黔北地区晚石炭世至早二叠世碳酸盐岩沉积特征及其对铝土矿的影响

黔北地区晚石炭世至早二叠世碳酸盐岩沉积特征及其对铝土矿的影响

铝土矿沉积的红色和神圣沉积物约占99%，主要是地表沉积或沉积。分布受物源、古气候、构造、几乎平原化、排水条件和长期沉积时间等条件的控制，通常分布在古陆或高距离边缘。例如，分布在秦岭-大别古陆和中条古陆之间的河南西部玉山铝土矿，以及分布在贵州-中古陆东北缘的贵州北路正下方的铝土矿。海平面变化往往会对这类铝土矿的成矿产生重要的影响。华北晚石炭世的3期海侵到海退的沉积演化旋回形成了豫西郁山的3个铝土矿层,而尼韦奈地区侏罗纪海侵期形成的碳酸盐岩沉积更是直接为后期因海退形成的铝土矿提供了物源。由于海退造成的沉积间断时间越长,越有利于含铝残积物的风化淋滤,越有利于形成如华北“G层”铝土矿这样的质优量大的矿床。海平面升降可造成古地理格局的变化,会直接影响到铝土矿的分布,此外,海退期形成的古岩溶地形通常也是铝土矿贮存的理想场所。由此可见,海平面变化对该类铝土矿的形成具有一定的控制作用。地处上扬子板块黔中古陆东北缘的务正道地区,铝土矿资源丰富,主要分布在中下志留统韩家店组或上石炭统黄龙组之上、中二叠统梁山组之下,其成矿时代一直争论不止。目前,比较统一的观点是该区铝土矿的成矿时代晚于晚石炭世马平期,早于中二叠世栖霞期。而晚石炭世-早二叠世是晚古生代全球冰期的鼎盛时期。Joachimski等认为该时期全球海平面的变动幅度可达到120m左右,这样规模的海平面变化可为该地区铝土矿的形成提供时间和空间上的保障。笔者选取华南地区晚石炭世至早二叠世不同水深环境下的地层剖面,如远岸浅水沉积型的广西隆安都结剖面、近岸滨浅海的黔南独山剖面和湖南田心坪剖面、古陆边缘的沅陵马底驿剖面进行研究,分析晚石炭世至早二叠世期间华南地区的海平面变化规律,确定该时期主要的海侵期和海退期,尤其是区域最大海退期,进而了解该时期黔北及其邻区不同阶段的古地理格局,结合古气候资料来讨论和进一步限定黔北地区铝土矿形成的时代。1代冰期研究中的成岩改造石炭纪至早二叠世华南地区位于赤道附近,发育了大量的碳酸盐岩沉积和丰富的暖水型底栖动物,其沉积受到由成冰事件所带来的海平面变化的影响。对晚古生代冰期的研究认为共有3个主要的冰期,包括泥盆纪末期-杜内期(GlacialI),维宪期晚期-谢尔普霍夫期-巴什基尔期(GlacialII)和晚石炭世末期-早二叠世亚丁斯克期(GlacialIII),其中,第3次冰期影响最大,在华南地区表现为相当一部分地区紫松阶和隆林阶中上部的缺失,同时出现海陆交互相的沉积,如煤等。总体上,华南地区这段时期的海平面变化规律明显,其地层层序可与北美大陆及世界其他地区进行很好的对比。1.1不同层序地层结构华南地区晚石炭世至早二叠世除盆地相区外,具有较连续沉积的当属远岸碳酸盐岩台地相区,广西隆安都结剖面为其典型代表,其晚石炭世至早二叠世地层发育完整,厚800余米,自下而上分别为黄龙组、马平组(图1)。黄龙组自下而上可划分为2个三级层序,下层序凝缩段为灰色中层含生屑泥晶灰岩;上层序凝缩段为深灰色中薄层泥晶灰岩及含生屑泥晶灰岩,高位体系域为厚层生屑灰岩,属晚石炭世至早二叠世海水最深时的沉积,代表了当时最大的海侵。马平组可划分出3个三级层序,下层序凝缩段为灰色中层含生屑泥晶灰岩。中、上层序凝缩段为浅灰色中厚层生屑灰岩,其高位体系域主要为白云岩及含藻纹层白云岩等,属晚石炭世至早二叠世海水最浅时的沉积,代表了当时最大的海退。1.2海侵期3个月的沉积特征晚石炭世至早二叠世时期,贵州独山位于近岸滨浅海沉积区,其沉积特征前人研究较多,主要为一套缓坡-台地相的沉积。本区晚石炭世至早二叠世沉积厚度略小于都结剖面,自下而上可划分为滑石板组、达拉组、马平组和包磨山组(图2)。滑石板组和达拉组各构成一个三级层序,海侵体系域由灰色中厚层生屑灰岩组成,含腕足、珊瑚等化石;凝缩段为深灰色-灰色中层生屑泥晶灰岩;而高水位体系域主要由白云岩组成,常发育淋滤构造,代表海平面的波动,但总体上表现为逐渐海侵的过程。本区马平组可划分出3个三级层序,下层序凝缩段为深灰色薄-中层泥晶灰岩,生屑较少,代表区域最大的海侵;上层序凝缩段为浅灰色中层泥晶-亮晶灰岩,含单体珊瑚。从岩性和生物组合的特征上反映了该基本层序是由开阔台地潮下到潮坪环境的转变过程,代表了最大的海退。此外,田心坪地区也是比较典型的近岸滨浅海沉积,相比独山地区,其岩性变化单一,为灰岩和白云岩互层,下部黄龙组白云岩发育,总的沉积厚度小于独山地区(图3)。田心坪剖面下部黄龙组可划分出2个三级层序,上部船山组可划分出3个三级层序,沉积特征与独山地区类似,凝缩段表现为灰色中层生屑灰岩,含化石,最大海侵期发生在小独山阶的Triticites带;而最大海退期始于紫松期,Pseudoschwagerina带至Sphaeroschwagerina带海水较浅,呈现明显的海退趋势,上部缺失隆林阶地层。1.3晚石炭世至早二叠世最大的海退事件的地层格局华南地区晚石炭世至早二叠世古陆边缘碳酸盐岩台地具2个重要的特点:①由于靠近古陆,海水较浅,具多期次的古暴露、古岩溶标志;②发育有从古陆上冲下来的泥石流、碎屑流沉积。湖南沅陵马底驿剖面为一典型代表(图4),剖面厚度不大,下部大埔组为白云岩、灰岩和砾岩互层;上部马平组为灰岩和砂岩及少量砾岩互层,总体上表现为滨浅海碳酸盐岩和碎屑岩沉积互层,普遍发育古岩溶及红土。该区层序易于识别,每个层序顶部发育砂岩、砾岩,代表了海退事件,在马平组表现尤为明显。剖面上共识别出5个层序,其中,大埔组2个三级层序,马平组3个三级层序。马平组下、中层序的凝缩段岩性为深灰色薄-中层泥晶灰岩,属潮下低能环境,为晚石炭世至早二叠世最大海侵的产物。而上部层序凝缩段为灰色、浅灰色中厚层生屑灰岩、含生屑泥晶灰岩,高水位体系域主要为厚层-块状生屑灰岩及白云质灰岩,顶部具一个规模很大的岩溶面,缺失紫松阶中上部和隆林阶地层,代表了晚石炭世至早二叠世最大的海退。以上分析可见,晚石炭世至早二叠世期间出现过2次明显的海侵事件,分别发生在滑石板期和小独山期,其中最大海侵期出现在达拉期末至小独山期。因此,当地层中仅残留有滑石板期及达拉期的地层时,不难推断其上应该也沉积了最大海侵期的沉积,目前的缺失应该是由于其后随之而来的最大海退造成的。该时期最大的海退出现在紫松期晚期至隆林期。在盆地相区和远岸碳酸盐岩台地地区,紫松期晚期至隆林期的地层基本没有缺失;在近岸碳酸盐台地地区,由于受紫松期-隆林期最大海退事件的影响,大部分地区缺失隆林期及紫松期部分地层,如贵州独山和湖南涟源田心坪;而在古陆边缘及古地势高的地区,由于海水较浅,受到最大海退事件的影响最大,这些地区往往缺失隆林期及紫松期的大部分地层,有些地区甚至缺失紫松期全部地层,在此基础上,早期沉积的地层也会被剥蚀,如湖南沅陵马底驿和贵州务正道地区,尤其是后者(表1)。因此,笔者认为贵州务正道地区石炭纪沉积可能持续到晚石炭世小独山期,之后出现沉积间断,开始沉积含铝残积物,进而形成铝土矿应发生在早二叠世紫松期至隆林期期间,即最大海退期的时间段。2晚石炭世至早二叠世古地理黔北及邻区晚石炭世至早二叠世古地理变化与该时期海平面变化密切相关。前人对贵州地区古地理研究多集中在黔南地区,对黔北地区研究较少,主要由于黔北地区石炭纪地层很不稳定,分布零星,最厚处仅15m左右,这为该区石炭纪古地理研究带来很大困扰。笔者通过对贵州务正道地区野外的踏勘,搜集了约60口钻孔和30条探槽的资料,经分析认为黔北地区石炭纪地层主要为残余的黄龙组,时期为滑石板期至达拉期,以局限台地相沉积为主;往北至渝南、川东等地也分布着厚度较厚的残余的黄龙组,并可见大量的暴露标志,如喀斯特化、红土化等;鄂西一带石炭纪地层较厚,发育有黄龙组和船山组,其中,船山组为残余地层,其分布有限。结合此前对华南地区晚石炭世至早二叠世海平面变化的分析,绘制出该区晚石炭世至早二叠世古地理变化简图(图5)。达拉期,黔北、渝南和川东等地靠近古陆,黔北地区为一个开口向北的海湾,主要发育局限台地相的滨海沉积,川东等地白云岩较发育,厚度较小。而到了海侵规模较大的小独山期,黔北-渝南-川东大部分地区的沉积由局限台地相过渡到开阔台地相[33,35,36,37,39,40],这一时期沉积了大套碳酸盐岩。小独山期晚期,在靠近古陆边缘的地区出现了灰岩和白云岩交替沉积,层序顶部常常出现暴露标志,潮坪相的沉积普遍发育。紫松期由于区内迎来大规模的海退事件,剥蚀区域增大,黔北-川东一带表现显著,这一地区石炭系广泛暴露,遭受风化剥蚀,川渝交界至鄂西一带的部分地区残余石炭系顶部的沉积,往西至渝南、黔北一带,石炭系遭受剥蚀更加严重。隆林期早期,这一地区的古地理格局基本上继承了紫松期的面貌,黔北-渝南-川东等大范围暴露,此前的沉积进一步遭受风化,渝南、黔北地区仅剩达拉期的沉积。该时期研究区从陆表浅海过渡到陆相,由于大部分时期为一个有淡水输入局限的海湾环境,期间可能会出现间歇性与海连通的咸化湖泊。但到了隆林期中后期,尤其后期,突发海侵和缓慢海退的变化使得黔北地区出现海陆交互的沉积环境,如滨海沼泽等。总体上海洋对沉积的控制逐渐加强,而陆地的控制渐渐减弱。对于本地区铝土矿的沉积十分有利。3晚石炭世至早二叠世铝土矿的代际变化志留纪末的加里东运动使得中上扬子区地壳上升为陆,黔北地区早期沉积的泥页岩遭受风化剥蚀,积累了大量的红土化风化作用形成的铁铝残留物,为后期铝土矿的成矿提供了丰富的物源。在晚石炭世早期,由于海侵作用,海水沿海湾自北向南进侵,在黔北、渝南等地的低洼处普遍沉积了碳酸盐岩。直到石炭纪末迎来最大海退期,海水逐渐撤出该区,而晚石炭世至早二叠世,贵州地区古纬度正位于8°～14°之间,属于热带-亚热带地区,气候炎热潮湿,降雨丰富,有利于铁铝残留物的脱硅、排铁、富铝作用的进行,同时这种环境下碳酸盐岩沉积极易出现岩溶化,而地形较高处的碳酸盐岩则被风化剥蚀,可为铝土矿提供部分物源。那些分布在陆地或高地上的铁铝残留物由地表径流水或突发性海侵搬运至地形低洼处沉积下来,由于碳酸盐岩排水条件相对泥页岩较好,沉积在其中的铝土矿品位往往较高,是该地区铝土矿沉积的良好场所。对于近海处,海水的搬运和再沉积作用等使得铁铝残留物在相对局限的海湾环境下能够形成了一些分布多样的富铝泥质潮坪。同时,这种突发性的海侵也有利于富铝残留物发生分异作用,最终形成现今致密状和半土状铝土矿北部厚、南部薄,而碎屑状和豆鲕状铝土矿南部厚、北部薄的变化特征。黔北地区晚石炭世至早二叠世海平面升降所带来的古地理格局的变化严格控制了该区铝土矿的分布;而最大海退期,隆林期-紫松期约25Ma的沉积间断使得富铝残留物充分矿化,在海湾相中形成了规模大、质量好的铝土矿矿床,并在随后大规模的海侵过程中形成了共同的顶板。4海退期为铝土矿的形成提供了时间和空间保证(1)晚石炭世至早二叠世,黔北地区是一个开口向北半封闭的浅水海湾,周围有高地发育,其上有大量泥页岩风化后形成的铁铝残留物,海湾的沉积极易受到海平面变化的影响。(2)晚石炭世达拉期至小独山期,由于海侵,黔北海湾与外海连通,普遍沉积一套碳酸盐岩;到了早二叠世紫松期至隆林期,区域上发生大规模海退,黔北海湾逐渐与外海隔开,形成咸