王立成, 刘成林, 张 华
中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037
华南地块震旦纪晚期—早寒武世古大陆位置暨灯影组蒸发岩成钾条件分析
王立成, 刘成林, 张 华
中国地质科学院矿产资源研究所, 国土资源部成矿作用与资源评价重点实验室, 北京 100037
海相钾盐的形成需要构造、气候和成钾物源三者的耦合作用, 而构造是首要控制因素。华南地块发育震旦晚期—早寒武世灯影组海相蒸发岩, 本文通过古大陆位置、古纬度和古气候、古地理以及古海水成分等文献综合分析, 提出灯影组沉积时期, 华南地块位于印度大陆西北缘, 是冈瓦纳大陆的一部分。华南地块灯影组沉积与印度、巴基斯坦、阿曼、伊朗等地的同时期沉积相似, 并形成一个巨型的碳酸盐台地, 其中发育众多的局限盐盆地蒸发岩, 古气温最高可达40℃。同时, 通过与巴基斯坦盐岭地区含钾蒸发岩盐岭组的构造-沉积背景对比, 表明两者均为冈瓦纳大陆北缘被动大陆边缘盆地沉积, 具有相似的蒸发岩沉积序列和形成条件。因此, 综合来看, 认为华南地块灯影组具有必要的成钾条件。
华南地块; 灯影组; 古大陆位置; 蒸发岩
世界上的大部分钾盐资源都形成于海相沉积环境。几乎所有巨型石盐和钾盐沉积层是巨量海水渗入封闭-半封闭凹陷后蒸发析出形成(Warren, 2010)。这些巨厚的蒸发岩建造的形成, 还有赖于构造与气候的特殊配合。从国外大型钾盐矿的形成背景来看,海相钾盐的形成需要三大条件: 大型封闭盆地; 持续平衡的海水补给; 长期干旱-极端干旱的气候(刘成林等, 2010)。显生宙以来每次造山运动和洋盆的打开, 都伴有巨量盐类沉积(Warren, 2010), 这显示出构造运动是控制大多数蒸发岩分布的首要因素。地质历史中有两次大的石盐沉积时期, 一次是从二叠纪三叠纪之交到早侏罗世末期, 约有 40%的显生宙的石盐沉积; 另一次就是在新元古代末期到早古生代期间(700—500 Ma)(Knauth, 2005), 前者与全球Pangea大陆的碰撞拼贴相关, 后者则与 Ronidia超级大陆解体后的冈瓦纳大陆形成相关。同时, 这两个时期也蕴藏着丰富的钾盐资源(刘成林等, 2006;刘成林, 2013)。
中国是由若干小陆块、微陆块和造山带拼合而成, 海相盆地规模较小, 同时古板块比较活动(郑绵平等, 2010), 这些特殊性和复杂性制约了海相钾盐勘探。因此, 对古板块发展演化、岩相古地理、古气候等条件的研究对于中国古陆块的进一步海相找钾显得尤为重要。华南地块主要发育晚震旦世、早—中寒武世和早—中三叠世三个时期的蒸发岩(郑绵平等, 2010, 2012)。但由于晚震旦世—寒武纪石盐层埋藏较深, 多在3000~4000 m以下, 找钾难度大,宜开展预研究, 积累找钾资料(郑绵平等, 2006)。本文根据新近发表的资料, 分析了华南地块震旦纪晚期—早寒武世华南地块的古大陆位置、古气候和古海水化学特征, 进而通过蒸发岩的沉积特征与巴基斯坦盐岭含钾蒸发岩进行对比, 探讨其成钾条件。
扬子(Yangtze Block)和华夏地块(Cathaysia Block)经过 Rodinia超级大陆聚合形成了华南地块(South China Block, SCB)(Zhao et al., 2011)。按照国际文献的惯例, 称聚合后的地块为SCB。
新元古代—早古生代SCB的位置一直存有争议(Li et al., 1995, 2002; Yang et al., 2004; Yu et al.,2008; Wu et al., 2010; Duan et al., 2011, 2012), 争议的焦点主要是该时期SCB是位于澳大利亚大陆西侧,作为冈瓦纳大陆的一部分还是在澳大利亚大陆东侧的一个分离的块体。
Li等(1995, 2002)提出SCB可能是澳大利亚和劳伦大陆之间的孤立块体, 将其置于澳大利亚东部和劳伦大陆西北之间。Zhang等(1997)建议早古生代SCB应在澳大利亚西北部。Evans等(2000)根据三峡地区新元古代莲沱组沉积物的古地磁研究, 提出了新的高质量的 Z1古地磁极(750 Ma), 并认为 Li等(1995)和Zhang等(1997)提出的重建对于750 Ma的古地理都是无效的。Huang等(2000a)通过古地磁数据的总结, 推断在早寒武世, 华北、华南和塔里木均邻近于东冈瓦纳的南半球低纬地区。Macouin等(2004)通过晚新生代南沱冰碛岩和上覆的陡山沱组碳酸盐的古地磁和同位素研究表明, SCB位于邻近澳大利亚西部, 是冈瓦纳大陆的一部分。同样地,Yang等(2004)对扬子地块西北四川盆地中寒武世沉积物的古地磁研究, 获得的高质量数据也建议将SCB置于澳大利亚西北部。造成长期以来这种争议的主要原因在于, 缺少高质量古地磁数据, 目前在SCB仅获得3个高质量的古地磁极(Evans et al., 2000;Huang et al., 2000b; Yang et al., 2004), 因此需要在SCB中获得更加可靠的高质量的古地磁数据, 特别是 700—500 Ma之间的古地磁数据(Evans et al.,2000)。
近年来, 不少学者利用碎屑锆石年龄和 Lu-Hf同位素体系进行物源区的精确对比来约束SCB的位置, 但仍有分歧。Wu等(2010)通过武夷山褶皱带新元古代末期—奥陶纪地层碎屑锆石分析, 认为 SCB有明显的劳伦大陆亲缘性而不是冈瓦纳大陆。不过多数学者支持 SCB的冈瓦纳大陆亲缘性。Yu等(2008)通过对华夏地块新元古代晚期碎屑锆石的U-Pb年龄和Lu-Hf同位素研究, 认为SCB在新元古代晚期与东印度—东南极洲相连, 而不是在澳大利亚东部和西劳伦大陆之间。Wang等(2010)的碎屑锆石研究也表明华夏地块是东冈瓦纳大陆北缘的一部分。Hofmann等(2011)通过对比SCB和印度小喜马拉雅新元古代末期砂岩碎屑锆石年龄组成, 认为两个地块在新元古代经历了至少一次同时的地壳生长,并且两者的被动陆缘均有同样的物源, 因此表明了印度和SCB是彼此靠近的。Duan等(2011, 2012)通过对下志留统石英砂岩碎屑锆石和 Hf同位素研究,也同样表明在东冈瓦纳大陆聚合期间, SCB应该是作为东冈瓦纳大陆的一部分, 与印度北部和澳大利亚西部相连。
震旦纪晚期—寒武纪早期, 西至波斯湾, 经伊朗、阿曼至印度、巴基斯坦, 存在着一个巨型的含盐盆地(吴必豪, 1995), 而这些含盐盆地的形成与冈瓦纳大陆的裂离作用相关。Banerjee等(1999)指出, 通过 SCB与小喜马拉雅、Rajasthan西部、伊朗和阿拉伯部分地区岩石组合相似性的对比, 可以用来约束新元古代晚期的古地理重建。Nie(1991)通过气候敏感沉积物的分布研究, 并结合古地磁和生物古地理分析, 认为 SCB在早古生代是东冈瓦纳大陆的一部分。McKerrow等(1992)利用磷块岩和蒸发岩的分布, 将 SCB置于邻近印度—伊朗—阿拉伯大陆的位置。Jiang等(2003)通过小喜马拉雅和华南地块的震旦纪晚期(590—543 Ma)的地层对比发现在震旦纪晚期, SCB已经位于临近印度大陆西北的位置。
表1列出了中东伊拉克、阿拉伯湾、阿曼、伊朗到印度、巴基斯坦和四川长宁震旦纪晚期—早寒武世地层沉积特征对比。该时期地层均为一套被动大陆边缘典型的浅海环境的碳酸盐岩-蒸发岩沉积组合。印度Rajasthan西部的Nagaur-Ganganagar盆地广泛发育Hanseran蒸发岩群, 厚达652 m的蒸发岩层由7个蒸发岩旋回组成, 每个旋回含有硬石膏、石盐、杂卤石以及钾石盐等(Mazumdar et al., 2006)。波斯湾的很多盆地也有新元古代末期—早寒武世的蒸发岩沉积 Hormuz盐组及其对应地层, 其中尤以阿曼该时期的蒸发岩沉积最为著名。阿曼 Huqf群Ara组蒸发岩只在钻孔发现, 由两个序列组成, 下部为蒸发岩序列, 由厚层的石盐及伴生的硬石膏、页岩、粉砂岩和薄层碳酸盐岩组成; 上部为白云岩和灰岩夹硬石膏的碳酸盐序列(Gorin et al., 1982)。而在伊朗, Hormuz盐组变为含石膏的白云岩、灰岩、燧石和粉砂质页岩(Alsharhan et al., 1997)。进一步通过蒸发岩沉积对比, 可以发现阿曼—印度—巴基斯坦—长宁地区的蒸发岩具有相似性, 出现较一致的蒸发岩矿物组合, 如石膏、硬石膏、石盐, 以及白云岩和灰岩, 并且具有相似的蒸发沉积序列, 即从白云岩—硬石膏—石盐—钾盐的序列(图1)。这些海相蒸发岩沉积都是在新元古代晚期或是早寒武世早期,沿着冈瓦纳大陆北缘, 在宽广的碳酸盐陆棚上彼此极其接近的裂谷地堑中形成(Peters et al., 1995)。因此,可以推断该时期SCB与印度、阿拉伯同处于位置相邻且构造背景一致的位置(图2)。
除了在古大陆重建中常用的古地磁、碎屑锆石年龄和沉积学手段外, 还有多位学者从其它角度进行了研究。颜丹平等(2002)发现扬子地块西缘出露的一系列变质杂岩为一套主体为与俯冲板块有关的岛弧型岩浆杂岩, 形成时代为726~864 Ma, 并与印度西北的变质岩浆杂岩带具有完全一致的构造属性,显示了SCB亲冈瓦纳大陆的属性。Zheng(2004)获得了华南地块东北缘榴辉岩和花岗片麻岩锆石年龄700~800 Ma, 并且锆石δ18O较低, 对应于扬子北缘Ronidia裂解的双峰岩浆活动, 与印度、马达加斯加等完全一致性, 因此将SCB置于冈瓦纳东缘靠近印度的位置。
表1 中东、印度和巴基斯坦与华南长宁地区震旦纪晚期—早寒武世地层Table 1 Late Sinian-Early Cambrian stratigraphy of Middle East, India, Pakistan and South China
古生物亲缘性的研究也一直是古大陆重建的传统方法。Ediacaran纪小壳动物群的出现是新元古代末期—早寒武世的重要事件, Steiner等(2007)表明SCB早寒武世小壳生物化石大部分物种与塔里木有很强的相似性, 另外少部分物种与印度、伊朗具相似性。
因此, 结合古地磁、碎屑锆石、沉积学以及古生物、同位素等证据, 尽管SCB的冈瓦纳或劳伦亲缘性之争还无定论, 但越来越多的研究者倾向于SCB的冈瓦纳大陆亲缘性。同时, 结合蒸发岩沉积对比, 本文认为在震旦纪晚期—早寒武世早期, 华南地块是冈瓦纳大陆的一部分, 很可能位于印度大陆的西北部(图2)。
尽管习惯上将华南地块灯影组归于晚震旦世,但根据李勇(2002)的最新资料, 灯影组是一个穿时地层单位, 其上部可以至早寒武世早期, 因此本文将华南地区的灯影组碳酸盐岩-蒸发岩沉积归于震旦纪晚期—早寒武世早期。这时期的蒸发岩主要见于上扬子。云南省地质矿产局(1990, 1996)报道在滇东灯影组下部见石盐假晶。据吴必豪(1995)研究, 四川长宁灯影组盐盆约20000 km2, 目前在宁1井和宁2井震旦系灯影组下部见石盐矿, 其中长宁1井见6层石盐, 厚39.5 m, 长宁2井见52 m厚的钙芒硝层以及厚达240 m的石盐层(魏东岩, 1999)。另外在湖北宜都、枝城灯影组也见有石膏和钙芒硝产出(郑绵平等, 2006)。
由于仅有长宁2井进行了岩屑录井和部分取芯,我们对整个灯影组蒸发岩沉积的了解目前也局限在长宁2井。灯影组含盐系厚约460 m, 自下而上依次为碳酸盐岩、硬石膏岩、石盐岩、硬石膏岩、碳酸盐岩, 构成一个完整的海相蒸发岩沉积旋回, 即由海水不断蒸发咸化的碳酸盐—硫酸盐—氯化物阶段,到咸化后的淡化氯化物—硫酸盐—碳酸盐阶段(吴必豪, 1995), 蒸发矿物组合包括白云石、硬石膏、钙芒硝和石盐, 并见脆钾铁矾, 整体以碳酸盐岩为主,仅存在 2~3个由白云岩-石盐的旋回, 厚度较小(图1), 属于灯影组一段沉积。前人资料显示, 石盐均为无色透明, 结晶粗大, 最大单晶达10 cm以上(中国盐业总公司勘探队, 1981)。
图1 阿曼—巴基斯坦—印度—华南长宁震旦纪晚期—早寒武世蒸发岩柱状图(阿曼资料据Alsharhan et al., 1997; 印度资料据Mazumdar et al., 2006; 巴基斯坦资料据Jones, 1970;华南长宁资料据中国盐业总公司勘探队, 1981)Fig. 1 Lithostratigraphic columns of Oman, Pakistan, India and Changning of South China in the Late Sinian–Early Cambrian period(Oman data after Alsharhan et al., 1997;India data after Mazumdar et al., 2006; Pakistan data after Jones, 1970; Changning of South China data after Geological Survey Party of China Salt Corporation, 1981)
图2 冈瓦纳大陆中华南地块位置复原(冈瓦纳大陆底图修改自Van der Voo, 1993; 华南地块位置参考Jiang et al., 2003; Duan et al., 2011)Fig. 2 Position of South China Block in the Gondwanaland configuration (Gondwana map modified after Van der Voo,1993; the position of SCB modified after Jiang et al., 2003;Duan et al., 2011)
晚震旦世陡山沱组沉积时期, 受莲沱组“雪球地球”冰川融化影响, 全球海平面普遍上升, 发生广泛海侵(万天丰, 2004)。同时, 本区的裂谷断陷发育阶段也结束, 开始了坳陷期碳酸盐台地的发育(Wang et al., 2003)。尽管全球海平面处于上升时期,但在局部地区相对海平面显示出变浅的趋势, 如贵州地区(梅冥相等, 2006)。而到了灯影组晚期, 扬子区开始了广泛的海侵(梅冥相等, 2006), 进入早寒武世筇竹寺期, 由于持续的拉张裂陷作用, 导致了海平面的最大上升, 灯影组碳酸盐台地被陆源黑色页岩所覆盖(水井沱组)(汪建国等, 2007)。灯影组沉积时期, 在上扬子地区广泛发育碳酸盐台地, 其中在台地中部的珙县、威信等地为萨布哈相, 在长宁发育白云岩、含膏白云岩、石盐岩、硬石膏岩等; 另外还发育有台地浅滩鲕粒白云岩、泻湖相薄层白云岩、粉砂质页岩等(马永生等, 2010)。
早期的古气候和古地磁研究表明, SCB在早寒武世位于北纬20°—30°之间(Nie, 1991)。Meert等(2008)的古地理重建表明SCB位于东冈瓦纳大陆北缘, 处于北纬 15°—35°的位置。Macouin等(2004)通过晚新元古代南沱冰碛岩和上覆的陡山沱组碳酸盐的古地磁和同位素研究表明, 在 600 Ma左右,SCB位于赤道以南, 古纬度 3°±4.5°。Yang等(2004)的古地磁研究表明, SCB位于赤道以北, 古纬度20°。前已述及, Yang等(2004)的古地磁极是目前SCB仅有的三个高质量古地磁极之一, 因此予以采信。
古温度的定量重建一般是基于同位素方法。Knauth(2005)通过氧同位素重建了前寒武纪大洋的温度历史, 表明从太古代到新元古代大洋温度经历了由70℃到30℃左右的降低。Robert等(2006)通过硅质岩的硅同位素研究恢复了前寒武纪大洋的古温度曲线, 表明在新元古代末期, 古海水温度在 30℃左右, 最高达 40℃。利用石盐包裹体进行古温度重建也获得了较为一致的认识。Meng等(2011)研究了长宁二井石盐的原生流体包裹体, 获得了最大的均一温度为39.4±1℃, 主要为20~25℃。
结合古纬度和古温度来看, 灯影组沉积时期SCB位于典型的副热带高压带内, 温度较高, 最高温度达40°, 形成了巨厚的盐类沉积, 因此利于海水的进一步蒸发浓缩, 形成钾盐矿物。
古大洋海水的化学成分在新元古代以来并不是一成不变(Lowenstein et al., 2001)。海水成分演化控制着海相钾盐的形成与演化(孟凡巍等, 2012)。一般而言, 海水中钙离子相对硫酸根离子高的“方解石海”时期, 海水蒸发形成石盐和钾石盐; 钙离子相对硫酸根离子低的“文石海”时期, 海水蒸发形成石盐和泻利盐。Kovalevych等(2006)通过盐岭地区新元古代末期盐岭组中重结晶石盐的流体包裹体分析表明, 在650 Ma海水富硫酸根, 而在530 Ma, 海水又恢复到富钙。因此, 在盐岭组沉积时期(有钾石盐和钾盐镁矾矿物), 古海水中钙离子相对较高。同样地, SCB灯影组时期的古海水也利于钾盐形成。
巴基斯坦含钾蒸发岩主要分布在巴基斯坦西部Rawalpindi省盐岭地区的东部, 含钾盐系称为盐岭组, 由于缺乏特征性的生物化石, 其时代尚不能确定, 因其在寒武系之下通常认为是寒武纪底部(Infracambrian), 如 Wensink(1972), Klootwijk等(1986)和 Khan等(1986), 包括新元古代晚期到早寒武世早期。盐岭组为一套无色-灰白色, 粉色和红色的岩盐夹少量的褐色页岩、粉砂岩和白色-灰色硬石膏和白云岩; 另外在盐岭组上部的白云岩和岩盐夹层中有3~5 m厚的凝灰岩和粗面熔岩; 代表了典型的正常海相蒸发岩序列(Jones, 1970)。盐岭组是一个以蒸发岩开始, 继而以非海相-海相沉积交互, 最后转为次生蒸发岩相的沉积序列(Kovalevych et al.,2006)。该组总厚度在地下超过2000 m(Gorin et al.,1982)。
上扬子盆地在震旦纪晚期—早寒武世是冈瓦纳大陆北缘的被动大陆边缘盆地, 由于在海岸带和浅海环境持续的海水蒸发, 形成了灯影组的蒸发岩沉积; 盐岭地区盐岭组的蒸发岩沉积也是在寒武纪前后, 印度北缘的被动大陆边缘盆地中局限浅海形成的。另外, 如图2所示, 从伊朗—阿曼—印度—长宁存在一个巨大的冈瓦纳大陆北缘的碳酸盐台地, 从Holmuz盐系、Ara组、Soltanieh组到盐岭组和灯影组, 都有厚层的碳酸盐岩沉积(表 1)。因此, 二者具有完全一致的大地构造背景和沉积环境。从沉积旋回来看, 盐岭组具有典型的海相蒸发岩序列, 在石盐沉积之后形成钾盐, 而长宁地区从仅有的一口取芯井来看, 也发育白云岩—硬石膏—岩盐的序列,还未见钾盐矿物; 并且盐岭组具多个成钾旋回, 而长宁地区从钻获地层来看, 厚层石盐沉积后却出现钙芒硝沉积(图1)。
一般而言, 成钾的有利构造环境是克拉通内的台地坳陷、被动大陆边缘、地堑带、裂谷-堑沟等(郑绵平等, 2010)。据统计, 浅海、陆棚内坳陷背景的钾盐占世界资源总量的64.90%; 地堑、裂谷和海湾盆地的资源占4.6%; 稳定地台、台内坳陷的资源量占29.31%(刘成林等, 2006)。华南地块灯影组沉积时期,尽管之前经历了Rodinia大陆拼贴、碰撞造山, 构造活动较强烈, 但都在其边缘, 而台地内部处于相对稳定环境, 属于典型的“构造亚稳定区的相对稳定区”, 因而扬子地块内的小坳陷相对稳定, 且属于冈瓦纳大陆北缘的被动大陆边缘。据 Warren(2010)统计, 地质历史上各时代的钾盐矿床都分布在南北纬5°—30°带内。这主要是由于副热带高压内持续的蒸发形成的干旱-极端干旱条件。从华南地块古纬度来看, 具有钾盐形成的古气候条件。另外, 巨量盐类的沉积都与大陆的拼合-离散相对应(Warren, 2010)。如前所述, 华南地块灯影组盐类沉积即是冈瓦纳大陆聚合裂解背景之下形成。另外, 华南地块在灯影组沉积时期位于印度大陆西北缘, 并且在中东—印度—华南的大型碳酸盐台地中已经发现了众多钾盐盆地, 可以推测华南地块的盐盆地也应具有成钾可能。因此, 综合大地构造、古气候、古地理和古海水化学特征等各个因素初步判断, 华南地块上扬子地区震旦纪晚期—早寒武世具有成钾的必要条件。
(1)华南地块震旦纪晚期—早寒武世是东冈瓦纳大陆的一部分, 位于印度大陆的西北缘。
(2)灯影组具有与印度、巴基斯坦、阿曼和伊朗等地同时期沉积相似的特征, 并形成一个巨大的碳酸盐台地。
(3)灯影组和盐岭组均为冈瓦纳大陆北缘被动大陆边缘盆地的沉积, 形成的蒸发岩具有相似的沉积序列和形成条件。
(4)华南地块灯影组具有成钾的必要条件。
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致谢: 本文写作过程中得到了中国科学院南京地质与古生物研究所的孟凡巍副研究员的鼓励和帮助;期刊编辑部对文章编排提供了大量的帮助。在此一并致谢!
Tectonic and Sedimentary Settings of Evaporites in the Dengying Formation, South China Block: Implications for the Potential of Potash Formation
WANG Li-cheng, LIU Cheng-lin, ZHANG Hua
MLR Key Laboratory of Metallogeny and Mineral Assessment, Institute of Mineral Resources,Chinese Academy of Geological Sciences, Beijing100037
The formation of marine potash salts needs a coupled mechanism of tectonics, palaeoclimate, and source. Tectonic element is the primary controlling factor. A sequence of marine evaporites was developed in the Late Sinian–Early Cambrian Dengying Formation in South China Block (SCB). An integrated literature analysis of the position of continents, palaeo-altitude, palaeoclimate, palaeogeography, and seawater chemistry indicates that the SCB should be an integral part of Gondwana close to the northwestern margin of India. Deposits of the Dengying Formation are similar to those in India, Pakistan, Oman, and Iran. These deposits were deposited in a giant carbonate platform. Shallow restricted marine evaporites were developed in the carbonate platform with the highest temperature up to about 40 ℃ . A comparison of tectonic and sedimentary setting between SCB and Salt Range indicates that the evaporite-bearing Dengying and Salt Range formations were deposited in a shallow marine environment on the northern margin of the Gondwanaland passive continent and shared the similar evaporitic sequence and formation conditions. It is thus inferred that the Dengying Formation in the SCB has the essential conditions for the formation of potash deposits.
South China Block; Dengying Formation; position of continent; evaporite
P534.31; P588.247/01
A
10.3975/cagsb.2013.05.09
本文由国家“973”计划项目(编号: 2011CB403007)资助。
2013-04-24; 改回日期: 2013-07-19。责任编辑: 闫立娟。
王立成, 男, 1983年生。助理研究员。主要从事蒸发岩沉积地质与矿床学研究。通讯地址: 100037, 北京市西城区百万庄大街26号。电话: 010-68999877。E-mail: wayne-wlc3@126.com。