杜遠生 周 琦 張連昌 余文超

1 生物地質與環(huán)境地質國家重點實驗室，中國地質大學(武漢)地球科學學院，湖北武漢 430074 2 自然資源部基巖區(qū)礦產(chǎn)資源勘查工程技術創(chuàng)新中心，貴州貴陽 550081 3 貴州省地質礦產(chǎn)勘查開發(fā)局，貴州貴陽 550004 4 中國科學院礦產(chǎn)資源研究重點實驗室，中國科學院地質與地球物理研究所，北京 100029

沉積礦產(chǎn)是形成于沉積盆地或陸表，通過機械、化學、生物和生物化學等作用形成的具有工業(yè)元素異?；虺８患铱晒┤祟惱门c開采的工業(yè)礦物或巖石等。多數(shù)沉積礦產(chǎn)的形成代表著一種成礦事件。這種成礦事件通常與全球或巨域(地理上洲際的、地質上板塊或板塊之間的)重大地質事件密切相關或耦合。所謂“事件”，是指具有開始的突發(fā)性、過程的短暫性(瞬時性)、結果的突變性(災變性)的自然或人為過程，譬如戰(zhàn)爭、疫情、地震分別是政治事件、衛(wèi)生事件、自然事件。所謂“地質事件”，是指在地質歷史時期發(fā)生的具有地質記錄的自然事件，如地震、海嘯、風暴(臺風或颶風)、生物集群滅絕等。所謂“重大地質事件”，是指全球或巨域發(fā)生的、對全球具有重要影響的有地質記錄的地質事件，如古元古代大氧化事件(GOE)(Holland，2002)、新元古代氧化事件(NOE)(Och and Shields-Zhou，2012)、新元古代冰室氣候事件(Spenceetal.,2016；Hoffmanetal.,2017)、晚古生代冰室氣候事件(Shi and Waterhouse，2010；Montaez and Poulsen，2013)、造山旋回—超大陸聚合事件(李三忠等，2015)、超大陸裂解事件、中生代溫室事件(王成善，2006)、小行星碰撞事件(杜遠生等，2008)、生物集群滅絕事件(沈樹忠和張華，2017)、大火成巖省事件(徐義剛，2002)等等(圖 1)。所謂“耦合”，是指地質事件之間存在的因果關系。上述這些重大地質事件均具有開始的突發(fā)性、結果的突變性特征，雖然有的事件是持續(xù)時間較長的事件，但相對于漫長的地質歷史平靜期，也具有一定程度上的過程短暫性，這些事件相互之間可能也存在密切聯(lián)系，甚至是耦合關系(孫樞和王成善，2009；王成善等，2017；Skrimshire，2019)。

黃色代表幾個重要的成礦事件對應于其他事件；生物圈事件綠色代表生物爆發(fā)，紅色代表生物滅絕；成礦事件不同顏色代表不同礦種圖 1 重大地質事件與大規(guī)模沉積成礦作用關系Fig.1 Relationship between major geological events and large-scale sedimentary metallogensis

初步的研究發(fā)現(xiàn)，成礦事件或多或少與地質事件具有密切關系，甚至存在大規(guī)模成礦事件和重大地質事件之間的耦合關系，即大規(guī)模的沉積成礦作用發(fā)生于重大地質事件的某一特定時期，重大地質事件導致的成礦條件發(fā)生變化，促進了沉積成礦事件的發(fā)生。本專輯主題為“重大地質事件與大規(guī)模沉積成礦作用”，旨在通過沉積礦產(chǎn)與重大地質事件的耦合關系研究實例，推動礦產(chǎn)沉積學從沉積礦產(chǎn)的應用研究向基礎研究方向的延伸。

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，分布規(guī)模大，成礦理論簡單，找礦難度不大，所以一直不太受到重視。但在找礦勘探(尤其是勘查成本高的全隱伏深部找礦)的實踐過程中，鉆井見礦率低一直是困擾沉積礦產(chǎn)找礦的尖銳問題。許多沉積礦產(chǎn)找礦勘探基本上處于一種“瞎子摸象”、“運氣找礦”的狀態(tài)，重要的原因是礦床成因不清、規(guī)律不明，找礦勘探?jīng)]有科學的理論依據(jù)支撐。通過10余年的貴州、廣西等地鋁土礦、錳礦、磷礦等沉積礦產(chǎn)的研究，利用沉積學的基本原理和方法，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依據(jù)，并實現(xiàn)了錳礦、磷礦、鋁土礦的重大找礦突破。

值得注意的是，很多沉積礦產(chǎn)存在時空分布的特異性。

1)沉積型錳礦與裂谷型盆地相關，此處提出的裂谷型盆地，是廣義的具有伸展性質的盆地，以區(qū)別于嚴格意義上的裂谷盆地。由于沉積型菱錳礦的形成受氧化還原條件、堿度的控制，沉積型菱錳礦多形成于較淺的裂谷型盆地中。如非洲西部和南非古元古代(～2.4-2.0iGa)的菱錳礦礦床，巴西新元古代Santa Cruz錳礦均形成于陸內裂谷盆地環(huán)境(Roy，1981，2006；Urbanetal.,1992；Beukesetal.,2016)。華南南華紀“大塘坡式”菱錳礦形成于南華裂谷盆地中；遵義二疊系茅口組“遵義式”菱錳礦形成于與峨眉山地幔柱頂托形成的水城—遵義裂陷槽(臺溝)中；廣西宜州石炭紀“龍頭式”菱錳礦形成于丹池—宜州—鹿寨裂陷槽(臺溝)中；廣西下雷泥盆紀“下雷式”菱錳礦形成于下雷—東平裂陷槽(臺溝)中；廣西柳州—湖南永州二疊系孤峰組菱錳礦形成于北東向的湘桂裂陷槽中；重慶城口高燕寒武系菱錳礦形成于揚子地塊北緣的大陸邊緣裂谷盆地中；河北冀東中元古代菱錳礦形成于燕遼坳拉槽中；新疆西昆侖新發(fā)現(xiàn)的超大型菱錳礦、東天山石炭紀的景峽菱錳礦帶、寒武紀的巖灘—紅柳溝菱錳礦也有學者認為形成于裂陷盆地背景(杜遠生等，2015；Yuetal.,2016；周琦等，2016；張幫祿等，2018；劉志臣等，2019)。很顯然，沉積型菱錳礦與裂谷型盆地存在著成因之間的聯(lián)系。

2)沉積礦產(chǎn)與深時全球變化也存在時空的相關性。全球古元古代的BIF(Banded Iron Formation，簡稱BIF，即條帶狀鐵建造)形成于全球大氧化事件(GOE)前后；古元古代錳礦形成于大氧化事件期間(張連昌等，2012；Wangetal.,2014)；全球前寒武紀2次大成磷事件與分別形成于大氧化事件(GOE)之后、休倫冰期的冰后期和新元古代氧化事件(NOE)、Marinoan冰期之后；全球新元古代的菱錳礦形成于Sturtian冰期之后間冰期，或許與新元古代大氧化事件(NOE)存在某種關聯(lián)；古特提斯域的石炭紀—二疊紀的鋁土礦形成于晚古生代冰室(LPIA)氣候期。很顯然，這些沉積礦產(chǎn)與深時全球變化也存在成因之間的聯(lián)系。

3)一些沉積礦產(chǎn)呈現(xiàn)“條帶式”、“中心式”超常富集特征。條帶式分布很明顯受沉積成礦環(huán)境控制。中心式分布部分受古地貌控制，如貴州遵義、務正道鋁土礦(Wengetal.,2019；Yuetal.,2019a；Lietal.,2020)；部分受深部熱液噴溢中心控制，周琦等(2013)建立的以噴溢中心含瀝青充填的氣泡狀構造塊狀錳礦石為特色的中心相，以紋層狀礦石為特色過渡相和以含錳頁巖為特色的邊緣相的相模式，指導黔東全隱伏深部錳礦獲得重大找礦突破，2014年以來進行的勘查區(qū)鉆孔見礦率達到了100%。

鑒于上述特異的地質現(xiàn)象和沉積礦產(chǎn)與重大地質事件的聯(lián)系，有必要對大規(guī)模成礦作用與重大地質事件的關系進行深入探討。二者僅僅是“巧合”關系，還是“耦合”關系？這是本專輯關注的主要問題?，F(xiàn)以2個實例說明他們之間可能存在的耦合關系。

1)華南湘黔桂毗鄰區(qū)南華紀“大塘坡式”錳礦與Rodinia超大陸裂解(南華裂谷、深部熱液活動)、深時全球變化(Sturtian冰期、冰后期古氣候，NOE)的耦合關系。

新元古代是全球重大地質事件和大規(guī)模成錳作用的集中爆發(fā)期，包括：(1)Rodinia超大陸旋回，包括超大陸的聚合(1000iMa左右)和裂解(820iMa或720iMa之后)。(2)新元古代冰室氣候事件，包括2次全球雪球事件(720-654iMa的Sturtian冰期和640-635iMa的Marinoan冰期)。(3)新元古代(800-500iMa)的大氧化事件(NOE)。(4)新元古代大規(guī)模成錳事件(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)。這些重大地質事件與大規(guī)模成礦事件是巧合關系還是耦合關系，是一個值得探討的科學問題。

初步的研究表明，華南新元古代南華紀(成冰紀)錳礦包括內生成礦(以具瀝青充填的氣泡構造、軟沉積變形構造的塊狀礦石為特色)和外生成礦(以具微生物結構的沉積紋層的礦石為特色)2種礦石類型?！按筇疗率健卞i礦的大規(guī)模成錳作用與Rodinia超大陸裂解(南華裂谷的形成演化)、新元古代Stuetian冰期—冰后期的氣候波動及新元古代氧化時間(NOE)具有內在聯(lián)系和耦合關系，并形成2條耦合線：一是Rodinia超大陸裂解—南華裂谷的形成演化—深部富錳熱液噴溢—內生錳礦形成的耦合線(Wangetal.，2019)；二是Sturtian冰期—冰后期的氣候波動+新元古代氧化事件(NOE)—海底間歇性充氧—微生物成礦作用耦合線(Yuetal.,2017，2019b；Wangetal.,2020)(圖 2)。Rodinia超大陸裂解、新元古代冰室氣候與NOE之間或許存在成因聯(lián)系，此處不再贅述。

圖 2 黔東“大塘坡式”錳礦與重大地質事件的耦合關系 (據(jù)杜遠生等，2020；有修改)Fig.2 Coupling relationship between major geological events and “Datangpo type”manganese ore(modified from Du et al.,2020)

2)中國石炭紀—二疊紀鋁土礦與晚古生代冰室氣候背景下的海平面變化、古地貌演化、古水文系統(tǒng)、陸表淋濾成礦的耦合關系。

晚古生代冰期(Late Paleozoic Ice Age，LPIA)是地質歷史時期全球持續(xù)時間最長的一次冰室氣候期，冰蓋系統(tǒng)主要位于南半球的岡瓦納大陸，具有持續(xù)時間長(約120iMa)、多中心、多旋回特點。受LPIA影響，全球海平面出現(xiàn)高頻次變化。晚石炭世，南半球的岡瓦納大陸和北半球的勞俄大陸之間的瑞亞克洋關閉，形成海西(或華力西)造山帶，并形成了Pangea超大陸的雛形。雛形的Pangea超大陸內部鮮見石炭紀—二疊紀的鋁土礦，而位于古特提斯洋的中國原生鋁土礦發(fā)育，包括貴州的龍里杜內期“豐源層”、黔中—遵義的韋憲期“九架爐式”、華北的晚石炭世“山西式”、黔北的早二疊世“大竹園式”、廣西桂西的中—晚二疊世之交的“合山式”鋁土礦。中國石炭紀—二疊紀時間上與晚古生代冰室氣候吻合，分別對應于晚古生代冰期的啟動期、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)，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)。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。當冰期海平面下降時，造成了古大陸暴露、喀斯特化和巖溶低地貌(漏斗或洼地)的形成，為鋁土礦成礦作用的產(chǎn)生提供了沉積空間。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。由于這些地區(qū)處于熱帶輻合帶濕熱的氣候條件，有利于化學風化形成初始風化的殘坡積物，之后這些風化物質被搬運到喀斯特漏斗和洼地等負地形中形成鋁土礦的含礦巖系。由氣候波動導致的降雨量變化，引起地下水水位的旋回性波動，形成早期含礦巖系的多旋回暴露，強烈的陸表淋濾作用形成高品質的鋁土礦(杜遠生和余文超，2020)。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系(圖 3): 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風化。旋回性的氣候變化導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)的波動導致旋回性的淋濾作用的產(chǎn)生，從而形成高品質的鋁土礦。

圖 3 中國石炭紀—二疊紀鋁土礦與重大地質事件的 耦合關系(據(jù)杜遠生等，2020)Fig.3 Coupling relationship between major geological events and bauxite deposits from the Carboniferous to Permian in China (after Du et al.,2020)

值得指出的是，重大地質事件，包括超大陸旋回事件、深時全球變化，已經(jīng)取得大量的研究成果。但以沉積礦產(chǎn)為研究對象，或與大規(guī)模成礦作用相結合，還處于起步階段，積累的研究成果尚不多。本專輯也僅僅提供有限的研究實例，研究深度也有待提升。但相信本專輯可以起到一個“拋磚引玉”的作用，能促進更多的專家學者關注礦產(chǎn)沉積學、關注大規(guī)模成礦作用與重大地質事件的關系，探索二者更多的耦合過程，促進沉積學和礦產(chǎn)沉積學的學科發(fā)展。