為典型;(3)磷質圓柱狀疊層石障壁礁相，代表潮下至低潮坪沉積的砂巖段和含磷巖系底部磷塊巖段。

2.2 臺棚相組

隨著晚震旦世早期海平面的緩慢上升，在早震旦世成陸的上揚子古陸邊緣地帶開拓出新生陸架，形成淺海碳酸鹽或含陸緣碎屑的混合沉積。按其沉積特征和環境位置可分為四個單元:(1)含磷瀉湖相;(2)磷質臺棚淺灘相;(3)碳酸鹽初始臺地相。

表1 貴州晚震旦世早期沉積相分類表

3 沉積相及沉積模式研究

任何沉積巖都是在地表特定環境中堆積下來的，都印有堆積環境的標記。沉積相是指沉積環境以又在該環境中所形的沉積巖(物)特征綜合。完整的、準確的沉積相概念，包括兩層含義:一是反映沉積巖的特征，二是揭示沉積環境。沉積巖(物)特征包括巖性特征(巖石成分、顏色、結構等)、古生物特征(古生物種屬和生態)。沉積環境包括巖石在沉積和成巖過程中所處的自然地理條件、氣侯狀況、生物發育情況、沉積介質的物理化學條件等。通過沉積巖一系列特征的研究來恢復其沉積時的環境，即為沉積相分析(簡稱相分析)或環境分析。巖石微相分析是巖相分析和沉積相分析的基礎。巖石微相是指薄片上的巖石學特征的總和，包括碎屑顆粒和填隙物的成分，組構，粒徑，分選，磨圓以及膠結物的類型和結構等。巖相是指形成在一定沉積環境中的一套具有特定的物理，化學和生物特征的巖石。

翟淳(1985)把沉積相分為五級。即相組、相、亞相、微相和相素。先根據自然地理條件分為大陸相組、海陸過渡相組和海相組，它們屬一級相。再根據自然地理條件的局部變異劃分出二級相，如大陸相組分為河流相、湖泊相、沼澤相、沖積扇相、殘積坡積相、沙漠相、冰川相;海陸過渡相組分為三角洲相、河口灣相;海相組分為無障壁海岸相、有障壁海岸相、淺海陸棚相、次深海相和深海相。二級相下再分出三級相，或叫亞相，如河流相下再分為河床亞相、堤岸亞相、河漫灘亞相和牛軛湖亞相。再根據微地貌或巖性、古生物特征細分出。第四級相，或叫微相，微相下再根據巖性分出若干相素。

以相序遞變規律為基礎，以現代沉積環境和沉積物特征的研究為依據，從大量的研究實例中，對沉積相的發育和演化加以高度的概括，歸納出帶有普遍意義的沉積相的空間組合形式，稱為“相模式”。

3.1 沉積相類型及特征

南沱冰期之后，全球古氣候由嚴寒轉為溫暖。冰川消融，海水自南東、南西方向大規模侵入本區。由于西南周邊島陸不斷提供陸源碎屑，導致西部(川滇黔臺地)和東部沉積物的差異。前者為砂巖－碳酸鹽巖－頁巖;后者為頁巖與碳酸鹽巖互層。而陡山沱晚期，川滇黔臺地漸具雛形，成為本區地史上最早的碳酸鹽巖臺地;湘西北地區成為鄂西碳酸鹽巖臺地的一部分，研究區內沉積相帶展布已顯著。根據沉積相的劃分原則，將本區陡山沱期沉積相主要劃分為三類:有障壁碳酸鹽臺地相、淺海相和臺地斜坡相。各沉積相的沉積物特征分述如下:

有障壁碳酸鹽臺地相潮坪淺灘亞相位于川滇黔碳酸鹽巖臺地東側開陽－甕安一帶，為貴州主要的成磷區，有著名的開陽磷礦、甕安磷礦和福泉磷礦。巖石組合主要為磷塊巖－砂巖，厚約 10～28 m，由南向北增厚，向東至甕安一帶為磷塊巖－白云巖組合，厚度增至70 m左右。磷塊巖礦床以顆粒磷塊巖為主，顯示臺地邊緣淺灘相特征。開陽金鐘磷礦廠附近觀測的剖面巖石組合以顆粒磷塊巖為主，厚十幾米，頂部為一套厚約 50 cm的灰綠色薄層頁巖與燈影組接觸。

淺海相:陸棚內緣亞相位于川滇黔碳酸鹽巖臺地東側遵義一帶以及鄂西碳酸鹽臺地南緣瀘溪洗溪一帶。遵義松林剖面其巖石組合為黑色頁巖和硅質頁巖為主，底部為一套厚度幾米的含黃鐵礦白云巖，上部夾薄層狀磷塊巖，硅質磷塊巖，以中、小型磷礦床區別于開陽－息烽地區。黑色頁巖中微細水平層理發育，含黃鐵礦較多，表明了較安靜的陸棚內緣環境。瀘溪洗溪剖面其巖石組合下段泥質與泥質白云巖互層、黑色硅質頁巖;上段黑色頁巖夾泥質白云巖和深灰黑色泥質磷塊巖(3.3 m)。磷塊巖呈條帶狀，膠磷礦與泥質白云巖條帶互層，未見疊層石。可能形成于陸棚內緣環境。

陸棚亞相位于鎮遠－印江－松桃一帶，巖石組合主要由碳酸鹽巖和頁巖為主，沉積構造簡單，底部仍然為灰白色中層狀白云巖，厚約10 m，而黑色頁巖的沉積厚度，一般較薄，厚十幾米，富含黃鐵礦，顯示了靜水的低能陸棚環境。

3.2 沉積相分布及模式

陡山沱早期，由于古地形稍平坦，又遠離古陸，在冰磧礫巖之上，研究區廣泛沉積了一套數米厚的白云巖——碳酸鹽巖帽，顯示了坪臺特征。隨后沉積大片黑色頁巖，硅質頁巖，有些地區則沉積頁巖夾白云巖，這種硅、灰、泥的剖面結構，是淺海陸棚的沉積特征。在開陽－息烽一帶屬中－高能的海灘環境，沉積了灰綠色含海綠石粉砂巖及砂巖。陡山沱晚期，古地理分異加劇。湘西－黔東地區繼續沉積黑色頁巖并夾少量白云巖，仍屬于淺海陸棚沉積物;在開陽－息烽一帶為臺地邊緣淺灘及生物礁，沉積了顆粒磷塊巖及藻磷塊巖，向東至印江、松桃一線變為黑色頁巖、粉砂巖夾硅質巖及碳酸鹽巖為主的低能陸棚沉積組合，藻類生物較少。遵義地區處于陸棚內緣，靠近川滇黔臺地東側，沉積了硅質頁巖、頁巖和含泥質磷塊巖。

3.3 震旦紀沉積層序

碳酸鹽臺地(以開陽金鐘剖面為例)位于川滇黔碳酸鹽臺地東南緣，古地理上處于黔中隆起，該區震旦系與下伏南沱組呈整合接觸，與澄江組呈平行不整合接觸，底部以磷塊巖或白云巖與澄江組的砂巖或南沱組的礫泥巖分界。以開陽金鐘剖面(圖3－1)為例，南沱期黔中地區為陸上冰川—冰水沉積區(曹瑞驥等，1989;蒲心純等，1987)，廣泛沉積了一套冰磧泥礫巖層。南沱冰期后，全球氣候變暖，冰川迅速消融，全球海平面快速上升，導致該區陡山沱期處于潮坪—淺灘環境，由于上升洋流從深部水體中攜帶大量的營養物質(沉積物中 P含量很高)，在南沱冰磧泥礫巖之上沉積了一套灰色、深灰色塊狀砂屑磷塊巖、藻砂礫屑磷塊巖、砂屑狀凝膠磷塊巖。在開陽金鐘地區，本組下部砂屑磷塊巖間有10 cm左右的磷質風化殼，在開陽金鐘以北，頂部變為含硅磷質白云巖夾硅質巖團塊，或為含磷白云質硅質巖夾白云巖團塊。這種細粒砂屑磷塊巖或泥質砂質磷塊巖與砂屑磷塊巖組成韻律，并與含礫砂屑磷塊巖組成了一個從淺灘到潮坪的沉積旋回，其厚度總體由北向南減薄(1:25萬貴州區調報告，2005)。隨著全球海平面的進一步上升，該區陡山沱組頂部緩慢沉積了一套薄層碳質頁巖、硅質巖及磷塊巖，這時海侵作用達到最大，為最大海泛期的沉積。

進入燈影期，海水開始由上升末期轉為下降初期，此時海底大部分在平均低潮面之上，水體能量一般較弱，大部分為碳酸鹽潮坪低能區，沉積物主要以淺灰色厚層—塊狀砂礫屑白云巖、藻屑白云巖為主，具鳥眼構造、櫛殼結構，位于燈影組的中下部。燈影期中期再次發生海侵作用，川滇黔碳酸鹽臺地海水加深，由局限臺地潮坪逐漸發展為開闊臺地，海底位于平均低潮面與浪基面之間，水體能量中等，主要發育粉—細晶白云巖、硅質白云巖。基本層序是由砂礫屑白云巖、藻屑白云巖、櫛殼白云巖與細晶白云巖組成不等厚的韻律層，反映了水體由暴露環境向深水環境的過渡，與上覆寒武紀牛蹄塘組黑色碳質頁巖整合接觸。