杜遠生 余文超 張亞冠

1 中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)地球科學(xué)學(xué)院，湖北武漢 430074 2 生物地質(zhì)與環(huán)境地質(zhì)國家重點實驗室，湖北武漢 430074 3自然資源部基巖區(qū)礦產(chǎn)資源勘查工程技術(shù)創(chuàng)新中心，貴州貴陽 550004

沉積學(xué)是一個具有綜合性強、應(yīng)用性廣的地質(zhì)學(xué)學(xué)科方向。沉積作用既可以是漸變的過程，也可以伴隨重大巖石圈事件和大氣圈、水圈、生物圈事件而發(fā)生。理論沉積學(xué)以沉積物或沉積巖為研究對象，旨在恢復(fù)沉積作用過程、沉積環(huán)境和背景，探索與之相關(guān)的重大地質(zhì)事件的過程和機理，具有廣闊的發(fā)展空間。同時，絕大部分的能源礦產(chǎn)(石油天然氣、煤、鈾礦)和許多大宗金屬、非金屬礦產(chǎn)(鋁、磷、錳、鐵、鹽類、重晶石及鉛鋅金銀釩等)形成于風(fēng)化、沉積或早期成巖作用過程中，因此應(yīng)用沉積學(xué)也具有巨大的應(yīng)用價值。

類似于能源沉積學(xué)，礦產(chǎn)沉積學(xué)是應(yīng)用沉積學(xué)的一個分支。第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，隨著全球經(jīng)濟發(fā)展對能源的需求，能源沉積學(xué)在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)方面得到了全面發(fā)展，形成了盆地動力學(xué)、層序地層學(xué)、地震沉積學(xué)等新的基礎(chǔ)學(xué)科方向和廣泛的應(yīng)用學(xué)科領(lǐng)域。同樣，第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束以后全球工業(yè)化進程對大宗沉積礦產(chǎn)的需求，也極大地促進了沉積礦產(chǎn)基礎(chǔ)和應(yīng)用的研究。尤其是20世紀后半葉，國內(nèi)外對鋁土礦、沉積型錳礦、磷礦及沉積型鐵礦、鹽類礦產(chǎn)等都進行了深入研究，取得了大量的研究成果，進行了系統(tǒng)總結(jié)(如Bardossy，1982，1990；Cook and Shergold，1986；葉連俊等，1989；廖士范和梁同榮，1991)。進入21世紀以來，隨著對大宗戰(zhàn)略緊缺沉積礦產(chǎn)資源的需求增加，沉積礦產(chǎn)研究得到進一步重視(毛景文等，2019;王登紅，2019;翟明國等，2019)，尤其是在中國2011年開始實行的“找礦戰(zhàn)略突破行動”的帶動下，沉積礦床的研究逐漸深化，沉積礦產(chǎn)的復(fù)雜性被逐步認識，積累了一些成礦理論指導(dǎo)找礦的成功案例(李建威等，2019)。因此，有必要提出并強調(diào)礦產(chǎn)沉積學(xué)(Ore Sedimentology)作為一個新的應(yīng)用沉積學(xué)學(xué)科方向。

傳統(tǒng)認為，沉積礦產(chǎn)相對比較簡單，具有穩(wěn)定的成層性，找礦難度不大。但在找礦勘探的實踐過程中，鉆井見礦率低一直是困擾沉積型礦產(chǎn)找礦的尖銳問題。許多沉積型礦產(chǎn)找礦勘探基本上處于一種“瞎子摸象”的狀態(tài)，主要原因是沉積礦產(chǎn)的成因不清、規(guī)律不明，找礦勘探?jīng)]有科學(xué)的理論依據(jù)支撐。本團隊通過10余年的鋁土礦、錳礦、磷礦、天然堿、重晶石礦等沉積礦產(chǎn)研究，利用沉積學(xué)的基本原理和方法，借助于高精度的樣品儀器分析，基本摸清了這些沉積礦產(chǎn)的分布規(guī)律，為找礦勘探提供了科學(xué)依據(jù)，并實現(xiàn)了錳礦、磷礦、鋁土礦的重大找礦突破。同時，將沉積礦產(chǎn)的形成過程與重大地質(zhì)事件相聯(lián)系，也促進了理論沉積學(xué)的發(fā)展。作者僅在本團隊錳、鋁、磷等沉積礦產(chǎn)研究的基礎(chǔ)上，對礦產(chǎn)沉積學(xué)的學(xué)科內(nèi)涵和研究內(nèi)容等進行探討。

1 礦產(chǎn)沉積學(xué)的概念和屬性

沉積學(xué)是以沉積物和沉積巖為研究對象，以巖石分類為基礎(chǔ)，恢復(fù)其形成作用及形成環(huán)境(風(fēng)化—沉積—成巖過程和機理)，揭示其形成的古地理、古構(gòu)造、古氣候、古海洋背景的地質(zhì)學(xué)學(xué)科。沉積學(xué)(尤其是理論沉積學(xué))的發(fā)展，大致經(jīng)歷了沉積巖石學(xué)階段(1950年以前)、沉積學(xué)階段(1950—1980年)、沉積地質(zhì)學(xué)階段(1980年以后)(表 1)。

表1 沉積學(xué)學(xué)科分支Table 1 Branch subjects of sedimentology

沉積巖石學(xué)階段以沉積巖分類(巖類學(xué))為基礎(chǔ)，兼顧沉積巖形成的沉積作用(巖理學(xué))分析。沉積學(xué)階段以1950年濁流革命為起點(Kuenen and Miglioroni，1950)，到1979年相模式(Walker，1979)的全部建立而結(jié)束，期間主要包括沉積相(沉積環(huán)境)和古地理(巖相古地理)2個大的發(fā)展方向。沉積地質(zhì)學(xué)階段以沉積學(xué)和地質(zhì)事件相結(jié)合為特色，形成以沉積記錄為研究對象、以揭示地質(zhì)事件的形成過程及機理為目標(biāo)多個學(xué)科分支。在沉積學(xué)發(fā)展過程中，能源(煤、油氣、放射性能源)和沉積礦產(chǎn)資源的形成環(huán)境、形成作用、富集機理和成礦(成烴—成藏)規(guī)律一直貫穿始終?，F(xiàn)代沉積的觀測和模擬也一直對沉積學(xué)的發(fā)展起著支撐作用。值得指出的是，沉積學(xué)的不同發(fā)展階段，不同學(xué)科分支之間一直存在相互融合和交叉，因此， 表 1 推薦的學(xué)科分支僅僅是按照學(xué)科主體屬性劃分的。由 表 1 可以看出，礦產(chǎn)沉積學(xué)與能源沉積學(xué)是應(yīng)用沉積學(xué)的2個重要分支之一。

礦產(chǎn)沉積學(xué)研究的對象是沉積礦產(chǎn)(含礦巖系或礦石)。沉積礦產(chǎn)是在沉積盆地中由動力作用、化學(xué)或生物化學(xué)作用異?；虺＞奂墓I(yè)元素、礦物或巖石。如沉積型的錳、磷、鋁、鐵、鹽類、重晶石及與沉積相關(guān)的釩、鉛、鋅、金和銀礦等。礦產(chǎn)沉積學(xué)是應(yīng)用沉積學(xué)(沉積動力學(xué)、流體動力學(xué)、物理化學(xué)、微生物沉積學(xué)等)的基本原理，探討成礦元素和成礦顆粒的風(fēng)化—搬運—沉積過程、元素遷移—聚集機理，恢復(fù)沉積礦產(chǎn)的古環(huán)境(沉積環(huán)境、古鹽度、古堿度、古氧化還原條件)和形成背景(沉積盆地、古地理、古氣候等)，確定礦床成因、成礦規(guī)律，建立成礦模式和找礦模型，進行成礦預(yù)測，為沉積礦產(chǎn)的找礦勘探提供科學(xué)依據(jù)。同時將成礦事件與地質(zhì)事件相結(jié)合，揭示地質(zhì)事件與成礦事件的耦合關(guān)系(表 2)。

礦產(chǎn)沉積學(xué)作為一個交叉學(xué)科，既具有礦床學(xué)屬性，也具有沉積學(xué)屬性，并具有一定的綜合性。屬于礦床學(xué)屬性的礦床成因仍然是礦產(chǎn)沉積學(xué)研究的核心內(nèi)容。但礦產(chǎn)沉積學(xué)除了礦床學(xué)研究的內(nèi)容，如成礦時代、成礦作用、控礦因素、成礦規(guī)律、成礦預(yù)測等外，還具有沉積學(xué)屬性的研究內(nèi)容，如成礦物質(zhì)的物源分析，含礦巖系的沉積環(huán)境、古地理、古地貌、古氣候、古構(gòu)造(盆地性質(zhì)和演化)，成礦作用的古環(huán)境(古鹽度、古堿度、古氧化還原條件)、古水文系統(tǒng)、古生態(tài)系統(tǒng)、海平面變化等，更可以和全球或區(qū)域重大地質(zhì)事件相聯(lián)系，恢復(fù)成礦期的重大地質(zhì)事件過程和機制(表 2)。礦產(chǎn)沉積學(xué)的綜合性表現(xiàn)為它和地質(zhì)學(xué)其他學(xué)科關(guān)系密切，如古生物學(xué)、地史學(xué)、海洋學(xué)、礦物學(xué)、巖石學(xué)、地球化學(xué)、地球物理學(xué)、構(gòu)造學(xué)和大地構(gòu)造學(xué)。這些學(xué)科或為礦產(chǎn)沉積學(xué)研究提供時間格架(如古生物學(xué)、地層學(xué))，或為之提供物性分析基礎(chǔ)(如礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué))，或提供可借鑒的原理和方法(如地球化學(xué)、海洋學(xué))，或提供礦產(chǎn)形成的背景或指導(dǎo)礦床定位(如構(gòu)造學(xué)、大地構(gòu)造學(xué)、地史學(xué)和地球物理學(xué))(圖 1)。

表2 礦產(chǎn)沉積學(xué)的研究內(nèi)容及方法Table 2 Content and method of ore sedimentology research

圖 1 礦產(chǎn)沉積學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系Fig.1 Relationship between ore sedimentology and other subjects

礦產(chǎn)沉積學(xué)作為一個應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科，既有基礎(chǔ)研究的屬性，又有應(yīng)用研究的屬性。既有(科學(xué))問題導(dǎo)向，也有(經(jīng)濟)目標(biāo)導(dǎo)向。礦產(chǎn)沉積學(xué)的基礎(chǔ)性，不完全同于純基礎(chǔ)研究，它是以解決找礦過程中的基礎(chǔ)地質(zhì)問題，為成礦規(guī)律的確定和找礦靶區(qū)的圈定提供科學(xué)依據(jù)。礦產(chǎn)沉積學(xué)的應(yīng)用性，類似于礦床學(xué)，通過成礦作用的系統(tǒng)研究，以增加礦產(chǎn)的儲量為目標(biāo)。因此，目標(biāo)導(dǎo)向和問題導(dǎo)向二者密不可分。

2 礦產(chǎn)沉積學(xué)的研究內(nèi)容及實例

沉積礦產(chǎn)是一個類型多樣、成因各異的復(fù)雜系統(tǒng)，既包括陸表系統(tǒng)為主的沉積—風(fēng)化類礦產(chǎn)，如鋁土礦，也包括沉積盆地內(nèi)部沉積形成的礦產(chǎn)，如磷礦、沉積型錳礦、鹽類礦產(chǎn)，還包括同生(沉積期)、準(zhǔn)同生期(未脫離水體的軟沉積期)熱液沉積的礦產(chǎn)，如熱液型錳礦、熱液沉積型鉛鋅礦、釩礦、重晶石礦等。因此礦產(chǎn)沉積學(xué)的研究內(nèi)容和方法，不同礦種的研究內(nèi)容和方法也不盡相同。表 2列舉了部分重要沉積礦產(chǎn)的研究內(nèi)容及方法，并就鋁、磷、錳等主要類型的沉積礦種的系統(tǒng)研究和成礦理論予以簡單總結(jié)討論。

2.1 沉積型鋁土礦的陸表淋濾成礦作用(實例1)

鋁土礦分為硅鋁質(zhì)巖原地風(fēng)化形成的紅土型、碳酸鹽巖原地風(fēng)化形成的喀斯特型和風(fēng)化的富鋁質(zhì)黏土搬運到沉積盆地形成的沉積型3種主要類型。中國的原生鋁土礦以沉積型鋁土礦為主，主要形成于石炭紀—二疊紀，包括貴州的早石炭世杜內(nèi)期的“豐源層”、韋憲期的九架爐組、阿瑟爾—亞丁斯克期的大竹園組，華北山西和河南等地晚石炭世本溪組、廣西的中二疊世—晚二疊世之交的合山組底部的鋁土礦。由于晚古生代華南板塊是位于古特提斯洋赤道附近熱帶輻合帶的孤立陸塊，在晚古生代冰期(岡瓦納冰期)—間冰期海平面變化的影響下，冰期海平面下降造成古陸邊緣暴露并經(jīng)受喀斯特化，加上熱帶輻合帶適合化學(xué)風(fēng)化的濕熱的氣候條件，形成了喀斯特漏斗(如遵義，Wengetal.， 2019)、喀斯特洼地(如黔中清鎮(zhèn)、修文)、近岸半封閉海灣(如黔北務(wù)正道)、暴露孤立臺地(如廣西德保、靖西等地)等不同類型的鋁土礦(杜遠生等，2015a；Yuetal.， 2016a，2019a)。

A—致密狀鋁土礦厚度(m)等值線圖；B—碎屑狀鋁土礦厚度(m)等值線圖；C—豆鮞狀鋁土礦厚度(m)等值線圖；D—多孔狀鋁土礦厚度(m)等值線圖；E—黔北—遇南區(qū)域古地理背景圖；F—務(wù)正道鋁土礦古地理圖；G—古地理剖面示意圖圖 2 黔北務(wù)正道早二疊世鋁土礦古地理圖Fig.2 Palaeogeographic map of the Early Permian bauxite deposits in Wu-Zheng-Dao area，northern Guizhou Province

傳統(tǒng)認為，沉積型鋁土礦是由強風(fēng)化殘余的富鋁質(zhì)物質(zhì)搬運到沉積盆地內(nèi)部形成的。通過貴州等地含鋁巖系的定量古地理和古地貌編圖，發(fā)現(xiàn)鋁土礦、尤其是高品位的多孔狀(土狀、半土狀礦)鋁土礦并非分布在盆地內(nèi)部，而是分布于盆地邊緣的陸表環(huán)境，鋁土礦主要受沉積期古水文系統(tǒng)的滲流帶淋濾作用控制。現(xiàn)以黔北務(wù)正道地區(qū)為例，討論沉積型鋁土礦的成礦環(huán)境和成礦作用。

務(wù)正道地區(qū)位于黔北務(wù)川、正安、道真三縣(簡稱為務(wù)正道地區(qū))，鋁土礦的形成時代為早二疊世阿瑟爾—亞丁斯克期(紫松期—隆林期)(黃興等，2012，杜遠生等，2013)，鋁土礦成礦巖系為大竹園組，底板為下志留統(tǒng)韓家店組細碎屑巖和泥質(zhì)巖，或上石炭統(tǒng)黃龍組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r。晚石炭世—早二疊世，務(wù)正道地區(qū)為一個向北開口的半封閉海灣，與揚子海相連(圖 2-E)(黃興等，2013；杜遠生等，2015a)。晚古生代時期發(fā)育1次長達1.2×108年的冰期，冰蓋分散的分布于南半球的岡瓦納大陸，稱為晚古生代冰期。這次冰期又分為多次小冰期和小間冰期，因此造成全球海平面的大幅度旋回性升降。

務(wù)正道地區(qū)大竹園組基本上以泥質(zhì)沉積為主，鮮見由徑流形成的砂巖，反映早二疊世黔北地區(qū)處于準(zhǔn)平原化狀態(tài)(圖 2-G)(杜遠生等，2015a)，準(zhǔn)平原主要是森林生態(tài)系統(tǒng)，盆地內(nèi)為微生物生態(tài)系統(tǒng)(余文超等，2012；杜遠生等，2015a)。鋁土礦的物質(zhì)來源包括上石炭統(tǒng)黃龍組碳酸鹽巖的風(fēng)化殘余物質(zhì)，但主要是來自于志留系韓家店組細碎屑巖的風(fēng)化物質(zhì)(汪小妹等，2013；余文超等，2014a；Yuetal.， 2015；杜遠生等，2015a)。

A—巖心照片；B—巖心柱狀圖；C—典型照片(編號同圖 3-A)圖 3 黔北務(wù)正道地區(qū)安場向斜ZK288-16鉆孔照片和柱狀圖Fig.3 Photos of core samples and lithological column of drillcore ZK288-16 in the An’chang syncline，Wu-Zheng-Dao area，northern Guizhou Province

早二疊世阿瑟爾—亞丁斯克期正處于冰盛期(Yuetal.， 2019a)，華南處于赤道附件的熱帶氣候條件下(余文超等，2013b，2014b)。當(dāng)晚古生代冰期小冰期時，海平面下降導(dǎo)致務(wù)正道海灣與廣海分隔形成內(nèi)陸湖盆，當(dāng)小間冰期海平面上升時又與揚子海灣聯(lián)通(崔滔等，2013；杜遠生等，2014)。以不同礦石類型等值線圖為基礎(chǔ)的古地理恢復(fù)(圖 2-A，2-B，2-C，2-D)顯示，小冰期—小間冰期海平面變化形成的高水位和低水位之間的地區(qū)為濱岸濕地(杜遠生等，2015a)，務(wù)正道地區(qū)的大竹園組鋁土礦全部分布在濱岸濕地地區(qū)(圖 2-F)。

詳細的鉆孔巖心研究發(fā)現(xiàn)，大竹園組含礦巖系自下而上大致分為4個部分： A)紅色塊狀的富鋁黏土巖(古風(fēng)化殼的殘坡積層)；B)暗色層狀的富鋁黏土巖或致密狀鋁土礦(搬運沉積的富鋁黏土層)；C)鋁土礦層內(nèi)進一步可分為白色多孔狀(C-1，包括殘余的鮞狀、碎屑狀、土狀半土狀)鋁土礦(淋濾作用形成的高品位鋁土礦)和致密狀鋁土礦(C-2)；D)暗色層狀黏土巖或致密狀鋁土礦(搬運沉積的富鋁黏土層)(圖 3)。通過常量元素、微量元素、稀土元素的質(zhì)量平衡計算，發(fā)現(xiàn)白色多孔狀鋁土礦(A層)的活動元素(如K、Na、Ca、Mg、Si、Fe、Li、稀土元素等)向下遷移到B或A層富集，Al及Nd、Zr、Hf、Ta、Cr、Cd、U、Th、Ga、Sc等穩(wěn)定元素不遷移或弱遷移，形成相對富集(殘余富集)(圖 4)，Al的殘余富集形成鋁土礦，Ga、Sc等也可殘余富集形成Ga、Sc伴生礦，Li和稀土元素在暗色層狀的富鋁黏土巖或致密狀鋁土礦(B層)層富集，從而形成伴生的Li和稀土礦。這種元素的相對遷移表明，C-1層的白色多孔狀鋁土礦形成于古水文系統(tǒng)的淋濾帶(飽氣帶)，而C-2或B層的富鋁黏土巖或致密狀鋁土礦形成于古水文系統(tǒng)的潛流帶(飽水帶)(圖 4)，說明優(yōu)質(zhì)鋁土礦主要受古水文系統(tǒng)影響的淋濾作用控制(余文超等，2013a；杜遠生等，2015a)。

圖 4 黔北務(wù)正道地區(qū)鋁土礦鉆孔ZK3402元素質(zhì)量平衡圖(原始數(shù)據(jù)見汪小妹等，2013)Fig.4 Mass balance results of drillcore ZK3402 in Wu-Zheng-Dao area，northern Guizhou Province(data after Wang et al.，2013)

貴州遵義(早石炭世韋憲期)，黔中清鎮(zhèn)、修文(韋憲期)、龍里(杜內(nèi)期)，黔東凱里(早石炭世韋憲期、早二疊世)、廣西靖西—德保(中—晚二疊世之交)的鋁土礦，鋁土礦的含礦巖系具有和黔北務(wù)正道鋁土礦類似的4層式剖面結(jié)構(gòu)，尤其是遵義漏斗形鋁土礦，具有白色多孔狀碎屑狀鋁土礦—暗色鋁土巖或含豆鮞致密狀鋁土礦的6個旋回，表明鋁土礦形成時期經(jīng)歷了多期次的淋濾旋回(Wengetal.， 2019；Yuetal.， 2019a)。

圖 5 黔北務(wù)正道地區(qū)早二疊世鋁土礦的動態(tài)成礦模式Fig.5 Dynamic metallogenic model of bauxite deposit of the Early Permian in Wu-Zheng-Dao area，northern Guizhou Province

因此，作者認為，沉積型鋁土礦并非在沉積盆地內(nèi)部水下形成的，而主要是在同生或準(zhǔn)同生期陸表大氣暴露條件下形成的。沉積作用僅僅提供了形成鋁土礦的物質(zhì)基礎(chǔ)，淋濾作用才是鋁土礦形成的真正原因，故稱陸表淋濾作用。如黔北務(wù)正道地區(qū)的鋁土礦，主要分布于晚古生代冰期的小冰期—小間冰期海平面波動間歇暴露—淹沒的半封閉海灣周圍的濕地環(huán)境。晚石炭世，該區(qū)絕大部分暴露陸表，風(fēng)化殼上的殘坡積物部分搬運到低洼地區(qū)(圖 5-A)。早二疊世，隨著海平面上升，在黔北地區(qū)形成一半封閉海灣。在小間冰期高水位期，濕地被淹沒，來自陸地的風(fēng)化殼的殘坡積物搬運到濕地低洼地區(qū)(圖 5-B)。在小冰期低水位期，濕地暴露，沉積物遭受淋濾成礦(圖 5-C)。如此多旋回的海平面變化，形成多期次由淋濾作用形成的高品質(zhì)鋁土礦層。

2.2 黔中震旦系陡山沱組磷礦的三階段成礦作用(實例2)

貴州“開陽式”磷礦為中國磷礦“三陽開泰”(貴州開陽、云南昆陽、湖北襄陽)之一，是世界上最富的磷礦之一，磷礦石平均品位可達35%?！伴_陽式”磷礦含礦巖系為震旦系陡山沱組(或洋水組)，底板地層為新元古代下江群清水江組淺變質(zhì)砂板巖或澄江組(或馬路坪組)的紫紅色砂泥巖，頂板為燈影組白云巖。黔中地區(qū)陡山沱組可以分為4段，大致與湖北峽東地區(qū)的陡山沱組1段—4段可以對比(Zhuetal.， 2013；楊愛華等，2015)。陡山沱組第1段在開陽地區(qū)為細碎屑巖、含錳白云巖，甕安—福泉地區(qū)為蓋帽白云巖，第2段為A礦層磷塊巖，第3段為夾層白云巖，第4段為B礦層磷塊巖(陳國勇等，2015；張亞冠等，2016)。貴州震旦紀陡山沱組磷礦主要分布于開陽、甕安、福泉一帶，在遵義、丹寨等地也有低品質(zhì)的磷礦分布。過去對磷礦和含磷巖系的沉積環(huán)境有潮坪、潟湖、海灣、臺地等不同的認識(王硯耕和朱士興，1984；吳祥和等，2000；密文天等，2010)。

A—磷礦底板等厚度圖；B—A礦層等厚度圖；C—夾層白云巖等厚度圖；D—B礦層等厚度圖(B、C、D圖礦區(qū)同圖A)圖 7 黔中地區(qū)震旦紀陡山沱組含磷巖系等值線圖Fig.7 The isoline maps of phosphate ore deposits of the Sinian Doushantuo Formation in central Guizhou Province

A—含磷巖系古地理圖；B—區(qū)域古地理背景圖；C—開陽地區(qū)沉積剖面圖；D—甕安地區(qū)沉積剖面圖圖 8 黔中地區(qū)震旦紀陡山沱組磷礦古地理圖Fig.8 Palaeogeographic map of phosphate deposits in the Sinian Doushantuo Formation of central Guizhou Province

圖 9 貴州開陽馬路坪剖面陡山沱組磷礦層質(zhì)量平衡測算淋濾風(fēng)化元素遷移示意圖(原始數(shù)據(jù)見張亞冠，2019)Fig.9 Diagrams showing mass changes that occurred during leaching of the Doushantuo phosphatic successions in Kaiyang Maluping profile, Guizhou Province (data from Zhang，2019)

生物或生物化學(xué)富磷作用無疑是主要的富磷機制(F?llmi，1996；Compton，2000；Pufahl and Groat，2017)，但生物富磷作用往往不能形成具有工業(yè)價值的磷礦床，更不能形成富磷礦(Filippelli，2011；Pufahl and Groat，2017)。傳統(tǒng)認為，貴州震旦紀磷塊巖的沉積成礦主要由單一的生物作用形成。詳細的研究表明，開陽地區(qū)的磷礦全部由碎屑磷塊巖組成，幾乎未見原生成因的生物作用磷塊巖或泥晶磷塊巖，甕安—福泉地區(qū)的磷礦也主要由碎屑磷塊巖組成。碎屑磷塊巖礦層中發(fā)育大型的交錯層理和平行層理(圖 6-A，6-D)，顯然受水動力作用改造明顯。從礦石品位上看，遵義松林內(nèi)陸棚和丹寨松林外陸棚的泥晶磷塊巖、生物球粒磷塊巖品位一般小于25%，甕安、福泉地區(qū)的致密狀碎屑磷塊巖一般品位小于35%，而開陽和甕安、福泉地區(qū)的孔洞狀、渣土狀碎屑磷塊巖品位一般大于35%，最高可達40%左右。沉積相和古地理分析表明，開陽地區(qū)位于黔中古陸北側(cè)的無障壁海灘環(huán)境，前濱和上臨濱環(huán)境為高品位碎屑狀礦石的主要富集區(qū)，甕安—福泉高能海灣同樣是富磷礦的主要分布區(qū)(圖 8)，也反映黔中地區(qū)震旦紀陡山沱組的磷塊巖主要形成于濱岸高能環(huán)境。

對碎屑磷塊巖精細的結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，一般的碎屑磷塊巖具有磷灰石和白云石2種膠結(jié)物(圖 6-G，6-H，6-I)，而最高品位的磷礦石主要有2種類型： 一是含大量溶蝕孔洞的碎屑狀磷塊巖，幾乎沒有白云石膠結(jié)物；二是渣土狀磷塊巖，其膠結(jié)程度極差。2類高品位磷塊巖在露頭剖面、礦井剖面和鉆孔剖面均有發(fā)育，反映了碎屑狀磷塊巖沉積成礦后又經(jīng)歷了淋濾作用的第2次改造富集。開陽地區(qū)陡山沱組以未淋濾的砂屑磷塊巖為標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量平衡計算圖(圖 9)顯示，陡山沱組磷塊巖以地層中部和頂部2個喀斯特面為標(biāo)志面發(fā)育2個完整的淋濾循環(huán)，代表碳酸鹽膠結(jié)物成分的Ca、Mg元素遷移虧損量最高，Mn也存在明顯遷移。而P元素自淋濾帶到暴露帶逐漸由虧損轉(zhuǎn)變?yōu)楦患?，但與Ca、Mg等元素虧損量相比整體均表現(xiàn)為富集，且越靠近淋濾面附近P元素越為富集。由于Al、Ti等穩(wěn)定元素遷移弱，形成殘余富集。Na、K主要賦存于殘余的黏土礦物中，遷移作用也不明顯，而陡山沱組受后期熱液硅化影響，Si在整個剖面中相對富集(圖 9)。

A—陡山沱組初期，冰期結(jié)束，持續(xù)海侵；B—陡山沱組早期，海侵，礦層沉積；C—陡山沱組中期，海退，礦層暴露、淋濾；D—陡山沱組晚期，海侵，礦層再沉積；E—燈影組初期，海退，礦層再次暴露、淋濾圖 10 黔中地區(qū)陡山沱組磷礦動態(tài)成礦模式(據(jù)張亞冠等，2016)Fig.10 The dynamic metallogenic model of phosphate deposits in Central Guizhou Province(after Zhang et al.，2016)

圖 11 黔中磷礦的三階段成礦過程(據(jù)Zhang 等，2019)Fig.11 Three stages in phosphate deposits formation of central Guizhou Province(after Zhang et al.，2019)

根據(jù)黔中地區(qū)震旦紀陡山沱組富磷礦的成因和成礦過程分析，可以建立富磷礦的動態(tài)成礦模式(圖 10)，恢復(fù)富磷礦的形成經(jīng)歷了3個階段的成礦作用過程(圖 11)。陡山沱組沉積初期，黔中古陸邊緣，受黔中古陸陸緣供給影響，形成濱淺海碎屑巖沉積，之上的海侵形成了含錳白云巖，構(gòu)成了含磷巖系的底板(圖 10-A)；陡山沱組沉積早期的海侵造成海平面上升，伴隨生物和生物化學(xué)富磷作用，形成A礦層的原生磷灰石富集(圖 10-B)；陡山沱組沉積中期，海退造成海平面下降，使早期形成的A礦層暴露或進入濱海(前濱—臨濱帶)，濱岸地區(qū)原生磷灰石受波浪簸選作用影響破碎形成角礫狀磷灰石碎屑，濱外地區(qū)形成夾層白云巖(圖 10-C)；陡山沱組沉積后期，新的海侵導(dǎo)致海平面上升，生物和生物—化學(xué)富磷作用形成B礦層；濱岸地區(qū)早期形成的A礦層被白云石膠結(jié)(圖 10-D)；陡山沱組沉積末期—燈影組沉積早期，大規(guī)模的海退導(dǎo)致又一次海平面下降，濱岸地區(qū)的A礦層再次暴露，淋濾作用導(dǎo)致白云石膠結(jié)物被淋濾，濱海前濱—臨濱帶的B礦層遭受波浪簸選形成B礦層的碎屑磷塊巖(圖 10-E)。

綜上所述，黔中地區(qū)震旦紀陡山沱組磷礦經(jīng)歷了3個階段的成礦作用過程(圖 11): (1)初始成礦作用： 由生物在水體上層氧化帶吸附磷進入沉積物，并在次氧化和還原環(huán)境下迅速釋放磷酸鹽并造成磷在孔隙水中的過飽和，形成原始的磷灰石自生沉積和富集。(2)簸選成礦作用： 由于海平面下降，初始形成的磷質(zhì)顆粒、結(jié)核、或紋層進入臨濱波浪帶甚至前濱帶，波浪簸選將泥質(zhì)沉積物、細碎屑沉積物簸選移離，形成磷塊巖的第1次富集。被水流簸選、搬運和聚集的磷質(zhì)碎屑顆粒再沉積過程中往往受第1期次的磷質(zhì)等厚環(huán)邊膠結(jié)和第2期次的粒間白云石膠結(jié)(Pufahl and Grimm，2003；Sheetal.，2013)，形成獨特膠結(jié)結(jié)構(gòu)的碎屑顆粒狀磷塊巖類型。(3)淋濾成礦作用： 海平面的持續(xù)下降造成了先前形成的砂屑磷塊巖遭受暴露作用，淋濾了第1次簸選富集形成的碎屑狀磷塊巖中白云質(zhì)膠結(jié)物和活動元素形成的其他礦物，形成了孔洞狀和渣土狀的富磷礦(杜遠生等，2018a；張亞冠等，2019)。三階段成礦作用伴隨海平面變化多期次交替進行，在處于淺水海灘的開陽地區(qū)，陡山沱中期海退時期未發(fā)育夾層白云巖，而是使初期成磷、簸選作用形成的A礦層直接暴露于地表之上，隨后的海侵過程中形成的B礦層磷塊巖直接覆蓋于A礦層之上，造成A、B礦層合并，并在陡山沱末期再次遭受暴露淋濾作用，最終形成具有極高品位的磷礦層。

2.3 重大地質(zhì)事件與成礦事件耦合關(guān)系概述

沉積礦產(chǎn)的形成是成礦工業(yè)元素或工業(yè)礦物的超常富集，多數(shù)沉積礦產(chǎn)的形成是一種成礦事件。這種成礦事件通常與全球或局域重大地質(zhì)事件相耦合。如Rodinia超大陸裂解與華南南華紀“大塘坡式”錳礦，新元古代冰期—間冰期氣候變化、新元古代氧化事件(NOE)與新元古代“大塘坡式”錳礦，晚古生代冰期與中國石炭紀—二疊紀鋁土礦均存在耦合關(guān)系。

2.3.1 重大地質(zhì)事件與華南南華紀“大塘坡式”錳礦的耦合關(guān)系

新元古代早期全球重大地質(zhì)事件和大規(guī)模成錳作用的集中爆發(fā)期，包括： (1)Rodinia超大陸的裂解。中新元古代之交(1000iMa左右)大規(guī)模的格林威爾運動導(dǎo)致了全球眾多板塊拼合形成羅迪尼亞(Rodinia)超大陸。羅迪尼亞超大陸從新元古代中期開始發(fā)生裂解，形成大量裂谷盆地系統(tǒng)(Goddérisetal.， 2003；Bogdanovaetal.， 2009)。(2)新元古代冰期—間冰期的氣候事件。新元古代冰期是一次重要的全球冰室氣候，尤其是發(fā)育于720—654iMa的Sturtian冰期和640iMa左右的Marinoan冰期被認為是雪球事件的原因(Hoffman，1998；Spenceetal.， 2016；Hoffmanetal.， 2017)。(3)新元古代大氧化事件(NOE)，繼古元古代(2300iMa)大氧化事件之后，大約在新元古代后期—早古生代初期(800—500iMa)，全球發(fā)生第2次大氧化事件(Canfield，2005；Lyonsetal.， 2014)，當(dāng)時地球大氣圈中的氧含量持續(xù)上升，最終在5×108年左右到達現(xiàn)代大氣氧含量60%～100%。(4)大規(guī)模成錳事件。新元古代Sturtian冰期—冰后期(720—640iMa)，全球集中發(fā)育一系列沉積型錳礦，如納米比亞Otjozondu錳礦、巴西Santa Cruz錳礦、巴西Urucum錳礦、印度Adilaba錳礦(Roy，1981，2006；Urbanetal.， 1992)、華南大塘坡式錳礦等(周琦等，2013)。這些重大地質(zhì)事件與大規(guī)模成礦事件是巧合關(guān)系還是耦合關(guān)系，是一個值得探討的科學(xué)問題。

初步的研究表明，華南新元古代南華紀(成冰紀)大規(guī)模的成錳作用與Rodinia超大陸裂解和南華裂谷的形成演化、新元古代Sturtian冰期—冰后期的氣候波動及新元古代氧化時間(NOE)具有內(nèi)在聯(lián)系和耦合關(guān)系(圖 12)?！按筇疗率健绷忮i礦形成于新元古代古城冰期之上的大塘坡組底部，錳礦層中的凝灰?guī)r鋯石U-Pb同位素年齡為約660iMa(余文超等，2016；Zhouetal.， 2019)，錳質(zhì)來源于深部氣液流體(Yuetal.， 2016b)。首先，華南地區(qū)新元古代—早古生代位于羅迪尼亞超大陸北部(Xuetal.， 2014；Qietal.， 2018)，南華紀時期，受羅迪尼亞超大陸裂解影響，大致沿江南造山帶形成北東東向的南華裂谷(杜遠生等，2015b；周琦等，2016)。湘黔渝地區(qū)的南華裂谷可分為北部的武陵次級裂谷、懷化隆起和南部的雪峰次級裂谷。武陵次級裂谷的盆地結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在一系列地壘和地塹盆地(杜遠生等，2015b；周琦等，2016)，地壘區(qū)大塘坡組底部發(fā)育蓋帽白云巖，地塹區(qū)相變?yōu)槌练e型錳礦(Yuetal.， 2017)。“大塘坡式”錳礦既受北東東向地塹盆地控制，也受深部氣液流體(提供錳質(zhì))的噴溢口控制。周琦等(2013，2017)劃分出中心相、過渡相、邊緣相。其中以具軟沉積變形、含瀝青充填的氣泡狀、塊狀礦石為標(biāo)志的中心相被認為由熱液噴溢為主的內(nèi)生作用形成(周琦等，2017)；具沉積紋層的條帶狀礦石為標(biāo)志的過渡相由外生沉積作用形成。其次，沉積型錳礦主要形成于堿性、弱氧化條件。CIA(化學(xué)風(fēng)化指數(shù))指示以黑色頁巖和菱錳礦為特色的大塘坡組底部含錳巖系存在小冰期—小間冰期的氣候波動和間歇性的氧化過程，海底的氧化可能與小冰期的高比重冷水隨裂谷盆地斜坡重力流下沉到海底造成海底充氧有關(guān)(Wangetal.， 2019；Maetal.， 2019)。再次，在羅迪尼亞超大陸拼合與裂解過程中，陸表硅酸鹽風(fēng)化作用加強，從而會大量消耗大氣圈中二氧化碳，并為海洋初級生產(chǎn)力生物提供營養(yǎng)物質(zhì)，最終導(dǎo)致二氧化碳含量下降與氧氣含量的上升(Campbell and Squire，2010；Shields-Zhou and Och，2011；Och and Shields-Zhou，2012)。Yu等(2019b)發(fā)現(xiàn)黔東南華紀大塘坡組沉積型錳礦主要由微生物成礦作用形成，其中微生物氧化固定錳離子階段需要水體處于氧化—次氧化條件，與Wang等(2019)及Ma等(2019)提出的南華紀冰期—間冰期的氣候轉(zhuǎn)換引起的海洋氧化還原條件變化相吻合。黔東“大塘坡式”錳礦成礦與重大地質(zhì)事件的耦合關(guān)系的理論創(chuàng)新，尤其是北東東向裂谷地塹盆地和以噴溢口為中心的錳礦相帶分布規(guī)律的新認識，指導(dǎo)了黔東錳礦的找礦勘探，實現(xiàn)了錳礦找礦的重大突破，2012年以后，黔東松桃地區(qū)新增錳礦儲量約6.6×108t。

圖 12 黔東“大塘坡式”錳礦與重大地質(zhì)事件的耦合關(guān)系Fig.12 Coupling relationship between major geological events and “Datangpo type”manganese ore

2.3.2 晚古生代冰期與中國石炭紀—二疊紀鋁土礦的耦合關(guān)系

晚古生代冰期(Late Paleozoic Ice Age，LPIA)是地質(zhì)歷史時期全球持續(xù)時間最長的一次冰室氣候期，持續(xù)時間約120iMa，冰蓋系統(tǒng)主要位于南半球的岡瓦納大陸，冰蓋分布呈現(xiàn)多中心特點，冰期演化呈現(xiàn)多旋回的冰期—間冰期特點，全球海平面出現(xiàn)高頻次變化(Rygeletal.， 2008；Isbelletal.， 2012;Montaez and Poulsen，2013)。中國的原生鋁土礦主要分布于石炭紀—二疊紀，時間上與晚古生代冰室氣候吻合。綜合對比分析研究表明，貴州早石炭世杜內(nèi)期的“豐源層”鋁土礦、黔中—遵義早石炭世韋憲期九架爐組的鋁土礦、華北晚石炭世本溪組的鋁土礦、黔北務(wù)正道地區(qū)早二疊世大竹園組鋁土礦與廣西德?！肝魍矶B世合山組底部鋁土礦，分別對應(yīng)于晚古生代冰期的啟動期和3個主冰期(Yuetal.， 2019a)。晚古生代冰期時，華南、華北板塊位于古特提斯洋東部近赤道地區(qū)，石炭紀—二疊紀的貴州乃至華南、華北的鋁土礦明顯受晚古生代冰期—間冰期的氣候與海平面變化影響(Yuetal.， 2019a)。以貴州石炭紀九架爐組鋁土礦為例，由于受冰期—間冰期氣候波動(溫度變化與冰蓋消長)的影響，全球海平面發(fā)生高頻次大幅升降。當(dāng)冰期海平面下降時，造成了黔中地區(qū)古大陸暴露，從而為鋁土礦成礦作用的產(chǎn)生提供了基本條件。間冰期海平面上升時，引起陸地被海水淹沒，鋁土礦成礦作用停滯或減緩。早古生代后期，黔中地區(qū)形成廣泛的黔中古陸，黔中古陸的碳酸鹽巖發(fā)育強烈的喀斯特化，形成了北(遵義)高南(清鎮(zhèn)—修文)低的古地貌格局，因此在遵義一帶喀斯特漏斗發(fā)育，而近海的清鎮(zhèn)、修文一帶為喀斯特洼地。早石炭世時期，該區(qū)處于熱帶輻合帶濕熱的氣候條件，有利于風(fēng)化形成初始風(fēng)化產(chǎn)物，之后這些風(fēng)化物質(zhì)被搬運到喀斯特漏斗和喀斯特洼地等負地形中，進一步在原地經(jīng)受強烈的化學(xué)風(fēng)化，形成鋁土礦沉積。由氣候波動導(dǎo)致的降雨量變化，引起地下水水位的旋回性波動，形成早期風(fēng)化堆積物的多旋回暴露，強烈的淋濾作用在滲流帶形成高品質(zhì)的鋁土礦。因此，中國石炭紀—二疊紀的鋁土礦與晚古生代全球冰室氣候具有很好的耦合關(guān)系(圖 13): 冰期海平面下降造成古陸暴露形成成礦空間，高溫、潮濕的氣候條件引起強烈的化學(xué)風(fēng)化。旋回性的氣候變化導(dǎo)致地下水水位升降引起古水文系統(tǒng)的波動。古水文系統(tǒng)的波動導(dǎo)致旋回性的淋濾作用的產(chǎn)生，從而形成高品質(zhì)的鋁土礦(杜遠生等，2015a；Yuetal.， 2019a)。

圖 13 中國石炭紀—二疊紀鋁土礦與重大地質(zhì)事件的耦合關(guān)系Fig.13 Coupling relationship between major geological events and bauxite deposits from the Carboniferous to Permian in China

3 結(jié)論和建議

礦產(chǎn)沉積學(xué)是沉積礦產(chǎn)和沉積學(xué)的一個交叉學(xué)科方向，屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究。礦產(chǎn)沉積學(xué)以含礦巖系或礦石為研究對象，既要重點解決沉積礦產(chǎn)找礦勘探中的基礎(chǔ)沉積學(xué)問題，也可以將成礦事件和重大地質(zhì)事件相結(jié)合，揭示重大地質(zhì)事件與成礦事件的內(nèi)在聯(lián)系。因此，礦產(chǎn)沉積學(xué)是一個具有很大發(fā)展?jié)摿?、遠景廣闊的新的學(xué)科方向。要發(fā)展該學(xué)科方向，需要注意如下問題：

1)優(yōu)勢互補，強強聯(lián)合。相對于沉積學(xué)其他學(xué)科方向，礦產(chǎn)沉積學(xué)研究隊伍偏小且較分散。組織“產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合攻關(guān)的研究團隊十分必要。許多沉積礦產(chǎn)，除了露天開采的露頭開采面之外，地表樣品幾乎都受到近現(xiàn)代風(fēng)化作用影響，原始的地質(zhì)信息不同程度的丟失。生產(chǎn)單位獲得大量的鉆井編錄資料和鉆孔巖心是十分寶貴的實物資料，應(yīng)該得到充分引用。礦產(chǎn)工作者對沉積環(huán)境和沉積作用的理解不深刻，沉積工作者對成礦作用了解不深入，也阻礙了礦產(chǎn)沉積學(xué)的深化研究。以“產(chǎn)學(xué)研”團隊的方式，優(yōu)勢互補，可以達到強強聯(lián)合的目的。

2)拓展領(lǐng)域，深化主題。目前礦產(chǎn)沉積學(xué)研究中，研究力量相對分散，長期系統(tǒng)研究的礦種偏少。許多重要礦種，譬如沉積型鐵礦、重晶石礦、沉積型多金屬礦，還有進一步的深化空間。因此，擴大對風(fēng)化沉積型大宗戰(zhàn)略礦產(chǎn)(如氧化錳、近現(xiàn)代風(fēng)化殼和堆積型鋁土礦)與關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)(如風(fēng)化型Li、Ga、REE礦床)、其他重要沉積礦產(chǎn)(如沉積型鐵礦、重晶石、鹽類礦產(chǎn)等)及熱液沉積型多金屬礦產(chǎn)(如釩及鉛鋅金銀等)的系統(tǒng)研究，不僅可以完善礦產(chǎn)沉積學(xué)的研究領(lǐng)域，取得成礦理論的創(chuàng)新，或許對指導(dǎo)找礦也具有指導(dǎo)意義。

3)擴大視野，力求創(chuàng)新。如前所述，成礦作用是一種特殊的地質(zhì)事件，通常和地質(zhì)歷史上重大地質(zhì)事件和區(qū)域地質(zhì)事件具有耦合關(guān)系。以現(xiàn)代地質(zhì)學(xué)的理論為指導(dǎo)，以礦石或含礦巖系為研究對象，借助于高精度的現(xiàn)代分析測試技術(shù)和大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，礦產(chǎn)沉積學(xué)具有廣闊的理論發(fā)展空間。除了文中討論的鋁、錳和磷沉積礦產(chǎn)與重大地質(zhì)事件的耦合關(guān)系之外，還有一些可能的耦合關(guān)系可供考慮。如： (1)峨眉山大火山巖省(地幔柱)與遵義二疊紀錳礦的關(guān)系；(2)青藏高原隆升造成的西南地區(qū)季風(fēng)與西南地區(qū)風(fēng)化型錳、鋁及關(guān)鍵金屬礦產(chǎn)的關(guān)系；(3)青藏高原隆升形成的西北干旱氣候和鹽類礦產(chǎn)的關(guān)系；(4)滇黔桂右江(南盤江)盆地演化和鋁、錳及熱液沉積型鉛-鋅、金、銻等礦產(chǎn)的關(guān)系等。

致謝本研究成果是由中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)、貴州地礦局103地質(zhì)隊、106地質(zhì)隊、105地質(zhì)隊、115地質(zhì)隊、104地質(zhì)隊、102地質(zhì)隊、117地質(zhì)隊、貴州省地質(zhì)調(diào)查研究院、廣西地礦局地質(zhì)調(diào)查研究院和第4地質(zhì)隊等單位組成的研究團隊聯(lián)合研究的成果，貴州地礦局、廣西地礦局及所有上述單位在10余年的項目研究過程中給予無私的支持和幫助。在此一并表示感謝。